DD250234A3

DD250234A3 - PROCESS FOR SELF-VOLTAGE CONSTRUCTION IN HIGH-PRESSURE COMPONENTS

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.The invention relates to the field of cold forming in high and high pressure printing. The aim is to produce and prove in pressurized components a calculated and optimized internal stress state corresponding to the load parameters, which increases the tolerable load changes for dynamically loaded components and thus contributes to the greater safety and availability of the components. The task was to create defined conditions of autofrettage. They are characterized by twice the compressive stress up to the vicinity of the yield strength range of the material and subsequent relief, continuous pressure load to autofrettage pressure to such an extent that the residual stresses generated thereby compensate the calculable stress state due to the operating loads, but not more than up to twice the elastic tolerable pressure of the material, load break of the pressure-relieved component and repeated loading up to 90% of the autofrettage pressure with subsequent relief.

Description

Characteristic of the known technical solutions

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.Shrinkage is known as a process for generating residual stress in cylindrical components, wherein a shrink connection must consist of at least two parts, the core cylinder and the strength jacket (several strength sheaths can also be shrunk on). The core cylinder is machined on the outside diameter with allowance. Taking advantage of the thermal expansion of the material, the parts (strength jacket and core cylinder) are joined by heating and / or cooling. Shrink joints are only limited applicable. They are suitable for cylindrical components and components with a small axial length. For non-cylindrical components and long components (eg pipes), the shrink fit connection can not be used.

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.Also known is the autofrettage, which is performed in a single pressure load up to the empirically determined Autofrettagedruck. This results in the disadvantage that the so autofrettierten components under load with operating pressure does not experience a compensation of operating pressure-related voltages through the Autofrettagespannungen. It is equally impossible to prevent areas with critical stresses from remaining in the autofretted components as a result of the empirically determined autofrettage pressure. Furthermore, a Druckplastizierung at discharge can not be excluded.

Object of the invention

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.The object of the invention is to produce a load voltage corresponding and optimized residual stress state even in non-rotationally symmetric, internal pressure loaded, thick-walled components, which increases the service life or the sustainable load changes in dynamically loaded components and thus contributes to greater safety of the components.

Explanation of the essence of the invention

Es bestand daher die Aufgabe, den Eigenspannungsaufbau in Hochdruckbauteilen durch definierte Bedingungen bei Ausgestaltung der Autofrettage zu verbessern.It was therefore an object to improve the residual stress build-up in high-pressure components by defined conditions in the design of the autofrettage.

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.According to the invention, this object is achieved by Autofrettage, which is characterized by two times compressive load to the vicinity of the yield strength range of the material and subsequent discharge, continuous pressure load to the autofrettage pressure in such height that the residual stresses generated thereby compensate the achievable stress state due to the operating loads, but no more than up to a maximum of twice the elastically tolerable Dryck of the material, load break of the pressure-relieved component and repeated loading up to 90% of the autofrettage pressure with subsequent relief.

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.High-pressure components are those of arbitrary geometry, provided that they are thick-walled and capable of withstanding internal pressure such as containers, pipes, fittings, fittings, reactors, motor housings, e.g. in high-pressure polythene synthesis. The geometry is mathematically detected and the resulting stress conditions in the component calculated in a known manner.

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.The two-time pressure load up to the vicinity of the yield strength range of the material (about 80 to 90%) serves primarily to control the proper functioning of the measuring and printing technology. The stress-strain curves are at this load straights, which coincide with both pressure loads and reliefs.

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.The continuous loading, expediently at a speed of 25 to 100 MPa per minute, until the autofrettage pressure is the decisive step in order to produce the optimized residual stress state in the component. The height of this pressure can be calculated by known methods from the geometry, the material and the inherent stress state derived therefrom. It is to be selected so high that the residual stresses generated thereby compensate for the calculable stress state due to the expected operating loads, but must not exceed twice the tolerable elastic pressure of the material. The compression-strain curve during this stress is linear up to the yield point, in the plasticizing region the increase is degressive. The relief curve is a straight line whose slope is shallower than that of the load curve in the elastic region.

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.It is expediently about 5 minutes, with the additional load of up to 90% of the autofrettage pressure, the pressure-strain curve as a straight line, as the relief curve after autofrettage, but now approximately parallel to the load curve in the elastic area of 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.A metrological proof can be performed by means of strain gauges on the outer wall of the component on the voltages generated. The result obtained and recorded by the Autofrettage can be checked at any time by a Nachautofrettage and thus the existing residual stress state can be detected in the component.

embodiment

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. 'As an example, consider a tube sheet NW40 / 90 ° C made of tempered steel with the following characteristic dimensions. The pipe bend designed for the nominal pressure ND = 250MPa has a wall thickness of 30.5 mm, whereby the cross section of the component has an ovality u = 6% and the material has a yield strength of R _e = 992 MPa. The elastic pressure p _e is 481 MPa for the maximum purely elastic deformation of the pipe bend. This pipe bend is a thick-walled, internal pressure-loaded component, and its geometry is not rotationally symmetrical. '

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.For the determination of the stress distribution over the cross section the determination of the cross sectional geometry is indispensable. The outer contour was measured by means of a micrometer screw, and the inner contour was determined via the wall thickness measurement with ultrasound. Using the geometric data, the stress distribution across the cross section was calculated. Based on this calculation, an autofrettage pressure of 730 MPa could be determined. The calculated autofrettage and residual stress distributions could be used as benchmarks for the measurements during and after autofrettage.

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:The pipe bend was equipped with two strain gauges, which were mounted so that the tangential expansions of the pipe elbow cross section at the neutral fibers and at the outer curvature a could be measured. The internal pressure was recorded via the tangential strains at the points η and a via a mechanical-electrical transducer (load cell). This chart was used to control the autofrettage process. The autofrettage print was applied in the following steps:

1. Zweimalige Druckaufbringung von 400MPa (85% von p_e) und darauffolgende Entlastung.1. Two-time pressure application of 400MPa (85% of p _e ) and subsequent discharge.

2. Kontinuierliche Belastung (50MPa pro Minute) bis zum berechneten Autofrettagedruck von 730MPa und anschließende Entlastung.2. Continuous load (50MPa per minute) to calculated autofrettage pressure of 730MPa and subsequent discharge.

3. Belastungspause von fünf Minuten (entspricht ca. 30% der Zeitdauer für das Aufbringen des Autofrettagedruckes) des druckentlasteten Rohrbogens. ·3. Stress break of five minutes (equivalent to approximately 30% of the time required to apply the autofrettage pressure) of the pressure-relieved elbow. ·

4. Nochmalige kontinuierliche Belastung bis zu 90% des Autofrettagedruckes, danach Entlastung.4. Repeated continuous loading up to 90% of the autofrettage pressure, then relief.

Claims

Method for residual stress build-up in high-pressure components by autofrettage, characterized by twice compressive load up to the vicinity of the yield strength of the material and subsequent discharge, continuous pressure load to the autofrettage in such height that the residual stresses generated thereby compensate the calculable state of stress due to the operating loads, but not more than up to twice the elastically tolerable pressure of the material, load break of the pressure-relieved component and repeated loading bsi to 90% of the autofrettage pressure with subsequent relief.

Field of application of the invention

The invention relates to the field of cold forming. It is used in high-pressure and ultra-high-pressure technology and can be used in the manufacture of components of any geometry on the condition of thick-walledness and internal pressure loading.