DE1602335A1

DE1602335A1 - Verfahren zum Herstellen rohrfoermiger Bauteile und nach dem Verfahren hergestellte Bauteile

Info

Publication number: DE1602335A1
Application number: DE19671602335
Authority: DE
Inventors: Secord Herbert Campbell
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1966-01-24
Filing date: 1967-01-21
Publication date: 1970-05-14
Also published as: US3530567A; SE339677B; GB1176241A; FR1508841A

Description

Herbert Campbell Secord, Little Cheverells, Markyate, Grafschaft Hertfordshire (England)

Verfahren zum Herstellen rohrförmiger Bauteile und nach dem Verfahren hergestellte Bauteile

DIs vorliegende Erfindung betrifft rohrförmige Bauteile und inabesondere Pipe-Line-Hohre₉ doho Rohre von großem Durchmesser, die in beträchtlichen Langen über Land oder unter Wasser verlegt werden und zum Transport von Gas₉ öl oder anderen Flüssigkeiten bei hohem Druck dienen» ^

Die rohrförmigen Bauteile der vorliegenden Erfindung sind durch Aufwickeln eines dünnen» breiten aufgespulten Metallstreifense insbesondere Stahlstreifens, her* "'"''gÖs^e^Dfc, wobei der Streifen spiralförmig mit einer

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Vielzahl von Überlappungsstellen aufgewickelt wird«

Sas erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen der rohrfömrigen Bauteile besteht darin, daß zunächst ein oder mehrere Metallstreifen in der Ebene ihrer Fläche gekrümmt und dann spiralförmig sich selbst überlappend derart aufgewickelt werden, daß jede Überlappung eine teilkonische Lage hat und die Wandstärke des Sauteiles an jeder Stelle von einer Vielzahl von Überlapptingen gebildet ist, und daß darauf die Überlappungen durch eine Expansion über ihre Streckgrenze gegeneinander abgeflacht werden, um die zwischen ihnen liegenden Spalte zu schließen«

Unabhängig davon, ob die Überlappungen verstärkt sind oder nicht, werden sie aufgrund der von dem Druck der geförderten Flüssigkeit zwischen ihnen erzeugten Reibung fest aneinander gehalten» Verstärkungen lassen sich beispielsweise durch Einsätze, besondere Oberflächen» behandlungen, Dichtmittel, synthetische Klebstoffe oder durch lotartige Aufträge erzeugen, die auf alle oder einzelne der sich berührenden Flächen aufgetragen werden« Xm allgemeinen werden solche Verstärkungen zweckmäßig sein, um die Verdrehfestigkeit zu erhöhen, Leck- stellen zu vermeiden und um in einigen Fällen, den Wider-

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stand gegen ein Eindrücken bzw. die Zugfestigkeit bei nicht mit Druck beaufschlagten Rohren zu erhöhenο

Es ist bereits ein Verfahren sum Herstellen zylindrischer Gefäße bekannt« bei dem ein gerader Metallstreifen sich selbst überlappend spiralförmig aufgewickelt ist, wobei dieser Metallstreifen sowohl ausreichend dünn als auch ausreichend fest iat, um ein Aufwickeln unter extremer Zugspannung auf einen sich drehenden, zusammenklappbaren Dorn zu ermöglichen» so daß sich der Streifen selbst in die teilkonische Lage dadurch bringt, daß er sich differenziert innerhalb seiner Elastizitätsgrenze dehnte

Dieses bekannte Verfahren hat den Kachteil, daß es wegen seiner Anforderungen an die Eigenschaften des Streifens und ata das wickelverfahren selbst nicht für die kommerzielle Herstellung von Rohren großen Durchmessers geeignet ist. ■'-■

Die vorliegende Erfindung vermeidet diesen Nachteil dadurch, daß ein Streifen verwendet wird, der In der Ebene seiner Flache gekrümmt ist - und nachstehend als "gekrümmter Streif en" bezeichnet 1st -,so daß seine Außenkante länger ist als seine Innenkante, und zwar um einen Betrag, der der Differenz zwischen den spiralförmigen Wegen ent=

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spricht, die im Bereich der zugeordneten Kanten im Innen- bzw. Außenumfang des Rohres liegen« Das tatsächliche Verhältnis von Außenkantenlänge zu Innenkantenlänge _s das einen vollständigen j spaltlosen teilkonischen Kontakt zwischen allen Überlappungen gestattet ohne erwähnenswerte differentielle elastische Verformungen, bestimmt sich nach der Gleichung:

sin Q + cos β

Xn dieser. Gleichung 1st D der Außendurchmesser, d der Innendurchmesser und θ der Spiralwinkel, der der Winkel zwischen der Innenkante des aufgewickelten Streifens und der Rohrachse entspricht.

