DE1525475C - Rohrverbindungsstück - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft ein Rohrverbindungsstück messer des einen mit einer Abstufung und der Innenfür vakuumdichte Verbindungen zwischen Rohren durchmesser des anderen mit einer Erweiterung veraus schlecht schweißbaren Werkstoffen, wobei die sehen.

Rohre den gleichen Außendurchmesser aufweisen, Derartige miteinander verzahnte und durch durch die Kombination einer Schraubverbindung mit 5 Schweiß- oder Lötverbindungen abgedichtete Rohreiner Schweißung an der äußeren Übergangsstelle Verbindungsstücke sind zwar für bestimmte Anwender beiden Rohrstücke miteinander verbunden sind dungsgebiete, beispielsweise bei Kernreaktoren, und der Außendurchmesser des einen Rohrendes durchaus brauchbar, sie haben jedoch den Nachteil mit einer Abstufung und der Innendurchmesser des einer geringen mechanischen Beanspruchbarkeit, die anderen Rohrendes mit einer Erweiterung versehen io es z. B. erforderlich macht, die Rohrverbindung fest ist, die zum Ineinanderschrauben mit einem Gewinde in stabile Führungsrohre einzubauen. Es hat sich ausgerüstet sind. häufig gezeigt, daß solche Rohrverbindungen ohne Es ist bekannt, daß die Herstellung einer dichten, zusätzliche Stabilisierung schon bei verhältnismäßig insbesondere vakuumdichten Verbindung zwischen geringen Belastungen des Rohres ohne äußerlich Rohren aus Aluminium und solchen aus austeniti- 15 sichtbare Beschädigungen undicht werden. Darüber schem Stahl, beispielsweise aus 18/8 CrNi-Stahl, auf hinaus sind solche Rohrverbindungsstücke auf Grund vielen Anwendungsgebieten erhebliche Schwierig- ihrer komplizierten Bauweise in der Herstellung teuer keiten bereitet. In einem gewissen Temperaturbereich und demzufolge ihre Verwendung unwirtschaftlich,
ist es zwar möglich, eine solche Verbindung als Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Flansch- oder Schraubverbindung mit Gummi- oder 20 Rohrverbindungsstück für Verbindungen zwischen Kunststoffdichtung auszuführen, doch versagt diese Rohren aus schlecht schweißbaren Werkstoffen zu Verbindungsart vollständig bei extremen Temperatur- entwickeln, das auch unter starken mechanischen Verhältnissen. Direkte Schweißverbindungen sind bei Belastungen vakuumdicht und gleichzeitig im Aufbau diesen Werkstoffen bekanntlich überhaupt nicht mög- einfach und damit in der Herstellung billig ist.
lieh. 25 Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß zur An-Auf bestimmten technischen Gebieten jedoch sind wendung bei tiefen und zwischen tiefen und hohen derartige Verbindungen aus vielerlei Gründen er- Temperaturen wechselnden Temperaturen das eine wünscht und in manchen Fällen sogar unbedingt er- Rohr aus Aluminium und das andere Rohr aus forderlich. Ein Beispiel hierfür ist die Tieftemperatur- austenitischem Material besteht, das im Bereich der technik, bei der die beiden Werkstoffe Aluminium 30 Schraubverbindung äußere Rohrstück an seinem über und austenitischer Stahl wegen ihrer vorteilhaften den Gewindeschaft des inneren Rohrstücks greifen-Eigenschaften bei tiefen Temperaturen eine ent- den Ende und das innere Rohrstück am hinteren scheidende Rolle spielen. Ein Flüssiggastank für tief- Ende des Gewindeschafts seines Außengewindes jesiedende Gase beispielsweise, der aus einem Innen- weils außen stufenförmige Abdrehungen aufweisen, behälter und