DE3117328A1

DE3117328A1 - Uebergangsverbindung

Info

Publication number: DE3117328A1
Application number: DE19813117328
Authority: DE
Inventors: Kenneth Henry San Diego Calif. Holko
Original assignee: General Atomics Corp
Current assignee: GA Technologies Inc
Priority date: 1980-05-05
Filing date: 1981-04-30
Publication date: 1982-03-04
Also published as: CA1151910A; US4333670A; GB2075397B; NL8102150A; GB2075397A; JPS56168984A

Description

Beschreibung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Übergangsverbindung, die zum. Miteinanderverbinden von rohrförmigen Teilen brauchbar ist, welche jeweils aus einem niedriglegierten Stahl oder Kohlenstoffstahl und einem rohrförmigen Teil gebildet werden, das seinerseits aus einer Hochtemperatürlegierung ausgebildet ist, die einen hohen Chromgehalt von wenigstens 16 % Chrom hat.

In vielen Hochtemperaturanwendungen ist es notwendig, rohrförmige Teile von wesentlich unterschiedlichen Kenndaten miteinander zu verbinden. Zum Beispiel ergeben sich solche Anwendungen bei mit fossilen Brennstoffen geheizten Siedekesselkonstruktionen und in Kernkraftwerken. In solchen Kraftwerken sind Hochtemperatürverbindungen allgemein in verschiedensten Wärmeaustauscherkomponenten, wie z. B. Siedakesseln, Dampferzeugern, Zwischenwärmeaustauschern und Rekuperatoren erforderlich, insbesondere in gasgekühlten Hochtemperaturreaktoren, etc. Ähnliche Anwendungen ergeben sich in anderen Industrien, wie beispielsweise bei petrochemischen Ausrüstungen und Anlagen sowie bei chemischen Verfahrensanlagen, bei denen Wärmeaustauscher, Dampfleitungen und dgl. wesentliche Erfordernisse sind.

In allen diesen Anwendungen ist es gewöhnlich notwendig, große Anzahlen von rohrförmigen Zwischenverbindungen bzw. -stücken zwischen Materialien von wesentlich unterschiedlichen Kenndaten auszubilden bzw. vorzusehen. Gewöhnlich ist ein Ende der rohrförmigen Zwischenverbindung aus einer Hochtemperaturlegierung ausgebildet, die besonders dazu geeignet ist, Umgebungen hoher Temperatur zu widerstehen. Gleichzeitig ist es notwendig, daß die Zwischenverbindung oder übergangsVerbindung ähnlichen harten Betriebsbedin-

gungen der Temperatur etc. über ausgedehnte Zeitdauern hinweg widersteht.

unter den oben beschriebenen Bedingungen weisen die unterschiedlichen Arten von Materialien, die mittels der Übergangsverbindung miteinander verbunden werden sollen, wesentlich unterschiedliche physikalische Kenndaten auf, die es schwierig machen, eine Kontinuität durch die Zwischenverbindung hindurch aufrechtzuerhalten. Zum Beispiel führt das Vorhandensein von sehr unterschiedlichen Wärmeausdehnungsgrößen bzw. -koeffizienten auf entgegengesetzten Seiten irgendeiner gegebenen Verbindungsstelle innerhalb einer Hochtemperaturverbindung zu der Tendenz, daß besonders schwere Beanspruchungen hervorgerufen werden, die ihrerseits die Tendenz haben, eine Rißbildung in der Verbindungsstelle oder ein totales Auseinanderreißen der Verbindungsstelle zu verursachen. Es gibt außerdem andere Faktoren, die innerhalb solcher Übergangsverbindungen wirken und die weiter die Aufrechterhaltung einer effektiv kontinuierlichen Übergangsverbindung oder Zwischenverbindung störend beeinflussen.

In vielen solchen Hochtemperaturanwendungen bestehen.· die rohrförmigen Materialien, die miteinander verbunden werden sollen, einerseits aus einem niedriglegierten Stahl oder Kohlenstoffstahl und andererseits aus einer Hochtemperatur legierungs zusammensetzung, die dazu geeignet ist, den harten Hochtemperaturbedingungen am besten zu widerstehen. Solche Zusammensetzungen werden insbesondere durch die vorliegende Erfindung vorgeschlagen, und es wird weiterhin vorgeschlagen, daß eine solche Hochtemperaturlegierungszusammensetzung ungefähr 16'bis 2o % Chrom oder mehr enthält. Beispiele solcher Hochtemperaturlegierungen umfassen geschmiedete bzw. bearbeitete oder gegossene· austenitische Stähle, wie beispielsweise rostfreie ASTM- od

ASME-Stähle vom Typ 321H oder vom Typ 3o4H, sowie geschmiedete bzw. bearbeitete oder gegossene Nickelbasislegierungen. Andererseits können niedriglegierte. Kohlenstoff enthaltende Stähle den ASTM- oder ASME-Stahl SA213 von der Qualität T-22 einschließen, der zum Beispiel 2 1/4 % Chrom, 1 % Molybdän undo,1% Kohlenstoff enthält, oder einen Stahl der zuletzt genannten Art von der Qualität T-11, der ungefähr X 1/4 % Chrom, 1/2 % Molybdän und o,1 % Kohlenstoff enthält, wie auch andere ähnliche niedriglegierte, Kohlenstoff enthaltende Stähle. Die Kohlenstoffstähle können ASTM- oder ASME-Stähle vom Typ SA-I06 und der Qualität A, B oder C einschließen, die bis zu o,35 % Kohlenstoff enthalten.