Der gekrümmte Streifen läßt sich durch Rollstrecken eines im wesentlichen gleichförmig dicken Streifens erzeugen, so daß der derart behandelte Streifen im Querschnitt seiner Breite eine leichte hohle Kellform annimmt ο Der Streifen wird also zwischen zusammenwirkenden Rollen differenziert so gestreckt, daß die Streckwirkung die plastische Verlängerung progressiv über die Streifenbreite erhöht, wodurch dieser gekrümmt wird* Der Querschnitt eines aolchen Streifens entspricht der Gleichungs

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In dieser Gleichung bedeutet t die Streifendicke in einem beliebigen Abstand W von der kürzeren Innenkante» an der die Sicke T ist, und H ist der Krümmungsradius des Streifens in der Ebene« Wenn ein solcher Streifen aufgewiekelt wird$ nimmt er eine leichte Kegelstumpfform an, bei der kleine Spalte zwischen aufeinanderfolgenden Überlappungen an der Außenkante entstehen.

Die Selbstüberlappuag ohne nennenswerte Aufwickelspannung gestattet, daß das Rohr sein eigener Dorn ist, wobei ein bündiges Wickeln eines gleichbleibenden Durchmessers dadurch sichergestellt wird,, daß die Größe der Wickelgeschwindigkeit der Größe der Abziehgeschwindigkeit des Bauteiles von der Wickelvorrichtung genau aufeinander abgestimmt wird»

Nach dem Wickeln wird das rohrförmlge Bauteil über seine Streckgrenze hinaus expandiert, um die Überlappungen in eine flache Lage su bringen, so daß die durch das spiralförmige Aufwickeln gebildeten Überlappungen am Außen- und Innenumfang des Bauteils fast völlig verschwinden, und um einen Reckdruck zu erzeugen, durch den ein fester Kontakt zwischen allen Überlappungen sichergestellt wird.

besonders vorteilhaftes Verfahren sum Ausführen der 009020/ötn

genannten Expansion besteht darin, daß man mit einer Kugelanordnung, bei der die Kugeln in einem Käfig gehalten und kreisförmig frei laufend auf einem Dorn angeordnet sind, gegen die Innenfläche des rohrförmigen Bauteils preßt, welches gleichzeitig über die Kugeln weggezogen wird, so daß diese in bezug auf das Bauteil auf einem spiralförmigen Weg abrollen_o Bine andere Möglichkeit besteht darin, daß man das Bauteil auf hydraulischem Wege dadurch radial ausdrückt, daß ringförmige Einsätze, die mit dem Bauteil während dessen Fertigung wandern und in diesen liegen, um ein begrenztes Maß radial expandiert werden und sich in einem zyklischen Arbeitsgang wieder zusammenziehenβ Schließlich läßt sich das Bauteil auch während des Ausdrückens biegen=

Das nach dem Verfahren erzeugte rohrförmige Bauteil enthält einen oder mehrere Metallstreifen, die spiral« förmig unter Bildung einer Vielzahl von Überlappungsstellen aufgewickelt und dann derart abgeflacht sind, daß jeder Streifen unter Zwischenschaltung von Stufen vom Rohrinnen- bis zum Rohraußenumfang reicht, wobei diese Stufen parallel zur Längsachse des Bauteiles verlaufen«

Die Erfindung 1st nachstehend anhand eines bevorzugten

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Ausfuhrungsbeispieles erläutert und in den Zeichnungen dargestelltο Ea zeigen:

Tig. 1 einen Abschnitt einer Rohrwand nach dem erfindungsgem&ßen Wickeln; und

Fig· 2 die gleiche Wand nach dem Expandieren.

Für das in den Zeichnungen in verkleinertem Maßstab geselgte Ausführungsbeispiel eines Rohres mit einem Durchmesser von etwa 600 ram und einer Wandstärke von etwa 2 ms wurde ein eineiger Stahlstreifen verwendet, der etwa 1,8 m breit und 3 an dick war. Dieser Streifen wurde so aufgewickelt! daB er in 6 Schichten IS unter einem Spiralwinkel von 80,6° liegt. Au? der Zeichnung ist «reichtlieh, daß die Wandstärke durch den Äbfiachvorgang wieder gleichaäßig wird.

