DE1459428B - Für Wasserkraftanlagen bestimmte Druckrohrleitung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine für Wasserkraftanlagen bestimmte Druckrohrleitung, deren Wand aus mindestens zwei dünnwandigen Lagen besteht, deren Werkstoff gleichen Elastizitätsmodul hat.

Es ist eine dünnwandige Rohrleitung aus zwei Lagen bekannt, die aus dem gleichen Werkstoff bestehen. Beim Betrieb dieser Leitung ist man mit der Beanspruchung in den Lagen nicht bis zur Streckgrenze ihres Werkstoffes gegangen. Die Unterteilung der Leitung, die einen Durchmesser von 2 m und mehr haben kann, in zwei Lagen geschah in erster Linie aus schweißtechnischen Gründen, da das Herstellen einer Leitung für eine gleich große Belastung aus einer einzigen dickwandigen Lage teuer und mit Schwierigkeiten verbunden ist. Außerdem ist bei einem solchen Aufbau der Leitung die Verteilung der Spannungen regelmäßiger als bei einer dickwandigen einlagigen Rohrleitung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine aus mindestens zwei Lagen bestehende Druckrohrleitung der eingangs genannten Art zu schaffen, die eine große Verformungsfähigkeit und damit ein gutes Verhalten bei einem etwaigen Bruch aufweist. Die erfindungsgemäße Lösung der Aufgabe besteht darin, daß der Werkstoff der äußeren Lage geringere Streckgrenze und höhere Dehnung hat als der Werkstoff der inneren Lage und die Rohrleitung so dimensioniert ist, daß die Betriebsbeanspruchung in der äußeren Lage mindestens an der Streckgrenze des Werkstoffes dieser Lage und die Betriebsbeanspruchung in der inneren Lage unter der Streckgrenze dieser Lage liegt.

Diese neue Oruckrohrleitung hat.wesentliche Vorteile gegenüber der'bekannten Leitung mit zwei Lagen. Insbesondere wird durch die Wahl von Werkstoffen mit verschiedenen Festigkeitseigenschaften für die einzelnen Lagen der Rohrleitung eine besonders große Verformungsfähigkeit erhalten, die sich für Betrieb und Bruchverhalten günstig auswirkt. Bei der neuen Rohrleitung übernimmt im Betrieb die äußere Lage an der Streckgrenze ihres Werkstoffes einen konstanten Anteil, der Belastung, während die innere Lage den Rest der Betriebsbelastung trägt und die Deformation der äußeren Lage lenkt. Wegen der Verwendung eines;; weicheren Werkstoffes: in_; der' äußeren Lage ergibt sich eine größere Trennbruchsicherheit der neuen Rohrleitung als bei der bekannten Leitung. Ferner ergeben sich bedeutende Einsparungen an Materialkosten für die neue Mehrlagenkonstruktion, da hier billigeres Material für die äußere Lage verwendet wird.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt -und nachstehend näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 in schemä'fiseher Darstellung eine Wasserkraftanlage,

F i g. 2 einen Abschnitt einer Druckrohrleitung,

F i g. 3 einen Teilschnit durch zwei Lagen der Rohrwandung vor der Belastung,

F i g. 4 und 5 Spannungs-Dehnungs-Diagramme einer Druckrohrleitung gemäß der Erfindung.

Gemäß F i g. 1 ist in einem Maschinenhaus 1 eine Wasserturbine 2 aufgestellt, die einen elektrischen Generator 3 antreibt. Die Turbine 2 erhält das Wasser über eine Druckrohrleitung 4 von einem gegenüber dem Maschinenhaus höher liegenden Stausee 5 zugeführt. Nach Durchtritt des Wassers durch die Turbine 2 gelangt es in einen Ablauf 6. Die Rohrleitung 4, die hier teilweise offen verlegt ist und teilweise in einem Druckschacht verlauf^ ist in bekannter Weise gemäß Fig. 2 aus vielen Schüssen 7 aufgebaut. Die Rohrleitung besteht aus zwei Lagen A und B, von denen erfindungsgemäß der Werkstoff der äußeren Lage .B geringere Streckgrenze und größere Dehnung aufweist im Vergleich zu den entsprechenden Größen des Werkstoffes in der inneren Lage A; der Elastizitätsmodul des Werkstoffes beider Lagen

ίο ist gleich. Beispielsweise besteht die äußere Lage Z?

aus Stahl St 35 und die innere Lage aus Stahl St 60.

• Die, Herstellung der Leitung geschieht wie üblich derart, daß zuerst der innere Rohrteil aus mehreren Schüssen zusammengeschweißt wird. Danach werden die Schüsse der äußeren Rohrteile mit offener Längsnaht auf den inneren Rohrteil geschoben, so daß sie aneinanderstoßen und daß an einem Ende der äußere Rohrteil gegenüber dem inneren Rohrteil etwas vorsteht, während am anderen Ende der innere Rohrteil gegenüber dem äußeren vorsteht. Hierdurch wird beim Montieren des so gebildeten Rohrleitungsstükkes das Zusammenbringen mit dem nächsten Rohrleitungsstück' erleichtert, weil der vorstehende äußere Rohrteil als Zentrierung dient. Nach dem Aufschieben der Schüsse des äußeren Rohrteiles werden deren Längsnähte verschweißt. Die , aneinanderstoßenden Ränder benachbarter Schüsse des äußeren Rohrteiles bleiben bei offen verlegten Rohrleitungen unverschweißt. Wenn die Rohrleitung dagegen durch äußeren Überdruck beansprucht wird, wie z.B. bei Druckschachtrohren, werden nur als Dichtung wirkende Rundnähte hergestellt.

