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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Wärmebehandlung von Schweißnähten an Kraftwerks- und Anlagenbauteilen, insbesondere zur montageseitigen Wärmebehandlung von Schweißnähten an Membranrohrwänden und/oder Rohrwandregistern in der Einbaulage innerhalb eines Dampferzeugers.
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Ein Verfahren zur Herstellung von Dampferzeuger-Rohrwänden ist beispielsweise in der
DE 10 2008 037 085 B3 beschrieben. Die
DE 10 2008 037 085 B3 betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Dampferzeuger-Rohrwänden bestehend aus überwiegend 9% bis 12% chromhaltigen martensitischen Stählen, wobei die Rohrwände aus einer Rohr-Steg-Rohr-Kombination gebildet sind und aus einer Vielzahl von Rohrwandbestandteilen in Form von planen Rohrwandregistern, gebogenen Rohrwandregistern, Übergangsrohrwandregistern und Eckbögen zusammengesetzt sind. Die einzelnen Rohrwandregister bilden an ihrer Peripherie längsseitig Steg-Steg-Registerstöße und querseitig Rundnaht-Registerstöße. Das Verfahren zur Herstellung der Dampferzeuger-Rohrwände nach der
DE 10 2008 037 085 B3 umfasst die Herstellung der Rohrwandbestandteile aus überwiegend 9% bis 12% chromhaltigen, martensitischen Stählen aus einem nicht wärmezubehandelnden Werkstoff durch Verschweißen der jeweiligen Teile werkstattseitig, eine Anlasswärmebehandlung der Rohrwandbestandteile mittels einer ersten Heizeinrichtung werkstattseitig, das Verbinden der Rohrwandbestandteile an deren Rundnahtregisterstößen mittels Schweißnähten montageseitig, die Anlasswärmebehandlung der Schweißnähte an den Rundnahtregisterstößen der Rohrwandbestandteile mittels einer Heizeinrichtung montageseitig sowie das Verbinden der Rohrwandbestandteile an deren Steg-Steg-Registerstößen mittels Schweißnähten montageseitig ohne Anlasswärmebehandlung dieser Schweißnähte.
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Der Begriff „montageseitig” im Sinne der
DE 10 2008 037 085 B3 als auch im Sinne der vorliegenden Anmeldung bezieht sich auf das Zusammenfügen/Verschweißen einzelner Rohrwandsegmente/Paneele/Rohrwandregister zu der fertigen Membranrohrwand des Dampferzeugers in ihrer vorgesehenen Einbaulage. Der Begriff „werkstattseitig” hingegen bezieht sich auf die Herstellung und Komplettierung von Rohrwandpaneelen/Rohrwandregistern/Rohrwandsegmenten in der Werkstatt, d. h. vor Anlieferung und/oder vor dem Zusammenfügen in der Einbaulage. Rohrwände bzw. Membranrohrwände der vorstehend beschriebenen Art werden in Dampferzeugern von mit fossilen Brennstoffen beheizten Kraftwerken eingesetzt. Diese umfassen eine in den meisten Fällen rechteckige Brennkammer sowie einen darüber angeordneten Gaszug. Die Membranrohrwände bestehen aus Rohr-Steg-Rohr-Kombinationen, wobei sich die Rohre in der Einbaulage etwa senkrecht oder in einem Winkel zur Senkrechten erstrecken können und mit dem zu erhitzenden Arbeitsmedium durchströmt werden.
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Sowohl bei der Fertigung als auch bei der Montage und ggf. bei Reparaturen von Membranrohrwänden können beim Schweißen lokal ungünstige Werkstoffzustände, insbesondere ungünstige Eigenspannungszustände auftreten, die sich durch Wärmebehandlung nach Herstellung der Schweißverbindung positiv beeinflussen lassen.
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Eine solche Anlasswärmebehandlung bestimmter Rohrwand-Bestandteile ist beispielsweise ebenfalls in der
DE 10 2008 037 085 B3 beschrieben, wobei dort vorgesehen ist, eine erste Wärmebehandlung mit einer Heizeinrichtung werkstattseitig vorzunehmen, wie dies im Übrigen allgemein bekannt ist. Als Heizeinrichtung wird hierzu in der Regel ein aufgrund der Abmessungen der Rohrwandregister hierfür angepasster Ofen benutzt, in dem die Rohrwandregister einzeln oder zu mehreren wärmebehandelt werden.
