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Verfahren zur Kaltstreckung von Druckgefässen.
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In beispielsweise unserer USA-Patentschrift 3 -56 831 wird beschrieben
eine Methode zur sogenannten Kaltstreckung von Druckgefässen, gemäss welcher ein
Druckgefäss, das von Platten aus austenitischem rostfreiem Stahl zusammengeschweisst
worden ist, nach dem Fertigstellen bei einer Temperatur, die die Rekristallisationstemperatur
des Materials untersteigt, einem hohen mit Rücksich auf die Dimensionen des Druckgefässes
gewählten pneumatischen oder hydraulischen inneren Ueberdruck, dem sogenannten Kaltstreckungsdruck
Pl ausgesetzt wird, der wenigstens in den schwächsten Wandpartien eine bestehende
Dehnung und damit eine wesentliche Erhöhung der Streckgrenze des Materials hervorruft.
In Prinzip wird also ein so hoher, im allgemeinen hydraulischer Kaltstreckungsdruck
Pk gewählt, dass die Zugspannungen in der Gefässwand einen Wert aufweisen, der demjenigen
Streckgrenzwert entspricht, der bei der Berechnung der Wanddicke des Druckgefässes
verwendet worden ist.
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Die genannte Kaltstreokungsnethode kann verwendet werden, sowohl bei
Druckgefässen, die aus im Werke ausgeglühten Platten zusammengeschweisst worden
sind, wie bei solchen, wo die Platten vor dem Zusammenschweissen in kaltem Zustand
vorgestreckt worden sind.
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Eine Komplikation bei der Anwendung der Kaltstrecizungsmethode ist
der Umstand, dass die vom Kaltstreckungsdruck verursachte bestehende Dehnung des
Materials von derjenigen Zeit abhängig ist, während welc
der Kaltstreckungsdruck
Wirken darf, in-lell die Dahnung wächst mit der Zeit, der H#LtS#%#(£?tä# während
wicher der Kaltstreckungsdruck aufrechterhalten wird. Man sagt, dass das Material
kriecht. Die Dehnung pro Zeiteinheit, das sogenannte Kriechmass, wird aber je nach
dem Fortschreiten der Haltezeit kleiner, sodass das Kriechmass allmählich versäumbare
Werte annimmt. Ein Kriechmass von 0.l/o pro Stunde wird von Fachleuten als akzeptabel
angesehen. Bei einem zylindrischen Druckgefäss, beispielsweise einen Zellulosenkocher
mit einem Durchmesser von 6000 mm, bedeutet dies, dass bei Aufrechterhaltung des
Kaltstreckungsdruckes noch eine Stunde der Umfang nur etwa 20 mm grösser wird. Diese
verhältnismässig unbedeutende Änderung der Form des Druckgefässes, wenn der Kaltstreckungsdruck
eine längere Zeit wirken darf, kann in der Regel ohne weiteres akzeptiert werden.
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Es ist in diesem Zusammenhang zu bemerken, dass, wenn es sich um Druckgefässe
aus austenitischem rostfreiem Stahl geht, der Sicherheitsfaktor definiert wird als
das Verhältnis zwischen dem höheren inneren Ueberdruck, dem das Gefäss während einer
längeren Zeit ohne nennenswerte Formveränderung standhalten kann, und dem Betriebsdruck.
Gewöhnlicherweise beträgt der festgesetzte Sicherheitsfaktor 1.5 Die Zeit, die die
Kaltstreckung eines Druckgefässes in Anspruch nimmt, muss angemessen sein, nicht
zum wenigsten mit Rücksicht auf den Umstand dass die Kaltstreckungsoperation von
einem Repräsentanten der Behörde, die das Druckgefäss gutheissen wird, kontrolliert
werden soll, ehe man es verwenden darf. Bei einem grossen Zellulosenkocher oder
einer Drucksäurenzisterne kann es bei der Anwendung von btsjetzt bekannten Methoden
sich als notwendig zeigen, den vorberechneten Kaltstreckungsdruck Pk bis auf 15
a 20 Stunden aufrechtzuerhalten, damit das Kriechmass auf die gewünschte 0.1% herabgehen
soll. Dies ist kaum eine angemessene Zeit.