In der Vergangenheit s-ind wesentliche Bemühungen aufgewandt worden, um wirksame Übergangsverbindungen für solche Anwendungen zu entwickeln. Eine solche Lösung war die Ausbildung einer Verbindung mit sich entlang der Länge der Verbindung kontinuierlich ändernder chemischer Zusammensetzung, beispielsweise mittels Elektroschlacke-Techniken, wobei ein Ende der Verbindung mit einem rohrförmigen Teil und das andere Ende der Verbindung mit dem anderen rohrförmigen Teil von wesentlich unterschiedlicher Zusammensetzung und wesentlich unterschiedlichen Kenndaten verbunden war. Es sind auch viele unterschiedliche Arten von Material, wie beispielsweise Pulvermetallurgiekomponenten und dergl. dazu verwendet worden, Übergangsverbindungen auszubilden. Außerdem wurde eine Wärmebehandlung vor der Ausbildung der Übergangsverbindung oder nachfolgend auf diese Ausbildung angewandt, um die Übergangsverbindung und die Zwischenverbindungsstellen in einen besseren Zustand zu bringen, in denen diese harten Betriebsbedingungen der oben erwähnten" Art widerstehen sollten. Eine besondere Schwierigkeit, die bei solchen Übergangsverbindungen vorhanden ist, ergibt sich aus der Gegenwart von niedrig legiertem St'ahl bzw. Kohlenstoffstahl oder ferritischem Stahl auf der einen

Seite der Verbindung und von einer Hochtemperaturlegierung, die einen hohen Chromgehalt besitzt, auf der anderen Seite der Verbindung. In einer solchen Situation hat es sich erwiesen, daß der hohe Chromgehalt eine hohe Affinität für Kohlenstoff auf der anderen Seite der Verbindung aufweist. Ein solcher Zustand hat die Tendenz, eine Wanderung des Kohlenstoffs von dem niedriglegierten Stahl über die Verbindung bzw. über die Verbindungsstelle hinweg zu verursachen, wodurch eine an Kohlenstoff abgereicherte Zone unmittelbar benachbart der- Verbindungsstelle erzeugt wird, die im Falle ^'on zum Beispiel hohen Wärmebeanspruchungen oder hohen mechanischen Beanspruchungen besonders empfindlich für ein Auseinanderreißen ist.

Eine Lösung dieser Schwierigkeit nach dem Stande der Technik war die Verwendung eines hohen Nickelgehalts in dem Teil, das mit dem niedriglegierten ferritischen Stahl verschweißt wurde, und zwar aufgrund der Theorie, daß Nickel die Kohlenstoffwanderung selbst bei Vorhandensein eines hohen Chromgehalts verhindern oder beschränken würde. Jedoch wurde inzwischen gefunden, daß die Anwendung eines hohen Nickelgehalts die Kohlenstoffwanderung nicht über wesentliche Zeitdauern hinweg verhindert. Infolgedessen bleibt die Schwierigkeit, daß es erforderlich ist, eine effektive Übergangsverbindung für solche Anwendungsfälle zur Verfügung zu stellen. Selbst im Rahmen der Entwicklungen und Verbesserungen auf dem Gebiet der Übergangsverbindungen, wie sie oben erörtert worden sind, haben sich erfahrungsgemäß hohe Ausfallraten bei solchen Übergangsverbindungen, die harten Betriebsbedingungen ausgesetzt werden, ergeben, und solche hohen Ausfallraten werden auch weiterhin in der Praxis festgestellt. Infolgedessen bleibt der Bedarf an einer verbesserten Übergangsverbindung für die Ausbildung einer Zwischenverbindung zwischen einem Rohr oder einer Leitung aus niedriglegiertem Stahl oder

- 1ο -

Kohlenstoffstahl und einem Rohr oder einer Leitung aus einer Hochtemperaturlegierung, die einen hohen Prozentsatz an Chrom enthält.

Mit der vorliegenden Erfindung soll infolgedessen eine Übergangsverbindung zur Verfügung gestellt werden, die für die Verwendung als Zwischenverbindung bzw. -stück zwischen Rohrleitungen aus niedriglegiertem Stahl oder Kohlenstoffstahl und Rohrleitungen aus Hochtemperaturlegierung, die einen hohen Prozentsatz an Chrom enthält, über lange Betriebsdauern hinweg geeignet ist.