einem Außenbehälter besteht, besitzt 35 die zusammen eine im Querschnitt rechteckförmige, zwischen diesen beiden Behältern einen evakuierten zur Aufnahme einer Auftragsschweißung dienende Zwischenraum, der eine Isolierschicht enthält. Die Eindrehung bilden, und der Gewindeschaft des inne-Rohrleitungen, die vom Innenbehälter durch den ren Rohrstückes länger ist als der Gewindeschaft des evakuierten Zwischenraum nach außen führen und äußeren Rohrstückes, wobei die Auftragsschweißung eine möglichst kleine Wärmeleitfähigkeit besitzen 40 in dem hierdurch gegebenen Ringspalt verankert ist. sollen, werden üblicherweise aus austenitischem Stahl Durch die erfindungsgemäße Kombination einer hergestellt. Solange der Innenbehälter ebenfalls aus Schraubverbindung mit einer Auftragsschweißung austenitischem Stahl besteht, können die Rohrleitun- wird eine vakuumdichte, mechanisch hoch beangen einfach durch Schweißverbindungen mit den spruchbare Rohrverbindung zwischen Aluminium-Rohrstutzen des Innenbehälters verbunden werden. 45 rohren und solchen aus austenitischem Stahl in ein-Aus wirtschaftlichen Gründen ist es jedoch oft er- fächer Weise möglich. Hierbei ist es von besonderer wünscht, den Innenbehälter aus Aluminium herzu- Bedeutung, daß gerade die vollständige Abkehr von stellen. In diesem Falle ergibt sich die Schwierigkeit der technischen Entwicklungstendenz zu kompliziereiner bei den in dem unter Vakuum stehenden ten Rohrverbindungsstücken durch die Rückkehr zu Zwischenraum herrschenden Temperaturen dichten 50 einfachen Schraubverbindungen zu dem erfindungs-Verbindung zwischen Aluminiumrohren, beispiels- gemäßen Rohrverbindungsstück führt. Eine besonweise den Rohrstutzen des Innenbehälters und den dere Rolle spielt dabei der Gedanke, daß bekanntwegen ihrer geringen Wärmeleitfähigkeit unerläß- lieh schon die mechanisch hoch beanspruchbare liehen Rohren aus austenitischem Stahl. Schraubverbindung allein eine weitgehende Abdich-Es sind Rohrverbindungsstücke bekanntgeworden, 55 tung bewirkt und lediglich die Spaltverluste der Gedie aus Rohrstücken aus schlecht schweißbaren windegänge, die eine Anwendung einer Schraubver-Werkstoffen zusammengesetzt sind und demzufolge bindung für vakuumdichte Verbindungen bisher als an ihrem einen Ende mit einem Rohr aus dem einen nicht möglich erscheinen ließen, durch eine Auftrags-Werkstoff und an ihrem anderen Ende mit einem schweißung abgefangen werden. Diese Auftrags-Rohr aus dem anderen Werkstoff verschweißt werden 60 schweißung, welche erfindungsgemäß die Übergangskönnen, stelle der beiden Rohrstücke an der äußeren Ober-Ferner sind Rohrverbindungen aus schlecht fläche des Rohrverbindungsstückes überdeckt, ist in schweißbaren Werkstoffen bekannt, die im wesent- einer bestimmten Weise im Rohrverbindungsstück liehen aus einer Schraubverbindung bestehen, wobei verankert, wobei diese Verankerung durch eine ganz die die Verbindung begrenzenden Linien mit einer 65 bestimmte Formgebung der beiden Rohrstücke im Auftragsschweißung abgedichtet sind. Von den bei- Bereich der Übergangsstelle ermöglicht ist. Beide den Rohrenden dieser Verbindung, die den gleichen Rohrstücke besitzen an dieser Stelle zunächst stufen-Außendurchmesser aufweisen, ist der Außendurch- förmige Abdrehungen, die beim fertigen Rohrver-

bindungsstück zusammen eine rechteckförmige Eindrehung bilden.

