Trends in der Hydraulikrohrproduktion in Zeiten der Knappheit, Teil II

Wynn Kearns, Indiana Tube Corp.

Anmerkung des Herausgebers: Dieser Artikel ist der zweite einer zweiteiligen Serie über den Markt und die Produktion von flüssigkeitsführenden Leitungen mit kleinem Durchmesser für Hochdruckanwendungen. Teil I befasste sich mit der dürftigen inländischen Versorgung mit konventionellen Produkten für diese Anwendungen. Teil II bespricht zwei unkonventionelle Produkte für diesen Markt.

Zwei von der Society of Automotive Engineers spezifizierte Arten von geschweißten Hydraulikschläuchen – SAE-J525 und SAE-J356A – haben einen gemeinsamen Ursprung, ebenso wie ihre schriftlichen Spezifikationen. Flaches Stahlband wird auf Breite geschnitten und durch Rollformen zu einem Rohr geformt. Nachdem die Bandkanten mit Rippenwalzwerkzeugen poliert wurden, wird das Rohr durch elektrisches Hochfrequenz-Widerstandsschweißen erhitzt und zwischen Druckrollen geschmiedet, um die Schweißnaht herzustellen. Nach dem Schweißen wird der Außengrat mit einem feststehenden Werkzeug, typischerweise aus Wolframkarbid, entfernt. Der ID-Flash wird mit einem festen Werkzeug entfernt oder auf eine vorgesehene maximale Höhe gesteuert.

Diese Beschreibung des Schweißprozesses ist allgemein gehalten und in der tatsächlichen Fertigung bestehen viele kleine Prozessunterschiede (siehe Abbildung 1). Dennoch haben beide mechanische Eigenschaften gemeinsam.

Rohrversagen und Versagensarten im Allgemeinen können in Zugbelastungen oder Druckbelastungen eingeteilt werden. Bei den meisten Materialien tritt ein Versagen unter Spannung bei einem niedrigeren Spannungswert auf als unter Druck. Das heißt, die meisten Materialien sind bei Druck viel stärker als bei Zug. Beton ist ein Beispiel. Die Kompression ist ziemlich stark, aber wenn es nicht mit einem internen Netzwerk aus Bewehrungsstäben (Bewehrungsstäben) gegossen wird, lässt es sich recht leicht auseinanderziehen. Aus diesem Grund wird Stahl unter Zugbelastung getestet, um seine ultimative Zugfestigkeit (UTS) zu bestimmen. Für alle drei Hydraulikrohrspezifikationen gilt eine ähnliche Anforderung: ein UTS von 310 MPa (45.000 PSI).

Da Druckschläuche hydraulischem Druck standhalten müssen, kann eine gesonderte Berechnung und eine zerstörende Prüfung, ein Bersttest, erforderlich sein. Eine Berechnung kann den theoretischen ultimativen Berstdruck ermitteln, der die Wandstärke, den UTS des Materials und den OD berücksichtigt. Da die J525-Röhre und die J356A-Röhre die gleichen Abmessungen haben können, ist die einzige Variable die UTS. Bei einem üblichen Zugwert von 50.000 PSI beträgt der vorhergesagte Berstdruck 0,500 x 0,049 Zoll. Röhre ist bei beiden Produkten gleich: 10.908 PSI.

Obwohl die Berechnungen identische Ergebnisse vorhersagen, besteht ein Unterschied in der praktischen Anwendung in der tatsächlichen Wandstärke. Bei J356A wird der ID-Schweißgrat auf eine maximale Abmessung basierend auf dem Rohrdurchmesser gesteuert, wie in der Spezifikation beschrieben. Bei J525, einem Produkt, bei dem der Grat entfernt wurde, wird der Innendurchmesser durch das Gratflämmen häufig absichtlich um etwa 0,002 Zoll unterschritten, was zu einer lokalen Wandverdünnung in der Schweißzone führt. Obwohl die Wandstärke durch spätere Kaltumformung aufgefüllt wird, können Restspannung und Kornorientierung vom Grundmaterial abweichen und die Wandstärke kann etwas dünner sein als bei einem vergleichbaren Rohr mit der Spezifikation J356A.

Dies kann tatsächlich zu einem niedrigeren Berstdruckszenario für J525 im Vergleich zu J356A führen.

