DE1583992B1

DE1583992B1 - Verfahren zur steigerung der festigkeitseigenschaften dickwandiger metallener hoechstdruckrohre

Info

Publication number: DE1583992B1
Application number: DE19681583992
Authority: DE
Inventors: Wilhelm Jamm
Original assignee: Mannesmann AG
Current assignee: Vodafone GmbH
Priority date: 1968-01-03
Filing date: 1968-01-03
Publication date: 1971-06-09

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steigerung der Festigkeitseigenschaften durch Innendruck beanspruchter dickwandiger metallener Höchstdruckrohre.
Die in der Hoch- und Höchstdrucktechnik eingesetzten Rohre werden mit Drücken beaufschlagt, die oft einige 1000 atü betragen. Trotz Verwendung hochlegierter Stähle bei der Rohrfertigung müssen die Rohre zur Aufnahme der auftretenden Werkstoffbeanspruchungen aus Rohren mit einem Durchmesserverhältnis größer als etwa 1,7 hergestellt werden. Selbst bei kleinen Rohrinnendurchmessern von wenigen Millimetern lichter Weite betragen die notwendigen Rohrwanddicken in der Regel mehr als die Hälfte des lichten Rohrdurchmessers. In der Wandung dieser Rohre entstehen bei Innendruckbeanspruchungen stark unterschiedliche Spannungszustände in Umfangs-, Achs- und Radialrichtung. Der Unterschied zwischen der Umfangsspannung von Rohrinnenwandung zur Rohraußenwandung entspricht dem Druckunterschied. In radialer und tangentialer Richtung herrscht ein starkes Spannungsgefälle durch die Rohrwand.
Es ist bekannt, innendruckbeanspruchte dickwanciige Rohre in ihren Festigkeitseigenschaften dadurch zu erhöhen, daß man diese Rohre nach ihrer Fertigung einem Wasserinnendurck unterwirft und dabei den Innendruck so weit steigert, daß die Fließgrenze des Rohrwerkstoffes an der Rohrinnenwand überschritten wird. Das Rohr beginnt sich über einen Teil der Rohrwanddicke von innen nach außen plastisch 7 u verformen. Nach dem Absenken des Innendruckes versucht der äußere Teil der Rohrwanddicke, der nur elastisch verformt wurde, in seine Ausgangslage zurückzugehen. Dadurch wird der innere plastisch verformte Teil der Rohrwandung auf Druckvorspannung gebracht. Durch diesen auch »Autofrettage« genann-Vorgang wird ein Druckrohr erzeugt, welches über die Rohrwanddicke mit einem Spannungszustand behaftet ist, der sich von einer Druckvorspannung in Umfangsrichtung auf der Rohrinnenwand über eine spannungslose neutrale Faser in eine Zugvorspannung in der Umfangsrichtung in der Rohraußenwand ändert.
Bekannt sind weiterhin bisher lediglich einstufige Verfahren zum Aufweiten von Hohlkörpern mittels eines explosionsartigen Druckstoßes (deutsche Patent 898 142) oder Verdampfen von Flüssigkeiten, Durchziehen von Dornen oder Kugeln od. dgl. (deutsches Patent 939 030, deutsches Gebrauchsmuster 1824 737, britische Patentschrift 671609).
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steigerung der Festigkeitseigenschaften dickwandiger Höchstdruckrohre, dadurch gekennzeichnet, daß das Aufweiten in mindestens zwei Stufen erfolgt, wobei die erste Stufe mit langsam steigendem Innendruck die Rohrwandung etwa ein Zehntel bis zur Hälfte vom Rohrinneren her gerechnet plastisch aufweitet und die zweite Stufe durch Auslösen mindestens eines explosionsartigen Druckstoßes das zu behandelnde Rohr bis zur Anlage an das Kaliberrohr aufweitet.
Nach einer besonderen Ausführungsform der Erfindung wird das zu behandelnde Höchstdruckrohr vor der plastischen Verformung an einem Rohrende aufgeweitet, eine Kugel vom Innendurchmesser des Druckrohres nach der plastischen Verformung eingelegt und die Kugel durch Explosionen, die zwischen ihr und dem verschlossenen Rohrende in rascher Aufeinanderfolge ausgelöst werden, durch das Höchstdruckrohr getrieben.
Dieses Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung in F i g. 1 dargestellt.
F i g. 2 zeigt in einem Sigma/Epsilon-Diagramm die Materialbeanspruchung bei der normalen Autofrettage.
Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile gehen aus dem in F i g. 3 dargestellten Sigma/Epsilon-Diagramm hervor.