In vorteilhafter Weiterbildung der erfindungsgemäßen Rohrverbindung ist der Gewindeschaft des inneren Rohrstückes etwas langer ausgeführt als derjenige des äußeren Rohrstückes, so daß sich innerhalb der beschriebenen rechteckförmigen Eindrehung ein Ringspalt ergibt. Je nach der Größe der Längendifferenz der beiden Gewindeschäfte, die maximal gleich dem Durchmesser der Hinterschneidung am Außengewinde des inneren Rohrstückes ist, entsteht ein sich an den Ringspalt anschließender zusätzlicher Hohlraum, der gegebenenfalls ein kurzes, offenes Stück Gewindegang des sich auf dem äußeren Rohrstück befindlichen Innengewindes enthält. Diese Hohlräume sind beim fertigen Rohrverbindungsstück durch die Auftragsschweißung, die beispielsweise aus Aluminium besteht, ausgefüllt. Die Auftragsschweißung ist auf diese Weise fest in dem Rohrverbindungsstück verankert.

Eine weitere Verbesserung der mechanischen Beanspruchbarkeit des erfindungsgemäßen Rohrverbindungsstückes ergibt sich schließlich noch dadurch, daß im Ubergangsbereich, in dem das eine Rohrstück über das andere greift, eine oder mehrere Bohrungen vorgesehen sind, durch die Metallstifte hindurchgesteckt sind. Die Enden dieser Metallstifte, die in der äußeren bzw. inneren Oberfläche des Rohrverbindungsstückes liegen, sind auf der äußeren Oberfläche mit dem äußeren Rohrstück verschweißt und damit die Bohrungen abgedichtet.

Die Erfindung umfaßt sowohl Rohrverbindungsstücke, bei denen das äußere Rohrstück aus austenitischem Stahl und das innere Rohrstück aus Aluminium besteht, als auch solche, bei denen das umgekehrt der Fall ist. Die letzteren, d. h. Rohrverbindungsstücke, bei denen das Aluminiumrohrstück außen liegt, haben den bekannten Vorteil, daß der größere Wärmeausdehnungskoeffizient des Aluminiums beim Abkühlen ein stärkeres Schrumpfen des Aluminiumrohrstückes und damit einen zusätzlichen Dichtungseffekt bewirkt. Ein solches Rohrverbindungsstück, das auch auf der äußeren Oberfläche des Alumimumrohrstückes verschweißte Aluminiumstifte der oben beschriebenen Art aufweisen kann, besitzt jedoch eine nicht für alle Anwendungsgebiete ausreichende mechanische Beanspruchbarkeit.

Überraschenderweise werden jedoch solche Rohrverbindungsstücke, bei denen das Stahlrohrstück außen liegt, den Anforderungen an Dichtheit und an mechanischer Beanspruchbarkeit in gleich hohem Maße gerecht. Trotz der an sich ungünstigen Schrumpfunterschiede der beiden Rohrstücke bei Abkühlung sind diese Rohrverbindungsstücke auf Grund der erfindungsgemäßen Art ihrer Verbindung vakuumdicht. Sie besitzen eine extrem hohe mechanische Beanspruchbarkeit, vor allem aber dann, wenn die beiden Rohrstücke noch durch Stahlstifte der beschriebenen Art gegen Verdrehungen gesichert sind.

Weitere Einzelheiten der Erfindung werden an Hand eines in den Abbildungen schematisch dargestellten Ausführungsbeispieles beschrieben. In diesem Beispiel besteht das äußere Rohrstück aus austenitischem Stahl und das innere Rohrstück aus Aluminium.

Es zeigt, jeweils im Querschnitt durch die Längsachse,

F i g. 1 ein Aluminiumrohrstück, als Teil eines erfindungsgemäßen Rohrverbindungsstückes,

Fig. 2 ein Stahlrohrstück, als Teil eines erfindungsgemäßen Rohrverbindungsstücke,

F i g. 3 ein aus den Rohrstücken nach den F i g. 1 und 2 Zusammengesetzes erfindungsgemäßes Rohrverbindungsstück,

F i g. 4 die äußere Übergangsstelle zwischen den beiden Rohrstücken eines erfindungsgemäßen Rohrverbindungsstückes, vor Aufbringung der Auftragsschweißung, stark vergrößert und gegenüber dem Ausführungsbeispiel nach den F i g. 1 bis 3 etwas abgewandelt.