Je nach Verwendungszweck des Rohrs muss der ID-Flansch entfernt oder abgeflacht (oder geglättet) werden, um den potenziellen Leckpfad zu beseitigen, vor allem bei einer einwandigen Bördelendform. Während allgemein angenommen wird, dass J525 einen glatten Innendurchmesser hat und daher kein Potenzial für einen Leckpfad besteht, handelt es sich dabei um eine Fehleinschätzung. Bei einem J525-Rohr können durch unsachgemäße Kaltumformung Innenstreifen entstehen, die zu einem Leckpfad an der Verbindung führen.

Die Gratentfernung beginnt mit dem Abscheren (oder Abschälen) der Schweißraupe von der Innenwand. Das Schälwerkzeug, das an einem von Rollen getragenen Dorn befestigt ist, sitzt direkt hinter der Schweißstation im Rohr. Während das Schälwerkzeug die Schweißraupe entfernt, rollen die Rollen versehentlich über Schweißspritzer und drücken diese in die Oberfläche des Rohrinnendurchmessers (siehe Abbildung 2). Dies ist ein Problem bei leicht bearbeiteten Rohren wie geschälten oder geschliffenen Rohren.

Das Entfernen des Blitzes aus dem Inneren der Röhre ist nicht einfach. Der Schälvorgang verwandelt den Grat in ein langes, verwickeltes Stück messerscharfen Stahl. Obwohl das Entfernen erforderlich ist, handelt es sich bei der Entfernung normalerweise um einen manuellen und unvollständigen Vorgang. Gelegentlich verlassen Schlauchstücke mit Schalensträngen das Werksgelände des Rohrherstellers und werden zum Kunden verschickt.

ABBILDUNG 1. SAE-J525-Material wird in Chargen hergestellt, ein äußerst kapital- und arbeitsintensives Unterfangen. Ein ähnliches Rohrprodukt, hergestellt nach SAE-J356A, wird vollständig in einer Rohrmühle verarbeitet, die mit Inline-Glühen ausgestattet ist, sodass es sich um einen wesentlich effizienteren Prozess handelt.

Bei kleineren Rohren, wie beispielsweise Flüssigkeitsleitungen mit Durchmessern von weniger als 20 mm, ist die Entfernung von Innengraten normalerweise nicht so wichtig, da diese Durchmesser keine zusätzlichen Innenendbearbeitungsschritte erfordern. Die einzige Einschränkung besteht darin, dass der Endbenutzer lediglich abwägen muss, ob die vereinbarte Höhe der Blitzsteuerung ein Problem darstellt.

Best Practices für die ID-Flash-Kontrolle beginnen mit präzisen Bandkonditionierungs-, Schlitz- und Schweißpraktiken. Tatsächlich müssen die Rohstoffeigenschaften für J356A strenger sein als für J525, da J356A aufgrund des Kaltkalibrierungsprozesses strengere Anforderungen an die Korngröße, Oxideinschlüsse und andere Stahlherstellungsparameter stellt.

Schließlich erfordert das Innenflämmen typischerweise ein Kühlmittel. Die meisten Systeme verwenden dasselbe Mühlenkühlmittel wie für die Walzenwerkzeuge, dies kann jedoch problematisch sein. Trotz Filterung und Abschöpfung enthält Mühlenkühlmittel im Allgemeinen keine geringen Mengen an Metallfeinteilen, Fremdfetten und -ölen sowie anderen Verunreinigungen. Daher erfordert die J525-Röhre einen Waschzyklus in einem heißen alkalischen Bad oder einen anderen gleichwertigen Reinigungsschritt.

Kondensatoren, Automobilsysteme und andere derartige Systeme benötigen saubere Rohre, und die Mühle kann ausreichend gereinigt werden. J356A kommt aus der Mühle mit einem sauberen Innendurchmesser, kontrolliertem Feuchtigkeitsgehalt und minimalen Rückständen. Schließlich ist es üblich, jedes Rohr vor dem Versand mit einem Inertgas zu füllen, um Korrosion zu verhindern und das Ende abzudichten.

J525-Rohre werden nach dem Schweißen normalisiert, woraufhin ein Kaltumformvorgang (Ziehen) erfolgt. Nach der Kaltumformung wird das Rohr erneut normalisiert, um alle Anforderungen an die mechanischen Eigenschaften zu erfüllen.