Demgemäß wird mit der Erfindung eine Übergangsverbindung zur Verfügung gestellt, die für das Miteinanderverbinden von rohrförmigen Teilen brauchbar ist, welche jeweils aus einem niedriglegierten Stahl oder Kohlenstoffstahl und einer Hochtemperaturlegierung, die einen hohen Chromgehalt von wenigstens 16 % hat, ausgebildet sind, wobei die rohrförmigen Teile aus dem niedriglegierten Stahl bzw. dem Kohlenstoffstahl und aus der Hochtemperaturlegierung außerdem wesentlich unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten, Festigkeit und/oder andere Kenndaten haben, und diese Übergangsverbindung zeichnet sich dadurch aus, daß sie eine Mehrzahl von rohrförmigen Übergangsteilen hat, wobei sich benachbarte Paare von Übergangsteilen dann, wenn jedes einen Chromgehalt von weniger als 1o % hat, durch ein maximales Chromdifferential bzw. eine maximale Chromdifferenz zwischen den Übergangsteilen von ungefähr 2 bis 5 % auszeichnen, während das maximale Chromdifferential bzw. die maximale Chromdifferenz etwa 3 bis 7 % zwischen benachbarten Übergangsteilen beträgt, wenn ein Teil einen Chromgehalt von mehr als 1o % hat; wobei ferner die Übergangsteile an entgegengesetzten Enden der Übergangsverbindung entsprechende Chromprozentgehalte haben, die entsprechend den rohrförmigen Teilen, mit denen sie verbunden werden sollen,

ausgewählt sind, und wobei außerdem die Übergangsteile so ausgewählt sind, daß sich eine abgestufte Beziehung bzw. eine Abstufung der physikalischen Kenndaten, wie beispielsweise des Wärmeausdehnungskoeffizienten, ergibt. Das maximale Chromdifferential bzw. die maximale Chromdifferenz für Teile, die beide einen Chromgehalt von unter 1o % haben, wird vorzugsweise in dem Bereich von etwa 2 bis 3 % gehalten, und sogar noch bevorzugter unter einem Maximum von 2 oder 2 1/2 %. Gleichzeitig wird dort, wo eines der Teile einen Chromgehalt von über 1o % hat, das maximale Chromdifferential bzw. die maximale Chromdifferenz vorzugsweise im Bereich von ungefähr 3 bis 5 %, und sogar noch bevorzugter im Bereich von etwa 3 % gehalten.

Aus der nachfolgenden Beschreibung ist ersichtlich, daß das niedrigere Chromdifferential am besten in Anwendungen verwendet wird, in denen besonders harte Betriebsbedingungen auftreten. Zum Beispiel können solche harten Betriebsbedingungen übermäßig hohe Temperaturen und mechanische Beanspruchungen dort, wo die Verbindungskontinuität aufrechterhalten werden soll, über lange Betriebsdauern hinweg einschließen. Andererseits können bei weniger harten Betriebsbedingungen, bei denen es wünschenswert oder notwendig sein kann, eine größere Wirtschaftlichkeit im Aufbau der Übergangsverbindung zu erzielen, die höheren Chromdifferentiale angewandt werden, um die Anzahl von Teilen innerhalb der Übergangsverbindung zu vermindern. Jedoch erzeugt die gestufte oder gestaffelte Regulierung des Chromgehalts über die Übergangsverbindung hinweg gemäß der vorliegenden Erfindung in jedem Falle eine niedrigere Triebkraft für eine Kohlenstoffwanderung und führt in jedem Falle zu einer verminderten Kohlenstoffbeweglichkeit, so daß auf diese Weise die Tendenz der Erzeugung einer mit Kohlenstoff abgereicherten Zone, wie oben beschrieben, minimalisiert wird.

3117

Mit der Erfindung wird außerdem vorgeschlagen, daß die Zusammensetzung von benachbarten Übergangsteilen im wesentlichen so gewählt wird, daß eine minimale abgestufte Beziehung bzw. Abstufung zwischen dem Ausmaß der Wärmeausdehnung zwischen benachbarten Teilen aufrechterhalten wird, so daß weiter nachteilige Wirkungen von differentieller bzw. unterschiedlicher Wärmeausdehnung minimalisiert werden. Auch kann die Festigkeit oder die zulässige Beanspruchung der verschiedenen Übergangsteile beim Auswählen der Kenndaten, oder Zusammensetzungen von benachbarten übergangsteilen in Betracht gezogen werden. Es ist wichtig, daß große Versetzungen bzw. Unterschiede in der Festigkeit an den stärkeren Grenzflächen vorgenommen werden, d. h. zwischen Materialien von höherem Chromgehalt.

Mit der vorliegenden Erfindung wird außerdem vorzugsweise vorgeschlagen, daß alle Materialien, die innerhalb der Übergangsverbindung verwendet werden, und zwar sowohl die Übergangsteile selbst als auch Füllmaterial, das zum Miteinanderverbinden der Teile durch Schmelzschweißung verwendet wird, aus Standardmaterialien, die durch Vorschrift bzw. Kennziffer festgelegt bzw. amtlich bestätigt sind und welche bekannte Fähigkeiten haben, Umgebungen solcher hohen Temperatur zu widerstehen, ausgebildet sind. Es wurde gefunden, daß solche Standardmaterialien angewandt werden können, während die gestufte Beziehung bzw. Abstufung sowohl der Chromzusammensetzungs- und Wärmeausdehnungskenndaten, wie oben angegeben, aufrechterhalten werden kann.