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Zweck der vorliegenden Erfindung ist, auf einen angemessenen Wert
die Zeit zu reduzieren, die für die Durchführung der Kaltstreckungs operation erforderlich
ist. Erfindungsgemäss geht man dann derart vor, dass man während einer Einleitungsperiode
der Kaltstreckungsoperation das Druckgefäss einem inneren Ueberdruck aussetzt, der
um einige Prozent den berechneten Kaltstreckungsdruck übersteigt, danach den
Druck
auf den erwähnten berechneten Wert herabsan~t u das Kriechmass bei diesem Wert misst.
Wenn diese Kontrollmessung zeigt, dass das Kriechmass am höchsten den als annehmbar
angesehenen Wert, beispielsweise 0.1%, beträgt, ist die Kaltstreckungsoperation
beendet. Zeigt die Kontrollmessung, dass das Kriechmass nach wLe vor den als annehmbar
angesehenen Wert übersteigt, wird der Kaltstreckungsdruck wieder auf denselben Wert
wie während der Einleitungsperiode erhöht und bei diesem Wert während einer als
geeignet geschätzten Zeit gehalten, wonach eine erneuerte Kontrollmessung des Kriechmasses
beim vorberechneten Kaltstreckungsdruck vorgenommen wird. Ein erfahrener Bediener
kann die Haltezeit für den erhöhten Kaltstreckungsdruck so genau schätzen, dass
in der Regel bereits die erste Kontrollmessung zeigt, dass das gewünschte niedrige
Kriechmass erreicht worden ist, und mehr als zwei Perioden von Kaltstreckung unter
Einfluss des erhöhten inneren Ueberdruckes dürfte nur ausnahmsweise erforderlich
sein.
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Wie leicht einleuchtet, muss zugesehen werden, dass die Haltezeit
für den erhöhten Kaltstreckungsdruck nicht zu lang wird. Die vom erhöhten Kaltstreckungsdruck
verursachte prozentuelle Dehnung des Materials soll nämlich nicht diejenige Dehnung
übersteigen, die der vorberechnete Kaltstreckungsdruck verursachen würde, wenn dieser
Druck während sehr langer Zeit wirken dürfte.
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Die Erfindung wird jetzt an Hand der beigelegten Zeichnungen näher
erläutert. Es zeigen: Fig. 1 schematisch eine herkömmliche Apparatur für die Kaltstreckung
eines Druckgefässes; Fig. 2 die prozentuelle Dehnung der Mantelwand eines zylindrischen
Druckgefässes als Funktion der Haltezeit des vorbsrechnten Kaltstreckungsdruckes
bzw. eines um einige Prozent erhöhten Kaltstreckungsdruckes; Fig. 3 das Kriechmass
als Funktion der Haltezeit des berechneten Kaltstreckungsdruckes; Fig. 4 die prozentuelle
Dehnung der Mantelwand als Funktion der Haltezeit desgleichen Druckgefässes bei
Verwendung der Erfindung.
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In Fig. 1 bezeichnet 10 ein zylindrisches Druckgefäss, das gemäss
der Erfindung kaltgestreckt werden soll, 11 eine mit dem Druckgefäss verbundene
Druckpumpe, gewöhnlicherweise von Kolbentyp, 12 einen Antriebsmotor für die Pumpe,
13 ein Manometer und 14 ein Druckentladungsventil, beispielsweise bestehend aus
einem gewöhnlichen Absperrventil. Die Pumpe 11 hat die Aufgabe, im Druckgefäss lt,
nachdem es mit Wasser oder einer anderen geeigneten Flüssigkeit gefüllt ist, durch
Einpumpen in das Gefäss von weiteren Quantitäten Wasser od.dgl.
