DE1583992B1

DE1583992B1 - PROCESS FOR INCREASING THE STRENGTH PROPERTIES OF THICK-WALLED METALLIC HIGH PRESSURE PIPES

Info

Publication number: DE1583992B1
Application number: DE19681583992
Authority: DE
Inventors: Wilhelm Jamm
Original assignee: Mannesmann AG
Current assignee: Vodafone GmbH
Priority date: 1968-01-03
Filing date: 1968-01-03
Publication date: 1971-06-09

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steigerung der Festigkeitseigenschaften durch Innendruck beanspruchter dickwandiger metallener Höchstdruckrohre.The invention relates to a method for increasing the strength properties Thick-walled metal high-pressure pipes stressed by internal pressure.

Die in der Hoch- und Höchstdrucktechnik eingesetzten Rohre werden mit Drücken beaufschlagt, die oft einige 1000 atü betragen. Trotz Verwendung hochlegierter Stähle bei der Rohrfertigung müssen die Rohre zur Aufnahme der auftretenden Werkstoffbeanspruchungen aus Rohren mit einem Durchmesserverhältnis größer als etwa 1,7 hergestellt werden. Selbst bei kleinen Rohrinnendurchmessern von wenigen Millimetern lichter Weite betragen die notwendigen Rohrwanddicken in der Regel mehr als die Hälfte des lichten Rohrdurchmessers. In der Wandung dieser Rohre entstehen bei Innendruckbeanspruchungen stark unterschiedliche Spannungszustände in Umfangs-, Achs- und Radialrichtung. Der Unterschied zwischen der Umfangsspannung von Rohrinnenwandung zur Rohraußenwandung entspricht dem Druckunterschied. In radialer und tangentialer Richtung herrscht ein starkes Spannungsgefälle durch die Rohrwand.The pipes used in high and ultra-high pressure technology are applied to pressures that are often a few 1000 atmospheres. Despite the use of high-alloyed Steels used in pipe production have to have the pipes to absorb the material stresses that occur be made from tubes with a diameter ratio greater than about 1.7. Even with small inner pipe diameters of a few millimeters, the clear width is the necessary pipe wall thicknesses are usually more than half the clear pipe diameter. In the walls of these pipes, very different internal pressure loads arise Stress states in circumferential, axial and radial directions. The difference between the circumferential stress of the pipe inner wall to the pipe outer wall corresponds to the pressure difference. There is a strong stress gradient in the radial and tangential directions the pipe wall.

Es ist bekannt, innendruckbeanspruchte dickwanciige Rohre in ihren Festigkeitseigenschaften dadurch zu erhöhen, daß man diese Rohre nach ihrer Fertigung einem Wasserinnendurck unterwirft und dabei den Innendruck so weit steigert, daß die Fließgrenze des Rohrwerkstoffes an der Rohrinnenwand überschritten wird. Das Rohr beginnt sich über einen Teil der Rohrwanddicke von innen nach außen plastisch 7 u verformen. Nach dem Absenken des Innendruckes versucht der äußere Teil der Rohrwanddicke, der nur elastisch verformt wurde, in seine Ausgangslage zurückzugehen. Dadurch wird der innere plastisch verformte Teil der Rohrwandung auf Druckvorspannung gebracht. Durch diesen auch »Autofrettage« genann-Vorgang wird ein Druckrohr erzeugt, welches über die Rohrwanddicke mit einem Spannungszustand behaftet ist, der sich von einer Druckvorspannung in Umfangsrichtung auf der Rohrinnenwand über eine spannungslose neutrale Faser in eine Zugvorspannung in der Umfangsrichtung in der Rohraußenwand ändert.It is known to have thick-walled tubes in their internal pressure To increase strength properties by having these tubes after they have been manufactured subjected to an internal water pressure and thereby increases the internal pressure so much that the flow limit of the pipe material on the inner wall of the pipe is exceeded. That The pipe begins to become plastic over part of the pipe wall thickness from the inside to the outside 7 u deform. After lowering the internal pressure, the outer part of the pipe wall thickness tries to which was only elastically deformed to return to its original position. This will the inner, plastically deformed part of the pipe wall is subjected to compressive prestress. This process, also known as "autofrettage", creates a pressure pipe, which is afflicted with a stress state over the pipe wall thickness, which differs from a Compressive prestressing in the circumferential direction on the inner wall of the pipe via a stress-free neutral fiber in a tensile prestress in the circumferential direction in the pipe outer wall changes.