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Eine solche Wärmebehandlung ist naturgemäß montageseitig nicht durchführbar.
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In der
DE 10 2008 037 085 B3 wird deshalb vorgeschlagen, die montageseitig vorzusehenden Schweißnähte, insbesondere die Rundschweißnähte, an den querseitigen Rundnahtregisterstößen mittels lokal und beiderseitig an den Rohrwandregistern angebrachter Heizeinrichtungen mit Wärme zu behandeln. Diese Heizeinrichtungen sind als geometrisch an die Rohrwandsegmente/Rohrwandregister angepasste Widerstands-Glühkassetten ausgebildet. Da eine solche Wärmebehandlung einen verhältnismäßig hohen Temperaturgradienten von den wärmezubehandelnden Schweißnahtbereichen zu den nicht aufgeheizten/aufgewärmten Teilen der Rohrwand erzeugt, ist in der
DE 10 2008 037 085 B3 vorgesehen, weitere Heizeinrichtungen im unmittelbaren Nachbarbereich zu den zuvor erwähnten Heizeinrichtungen anzuordnen, die zur Reduzierung des Temperaturgradienten Stützwärme erzeugen sollen.
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Diese Anordnung ist apparativ verhältnismäßig aufwändig, nicht zuletzt wegen der erforderlichen weiteren Heizeinrichtungen zur Erzeugung von Stützwärme. Auch ist die Bereitstellung von angepassten Widerstands-Glühkassetten apparativ aufwändig. Schließlich erfordert die in der
DE 10 2008 037 085 B3 beschriebene Maßnahme, dass Heizeinrichtungen beiderseitig an den Rohrwandregistern angebracht werden, d. h. auf der in der Einbaulage dem Kesselinneren zugewandten Seite sowie auf der dem Kesselinneren abgewandten Seite der Membranrohrwände, die üblicherweise mit einer Isolierung versehen ist. Eine Wärmebehandlung bei etwa erforderlichen Reparaturen mit Schweißarbeiten am Dampferzeuger ist auf diese Art und Weise nicht oder nur bedingt möglich, da jedenfalls die beiderseitige Zugänglichkeit der Membranrohrwand gewährleistet sein muss. Dies ist insbesondere dann beispielsweise nicht ohne Weiteres möglich, wenn die Membranrohrwände schon so weit montiert sind, dass im Bereich der querseitigen Rundnaht-Registerstöße bereits Füllbleche eingeschweißt worden sind.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Wärmebehandlung von Schweißnähten von Kraftwerks- und Anlagenbauteilen in der Einbaulage bereitzustellen, das besonders einfach ist, eine homogene und einfache Erwärmung von Schweißnähten auch an schwer zugänglichen Stellen ermöglicht und welches insbesondere einen hohen apparativen Aufwand vermeidet.
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Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Wärmebehandlung von Schweißnähten von Kraftwerks- und Anlagenbauteilen, insbesondere zur montageseitigen Wärmebehandlung von Schweißnähten an Membranrohrwänden und/oder Rohrwandregistern in der Einbaulage innerhalb eines Dampferzeugers, wobei das Verfahren sich dadurch auszeichnet, dass eine lokale Erwärmung einzelner Schweißnähte oder Gruppen von Schweißnähten induktiv erfolgt.
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„Induktiv” im Sinne der vorliegenden Anmeldung meint „elektrisch induktiv”, d. h. dass in den betreffenden Schweißnähten ein elektromagnetisches Feld induziert wird, derart, dass die Schweißnähte stromdurchflossen werden und aufgrund des Stromflusses eine ohmsche Erwärmung der betreffenden Schweißnähte erfolgt.
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Das Verfahren gemäß der Erfindung ist nicht auf die Wärmebehandlung von Schweißnähten an Membranrohrwänden beschränkt. Das Verfahren kann an fast allen Kraftwerks- und Anlagenbauteilen, insbesondere in deren Einbaulage, angewendet werden, die aufgrund von Verschweißungen ungünstige Eigenspannungszustände aufweisen.
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Das Verfahren gemäß der Erfindung ist ebenfalls nicht auf eine montageseitige Behandlung von Schweißnähten beschränkt, vielmehr kann dieses Verfahren auch eine werkstattseitige induktive Behandlung wärmezubehandelnder Bauelemente vorsehen. Hierdurch kann auf eine vollständige Wärmebehandlung in einem Ofen vollständig verzichtet werden.