Betrachtet man zunächst die F i g. 1, so zeigt diese das an einem Ende aufgeweitete und verschlossene Höchstdruckrohr 7, das Kaliberrohr 8 und die Kugel 9. Der eine Teil des Rohres ist bereits durch eine Vielzahl von Explosionen auf den Enddurchmesser 10 aufgeweitet, während der andere Teil 10' des Höchstdruckrohres noch bearbeitet werden muß. Die beiden verschlossenen Enden des Höchstdruckrohres sind über eine Druckausgleichsleitung 13 miteinander verbunden. Ein Höchstdrucksicherheitsventil 11 gewährleistet den Druckausgleich erst nach überschreiten des erforderlichen Höchstdruckes der Druckstufe 2, während eine Höchstdruckrückschlagklappe 12 ein Ausweiten des Druckes der Stufe 2 in die Druckausgleichsleitung verhindert.
Aus den F i g. 2 und 3 lassen sich die Erkenntnisse entnehmen, auf denen die Erfindung beruht. Bei der Druckbeaufschlagung des zu behandelnden Rohres wird zunächst der elastische Bereich 0-1 des Werkstoffes beansprucht (F i g. 2). Nach Erreichen der Fließgrenze 1 erfolgt ein plastisches Fließen durch die Rohrwand von innen nach außen ohne eine Werkstoffverfestigung. Erst bei Erreichen des Punktes 2 wird unter weiterer Druckerhöhung während der plastischen Verformung der Rohrwandung von innen her gleichzeitig eine weitere Werkstoffverfestigung 3 erzielt. Bei Absenken des Innendruckes 3-4 verbleibt eine Materialzerrung 4 im plastisch verformten Teil der Rohrwandung. Die hierdurch erzeugte tatsächliche Druckvorspannung an der Rohrinnenwand wird durch 0-5 wiedergegeben.
In der Druckstufe 1 wird das Höchstdruckrohr zunächst im elastischen Bereich 14-15 (F i g. 3) bis zum Erreichen der Fließgrenze 15 im Bereich des plastischen Fließens ohne Verfestigung 15-16 und im Bereich des plastischen Fließens mit Werkstoffverfestigung 16-17 beansprucht. Bei Erreichen des Maximalpunktes 17 der Druckstufe 1 wird die Explosion ausgelöst und die Explosionsverformung 17-18 des Höchstdruckrohres wird eingeleitet. Nach Erreichen des Maximalpunktes 18 der zweiten Druckstufe erfolgt eine Druckentlastung 18-19. Die Materialanstrengung des unplastisch verformten Teiles der Rohrwandung läßt nach, und bei endgültiger Druckentlastung baut sich an der Rohrinnenwand eine wesentlich höhere Druckvorspannung 14-20 auf als bei einem Höchstdruckrohr, welches einer normalen bisher bekannten Autofrettage unterworfen wurde.
Der Vorteil der doppelstufigen Druckbelastung mit Explosionscharakter in der zweiten Stufe eines Höchstdruckrohres ist darin zu sehen, daß das Rohr eine wesentlich größere Druckvorspannung an der Rohrinnenwand erhält, als bei einstufiger Autofrettage. Dadurch werden die Festigkeitseigenschaften des Rohrwerkstoffes besser ausgenutzt. Der Materialaufwand für die Fertigung von Höchstdruckrohren dieser Art wird geringer und das Verhältnis von Rohrwanddicke zu Rohrinnendurchmesser wird kleiner. Es besteht aber auch die Möglichkeit, Höchstdruckrohre, die einer doppelstufigen Autofrettage im Sinne der Erfindung unterworfen wurden, mit noch höheren Drücken zu beaufschlagen.

Claims

Patentansprüche: 1. Verfahren zur Steigerung der Festigkeitseigenschaften dickwandiger metallener Höchstdruckrohre durch Aufweiten eines beidseits verschlossenen Rohres durch steigenden Innendruck bis zur Anlage an ein Kaliberrohr, d a d u r c h Ly e k e n n z e i c h n e t, daß das Aufweiten in mindestens zwei Stufen erfolgt, wobei die erste Stufe mit langsam steigendem Innendruck die Rohrwandung etwa ein Zehntel bis zur Hälfte vom Rohrinneren her gerechnet plastisch aufweitet und die zweite Stufe durch Auslösen mindestens eines explosionsartigen Druckstoßes das zu behandelnde Rohr bis zur Anlage an das Kaliberrohr aufweitet.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zu behandelnde Höchstdruckrohr vor der plastischen Verformung an einem Rohrende aufgeweitet wird, eine Kugel vom Innendurchmesser des Druckrohres nach der plastischen Verformung der ersten Verformungsstufe eingelegt wird und die Kugel durch Explosionen, die zwischen ihr und dem verschlossenen Rohrende in rascher Aufeinanderfolge ausgelöst werden, durch das Höchstdruckrohr getrieben wird.