Würde man die Öl- und Gasbohrgestänge der derzeit aktiven Fördertürme und Plattformen aneinanderreihen man käme auf eine Gesamtlänge von weit mehr als einer Million Kilometer. Man könnte damit den Äquator mindestens 25mal umwickeln. Da diese Gestänge durch Verschleiß und immer neue Förderstätten immer wieder ersetzt und neu produziert werden müssen, ergibt sich ein riesiges Marktvolumen. Und da die Gestänge aus acht bis zwölf Meter langen Rohren verschraubt sind, sind auch alle acht bis zwölf Meter zwei Gewinde nötig. Bei Muffenverbindungen sogar vier. Eine Multimillionenfertigungsaufgabe – und eine Herausforderung an Werkzeughersteller diese kostengünstig, präzise und schnell zu fertigen. Horn in Tübingen hat sich dieser Herausforderung angenommen und ein hochwirtschaftliches System zur präzisen Herstellung von Ölfeld-Rohrgewinden entwickelt.
Die Durchmesser der Rohre für Explorations- und Förderbohrungen bewegen sich zwischen 2 3/8" und 28". Sie sind längsgeschweißt, spiralgeschweißt, gewalzt, warmgewalzt oder gepilgert. Man unterscheidet Förderrohre, Casings und Tubings. Werkstoffe sind Chromstahl, St-Stähle, Kohlenstoffstähle, warmgewalzt mit hoher Festigkeit, Rohre für saure Umgebungen aus Chrom-Nickel-Stählen oder für extreme Einsätze aus rundgeschmiedeten und längsgebohrten Bohrstangen aus Nickelbasislegierungen. Sogenannte Standardrohre mit API-Rund-/Buttressgewinde müssen form- und kraftschlüssig verschraubt sein. Bei sogenannten Integralverbindungen trägt ein Rohrende ein Außengewinde, das andere Rohrende ist aufgeweitet und mit einem Innengewinde versehen. Die Rohre werden muffenlos miteinander verschraubt. Bei Standardverbindungen mit Muffe tragen beide Rohrenden ein Außengewinde und werden über eine Gewindemuffe miteinander verbunden. Die für Ölfelder zugelassenen Gewinde entsprechen der API-Norm (American Petrol Industrie) und unterteilen sich in API-Rund-/Buttress-Gewinde. Dazu addieren sich eine Reihe von Premiumgewinden für höchste Anforderungen. Die Gewindeverbindungen müssen extremen Belastungen standhalten. In großen Tiefen herrschen hohe Temperaturen und hohe Drücke. Außerdem müssen diese Verbindungen kraft-/form- sowie fördermitteldicht sein. Darüber hinaus ergeben sich bei sogenannten Richtbohrungen, bei denen der senkrechte Verlauf in die Horizontale schwenkt, eine hohe Biegebelastungen auf die Gewindeverbindung.
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| Kombi-Kassette zum Schälen und Gewinden |
Mit stehendem Werkzeug oder rotierendem Werkzeug
Man unterscheidet die Bearbeitung mit stehendem Werkzeug auf 2- und 4-Achsenmaschinen, mit einem oder mit zwei Supporten. Ein weiteres Bearbeitungskonzept erfolgt mit rotierendem Werkzeugkopf, auf sechs einzeln gesteuerten Schiebern. Hier gilt es die Fliehkräfte der Werkzeugschlitten und der Werkzeuge zu beherrschen.
Die Bearbeitung der Gewinde in einer Adjustage muss mehrere Randbedingungen erfüllen: Rundlauf der zusammengeschraubten Rohre, hohe Drehmomentübertragung sowie gute Zentrierung beim zusammenschrauben, um eine Kaltaufschweißung der Gewindeverbindung zu verhindern. Bei geschweißten Rohren mit gleicher Wandstärke ist das relativ unproblematisch, bei gewalzten Rohren mit Durchmessertoleranzen, unterschiedlichen Wandstärken und Ovalitäten ist der Bearbeitungsaufwand größer. Zudem besitzen gewalzte Rohre meist eine Walzhaut, was die Werkzeugstandzeit beeinflusst, oder, wenn die Gewinde mit drehendem Rohr bearbeitet werden und wegen der Masse Schwingungen auftreten, hat das Einfluss auf die Präzision, die Oberflächenqualität und ebenfalls auf die Standzeit der Werkzeuge.
Kürzeste Boden/Boden-Zeit
Anspruchsvoller ist die Bearbeitung mit rotierenden Werkzeugen. Horn hat dazu ein Werkzeugsystem entwickelt, das in einem Durchgang die Stirnseite plant, innen und außen fast, mit Schälplatten die konische Gewindegrundform erzeugt und mit drei jeweils um 120° versetzten Kassetten mit Gewindeschneidplatten ein fertiges Gewinde erzeugt. Die Gewindesteigung im häufigsten mittleren Durchmessersegment von API-Rohren beträgt dabei exakt 5,08 mm/U. Die Schneidplatten für die Gewindebearbeitung sind unterschiedlich als Folge-werkzeuge aufgebaut und erzeugen die Gewindegeometrie exakt aufeinander abgestimmt. Zuerst ist der erste Zahn der ersten Schneidplatte im Eingriff, es folgt der erste Zahn der zweiten Schneide, dann der erste Zahn der dritten Schneide, der zweite Zahn der ersten Schneide der zweite Zahn der zweiten Schneide, usw. Bis zu fünf Zähne pro Schneidplatte sind technisch möglich. Somit sind die Schnittkräfte auf die einzelnen Zähne und Schneidplatten optimal verteilt und keine von ihnen überlastet. Die Boden/Boden-Zeit ist bei diesem Bearbeitungskonzept sehr kurz. Dabei stehen auch Genauigkeit und Wirtschaftlichkeit im Mittelpunkt.
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| Kassette für Gewindesträhler System 315 |
Fertigungstechnisches Optimum
Um Wärme- und Späneabfuhr der kompakten Werkzeuglösung zu unterstützen, sind die Werkzeuge effektiv innengekühlt. Der Kühlmittelaustritt erfolgt je nach Einsatz durch, unter oder über der Schneide. Der Kühlmitteldruck beträgt mindestens 50 bar sowie 50 l/min Volumen. Am effektivsten ist dabei die Kühlschmierstoffzufuhr durch die Schneide. Die bis zu 7 mm dicken Gewindeschneidplatten des Gewindesystems S117 sorgen für beste Wärmeabfuhr und Schwingungsreduzierung. Integrierte, auf den zu bearbeitenden Werkstoff abgestimmte Spanbrecher bewirken eine hervorragende Spankontrolle. Die Spannung der Gewindeplatte erfolgt in einem seitlich abstützenden Präzisionsplattensitz durch eine einzelne ausreichend dimensionierte Spannschraube. Weitere Elemente wie Spanbrecher, Unterlage usw. entfallen. Die optimale Kombination aus Härte und Zähigkeit der verwendeten Substrate richtet sich nach dem speziellen Einsatzfall. Beschichtet sind die Schneidplatten mit der hoch verschleißfesten PVD-Multilayerschicht AS66, die Oberflächenparameter der Schneidkanten sind auf den Anwendungsfall optimiert. Alle Schneidplatten des komplexen Werkzeugsystems sind hinsichtlich ihrer Schneidengeometrien und ihrer Stellung im Werkzeugkopf auf optimale Spanungsbedingungen und Spankontrolle eingestellt.
Technologieführer bei Ölfeld-Rohrgewinden
Diese Technologie von Horn, Ölfeld-Rohrgewinde in einem Bearbeitungsgang zu fertigen, hat höchste wirtschaftliche Vorteile, zumal sich der Kunde zusätzlich sicher sein kann, dass seine Gewinde durch die API-Zertifizierung von Horn, als einzigem Werkzeughersteller weltweit, exakt der API-Norm entsprechen. Eingesetzt werden diese Komplettwerkzeuge standardmäßig in den API-Durchmesserbereichen 2 3/8" bis 26". Mit diesem System von Horn sind auch Steigungen bis 10 mm/U möglich bei Durchmessern über 14" – aber dann nicht mehr als Standardlösung.
Für die API-Zertifizierung der Werkzeuge waren mehrere Voraussetzungen zu erfüllen: Eine hervorragende Oberflächenqualität, hohe Genauigkeit der Gewinde mit hoher Kraft- und Formschlüssigkeit und hohem Traganteil der Gewindeflächen um ein Fressen beim Lösen und Verbinden mit hohen Drehmomenten zu vermeiden, ebenso hohe Dichtqualität und hohe Rundlaufgenauigkeit.
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