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Die Wärmebehandlung wird durch lokale Einleitung eines elektromagnetischen Wechselfeldes induktiv realisiert. Für diese Zwecke werden in der Nähe der Schweißverbindung mit einer Spulenanordnung bzw. mit einem Transformator ohne Sekundärwicklung elektromagnetische Wechselfelder so erzeugt, dass diese in der Schweißverbindung und an die Schweißverbindung angrenzenden Werkstoffbereichen Wirbelströme erzeugen und die Schweißverbindung erwärmen. Eine solche Verfahrensweise hat insbesondere auch den Vorzug, dass ein nur geringer apparativer Aufwand erforderlich ist und nur ein geringer Anteil an fühlbarer Verlustwärme erzeugt wird.
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Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorzug, dass dies eine sehr begrenzte, lokal homogene Wärmebehandlung der betreffenden Schweißnähte ermöglicht. Dies geht einher mit einem verhältnismäßig geringen Wärmeeintrag, woraus ein verhältnismäßig geringer Verzug der betreffenden Bauteile resultiert. Hierdurch werden ungünstige Eigenspannungen des Bauteils vermieden.
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Besonders vorteilhaft ist es, dass für eine solche induktive Wärmebehandlung ein verhältnismäßig geringer apparativer Aufwand erforderlich ist und dass die Zugänglichkeit des Bauteils nicht von allen Seiten gegeben sein muss. Die induktive Wärmebehandlung durchwärmt die Schweißverbindung im Gegensatz zu anderen Wärmebehandlungen, wie beispielsweise die Erwärmung mit Heizmatten, Gasflamme oder Schweißbrenner, wesentlich homogener und von innen heraus. Hierdurch lassen sich lokale Überhitzungen und dadurch bedingte ungünstige Werkstoffzustände, wie beispielsweise Teilaustenitisierung und eine übermäßige Oxidation der Bauteiloberfläche vermeiden. Auch wird das Auftreten von hohen Temperaturgradienten, wie es beispielsweise in der
DE 10 2008 037 085 B3 beschrieben ist, zuverlässig vermieden.
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Das Verfahren besitzt darüber hinaus den Vorzug, dass keine Kontaktierung der Bauteiloberfläche erforderlich ist, gleichwohl ist es nicht erforderlich, Strahlungswärme aufzuwenden.
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Besondere Vorzüge hat die erfindungsgemäße Wärmebehandlung bei der Wärmebehandlung von Schweißnähten an Membranrohrwänden und/oder Rohrwandregistern in der Einbaulage innerhalb eines Dampferzeugers, da das Verfahren nur eine einseitige Zugänglichkeit der betreffenden Schweißnähte erfordert.
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Das Verfahren kann darüber hinaus auch bei Reparaturmaßnahmen angewendet werden.
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Wie vorstehend bereits erwähnt, kann die erfindungsgemäße Wärmebehandlung auch an Membranrohrwänden und Rohrwandregistern bereits werkstattseitig durchgeführt werden, beispielsweise unter vollständigem Verzicht auf einen Ofen für eine Wärmebehandlung.
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Bei einer bevorzugten Variante des Verfahrens ist vorgesehen, dass mittels wenigstens einer mit Wechselspannung beaufschlagten Spule oder einer Spulenanordnung in der Schweißnaht des Bauteils oder in an die Schweißnaht angrenzenden Bereichen des Bauteils wenigstens ein elektromagnetisches Wechselfeld induziert wird.
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Bei einer zweckmäßigen Variante des Verfahrens gemäß der Erfindung werden die Rundnähte von Rohrwandstößen aneinander gefügter Rohrwandregister in der Einbaulage einzeln oder gruppenweise induktiv erwärmt.
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Dies kann beispielsweise durch die Verwendung wenigstens eines mit wenigstens einer Spule versehenen Spulenkörpers erfolgen, der geometrisch an die Kontur des behandelnden Bauteils, beispielsweise eines Rohres angepasst ist.
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Bei einer vorteilhaften Variante des Verfahrens gemäß der Erfindung ist vorgesehen, dass eine induktive Erwärmung der Rundschweißnähte von Rohrwandstößen aneinandergefügter Rohrwandregister unter Verwendung von etwa C-förmig oder U-förmig geformten, gewickelten bzw. mit Wicklung versehenen Spulenkörpern erfolgt.
