DE2648877B2 - Verfahren zum Herstellen von Rohren - Google Patents

Verfahren zum Herstellen von Rohren

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, das besonders gut zum Herstellen von Rohren und Formteilen geeignet ist, die einen hohen Grad von Maßgenauigkeit und Stabilität aufweisen und behalten müssen, nachdem sie einer Temperaturbeanspruchung insbesondere einer Temperatur-Wechselbeanspruchung über einen sehr weiten Bereich unterzogen worden sind.
In der DE-AS 17 52 486 wird ein Verfahren beschrieben bei dem ein Rohr aus dünnerem Metallblech auf einen Dorn aufgebracht wird, der einen linearen Ausdehnungskoeffizienten aufweist, der mindestens dreimal so groß ist wie der des Rohrmaterials. Das Rohrmaterial wird zur Bildung eines Rohres auf dem Dorn stumpf verschweißt. Das Rohr und der Dorn werden dann auf eine Temperatur erhitzt, die für den Dorn genug ist, um eine ausreichende tangential Spannung zu erzeugen, die das Rohr radial expandiert, so daß das Rohr nach dem Abkühlen die erforderlichen Querabmessungen aufweist Das Rohr kann auch nach der die thermische Dimensionierung bewirkenden Behandlung gestreckt werden.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine höhere Genauigkeit hinsichtlich der Dimensionierung und Formgebung zu erreichen, wobei eine Beeinträchtigung der inneren Oberflächen des zu dimensionierenden Rohres durch Zerkratzen oder dgl., wie es bei den vorbeschriebenen früheren Verfahren auftrsten kann,
ίο vermieden wird. Diese früheren Verfahren erfordern am Anfang einen engen Sitz, vorzugsweise einen unmittelbaren Kontakt zwischen der äußeren Oberfläche des Domes und der inneren Oberfläche des Rohres, welches den Dom umgibt
Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß das im Kennzeichen des Anspruchs 1 Erfaßte vorgeschlagen.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen erfaßt
Es ist zwar bereits bekannt (DE-AS 12 25 131) Rohre Längsstreckung im Querschnitt zu verringern, jedoch konnte dieser Stand der Technik allein noch nicht zur Erfindung führen, weil es bekannt ist, daß solche Kalt-Verformungstechniken den Nachteil des Zurückfederns aufweisen und nicht fähig sind, die erforderlichen geringen Toleranzen und Stabilität zu ergeben. Dieser Nachteil wird gernäß der Erfindung dadurch ausgeschaltet, daß das Rohr in Längsrichtung gestreckt wird, während es bei erhöhten Temperaturen gehalten wird, um seinen Querschnitt zu verringern, und es auf den Dorn geschrumpft wird, worauf dann das Erhitzen des Rohrs und des Doms fortgesetzt wird, während das Rohr sowohl in Längsrichtung aus auch tangential gestreckt wird.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand von Figuren beschrieben. Es zeigt
F i g. 1 ein Ablaufschema einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung,
Fig.2 und 3 jeweils eine Draufsicht, teilweise im Schnitt und in Ausschnitten einer aus einem Rohr und einem Dom bestehenden Anordnung jeweils vor und nach der thermischen Dimensionierung,
F i g. 4 ein Diagramm, das qualitativ die Änderungen der seitlichen Abmessung des Rohres und des Domes während der thermischen Dimensionierung bzw. Kalibrierungdarstellt.
Die Vorteile der Erfindung werden am ehesten dann erreicht, wenn die aus Rohr und Dorn bestehende Anordnung auf eine Temperatur zumindest gerade oberhalb der Re- oder Umkristallisationstemperatur des Rohres gebracht und auf dieser Temperatur lange genug gehalten wird, um eine völlige Beseitigung der Spannungen eintreten zu lassen. In jedem spezifischen Fall wird die obere Temperatur, auf welche die Anordnung oberhalb der Rekristallisations- bzw. Umkristallisationstemperatur erhitzt wird, sowohl durch die Abweichung bezüglich Dimension und Ausdehnungsvermögen zwischen dem Rohr und dem Dorn als auch durch die Abmessungen bei Raumtemperatur, die in bezug auf das fertige Produkt gefordert werden, bestimmt.
Das Verfahren erleichtert die Herstellung von langen rohrförmigen Körpern, die 3 m und länger sein können; und wird mit besonderem Vorteil bei der Herstellung
hi von Rohren kreisförmigen und unrunden Querschnitts mit extrem engen Toleranzen angewandt. Die Außerordentlich kleinen Abweichungen hinsichtlich der Abmessung, die minimalen Krümmungen und Verwindungen,
die ein einmaliges Ausmaß an Geradheit gewährleisten, das für das Verfahren charakteristisch ist, machen dieses in besonderer Weise für die Verwendung bei der Herstellung von Rohren oder Kanälen für Kernbrennstoff aus solch schwierig zu verarbeitenden Materialien wie Zirkon-Legierungen geeignet, die in einem Siedewasserreaktor dazu verwendet werden, ein Kühlmittel um die Brennelemente herumzuführen.
