DE2744120A1 - Verfahren zum entspannen nahtloser rohre - Google Patents

Verfahren zum entspannen nahtloser rohre

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DE2744120A1
DE2744120A1 DE19772744120 DE2744120A DE2744120A1 DE 2744120 A1 DE2744120 A1 DE 2744120A1 DE 19772744120 DE19772744120 DE 19772744120 DE 2744120 A DE2744120 A DE 2744120A DE 2744120 A1 DE2744120 A1 DE 2744120A1
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pipe
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    • B21C—MANUFACTURE OF METAL SHEETS, WIRE, RODS, TUBES OR PROFILES, OTHERWISE THAN BY ROLLING; AUXILIARY OPERATIONS USED IN CONNECTION WITH METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL
    • B21C37/00—Manufacture of metal sheets, bars, wire, tubes or like semi-manufactured products, not otherwise provided for; Manufacture of tubes of special shape
    • B21C37/06—Manufacture of metal sheets, bars, wire, tubes or like semi-manufactured products, not otherwise provided for; Manufacture of tubes of special shape of tubes or metal hoses; Combined procedures for making tubes, e.g. for making multi-wall tubes
    • B21C37/30—Finishing tubes, e.g. sizing, burnishing
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D7/00—Modifying the physical properties of iron or steel by deformation
    • C21D7/02—Modifying the physical properties of iron or steel by deformation by cold working
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Description

