BETRIEBSSICHERE VERSORGUNG UNTER WASSER

Fokus - Schweißen

In größeren Wassertiefen gelegene Ölquellen werden mit Hilfe unbemannter Seebauwerke ausgebeutet, sie sind auf dem Meeresgrund verankert. Steuerung, Überwachung und Versorgung der Einheiten erfolgen durch Plattformen von der Wasseroberfläche aus. Die Versorgungsstränge für die Energie- und Datenübertragung müssen außergewöhnlich hohen Anforderungen bezüglich Qualität, Zuverlässigkeit und Langlebigkeit genügen.

09. März 2016

Die Offshore-Versorgungsstränge zwischen Wasseroberfläche und Meeresgrund bestehen aus gebündelten Rohren, die aus Duplex-, Superduplex- und bisweilen sogar Hyperduplexstählen gefertigt sind, sowie aus Kabeln, elektrischen Leitungen und Lichtwellenleitern. Die äußere Ummantelung wird von einem Stahlrohr gebildet, das zusätzlich durch eine Polyäthylenbeschichtung geschützt ist. Die Außendurchmesser der Versorgungsstränge betragen üblicherweise zwischen 75 und 300 Millimeter.

Durch die Versorgungsstränge wird die zum Betrieb der Ventile, Schieber, Absperrorgane und Regeleinrichtungen im Bereich der Bohrlochköpfe und Rohölsammler notwendige elektrische Energie bereitgestellt und der Kreislauf der Hydraulikflüssigkeiten ermöglicht. Auch die Chemikalien, die dem Rohöl oft direkt an der Quelle als Fließverbesserer oder zur Vermeidung von Ablagerungen beigemischt werden, müssen durch die Versorgungsstränge gepumpt werden. Nicht zuletzt wird der bidirektionale Datenverkehr zwischen der oder den Plattformen auf der Wasseroberfläche und den auf dem Meeresboden befindlichen Fördereinrichtungen sichergestellt.

Für viele der Arbeitsschritte bei der Herstellung der Versorgungsstränge und ihrer Verlegung sind maßgeschneiderte Anlagen im Produktspektrum des französischen Unternehmens Polysoude zu finden. Beginnend mit den in der Fabrik an Land herzustellenden Schweißverbindungen zwischen den angelieferten Rohrabschnitten bis hin zum Zusammensetzen der fertigen Versorgungsstränge auf hoher See an Bord eines entsprechend ausgerüsteten Verlegungsschiffes finden von Polysoude hergestellte Orbitalschweißanlagen mannigfaltige Einsatzgebiete. Da Reparaturen an verlegten Versorgungssträngen praktisch ausgeschlossen sind, müssen alle vorbereitenden Arbeiten mit größter Sorgfalt und Präzision erfolgen.

Herstellen der Rohrverbindungen

Die aus Superduplex-Stahl bestehenden Rohre mit Innendurchmessern von einem Zoll (2,54 Millimeter) bis 3 ½ Zoll (88,9 Millimeter) werden als zwölf Meter lange Abschnitte angeliefert. Nachdem die Enden eine Schweißnahtvorbereitung durch spanende Bearbeitung erfahren haben, werden sie durch Orbitalschweißen stumpf zusammengefügt. Die Länge des aus den einzelnen Abschnitten nach und nach zusammengesetzten Rohres kann mehrere Tausend Meter betragen; es wird auf große Trommeln aufgewickelt.

Die von Polysoude angebotenen, speziell für diesen Einsatzzweck konzipierten WIG-Orbitalschweißanlagen sind mit offenen Schweißköpfen des Typs MU versehen. Die Ausstattung erlaubt es, die Lichtbogenlänge ohne Zutun des Bedienungspersonals konstant zu halten (AVC) und größere Nahtbreiten durch motorisiertes Pendeln des Brenners zu erzeugen. Dadurch ist es möglich, Nähte mit konstanter Stärke und ohne jegliche Art von Schweißfehlern wiederholgenau herzustellen. Die Versorgung der Schweißköpfe erfolgt über eine Schweißstromquelle des Typs P6 und einen externen Drahtvorschub. Bei Orbitalschweißanlagen, die für eine gesteigerte Produktivität ohne Qualitätseinbußen der Schweißnähte vorgesehen sind, werden WIG-Schweißstromquellen der Baureihe PC 300 verwendet.

