DD250234A3

DD250234A3 - Verfahren zum eigenspannungsaufbau in hochdruckbauteilen

Info

Publication number: DD250234A3
Application number: DD25793383A
Authority: DD
Inventors: Frank Henke; Georg Kubon; Mathias Braendle; Gottlieb Hurt
Original assignee: Leuna Werke Veb
Priority date: 1983-12-14
Filing date: 1983-12-14
Publication date: 1987-10-08

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Kaltumformung in der Hoch- und Hoechstdrucktechnik. Ziel ist es, in druckbeaufschlagten Bauteilen einen den Belastungsgroessen entsprechenden berechneten und optimierten Eigenspanungszustand zu erzeugen und nachzuweisen, der bei dynamisch belasteten Bauteilen die ertragbaren Lastwechsel erhoeht und damit zur groesseren Sicherheit und Verfuegbarkeit der Bauteile beitraegt. Dabei bestand die Aufgabe, definierte Bedingungen der Autofrettage zu schaffen. Sie sind gekennzeichnet durch zweimalige Druckbelastung bis in die Naehe des Streckgrenzenbereiches des Werkstoffes und nachfolgende Entlastung, kontinuierliche Druckbelastung bis zum Autofrettagedruck in solcher Hoehe, dass die dadurch erzeugten Eigenspannungen den errechenbaren Spannungszustand auf Grund der Betriebsbelastungen kompensieren, aber nicht mehr als bis zum maximal zweifachen elastisch ertragbaren Druck des Werkstoffes, Belastungspause des druckentlasteten Bauteils und nochmalige Belastung bis zu 90% des Autofrettagedruckes mit nachfolgender Entlastung.

Description

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Bekannt ist das Schrumpfen als ein Verfahren zur Eigenspannungserzeugung in zylindrischen Bauteilen, wobei eine Schrumpfverbindung aus wenigstens zwei Teilen bestehen muß, dem Kernzylinder und dem Festigkeitsmantel (es können auch mehrere Festigkeitsmäntel aufgeschrumpft werden). Der Kernzylinder ist am Außendurchmesser mit Aufmaß bearbeitet. Unter Ausnutzung der Wärmedehnung des Materials werden die Teile (Festigkeitsmantel und Kernzylinder) durch Erwärmung und/ oder Abkühlung gefügt. Schrumpfverbindungen sind nur eingeschränkt anwendbar. Sie eignen sich für zylindrische Bauteile und Bauteile mit geringer axialer Länge. Für nichtzylindrische Bauteile und lange Bauteile (z. B Rohre) ist die Schrumpfverbindung nicht einsetzbar.

Gleichfalls bekannt ist die Autofrettage, die in einer einmaligen Druckbelastung bis zum empirisch festgelegten Autofrettagedruck geführt wird. Damit entsteht der Nachteil, daß die so autofrettierten Bauteile bei Belastung mit Betriebsdruck nicht eine Kompensation der betriebsdruckbedingten Spannungen durch die Autofrettagespannungen erfahren. Gleichfalls unmöglich ist es zu verhindern, daß infolge des empirisch festgelegten Autofrettagedruckes noch Gebiete mit kritischen Spannungen in den autofrettierten Bauteilen verbleiben. Weiterhin kann eine Druckplastizierung bei Entlastung nicht ausgeschlossen werden.

Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung ist es, auch in nichtrotationssymmetrischen, innendruckbelasteten, dickwandigen Bauteilen einen den Belastungsgrößen entsprechenden und optimierten Eigenspannungszustand zu erzeugen, der bei dynamisch belasteten Bauteilen die Lebensdauer bzw. die ertragbaren Lastwechsel erhöht und damit zur größeren Sicherheit der Bauteile beiträgt.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Es bestand daher die Aufgabe, den Eigenspannungsaufbau in Hochdruckbauteilen durch definierte Bedingungen bei Ausgestaltung der Autofrettage zu verbessern.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch Autofrettage, die gekennzeichnet ist durch zweimalige Druckbelastung bis in die Nähe des Streckgrenzenbereiches des Werkstoffes und nachfolgende Entlastung, kontinuierliche Druckbelastung bis zum Autofrettagedruck in solcher Höhe, daß die dadurch erzeugten Eigenspannungen den erreichbaren Spannungszustand auf Grund der Betriebsbelastungen kompensieren, aber nicht mehr als bis zum maximal zweifachen elastisch ertragbaren Dryck des Werkstoffes, Belastungspause des druckentlasteten Bauteils und nochmalige Belastung bis zu 90% des Autofrettagedruckes mit nachfolgender Entlastung.

Als Hochdruckbauteile eignen sich solche mit beliebiger Geometie unter der Voraussetzung der Dickwandigkeit und Innendruckbelastbarkeitwie Behälter, Rohre, Armaturen, Formstücke, Reaktoren, Motorgehäuse, z.B. bei der Hochdruckpolyethlensynthese. Die Geometrie wird mathematisch erfaßt und die daraus resultierenden Spannungsverhältnisse im Bauteil in bekannter Weise berechnet.

Die zweimalige Druckbelastung bis in die Nähe des Streckgrenzenbereichs des Werkstoffes (etwa 80 bis 90%) dient vor allem der Kontrolle der ordnungsgemäßen Arbeitsweise der Meß- und Drucktechnik. Die Druck-Dehnungskurven sind bei dieser Belastung Geraden, die sich bei beiden Druckbelastungen und -entlastungen decken.

