DE2107369A1

DE2107369A1 - Explosionsschweißverbindtingen

Info

Publication number: DE2107369A1
Application number: DE19712107369
Authority: DE
Inventors: Roy Rothwell Leeds York shire Hardwick (Großbritannien) P
Original assignee: Yorkshire Imperial Metals Ltd
Current assignee: Yorkshire Imperial Metals Ltd
Priority date: 1970-03-09
Filing date: 1971-02-16
Publication date: 1972-02-03
Also published as: US3717925A; CA922547A; NL147963B; NL7102806A; GB1285511A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren für das Befestigen von Röhren in einer Röhrenplatte mithälfe einer Sprengkraft und insbesondere auf das Explosionseinschweißen einer Röhre in eine bimetallische Röhrenplatte, die mit einem dem Röhrenmaterial gleichen Material plattiert ist.

Befindet sich ein äußerst korrosives Medium mit den Röhren eines Wärmetauschers in Berührung, ist es manchmal nötig, ein Röhrenmaterial zu verwenden, das vollständig gegen Korrosion durch dieses Medium widerstandsfähig ist. In manchen Fällen, z.B. im Falle von Tantal, ist dieses Material äußerst teuer, so daß es unter der Voraussetzung, daß es die Druckanforderungen des Wärmetauschers erlauben, erwünscht ist, die Wanddicke der Röhre so dünn wie möglich zu machen und auf diese Weise deren Materialgehalt und deren Kosten zu senken. Vorteilhaft

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ist auch die Röhrenplatte aus demselben korrosionsfesten Material. Die Röhrenplatte muß jedoch Festigkeit und Starrheit haben und muß in Bezug auf die Abmessungen und die Zweckbestimmungen des Austauschers eine spezifische Hinimaldicke besitzen. Diese Minimaldicke kann so sein, daß es unvertretbar teuer wird, die Röhrenplatte vollständig aus diesem Material herzustellen. In solchen Fällen wird eine Röhrenplatte aus billigerem Material verwendet, um die notwendige Konstruktionsstabxlität und Festigkeit zu erreichen, wobei dieses Material mit einer dünnen Lage des korrosionsfesten Materials beschichtet oder überzogen wird.

Sofern das verwendete Material äußerst teuer ist, ist es erwünscht, die Dicke des Beschichtungsmaterials auf die minimale Menge zu beschränken, die noch guten Schutz gewährleistet. Dies läßt sich dadurch, erreichen, daß man die Röhrenplatte mit einer dünnen Schicht des korrosionsfesten Materials verblendet oder plattiert, das an den öffnungen zu einem nach außen abgebogenen Flansch gebogen ist, der eng um das vorstehende Ende des Rohrs paßt, wobei zur Bildung einer Abdichtung der Flansch mit dem Röhrenende durch Schmelzschweißen verbunden wird. Es ist äußerst schwierig, eine derartige Verschweißung gleichförmig zu halten, wozu große Erfahrung notwendig ist und wobei die minimale Dicke von Röhre und Verblendung gewöhnlich 5,08 /u beträgt. Dünnere Bestandteile brennen darüberhinaus beim Versuch der Verschweißung durch, so daß teure Reparaturen oder Ersatz notwendig werden, so daß dies uninteressant wird. Peinlich ge-

nau schweißen wird oft auch beim Verschweißen von höher feuer-

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festen oder reaktiven Metallen gefordert.

Erfindungsgemäß ist ein Verfahren für das Befestigen einer Röhre an einer Röhrenplatte, die mit Löchern versehen ist. in denen die Röhren zu befestigen sind, dadurch gekennzeichnet, daß man auf einer Stirnseite der Röhrenplatte eine aus korrosionsfestem Metall bestehende Verblendplatte vorsieht, die mit geflanschten Lochungen versehen ist, welche koaxial zu den Löchern der Röhrenplatte liegen, wobei sich die Plansche alle auf einer Seite der Platte befinden und sich über die |

