Beschreibung

VERFAHREN ZUM VERSCHWEISSEN EINES ROHRENDES MIT DER AUSSENWAND EINES TRäGERS MIT EINER VERKLEINERTEN INNENSEITE DES ROHRENDES ; ANORDNUNG HERGESTELLT NACH DIESEM VERFAHREN ; ULTRASCHALLDURCHFLUSSMESSGERäT

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verschweißen eines Rohrendes mit der Außenwand eines Trägers, insbesondere mit der Außenwand eines Messrohres eines Ultraschalldurchfluss- messgeräts, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, eine Anordnung, hergestellt nach dem Verfahren, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 2 sowie ein Ultraschalldurchflussmess- gerät gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 3.

Ein Ultraschalldurchflussmessgerät ist beispielsweise aus der DE 103 28 662 Al bekannt. Ein strömendes Medium, dessen Durchflussvolumen gemessen werden soll, wird durch ein Messrohr geleitet, an dessen Rohrwand axial gegeneinander versetzt Ultraschallwandler angebracht sind. Diese werden wech- seiweise als Sende- und Empfangswandler betrieben. Zur Durch- flussmessung wird stromaufwärts und stromabwärts jeweils ein Ultraschallsignal gesendet. Aus der Zeitdifferenz zwischen der Laufzeit des Stromaufwärtssignals und der Laufzeit des Stromabwärtssignals kann die Volumenströmung des Mediums berechnet werden.

Bei einem Ultraschalldurchflussmessgerät, das nach dem Dopplerprinzip arbeitet, genügt bereits die Anbringung eines Ultraschallwandlers an der Messrohrwand, der sowohl als Sender als auch als Empfänger eines Ultraschallsignales dient.

Zur Anbringung von Ultraschallwandlern am Messrohr sind verschiedene Möglichkeiten bekannt. Bei der Clamp-On-Technik werden die Ultraschallwandler an die Außenwand des Messrohres angedrückt und strahlen somit das Ultraschallsignal durch die Wand hindurch in das strömende Medium hinein. Bessere Signal ^¬ eigenschaften können in Ausführungsformen erreicht werden, in

welchen der Ultraschallwandler in direktem Kontakt zum Medium steht. Dazu wird beispielsweise ein Ultraschallwandler in eine öffnung der Rohrwand eingebaut oder es wird ein Rohrstutzen an die Außenseite der Rohrwand angeschweißt, welcher den Ultraschallwandler aufnimmt. Die Anbringung eines Rohrstutzens hat dabei den Vorteil, dass die Messanordnung mit einem geringeren Herstellungsaufwand verbunden ist. Wird der Rohrstutzen durch eine Schweißverbindung an der Außenwand des Messrohrs befestigt, so muss diese Schweißverbindung entspre- chend der Norm EN 13445-3:2002 für unbefeuerte Druckbehälter konstruiert werden. Für Aufschweißstutzen, das heißt lediglich auf der Außenseite der Wand verschweißte Stutzen, schreibt diese Norm vor, dass die Stirnfläche des Stutzens zur Vermeidung mechanischer Spannungen in der Schweißverbin- düng vor dem Schweißen durch Reduzierung der Rohrwanddicke im Endbereich verkleinert wird. Bei einem Stutzen mit einer Wanddicke von beispielsweise 5 mm sollte die Wanddicke unmittelbar an der Stirnfläche des Rohrendes nicht mehr als einen Millimeter betragen. Dies wird dadurch erreicht, dass am Rohrende eine konische Verjüngung in einem Winkel von beispielsweise 45° angebracht wird. Wenn jedoch der Rohrstutzen derart mit der Außenwand des Trägers oder Messrohrs verschweißt werden soll, dass die Rohrachse des Stutzens gegenüber der Senkrechten auf der Trägerfläche geneigt ist, tritt das Problem auf, dass es in dem Bereich, in welchem zwischen der Außenseite des Rohres und der Trägerfläche ein spitzer Winkel eingeschlossen wird, erschwert wird, mit einem Schweißbrenner an die Schweißkerbe zu gelangen, selbst wenn die Reduzierung der Rohrwanddicke in dazu optimierter Weise vorgenommen wurde.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Verschweißen eines Rohrendes mit der Außenwand eines Trägers, eine Anordnung, die nach dem Verfahren hergestellt ist, und ein Ultraschalldurchflussmessgerät zu schaffen, mit welchem selbst dann eine sichere, druckfeste Schweißverbindung gewährleistet ist, wenn die Rohrachse gegenüber der Senkrechten auf der Trägerfläche geneigt ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe weist das neue Verfahren zum Verschweißen eines Rohrendes mit der Außenwand eines Trägers der eingangs genannten Art die im kennzeichnenden Teil des An- Spruchs 1 angegebenen Merkmale auf. In den Ansprüchen 2 und 3 sind eine Anordnung, die nach dem Verfahren hergestellt ist, bzw. ein Ultraschalldurchflussmessgerät beschrieben.

