Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Induktionsbiegeumformen eines druckfesten Rohrs mit großer Wandstärke und großem Durchmesser, insbesondere an einem Kraftwerks- und Pipelinerohr, mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.

Zur Durchleitung von flüssigen und gasförmigen Medien unter Druck werden Rohre aus Stahl benötigt, die eine große Wandstärke besitzen, um den Beanspruchungen Stand zu halten. Solche Anforderungen gelten beispielsweise für den Transport von Heißdampf in Kraftwerken, wo Rohrbiegungen erforderlich sind, um die Rohrleitungen an die baulichen Gegebenheiten anzupassen, oder für den Transport von Rohöl in Pipelines über weite Strecken, wo in regelmäßigen Abständen Kompensatoren, sogenannte Lyrabögen, eingesetzt sind, um thermisch bedingte Längenänderungen zu kompensieren. Um einen großen Durchsatz zu ermöglichen, ist ein großer Öffnungsquerschnitt und dementsprechend ein großer Rohraußendurchmesser erforderlich. Rohre, auf die sich das vorliegende Verfahren bezieht, besitzen üblicherweise Nenndurchmesser größer 300 mm und ein Verhältnis von Durchmesser zu Wandstärke von 10:1 bis 100: 1 , typischerweise von 20: 1 bis 70: 1.

Ein solches Verfahren zum Induktionsbiegeumformen ist seit langem bekannt, beispielsweise aus der DE 2513561 A1 und ist fortlaufend verbessert worden, um trotz der enormen Abmaße sehr maßhaltige Rohrbiegungen herstellen zu können. Die Umformung derartig massiver Rohre gelingt nur durch eine induktive Erwärmung einer schmalen Ringzone bis auf eine Umformtemperatur oberhalb von 850°C . In der Wärmeeinflusszone kommt es dabei zu Gefügeänderungen im Werkstoff, bei dem es sich meist um einen Feinkornstahl handelt. Um das Gefüge nach der Warmumformung zu homogenisieren und damit die mechanischen Eigenschaften des Stahls zu verbessern, wird der Rohrbogen oftmals nachträglich bei einer Temperatur von etwa 600°C wärmebehandelt. Die geraden Rohrstücke, die sich vor und nach dem Rohrbogen anschließen und auch als Tangenten bezeichnet werden, werden durch die nachträgliche Wärmebehandlung ebenfalls beeinflusst. Da sie aber zuvor nicht im Laufe des Umformprozesses auf hohe Temperatur erwärmt wurden und ihr Gefüge daher unverändert geblieben ist, wirkt sich die nachträgliche Wärmebehandlung auf diese Teilstücke negativ aus; sie verspröden. Diese Teilstücke müssen daher abgetrennt werden und der durch Induktionsbiegeumformen hergestellte Rohrbogen muss an neue Tangenten angeschweißt werden.

Nachteilig ist dies wegen des hohen Arbeitsaufwandes insbesondere dann, wenn mehrere Rohrbiegungen, auch in unterschiedlichen Richtungen, nacheinander an demselben Rohrstück vorgenommen werden, wie dies durch die in der DE 10 2010 020 360 A1 beschriebene Vorrichtung ermöglicht wird. Die damit erreichte Vereinfachung und Beschleunigung des Leitungsbaus durch Herstellung eines dreidimensionalen Rohrgebildes in nur einem Arbeitsgang wird zunichte gemacht, wenn die geraden Tangentenstücke ersetzt werden müssen, weil zur Erreichung bestimmter Festigkeitswerte eine Wärmenachbehandlung des Rohrgebildes erforderlich ist. Um dies zu vermeiden, ist nur der Einsatz von Rohren aus höher festen Stählen und/oder mit größerer Wanddicke möglich, um nach der Wärmenachbehandlung an den Tangenten die mechanisch erforderlichen Mindest-Festigkeitswerte für das Gesamtgebilde zu behalten. Dieser Ausweg ist aber aufgrund der erheblich höheren Werkstoffpreise ebenfalls nachteilig.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, das Verfahren der eingangs genannten Art so zu verbessern, dass negative Einflüsse des Umformprozesses auf die Festigkeitswerte des Werkstoffs in den sich an den Rohrbogen anschließenden Tangenten vermieden werden. Zur Lösung sieht die Erfindung das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vor.