. . r ■■■■■-.-

Kint einfache theoretische Betrachtung ergibt als Stabi-

litÄtsbedingung für ein Überlappungarohr, die ausschließlich auf der Reibung «wischen den einseinen Schichten beruht, folgende Gleichung:

In dieser Gleichung bedeutet: ...__^

u. χ Reibungsbeiwert rad ORIGINAL

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K : Anzahl der Streifen
H : Anzahl der Schichten
7 i 3,t+16

d : Rohrinnendurchmesser
ff : Streifenbreiteβ

Es ist ersichtlich,, daß seihst bei Streifen von 1,8 m Breite die Reibung der normal gerollten Streifen für Rohre oberhalb eines Durchmessers von 300 mm für eine ausreichende Stabilität nicht genügt· Es wird daher .normalerweise eine Verstärkung mindestens über einen Teil oder in einigen Fällen auch über-die gesamte über» lappungsflHche erforderlich sein«, Sas Rohr kann mit einer Auskleidung versehen sein, die beispielsweise aus Kunststoff oder einer Epoxy-Farbe besteht₀

Wegen der Einfachheit der Wickelvorrichtung läßt sich ein Rohr nach dem erfindungsgemäßen Verfahren an jeder Baustelle direkt'herstellen« Es 1st daher möglich, daß eine Rohrleitung ohne die Verwendung von Verbindern kontinuierlich ausgelegt wird, wie es beispielsweise für Unterwasserleitungen interessant 1st, die von der Rüste aus oder von einem Schiff ausgelegt wird, oder aber auch für Überlandleitungen, die sich mit Hilfe einer bewegbaren Plattform verlegen und auf dieser herstellen

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- gelassen ο In solchem Fall kann das Rohr mit Hilfe eines sich drehenden Wickelkopfes hergestellt werden, der den Streifen von einer koaxial angeordneten Abspulvorrichtung abzieht, die dem Wickelkopf vorgeschaltet ist. Das Rohr selbst wird kontinuierlich ohne Verdrehung abgezogen und der Wickelvorgang wird unterbrochen, wenn eine Spule leer ist₉ so daß eine neue Spule entweder durch Stumpfschweißen oder durch Zwischenlegen ihres atefanges mit dem Ende der vorhergehenden Spule verbunden werden kann. Außerdem können Abziehrollen oder -bänder verwendet werden, die das Rohr greifen, um ein Verdrehen des Rohres zu verhindern, und die die . axiale Abzugsgeschwindigkeit des Rohres vorgeben, die ein bestimmtes Verhältnis zur Wickelgeschwindigkeit hat, um den gewünschten Spiralwinkel und Graö von Überlappungen sicherzustellen«, In den Fällen, in denen zwei oder mehr Streifen verwendet werden, können sie von planetenartig angeordneten Abspulvorrichtungen abgezogen werdenο Der Streifen wird nur soweit gespannte daß ein Minimum an Spalten zwischen aufeinanderfolgenden Überlappungen entsteht, und jede verbleibende Lockerheit wird durch gleichzeitiges expandierendes Abflachen des Rohres beseitigte

Wenn es Auslegebedingungen erfordern, daß verhältnismäßig

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kurze Rohrstücke hergestellt werden, kann gleichwohl dieselbe Wickelanlage verwendet werden_o Andererseits besteht aber auch die Möglichkeit,, ein derartiges kurzes Rohr durch Drehen des Rohres herzustellen, wodurch der oder die Streifen von einer oder mehreren Abepulvorrichtungen abgezogen werden, die stationär angeordnet Bind, Ein zunächst gerader Streifen wird dabei durch Differentialrollen geführt, die den* Streifen in der erforderlichen Weise strecken und ihn krümmen, worauf der Streifen dann unmittelbar zum Rohr aufgewickelt wird, wodurch der Streifen unmittelbar vor dem Wickeln die erforderliche Krümmung hatο

flenn zwei oder mehr Streifen gleichzeitig aufgewickelt werden sollen, können die Streifen aufeinandergelegt wenden, um eine größere Wandstärke gegenüber einem Einzelstreifen zu erzeugen; die Streifen können aber auch um eine Überlappung alternierend aufeinanderfolgend gewickelt werden, und es besteht die Möglichkeit, daß zwei Streifen Seite an Seite liegend angeordnet werden, wobei der zweite Streifen an seiner Innenkante dieselbe -Dicke hat wie der erste Streifen an seiner Außenkante, sofern keilförmige Streifen verwendet werden«

Ein Rohr läßt sich durch Aufwickeln zunächst eines Innen-

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rotates und dann darüber eines Außenrohres herstellen, wobei ein Bohrteil eine Hechts- und das andere eine Linksdrehung erhält und beide aufeinanderfolgend und/ oder gleichzeitig durch Expansion abgeflacht werden₀