Die Erfindung hat den Vorteil, dass die Schweißkerbe beim Schweißvorgang auch in dem Bereich, in welchem zwischen der Außenseite des Rohres und der Trägerfläche ein spitzer Winkel eingeschlossen wird, für einen Schweißbrenner gut zugänglich ist. Dadurch wird eine sichere Verschweißung bis in den Bereich hinein, in welchem das Rohrende auf die Trägerfläche aufsetzt, ermöglicht. Spalten zwischen dem Rohrende und der

Trägerfläche und damit die Möglichkeit einer Spaltenkorrosion beim Langzeiteinsatz insbesondere bei der Verwendung von rostfreiem Stahl werden weitgehend vermieden. Zudem wird aufgrund der guten Zugänglichkeit für den Schweißbrenner der Schweißprozess beschleunigt und somit der Herstellungsaufwand der Schweißverbindung vermindert. Die Druckfertigkeit der Schweißverbindung wird verbessert, da der Radius der Kehlnaht im Bereich spitzer Winkel vergrößert wird und somit Zentren mechanischer Spannung abgeschwächt werden.

Bei einer Verwendung des neuen Verfahrens zur Anbringung eines Rohrstutzens an ein Messrohr eines Ultraschalldurchfluss- messgeräts wird es zusätzlich zur Verbesserung der Schweißverbindung ermöglicht, den Rohrstutzen mit stärkerer Neigung am Messrohr zu befestigen. Dadurch erlaubt es die Anordnung, Schallsignale in spitzem Winkel in das Messrohr einzustrahlen, wodurch in vorteilhafter Weise die Länge des Schallpfades in dem strömenden Medium vergrößert werden kann. Dadurch wird eine Verbesserung der Messgenauigkeit des Ultraschall- durchflussmessgeräts erzielt. Dies wirkt sich umso mehr aus, wenn zur Verringerung des Einflusses des Strömungsprofils im Messrohr auf das Messergebnis der Rohrstutzen gegenüber der Rohrmitte versetzt angebracht wird, damit das Schallsignal

seitlich an der Achse des Messrohres vorbeigeführt wird. Durch einen derartigen Versatz wird nämlich der Wert des kleinsten Winkels, der zwischen Außenseite des Rohrstutzens und Trägerfläche eingeschlossen wird, weiter verringert. Eine Herstellung der Schweißverbindung in herkömmlicher Weise würde daher zusätzlich erschwert.

Anhand der Zeichnungen, in denen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt ist, werden im Folgenden die Erfindung sowie Ausgestaltungen und Vorteile näher erläutert.

Es zeigen:

Figur 1 eine Prinzipdarstellung eines Ultraschalldurch- flussmessgeräts und

Figur 2 eine Schweißverbindung.

Figur 1 zeigt ein Beispiel eines Ultraschalldurchflussmess- geräts mit zwei Ultraschallwandlern 1 und 2, die jeweils in einem Rohrstutzen 3 bzw. 4 gehaltert sind, welche ihrerseits an der Außenwand eines Messrohrs 5 durch eine Schweißverbindung befestigt sind. Zur Messung des Volumendurchflusses eines Mediums, das durch den Innenraum des Messrohrs 5 entspre- chend einem Pfeil 6 strömt, sendet zu einem Zeitpunkt der

Ultraschallwandler 1 ein Ultraschallsignal entsprechend einem Pfeil 7 aus, das durch den Ultraschallwandler 2 empfangen wird. In einer Einrichtung 8 zur Ansteuerung der Ultraschallwandler 1 und 2 und zur Auswertung des Empfangssignals wird die Laufzeit des Stromaufwärtssignals gemessen und abgespeichert. Zu einem anderen Zeitpunkt sendet der Ultraschallwandler 2 in umgekehrter Richtung entsprechend einem Pfeil 9 ein Ultraschallsignal stromabwärts, das durch den Ultraschallwandler 1 empfangen wird. Wiederum wird in der Einrichtung 8 die Laufzeit gemessen. Anhand der Laufzeiten und unter Berücksichtigung der Geometriedaten des Messrohrs 5 sowie eventuell der Medientemperatur wird der Volumendurchfluss des Mediums durch das Messrohr 5 berechnet und beispielsweise über

einen Feldbus 10 an eine übergeordnete, der übersichtlichkeit wegen nicht dargestellte Leitstation zur weiteren Verarbeitung in einer automatisierungstechnischen Anlage gemeldet.