Schließlich wird mit der Erfindung insbesondere vorgeschlagen, daß unterschiedliche Arten von Schweißverbindungen innerhalb der Übergangsverbindung angewandt werden, und daß nötigenfalls eine effektive Vorschweiß-Wärmebehandlung wie auch Nachschweiß-Wärmebehandlung angewandt werden kann, damit die maximale Festigkeit und bevorzugte MikroStruktur '

innerhalb der verschiedenen Übergangsteile erreicht wird. Zum Beispiel wird beim Ausbilden von gewissen Verbindungsstellen innerhalb der übergangsverbindung, wie beispielsweise zwischen benachbarten Übergangsteilen, die relativ große Änderungen im Chromgehalt, in der Wärmeausdehnung oder dergl. haben, vorzugsweise Reibungsschweißen angewandt, und zwar wegen dessen Fähigkeit, eine Grenzfläche allgemein im Festkörperzustand auszubilden, die senkrecht zur Längsachse der Übergangsverbindung ausgebildet ist, wobei eine minimale Drift oder Vermischung von unterschiedlichen Zusammensetzungsmaterialien über .die Grenzfläche hinweg vorhanden ist. Es wurde gefunden, daß diese beiden Merkmale besonders wichtig dafür sind, eine solche Verbindung dazu geeignet zu machen, hohen Beanspruchungen entweder thermischer oder mechanischer Art zu widerstehen. Andererseits kann auch Schmelzschweißen vorzugsweise bei der Ausbildung von anderen Verbindungsstellen angewandt werden. In jedem Falle wird auch das Füllmaterial, das mittels des Schmeizschweißvorgangs abgelagert wird, vorzugsweise so gewählt, daß es ein Standardmaterial ist, welches durch Vorschrift bzw. Kennziffer festgelegt bzw. amtlich bestätigt ist, damit dessen Wirksamkeit über lange Betriebsdauern hinweg sichergestellt wird. Außerdem sollte, wenn Füllmaterial mittels Schmelzschweißen abgelagert wird, die lineare Abmessung des Füllmaterials derart sein, daß eine ringförmige Zone erzielt wird, die allgemein durch die Nennzusammensetzung des Füllmaterials selbst gekennzeichnet ist. Auf diese Weise kann das Füllmaterial einen zusätzlichen Übergangsteil oder eine zusätzliche Übergangsstufe innerhalb der Übergangsverbindung bilden. Es wird weiterhin vorgeschlagen, daß die Schmelzschweißablagerung fortgesetzt in einer Technik erfolgen soll, die allgemein als "mit Butter bestreichen" bezeichnet wird, bei der das Füllmaterial über eine wesentliche axiale Länge hinweg, beispielsweise 6 bis 13 mm, abgelagert wird, um einen Über-

gangsteil auszubilden, der dann mit zusätzlichen Übergangsteilen verbunden werden kann oder sogar mit den langen Verlaufen von rohrförmigen Teilen, die mittels der Übergangsverbindung miteinander verbunden werden sollen., z. B. mittels Schmelzschweißen oder sogar mittels Reibungsschweißen. Es sei darauf hingewiesen, daß die axiale Länge jedes Übergangsteils beträchtlich langer sein kann, um die Erfordernisse aufgrund einiger Beanspruchungsanalysen zu erfüllen. Es sei außerdem in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung darauf hingewiesen, daß der Begriff des ReibungsSchweißens auch das Trägheitsschweißen, das Radialreibungsschweißen und das Orbital- bzw. Bahn- bzw. Kreisbahnreibungsschweißen einschließen soll.

Schließlich wird gemäß der vorliegenden Erfindung vorzugsweise vorgeschlagen, daß die übergangsteile, die an entgegengesetzten Enden der Übergangsverbindung angeordnet sind, jeweils aus einem niedriglegierten Stahl oder Kohlenstoffstahl bzw. aus einer hochlegierten Zusammensetzung, die einen hohen Chromgehalt aufweist, ausgebildet sind, damit die vorgeformte Übergangsverbindung in bestmöglicher Weise zu einer in situ-Verbindung mit langen Verläufen von rohrförmigen Teilen geeignet ist, die entsprechend aus niedriglegiertem kohlenstoffhaltigem Stahl und einer hochlegierten Zusammensetzung, die einen hohen Chromgehalt aufweist, ausgebildet sind.

Zusätzliche Abwandlungen und Änderungen gemäß der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnung sowie die weiter unten wiedergegebenen Tabellen I und II spezifische Ausführungsbeispiele von Übergangsverbindungen erläutert werden, die gemäß der vorliegenden Erfindung ausgebildet sind; es zeigen:

Fig. 1 eine Ansicht eines Beispiels einer Übergangsverbindung gemäß der vorliegenden Erfindung; und

Fig. 2 eine gleichartige Ansicht eines anderen Beispiels einer Übergangsverbindung gemäß der vorliegenden Erfindung.