Oberfläche wenigstens eines Teils der Wand jedes Lochs erstrekken und mit dieser übereinstimmen, daß man eine Röhre aus korrosionsfestem Material, das mit dem Material der Verblendung verschweißbar ist, in eine Öffnung einsetzt, wobei das Röhrenende bündig mit der Ebene der Verblendplatte ist oder über diese Ebene vorsteht, so daß der Plansch und die Röhre einander überlappen und die einander überlappenden Oberflächen von Röhre und Plansch im Abstand voneinander stehen und daß man in einem inerten, koaxial in der Rühre innerhalb des Lochs liegenden Energieübertragungsmedium eine Sprengladung zündet, um eine Ausdehnung hervorzurufen und metallurgischen : Verbund wenigstens zwischen der Röhre und dem Flansch zu bewirken.

Das Loch besitzt einen Abschnitt mit Nominalbohrung mit einem Durchmesserspiegel von beispielsweise 0,005 bis 0,02 Zoll und vorzugsweise ist ein Abschnitt dieser Öffnung abgeschrägt, wobei das Verfahren jedoch auch bei Öffnungen durchführbar ist, die mit einer Gegenbohrung versehen sind.

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Zur Erzielung einer zusätzlichen Verankerung der Röhre und zur Vermeidung von Arbeitsspannungen können in der öffnung eine oder mehrere ümfangsnuten eingearbeitet werden, wobei die Röhrenwand beim Zünden der Sprengladung in die Nuten expandiert wird.

Das Verfahren für das Explosionsverschweißen einer Röhre mit einer Röhrenplatte ist in den Britischen Patentschriften 1 149 387 und 1 123 836 beschrieben. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren muß die.Überlappung zwischen dem Flansch und der Röhre beträchtlich sein, um eine gute Schweißverbindung zu erreichen, wobei vorteilhaft die minimale Überlappungslänge für verläßliche und reproduzierbare Ergebnisse 3/16 Zoll (7,62/16 cm) beträgt. ' .

Da jeder der,Flansche auf der Verblendplatte nach dem Zünden der Sprengladung lediglich einen Teil der Wand der öffnung überdeckt, wird jede Röhre an einen Flansch und an die Wand der öffnung angeschweißt. Auf diese Weise wird die Röhre sicher an der starren Röhrenplatte fixiert, wobei die Verblendplatte mit jeder Röhre sowie mit der Wand der öffnung fest verbunden wird.

Es ist wichtig, daß zwischen den durch das Zünden der Sprengladung zu verschweißenden Oberflächen ein Raum oder Abstand verbleibt, wobei dies zweckmäßig dadurch erreicht wird, daß man entweder einen abgeschrägten Abschnitt oder eine Gegenbohrung in der öffnung vorsieht oder daß man den Endabschnitt

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in der Röhre auf einen kleineren Durchmesser bearbeitet. Im Falle einer abgeschrägten öffnung nimmt der Raum zwischen den zu verschweißenden Oberflächen mit zunehmendem Durchmesser der Schrägung zu, während jedoch bei der Gegenbohrung und der gestauchten oder eingezogenen Röhre die Oberflächen parallel liegen. Die Gegenbohrung hat ausreichenden Durchmesser zur Aufnahme des Flansches der Verblendung und für die Erzielung eines für die Verschweißung optimalen Ringspiels zwischen der Außenfläche der Röhre und der Innenfläche des Flansches. In gleicher Weise ist im Falle einer eingezogenen oder abgesetzten Röhre der reduzierte Durchmesser derart gewählt, daß der Flansch zwischen der Wand der öffnung und dem reduzierten Abschnitt der Röhre unter optimalem Ringspiel zwischen den zu verschweißenden Oberflächen aufgenommen werden kann. Der Schnitt zwischen öffnung und Stirnseite der Röhrenplatte ist vorteilhaft abgerundet oder abgefast zur Erzie'lung eines guten Sitzes für den Flansch der Perforation in der Verblendung, wobei der Rand des Flansches abgefast oder abgeschrägt werden kann, um ein weiches Profil für die ausgedehnte Röhre zu erhalten.