Der erfindungsgemäße Lösungsansatz beruht darauf, die Tangenten vor und hinter der Biegung einer exakt gleichen Wärmebehandlung zu unterziehen, wie sie der Abschnitt des Rohres in der Biegung während der Umformung erfahren muss, also die Tangenten mit der gleichen Durchlaufgeschwindigkeit durch die Induktionsvorrichtung zu führen wie bei dem zu biegenden Rohrabschnitt, und dabei außerdem die gleiche Temperatur in der Induktionsvorrichtung wie auch die gleichen Kühlparameter im Anschluss daran anzuwenden. Der Unterschied beim Durchlauf der Tangenten besteht also lediglich darin, dass das Rohr während der Behandlung der Tangente nicht im Biegeschloss eingespannt ist und daher beim Vorschub keinerlei Gegenkräfte wirken.

Die alleinige Klemmung am hinteren Ende des Rohrs ohne eine weitere Abstützung ermöglicht es, unabhängig von der Einspannung des vorderen Endes in dem Biegeschloss zu operieren, und ermöglicht weiterhin, den Induktor ungehindert von Abstützeinrichtungen entlang der Rohrwand in Richtung des hinteren Endes zu verfahren.

Die erfindungsgemäße Lösung sieht eine exakte Abstimmung der Bewegungen der Vorschubeinheit und des Induktors vor, die durch eine Steuerungseinheit ausgeführt und überwacht werden. Diese Schritte werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Die Figuren zeigen im Einzelnen:

Fig. 1 eine Induktions-Rohrbiegevorrichtung in schematischer Ansicht;

Fig. 2a - 2d jeweils die Induktions-Rohrbiegevorrichtung in verschiedenen Stellungen während der Durchführung des Verfahrens; und

Fig. 3, 4 je ein Ablaufdiagramm, in welchem Bewegungsgeschwindigkeiten über dem Weg aufgetragen sind.

Figur 1 zeigt eine Induktions-Rohrbiegevorrichtung 100, die ein ortsfestes Maschinenbett 10 umfasst, auf dem eine Haltevorrichtung 11 für ein Rohr 1 angeordnet ist. Die Haltevorrichtung 11 greift das Rohr 1 an dessen hinterem Ende und spannt es fest ein. Außerdem ist die Haltevorrichtung 1 1 in Richtung einer Rohrmittelachse 2, welche zugleich die Vorschubrichtung angibt, gegenüber dem Maschinenbett 10 verschiebbar. Der Vorschub erfolgt über eine Hydraulikeinheit 12.

Eine Induktionseinrichtung umfasst einen ringförmigen Induktor 20, der mit seinem Zentrum im Bereich der Rohrmittelachse 2 positioniert ist. Erfindungsgemäß ist eine lineare Versteileinrichtung 21 vorgesehen, um den Induktor 20 relativ zum Maschinenbett 10 verfahren zu können.

Ein Biegearm 30 ist schwenkbar an einer vertikalen Biegeachse 32 gelagert, wobei der Abstand der Biegeachse 32 senkrecht zur Rohrmittelachse 2 eingestellt werden kann, um den gewünschten Biegeradius vorzugeben. Auf dem Biegearm 30 ist ein Biegeschloss 31 angeordnet, mit dem das Rohr 1 gegriffen und geklemmt werden kann.

Relativ nahe zum Induktor 20 und der Wärmeinflusszone ist eine Kühlvorrichtung 40 angeordnet, mit der z. B. mit Wasser eine Abkühlung der Oberflächentemperatur bewirkt wird, sobald der entsprechende Längenabschnitt aus der Umformzone herausgetreten ist.

Zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens sind Sensoren zur Aufnahme von Weg und Geschwindigkeit des Rohrs 1 sowie des Induktorrings 20 vorgesehen sowie Steuerungsmodule in einer Steuereinheit, mit denen die Wege und Geschwindigkeit sowie die Zu- und Abschaltung der Induktoreinheit in die erfindungsgemäß vorgesehenen Zusammenhänge gebracht werden.