Bei Verwendung von nahtlosem Rohrmaterial als Ausgangsmaterial für das Verfahren und in Abhängig- in keit von den am Endprodukt geforderten Dimensionen besteht die Möglichkeit, das nahtlose Rohrmaterial auf eine präzisere runde Form zu bringen, bevor es zu einem unrunden Querschnitt geformt und/oder bevor es auf den Dorn gebracht wird. Entsprechend kann bei der ι ■> Herstellung von geschweißtem Rohrmaterial das geschweißte Rohr mit oder auch ohne zusätzliche Nichtverbindungsschweißnähte, mit oder ohne vorbereitetende Dimensionierung und sogar ohne Reduzierung der Schweißraupe auf den Dorn gebracht werden.
Im folgenden wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Ein Blech mit der Zusammensetzung einer Zirca!oy-4-Legiermg und geeigneten Abmessungen, das frei von Oberflächendeffekten war, wurde in eine runde Form gebracht und mittels Wolfram-Inertgas-Verschweißen der einander gegenüberliegenden Längskanten des Bleches verschlossen, wobei eine Stumpfnaht entstand. Gleichzeitig wurde eine Linie direkt gegenüber der Schweißnaht angerissen. Ein zweiter Schweißarbeitsgang wurde dann κ entlang der Linie durchgeführt, um eine zweite Schweißzone gegenüber der ersten, das Rohr formenden Schweißnaht zu bilden, mit dem Ziel, Krümmungen oder andere störende Auswirkungen, die darauf zurückzuführen sein könnten, daß eine Schweißnaht lediglich entlang einer Seite des Rohres gebildet wurde, vollständig oder nahezu vollständig zu verhindern oder zumindest zu reduzieren. Nach der Verringerung der Schweißraupe wurde das Rohr dann im Vakuum geglüht, um Spannungen zu beseitigen. Dann wurde das -to Rohr auf der gewünschten runden Querschnitt als Vorbereitung zum Formen eines quadratischen Querschnittes dimensioniert bzw. kalibriert. Die Dimensionierung zu einer runden Gestalt wird vorzugsweise ohne Dorn durchgeführt, so daß Änderungen oder « Abweichungen der Wandstärke durch diesen Verfahrensschritt picht bewirkt werden können, und lediglich die äußere Dimension des Teiles zu überwachen bzw. zu kontrollieren ist. Der runde Kanal wurde dann in eine unrunde Querschnittsform gebracht, in dem es durch ein r>o Werkzeug hindurchgeführt und zu einem Rechteck geformt wurde. Die bei einer derartigen Formgebung zu erzielende Präzision der Abmessungen ist gut und mehr als zufriedenstellend für viele Anwendungszwecke; sie läßt jedoch viele Wünsche offen, v/enn extreme π Genauigkeit der Abmessungen über verhältnismäßig große Längen erforderlich ist.
Zur Erzielung dieses einmaligen Freiheitsgrades bezüglich irgendwelcher zurückbleibender Spannungen und der Abmessungsgenauigkeit, die für Erzeugnisse <>n gemäß dem Verfahren charakteristisch sind, wird das Rohr thermisch dimensioniert und oberhalb der Rekristallisations- bzw. Unkristallisationstemperatur geglüht. Das Rohr wird auf einen Dorn gebracht, der einen wesentlichen kleineren Querschnitt aufweist, um hr> das Aufbringen ohne Beschädigung der Oberfläche des Rohres, die auf Schwankungen in den Abmessungen des Rohres, die im Bereich d^r bereits geformten Länge vorkommen können, zurückzuführen wären, zu erleichtern.