Vorzugsweise wird der breitest^mö'gliche Streifen verwendet· (*·Zt. im allgemeinen 1,8 m), weil die Arbeitsgeschwindigkeit der Streifenbreite proportional ist. Ohne Schwierigkeit lassen sich aber auch schmalere Streifen verwenden, wenn diese in der gewünschten Dicke billiger erhältlich sind«

Die Anzahl der Schichten wird im allgemeinen zwischen 5 und 6 liegen und von den Abmessungen und dem Verwendungszweck des Rohres sowie von der Wirtschaftlichkeit abhängen. Dennoch können Rohre mit sehr viel mehr Schieh-

⁴ ten hergestellt werden, wie es beispielsweise im Falle Ton besondere großen Durchmessern und für Bohrleitungen ■it besondere hohen Innendruck für den Transport bsw· auch die lagerung von Gas erwünscht ist.

Ein genäB der Erfindung durch Aufwickeln eines Streifen« hergestelltes Bohr ist seiner Natur nach elastischer und daher weniger bruehempfindlich als ein geschweißtes Bohr· Aufgrund seiner Itehrschiehtkonstruktion hat es eine

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Festigkeit, die den durchschnittlichen Eigenschaften des Metalle entsprechen, wohingegen einschichtige übliche Rohre unter Berücksichtigung einer garantierten MindestZugfestigkeit ausgelegt sein müssen. Aufgrund der SSehrschichtigkeit hat ein nach der Erfindung hergestelltes Bohr außerdem eine erhöhte Verformungsfähigkeit hei niedrigen Temperaturen, selbst wenn das verwendete Metall verhältnismäßig spröde ist· Die genannte LHngsfestigkeit und die Verformungseigenschaften eines gerollten Streifens wirken zusätzlich in Richtung einer Vergrößerung der resultierenden Gesamtfestigkeit des Streifens. Diese Eigenschaften machen außerdem einen möglicherweise zu Katastrophen führenden Bruch des Rohres unmögliche Sa außerdem keine Beschränkungen hinsichtlich eines Schweißens zu berücksichtigen sind, kann ein abgeschreckter und getemperter Streifen sehr hoher Festigkeit verwendet werden, um Gewicht und Kosten EU verringernο

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Claims

Ansprüche

Io Verfahren zum Herstellen rohrförmiger Bauteile, dadurch gekennzeichnet_s daß ein oder mehrere Metallstreifen (12) in der Ebene ihrer Fläche gekrümmt und dann spiralförmig sich selbst überlappend derart aufgewickelt werden, daß Jede Überlappung eine teilkonische Lage hat und die fandstärke des Bauteils an jeder Stelle von einer Vielzahl von Überlappungen gebildet ist; und daß darauf die Überlappungen durch eine Expansion über ihre Streckgrenze gegeneinander abgeflacht werden, um die zwischen ihnen liegenden Spalte zu schließen«

2ο Verfahren nach Anspruch I₉ dadurch gekennzeichnet, daß' die Krümmung des Streifens in der Ebene seiner Fläche durch Strecken mittels Differentialrollen erzeugt wird.

3o Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichne t_s daß der Streifenquerschnitt in Richtung seiner Breite ©ine Form erhält₈ die der Gleichung

♦-Hi

entspricht j, worin t die Streifendicke in einem beliebigen Abstand ff von der Streifeninnenkante, T die Streifen-

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IH

dicke an der Innenkante und H der Streifenkrümmungsradius ist»

4·. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 -» 3» dadurch gekennzeichnet, daß der Zusammenhalt zwischen den einzelnen Überlappungen durch Verstärkungeeinlagen erhöht wird»

5. Verfahren nach Anspruch 4_S dadurch gekennzeichnet, daß die sich überlappenden Streifen (12) durch Verkleben der sich berührenden Flüchen miteinander verbunden werden.

6. Verfahren nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß sum Verkleben ein synthetischer Klebstoff verwendet wird.

7» Verfahren nach Anspruch 5* dadurch gekennzeichnet, daß der Klebstoff ein Lot ist.