In den Figuren 2a bis 2d sind verschiedene Stadien während der Durchführung des Verfahrens dargestellt. Figur 3 zeigt die zu den Darstellungen in den Figuren 2a bis 2d zugehörigen Zeitpunkte bzw. Phasen t1 bis t6 in einem Diagramm, in welchem der obere Graph die Geschwindigkeit der Vorschubeinrichtung bzw. den Längsvorschub v _R des Rohrs 1 über dem Weg angibt und der untere Graph die Verfahrge- schwindigkeit vi des Induktors über dem Weg. Positive Geschwindigkeitswerte entsprechen einer Bewegung in Vorschubrichtung; negative Werte kennzeichnen eine gegenläufige Bewegung.

Zu dem in Fig. 2a dargestellten Startzeitpunkt ist das vordere Rohrende in den Induktorring 20 geschoben, welcher sich auf seiner axialen Ausgangsposition befindet. Im Unterschied zum Induktionsbiegeumformen nach dem Stand der Technik ist das vordere Rohrende, das auch später am umgeformten Rohrbogen die vordere Tangente 3 bildet, noch nicht im Biegeschloss 31 fixiert.

Die Induktionseinrichtung 20 und die Kühleinrichtung werden eingeschaltet und der axiale Vorschub des Rohres 1 erfolgt in einer ersten Phase (siehe Fig. 3) mit einer konstanten Rohrvorschubgeschwindigkeit v _R . Diese beträgt typischerweise 3 mm - 200 mm pro Minute. Hierdurch wird die Tangente 3 am Rohr 1 genauso wärmebehandelt wie bei der anschließenden Umformung, ohne dass jedoch tatsächlich eine Umformung erfolgt. Diese Phase ist in dem Zeit-Geschwindigkeits-Diagramm in Figur 3 als t1 bezeichnet. Wie daraus ebenfalls erkennbar, liegt keine Verfahrge- schwindigkeit vi des Induktors 20 vor; dieser steht also stationär.

Um nun mit dem Biegeprozess zu beginnen, muss das Biegeschloss 31 auf dem Biegearm 30 das Rohr 1 greifen und klemmen, so dass die Kräfte eingeleitet werden können, die zur Biegung führen. Allerdings benötigt das Zufahren des Biegeschlosses 31 und das Aufbringen der Klemmkräfte eine gewisse Zeitspanne. Während des Zufahrens muss aber eine Relativbewegung zwischen Biegeschloss 31 und Rohr 1 vermieden werden. Der Biegearm 30 mit seinem Biegeschloss 31 kann aber andererseits auch nicht parallel zum Vorschub des Rohres 1 bewegt werden, weil der konstruktive Aufwand für eine solche Längsverschiebung der Lagerung des Biegearms 30 viel zu hoch wäre und weil sich dann außerdem der Abstand des Biegeschlosses 31 von der Erwärmungszone am Induktorring 20 verändern würde.

Daher ist nach der Erfindung in einer kurzen Phase t2 (vgl. Fig. 3) vorgesehen, die Relativbewegung zwischen Rohr 1 und Biegeschloss 31 dadurch aufzuheben, dass der Rohrvorschub gestoppt wird, also die Rohrvorschubgeschwindigkeit v _R = 0 ist, und zugleich den Vorschub des Rohres 1 relativ zum Induktor 20 dadurch beizubehalten, dass dieser mit einer Verfahrgeschwindigkeit Vi entgegengesetzt zur Vorschubrichtung und mit dem gleichen Betrag der Geschwindigkeit v _R wie der Rohrvorschub bewegt wird. Soweit ein allmähliches, lineares Abbremsen des mechanischen Rohrvorschubs notwendig ist, beginnt zugleich bereits die rückläufige Bewegung des Induktors 20, so dass die Relativgeschwindigkeit immer konstant ist, was in gleich bleibenden Abständen der beiden Graphen für v _R und Vi in Figur 3 erkennbar ist.