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Ein solcher Spulenkörper kann beispielsweise aus einem elektrisch nicht leitenden Material in Form eines U-förmigen oder C-förmigen Jochs ausgebildet sein, welches mit einer oder mehreren Wicklungen versehen ist, die als Primärwicklung eines Transformators wirken. Der Spulenkörper kann alternativ als Blechkern ausgebildet sein.
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Ein solcher U-förmig oder C-förmig geformter Hohlkörper hat den Vorzug, dass dieser zwecks Induzierung einer Wechselspannung in einem rohrförmig ausgebildeten Bauteil so an das Bauteil angesetzt werden kann, dass das rohrförmige Bauteil von dem Spulenkörper eingefasst wird.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist selbstverständlich nicht auf die Anwendung an Rundschweißnähten an sich quer erstreckenden Registerstößen beschränkt, vielmehr kann das Verfahren auch auf die geschweißten Längsnähte zwischen Rohr und Steg sowie auf die sich in Einbaulage etwa senkrecht oder in einem Winkel hierzu erstreckende Schweißnähte angewendet werden, die die seitlichen Rohrwandregisterstöße miteinander verbinden. Zweckmäßigerweise ist vorgesehen, dass die Wärmebehandlung das Induzieren und Aufrechterhalten eines elektromagnetischen Wechselfeldes in dem zu behandelnden Bauteil umfasst, sodass eine lokale Erwärmung, d. h. eine Erwärmung der Schweißnaht, zwischen 600°C und 1.050°C, bevorzugt zwischen 650°C und 750°C über eine Zeitspanne von bis zu 4 Stunden bewirkt wird.
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Die zu behandelnden Rohrwandsegmente umfassen Rohre mit einem Durchmesser zwischen 25 mm und 60 mm und einer Wandstärke von < 15 mm, wobei eine Temperatur innerhalb der betreffenden Schweißnaht wenigstens über eine Zeitspanne von 30 s, vorzugsweise von 1 min. gehalten werden sollte, und zwar unabhängig von der Materialstärke des zu behandelnden Bauteils.
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Bei den im Stand der Technik bekannten Wärmebehandlungsverfahren werden für die Wärmebehandlung Zeitspannen von 60 min. bis zu 120 min. gefordert, da insbesondere bei Strahlungswärmeeintrag, beispielsweise mit Widerstands-Glühkassetten, sich zwangsläufig ein Temperaturprofil von außen in das Innere der Schweißnaht einstellt und die Wärmestromdichte der von außen einzubringenden Wärme nicht hoch sein darf, damit kein allzu hoher Temperaturgradient zu den angrenzenden Bereichen des Werkstoffes entsteht.
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Mit dem erfindungsgemäßen Wärmebehandlungsverfahren lässt sich die erforderliche Zeitspanne für die Wärmebehandlung beachtlich reduzieren.
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Das Verfahren wird nachstehend am Beispiel der Wärmebehandlung von Rundschweißnähten an Membranrohrwänden erläutert. Wie eingangs erwähnt, ist allerdings auch die Wärmebehandlung anderer Kraftwerkskomponenten in der Einbaulage mit dem erfindungsgemäßen Verfahren möglich und sinnvoll.
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1 zeigt eine Teilansicht zweier aneinandergrenzender, nicht vollständig miteinander verbundener Rohrwandregister 1 im Bereich der quer verlaufenden Registerstöße,
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2 zeigt eine Teilansicht der in der Einbaulage miteinander zu einer Rohrwand verbundenen Rohrwandregister und
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3 zeigt einen Querschnitt durch die Membranrohrwand sowie die Anordnung einer Spule im Bezug zu der Membranrohrwand bei der Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung.
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Jedes Rohrwandregister 1 umfasst beispielsweise drei im vorliegenden Fall vertikal ausgerichtete Rohre 3, welche beispielsweise als medienführende Rohre im Bereich der Strahlungsheizflächen eines Dampferzeugers ausgebildet sind. Mehrere Rohrwandregister 1 übereinander und nebeneinander bilden eine Membranrohrwand des Kessels eines Dampferzeugers. Die einzelnen Rohre 3 sind über Stege 4 fest miteinander zu den Rohrwandregistern 1 (Rohrpaneelen) verbunden. Die Rohre können beispielsweise eine Wandstärke von etwa 3 mm bis 6 mm und einen Durchmesser zwischen 25 mm und 60 mm aufweisen und aus chromhaltigen, martensitischen oder austenitischen Stählen oder Nickelbasislegierungen bestehen.