Im Falle einer abgeschrägten öffnung wird die Sprengladung vorteilhaft so angeordnet, daß zuerst Energie an den Teil der Röhre innerhalb der öffnung angelegt wird, der durch den kleinsten Abstand von den Wänden der öffnung getrennt ist, wobei die Anordnung so getroffen ist, daß die Energie in Form einer Welle in Richtung auf das benachbarte freie Ende der Röhre wände*, Die freiwerdende Energie dehnt die Röhre in einer solche Weise aus, daß über den Berührungsbereich an der Grenz-

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fläche zwischen Röhre und Plansch und Röhre und Öffnungswand und der Grenzfläche zwischen Flansch und Öffnungswand ein metallurgischer Verbund hegestellt wird. Gute Sauberkeit der Oberflächen ist für vollen Verbund notwendig. Wo die Röhre über die Stirnfläche der Röhrenplatte vorsteht, wird der überstehende Röhrenabschnitt durch die Explosion entfernt.

Die Erfindung wird im folgenden anhand schematischer Zeichnungen an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.

Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt durch eine Öffnung in einer Röhrenplatte, wobei die Öffnung über einen Abschnitt ihrer Länge angeschrägt ist und sich der Flansch und die Röhre in einer Lage vor dem Einsetzen einer Sprengladung befinden;

Fig. 2 ist eine der Fig. 1 entsprechende Darstellung, die die Öffnung und angeschweißte Röhre und angeschweißten Flansch zeigt.

Eine Röhrenplatte 1 aus Basismaterial, z.B. aus weiehern Stahl, wird unter Bildung einer Öffnung 2 durchbohrt und mit einem abgeschrffgten Abschnitt 3 versehen. Die Stirnfläche H der Röhrenplatte wird mit einer Stirnplatte 5 aus korrosionsfestem Metall mit einer Minimaldicke von 5,6 ρ in Obereinstimmung mit deren mechanischen Eigenschaften verblendet, wobei ein Hilfsloch in die Stirnplatte 5 angenähert an der Schnittstelle

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der Achse der öffnung 2 und der Platte gebohrt wird. Das das Loch umgebende Metall wird in den abgeschrägten Abschnitt 3 eingeformt, um einen Ringflansch 6 zu bilden, der den äußersten Teil des abgeschrägten Abschnitts 3 bedeckt.

In das Loch 2 wird eine Röhre 7 aus korrosionsfestem Metall mit der dünnsten, mit den mechanischen Eigenschaften und den Betriebserfordernissenverträglichen Abmessungen eingesetzt, wobei in dem Parallelabschnitt 8 der öffnung bei dieser besonderen Ausfuhrungsform ein Ringspiel von beispielsweise \

0,005 bis 0,02 Zoll (0,0127 bis 0,0508 cm) vorgesehen ist. Der Endabschnitt 9 der Röhre 7 steht über die Ebene der Stirnplatte 5 vor. In dem Parallelabschnitt 8 der öffnung 2 sind Nuten 10 eingearbeitet.

Es wird koaxial in die öffnung 2 eine Sprengladung in einem inerten, energieüfoertragenden Medium, vorzugsweise Polyäthylen eingesetzt, und zwar in der Weise, wie es in der Britischen Patentschrift 1 1^9 387 beschrieben ist. Eine geeignete g Sprengkapsel ist eine seismische Sprengkapsel No. 8, wie sie von der Nobel-Abteilung von Imperial Chemical Industries Limited geliefert wird.

Nach der elektrischen Zündung der Sprengladung wird die Röhre 7 in die Nuten 10 sowie in den abgeschrägten Abschnitt 3 ausgedehnt. Die Gienzflache 11 zwischen dem Flansch 6 und der Röhre 7 wird metallurgisch verbunden, während der Endabschnitt 9 bündig mit der Stirnplatte 5 entfernt wird. Die verschweißte

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Grenzfläche 11 bildet * eine druck- und flüssigkeitsdichte Abdichtung zwischen der Röhre 7 und der Stirnplatte 5, wodurch die Röhrenplatte 1 geschützt wird. Axialbewegung der Röhre 7 infolge Arbeitsspannu&gen und entsprechendes Abheben der Stirnplatte 5 von der Stirnseite 4 der Röhrenplatte wird durch das Eingreifen der Röhrentfcand in die Nuten 10 verhindert.