Mit dem Stillstand des Rohres 1 kann das Biegeschloss 31 zugefahren werden, wie Figur 2b zeigt. Währenddessen führt der Induktor 20 seine gegenläufige Bewegung mit konstanter Verfahrgeschwindigkeit vi fort. Sobald das Biegeschloss 31 das Rohr 1 geklemmt hat, wird die Induktorgeschwindigkeit Vi in der Phase t3 auf Null zurückgeführt und zugleich die Rohrvorschubgeschwindigkeit v _R des Rohrs 1 linear erhöht. Die Geschwindigkeitsdifferenz Δν = v _R - Vi ist immer gleich, so dass die Durchlaufgeschwindigkeit jedes differentiellen Längenabschnitts am Rohr 1 durch den Induktor 20 gleich ist und somit stets derselbe Energieeintrag von dem Induktor in den Rohrmantel erfolgt. Der Induktor 20 bewegt sich während der Phase t3 zurück in seine Ausgangsposition, die der Arbeitsposition für den Biegevorgang entspricht.

Soll nun ein Rohrbogen hergestellt werden, kann die Anfangsstelle der Biegung, die am Ende der Phase t3 vorliegt, beliebig auf der Längsachse 2 des Rohres 1 liegen. Hingegen müssen die vorstehend beschriebenen Vorgänge bei t1 , t2 und t3 mit einem genau berechneten Vorlauf begonnen werden, damit eine bestimmte axiale Rohrposition für den Beginn der Biegung erreicht wird, wenn die Biegung begonnen wird.

Während der Phase t4 erfolgt das an sich bekannte Induktionsbiegeumformen zur Herstellung eines Rohrbogens 4 mit konstanter Rohrvorschubgeschwindigkeit V _R und stationärem Induktor 20, wie in Figur 2c dargestellt.

Um nach der Fertigstellung des Rohrbogens 4 auch eine hintere Tangente 5 am Rohr 1 der gleichen Wärmebehandlung zu unterziehen wie die übrigen Längenabschnitte am Rohr 1 , erfolgen die Bewegungen von Rohr 1 und Induktor 20 entgegen gesetzt zu dem oben beschriebenen Startvorgang.

Kurz vor Erreichen der vorgesehenen Bogenlänge wird in Phase t5 der Rohrvorschub mit der Geschwindigkeit v _R allmählich abgebremst und zugleich startet die gegenläufige Bewegung des Induktors 20, und zwar mit einer solchen Verfahrgeschwindigkeit Vi, dass die Relativbewegung zwischen Rohr 1 und Induktor 20 konstant bleibt. Dadurch bleibt auch die Verweilzeit jedes Längenabschnitts des Rohrs 1 in der wandernden Wärmeeinflusszone konstant. Bei Stillstand des Rohres 1 kann das Biegeschloss 31 geöffnet werden. Damit ist das Rohr 1 nun völlig ungehindert durch den Biegearm 30.

Um nur eine kurze endseitige Tangente 5 am Rohr 1 zu behandeln, kann der Induktor 20 einfach in Phase t6 mit konstanter Verfahrgeschwindigkeit Vi bis in seine dem Maschinenbett 10 zugewandte Endposition verfahren werden, siehe Figur 2d. Dort wird dann der Induktor 20 gestoppt und die Induktionseinrichtung abgestellt. Das nicht wärmebehandelte Reststück am Rohr 1 wird gekennzeichnet und direkt abgetrennt, spätestens aber nach der Wärmebehandlung des so hergestellten Rohrbogens 3 mit seinen endseitigen Tangentenabschnitten 3, 4.

Um eine längere Tangente 5 zu erhalten, insbesondere eine Tangente 5, an die sich unmittelbar eine weitere Rohrbiegung anschließt, kann das Verfahren fortgesetzt werden, wie aus dem weiteren Ablaufdiagramm nach Figur 4 ersichtlich. Dazu wird in der Phase t7, in gleicher Weise wie in Phase t3, der Längsvorschub des Rohres 1 allmählich aufgenommen werden und der Induktor 20 in seine Ausgangsposition zurückgeführt. Nun kann in Phase t8 bei konstanter Rohrvorschubgeschwindigkeit v _R die Wärmebehandlung der Tangente 5 solange fortgesetzt werden, wie es erforderlich ist, um eine ausreichend lange, wärmebehandelte Tangente 5 zu erhalten. Das Biegeschloss 31 ist in dieser Phase unbeteiligt. Die Phase t8 entspricht somit der Phase t1.