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den erwijnschten Kaltstreckungsdruck aufzubauen.
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Die untere Kurve in Fig. 2 sowie die Kurve in Fig. 3 basieren sich
auf Messungen,vorgenommen in Zusammenhang mit Kaltstreckung eines zylindrischen
Druckgefässes aus austenitischem rostfreiem Stahl, Qualität SIS 2343. Dieser Stahl
hat die folgende Zusammensetzung: c C #o.o6 % CR 16.5 - 19 % Ni 10.5 - 14 s Der
vorberechnete Kaltstreckungsdruck Pk betrug 20 kp/cm2. Dieser Druck war nach der
Wanddicke des Druckgefässes so bemessen, dass er im Mantel des Druckgefässes eine
Zugspannung von U mm = kp/mm2, berechnet auf den ursprünglichen Querschnitt, hervorrufen
sollte.
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In Fig. 2 ist die Haltezeit des Kaltstreckungsdruckes in logaritmischem
Masstab angegeben. Es ist zu bemerken, dass die Kurve eine verhältnismässig langsame
Erhöhung der prozentuellen Dehnung auch zu Beginn der Kaltstreckung zeigt. Dies
hängt natürlich von der Zeit ab, die beansprucht wird, um mit der relativ kleinen
Druckpumpe den berechneten Kaltstreckungsdruck 20 kp/cm2 zu erreichen. Bei einer
Zereissprobe in einer Zereissprüfmaschine erhält die Kurve einen ganz anderen Verlauf
mit einer sehr starken Steigung im Anfang der Prüfung.
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Gemäss der unteren Kurve in Fig. 2 und gemäss der entsprechenden Kurve
in Fig.3 dauert es bei einer Kaltstreckung nach üblichen Methoden gute neun Stunden,
um das annehmbare Kriechmass von 0.1% pro Stunde zu erreichen. Dies geschieht, wenn
die prozentuelle Dehnung des Materials 4.4 erreicht hat.
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Die obere Kurve in Fig. 2 zeigt die prozentuelle Dehnung des Materials
in
demselben Druckgefäss als Funktion der Haltezeit und den Kaltstreckungsdruck 20
kp/cm2 um 4% auf 20.8 kp/cm2 erhöht. Es wird berechnet, dass dieser Keltstreckungsdruck
in der Mantelwand eine Zugspannung von 1.6 kp/mn2, berechnet allf den ursprünglichen
Querschnitt, verursacht. Aus der Kurve geht hervor, dass die bleibende Dehnung von
4#.#%, die einem Kriechmass von 0.1% pro Stunde unter Einfluss des vofbereohneten
Kaltstreckungsdruckes 20 kp/cm2 entspricht bereits nach dem Verlauf einer Stunde
erreicht wird.
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Das Diagramm in Fig. 4 veranschaulicht einen Kaltstreckungsvorgang
gemäss der Erfindung.
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Das kaltzustreckende Druckgefäss ist zylindrisch und hat einen auswendigen
Durchmesser von 6000 mm und dadurch einen Ausgangswert des Umkreises von 18850 mm.
Eine Dehnung von ,1 entspricht somit eter Längenveränderung des Umkreises von 19
mm. Der berechnete Kaltstreckungsdruck Pk beträgt 20 kp/cm2, entsprechend einer
Be-2 anspruchung des Materials von 38 kp/mm . Der Kaltstreckungsdruck wlrd erfindungsgemäss
während der Initialperiode um 4 auf 20.8 kp/c erhöht.
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Der Kurventeil A zeigt die prozentuelle Dehnung des am meisten gedehnten
Mantelteils während der Einleitungsperiode der Kaltstreckung, also unter Einfluss
des auf 20.8 kp/cm² erhöhten Kaltstreckungsdruckes.