Die äußere Abmessung des Domes, gemessen von Fläche zu Fläche, ist vorteilhaft etwa 1,4 mm kleiner als die des Rohres, um das Vorhandensein eines minimalen Zwischenraumes von wenigstens 0,76 mm an den Stellen zu gewährleisten, an denen das Rohr seine kleinste Breite aufweist. Mit einem Dorn aus rostfreiem Stahl und einem Rohr aus Zircaloy-4 werden durch Glühen bei etwa 677°C optimale Ergebnisse erzielt, obwohl eine etwas höhere Temperatur bis zu etwa 718° C erforderlichenfalls angewendet werden kann, um die Rohre richtig zu dimensionieren. Es könnten sogar höh ;re Temperaturen angewendet werden; jedoch liegt die anwendbare Maximaltemperatur unterhalb der Temperatur, bei der ein unerwünschtes Korn- bzw. Kristallwachstum eintritt
Gemäß den F i g. 2 und 3 wird das Rohr 10 auf einem Dorn 11 aufgebracht und an den gegenüberliegenden Enden an Blöcken 12 verschraubt. Jeder der Blöcke 12 ist relativ zum zugeordneten Ende des Domes 11 auf Stiften 13 gleitbar, die mit dem Dorn ;< verbunden sind. Gemäß der Darstellung der Fi g. 2 liegen die Blöcke 12 an den Enden des Domes U an, wenn das Rohr aufgebracht und an den Blöcken unter Verwendung von Schrauben 14 befestigt ist Der Glühvorgang wird vorteilhait im Vakuum durchgeführt, wobei die Rohr-Dorn-Anordnung vertikal hängt Beim Erhitzen der Anordnung auf die Glühtemperatur T1 (F i g. 4) nimmt die Breite des Domes 11 entlang der Linie M zu, während die Breite des Kanals oder Rohres 10 zu Beginn entlang der Linie Q abnimmt. Der Schnittpunkt der Linie Q mit der Linie Wstellt den Punkt dar, an dem das überdimensionierte Rohr auf den Dom als Ergebnis des am Rohr erfolgenden Streckvorganges aufgrund des sich schneller verlängernden Domes aufgeschrumpft wird. Ein weiteres Erhitzen auf die Glühtemperatur T1 hat zur Folge, daß der Dorn weiter expandiert welche Tatsache ihrerseits zu einer Dehnung der Breite des Rohres 10 führt. Nach Vollendung der Glühbehandlung — etwa eine halbe Stunde bei der Temperatur — und Abkühlen der Anordnung nimmt die Breite des Domes 11 entlang der Linie M ab. Aufgrund der Änderung in ihrer Größe nimmt die Breite des Rohres 10 jedoch entlang der Linie C2 ab. F i g. 3 läßt erkennen, daß, wenn die Anordnung Raumtemperatur hat, Rohr 10 in Längsrichtung eine Streckung erfahren hat, so daß die Blöcke 12 sich nunmehr in einem Abstand von den Enden des Domes 11 befinden. Es ist zu beachten, daß die Änderungen in den Dimensionen und die Größe der Abstände zwischen den Teilen in der Zeichnung zur Erleichterung der Darstellung größer gezeichnet sind. Wenn das Rohr 10 nicht zwecks Strecken an dem Dorn 11 befestigt gewesen wäre, wü/de seine Breite mit der Temperatur entlang der Linie Cj zugenommen haben.
Der Fig.4 ist zu entnehmen, daß aufgrund der ursprünglichen Differenz bezüglich der Breite zwischen Rohr 10 und Dorn 11 wenig oder keine Änderungen hinsichtlich der Größe des Rohres 10 auftreten würde, wenn das Rohr 10 nicht ausreichend früh während des Erhitzungsvorganges auf den Dorn aufgeschrumpft worden wäre. Der notwendige Schrumpfvorgang des Rohres 10 wird durch den Dorn 11 bewirkt, der das Rohr aufgrund seines wesentlich größeren Ausdehnungsvermögens strei kt.
Während der Abkühlung der aus Rohr und Dorn bestehenden Anordnung zieht sich der Dorn 11
zusammen, wobei er sich von den Blöcken 12 wegbewegt Letztere sind an den beiden gegenüberliegenden Enden des sich langsamer zusammenziehenden Rohres befestigt. Nach Abkühlung auf Raumtemperatur kann das Rohr 10 leicht vom Dorn 11 entfernt werden, ohne daß die Oberfläche des Rohres beschädigt oder sonstwie beeinträchtigt wird, da — wie bereits gesagt — ein ausreichender Zwischenraum vorhanden ist.
Die Abkühlung des Rohres 10 und des Domes 11 von der Glühtemperatur T, folgt die jeweilige Breite dieser Teile den Linien C2 bzw. M, solange es keine Änderung oder Schwankung ihres Wärmeausdehnungskoeffizienten gibt. Dies trifft auch zu für ein Rohr, das eine etwas größere Breite aufweist wie beispielsweise ein Rohr, das, wenn nicht am Dorn befestig!, mit zunehmender Temperatur entlang der Linie G hinsichtlich seiner Breite zunehmen würde. Die Linie C> schneidet die Linie M nicht bei oder unterhalb der Glühlemperatur T* Ein derartiges Rohr nimmt, wenn ain Dorn befestigt, hinsichtlich seiner Breite entlang der Linie d ab, bis die Temperatur erreicht ist — angegeber durch den Punkt, an dem die Linie Cs die Linie /Vf schneidet — bei der das Rohr bis zum Kontakt mit dem dorn geschrumpft worden ist. Danach erfolgt eine Dehnung entlang der Linie M; die Kontraktion mit Abkühlung folgt der Linie C2.