Dadurch ist es möglich, die Vorgaben bezüglich der beim Schweißen eingebrachten Streckenenergie genau einzuhalten und einen der besonderen Vorteile des WIG-Schweißens voll auszuschöpfen, nämlich die Menge des Zusatzdrahtes unabhängig von der Schweißstromstärke vorzugeben. Es sollte nicht außer Acht gelassen werden, dass neben der durchgängig hohen Schweißnahtqualität die guten mechanischen Eigenschaften der Grundwerkstoffe erhalten bleiben müssen und sich die geforderte Gefügeausbildung einstellt. Die dazu notwendige Kontrolle wird von einer in Echtzeit operierenden Schweißdatenerfassungs- und -überwachungsanlage übernommen, die alle relevanten Schweißparameter aufgezeichnet. Bei unzulässigen Abweichungen erfolgt wahlweise ein Alarm oder eine Unterbrechung des Schweißzyklus.

Die Konzeption der Orbitalschweißanlagen ist auf eine hohe Flexibilität bezüglich ihrer Einsetzbarkeit ausgerichtet: sie lassen sich für alle in der Vorfertigung anstehenden Fügeaufgaben nutzen.

Für vollständige Arbeitsabläufe werden Fertigungsstraßen eingesetzt, bei denen das Ablängen der Rohre, das Richten und die spanende Nahtvorbereitung der Rohrenden, das Verbindungsschweißen und das anschließende Polieren der fertigen Naht ohne Unterbrechung automatisch ablaufen. Die Werkzeuge in den einzelnen Stationen sind auf beweglichen Schlitten angeordnet, die Rohrsegmente durchlaufen diese Stationen und verlassen die Fertigungseinrichtung als zusammenhängendes Rohr beliebiger Länge.

Herstellen von Versorgungssträngen

Nachdem die Vorfertigung abgeschlossen ist, werden die Komponenten der Versorgungsstränge, also die verschiedenen Rohre mit Isolierung, die elektrischen Kabel und die Lichtwellenleiter, geflochten. Der Flechtvorgang wird in horizontaler oder vertikaler Richtung durchgeführt. Die Flechtmaschinen sind für die Aufnahme von maximal zwölf Trommeln mit Stahlrohren unterschiedlicher Durchmesser und Wandstärken eingerichtet. Die von den verschiedenen Trommeln abgespulten Rohre werden durch ein Portal geführt und verlaufen dann entlang der Seele des Versorgungsstranges, das heißt einem zentral angeordneten Rohr größeren Durchmessers. Das Ganze wird dann in eine Schaumstoffschicht eingebettet, mit der äußeren Ummantelung versehen und durch eine Polyäthylenauflage versiegelt.

Bedingt durch die unterschiedlichen Rohrdurchmesser drehen sich die Trommeln beim Abspulen der Rohre unterschiedlich schnell, zum Wechseln einer leeren Trommel wird der Flechtvorgang unterbrochen, sobald das betreffende Rohrende am Portal angekommen ist. Nachdem die leere durch eine volle Trommel ersetzt wurde, verbindet ein Schweißer die Rohrenden mittels einer mobilen Polysoude-Orbitalschweißanlage, worauf der Flechtvorgang fortgesetzt werden kann.

