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Dokumentenidentifikation DE102006011372B4 13.12.2007
Titel Verfahren zum geprüften Herstellen von Rohren aus Stahl
Anmelder Concord Power NORDAL GmbH, 22765 Hamburg, DE;
Wagner, Franz, Wien, AT
Erfinder Appel, Christian, Dipl.-Ing., 25462 Rellingen, DE;
Wagner, Franz, Wien, AT
Vertreter White & Case LLP, 20354 Hamburg
DE-Anmeldedatum 09.03.2006
DE-Aktenzeichen 102006011372
Offenlegungstag 20.09.2007
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 13.12.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 13.12.2007
IPC-Hauptklasse B21C 37/06(2006.01)A, F, I, 20070104, B, H, DE

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum geprüften Herstellen von Rohren aus Stahl.

Rohre spielen bekanntlich in jeder menschlichen Infrastruktur eine wichtige Rolle. Abhängig auch von dem Medium, das in den Rohren geleitet wird, werden sie aus sehr unterschiedlichen Werkstoffen und Werkstoffkombinationen hergestellt. Einflussparameter für die Werkstoffauswahl des Rohres sind zum Beispiel chemische Materialverträglichkeit mit dem durchgeleiteten Medium, Abrasionswiderstand, Durchflussmenge und -geschwindigkeit und nicht zuletzt auch der Druck, unter dem das Medium durch die Rohre fließt.

Insbesondere bei Gasleitungen aus Stahl sind unter diesen Aspekten Vorschriften entwickelt worden wie zum Beispiel die Norm DIN EN 10208-2, die betreffend die Streckgrenze des verwendeten Stahls sowie die Wanddicke des daraus hergestellten Rohres Grenzwerte setzen. So werden in den Bestellvorgaben für Hochdruckrohre im Fernleitungsbau zum Beispiel nach dieser Norm in Bezug auf die Streckgrenze des Stahls (messbar z.B. nach DE 19513312) und die Wanddicke der Rohre Mindestwerte vorgegeben, um insgesamt die Rohrgüte sicherzustellen, die für die Betriebssicherheit der Rohrleitung erforderlich ist. Diese sind vom Rohrhersteller einzuhalten.

Bisherige Erfahrungen und statistische Auswertungen von verlegten Leitungen haben gezeigt, dass die Qualität der tatsächlich verlegten Rohre unnötig besser ist, als gemäß den Vorgaben zum Beispiel nach der oben genannten Norm verlangt wird. Dies erklärt sich durch Fertigungstoleranzen, die bei der Herstellung technischer Produkte nach Maßvorgaben immer zu berücksichtigen sind. Um zum Beispiel eine bestimmte vorgegebene Grenzstreckgrenze sicher bei der Produktion eines Rohres nicht zu unterschreiten, wird in der Konstruktion und Produktionsvorbereitung eine Stahlgüte gewählt und eingestellt, die sicher oberhalb des vorgeschriebenen Grenzwertes liegt. Weil aber Berechnungs- und Produktionsverfahren betreffend ihre Maßhaltigkeit immer einer gewissen Streuung oder Schwankungsbreite unterliegen, muss für die Produktion eine Streckgrenze ausgewählt werden, deren unterer Grenzwert (ihrer naturgemäß auftretenden Streuung) noch immer sicher oberhalb des vorgegebenen Grenzwertes liegt. Es ist evident, dass (gemäß Gauß'scher Verteilung) sich daraus tatsächliche Streckgrenzen-Werte der produzierten Rohre ergeben, die wie verlangt oberhalb des Grenzwertes – aber auch sozusagen „verschwenderisch" oberhalb des Grenzwertes liegen. Selbiges gilt für den ebenfalls separat vorgeschriebenen Grenzwert der Wanddicke der Rohre. Da aber sowohl die Streckgrenze als auch die Wandstärke die Qualität der produzierten Rohre positiv beeinflusst, werden zum Beispiel im Gas-Fernleitungsbau Rohre verlegt, deren Güte deutlich oberhalb des Erforderlichen liegen.

