Stahlrohre verstehen: Von der Herstellung bis zur Infrastruktur

Geschichte, Produktion und Verwendung von Stahlrohren

Stahlrohre sind zylindrische Röhren aus Stahl, die in der Fertigung und Infrastruktur vielfältig eingesetzt werden. Sie sind das am häufigsten genutzte Produkt der Stahlindustrie. Die primäre Verwendung von Rohren ist der Transport von Flüssigkeiten oder Gasen unterirdisch – einschließlich Öl, Gas und Wasser. Allerdings werden Rohre unterschiedlicher Größen in der gesamten Fertigung und im Bauwesen verwendet. Ein häufiges Haushaltsbeispiel ist das schmale Stahlrohr, das das Kühlsystem in Kühlschränken betreibt. Der Bau verwendet Rohre für Heizung und Sanitär. Strukturen können mit Stahlrohren unterschiedlicher Größen gebaut werden, wie Handläufe, Fahrradständer oder Rohrpoller.

William Murdoch gilt als Pionier der Stahlrohre. 1815 verband er Musketenfässer, um ein Kohlelampensystem zu stützen. Murdoch nutzte sein innovatives Rohrsystem, um Kohlegas zu Laternen auf den Straßen Londons zu transportieren.

Seit den 1800er Jahren wurden große Fortschritte in der Stahlrohrtechnologie gemacht, einschließlich verbesserter Herstellungsmethoden, Entwicklung von Anwendungen für ihre Nutzung und Etablierung von Vorschriften und Standards, die ihre Zertifizierung regeln.

Wie wird Stahlrohr hergestellt?

Vom Schmelzen der Rohmaterialien bis zum Formen oder Schweißen – dieses allgegenwärtige Baumaterial wird durch zwei Hauptprozesse hergestellt:

Rohstahl in eine nutzbare Form umwandeln

Beide Prozesse müssen mit der Herstellung von gutem Qualitätsstahl beginnen. Rohstahl wird von Gießereien durch einen Prozess des Schmelzens von Rohmaterialien in einem Ofen produziert. Um die Zusammensetzung genau richtig zu bekommen, können Elemente zur Schmelze hinzugefügt und Verunreinigungen entfernt werden. Die resultierende Stahlschmelze wird in Formen gegossen, um Blöcke herzustellen, oder an eine Stranggießmaschine übertragen, um Brammen, Knüppel und Blöcke herzustellen. Rohr wird aus zwei dieser Produkte hergestellt: Brammen oder Knüppel.

Stahlbrammen und Stahlskelp in der Rohrherstellung

Stahlskelp wird aus Brammen hergestellt, die auf 1.200 °C (2.200 °F) erhitzt werden. Die Hitze verursacht eine Zunderschicht auf der Oberfläche, die durch einen Zunderbrecher und Hochdruckreinigung entfernt werden muss. Einmal gereinigt, wird die Stahlbramme heiß zu dünnen, schmalen Stahlstreifen gewalzt, die Skelp genannt werden. Skelp wird gebeizt (oberflächenreinigt) mit Schwefelsäure, mit Wasser gewaschen und auf große Spulen gewickelt als Rohmaterial für die Rohrherstellung. Die Breite des Skelp bestimmt den Durchmesser des herzustellenden Rohrs.

Skelp wird von der Spule abgewickelt, erhitzt und durch gerillte Walzen geführt, die die Kanten des Skelp nach oben biegen. Dieser Prozess erzeugt ein zylindrisches Rohr, bei dem die beiden Kanten sich direkt um einander herum treffen und einen langen Zylinder bilden. Ein Schweißprozess verbindet die Kanten und versiegelt das Rohr.

• Bei einem kontinuierlichen Schweißvorgang pressen Schweißwalzen die Kanten des Rohrs ineinander – wodurch ein Schmiedeschweiß durch die bereits auf den Skelp angewendete Hitze entsteht. Kein Metall wird beim Schweißen hinzugefügt, und die endgültigen Walzen reduzieren Durchmesser und Wandstärke des Rohrs auf die Spezifikationen.
• Elektrowiderstandsschweißen folgt einem ähnlichen Prozess wie kontinuierliches Schweißen, außer dass der Skelp kalt in die Rohrform gewalzt wird. Strom wird durch rotierende Kupferdisks an die Rohrkanten geleitet, die die Kanten auf Schweißtemperatur erhitzen. Schweißwalzen verbinden die Rohrkanten zu einem Schmiedeschweiß.
• Spiralschweißen und Doppel-Unterpulverschweißen verwenden konventionellere Schweißtechniken und fügen Schweißmaterial hinzu, um die Verbindung zu bilden.