8* Verfahren nach einem der Ansprüche 1-5» dadurch gekennzeichnet, daß die sich überlappenden Streifen durch Reibung ihrer sich berührenden Flächen gegeneinander festgelegt werden·

9« Verfahren nach einem der Ansprüche 1-8, dadurch ge-■ ,, . . 00 982 0/0176

kennzeichnet, daß das Bauteil Bur ErBeugung der Abflachung sit Hilfe τοπ Kugeln ausgedrückt wird, die in Inneren dee Bauteils auf eines Dorn angeordnet und in einem XSfIg gehalten Bind und aloh auf kreisförnlgen Pfaden bewegen{ und daß dae ronrförmige Bauteil gleichseitig über die Kugeln derart abgezogen wird, daß diese eich auf einen spiralförmigen Pfad relativ au des Bauteil bewegen·

10* Verfahre, saoh eines der Anspruch· 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß das rohrfSrmlge Bauteil but Erzeugung der Abflachung der überlappten alt Hilfe von runden hjdranlieohen Einsätzen aust ., tiolct wird, die eloa Bueaaaen alt des Bauteil bewegen und sieh unter AnWk In begrenztes ließe radial auedehnen und bei lach · lasaen des Druckte zyklisch Bueaeaensleiien·

m Terf ehren nach eines der Ansprüche 1 ~ 10, dadurch gekennsei ohnet_v daß Bwel Streifen aufeinanderliegend aufgewickelt werden.

IS« Terf ehren nach eines der Ansprüche 1-10, dadurch gekennzeichnetr daß die Streifen aufeinanderfolgend us •in· üsdrehung alterniereül aufgewickelt werden.

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BAD OBlGtHAt

- w ■

15c Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 1O₉ dadurch gekennzeichnet j daß zwei Streifen mit ihren Längskanten aneinanderliegend aufgewickelt werden.,

-O Verfahren nach einem der Ansprüche 1 ·» 10, dadurch gekennzeichnet„ daß eine einen Metallstreifen tragende Spule auf einer Abwicke!vorrichtung befestigt wird_s die sich koaxial zu dem rohrförmigen Bauteil dreht und daß der Streifen mit einem 3ich drehenden Wickelkopf aufgewickelt wirdp während das rohrförmige Bauteil ohne Eigendrehung in Axialrichtung kontinuierlich abgezogen wird_T wobei die Abaugsgeschwindigkeit des rohrförmigea Bauteiles in ein bestimmtes Verhältnis zur Drehge-™ schwindigkeit des Wickelkopfes gebracht wird, um den erforderlichen Spiralwinkel und die Anzahl von Überlappungen zu erzeugen.

-. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 ~ 12, dadurch gekennzeichnet₈ daß zwei oder mehr Streifen von planeten förmig angeordneten Abspulvorrichtungen abgezogen und das rohrförmige Bauteil kontinuierlich ohne Eigendrehung in axialer Richtung abgezogen wird? und daß die Abzugsgeschwindigkeit des Bauteiles in ein bestimmtes Verhält-' nis zur Drehgeschwindigkeit des Wickelkopfes gebracht wird, um den erforderlichen Spiralwinkel und die erfor-

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derliche Anzahl von Überlappungen zu erzeugen«

16 „ Verfahren nach einera der Ansprüche 1 = 15 _s dadurch gekennzeichnet,, daß der oder die Streifen auf einer oder mehreren Abspulvorrichtungen angeordnet sind₉ welche sich in stationärer Lage längsseits des Bauteils "befinden, und daß der odor die Streifen durch Verdrehen' des rohrförraigeii Bauteils von den Abwickelvorrichtungen abgeflogen werden^ wobei das Bauteil kontinuierlich axial abgezogen und die Abzugsgeschwindigkeit in ein bestimm-' tee Verhältnis zur Di^ehgeschwindigkeit des Bauteils gebracht wird ο

Verfahren nach einem der vorhergehenden Anspruches dadurch gekennzeichnet«, daß das Bauteil durch Aufwickeln sunächst eines inneren und dann eines äußeren Rohres hergestellt wird, von denen das eine Rohr eine Rechts» drehung und das andere Rohr eine Idnksdrehung erhält/

18» Rohrförmiges Bauteil, dadurch gekennzeichnet, daß seine Wand aus einem oder mehreren MetallBtreifea beisteht, die spiralförmig aufgewickelt und sich mehrfach selbst überlappend angeordnet und anschließend derart abpaeflacht sind_e daß jecier Streifen mit stufenförmigen Absätzen von dem Inneren des Bauteiles bis zu dessen

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it

Außenumfang reicht_s wobei die stufenförmigen Absätze parallel zur Achse des Bauteiles verlaufen«

19* Hohrförmiges Bauteil nach Anspruch IS₉ gekennzeichnet durch eine Innenauskleidung?

20b Verfahren sum Herstellen eines gekrümmten Streifens,, dadurch gekennzeichnet« daß der Streifen zwischen Rollen derart gestreckt wird₃ daß diese ihm eine Krümmung geben,

21c Gekrümmter Streifen, dadurch gekennzeichnet_t daB sein Querschnitt in dichtung seiner Breite eine Form erhält, die der Gleichung

* -gg..
entspricht.

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