Für viele Anwendungsgebiete des Rohrleitungsbaus sind Heizwendelschweißverfahren (HM) unabdingbar. Hierzu zählen unter anderem Installationen in schlecht zugänglichen Bereichen und Reparaturen, bei denen die Rohre nicht oder nur begrenzt bewegt werden können. Für einen breiten Einsatz von Heizwendelschweißungen bei Großrohren fehlen bisher jedoch die entsprechenden Entwicklungen im Bezug auf Muffen und Schweißparameter.

Für die Verfahrensentwicklung sollte zuerst die Geometrie der Muffe für die jeweilige Druckstufe festgelegt werden. Aus technischen und wirtschaftlichen Gründen wurde der Außendurchmesser der zu verbindenden Rohre auf 1.000mm festgelegt. Die Auslegung der Großrohr-Druckmuffe sah aus schweißtechnischen Gründen eine bifilare,das heißt mit zwei voneinander getrennten Schweißzonen ausgestattete, Konstruktion vor.
Die Temperaturausbreitung während des Schweißvorgangs wurde durch eine Infrarot-Wärmebildkamera über längere Zeit – bis 600 Sekunden – bei verschiedenen Heizwendelabständen aufgenommen. Anhand dieser Schweißversuche und einer Extrapolation der Temperaturausbreitung auf längere Schweißzeiten bis 3.000 Sekunden wurde ein optimaler Heizwendelabstand von etwa 10mm für den verwendeten Draht festgelegt. Nach Festlegung einer leichten Profilierung der Muffenaußenkontur und unter Berücksichtigung der Eigenschaften eines geeigneten Heizdrahtes sowie der durchgeführten mechanischen Zugscherprüfung – für die Verifizierung der vorher rechnerisch bestimmten Schweißzonenlänge – wurde die Geometrie für die gesamte Muffe festgelegt:

  • Gesamtlänge 580 mm,
  • Schweißzonenlänge 150 mm,
  • Wanddicke 115 mm.

Muffen besser wickelnstatt extrudieren

Im Rahmen dieses Kooperationsprojekts wurden verschiedene Produktionstechniken hinsichtlich deren Einsetzbarkeit näher untersucht. Dabei zeigte die Wickeltechnik enorme Vorteile gegenüber der herkömmlichen Extrusionstechnik insbesondere bei der Fertigung kleiner Stückzahlen. Einer der Vorteile der Wickeltechnik ist die Möglichkeit einen zusätzlichen Heizkreis in die Rohrwand in beliebiger Tiefe einzubringen. Dieser kann zur Erzeugung einer Volumenzunahme – beispielsweise zur Schließung des Ringspalts – und/oder als „Vorwärmung“ vor dem eigentlichen Schweißvorgang eingesetzt werden.

Neben den mechanischen Eigenschaften wurden bei den produzierten Muffen die Eigenspannungen und die Homogenität bestimmt. Durch Anpassung und Optimierung der Verfahrensparameter wurde eine geringere Verreckung des Schmelzebandes erreicht, was zu einem optimierten Spannungsverteilungszustand in der Muffe führt und die geometrischen Eigenschaften verbessert.

Entwicklung der Schweißparameter

Für die festgelegte Muffengeometrie mussten geeignete Parameter entwickelt werden. Die Schweißzeit ergibt sich aus der zeitabhängigen Leistung und der Energie, die in die Muffe während der Schweißung vom Schweißgerät abgegeben wird. Da auf der Baustelle eine definierte Spannung zur Verfügung steht, kann die einzubringende Energie nur über den Widerstand der Muffe variiert werden. Um die Schweißzeit so gering wie möglich zu halten, sollte die maximale Anfangsleistung des Schweißgeräts ausgenützt werden. Da jedoch die Temperatur der Heizwendel direkt mit der Leistung verknüpft ist und sich PE-HD ab einer Temperatur von etwa 250°C in Sauerstoffumgebung zu zersetzen beginnt, darf diese nicht zu hoch gewählt werden. Für die Heizdrahtauswahl kommen aufgrund der elektrischen Eigenschaften nur wenige Metalle in Frage. Ein gutes Preis-Leistungsverhältnis bietet Kupfer. Für die Drahtgeometrie wurden die Anfangsleistung des Schweißgeräts, die Schweißzeit und der Gesamtwiderstand des Heizkreises betrachtet. Bei einem Kupferdraht mit 1,6mm Durchmesser ergibt sich durch die Geometrie der Muffe ein Widerstand von 0,41 Ohm. Unter Berücksichtigung des relativ hohen Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstandes von Kupfer muss dann die Schweißzeit auf 42 Minuten verlängert werden.

