DE102006051376A1 - Druckbehälter und Verfahren zu dessen Herstellung - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Druckbehälter sowie das Verfahren zu dessen Herstellung, bei dem eine besonders hohe Festigkeit in der Behälterwand durch die gezielte Ausnutzung der durch Druckwalzen eingebrachten Kaltverfestigung erreicht wird. Die hohe Festigkeit gestattet es, die Wandstärke des Behälters zu verringern und somit das Gesamtgewicht des Behälters zu vermindern. Zur gezielten Einstellung einer hohen Kaltverfestigung kommt vorzugsweise ein zweifaches Zylinder-Drückwalzen zum Einsatz, wobei in einem ersten Überlauf eine Wanddickenreduktion von mindestens 40% und in einem zweiten Überlauf von mindestens 70% realisiert wird. Der eingezogene Bereich des Behälters, in dem die Öffnung zu liegen kommt, wird aus einem Abschnitt des zylindrischen Teils des Behälters umformend geformt, der zumindest im zweiten Überlauf nicht in der Wandstärke reduziert wird.

Description

  • 1 Darlegung des bekannten Standes der Technik
  • Gasbehälter, z.B. für erdgasbetriebene Personen- und Nutzfahrzeuge, werden derzeit als Vollstahlbehälter mit relativ großer Wandstärke (4–6 mm), als Stahlcomposite-Behälter (faserummantelte Stahlbehälter zur Gewichtsreduzierung) oder als Vollcomposite-Behälter (faserummantelte Kunststoffbehälter) ausgeführt.
  • Vollstahlbehälter werden aus Blöcken, Blechen oder Rohren hergestellt. Eine übliche Prozesskette aus dem Block ist:
    • 1. Rückwärtsnapffließpressen (Warm)
    • 2. Elongieren d.h. Wanddicke reduzieren
    • 3. Flaschenhals einziehen
    • 4. Härten/Anlassen (Vergüten)
    • 5. mech. Bearbeitung, Prüfen, Beschichten etc.
  • Eine übliche Prozesskette für die Herstellung aus Blechronden ist:
    • 1. Tiefziehen (kalt mit normalgeglühtem Blech)
    • 2. Weichglühen
    • 3. Tiefziehen (in mehreren Ziehstufen)
    • 4. Druckwalzen
    • 5. Flaschenhals einziehen
    • 6. Härten/Anlassen (Vergüten)
    • 7. mech. Bearbeitung, Prüfen, Beschichten etc.
  • Eine übliche Prozesskette für die Herstellung aus Rohren ist:
    • 1. Boden einziehen und schließen ohne Zusatzwerkstoff (warm)
    • 2. Drückwalzen
    • 3. Flaschenhals einziehen
    • 4. Härten/Anlassen (Vergüten)
    • 5. mech. Bearbeitung, Prüfen, Beschichten etc.
  • Entsprechend, den an die Gasbehälter gestellten Anforderungen, die sich beispielsweise in der ECE – Verordnung R 110 niedergeschlagen haben, müssen bei der Behälterherstellung besondere Ansprüche an die Werkstoffauswahl, die chemischen und physikalischen Eigenschaften sowie den Wärmebehandlungszustand erfüllt werden. Ziel ist es einen Behälter mit möglichst geringem Gewicht herzustellen. Da sich der Innendruck des Gasbehälters im Wesentlichen in einer tangentialen Zugspannung in der Behälterwand niederschlägt, wird eine möglichst hohe Zugfestigkeit des Werkstoffes gefordert. Entsprechend dem bekannten Stand der Technik werden die Druckbehälter heute im weich- oder normalgeglühten oder im vergüteten Zustand mit Festigkeiten von z.T. über 1100 N/mm2 eingesetzt [ISO 9809-1:1999:06 und 9809-2:2000:06]. Durch die durchgeführte Wärmebehandlung wird die Beständigkeit gegenüber Spannungsrisskorrosion verbessert, was entsprechend der ECE R 110 nach NACE TM 0177:1996 [National Association of Corrosion Engineers] nachzuweisen ist.
  • Die mit den Konzepten der Stahlcomposite- und Vollcomposite-Behälter verfolgte Gewichtsreduzierung wird durch Umwickeln der zylindrischen Behälteraußenfläche beispielsweise mit faserverstärktem Kunststoff erreicht. Dadurch wird der Metall- oder Kunststoffinnenbehälter einer Druck-Vorspannung ausgesetzt, dem sog. Autofrettagedruck. Bei einer Belastung mit Innendruck durch das gespeicherte Gas wird der Innenbehälter zunächst entlastet. Erst bei einer weiteren Drucksteigerung darüber hinaus wird die Behälterwand analog zum Vollstahlbehälter beansprucht. Die zur Umwicklung verwendeten Fasern sind im Vergleich zum Stahl deutlich elastischer (geringer Elastizitätsmodul), so dass die Druck-Vorspannung keine wesentliche Änderung erfährt. Da ein Teil des Innendrucks bereits durch den Autofrettagedruck abgefangen wird, kann die Wandstärke dieser Druckbehälter gegenüber Vollstahlbehältern deutlich dünner ausfallen. Der Zylinder wird damit leichter. Dem steht allerdings das recht teuere Umwicklungsverfahren entgegen.
  • 2 Defizite im Stand der Technik
  • Ein heute üblicher Vollstahlbehälter mit ca. 80 l Fassungsvermögen (Wasservolumen), der für einen Betriebsdruck von 20 MPa und somit einem max. Fülldruck von 26 MPa ausgelegt ist, wird bei derzeitigen Werkstoffen mit einer Wandstärke von etwa 4,5 mm ausgeführt. Dazu ist ein Vergüten des Behälters erforderlich, wobei min. 1100 N/mm2 erreicht werden. Das Gesamtgewicht eines solchen Behälters beträgt in etwa 56 kg ohne Gasinhalt. Dies ist damit ein Bauteil, das erheblichen Einfluss auf das Gesamt-Fahrzeuggewicht hat. Es besteht der permanente Wunsch der Gewichtsreduzierung. Da die Technologien zur Herstellung von Composite-Behälter mit Stahl-Innenbehälter oder als Vollcomposite-Behälter sehr aufwändig sind, wird nach wie vor der Vollstahlbehälter auch aus Sicherheitsaspekten (Brandschutz) favorisiert.
  • 3 Aufgabe der Erfindung
  • Aufgabe der Erfindung ist es, das Leergewicht von Gasdruckbehälter deutlich zu reduzieren.
  • 4 Darlegung des Wesens der Erfindung (Ausführungsbeispiel siehe Zeichnung)
  • Der erfindungsgemäße Herstellungsweg für einen Gasdruckbehälter modifiziert sich unter Nutzung von Kaltverfestigungseffekten in folgender Weise:
    • 1. Vorform (1) aus Block, Blechronde oder Rohr
    • 2. Zylinder-Drückwalzen – 1. Überlauf mit einem Reduktionsgrad von nicht weniger als 40%
    • 3. Zylinder-Drückwalzen – 2. Überlauf mit einem Reduktionsgrad von nicht weniger als 70%
    • 4. Flaschenhals Einziehen
    • 5. mech. Bearbeitung, Prüfen, Beschichten etc.
  • Alternativ kann das Zylinderdrückwalzen in nur einem Überlauf erfolgen, wobei der Reduktionsgrad dann mindestens 75% betragen muss. Eine weitere Möglichkeit sind drei (oder mehr) Überläufe wobei pro Überlauf ein Reduktionsgrad von min. 35% eingehalten wird.
  • Der eingezogene (verjüngte) Bereich des Behälters (4), in dem die Öffnung (5) zu liegen kommt, wird aus einem Abschnitt (6) des zylindrischen Teils des Behälters umformend geformt, der zumindest im zweiten Überlauf nicht in der Wandstärke reduziert wird.
    • 1
    Vorform
    2
    Zwischenform 1. Überlauf durch Zylinder-Drückwalzen
    3
    Zwischenform 2. Überlauf durch Zylinder-Drückwalzen
    4
    Verjüngter Bereich des Druckbehälters
    5
    Öffnung des Gasdruckbehälters
    6
    nicht reduzierter zylindrischer Abschnitt der Behälterwand
    7
    Behälterboden