Stahlknüppel für nahtlose Rohre

Stahlknüppel sind lange quadratische Stahlstücke, die direkt aus einer Stranggießmaschine produziert werden oder als Sekundärprodukt aus gewalzten und gestreckten Gussblöcken hergestellt werden. Diese Knüppel können verwendet werden, um nahtlose Rohre herzustellen, die in einigen Anwendungen sicherer sind, da sie keine Schweißnaht haben.

Der massive Stahlknüppel muss auf extreme Temperaturen erhitzt werden, wird weißglühend, aber nicht geschmolzen. Maschinen walzen sie, sodass sie zu einem zylindrischen Festkörper werden. Während sie noch heiß sind, wird ein kugelförmiger Piercer verwendet, um das hohle Zentrum regelmäßig nach seinen Abmessungen zu machen. Eine Reihe von Fräsoperationen folgt, um das Rohr den erforderlichen Spezifikationen anzupassen.

Veredelungsschritte

Rohre können als endgültigen Prozessschritt durch eine Richtmaschine geführt werden, bevor sie mit Verbindungen an den Enden ausgestattet werden. Kleindurchmesser-Rohrleitungen werden usually mit Gewindeverbindungen ausgestattet, aber größere Durchmesser werden normalerweise mit Flanschen ausgestattet, die an das Rohrende angeschweißt werden. Messmaschinen überprüfen die Abmessungen des fertigen Rohrs und prägen die Details zur Qualitätskontrolle auf die Rohrseite.

Qualitätskontrolle

Qualitätskontrollschritte umfassen die Prüfung des Rohrs auf Defekte mit Röntgengeräten – besonders entlang der Schweißnaht. Eine andere Technik ist der Drucktest des Rohrs, indem es mit Wasser gefüllt und für eine bestimmte Zeit unter Druck gehalten wird, um Defekte aufzudecken, die vor Inbetriebnahme katastrophale Ausfälle verursachen könnten.

Wie wird Stahlrohr verwendet?

Rohre werden in Strukturen, Transport und Fertigung verwendet. Sie werden nach ihrem Außendurchmesser bemessen, wobei der Innendurchmesser je nach Wandstärke variiert. Einige Anwendungen benötigen dickere Wände als andere, abhängig von den Kräften, die das Rohr bewältigen muss.

Strukturelle Verwendung

Strukturelle Verwendungen sind im allgemeinen Bauwesen üblich. In diesen Branchen wird das Baumaterial commonly als Stahlrohre bezeichnet.

Baupfähle

Stahlrohre geben Fundamenten Festigkeit in einem Prozess namens Pfahlgründung. In diesen Anwendungen wird das Rohr tief in die Erde getrieben, bevor das Fundament gelegt wird. Es bietet Stabilität für ein hohes Gebäude oder Bau auf unsicherem Boden.

Es gibt zwei fundamentale Arten von Pfahlfundamenten:

• Endlagerpfähle haben das untere Ende auf einer Schicht besonders festem Boden oder Fels ruhend. Die Last des Gebäudes wird durch den Pfahl auf die feste Schicht übertragen.
• Reibungspfähle übertragen die Last des Gebäudes über die volle Höhe des Pfahls auf den Boden, durch Reibung. Die gesamte Oberfläche des Pfahls hilft, die Kräfte auf den Boden zu übertragen.

Gerüststangen

Gerüststangen werden durch Verbinden von Stahlrohren in einem Käfig hergestellt, der Bauarbeitern den Zugang zu Bereichen hoch über dem Boden ermöglicht.

Fertigungsverwendung

Schutzgeländer

Schutzgeländer werden auch aus Stahlrohren hergestellt, was eine ästhetisch ansprechende Sicherheitsfunktion für Treppen und Balkone schafft.