Das in F i g. 1 dargestellte Aluminiumrohrstück 1 besitzt eine stufenförmige Abdrehung 2, an die sich das mit einer Hinterschneidung 3 versehene Außengewinde 4 anschließt. Das Außengewinde 4 befindet sich auf einem eingezogenen Teil des Aluminiumrohrstückes 1.

Das in Fig. 2 dargestellte Stahlrohrstück 5 aus austenitischem Stahl besitzt eine stufenförmige Abdrehung 6, welche die gleichen Dimensionen aufweist wie die Abdrehung 2 des Aluminiumrohrstückes 1. Auf seiner inneren Oberfläche besitzt das Stahlrohrstück 5 ein mit einer Hinterschneidung 7 versehenes Innengewinde 8. Das Innengewinde 8 des Stahlrohrstückes 5 paßt zu dem Außengewinde 4 des Aluminiumrohrstückes 1. Der Gewindeschaft des Außengewindes 4 ist etwas länger als derjenige des Innengewindes 8. Die Längendifferenz der beiden Gewindeschäfte ist im dargestellten Beispiel gleich dem Durchmesser der Hinterschneidung 3.

In F i g. 3 ist das erfindungsgemäße Rohrverbindungsstück in fertigem Zustand dargestellt. Das Aluminiumrohrstück 1 ist hierbei in das Stahlrohrstück 5 eingeschraubt, wobei sich die beiden stufenförmigen Abdrehungen 2, 6 der F i g. 1 und 2 zu einer rechteckförmigen Eindrehung 2, 6 ergänzen. Da der Gewindeschaft des Alumimumrohrstückes 1 etwas langer ist als derjenige des Stahlrohrstückes 5, ergibt sich an der Übergangsstelle vom Aluminiumrohrstück 1 zum Stahlrohrstück 5, d. h. im Bereich der rechteckförmigen Eindrehung 2, 6, ein Ringspalt 9. Hierdurch besitzt das erfindungsgemäße Rohrverbindungsstück einen nach außen offenen Hohlraum, der sich aus der Eindrehung 2, 6, dem Ringspalt 9 und der Hinterschneidung 3 zusammensetzt.

Dieser Hohlraum ist, wie in Fig. 3 dargestellt, erfindungsgemäß durch eine Auftragsschweißung 10 aus Aluminium als Werkstoff ausgefüllt. Auf diese Weise werden eine Verankerung der Auftragsschweißung 10 und eine stabile Verzahnung der beiden Rohrstücke 1, 5 erreicht.

Das erfindungsgemäße Rohrverbindungsstück des Ausführungsbeispieles besitzt weiterhin (F i g. 3) zwei Stifte 11 aus austenitischem Stahl, die durch Bohrungen im Übergangsbereich zwischen dem Aluminiumrohrstück 1 und dem Stahlrohrstück 5 hindurchgesteckt sind. Sie enden auf der inneren und äußeren Oberfläche des Rohrverbindungsstückes. Die Stifte 11, die mit ihren Stirnflächen in der äußeren Oberfläche des Rohrverbindungsstückes liegen, sind durch Schweißnähte 12 auf der Oberfläche des Rohrverbindungsstückes mit dem Stahlrohrstück 5 dicht verbunden. Das Rohrverbindungsstück wird durch die Stifte 11 gegen drehende Beanspruchungen gesichert.