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1 zeigt zwei Rohrwandregister 1 in der nicht vollständig zusammengefügten Einbausituation, in welcher bereits zwei Rundschweißnähte 5 an miteinander verbundenen Rohrstößen 6 gesetzt sind.
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Werkstattseitig wurden die Rohrwandregister 1 so hergestellt, dass die Rohrstöße 6 jeweils über die von den Stegen 4 gebildeten Registerstöße 2 hervorstehen, so dass bei zusammengefügten Rohrstößen 6 zwischen einzelnen Rohrwandregistern 1 ein Schlitz 7 frei bleibt, in welchen nach Fertigstellen der Rundschweißnähte ein Füllblech 8 eingeschweißt wird (siehe 2).
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Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, in den Rundschweißnähten 5 auf ihre jeweils dem Kesselinneren zugewandten Seite ein elektromagnetisches Wechselfeld zu induzieren, und zwar mittels einer Spule 9, die beispielsweise eine auf einen C-förmig ausgebildeten Spulenkörper 10 aufgebrachte Wicklung 11 umfasst. Die Wicklung 11 ist über Kontakte an eine Wechselspannungsquelle angeschlossen, über welche in der Spule 9 ein elektromagnetisches Wechselfeld erzeugt wird. Die Spule 9 stellt die Primärseite eines Transformators dar. Das Anlegen einer Wechselspannung an die Spule 9 bewirkt die lokale Erzeugung eines elektromagnetischen Wechselfeldes in den Rohren 3 und in den Rohrschweißnähten 5. So werden in der Schweißverbindung und in den angrenzenden Werkstoffbereichen Wirbelströme erzeugt, die eine lokale Erwärmung des Bauteils in unmittelbarer räumlicher Nähe zur Spule 9 bewirken.
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Der Spulenkörper 10 hat, wie vorstehend bereits erwähnt, einen etwa C-förmigen Querschnitt und bildet zwei Spulenkörperfüße 12, in deren Bereich keine Wicklung vorgesehen ist und die mit einer Isolierung 13 versehen sind. Die Isolierung 13 dient dazu, den Spulenkörper 10 beiderseits der Rohre 3 auf die Stege 4 aufsetzen zu können. Entsprechende Aufsetzpunkte können beispielsweise vor der Wärmebehandlung mit optischen Markierungen versehen worden sein.
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Anstelle einer einzigen Spule 9 kann auch eine Spulenanordnung mehrerer Spulen bzw. mehrerer gewickelter Spulenkörper 10 vorgesehen sein, die mehrere Rohre 3 eines Rohrwandregisters 1 umfassen können.
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Das Verfahren kann eine Annäherung des zu behandelnden Bauteils bzw. des zu behandelnden Rohrwandregisters einseitig, beispielsweise auf der Kesselinnenseite, aber auch beidseitig, auf der der Kesselinnenseite abgewandten, der späteren Isolierung zugewandten Seite des Rohrwandregisters 1 vorsehen.
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Bei dem in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiel ist eine Wärmebehandlung der Rundschweißnähte 5 nach dem Einbringen der Füllbleche vorgesehen, selbstverständlich kann eine solche Wärmebehandlung bereits vor dem Einbringen der Füllbleche vorgesehen sein, und zwar mittels Spulenanordnungen, die eine weitestgehende Umschließung beispielsweise eines Rohres 3 ermöglichen, bzw. die querschnittlich/geometrisch weitestgehend an die Kontur und die Abmessungen des zu behandelnden Rohres angepasst sind. Insbesonders wenn keine Füllbleche montiert sind, kann eine weitestgehende Umfassung der Rundschweißnähte beispielsweise mittels zweier zangenartig zueinander angeordneter und bewegbarer Spulenkörper, vorgesehen sein.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Rohrwandregister
- 2
- Registerstöße
- 3
- Rohre
- 4
- Stege
- 5
- Rundschweißnähte
- 6
- Rohrstöße
- 7
- Schlitz
- 8
- Füllblech
- 9
- Spule
- 10
- Spulenkörper
- 11
- Wicklung
- 12
- Spulenkörperfüße
- 13
- Isolierung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008037085 B3 [0002, 0002, 0002, 0003, 0005, 0007, 0007, 0008, 0016]