Bekannt sind weiterhin bisher lediglich einstufige Verfahren zum Aufweiten von Hohlkörpern mittels eines explosionsartigen Druckstoßes (deutsche Patent 898 142) oder Verdampfen von Flüssigkeiten, Durchziehen von Dornen oder Kugeln od. dgl. (deutsches Patent 939 030, deutsches Gebrauchsmuster 1824 737, britische Patentschrift 671609).So far, only one-step methods are known for expanding hollow bodies by means of an explosive pressure surge (German patent 898 142) or evaporation of liquids, pulling thorns or balls or the like (German patent 939 030, German utility model 1 824 737, British patent 671609 ).

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steigerung der Festigkeitseigenschaften dickwandiger Höchstdruckrohre, dadurch gekennzeichnet, daß das Aufweiten in mindestens zwei Stufen erfolgt, wobei die erste Stufe mit langsam steigendem Innendruck die Rohrwandung etwa ein Zehntel bis zur Hälfte vom Rohrinneren her gerechnet plastisch aufweitet und die zweite Stufe durch Auslösen mindestens eines explosionsartigen Druckstoßes das zu behandelnde Rohr bis zur Anlage an das Kaliberrohr aufweitet.The invention relates to a method for increasing the strength properties thick-walled high-pressure pipes, characterized in that the expansion in at least takes place in two stages, the first stage with slowly increasing internal pressure the Pipe wall about a tenth to half of the pipe interior, calculated plastic expands and the second stage by triggering at least one explosive Pressure surge expands the pipe to be treated until it rests on the caliber pipe.

Nach einer besonderen Ausführungsform der Erfindung wird das zu behandelnde Höchstdruckrohr vor der plastischen Verformung an einem Rohrende aufgeweitet, eine Kugel vom Innendurchmesser des Druckrohres nach der plastischen Verformung eingelegt und die Kugel durch Explosionen, die zwischen ihr und dem verschlossenen Rohrende in rascher Aufeinanderfolge ausgelöst werden, durch das Höchstdruckrohr getrieben.According to a particular embodiment of the invention, the to be treated Ultra-high pressure pipe expanded at one end of the pipe before plastic deformation, a Ball inserted from the inside diameter of the pressure pipe after the plastic deformation and the bullet through explosions between it and the sealed end of the pipe triggered in rapid succession, driven through the high pressure pipe.

Dieses Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung in F i g. 1 dargestellt.This embodiment of the invention is shown in the drawing in F i g. 1 shown.

F i g. 2 zeigt in einem Sigma/Epsilon-Diagramm die Materialbeanspruchung bei der normalen Autofrettage.F i g. 2 shows the material stress in a sigma / epsilon diagram with normal autofrettage.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile gehen aus dem in F i g. 3 dargestellten Sigma/Epsilon-Diagramm hervor.The advantages that can be achieved with the invention are based on the in FIG. 3 shown sigma / epsilon diagram.

Betrachtet man zunächst die F i g. 1, so zeigt diese das an einem Ende aufgeweitete und verschlossene Höchstdruckrohr 7, das Kaliberrohr 8 und die Kugel 9. Der eine Teil des Rohres ist bereits durch eine Vielzahl von Explosionen auf den Enddurchmesser 10 aufgeweitet, während der andere Teil 10' des Höchstdruckrohres noch bearbeitet werden muß. Die beiden verschlossenen Enden des Höchstdruckrohres sind über eine Druckausgleichsleitung 13 miteinander verbunden. Ein Höchstdrucksicherheitsventil 11 gewährleistet den Druckausgleich erst nach überschreiten des erforderlichen Höchstdruckes der Druckstufe 2, während eine Höchstdruckrückschlagklappe 12 ein Ausweiten des Druckes der Stufe 2 in die Druckausgleichsleitung verhindert.If one looks first at FIG. 1, it shows the high-pressure tube 7, which is expanded and closed at one end, the caliber tube 8 and the ball 9. One part of the tube has already been expanded to the final diameter 10 by a large number of explosions, while the other part 10 'of the high-pressure tube is still must be processed. The two closed ends of the high pressure pipe are connected to one another via a pressure equalization line 13. A maximum pressure safety valve 11 ensures pressure equalization only after the required maximum pressure of pressure level 2 has been exceeded, while a maximum pressure check valve 12 prevents the pressure of level 2 from expanding into the pressure equalization line.