In einer bevorzugten Ausführungsform schließen die Achse 11 des Rohrstutzens 3 und die Achse 12 des Messrohrs 5 einen Winkel α von 40° ein. Das heißt, die Rohrachse 11 des Rohrstutzens 3 ist gegenüber der Senkrechten auf der Trägerfläche, nämlich der Außenwand des Messrohrs 5, um 50° geneigt. Das führt dazu, dass in einem Bereich 13 zwischen der Außenseite des Rohrstutzens 3 und der Trägerfläche ein spitzer Winkel eingeschlossen wird, der dem Winkel α entspricht. Dagegen bildet sich in einem gegenüberliegenden Bereich 14 ein stumpfer Winkel. Das Ende des Rohrstutzens 3 ist im gesamten Umfangsbereich mit der Außenwand des Messrohrs 5 verschweißt .

Alternativ zum gezeigten Ausführungsbeispiel mit zwei Ultraschallwandlern an einem Messrohr können in einer so genannten Multi-Path-Anwendung mehrere Paare von Ultraschallwandlern vorgesehen werden, die entsprechend mehrere Schallsignalpfade bilden. Beispielsweise ist es möglich, dass ein Ultraschallpaar einen Schallpfad erzeugt, der in der Zeichnungsebene vor der Achse 12 des Messrohrs 5 entlangläuft, während ein ande- res Wandlerpaar sich in der Zeichnungsebene dahinter befindet und einen Schallpfad, welcher hinter der Achse 12 entlangläuft, bildet. Bei einer derartigen Wandleranordnung können Messfehler, die durch das Strömungsprofil oder durch einen Drall in der Strömung verursacht werden, weitgehend eliminiert werden. Aufgrund des dabei entstehenden Versatzes der Rohrstutzen gegenüber der Mitte des Messrohrs 5 wird der aufgezeigte Effekt einer Zuspitzung des Winkels zwischen Außenseite des Rohrstutzens und Trägerfläche zusätzlich verstärkt.

Als Materialien für Messrohr 5 und/oder Rohrstutzen 3 sind beispielsweise Eisen oder Stähle in verschiedenen Ausführungen, insbesondere rostfreier Stahl, geeignet. Die Schweiß-

Verbindung zwischen den Rohrstutzen 3 und 4 und dem Messrohr 5 kann je nach Anwendungsfall mit verschiedenen Verfahren hergestellt werden. Beispielsweise können Metallschutzgasschweißen (MIG/MAG) oder Wolfram Inertgasschweißen (WIG) in Frage kommen. Eine übliche Wanddicke der Rohrstutzen 3 und 4 ist 5 mm bei einem Durchmesser von ca. 35 mm. Der Durchmesser des Messrohrs 5 beträgt üblicherweise zwischen 100 und 4000 mm. Mit der neuen Art der Schweißverbindung können sogar Durchmesser bis zu 25 mm ermöglicht werden.

Figur 2 zeigt die Verbindung des Rohrstutzens 3 mit dem Messrohr 5. Gleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Die Stirnfläche 15 des Endes des Rohrstutzens 3 ist zur Vermeidung mechanischer Spannungen in der Schweißverbindung vor dem Schweißen durch eine Reduzierung der Rohrwanddicke im Endbereich verkleinert. Diese Reduzierung erfolgt in einem Bereich 13, in welchem zwischen der Außenseite des Rohrstutzens 3 und der Trägerfläche, das heißt der Außenwand des Messrohrs 5, ein spitzer Winkel eingeschlossen wird, dadurch, dass von der Innenseite des Rohrstutzens 3 Material entfernt wird. Dabei entsteht eine Innenkante 16. In einem anderen Bereich 14, in welchem zwischen der Außenseite des Rohrstutzens 3 und der Trägerfläche ein stumpfer Winkel entsteht, wird zur Verkleinerung der Stirnfläche Material von außen, beispielsweise durch ein Span abhebendes Verfahren, entfernt. Um die Fügestelle herum wird anschließend mit einem Schweißbrenner eine Kehlnaht 17 gelegt. An dieser Darstellung wird deutlich, dass durch die gewählte Art der Verbindung zwischen Rohrstutzen 3 und Messrohr 5 praktisch keine Spalten zwischen den Teilen verbleiben, dass die Schweißverbindung mit einfachen Mitteln herstellbar ist und dass die einschlägigen Vorschriften eingehalten werden.