Claims (4)

  1. Druckbehälter und Verfahren zu dessen Herstellung dadurch gekennzeichnet, dass a) die Behälterwand des Druckbehälters aus einer Vorform (1) durch Zylinder-Drückwalzen in mindestens zwei Überläufen geformt wird, wobei in einem ersten Überlauf (2) eine Wanddickenreduktion von nicht weniger als 40% und in einem zweiten Überlauf (3) eine Wanddickenreduktion von nicht weniger als 70% realisiert wird, wobei b) die Vorform (1) wahlweise (I) aus einem Block durch das Warmumformverfahren Rückwärtsnapffließpressen, (II) aus einer Blechronde durch Tiefziehen oder durch Drücken oder (III) aus einem Rohr gefertigt wird, dessen Boden eingezogen und ohne Zusatzwerkstoff geschlossen wird, sowie c) der verjüngte Bereich des Behälters (4) in dem die Öffnung (5) zu liegen kommt, durch Einziehen aus einem zumindestens im zweitem Überlauf nicht, beispielsweise durch Zylinder-Drückwalzen, reduziertem Abschnitt (6) der Druckbehälterwand geformt wird.
  2. Druckbehälter und Verfahren zu dessen Herstellung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Behälterwand des Druckbehälters aus einer Vorform (1) durch Zylinder-Drückwalzen alternativ zu Anspruch 1a in nur einem Überlauf geformt wird, wobei eine Wanddickenreduktion von nicht weniger als 75% realisiert wird.
  3. Druckbehälter und Verfahren zu dessen Herstellung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Behälterwand des Druckbehälters aus einer Vorform (1) durch Zylinder-Drückwalzen alternativ zu Anspruch 1a in mehr als zwei Überläufen geformt wird, wobei die Wanddickenreduktion in keinem Überlauf weniger als 35% betrage.
  4. Druckbehälter und Verfahren zu dessen Herstellung nach den Ansprüchen 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass auf der zylindrischen Druckbehälterwand beispielsweise durch faserverstärkte Kunststoffe eine Umwicklung zum Aufbringen einer definierten Druck-Vorspannung (Autofrettage) erfolgt.
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