Die Normalisierungs-, Zieh- und zweiten Normalisierungsschritte erfordern den Transport des Rohrs zum Ofen, zur Ziehbank und erneut zum Ofen. Diese Schritte erfordern je nach den Besonderheiten des Vorgangs weitere separate Unterschritte, wie z. B. das Anspitzen (vor dem Ziehen), das Beizen und das Richten. Diese Schritte sind teuer und verschlingen unzählige Ressourcen an Zeit, Arbeit und Geld. Ein kaltgezogenes Rohr ist mit einem Ausschussverlust von 20 % in der Produktion verbunden.

J356A-Rohre werden nach dem Schweißen noch im Walzwerk normalisiert. Das Rohr berührt den Boden nicht und erfolgt in einer ununterbrochenen Reihe von Schritten in der Mühle vom ersten Formungsschritt bis zum fertigen Rohr. Ein geschweißtes Rohr wie J356A ist mit einem Ausschussverlust von 10 % in der Produktion verbunden. Unter sonst gleichen Bedingungen bedeutet dies, dass die J356A-Röhre zu geringeren Kosten hergestellt werden kann als die J525-Röhre.

Auch wenn die Leistung der beiden Produkte ähnlich ist, sind sie aus metallurgischer Sicht nicht identisch.

Das Kaltziehen von J525-Rohren erfordert zweimal eine normalisierende Vorbehandlung, nach dem Schweißen und nach dem Ziehen. Die Normalisierungstemperaturen (1.650 °F oder 900 °C) führen zu Oberflächenoxiden, die normalerweise nach dem Glühen mit einer Mineralsäure, typischerweise Schwefelsäure oder Salzsäure, entfernt werden. Das Beizen mit Säure hat große Auswirkungen auf die Umwelt im Hinblick auf Luftemissionen und einen metallreichen Abfallstrom.

Darüber hinaus kann die Normalisierung der Temperaturen in der reduzierenden Atmosphäre eines Rollenherdofens den Kohlenstoff an der Stahloberfläche abbauen. Dieser Prozess, die Entkohlung, hinterlässt eine Oberflächenschicht, die eine viel geringere Festigkeit als das ursprüngliche Material aufweist (siehe Abbildung 3). Dies kann besonders bei dünnwandigen Rohren kritisch sein. Wenn die Wandstärke 0,030 Zoll beträgt, reduziert selbst eine leichte Entkohlungsschicht mit einer Dicke von 0,003 Zoll die effektive Wand um 10 %. Dieses geschwächte Rohr kann im Betrieb aufgrund von Belastung oder Vibration versagen.

ABBILDUNG 2. Das Innenflämmwerkzeug (nicht abgebildet) wird von Rollen getragen, die entlang des Innendurchmessers des Rohrs laufen. Eine gute Rollenkonstruktion reduziert die Menge an Schweißspritzern, die in die Rohrwand gerollt werden. Nelson Tool Corp.

J356-Rohre werden in Chargen verarbeitet, was ein Glühen in Rollenherdöfen erfordert, aber damit nicht genug. Eine Variante, J356A, wird vollständig auf einer Mühle mit Inline-Induktion verarbeitet, was ein viel schnellerer Erhitzungsprozess als bei einem Rollenherdofen ist. Dadurch verkürzt sich die Glühzeit, wodurch das Zeitfenster für die Entkohlung von Minuten (oder sogar Stunden) auf Sekunden schrumpft. Dadurch erhält J356A eine gleichmäßige Glühung ohne Oxide oder Entkohlungsrinde.

Rohre, die für den Einsatz in Hydraulikleitungen hergestellt werden, müssen duktil genug sein, um das erforderliche Biegen, Aufweiten und Formen zu ermöglichen. Das Biegen ist notwendig, um die Hydraulikflüssigkeit über verschiedene Drehungen und Wendungen von Punkt A nach Punkt B zu transportieren, während das Aufweiten der Schlüssel zur Bereitstellung einer Methode zur Herstellung einer Endverbindung ist.