Der vorliegenden Erfindung liegt in diesem Zusammenhang die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Herstellen von Rohren aus Stahl zu liefern, bei dem die produzierten Rohre die Grenzwerte zur erforderlichen Betriebssicherheit einhalten, den für die Produktion zur Verfügung stehenden Stahl aber effizienter nutzen. Diese Aufgabe wird von einem Verfahren zum geprüften Herstellen von Rohren aus Stahl mit den Merkmalen des Patentaspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Erfindungsgemäß wird bei der Herstellung von Rohren aus Stahl, die einer bestimmten mechanischen Beanspruchung, insbesondere durch den Innendruck im geleiteten Medium zu genügen haben – wie es zum Beispiel in Prüfnormen vorgeschrieben ist – in einem ersten Schritt die Streckgrenze des Stahls, aus dem das Rohr hergestellt werden soll, ermittelt. Anschließend wird aus diesem Stahl das Rohr mit einer Rohrwandstärke hergestellt, die, mit der ermittelten Streckgrenze multipliziert wird, einen bestimmten Faktor als Prüfgrenzwert nicht unterschreitet. Zum Beispiel wird erfindungsgemäß beim Schritt des Ermittelns der Streckgrenze des Stahls eine Messung der Streckgrenze verwendet, die an einer Probe dieses Stahls durchgeführt wurde. Alternativ ist aber auch die Messung einer anderen Größe denkbar, die Rückschlüsse auf die Streckgrenze des Stahls zulässt. Wesentlich ist, im Gegensatz zu herkömmlich bekannten Verfahren, nicht Streckgrenzenwerte für den konkret verwendet Stahl bei der Dimensionierung zugrunde zu legen, die sich etwa aus vordefinierten Tabellen für die verwendete Stahlsorte beispielsweise metallurgisch ergeben, sondern statt dessen den konkret verwendeten Stahl im Produktionsablauf irgendwann vor der Herstellung des Rohres aus diesem Stahl probeweise zu testen. So lässt sich vorteilhaft zum Beispiel eine bessere als tabellarisch erwartete Streckgrenze unmittelbar nutzen, indem bei der Herstellung von Rohren aus diesem Stahl die Wandstärke geringer dimensioniert wird – und auf diese Weise Material sparen. Denn die selbe mechanische Belastbarkeit des Rohres ergibt sich bei höherer Streckgrenze des Stahls mit dann nur geringer erforderlicher Wandstärke wie bei zum Beispiel – durch die erfindungsgemäße Messung bestätigter – Nenn-Streckgrenze der gewählten Stahllegierung und dann konkret passend gewählter Nenn-Wanddicke. Sogar für verbesserte Sicherheit kann das erfindungsgemäße Verfahren dadurch sorgen, dass durch die konkrete Beprobung zum Ermitteln der Streckgrenze des verwendeten Stahls auch eine gemessen an der Erwartung geringere Streckgrenze durch das erfindungsgemäß konkrete Ermitteln erkannt wird – und folglich durch eine dann größer gewählte Rohrwandstärke noch immer die selbe Betriebssicherheit wegen der daraus resultierenden gleichen mechanischen Belastbarkeit des Rohres gewährleistet werden kann.

Rohre, insbesondere Gasleitungsrohre, aus Stahl werden erfindungsgemäß mit einer an die zuvor ermittelte Streckgrenze des verwendeten Stahls angepassten Rohrwandstärke hergestellt, indem zum Beispiel aus einer Bramme des Stahls ein Blech gewalzt wird. Dieses kann zum Transport und/oder zur Lagerung zu einem Coil gewickelt werden. Das Rohr wird schließlich aus dem Stahlblech gebogen – nachdem es nötigenfalls nochmals gewalzt wurde, um zum Beispiel nötigenfalls erfindungsgemäß die Rohrwandstärke genau einzustellen (die sich selbstverständlich unmittelbar aus der Dicke des verwendeten Blechs ergibt). Und schließlich wird es insbesondere geradgeschweißt oder diagonalgeschweißt.

Das Ermitteln der Streckgrenze des Stahls kann erfindungsgemäß unmittelbar vor dem Biegen des Blechs durchgeführt werden, indem zum Beispiel an einem Blechstreifen dieses Stahlblechs die Streckgrenze gemessen wird. Hier ist es erfindungsgemäß bevorzugt, dass die Dicke dieses Blechs um weniger als 20%, insbesondere um weniger als 10%, größer ist als die Nenn-Rohrwandstärke, die sich aus der (tabellarischen, metallurgischen) Nenn-Streckgrenze des verwendeten Stahls ergibt. So lässt sich erfindungsgemäß durch einen letzten Walzschritt an dem Stahlblech durch nur noch sehr geringe Formänderung (der Verringerung der Blechdicke) die genau erforderliche Blechdicke und damit die genau erforderliche Rohrwandstärke einstellen, ohne dass die Streckgrenze des Stahls sich durch die Formänderung des Stahls noch signifikant ändert. Da außerdem metallurgisch der Zusammenhang zwischen solcher Formänderung und der Änderung der Streckgrenze sich prognostizieren lässt, ist es erfindungsgemäß sogar möglich, auch dies noch beim letzten Walzschritt zur genauen Dimensionierung der Rohrwandstärke zu berücksichtigen.