Mechanische Prüfungen bestanden

Es wurden mehrere Muffen mit den neu entwickelten Schweißparametern geschweißt und anschließend die Parameter durch mechanische Prüfungen verifiziert. Beim Vergleich der Ergebnisse der Zugprüfungen von geschweißten Proben mit denen des ungeschweißten Materials lassen sich so genannte Schweißfaktoren berechnen. Die erreichten Kurzzeitzug-Schweißfaktoren lagen dabei im Bereich zwischen 0,90 und 0,94. Das duktile Bruchverhalten der einzelnen Probekörper deutete auf eine qualitativ hochwertige Verbindung hin. Die anschließenden Messungen der Oxidations-Induktions-Zeit (OIT) in der Schweißzone deuteten auf einen sehr geringen Stabilisatorabbau hin – ebenso ein Hinweis auf optimierte Schweißparameter.

Vorwärmung gleicht Probleme durch Formabweichungen aus

Für den Zeitstand-Innendruckversuch wurde eine Verbindung mit Rohraußendurchmesser von 1.000 mm hergestellt. Die Rohre wurden mit einem Vorschweißbund und mit Hilfe einer Los-Blindflanschverbindung an den Enden verschlossen. Die Zeitstand-Innendruckprüfung wurde erfolgreich durchgeführt und die von der DIN EN 12201–3 an eine Heizwendelschweißverbindung gestellten Anforderungen erfüllt. Der Zeitstand-Innendruckversuch bestätigte somit die optimierten Schweißparameter für eine Heizwendelschweißverbindung für Rohre von 1.000 mm. In diesem Projekt wurden Heizwendelschweißparameter für Rohrsysteme mit großen Durchmessern entwickelt und überprüft. Mit Hilfe eines mathematischen Werkzeugs, das auf mehreren Extrapolationen basiert, können dabei die entsprechenden Parameter auf die zu schweißenden Rohrdurchmesser – bis Außendurchmesser 2.500mm – angepasst werden. Die Qualitätsprüfung der Verbindungen war jedoch aus technischen Gründen nur biszu einem Außendurchmesser von 1.000mm möglich.

Ein Hauptaugenmerk dieser Forschungsarbeit lag auf der Energienutzung – der wichtigste Einflussfaktor bei der Parameterentwicklung während des Schweißvorgangs. Als Störfaktoren, vor allem bei steigendem Durchmesser, haben sich bei den Schweißungen die Ovalitäten der Rohre und der Muffen herauskristallisiert. Probleme bei der Verarbeitung von Großrohren waren allerdings in erster Linie auf Formabweichungen – Ovalität und Abplattungen – zurückzuführen. Für die Verbesserung des Passungsverhältnisses bei Muffenbauteilen und Spaltüberbrückung während des Schweißvorgangs könnte beispielsweise eine Vorwärmtechnik eingesetzt werden. Alternativ können auch verschiedene Spannelemente zur Reduzierung der entstehenden Spalte verwendet werden.
Bei der Vorwärmtechnik nimmt die Bedeutung einzelner variabler Faktoren zu. Hierbei spielt auch zumBeispiel der zeitliche Abstand zwischen der Vorwärmung und dem Beginn der Schweißung eine bedeutende Rolle. Es ist denkbar, dass dieser bereits als fester Parameter in den Schweißvorgang integriert wird.

Die Fließvorgänge in der Fügeebene während des Schweißens können zu Verschiebungen einzelner Drähte bis hin zum Kontakt mit einem „Nachbardraht“ führen, was zu einem vorzeitigen Abbruch des Schweißvorganges führen kann. Um diesem Problem zu begegnen, bietet sich der Einsatz eines beschichteten Drahts mit einer temperaturstabilen nichtleitenden Beschichtung an.

Das Vorhaben (SKZ-Nr. KF2012501VT8 und Frank & Krah Wickelrohr GmbH-Nr. KF02006702VT8) wurde über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen „Otto von Guericke“ e.V. (AiF) im Rahmen des „ZIM – Zentrales Innovationsprogramm Mittelstand“ vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWi) aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Wir danken herzlichst dem BMWi für die Finanzierung dieses Forschungsvorhabens.

NeueTechnologie
Große Rohre stabil verbinden

In Rahmen einer öffentlich geförderten Kooperation zwischen dem Kunststoff-Zentrum (SKZ) und Frank & Krah Wickelrohr wurden Heizwendelschweißparameter für Druckrohrsysteme mit großen Durchmessern entwickelt. Die Qualitätsprüfung der Verbindungen bis zu einem Außendurchmesser von 1.000 mm ergab keinerlei Beanstandungen. Schwierigkeiten durch Formabweichungen der Rohre können ausgeglichen werden.

 

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Über den Autor

Dr. Benjamin Baudrit, Eduard Kraus, Dr.-Ing. Peter Heidemeyer, Prof. Dr.-Ing. Martin Bastian, SKZ, Würzburg und Jürgen Kern, Frank & Krah Wickelrohr