In einem Henne-Ei-Szenario wurden gezogene Rohre – die daher einen glatten Innendurchmesser haben – für einwandige Bördelverbindungen entwickelt, oder vielleicht geschah das Gegenteil. Bei dieser Verbindungsart dichtet die Innenfläche des Rohrs gegen einen Sitz an einem Außengewinde ab. Um eine auslaufsichere Metall-auf-Metall-Dichtung zu gewährleisten, muss die Oberflächenbeschaffenheit des Rohrs so glatt wie möglich sein. Diese Armatur entstand in den 1920er Jahren für den Einsatz in der aufstrebenden Luftwaffendivision der US-Armee, dem Air Corps. Später wurde die Armatur zum heute gebräuchlichen Standard-37-Grad-Bördelstück.

Andere Fackeln eignen sich für viele Situationen, z. B. Blasenfackeln und Doppelwandfackeln (siehe Abbildung 4).

Seit Beginn der COVID-19-Periode ist das Angebot an gezogenen Rohren mit glattem Innendurchmesser erheblich zurückgegangen. Die Vorlaufzeiten für das verfügbare Material sind tendenziell deutlich länger als in der Vergangenheit. Diese Änderung in der Lieferkette kann durch eine Neukonstruktion der Endverbindung behoben werden. Beispielsweise fordert eine Angebotsanfrage eine einwandige Bördelung und gibt an, dass J525 als Ersatz für eine doppelwandige Bördelung in Frage kommt. Für diese Endverbindung können alle hydraulischen Schlauchtypen verwendet werden. Dies eröffnet die Möglichkeit, J356A zu verwenden.

Zusätzlich zu den Bördelanschlüssen wird häufig die O-Ring-Gleitringdichtung (siehe Abbildung 5) verwendet, insbesondere für Hochdrucksysteme. Dieser Verbindungstyp neigt nicht nur dazu, weniger zu lecken als eine einwandige Bördelung, da er eine Elastomerdichtung verwendet, sondern er ist auch vielseitiger – er kann an den Enden aller gängigen Hydraulikrohrtypen angebracht werden. Dies ermöglicht den Rohrherstellern eine größere Auswahl an Lieferketten und eine bessere langfristige Wirtschaftlichkeit.

In der Industriegeschichte gibt es viele Beispiele dafür, dass sich konventionelle Produkte so stark etablieren, dass sie eine Dynamik entwickeln, die es dem Markt schwer macht, die Richtung zu ändern. Ein Konkurrenzprodukt – selbst wenn es deutlich günstiger ist und nachweislich alle Anforderungen des Originalprodukts erfüllt – kann es schwer haben, auf dem Markt Fuß zu fassen, wenn es mit Argwohn betrachtet wird. Dies ist häufig der Fall, wenn ein Einkäufer oder ein ausschreibender Ingenieur einen unkonventionellen Ersatz für ein etabliertes Produkt in Betracht zieht. Nur wenige wollen ein vermeintliches Risiko eingehen.

In manchen Fällen kann eine Änderung nicht nur gerechtfertigt, sondern sogar notwendig sein. Die COVID-19-Pandemie hat zu einer unerwarteten Verschiebung der Verfügbarkeit bestimmter Arten und Größen von Großrohren für Stahlflüssigkeitsleitungen geführt. Die betroffenen Produktbereiche sind Rohrherstellungsanwendungen für die Automobil-, Haushaltsgeräte- und Schwermaschinenindustrie sowie alle anderen Bereiche, die Hochdruckleitungen verwenden, insbesondere für die Fluidtechnik.

Diese Lücke kann möglicherweise zu geringeren Gesamtkosten geschlossen werden, indem etablierte, aber Nischentypen von Stahlrohren in Betracht gezogen werden. Um das richtige Produkt für die Anwendung auszuwählen, sind ein wenig Recherchen zur Bestimmung der Flüssigkeitskompatibilität, des Betriebsdrucks, der mechanischen Belastung und der Verbindungsart erforderlich.

Ein genauer Blick auf die Spezifikationen zeigt, dass J356A ein echtes J525-Äquivalent sein kann. Es ist trotz der Pandemie über eine bewährte Lieferkette zu geringeren Kosten erhältlich. Wenn die Bewältigung der Endformprobleme weniger anstrengend ist als die Beschaffung von J525, könnte dies OEMs helfen, die logistischen Herausforderungen in der COVID-19-Ära und weit in der Zukunft zu meistern.