Es ist ersichtlich, daß eine große Anzahl von Übergangsverbindungen gemäß der vorliegenden Erfindung ausgebildet. werden kann, die abgestufte Änderungen in der Zusammensetzung und in anderen Kenndaten, wie beispielsweise der Wärmeausdehnung, haben, während gleichzeitig unterschiedliche Arten von Schweißtechniken dazu angewandt werden können, entweder benachbarte übergangsteile miteinander zu verbinden oder sogar gewisse Übergangsteile auszubilden. Es ist außerdem ersichtlich, daß über die gesamte Länge einer solchen Übergangsverbindung hinweg Standardmaterialien, die durch Vorschrift bzw. Kennziffer festgelegt bzw. amtlich bestätigt sind, verwendet werden können, damit die Geeignetheit der gesamten Übergangsverbindung für ein wirksames Widerstehen von harten Betriebsbedingungen über lange Zeitdauern hinweg besser sichergestellt wird. In dieser Hinsicht sei darauf hingewiesen, daß die Bezeichnung "'Standardmaterialien, die durch Vorschrift bzw. Kennziffer festgelegt bzw. amtlich bestätigt sind"insbesondere die ASME (American Society of Mechanical Engineers) Boiler- und Druckbehältervorschrift beinhaltet, sowie die ASTM (American Society for Testing Materials) Vorschrift, die Standards oder Erfordernisse sowohl für frei ausgebildete rohrförmige Teile als auch für Füllmaterialien in der Form von verbrauchbaren Elektroden, die durch Schmelzschweißtechniken abgelagert werden, umfaßt.

Bevor mit einer ins einzelne gehenden Beschreibung der exemplarischen Übergangsverbindungen fortgefahren wird, die

in den Fig. 1 und 2 dargestellt sind, sei zunächst auf die unten wiedergegebene Tabelle I Bezug genommen, die eine aufeinanderfolgende Anordnung von Materialarten im gesamten Bereich von zwei Übergangsverbindungen angibt. Die Tabelle II gibt sowohl die in der Tabelle I wiedergegebenen Materialarten als auch andere Kenndaten von jeder dieser Materialarten an. Es ist außerdem aus der Tabelle II ersichtlich, daß jedes der Materialien, das in den beiden Übergangsverbindungen der Fig. 1 und 2 angewandt worden ist, aus Standardmaterialien,die durch Vorschrift bzw. Kennziffer festgelegt bzw. amtlich bestätigt sind, gebildet ist. Weiter ist ersichtlich, daß die meisten, wenn nicht alle dieser Zusammensetzungen auch in der Form von Füllmaterialien, z. B. als verbrauchbare Elektroden, verfügbar sind, so daß jedes dieser Materialien im Schmelzschweißvorgang dazu verwendet werden kann, andere Übergangsteile zu verbinden oder sogar ein gesamtes tibergangsteil durch Schmelzablagerung oder den als "mit Butter bestreichen" bezeichneten Vorgang, wie er oben erläutert wurde, auszubilden.

TABELLE I

Materialkombinationen für exemplarische Verbindungen

Entsprechende Hintereinanderanordnung von Materialarten Figur \

1 T-22/T-21/T-5/T-7/T-9/4O9/41O/429/43O/6OO/

(12) (14) (16) (18) (2o) (22) (24) (26) (28) (3o)

8ooH/3o4H
(32) (34)

2 T-22/T-5/T-9/41o/6oo/8ooH/3o4H

(1o6) (1o8) (11o) (112) (114) (116) (118)

TABELLE II

Übergangsverbindungsmaterialien

Qualität od. Art	Spezifi kation	Nominalzusainmensetzung	Mittl. Väärme- ausdehnungs- koeffizient (a) bis 593,33°C on/an/°C	Maximal zu lässige Be anspruchung (si) 565,56 593,33 ⁰C C
T-22	SA213	21/4 Cr - 1 Mo - o,15 C	14,39	5,8 4,2
T-21	SA213	3 Cr - o,9 Mo - O₇15 C	14,39	5,5 4,ο
T-5	SA213	5 Cr-1/2 Mo - o,15 C	12,59	4,2 3,1
T-7	SA213	7 Cr - 1/2 Mo - o,15 C	12,59	3,5 2,5
T-9	SA213	9 Cr - 1 Mo - o,15 C	12,59	5,5 3,3
4o9⁺	SA268	11 Cr-o,75 Ti-o,o8 C	-	(9,4 bei
				426,67°C (1723 on^J)
41o	SA268	12,5 Cr-o,15 C	11,51	4,4 2,9
429	SA268	15 Cr - o,12 C	-	4,5 3,2
43o	SA268	17 Cr - o,12 C	11,87	4,5 3,2
6oo	SB167	16 Cr-72 Ni-8 Fe- o,15 C	15,11	4,5 3,o
8ooH	SB163	21 Cr - 32 Ni - 46 Fe- o,6 Ti-o,1 C	16,91	13,7 13,5
3o4H	SA213 I	18 Cr - 8 Ni - 0,08 C	18,71	12,2 9,8

