Die Multi-Millionen-Herausforderung

Technik/Rohrbearbeitung

Bohrgestänge sind enormen mechanischen, thermischen und oft auch chemischen Belastungen ausgesetzt und Schäden können ungeheure Folgekosten erzeugen. Daher müssen auch die Rohrverbindungen absolut zuverlässig sein.

06. Juni 2014
Kassette für Gewindesträhler System 315
Bild 1: Die Multi-Millionen-Herausforderung (Kassette für Gewindesträhler System 315 )

Würde man die Öl- und Gasbohrgestänge der derzeit aktiven Fördertürme und Plattformen aneinanderreihen, man käme auf eine Gesamtlänge über eine Million Kilometer und könnte damit den Äquator mindestens 25-mal umwickeln. Da diese Gestänge durch Verschleiß und immer neue Förderstätten immer wieder ersetzt und neu produziert werden müssen, ergibt sich ein gigantisches Marktvolumen. Und da die Gestänge aus acht bis zwölf Meter langen Rohren verschraubt sind, sind auch alle acht bis zwölf Meter zwei Gewinde nötig, für Muffenverbindungen sogar vier. Eine Multimillionen-Fertigungsaufgabe – und eine Herausforderung an Werkzeughersteller, diese Gewinde kostengünstig, präzise und schnell zu fertigen. Horn in Tübingen hat sich dieser Herausforderung angenommen und ein wirtschaftliches System zur Herstellung präziser Ölfeld-Rohrgewinde entwickelt.

Die Durchmesser der Rohre für Explorations- und Förderbohrungen bewegen sich zwischen 2 3/8 (zirka 60 mm) und 28 (> 700 mm). Sie sind längs oder spiralgeschweißt, gewalzt, warm gewalzt oder gepilgert. Man unterscheidet Förderrohre, Casings und Tubings. Werkstoffe sind Chromstahl, St-Stahl, Kohlenstoffstahl, warm gewalzt mit hoher Festigkeit, Rohre für saure Umgebungen aus Chrom-Nickel-Stahl oder für extreme Einsätze aus rundgeschmiedeten und längsgebohrten Bohrstangen aus Nickelbasislegierungen.

Sogenannte Standardrohre mit API-Rund- oder Buttress-Gewinde 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- und -Buttress-Gewinde. Dazu kommt 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. Ferner ergibt sich bei sogenannten Richtbohrungen, bei denen der senkrechte Verlauf in die Horizontale schwenkt, eine hohe Biegebelastungen auf die Gewindeverbindung.

Stehend oder rotierend

Man unterscheidet die Bearbeitung mit stehendem Werkzeug auf Zwei- und Vierachsenmaschinen, 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 gleichmäßiger 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. Und 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 exakt 5,08 mm. Die Schneidplatten für die Gewindebearbeitung sind unterschiedlich als Folgewerkzeuge 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 und so weiter. 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 in diesem Bearbeitungskonzept sehr kurz. Genauigkeit und Wirtschaftlichkeit stehen im Mittelpunkt.

Fertigungstechnisches Optimum

Um Wärme- und Späneabfuhr der kompakten Werkzeuglösung zu unterstützen, sind die Werkzeuge innengekühlt. Der Kühlmittelaustritt erfolgt je nach Einsatz durch die, unter oder über der Schneide. Der Kühlmitteldruck beträgt mindestens 50 bar, der Volumenstrom 50 l/min. Am effektivsten ist die Kühlschmierstoffzufuhr durch die Schneide. Die bis 7 mm dicken Schneidplatten des Gewindesystems S117 sorgen für gute Wärmeabfuhr und Schwingungsreduzierung. Integrierte, auf den zu bearbeitenden Werkstoff abgestimmte Spanbrecher bewirken eine hervorragende Spankontrolle. Die Spannung der Platte erfolgt in einem seitlich abstützenden Präzisionsplattensitz durch eine einzelne ausreichend dimensionierte Spannschraube. Weitere Elemente wie Spanbrecher, Unterlage et cetera 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 hin optimiert. Alle Schneidplatten des komplexen Werkzeugsystems sind hinsichtlich ihrer Schneidengeometrien und ihrer Stellung im Werkzeugkopf auf optimale Spanungsbedingungen und Spankontrolle eingestellt.

Mit API-Zertifikation

Diese Technik von Horn, Ölfeld-Rohrgewinde in einem Bearbeitungsgang zu fertigen, hat große wirtschaftliche Vorteile, zumal sich der Kunde 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 sind auch Steigungen bis 10 mm möglich ab Durchmesser 14 – dann aber 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. Langjährige Erfahrung in diesem Segment und die Horn-typische Herangehensweise, für eine Herausforderung die beste Lösung zu bieten, führten letztendlich zum Ziel.

Zahlen & Fakten

Seit 1969 entwickelt und produziert die Paul Horn GmbH, Tübingen, Einstech-, Längsdreh- und Nutfräswerkzeuge. Die Anwendungsbereiche reichen von der Automobil- und deren Zulieferindustrie über Maschinenbau, Luft- und Raumfahrttechnik, Hydraulik/Pneumatik, der Schmuckindustrie bis zur Medizintechnik. Die Werkzeuge werden weltweit von 900 Menschen entwickelt und produziert.

Erschienen in Ausgabe: 04/2014