Je weiter zu Beginn der Verarbeitung (des Stahls zu dem Rohr) die Streckgrenze des Stahls durch Beprobung ermittelt wird, desto „mittelbarer" hat das Ergebnis der Beprobung Einfluss auf das Dimensionieren der Rohrwandstärke: So ist es im Extremfall erfindungsgemäß sogar denkbar, aus einer Probe der Stahlschmelze des verwendeten Stahls seine Streckgrenze metallurgisch zu prognostizieren, wobei dann der Einfluss sämtlicher Verarbeitungsschritte vom Abgießen des Stahls zur Bramme über die möglicherweise mehreren Walzschritte bis hin zum Biegen und Schweißen des Blechs zu dem Rohr berücksichtigt werden muss.

So kann zum Beispiel auch die Streckgrenze des Stahls an einer Probe gemessen werden, die aus der Bramme dieses Stahls oder einem Blech nach einem ersten Walzschritt stammt. Dann wird erfindungsgemäß diese Streckgrenze der Probe mit einem Quotienten multipliziert, der sich aus Vorversuchen ergab, nämlich als Verhältnis der Streckgrenze eines gleichen Stahls nach dessen, insbesondere gleichartiger, Weiterverarbeitung zu einem Referenzrohr – mit dem geforderten Prüfgrenzwert (als Faktor seiner Streckgrenze und Wandstärke) – zur Streckgrenze der Bramme oder des Blechs nach dem ersten Walzschritt (bevor daraus das Referenzrohr hergestellt wurde). So kann zum Beispiel auf werksintern statistisch ermittelte Erfahrungswerte zurückgegriffen werden, um bei der Auswalzung der Bramme zu Coils prognostisch die zu der dann erwarteten Streckgrenze zugehörige Wanddicke einzustellen.

Eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird im folgenden mit Bezug auf die Figur beispielhaft beschrieben.

Die Figur zeigt ein Flussdiagramm eines Ausführungsbeispiels des erfidungsgemäßen Verfahrens.

Rohre für eine Gaspipeline sollen gemäß der DIN EN15409 einem bestimmten Innendruck standhalten, der sich folgendermaßen berechnet: DPzul = (20Tmin f0 Rt0,5)/D mit

DP
Auslegungsdruck in bar
Tmin
Mindestwanddicke in Millimeter
ff0
Nutzungsgrad oder Reziprokwert des Sicherheitsbeiwertes (S)
Rt0,5
Dehn- oder Streckgrenze bei 0,5% Gesamtdehnung
D
Rohraußendurchmesser in Millimeter

Zur Herstellung der Rohre soll der Stahl L485MB (X70 nach API5L) verwendet werden. Um die erforderliche Transportleistung der Pipeline zu gewährleisten, hat der Auftraggeber einen Rohr-Innendurchmesser von 1.200 mm vorgeschrieben.

In einem ersten Schritt wird (für einen Betriebsdruck von 100 bar) bei der tabellarisch angegebenen Nenn-Mindeststreckgrenze für diese Stahlsorte von 485 N/mm2 rechnerisch die (angesichts dieser theoretischen Streckgrenze theoretisch erforderliche) Mindestrohrwandstärke – 20,107 mm – ermittelt.

Im nächsten Schritt wird im Stahlwerk Stahlblech der genannten Stahlsorte mit etwas größerer Bleckdicke entweder aus früherer Produktion bereitgestellt oder für diesen Auftrag hergestellt. Erfindungsgemäß wird die Streckgrenze dieses tatsächlich für die Herstellung vorgesehenen Stahlblechs durch Messung bestimmt – und zwar dadurch dass zum Beispiel jeder Coil beprobt wird, indem jeweils ein Blechstreifen zur Messung der Streckgrenze verwendet wird. Alternativ kann die Anzahl der Streckgrenzen-Messungen (auch drastisch) reduziert werden, wenn zum Beispiel durch geeignete Zertifikate sichergestellt ist, dass sämtliche Coils aus einer Charge stammen und daher die selbe Streckgrenze aufweisen müssen. Zusätzlich oder alternativ kann erfindungsgemäß die Streckgrenze auch eines vorab tatsächlich probeweise hergestellten Rohrs durch Messung bestimmt werden – und zwar dadurch, dass zum Beispiel geeignete Materialproben dem hergestellten Rohr entnommen und zur Messung der Streckgrenze verwendet werden.

Bei der Messung stellt sich nun heraus, dass die Streckgrenze des Stahls der verarbeitungsfertigen Coils zum Beispiel 520/mm2 beträgt – einen Wert, der innerhalb des zulässigen Bereichs der vorgesehenen Stahlsorte liegt. Um dem vorgesehenen Betriebsdruck sicher standzuhalten, ergibt sich aus dieser – gemessenen – Streckgrenze des Stahls durch Rechnung gemäß oben stehender Formel die tatsächlich erforderliche Mindestwandstärke des Rohrs von 18,754 mm.