+ Geschweißte Rohrleitung

Es sei nun auf die Figuren der Zeichnung, und zwar zunächst auf Fig. 1, Bezug genommen, in der eine allgemein mit 1o bezeichnete exemplarische Übergangsverbindung dargestellt ist, die eine relativ große Anzahl von Übergangsteilen aufweist, welche jeweils mit 12 bis 34 bezeichnet sind. Die entgegengesetzten Enden der Übergangsverbindung sind jeweils mit 36 und 38 bezeichnet. Jedes benachbarte Paar von Übergangs-

teilen innerhalb der Verbindung 1o ist mittels verschiedenen Arten von Schweißtechniken gemäß der vorhergehenden Beschreibung miteinander verbunden. Zum Beispiel können die Verbindungsstellen zwischen verschiedenen Übergangsteilen in Fig. 1 entweder durch Reibungsschweißung oder Schmelzschweißung ausgebildet sein. Jedoch ist die Übergangsverbindung der Fig. 1 aus einer wesentlichen Anzahl von Übergangsteilen ausgebildet, welche das bevorzugte relativ niedrige maximale Differential des Chromgehalts und anderer Kenndaten haben, so daß die Übergangsverbindung in bestmöglicher Weise für harte Betriebsbedingungen angepaßt ist. Das übergangsteil 16 ist durch Schmelzschweißen von einer verbrauchbaren Elektrode als Füllmaterial zwischen den übergangsteilen 14 und 16 abgelagert worden. In diesem Falle wurde die Zusammensetzung von der Qualität T-5, wie sie in Tabelle II wiedergegeben ist, durch Schweißen abgelagert, und zwar mit einer mit SFA-5,4 E5o2 bedeckten Elektrode und/ oder einer SFA-5,9 ER5o2-Basiselektrode mittels irgendeines Schweißvorgangs aus einer Anzahl von verfügbaren Schweißvorgängen. Die axiale Abmessung des Teils 16 ist wenigstens so ausreichend, daß die Ausbildung eines ringförmigen Bandes sichergestellt ist, welches die Nennzusammensetzungs-Prozentgehalte, die für dieses Teil vorgesehen sind, hat, und welches sogar länger sein kann, damit es aufgrund Beanspruchungsanalyse aufgestellte Erfordernisse erfüllt. Entsprechend ist das Übergangsteil 22 auch durch Schweißablagerungstechnik oder durch die oben als "mit Butter bestreichen" bezeichnete Technik ausgebildet, und es hat eine allgemein wesentliche axiale Länge innerhalb der übergangsverbindung. Es sei außerdem darauf hingewiesen, daß Füllmaterial anstelle der Standard-Rohrübergangsteile, die sonst innerhalb der gesamten Übergangsverbindung vorhanden sind, vorgesehen sein kann, und zwar entweder Standardmaterial, das durch Vorschrift bzw. Kennziffer festgelegt bzw. amtlich bestätigt ist, oder anderes Material. Infolge-

dessert können wesentliche Längen der übergangsverbindung in einem Schmelzschweißvorgang ausgebildet werden.

Die Übergangsteile 12 und 34, die an entgegengesetzten Enden der Übergangsverbindung 1o angeordnet sind, sind vorzugsweise aus im wesentlichen dem gleichen Material wie die langen Verläufe rohrförmigen Materials, mit denen sie verbunden werden sollen, ausgebildet. Zum Beispiel ist^der übergangsteil 12 vorzugsweise aus einem niedriglegierten kohlenstoffhaltigen Stahl vom Typ T-22 ausgebildet, der eine Nennzusammensetzung von 2 1/4 % Chrom, 1 % Molybdän und o,15 % Kohlenstoff hat, wobei der Rest im wesentlichen aus Eisen besteht,und zwar ähnlich wie ein langer Verlauf eines Rohrs, welches durch die Übergangsverbindung verbunden werden soll. Infolgedessen ist die Zusammensetzung des Übergangsteils 12 besonders zu einem in situ-Verbinden geeignet. Entsprechend ist das übergangsteil 34 am anderen Ende der Verbindung 1o vorzugsweise aus einem Hochtemperatur legierungsstahl vom Typ 3o4H ausgebildet, der einen hohen Chromgehalt von 18 % hat und außerdem 8 % Nickel und o,o8 % Kohlenstoff enthält, wobei der Rest im wesentlichen aus Eisen besteht. Hier wird wieder auch ein solches Material verwendet, aus dem der lange Verlauf einer Rohrleitung besteht, die mit dem anderen Ende der Übergangsverbindung verbunden werden soll. Auf diese Weise ist das übergangsteil 34 ebenfalls besonders zu einer in situ-Verbindung mit dem gleichen Material geeignet. Es sei jedoch weiter darauf hingewiesen, daß das Übergangsteil 32, wenn es aus einem Hochtemperaturlegierungsstahl vom Typ 8ooH ausgebildet ist, ebenfalls einen hohen Chromgehalt hat. Es ist auch möglich, dieses Material mit der oben erwähnten Stahlzusammensetzung des langen Verlaufs der Rohrleitung mittels konventioneller Schweißtechniken zu verbinden.

Es sei nun auf Fig. 2 Bezug genommen, in der ein anderes

- 2ο -

Beispiel einer gemäß der Erfindung aufgebauten Übergangsverbindung dargestellt ist; die mit 1oo bezeichnete Übergangsverbindung hat entgegengesetzte Enden 1o2 und 1o4 und ist aus einer Mehrzahl von übergangsteilen ausgebildet, die jeweils mit 1o6 bis 118 bezeichnet sind. Es ist ersichtlich, daß die Übergangsverbindung 1oo der Fig. 2 aus einer geringeren Anzahl von Übergangsteilen als die Verbindung 1o der Fig. 1 ausgebildet ist. Infolgedessen ist die Übergangsverbindung 1oo wirtschaftlicher herzustellen, oder zu fabrizieren, während sie besser für die Verwendung unter möglicherweise weniger harten Betriebsbedingungen geeignet ist. Zum Beispiel variiert das Chromdifferential zwischen-benachbarten übergangsteilen 1o8 und 11o von 5 % bis 9% Chrom. Demgemäß sind weiterhin entsprechend der vorliegenden Erfindung die übergangsteile 1o8 und 11o vorzugsweise mittels Reibungsschweißung miteinander verbunden oder zusammengefügt, um eine Grenzfläche 12o auszubilden, die genau senkrecht zur Längsachse 122 der Verbindung 1oo ist. Im übrigen können die Verbindungsstellen zwischen benachbarten Übergangsteilen durch Schmelzschweißen, durch Reibungsschweißen oder durch Schweißablagerung von Füllmaterial, wie oben in näheren Einzelheiten beschrieben, ausgebildet werden. Hier sind wiederum die Endteile 1o6 und 118 jeweils aus einem niedriglegierten, kohlenstoffhaltigen Stahl bzw. einer Hochtemperaturlegierung, die einen hohen Chromgehalt besitzt, ausgebildet.

Claims

3. Dr. K. Fincke

Patentanwälte Dipl.-Ing. H. Weickmann, Dipl.-Fhys.

Dipl.-Ing. F. A.Weickmann, Dipl.-Chem. B. Huber Dr. Ing. H. Liska

8000 MÜNCHEN 86, DEN 30, April |981

POSTFACH 860 820

MÖHLSTRASSE 22, RUFNUMMER 98 39 21/22

DSP/BR

G 1182 GEW

GENERAL ATOMIC COMPANY 1o955 John Jay Hopkins Drive San Diego, California 92121, USA

Übergangsverbindung

Patentansprüche

\\y Übergangsverbindung zum Miteinanderverbinden von rohrförmigen Teilen, die jeweils aus einem niedriglegierten Stahl oder einem Kohlenstoffstahl und einer Hochtemperatur legierung, welche einen hohen Chromgehalt von wenigstens 16 % hat, ausgebildet sind, wobei die rohrförmigen Teile aus dem niedriglegierten Stahl oder dem Kohlenstoffstahl und aus der Hochtemperaturlegierung außerdem wesentlich unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten, Festigkeit und/oder andere Kenndaten haben, dadurch gekennzeichnet , daß sie eine Mehrzahl von rohrförmigen Übergangsteilen (12-34; I06-II8) umfaßt, wobei benachbarte Paare der Übergangsteile (12-34; I06-II8),

311732

wenn jedes einen Chromgehalt von weniger als 1o % hat, durch ein maximales Chromdifferential bzw. einen maximalen Chromunterschied zwischen den Übergangsteilen (12-34; 1o6-118) von ungefähr 2 bis 5 % charakterisiert sind, während das maximale Chromdifferential bzw. der maximale Chromunterschied ungefähr 3 bis 7 % zwischen benachbarten Übergangsteilen (12-34; I06-II8) beträgt, wenn ein Teil einen Chromgehalt von mehr als 1o % hat; wobei ferner die Übergangsteile (12—34; I06—118) an entgegengesetzten Enden der Übergangsverbindung (1o; I00) entsprechende Chromprozentgehalte haben, die entsprechend den rohrförmigen Teilen ausgewählt sind, mit denen sie verbunden werden sollen; und wobei außerdem die Übercrangsteile (12-34; I06-II8) so ausgewählt sind, daß sich, eine abgestufte Beziehung bzw. Abstufung von physikalischen Kenndaten, wie beispielsweise des Wärmeausdehnungskoeffizienten, ergibt.

2. Übergangsverbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß ein wesentlicher Teil der Übergangsteile (12-34; I06-II8) aus Standard-ASTM- sowie ASME-Materialien, die durch Vorschrift bzw. Kennziffer festgelegt bzw. amtlich bestätigt sind, ausgebildet ist.

3 - Übergangsverbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß alle Übergangsteile (12-34; I06-II8) aus Standard-ASTM-Materialien, die durch Vorschrift bzw. Kennziffer festgelegt bzw. amtlich bestätigt sind, ausgewählt sind.

4. übergangsverbindung nach Anspruch 1,2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß benachbarte Übergangsteile (12-34; I06-II8) durch Reibungsschweißen und/oder Schmelzschweißen verbunden sind und/oder daß die übergangsteile (16, 22) durch Schmelzschweißablagerung ausgebildet sind.

5. übergangsverbindung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß die durch Schmelzschweißablagerung ausgebildeten Übergangsteile (16, 22) in einer genügende axialen Länge ausgebildet sind, derart, daß die Ausbildung eines ringförmigen Bandes einer Zusammensetzung sichergestellt wird, die der nominellen Zusammensetzung für dieses übergangsteil (16, 22) entspricht und/oder Beanspruchungsanalysenerfordernisse erfüllt.

6. Übergangsverbindung nach Anspruch 4 oder 5, gekennzeichnet durch eine mittels Reibungsschweißen ausgebildete reibungsgeschweißte Grenzfläche (T2o) zwischen benachbarten Übergangsteilen (1o8, 11o) von relativ größerem Chromdifferential bzw. -unterschied, wobei die Grenzfläche (12o) senkrecht zur Längsachse (122) der übergangsverbindung (1oo) und durch die Abwesenheit von groben Vermischungen oder Driftungen von Materialienunterschiedlicher Zusammensetzung über die Grenzfläche (12o) hinweg charakterisiert ist.

7. Übergangsverbindung nach einem der Ansprüche 1 bis

6, dadurch gekennzeichnet, daß ein oder mehrere Übergangsteile (16, 22) durch Schmelzschweißablagerung ausgebildet sind, wobei jedes dieser Übergangsteile (16, 22), das durch Schmelzschweißablagerung ausgebildet worden ist, eine axiale Länge hat, die ausreicht, daß das Vorhandensein eines ringförmigen Bandes einer Zusammensetzung sichergestellt wird, welche der nominellen Zusammensetzung für dieses übergangsteil (16, 22) entspricht und/oder Beanspruchungsanalysenerfordernisse erfüllt.

8. Übergangsverbindung nach ei-nem der Ansprüche 1 bis

7, dadurch gekennzeichnet, daß ein oder mehrere Paare von benachbarten Übergangsteilen·(12, 14, 18, 2o, 24-34; I06-II8) durch Reibungsschweißen mitein-

ander verbunden sind, so daß eine Grenzfläche (12o) zwischen ihnen ausgebildet ist, die senkrecht zur Längsachse (122) der Übergangsverbindung (1o; 1oo) ist und die weiter durch die Abwesenheit von groben Vermischungen oder Driftungen von Zusammensetzungen über die Grenzfläche (12o) hinweg charakterisiert ist.

9. Übergangsverbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die ■ übergangsteile (12-34; 1o6-118),- die an entgegengesetzten Enden der Übergangsverbindung (1o; I00) angeordnet sind, jeweils aus einem niedriglegierten, kohlenstoffhaltigen Stahl oder einem Kohlenstoffstahl bzw. einer Hochtemperaturlegierung, die einen hohen Chromgehalt hat, ausgebildet sind, so daß ein in situ Verbinden mit in großer Länge verlaufenden Teilen gleichartiger Zusammensetzung erleichtert wird.

10. Übergangsverbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 9,dadurch gekennzeichnet, daß das Chromdifferential· bzw. der Chromunterschied zwischen benachbarten Übergangsteilen (12-34; I06-II8), die beide einen Chromprozentgehalt von weniger als 1o$haben, auf ungefähr 2 bis 3 % gehalten ist.

11. Übergangsverbindung nach Anspruch 1o, dadurch gekennzeichnet , daß das maximale Differential bzw. die maximale Differenz für benachbarte Übergangsteile (12-34; 1o6-118),von denen jedes einen Chromgehalt von weniger als 1o % hat, etwa 2 % beträgt.

12. Übergangsverbindung nach Anspruch 1 ο, dadurch gekennzeichnet, daß das maximale Chromdifferential bzw. die maximale Chromdifferenz für benachbarte übergangsteile (12-34; I06-II8) auf ungefähr

3 bis 4 % gehalten ist, wo eines der benachbarten Teile einen Chromgehalt von größer als 1o % hat, so daß die Übergangsverbindung (1o; 1oo) besser dafür angepaßt ist, harten Betriebsbedingungen über lange Zeitdauern hinweg zu widerstehen.

13. Übergangsverbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 1o, dadurch gekennzeichnet, daß das maximale Differential bzw. die maximale Differenz für be-, nachbarte Übergangsteile (12-34; I06-II8), von denen jedes einen Chromgehalt von weniger als 1o % hat, etwa 2 % beträgt.

14. Übergangsverbindung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet , daß das maximale Chromdifferential bzw. die maximale Chromdifferenz für benachbarte Übergangsteile (12-34; I06-II8) auf ungefähr 3 bis 4 % gehalten ist, wenn eines der benachbarten Teile (12-34; I06-118) einen Chromgehalt von mehr als 1o % hat.