Die Fig. 4 zeigt in vergrößerter Darstellung die äußere Übergangsstelle zwischen den beiden Rohr-

stücken bei einer Variante des erfindungsgemäßen Rohrverbindungsstückes, und zwar vor Aufbringung der Auftragsschweißung. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Längendifferenz der Gewindeschäfte der beiden Rohrstücke 1 α, 5« lediglich ein Drittel 5 des Durchmessers der Hinterschneidung 3 a. Hierdurch ragt der Gewindeschaft des Stahlrohrstückes 5 a noch in die Hinterschneidung 3 a hinein. Der von der folgenden Auftragsschweißung auszufüllende Hohlraum setzt sich in diesem Fall aus der rechteckförmigen Eindrehung 2 a, 6 a, dem Ringspalt 9 α, der Hinterschneidung 3 α und einem Teil des Gewindeganges des Innengewindes 8 a zusammen. Die Verzahnung der beiden Rohrstücke la, 5a und damit die mechanische Beanspruchung des erfindungsgemäßen Rohrverbindungsstückes wird hierdurch gegenüber dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 noch verbessert.

Bei einer erprobten Ausführungsform des Rohrverbindungsstückes gemäß der Fig. 3 besteht das Aluminiumrohrstück 1 aus dem Werkstoff AIMg 3/5154 F18 und das Stahlrohrstück 5 aus dem Werkstoff X 10 CrNiTi 189. Bei der Herstellung des Rohrverbindungsstückes, wird zunächst das Stahlrohrstück 5 im Bereich der folgenden Auftragsschweißung 10 mit einer Spezialbeize für austenitische Stähle gebeizt und mit Tinol verzinnt. Hierauf wird das Aluminiumrohrstück 1 in das Stahlrohrstück 5 eingeschraubt und das Rohrverbindungsstück im Übergangsbereich der beiden Rohrstücke 1, 5 mit Bohrungen versehen. In diese Bohrungen werden die Stifte 11 gesteckt und das Rohrverbindungsstück hierdurch gegen Verdrehen gesichert. Abschließend werden die Auftragsschweißung 10 mit einem Lichtbogenschweißverfahren mit nichtabschmelzender Elektrode unter Verwendung von Aluminium als Zusatzwerkstoff (Werkstoff S-AlSi 12) aufgebracht und die Schweißnähte 12 ausgeführt.

Das erfindungsgemäße Rohrverbindungsstück, an dessen Enden ein Stahlrohr bzw. ein Aluminiumrohr angeschweißt werden kann, bildet eine mechanisch zuverlässige und in einem großen Temperaturbereich vakuumdichte Rohrverbindung. Hierbei wird die Abdichtung im wesentlichen schon durch die Schraubverbindung bewirkt, während die Auftragsschweißung lediglich Spaltverluste aufzufangen hat.

Eine bewährte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Rohrverbindungsstückes mit einem äußeren Durchmesser von 35 mm wurde folgenden Prüfungen unterzogen:

1. Dichtheitsprüfung mit Helium

Bei einem Vakuum von 10~⁵ Torr im Innenraum ergab sich keine Undichtheit. Das Rohrverbindungsstück wurde dann zehnmal in flüssigen Stickstoff getaucht (—196° C) und zwischendurch jeweils auf +150° C erhitzt. Die erneute Heliumdichtheitsprüfung ergab ebenfalls keine Undichtheit. Hieraus ergibt sich, daß im Temperaturbereich von —196° C bis +150° C eine möglicherweise vorhandene Undichtheit unter der Nachweisgrenze von 5 ■ 10 ~¹⁰ Torr mal Liter/Sek. liegt.

2. Torsionsversuch

Das Rohrverbindungsstück wurde mit einem Drehmomentschlüssel auf Torsion im Sinne eines Lösens der Verschraubung beansprucht. Die Auftragsschweißung riß bei 210 kg · m auf.

3. Zugversuch

Das Rohrverbindungsstück wurde auf Zug beansprucht. Es riß bei einer Höchstlast von 8760 kg im Bereich der Auftragsschweißung.