Im nächsten Schritt wird im Stahlwerk folglich das Stahlblech von den Coils so ausgewalzt, dass sich nach seinem Biegen und zum Beispiel Geradverschweißen zum Rohr dessen Wanddicke zu 18,8 mm ergibt. Dabei wird bei diesem abschließenden Bemessen der Wanddicke berücksichtigt, dass sich die Streckgrenze auch beim letzten Walzen des Stahls zu der schließlich erforderlichen Blechstärke nochmals ändert, da sich auch diese Formänderung bei der Herstellung des Rohrs nochmals auf die Steckgrenze des Materials auswirkt. So gibt es Streckgrenze-erhöhende Faktoren nämlich insbesondere die Kaltverformung beim Walzvorgang aber auch negative Faktoren wie zum Beispiel das Biegen des Rohres, das Formen auf Rundheit oder der Temperatureinfluss beim Schweißen. Berücksichtigt wird dies zum Beispiel durch empirisch ermittelte Zusammenhänge und/oder Sicherheitsfaktoren.

Im letzten Schritt wird schließlich im Rohrwerk das Stahlblech von den Coils durch Biegen und zum Beispiel Geradverschweißen zum Rohr mit der tatsächlich erforderlichen Wanddicke von 18,8 mm verarbeitet.

Der massive technische Vorteil gegenüber den herkömmlichen Rohrherstellungsverfahren wird nun in folgender Kontrollrechnung des soweit dargestellten Ausführungsbeispiels der Erfindung deutlich: Während herkömmlich nur die Mindeststreckgrenze des verwendeten Stahls (485 N/mm2) bei der Rohrdimensionierung zugrunde gelegt wurde – daraus hätte sich rechnerisch die Wandstärke der Rohre vorliegend dann zu 20,107 mm ergeben – kann unter Zugrundelegung der tatsächlichen Streckgrenze eine geringere Wandstärke bei der Rohrproduktion eingestellt werden. Dies hat eine drastische Materialeinsparung als positive Konsequenz. Im vorliegenden Beispiel ergibt sich bei einer Pipeline von 100 km Länge aus dem scheinbar nur geringen Rohrwandstärken-Unterschied von 1,35 mm zwischen dem erfindungsgemäßen Verfahren und der herkömmlich „verschwenderischen" Berechnung eine Materialersparnis von 3.900 t Stahl (39 kg Stahl pro Meter Pipeline). Beim gegenwärtigen Stahlpreis von rund EUR 0,941 pro kg ergibt sich aus dieser Materialersparnis bei der 100 km-Pipeline eine Kostenersparnis von rund EUR 3,7 Mio.


Anspruch[de]
Verfahren zum geprüften Herstellen von Rohren aus Stahl mit den Schritten:

a) Ermitteln der Streckgrenze des Stahls,

b) Herstellen des Rohres aus dem Stahl mit einer Rohrwandstärke, deren Multiplikation mit der ermittelten Streckgrenze einen bestimmten Faktor als Prüfgrenzwert nicht unterschreitet.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, gekennzeichnet durch den Schritt:

a) Ermitteln der Streckgrenze, die der Stahl nach seiner Verarbeitung zu dem Rohr mit aufweist, unter Verwendung einer Messung der Streckgrenze einer Probe des Stahls.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Schritt a) an einer Probe des zu einer Bramme gewalzten Stahls durchgeführt wird. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass Schritt a) durchgeführt wird, indem die Streckgrenze der Probe des zu einer Bramme gewalzten Stahls gemessen wird und mit einem zuvor ermittelten Quotienten, nämlich aus dem Dividenden Streckgrenze eines gleichen Stahls nach dessen Weiterverarbeitung zu einem Referenzrohr mit dem Prüfgrenzwert als Faktor seiner Streckgrenze und Wandstärke und dem Divisor Streckgrenze der Bramme vor dem daraus Herstellen des Referenzrohres, multipliziert wird. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Schritt a) an einer Probe des zu einem Blech gewalzten Stahls durchgeführt wird, bevor das Blech zu dem Rohr verarbeitet wird, und dass die Dicke des Blechs um weniger als 20% größer ist als die Rohrwandstärke. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Schritt a) an einer Probe des zu einem Probenrohr mit einer bestimmten Nenn-Wandstärke verarbeiteten Stahls durchgeführt wird. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohr aus dem Stahl gebogen und geradgeschweißt oder diagonalgeschweißt wird.






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