Anschluss der Kupplungen an die Rohre eines Versorgungsstranges

Das Ende eines Versorgungsstranges wird durch den Anschlusskopf UTH (Umbilical Termination Head) gebildet. Hier müssen die verschiedenen in den Versorgungsstrang integrierten Rohre mit passenden Kupplungselementen verbunden werden. Eine Aufgabe, für die sich wegen der extrem eingeschränkten Zugänglichkeit des Arbeitsbereiches die von Polysoude angebotenen, besonders kompakt konstruierten ›Low-Profile‹-Orbitalschweißköpfe Typ MU bewährt haben.

Mit diesen Orbitalschweißanlagen, die für mechanisierte oder vollautomatisch ablaufende Fügeoperationen geeignet sind, lässt sich von der Vorfertigung, also dem Verschweißen der einzelnen Rohrabschnitte vor dem Aufwickeln auf die Trommeln, bis zu den letzten Arbeitsschritten beim Anbringen der Kupplungselemente im UTH ein durchgängig hohes Qualitätsniveau verwirklichen. Die einheitliche Struktur der dem Ablauf der Schweißzyklen zugrunde liegenden Programme (MOS) erlaubt es, als vorteilhaft erkannte oder durch die Verfahrensprüfung bestätigte Sequenzen wiederholgenau auf alle Anlagen zu übertragen.

Lösungen zum Offshore-Schweißen

Polysoude hat bereits im Jahre 1992 das WIG-Schweißverfahren (Wolfram-Inert-Gas) in das Zentrum ihrer Forschungsaktivitäten gestellt und seitdem die Methodik ständig weiterentwickelt und verfeinert, werden doch 99 Prozent aller im Bereich der Herstellung von Versorgungssträngen für die Rohölförderung anfallenden Schweißverbindungen mit Hilfe der WIG-Kaltdrahttechnik verwirklicht. Es sollte jedoch nicht vergessen werden, dass sich die Produktivität in bestimmten Anwendungsfällen durch den Einsatz des WIG-Heißdrahtschweißens noch bedeutend steigern lässt. Die Verringerung der durch das Schweißbad zum Schmelzen des Zusatzwerkstoffes aufzubringenden Energie ist mit einem deutlichen Rückgang des Ferritgehaltes im Schweißgut verbunden, so dass neben den handfesten wirtschaftlichen Aspekten für den Einsatz der WIG-Heißdrahttechnik auch bedeutsame technische Gesichtspunkte ins Feld geführt werden können.

Bei der von Polysoude angebotenen Schweißtechnik wird auf eine dem Verhalten der Grundwerkstoffe angepasste Prozessführung besondere Rücksicht genommen. Gerade von Duplex- und Superduplexstählen ist bekannt, dass sie einen bedeutenden Teil ihrer herausragenden Eigenschaften verlieren, wenn der Ferritgehalt im Schweißgut bestimmte Grenzwerte überschreitet. Der daraus resultierenden Forderung nach strikter Minimierung der beim Schweißen eingebrachten Streckenenergie kann mit Polysoude-Orbitalschweißanlagen in vorbildlicher Weise entsprochen werden.

Bei Hyperduplexstählen ist eine gute Schweißbarkeit mit ausreichender Austenitbildung in der wärmebeeinflussten Zone zu verzeichnen, was bei umsichtiger Auswahl der Zusatzwerkstoffe die Herstellung mechanisch hoch belastbarer und gleichzeitig äußerst korrosionsbeständiger Fügeverbindungen ermöglicht. Das WIG-Schweißen mit eingebrachten Streckenenergien zwischen 0,2 und 1,0 kJ/mm und Argon-Stickstoffgemischen, reinem Helium oder reinem Argon als Schweißschutzgas führt zu ausgezeichneten Ergebnissen, wenn eine Zwischenlagentemperatur von 100 °C nicht überschritten wird. Besondere Vorschriften zum Vorwärmen der Werkstücke oder einer kontrollierten Abkühlung brauchen in diesem Fall nicht aufgestellt zu werden.

Andrea Husson

Fachjournalistin aus Nantes (F)

Tube Halle 06, Stand B20

Erschienen in Ausgabe: 02/2016