Aus diesen Prüfungen ergibt sich, daß das erfindungsgemäße Rohrverbindungsstück den gestellten Anforderungen an Dichtheit, Temperaturschockbeständigkeit und mechanischer Festigkeit hervorragend entspricht. Als Bauelement stellt es auf vielen Gebieten der Tieftemperaturtechnik einen beachtlichen Fortschritt dar.

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Rohrverbindungsstück für vakuumdichte Verbindungen zwischen Rohren aus schlecht schweißbaren Werkstoffen, wobei die Rohre den gleichen Außendurchmesser aufweisen, durch die Kombination einer Schraubverbindung mit einer Schweißung an der äußeren Übergangsstelle der beiden Rohrstücke miteinander verbunden sind und der Außendurchmesser des einen Rohrendes mit einer Abstufung und der Innendurchmesser des anderen Rohrendes mit einer Erweiterung versehen ist, die zum Ineinanderschrauben mit einem Gewinde ausgerüstet sind, dadurch gekennzeichnet, daß zur Anwendung bei tiefen und zwischen tiefen und hohen Temperaturen wechselnden Temperaturen das eine Rohr aus Aluminium und das andere Rohr aus austenitischem Material besteht, das im Bereich der Schraubverbindung äußere Rohrstück (5) an seinem über den Gewindeschaft des inneren Rohrstücks (1) greifenden Ende und das innere Rohrstück (1) am hinteren Ende des Gewindeschafts seines Außengewindes (4) jeweils außen stufenförmige Abdrehungen (2, 6) aufweisen, die zusammen eine im Querschnitt rechteckförmige, zur Aufnahme einer Auftragsschweißung (10) dienende Eindrehung bilden, und der Gewindeschaft des inneren Rohrstückes (1) länger ist als der Gewindeschaft des äußeren Rohrstückes (5), wobei die Auftragsschweißung (10) in dem hierdurch gegebenen Ringspalt (9) verankert ist.

2. Rohrverbindungsstück nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Gewindeschaft des inneren Rohrstückes (1) um den Durchmesser der Hinterschneidung (3) seines Außengewindes länger ist als der Gewindeschaft des äußeren Rohrstückes (5) und die Auftragsschweißung in der Hinterschneidung (3) verankert ist.

3. Rohrverbindungsstück nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Gewindeschaft des inneren Rohrstückes (1 α) um ungefähr ein Drittel des Durchmessers der Hinterschneidung (3) seines Außengewindes (4 a) länger ist als der Gewindeschaft des äußeren Rohrstückes (5 a) und die Auftragsschweißung in der Hinterschneidung (3 a) sowie im sich im Bereich der Hinterschneidung (3 a) des Außengewindes (4 a) des inneren Rohrstückes (la) befindlichen Teil des Gewindeganges des Innengewindes (8 a) des äußeren Rohrstückes (5 α) verankert ist.

4. Rohrverbindungsstück nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß im Übergangsbereich, in dem das äußere Rohrstück (5) über das innere Rohrstück (1) greift, ein oder

mehrere Bohrungen vorgesehen sind, durch welche jeweils ein Metallstift (11) hindurchgesteckt ist, welcher an der äußeren und inneren Oberfläche des Rohrverbindungsstückes endet und jeweils mit der äußeren Oberfläche des Rohrverbindungsstückes durch eine kreisförmige Schweißnaht (12) verschweißt ist.

5. Rohrverbindungsstück nach einem der An spräche 1 bis 3 und nach Anspruch 4, dadurch

gekennzeichnet, daß das äußere Rohrstück (5) das aus austenitischem Stahl bestehende Stahlrohrstück ist und die Metallstifte (11) aus austenitischem Stahl bestehen.

6. Rohrverbindungsstück nach einem der Ansprüche 1 bis 3 und nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das äußere Rohrstück (5) das Aluminiumrohrstück ist und die Metallstifte (11) aus Aluminium bestehen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

109 538/33