Die kontinuierliche Belastung, zweckmäßig mit einer Geschwindigkeit von 25 bis 100 MPa pro Minute, bis zum Autofrettagedruck ist der entscheidende Schritt, um den optimierten Eigenspannungszustand im Bauteil zu erzeugen. Die Höhe dieses Druckes läßt sich nach bekannten Verfahren aus der Geometrie, dem Werkstoff und dem daraus ableitbaren Eigenspannungszustand berechnen. Er ist so hoch zu wählen, daß die dadurch erzeugten Eigenspannungen den errechenbaren Spannungszustand auf Grund der zu erwartenden Betriebsbelastungen kompensieren, darf aber nicht den zweifachen ertragbaren elastischen Druck des Werkstoffs überschreiten. Die Druck-Dehnungskurve während dieser Belastung ist bis zur Streckgrenze linear, im plastifizierenden Bereich ist der Anstieg degressiv. Die Entlastungskurve ist eine Gerade, deren Anstieg flacher gegenüber dem der Belastungskurve im elastischen Bereich ist.

Die anschließende Belastungspause dient der „Beruhigung" des druckentlasteten Bauteils. Sie beträgt zweckmäßigerweise etwa 5 Minuten. Bei der nochmaligen Belastung bis zu 90% des Autofrettagedruckes verläuft die Druck-Dehnungskurve als Gerade, wie die Entlastungskurve nach der Autofrettage, aber nun annähernd parallel der Belastungskurve im elastischen Bereich der Autofrettage.

Ein meßtechnischer Nachweis kann mittels Dehnungsmeßstreifen an der Außenwand des Bauteils über die erzeugten Spannungen geführt werden. Das durch die Autofrettage erzielte und aufgezeichnete Ergebnis kann jederzeit durch eine Nachautofrettage kontrolliert und damit der vorhandene Eigenspannungszustand im Bauteil nachgewiesen werden.

Ausführungsbeispiel

Als Beispiel soll ein Rohrbogen NW40/90°C aus vergütetem Stahl mit den folgenden charakteristischen Abmessungen betrachtet werden. Der für den Nenndruck ND = 250MPa ausgelegte Rohrbogen hat eine Wanddicke von 30,5 mm, wobei der Querschnitt des Bauteils eine Ovalität u = 6% aufweist und der Werkstoff eine Streckgrenze von R_e = 992MPa hat. Der elastische Druck p_e beträgt für die maximale reinelastische Verformung des Rohrbogens 481 MPa. Dieser Rohrbogen ist ein dickwandiges, innendruckbelastetes Bauteil, und seine Geometrie ist nichtrotationssymmetrisch. '

Für die Ermittlung der Spannungsverteilung über den Querschnitt ist die Bestimmung der Querschnittsgeometrie unerläßich ist. Die Außenkontur wurde mittels Mikrometerschraube vermessen, und die Innenkontur über die Wanddickenmessung mit Ultraschall bestimmt. Unter Benutzung der geometrischen Daten wurde die Spannungsverteilung über den Querschnitt berechnet. Ausgehend von dieser Berechnung konnte ein Autofrettagedruck von 730 MPa ermittelt werden. Die errechneten Autofrettage- und Eigenspannungsverteilungen konnten als Vergleichsgrößen für die Meßwerte während und nach der Autofrettage benutzt werden.

Der Rohrbogen wurde mit zwei Dehnmeßstreifen bestückt, die so angebracht wurden, daß damit die tangentialen Dehnungen des Rohrbogenquerschnittes an der neutralen Fasern und an der Außenkrümmung a gemessen werden konnten. Über einen mechanisch-elektrischen Wandler (Druckmeßdose) wurde der Innendruck über die Tangentialdehnungen an den Stellen η und a aufgezeichnet. Dieses Diagramm diente der Kontrolle des Autofrettagevorganges. Der Autofrettagedruck wurde in folgenden Schritten aufgebracht:

1. Zweimalige Druckaufbringung von 400MPa (85% von p_e) und darauffolgende Entlastung.

2. Kontinuierliche Belastung (50MPa pro Minute) bis zum berechneten Autofrettagedruck von 730MPa und anschließende Entlastung.

3. Belastungspause von fünf Minuten (entspricht ca. 30% der Zeitdauer für das Aufbringen des Autofrettagedruckes) des druckentlasteten Rohrbogens. ·

4. Nochmalige kontinuierliche Belastung bis zu 90% des Autofrettagedruckes, danach Entlastung.

Claims

Verfahren zum Eigenspannungsaufbau in Hochdruckbauteilen durch Autofrettage, gekennzeichnet durch, zweimalige Druckbelastung bis in die Nähe des Streckgrenzenbereiches des Werkstoffes und nachfolgende Entlastung, kontinuierliche Druckbelastung bis zum Autofrettagedruck in solcher Höhe, daß die dadurch erzeugten Eigenspannungen den errechenbaren Spannungszustand auf Grund der Betriebsbelastungen kompensieren, aber nicht mehr als bis zum maximal zweifachen elastisch ertragbaren Druck des Werkstoffes, Belastungspause des druckentlasteten Bauteils und nochmalige Belastung bsi zu 90% des Autofrettagedruckes mit nachfolgender Entlastung.

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Kaltumformung. Sie kommt in der Hoch-und Höchstdrucktechnik zur Anwendung und kann bei der Herstellung von Bauteilen mit beliebiger Geometrie unter der Voraussetzung der Dickwandigkeit und Innendruckbelastung eingesetzt werden.