Poller

Sicherheitspoller werden verwendet, um einen Bereich vom Fahrzeugverkehr abzusperren, um Menschen, Gebäude oder Infrastrukturen zu schützen.

Fahrradständer

Viele gewerbliche Fahrradständer werden durch Biegen von Stahlrohren geformt. Die zähen Materialeigenschaften von Stahl machen ihn sicher gegen Diebe.

Transportverwendung

Die häufigste Verwendung von Stahlrohren ist der Transport von Produkten, da das Material gut für langfristige Installationen geeignet ist. Es kann unterirdisch verlegt werden aufgrund seiner Härte und Beständigkeit gegen Zersetzung.

Niederdruckanwendungen erfordern nicht, dass Rohre hohe Festigkeit haben, da sie nicht signifikanten Spannungen ausgesetzt sind. Dünne Wandstärke ermöglicht günstigere Herstellung. Spezialisiertere Anwendungen – wie Rohre in der Öl- und Gasindustrie – erfordern strengere Spezifikationen. Die gefährliche Natur des transportierten Produkts und die Möglichkeit erhöhten Drucks auf der Leitung erfordern hohe Festigkeit und damit höhere Wandstärke. Dies bringt generally einen damit verbundenen höheren Kosten mit sich. Qualitätskontrolle ist für diese Anwendungen kritisch.

Wie wird Stahlrohr spezifiziert?

Es kann Verwirrung geben über die Art, wie diese Materialien spezifiziert werden, und was das für die exakten Eigenschaften des Rohrs bedeutet. Die American Society for Testing and Materials (ASTM) zusammen mit der American Society of Mechanical Engineers (ASME) und dem American Petroleum Institute (API) sind die meistreferenzierten Organisationen für Rohrspezifikationen in Nordamerika.

Spezifikationen können in drei Hauptkategorien unterteilt werden:

Nennrohrgröße

Rohrgröße wird als „Nennrohrgröße“ oder NPS angegeben. Der Ursprung der NPS-Zahlen für kleinere Rohre (< NPS 12) unterscheidet sich vom Ursprung für größere Durchmesser. Allerdings haben alle Rohre einer bestimmten NPS-Nummer denselben äußeren oder Außendurchmesser (OD). Der Innendurchmesser variiert je nach Wandstärke des Metalls. Der Grund dafür ist, dass dieselben strukturellen Stützen für alle Rohrleitungen einer bestimmten NPS-Nummer verwendet werden können, unabhängig von der Wandstärke.

Schedule (Wandstärke)

Stahlrohr-Schedules sind eine Möglichkeit, die Wandstärke des Rohrs zu beschreiben. Dies ist ein kritischer Parameter, da er direkt mit der Festigkeit des Rohrs und der Eignung für spezifische Anwendungen zusammenhängt. Ein Rohr-Schedule ist eine dimensionslose Zahl und wird basierend auf der Designformel für Wandstärke berechnet, gegeben dem Design-Druck und zulässigen Spannung.

Beispiele für Schedule-Nummern sind: 5, 5S, 10, 20, 30, 40, 50, 60, 80, 100, 120, 140, 160, STD, XS und XXS – wobei die häufigsten Schedules 40 und 80 sind. Je höher die Schedule-Nummer, desto dicker die Wandstärke des Rohrs. Die Schedule-Nummer eines Rohrs definiert daher den Innendurchmesser, da der AD durch die NPS-Nummer festgelegt ist.

Rohrgewicht

Das Gewicht eines Rohrs kann basierend auf der NPS, die den Außendurchmesser definiert, und dem Schedule, die die Wandstärke definiert, berechnet werden. Die Formel verwendet das theoretische Gewicht von Stahl von 40,8 Pfund pro Quadratfuß pro 1 Zoll Dicke, um die Konstante zu bestimmen.

W = 10,69 × t (OD – t)

Wobei:

W = Gewicht (in Pfund pro Fuß)
OD = Außendurchmesser
t = Dicke

Die folgende Tabelle von Engineering Toolbox zeigt die Messungen von AD, Wandstärke und Gewicht für Rohre unterschiedlicher NPS. Sowohl Schedule 40 als auch Schedule 80 Messungen sind dargestellt.