Nach Abnahme vom Dorn v,ird das Rohr auf die gewünschte Länge zurechtgeschnitten und je nach Bedarf auch noch in anderer Weise behandelt. Beispielsweise können die Rohre eim; Dampf-Autoklav-Behandlung erfahren, um sie mit einem finish in Form einer schwarzen Oxydoberfläche zu versehen.
Wenngleich die Erfindung im Zusammenhang mit der Herstellung von Rohren aus einer Zin:aloy-4-Legierung beschrieben worden ist, können auch andere Legierungen verwendet werden. Zusätzlich zu runden oder unrunden Teilen, die bereits erwähn!; worden waren, ist das Verfahren auch mit Vorteil anwendbar bei der Herstellung von Teilen mit drei oder mehr Seiten mit oder ohne Nocken, wenn diese Teile auf einen Dorn aufgebracht und von diesem abgenommen werden können. Im Falle von Hüllen oder Rohrteilen für s Kernreaktoren sollte das Material einen niedrigen Absorptionsquerschnitt für thermische Neutronen aufweisen. Abgesehen von Zirkonlegierungen ist das Verfahren auch anwendbar zur Herstellung von Erzeugnissen und einer großen Anzahl von Materialien
in und Werkstoffen wie z. B. schwer zu formenden Werkstoffen wie Titan, Hanium und deren Legierungen. Obwohl eine große Anzahl von Werkstoffen verwendet werden kann, ist es vorteilhaft, daß das Material einen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist, der nicht
ι- weniger als ungefähr 2 χ 10-60C ' und nicht mehr als etwa 10 χ 10"60C ' betragen.
Der Dorn kann aus jedem geeigneten Material hergestellt werden, der einen wesentlich größeren Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist, der vorzugsweise wenigstens zweimal so groö ist wie der das Material, aus dem die rohrförmigen Teile herzustellen sind. Es ist wichtig, bzw. notwendig, daß der Dorn im Vergleich zum Teil bei der Glühtemperatur hart genug ist, um das Teil triaxial zu bearbeiten bzw. umzuformen,
2Ί d. h. ausreichend große tangentiale und längsverlaufende Spannungen zu erzeugen, um das Material triaxial zu verformen und ihm eine dauernde Deformierung zu geben.
Bei des Beschreibung eines Beispiels des Verfahrens
ι« in Verbindung mit geschweißten Rohren wurden zwei Schweißzonen entlang dem Rohrteil hergestellt, obwohl nur eine Zone notwendig war, um das Rohr herzustellen bzw. zu verschließen. In einigen Falten kann eine einzige Schweißzone ausreichen; in anderen Fällen können
Ji mehr als zwei Schweißzonen gebildet werden, z. B. bei der Herstellung von sechseckigen oder sechsseitigen Rohren, bei denen drei Schweißzonen in Abständen von 120° angebracht bzw. gebildet werden können.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

  1. Patentansprüche;
    I. Verfahren zum Herstellen metallischer Rohre unter Verwendung eines Doms mit vorausberechnetem Wärmeausdehnungskoeffizienten, der wesentlich größer ist als der des Rohres und der einen Querschnitt aufweist, der kleiner ist als der des Rohres, bei dem das Rohr bei erhöhten Temperaturen plastisch durch Erhitzen des Rohres und des Doms verformt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr während des Erhitzens zunächst in der Längsachse gestreckt wird, um es auf den Dom zu schrumpfen, dann die Erhitzung des Rohres und des Doms fortgesetzt wird und gleichzeitig das Rohr durch den Dom sowohl in Längsrichtung als auch tangential auf einen vorbestimmten Querschnitt gedehnt wird und danach der Dom und das Rohr zur Entfernung des Rohrs vom Dom abgekühlt werden.
    Z Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, da? das Rohr am Dorn befestigt wird, wobei es die Möglichkeit hat. sich unabhängig vom Dom zusammenzuziehen.
    3. Verfahren nach Anspruch I oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß Rohr und Dorn auf eine Temperatur oberhalb der Rekristallisations- bzw. Umkristallisationstemperatur des rohrförmigen Teiles erhitzt werden.
    4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das rohrförmige Element zu einem runden Querschnitt festgelegter Größe geformt wird, bevor es auf den Dorn gebracht wird.
    5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr zu einem unmnden Querschnitt einer festgelegten Gr ße geformt wird.
    6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeausdehnungskoeffizient des rohrförmigen Teiles sich von etwa 2 χ 10-*° C-' bis zu etwa 10 χ 10-60C-'erstreckt.
    7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeausdehnungskoeffizient des Domes zumindest zweimal so groß ist wie der des rohrförmigen Teiles.
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