Durch das Offenlassen oder durch die Dichtnaht ergeben sich auch noch Einsparungen an Schweißnahtquerschnitt gegenüber einer vollwandigen Rohrleitung gleicher Beanspruchungsfähigkeit. Das Verhältnis der Wanddicken von 'Lage. A und B ist vorzugsweise 1:1, kann aber auch unterschiedlich gewählt werden, wenn dies unter Berücksichtigung der Belastung der Anlage zweckdienlich erscheint.

Die Lagen A und B können vor der Inbetriebnahme der Leitung lose'äufeinanderliegen, so daß in den Lagen im wesentlichen keine Vorspannung herrscht. Im Betrieb der Leitung unterliegt die Druck-

•45 leitung Beanspruchungen, wie sie aus F i g. 4 ersichtlich sind. Vor der Inbetriebsetzung herrscht in beiden Lagen die Spannung Null, was dem Punkt AO, BO entspricht. Unter der Belastung stellt sich in der inneren Lage A eine Spannung A1 und in der äußeren Lage B eine Spannung ßi ein. Während die Spannung Al unterhalb der Streckengrenze des Werkstoffes der Lage A liegt, ist die Spannung Bl oberhalb der Streckgrenze des Werkstoffes der Lage B. Dies bedeutet also, daß die Lage Z? bereits

-55 bleibend verformt wird. Die Größe der Verformung unter der Betriebsbelastung entspricht der Strecke AO, B0I6UAB. Bei einer etwaigen Außerbetriebsetzung der Druckrohrleitung geht in beiden Lagen die Spannung auf Null zurück, wobei die Lage A wieder ihren ursprünglichen Durchmesser annimmt, da ihre Spannung unter der Betriebsbelastung noch im elastischen Bereich des Werkstoffes lag. Die Lage B hat dagegen infolge der bleibenden Verformung einen größeren Durchmesser als vor der Belastung. Die Durchmesseränderung entspricht der Strecke AO, B OlΔ UB. Dies bedeutet also, daß zwischen den Lagen A und B ein kleiner Zwischenraum vorhanden ist.

Die erfindungsgemäße Ausbildung und Bemessung der Druckrohrleitung ist auch unter Ausnutzung einer Vorspannung der beiden Rohrlagen, herrührend von der Schrumpfspannung der äußeren Lage bei deren Schweißung, anwendbar. In diesem Fall werden die Längsnähte der auf die innere Rohrlage aufgeschobenen Schüsse der äußeren Rohrlage so geschweißt, daß sie unter der Wirkung der Schrumpfspannung die innere Lage A unter Druck setzen, so daß in beiden Lagen eine Vorspannung — AO, +BO herrscht, wie dies in F i g. 5 angedeutet ist. Im Betrieb dieser Rohrleitung herrscht in der Lage B wiederum eine Spannung B1, die oberhalb der Streckgrenze des Werkstoffes dieser Lage liegt, und in der Lage A eine Spannung A1, die kleiner ist als die Streckgrenze des Werkstoffes dieser Lage. Bei einer Entlastung der Rohrleitung haben beide Lagen einen etwas grßöeren Durchmesser, dessen Änderung der Strecke 0IA UAB in F i g. 5 entspricht.

Abweichend von dem dargestellten Beispiel in Fig. 1 kann die Druckrohrleitung auch über ihre ganze Länge offen oder über ihre ganze Länge in einem Druckschacht verlegt sein. Bei Anwendung der mehrlagigen Rohrleitung in Druckschachtanlagen ^ergibt sich noch der besondere Vorteil, daß keine Kontaktinjektionen, z. B. aus Zementmörtel, mehr nötig sind, die bei den bisher verwendeten Druckschachtrohrleitungen zwischen Rohr und Betonierung eingebracht werden mußten. Damit entfallen auch die mit solchen Injektionen verbundenen Schwierigkeiten, wie das Bohren und das Verschließen von Löchern in der Rohrwandung.

Nach einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist die Rohrleitung aus drei Lagen verschiedenen Werkstoffes mit im wesentlichen gleichem Elastizitätsmodul aufgebaut. Die Werkstoffe dieser Lagen sind so aufeinander abgestimmt, daß der Werkstoff der äußersten Lage die geringste Streckgrenze und die höchste Dehnung aufweist, der Werkstoff der innersten Lage die größte Streckgrenze und ausreichende Dehnung und der Werkstoff der mittleren Lage eine Streckgrenze, die zwischen den Streckgrenzen der beiden benachbarten Werkstoffe liegt; seine Dehnung liegt vorzugsweise ebenfalls zwischen den Dehnungen der benachbarten Werkstoffe. Die Lagen sind dann so bemessen, daß im Betrieb die Beanspruchung der innersten Lage unterhalb der Streckgrenze liegt, die der mittleren Lage im Bereich der Streckgrenze und die der äußersten Lage oberhalb der Streckgrenze.

Claims (1)

1. Patentanspruch:
   20

   Für Wasserkraftanlagen bestimmte Druckrohrleitung, deren Wand aus mindestens zwei dünnwandigen Lagen besteht, deren Werkstoff gleichen Elastizitätsmodul hat, dadurch g e kennzeichnet, daß der Werkstoff der äußeren Lage geringere Streckgrenze und höhere Dehnung hat als der Werkstoff der inneren Lage und die Rohrleitung so dimensioniert ist, daß die Betriebsbeanspruchung in der äußeren Lage mindestens an der Streckgrenze des Werkstoffes dieser Lage und die Betriebsbeanspruchung in der inneren Lage unter der Streckgrenze des Werkstoffes dieser Lage liegt.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen