PresseKat - Lasergeschweißte Rohre für den Tiefseeeinsatz

(PresseBox) - Wie man mittels Laserschweißen Rohre mit hohen mechanischen Eigenschaften bei gleichzeitig reduzierter Wandstärke produzieren kann, demonstriert das Unternehmen Vallourec Umbilicals in seinem Werk in Venarey Les Laumes im Herzen Frankreichs. Mit einem 8 kW CO2-Laser (ROFIN DC 080) und einem Profile Welding System (PWS) von ROFIN werden in diesem Werk ca. 10 Meter lasergeschweißte Edelstahl-Rohre pro Minute hergestellt, die es im wahrsten Sinne des Wortes "in sich haben".
Rohre, die es in sich haben
Die Kernkompetenz der französischen Vallourec Gruppe liegt in der Herstellung hochwertiger Edelstahlrohre, die in erster Linie in der Öl- und Gasindustrie zum Einsatz kommen. Seit ein paar Jahren entwickelt das Unternehmen einen neuen Technologiezweig in der Ölindustrie. Ein Spezialgebiet bilden dabei die sogenannten "Subsea Umbilicals", d.h. Unterwasserleitungssysteme, die in ihrem Kern verschiedenste Medien führen wie beispielsweise Versorgungsleitungen, Kabel oder optische Fasern.
Umbilicals sind ein wesentlicher Bestandteil in Unterwasser-Installationen und dienen zum Transport von Fluiden oder sorgen für die Stromversorgung bzw. die Übertragung von Informationen zwischen Offshore-Plattformen und der Kontrollstation. Dass diese Versorgungsleitungen besonders belastbar sein müssen versteht sich bei Einsatztiefen von mehreren tausend Metern von selbst, aber ihrer Herstellung ist man sich nur selten bewusst. Eigens für die Fertigung der Rohre, die im Inneren der Umbilicals geführt werden, hat der Konzern im Jahr 2011 das Tochterunternehmen Vallourec Umbilicals gegründet.
Edelstahlrohre, die in Umbilicals geführt werden, werden üblicherweise nahtlos hergestellt, da sie höchsten Beanspruchungen standhalten müssen. Deren Herstellungskosten setzen sich dabei aus 50% Materialkosten und 50% Fertigungskosten zusammen. Durch den Laserschweißprozess werden neben der Verbesserung der technologischen Eigenschaften sowohl Material- als auch Fertigungskosten reduziert.

Auf den richtigen Werkstoff kommt es an
Die erste Herausforderung bestand in der Wahl des richtigen Werkstoffes. Rohre, die in Medien wie Meerwasser geführt werden, erfordern Materialien mit einer extrem hohen Korrosionsbeständigkeit. Nichtrostende Duplexstähle, also Edelstähle mit annähernd gleichen Gefügeteilen von Austenit und Ferrit, bieten höchste Korrosionsbeständigkeit bei gleichzeitig guten Festigkeitseigenschaften. Der sogenannte Super-Duplexstahl 1.4410 verfügt durch seine spezielle Legierungszusammensetzung (25% Chrom, 7% Nickel, 4-5% Molybden und 0,3% Stickstoff) über die besten Eigenschaften in Bezug auf die im Offshore-Bereich auftretenden korrosiven Medien und war somit die erste Wahl für den Rohrspezialisten. Für den Laserschweißprozess bedeutet dieses, ein besonderes Augenmerk auf das Spritzerverhalten und die Porosität bei vorgegebenen Geschwindigkeitsanforderungen zu legen.
Vom Coil bis zum fertigen Rohr
Die extrem hohen Anforderungen an diese speziellen Edelstahlrohe spiegeln sich auch in der Komplexität der Fertigungslinie wieder und wenn Guy Durand, Entwicklungsleiter bei Vallourec Umbilicals, die einzelnen Produktionsschritte erklärt, spürt man deutlich wieviel Herzblut in dieses Projekt geflossen ist.
Im ersten Fertigungsschritt kommt das Material für den Endlosprozess direkt vom Coil - die einzelnen Coils werden dabei derzeit mittels WIG-Schweißen miteinander verbunden. Nach der Kantenvorbereitung durch einen Schabeprozess wird das Edelstahlband durch die Einformung des Rollformers geführt, bevor es den Laserschweißbereich erreicht. Für den anschließenden Schweißprozess ist eine präzise Positionierung des Laserstrahls in der Mitte der Schweißfuge notwendig um die geforderte Schweißqualität erreichen zu können. Das Laserschweißsystem von ROFIN, bestehend aus einem 8 kW CO2- Laser und dem Profile Welding System (PWS), verfügt über ein Sensorsystem für die Schweißspalt-Lageerkennung, den sogenannten Weld Sensor. Dank des Weld Sensors werden selbst geringste Abweichungen in der Spaltlage und Schweißposition erfasst und dafür gesorgt, dass der Laserstrahl immer exakt positioniert ist, wodurch höchste Prozesssicherheit erzielt wird.
Eine nachträgliche Wärmebehandlung mittels "in Linie" glühen sorgt am Ende für ein gleichmäßiges Gefüge. Nach einem finalen Bürstvorgang ist die Schweißnaht mit bloßem Auge nicht mehr zu erkennen.
Der gesamte Herstellungsprozess wird mithilfe verschiedenster Messmethoden und intelligenter Prozesssensorik in der Linie durch Vallourec kontrolliert - vom Coil bis zum fertigen Rohr. Bei Qualitätsbeeinträchtigung werden die entsprechenden Rohrabschnitte markiert, herausgeschnitten und mittels Orbitalschweißen wieder verschweißt bevor sie als Endlosrohre wieder auf ein Coil aufgewickelt werden. Ein Drucktest mit bis zu 2000 bar (2.000.000 hPa) schließen die Qualitätsprüfung ab.
Die fertigen Rohre haben Durchmesser im Bereich von 16 bis 40 mm bei Wandstärken von 1 bis 3 mm.
Zusammenfassung
Mit der Produktion von Versorgungsleitungen für Umbilicals hat das Unternehmen Vallourec nicht nur sein Produktprogramm erweitert, sondern gleichzeitig auch einen neuen und innovativen Herstellungsprozess für diesen speziellen Rohrtyp entwickelt. Das Laserschweißen hat sich hierbei als ideales Verfahren erwiesen, welches kontinuierlich geschweißte Rohre mit einer extrem hohen Korrosionsbeständigkeit und Festigkeit liefert. Nicht zuletzt auch die intensive und partnerschaftliche Zusammenarbeit aller Projektpartner hat dazu geführt, dass schon über die Integration weiterer Laserprozesse in die Fertigungslinie nachgedacht wird.
Kastentext:
Seit mehr als 25 Jahren liefert die ROFIN Macro Gruppe Lasersystemlösungen für das Schweißen von Rohren und Profilen.
Beim Schweißen von Rohren lassen sich mit dem Laser sehr schmale Nähte mit feinkörnigen Strukturen und schmalen Wärmeeinflusszonen realisieren. Somit kann die zur Weiterbearbeitung nötige Wärmebehandlung häufig entfallen. Im Gegensatz zum konventionellen WIG-Schweißen lassen sich mit dem berührungslosen Laserschweißen deutlich höhere Prozessgeschwindigkeiten erzielen. Dabei halten die Schweißnähte selbst höchsten Beanspruchungen Stand.
Das Profile Welding System von ROFIN besteht aus einem Strahlführungssystem und einer zum prozesssicheren Schweißen notwendigen Sensorik mit PC-gesteuerten Linearachsen. Alle zum Betrieb des Lasersystems notwendigen Funktionen werden zentral über eine integrierte SPS-Steuerung kontrolliert. Dazu zählen u.a. die Zufuhr des Prozessgases, die Überwachung des optischen Sicherheitskreises und die komplette Systemüberwachung des Lasers, inklusive des Kühlaggregates.
Der modulare Aufbau des PWS und standardisierte Schnittstellen ermöglichen eine einfache Integration - auch in bestehende Anlagen. Die bewährten Strahlführungssysteme erlauben einen sicheren Betrieb unter industriellen Bedingungen. Das PWS arbeitet nahezu wartungsfrei und ist unempfindlich gegenüber Öl, Schmutz, Staub, Feuchtigkeit sowie elektrischen Störgrößen - beste Voraussetzungen für den Einsatz auch in rauen Industrieumgebungen.
Die hocheffizienten und zuverlässigen CO2-Slab-Laser der ROFIN DC-Serie mit einer Ausgangsleistung von bis zu 8 kW und einer exzellenten Strahlqualität von K = 0,95 sind die erste Wahl zur Realisierung bester Schweißnahtqualitäten bei mittleren bis dicken Wandstärken. ROFIN's CO2-Slab-Laser sind äußerst servicefreundlich und wartungsarm. Dieser Lasertyp kommt mit wenigen, langlebigen Komponenten aus. Er verzichtet außerdem auf die konventionelle Gasumwälzung und der Gasverbrauch ist minimal. Daher reduzieren sich Wartungs- und Serviceeinsätze erheblich - ein klares Plus für den effektiven Einsatz.