Schedule 40
Schedule 80
Nenn-
Durchmesser
Durchmesser
Nenn- Dicke
Gewicht
Durchmesser
Nenn- Dicke
Gewicht
Rohrgröße
(in)
(in)
(in)
(in)
(in)
(in)
Außendurchmesser
Innendurchmesser
lb/ft
Innendurchmesser
lb/ft

1/8

0,405

0,270

0,070

0,240

0,220

0,100

0,310

1/4

0,540

0,360

0,090

0,420

0,300

0,120

0,540

3/8

0,675

0,490

0,090

0,570

0,420

0,130

0,740

1/2

0,840

0,620

0,110

0,850

0,550

0,150

1,000

3/4

1,050

0,820

0,110

1,130

0,740

0,150

1,470

1

1,315

1,050

0,130

1,680

0,960

0,180

2,170

1-1/4

1,660

1,380

0,140

2,270

1,280

0,190

3,000

1-1/2

1,900

1,610

0,150

2,720

1,500

0,200

3,650

2

2,375

2,070

0,150

3,650

1,940

0,220

5,020

2-1/2

2,875

2,470

0,200

5,790

2,320

0,280

7,660

3

3,500

3,070

0,220

7,580

2,900

0,300

10,300

3-1/2

4,000

3,550

0,230

9,110

3,360

0,320

12,500

4

4,500

4,030

0,240

10,790

3,830

0,340

14,900

5

5,563

5,050

0,260

14,610

4,810

0,380

20,800

6

6,625

6,070

0,280

18,970

5,760

0,430

28,600

8

8,625

7,980

0,320

28,550

7,630

0,500

43,400

10

10,750

10,020

0,370

40,480

9,560

0,590

64,400

12

12,750

11,940

0,410

53,600

11,380

0,690

88,600

14

14,000

13,130

0,440

63,000

12,500

0,750

107,000

16

16,000

15,000

0,500

78,000

14,310

0,840

137,000

18

18,000

16,880

0,560

105,000

16,130

0,940

171,000

20

20,000

18,810

0,590

123,000

17,940

1,030

209,000

24

24,000

22,630

0,690

171,000

21,560

1,220

297,000

Basierend auf ASTM A53 – Standard Specification for Pipe, Steel, Black and Hot-Dipped, Zinc-Coated, Welded and Seamless.

Zertifizierung

Hersteller stellen einen Materialprüfbericht oder Werksprüfbericht aus, um zu validieren, dass das Produkt die chemische Analyse und mechanischen Eigenschaftenspezifikationen erfüllt. Der MTR enthält alle relevanten Daten zum Produkt und begleitet das Produkt durch seinen Lebenszyklus.

Die folgenden sind typische Parameter, die auf einem MTR aufgezeichnet werden können:

• Chemische Zusammensetzung einschließlich Kohlenstoffgehalt, Legierungen und Schwefel
• Materialgröße, Gewicht, Identifikation und Güte
• Material-Chargennummer, die auf den Verarbeitungsbatch zurückführt
• Mechanische Eigenschaften wie Zugfestigkeit, Streckgrenze und Dehnung

Für Stahlpoller sind die am häufigsten zitierten Spezifikationen ASTM A53 und ASTM A500.

Wie Reliance Foundry Stahlrohre verwendet

Reliance Foundry liefert Rohrpoller, die aus Stahlrohren hergestellt werden. Poller sind vertikale Rohrlängen, die in den Boden eingebaut werden, um Menschen, Gebäude und umliegende Infrastruktur vor Fahrzeugkollisionen zu schützen.

Stahlrohrpoller müssen Sicherheitspezifikationen entsprechen, um sicherzustellen, dass sie stark genug sind, um der Aufprallkraft von Fahrzeugkollisionen zu widerstehen. Schedule 40 und Schedule 80 Stahl können für Stahlrohrpoller je nach Anwendung verwendet werden.

Stahlrohrpoller werden oft mit Edelstahl, Kunststoff oder anderen Metall-Dekorabdeckungen versehen für ästhetische Anziehungskraft und zum Schutz des Stahlrohrs vor Korrosion.