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Nach Verlauf einer Haltezeit, die schätzungsweise zu der erwanschten
prozentuellen Dehnung des Materials geführt hat, also am Punkte I, wird der Druck
auf den berechneten Wert 20 kp/cm2 herabgesenkt. Es stellte sich#ieraus, dass die
totale Dehnung des Umkreises am Ende dieser ersten Kaltstreckungsperiode 850 mm
war. Am Ende einer hierauf folgenden, als Kontrolle vorgenommenen Kaltstreckung
unter Einfluss des berechneten Kaltstreckungsdruckes, während welcher die Dehnung
dein Kurventeil B folgt, also am Punkte II, erwies es sich, dass die zusätzliche
Dehnung 20 mm betrug. pa die erwähnte Kontrollperiode 30 Minuten dauerte, bedeutete
diese zusätzliche Dehnung eine Dehnung von 40 mm pro Stunde, was eine Dehnutgsgeschwindigkeit
von 0.2% pro Stunde gibt, d.h. eine Dehnungsgeschwindigkeit, die den als annehmbar
angesehenen Wert 0.1% übersteigt. Die Pumpe wurde daher wiederum inganggesetzt,
der Druck wurde auf 20.8 kp/cm² erhöht und
bei diesem Wert während
der Periode C gehalten, also während rund 30 Minuten. Der Druck wurde dann wieder
auf 20 kp/cm2 herabgesenkt un nach 30 Minuten wurde die zusätzliche Dehnung gemessen.
Es erwies sich, dass die Dehnung während dieser zweiten Kontrollperiode 9 mm war,
entsprechend einer Dehnungsgeschwindigkeit von nur 0.095# pro Stunde. Dadurch war
das Kriechmass auf den erwünschten Wert reduziert und die Kaltstreckungsoperation
beendet. Die Einleitungsperiode bis zum Punkt I dauerte 1 Stunde und 20 Minuten,
und die ganze Zeit bis zum Punkt IV 2 Stunden und 35 Minuten, also eine höchst beträchtliche
Einschränkung derjenigen Zeit, die bei der Kaltstreckung des Druckgefässes gemäss
früher verwendeten Methoden erforderlich sein sollte.
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Das hier gegebene Beispiel für eine gewisse Stahlqualität und ein
gewisses Spannungsniveau gilt, was den Verlauf der Kurven betrifft, auch andere
austenitische rostfreie Qualitäten und Spannungsniveaus.
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Bei niedrigeren Kaltstreckungsgraden, wo man eventuell die Beanspruchung
bei der Streckung auf 35 kp/mm² beschränkt hat, kann natürlich die Druckerhöhung
für die schnelle Durchführung grösser als 4 gemacht werden, walchletzterer Wert
für das Spannungsniveau von etwa 38-45 kp/mm2 gilt. Beim Spannungsniveau von 35
kp/mm2 oder niedriger ist theorethisch eine Druckerhöhung von 20 möglich. Bei kleineren
Gefässen, wo die Kapazität der Druckpumpe inbezug auf den Rauminhalt des Gefässes
gross ist, mus jedoch die Druckerhöhung reduziert werden, weil sonst die Gefahr
vorliegt, dass eine zu grosse Dehnung erhalten werden wird.
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Die Wahl der Grösse der Druckerhöhung hängt, wie oben angedeutet,
zuerst vom Spannungsniveau ab. Die Wahl ist auch von der Grösse des Gefässes und
der Kapazität der Pumpe abhängig. Bei einem hohen Spannungsniveau ist wie bekannt
die Spannungs-Dehnungskurve viel flacher als bei einem niedrigeren Niveau, und man
erhält daher leicht eine zu grosse Dehnung, wenn der höhere Druck zu lange wirken
darf.
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Die Druckerhöhung muss deshalb bei einem hohen Spannungsniveau verh:
nismässig klein gemacht werden. Bei einem kleben Rauminhalt des Druckgefässes und
verhältnismässig grosser Pumpenkapazität muss die Druckerhöhung mit Rücksicht auf
den steileren Verlauf der Dehnungskurve während der Initialperiode beschränkt werden.