Aus den F i g. 2 und 3 lassen sich die Erkenntnisse entnehmen, auf denen die Erfindung beruht. Bei der Druckbeaufschlagung des zu behandelnden Rohres wird zunächst der elastische Bereich 0-1 des Werkstoffes beansprucht (F i g. 2). Nach Erreichen der Fließgrenze 1 erfolgt ein plastisches Fließen durch die Rohrwand von innen nach außen ohne eine Werkstoffverfestigung. Erst bei Erreichen des Punktes 2 wird unter weiterer Druckerhöhung während der plastischen Verformung der Rohrwandung von innen her gleichzeitig eine weitere Werkstoffverfestigung 3 erzielt. Bei Absenken des Innendruckes 3-4 verbleibt eine Materialzerrung 4 im plastisch verformten Teil der Rohrwandung. Die hierdurch erzeugte tatsächliche Druckvorspannung an der Rohrinnenwand wird durch 0-5 wiedergegeben.From the F i g. 2 and 3 show the findings on which the invention is based. When the pipe to be treated is pressurized, the elastic area 0-1 of the material is initially stressed (FIG. 2). After reaching the yield point 1 , plastic flow occurs through the pipe wall from the inside to the outside without solidification of the material. Only when point 2 is reached is further material strengthening 3 simultaneously achieved with a further increase in pressure during the plastic deformation of the pipe wall from the inside. When the internal pressure 3-4 drops, a material strain 4 remains in the plastically deformed part of the pipe wall. The actual pressure pre-tensioning on the inner wall of the pipe that is generated as a result is represented by 0-5 .

In der Druckstufe 1 wird das Höchstdruckrohr zunächst im elastischen Bereich 14-15 (F i g. 3) bis zum Erreichen der Fließgrenze 15 im Bereich des plastischen Fließens ohne Verfestigung 15-16 und im Bereich des plastischen Fließens mit Werkstoffverfestigung 16-17 beansprucht. Bei Erreichen des Maximalpunktes 17 der Druckstufe 1 wird die Explosion ausgelöst und die Explosionsverformung 17-18 des Höchstdruckrohres wird eingeleitet. Nach Erreichen des Maximalpunktes 18 der zweiten Druckstufe erfolgt eine Druckentlastung 18-19. Die Materialanstrengung des unplastisch verformten Teiles der Rohrwandung läßt nach, und bei endgültiger Druckentlastung baut sich an der Rohrinnenwand eine wesentlich höhere Druckvorspannung 14-20 auf als bei einem Höchstdruckrohr, welches einer normalen bisher bekannten Autofrettage unterworfen wurde.In pressure stage 1, the high-pressure pipe is initially stressed in the elastic range 14-15 (FIG. 3) until it reaches the yield point 15 in the area of plastic flow without solidification 15-16 and in the area of plastic flow with material solidification 16-17. When the maximum point 17 of pressure level 1 is reached, the explosion is triggered and the explosion deformation 17-18 of the high-pressure pipe is initiated. After reaching the maximum point 18 of the second pressure stage, pressure relief 18-19 takes place. The material effort of the non-plastically deformed part of the pipe wall subsides, and when the pressure is finally relieved, a significantly higher pressure bias 14-20 builds up on the pipe inner wall than with a high-pressure pipe, which has been subjected to a normal previously known autofrettage.

Der Vorteil der doppelstufigen Druckbelastung mit Explosionscharakter in der zweiten Stufe eines Höchstdruckrohres ist darin zu sehen, daß das Rohr eine wesentlich größere Druckvorspannung an der Rohrinnenwand erhält, als bei einstufiger Autofrettage. Dadurch werden die Festigkeitseigenschaften des Rohrwerkstoffes besser ausgenutzt. Der Materialaufwand für die Fertigung von Höchstdruckrohren dieser Art wird geringer und das Verhältnis von Rohrwanddicke zu Rohrinnendurchmesser wird kleiner. Es besteht aber auch die Möglichkeit, Höchstdruckrohre, die einer doppelstufigen Autofrettage im Sinne der Erfindung unterworfen wurden, mit noch höheren Drücken zu beaufschlagen.The advantage of the two-stage pressure load with explosive character In the second stage of a high pressure pipe it can be seen that the pipe is a Much greater pressure is applied to the inner wall of the pipe than with single-stage Autofrettage. This improves the strength properties of the pipe material exploited. The cost of materials for the production of high-pressure pipes of this type becomes smaller and the ratio of pipe wall thickness to pipe inside diameter becomes smaller. But there is also the possibility of using high pressure pipes, which have been subjected to a two-stage autofrettage within the meaning of the invention, to apply even higher pressures.

Claims

Claims: 1. Method for increasing the strength properties thick-walled metal high-pressure pipes by expanding one that is closed on both sides Tube by increasing internal pressure up to the contact with a caliber tube, d a d u r c h Ly e k e n n n e i n e t that the widening takes place in at least two stages, the first stage with slowly increasing internal pressure the pipe wall approximately Tenth to half, calculated from the inside of the pipe, expands plastically and the second stage by triggering at least one explosive pressure surge treating tube expands up to the facility on the caliber tube.

2. Procedure according to Claim 1, characterized in that the high pressure pipe to be treated before plastic deformation is widened at one end of the pipe, a ball from the inside diameter of the pressure pipe inserted after the plastic deformation of the first deformation stage and the ball is caused by explosions between it and the sealed end of the pipe triggered in rapid succession, driven through the high pressure pipe will.