Das erfindujjigsgemäße Verfahren ist insbesondere für Wärmeaustauscher vorteilhaft, die hochkorrosionsfete Materialien verwenden -die teuip sind, z.B. Tantal - da sehr dünnes Röhrenmaterial und Plattonmaterial verwendet werden kann und beträchlich das Gewicht!An erforderlichem Tantal vermindert wird.

Ein weiteref Vorteil der Erfindung besteht darin, daß eine große Anzahl^von Sprengstoffen verwendet werden kann, insbesondere-solche, $ie eine Explosionsgeschwindigkeit von mehr als 120 % der Schallgeschwindigkeit in dem Metall der Röhre oder der Röhrenplatte !besitzen,<3as dehöhere Schallgeschwindigkeit

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hat. Diese Sprengstoffe gewährleisten einen guten metallurgischer Verbund und zuverlässige Ausführung.

1Ö8· ^s : ORIGINAL

Claims

Patentansprüche

1.Ί Verfahren für das Befestigen einer Röhre an einer mit Öffnungen versehenen Röhrenplatte, in deren Öffnungen die Röhren zu befestigen sind, dadurch gekennzeichnet, daß man auf einer Stirnfläche C¹O der Röhrenplatte (1) eine aus korrosionsfestem Metall bestehende Verblendplatte (5) vorsieht, die mit geflanschten Löchern versehen ist, die koaxial mit den Öffnungen (2) der Röhrenplatte liegen, wobei alle Plansche (6) auf einer Seite der Platte liegen und sich über die Oberfläche wenigstens ^ eines Teils der Wand jeder Öffnung erstrecken und mit dieser übereinstimmen, daß man in eine Öffnung eine Röhre (7) aus korrosionsfestem Material einsetzt, das mit dem Material der Verblendung verschweißbar ist, wobei das Ende der Röhre mit der Ebene der Verblendplatte fluchtet oder über diese Ebene hinaussteht, so daß der Plansch und die Röhre einander überlappen, wobei die überlappenden Oberflächen von Röhre und Flansch im Abstand voneinander stehen, daß man eine Sprengladung, die sich in einem inerten, energieübertragenden Medium befindet, das · | koaxial zur Röhre in die Öffnung eingesetzt wird, zur Explosion bringt, um die Röhre auszudehnen und metallurgischen Verbund wenigstens zwischen der,Röhre und dem Plansch herzustellen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Abschnitt (3) der Länge der Öffnung (2) abgeschrägt ist, wobei der Abstand zwischen der Außenwand der Röhre (7) und den Wänden der Öffnung (2) in Richtung auf das benachbarte freie Ende der Röhre zunimmt.,

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3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in der Wand der Öffnung (2) ein oder mehrere ümfangsnuten (10) ausgebildet werden und die Röhrenwand durch die Explosion der Sprengladung in diese Nutenexpandiert wird.

Jj, Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der Röhre (7) innerhalb der Öffnung (2) über einen Teil ihrer Länge mit dem Flansch (6) der Verblendplatte sowie mit einem benachbarten Abschnitt ihrer Länge mit dem Rand der Öffnung in metallurgischen Verbund gebracht wird, während der Plansch mit der Viand der Öffnung metallurgisch verbunden wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Rand des Flansches abgefast ist.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Röhre und die Verblendplatte aus Tantal bestehen.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Anwendung bei der Herstellung von Wärmeaustauschern, die aus hochkorrosionsfesten Röhren und Verblendmateriai bestehen, wobei die Röhren in Öffnungen der Röhrenplatte und mit dem Verblendmaterial verbunden sind.

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