oÜCTETii FRANCO-Ai-'^RJCAINE DE CONSTRUCTIONS ATOVTQUEG FRAHATOFE, Oourbevoie, Frankreich
Verfahren zum Entspannen nahtloser Rohre
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Entspannen nahtloser Rohre, die vorher gerichtet worden sind.
Nahtlose Rohre für Wärmetauscher oder für Dampferzeuger werden vor ihrem Einbau gerichtet und gebogen.
Dies trifft insbesondere für Rohre aus der Nickellegierung Inconel 600 zu, die in Dampferzeugern von Kernkraftwerken verwendet werden, wobei das Richten und Biegen am Ende des Herstellungsverfahrens kurz vor der Wasserdruckprobe erfolgen, durch die in das Rohrinnere Druckwasser eingeleitet wird, um fehlerhafte Rohre auszusortieren.
31O-(76/67)-HdSl
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27U120
Die letzten Herstellungsschritte des Richtens und Biegens dieser Rohre führen zu Längs- und Umfangs-Restspannungen in ihnen. Wenn diese Restspannungen Zugspannungen sind, addieren sie sich zu den auf die Rohre während des Betriebs ausgeübten Spannungen (Druck-, Biege- und Wärmespannungen).
Diese den Betriebsspannungen der Rohre sich überlagernden Restspannungen sind vor allem für die unter Spannung
» dieser Rohre auftretende Korrosion verantwortlich. Bei der Korrosion unter Spannung bestimmen die größten Gesamtspannungen, nämlich Längs- oder Umfangsspannungen, die Richtung der Rißbildung.* (kurz Spannunskorrosion genannt)
In Rohren von Dampferzeugern müssen daher die durch mechanische Bearbeitung am Ende der Herstellung in den Rohren hervorgerufenen Restspannungen beseitigt werden.
Man hat bereits daran gedacht, diese Restspannungen durch Wärmeentspannung zu entfernen, indem diese Rohre auf einer Temperatur von ca. 700 0C während einer vorgegebenen Zeit gehalten werden. Die Durchführung dieser Wärmebehandlung erfordert jedoch den Bau von sehr großen öfen, in die die Rohre, die selbst große Abmessungen haben, eingeführt werden können, was die Kosten der Anlagen für die Herstellung der Dampferzeuger-Bauteile von Kernkraftwerken beträchtlich erhöht.
Es gibt auch mechanische Entspannungsverfahren für Halbzeuge wie Stäbe, Stangen oder Bleche zur Beseitigung von RestSpannungen aufgrund ihrer Formgebung. Diese mechanischen Behandlungen führen zu großen Dauerverformungen in den so behandelten Halbzeugen und können deshalb nicht
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bei fertigen Werkstücken wie Rohren für Dampferzeuger eingesetzt werden, deren Abmessungen äußerst genau erhalten werden müssen. Es gibt auch mechanische Entspannungsbehandlungen für geschweißte Werkstücke zur Beseitigung von Restspannungen nahe der Schweißnähte.
Es ist auch ein Verfahren zum Entspannen von tiefgezogenen Behältern großer Dicke durch Ausübung eines inneren hydrostatischen Drucks etwas oberhalb des Probedrucks des Behälters erwogen worden. Wegen der geschweißten Zone mit geringerer Festigkeit ist es unmöglich, einen größeren Innendruck auszuüben, so daß die Restspannungen nach Behandlung durch Innendruck auf einem beträchtlichen Wert bleiben, obwohl diese Behandlung an sich sehr wirksam ist.
Bei Inconel-Rohren für Dampferzeuger von Kernkraftwerken müssen die Restspannungen hinreichend klein sein, um eine Korrosion unter Spannung während der Inbetriebnahme der Rohre und bei Beaufschlagen der Rohre mit hydrostatischem Druck zu vermeiden, wobei der Druck, der in der Nähe des Probendrucks des Rohrs bleibt, völlig unzureichend ist.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Entspannen nahtloser Rohre, die vorher gerichtet worden sind, zu schaffen, durch das die Restspannungen in den Rohren auf einen hinreichend niedrigen Wert verringert werden können, damit nicht bei Betrieb dieser Rohre die Restspannungen merklich die Empfindlichkeit der Rohre für Spannungskorrosion erhöhen.
Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist gegeben durch das Kennzeichen des Patentanspruchs 1.
Die Erfindung wird nun beispielsweise anhand eines Entspannungsverfahrens für Inconel-Rohre von Dampferzeugern
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27AA120
in einem Kernkraftwerk näher erläutert.
Diese Rohre haben die Form von Bögen, deren Schenkel eine Länge von 10 m haben, wobei die gleich^langen Schenkel um eine variable Länge voneinander getrennt sind, die den Rohrbogenradius bestimmt. Diese Rohre haben einen Außendurchmesser von 22,22 mm und eine Dicke von 1,27 mm.
Die Bögen werden aus einem nahtlosen Rohr mit einer Länge von 20 m durch Richten des Rohrs und anschließendes Biegen zur Ausbildung von zwei gleich ^Langen Schenkeln hergestellt.
In der folgenden Tabelle 1 sind die Parameter einer Gruppe von Rohren aufgeführt, die für eine mechanische Entspannungsbehandlung durch Wasserdruckprobe vorgesehen sind. Für jedes dieser Rohre aus Inconel wird die 0,2J-Elastizitätsgrenze mit einer Genauigkeit bestimmt, die für die spätere Ermittlung des kritischen Drucks der plastischen Verformung des Rohrs auf seiner ganzen Dicke ausreicht,
Man bestimmt diesen kritischen Druck aus der Elastizitätsgrenze des Rohrs durch die folgende Formel, die mit dem Tresca-Kriterium erhalten wird:
Pc = ROj? · Log — .
Die so erhaltenen Werte des kritischen Drucks sind in der Tabelle 1 eingetragen.
Für die Durchführung des erfindungsgemäßer. Entspannungsverfahrens wird eine Wasserdruckprobenbank verwendet, die in üblicher Weise für die Erprobung von Dampferzeugerrohren dient, wobei Druckwasser in die Rohre mit dieser Probenbank eingespeist wird.
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27U12Q
Der normalerweise für Inconel-600-Rohre verwendete Druck beträgt 218 bar.
In Tabelle 1 sind die für die mechanische Entspannung der Rohre durch Unterhaltung eines Innendrucks im Rohr in der Wasserdruckprobenanlage verwendeten Drücke aufgeführt .
Es ist daraus ersichtlich, daß die verwendeten Probendrücke bedeutend größer als der Wasserdruckprobendruck sine und daß sie sich sämtlich im Bereich des 0,8 - 1-fachen kritischen Drucks befinden, der aufgrund der nach dem Tresca-Kriterium hergeleiteten Formel ermittelt wird.
Es wird also in den in der Wasserdruckprobenanlage montierten Rohren Wasser unter einem größeren Druck während mindestens 3 min gehalten. Nachdem die Rohre auf normalen Druck zurückgeführt worden und aus der Wasserdruckprobenanlage ausgebaut worden sind, werden an diesen Rohren verschiedene Messungen zur Ermittlung der verursachten Deformationen und zur Messung der Umfangs-Restspannungen in diesen Rohren vorgenommen. Insbesondere werden der Durchmesser vor und nach der Druckprobe in den geraden Abschnitten der Bögen und das Unrundwerden dieser Rohre gemessen.
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Tabelle 1: Parameter der der Wasserdruckprobe unterworfenen Rohre
Rohre 1 Schenkelab
stand
[mm]		 Änderung
des Schenkel
abstands nacli
der Wasser
druckprobe		 Probendruck
r Pe
[bar]		 Γ0
[mm]		 Γ1
[mm J		 [hbari Pc
[bar]		 Pe/Pc
2 111,2 0,56 400 9,83 11,12 34,8 430 0,93
OO
ο 3
CO
CO
_» 4 		111,2 0,77 448 11,12 37,3
i 5
ro 		285,9
288,3 		0,9
2,2 		340
460 		9,80
9,82 		11,16
11,125 		33
36,3 		425
450 		0,80
1,02
~* 6 1152,48 - 2,62 280 11,13 31,4
7 1152,48 6,55 400 9,83 11,15 34,8 438 0,913
8 2258,84 9,57 430 9,82 11,11 37,6 463 0,928
9 2258,84 17,4 446 9,84 11,115 37,2 453 0,984 IO
-J
2909,64 16 430 11,105 37,4 f-
£·-
ro
O
Bei allen vorgenommenen Proben sind die Durchmesser auf ihren Anfangswert in den geraden Schenkeln der Bögen zurückgeführt. Dies zeigt deutlich, daß der berechnete kritische Druck ein gültiges Kriterium ist, das die Druckzone begrenzt, innerhalb der keine Dauerverformung des Rohrs stattfindet.
Es wird auch der Abstand der geraden Schenkel der Böden vor und nach der Probe gemessen, und aus diesen in der Tabelle 1 eingetragenen Werten ist ersichtlich, daß die Änderung des Abstands der Schenkel in Höhe des Bogens umso stärker ist, je größer der Anfangsabstand der Schenkel ist.
Es werden auch die Umfangs-Restspannungen vor und nach der Wasserdruckprobe mittels zweier verschiedener Verfahren ermittelt.
Das eine dieser Verfahren besteht darin, ein Rohrstilck mit einer Länge von 12 mm herauszusägen und die Änderung Δ 0 des Außendurchmessers 0 des Rohrs vährend des Sägens zu messen. Es zeigt sich, daß eine lineare Beziehung zwischen dem Wert der maximalen Umfangs-Restspannung und der Änderung des Rohrdurchmessers während des Sägens besteht.
Das zweite dieser Verfahren ist ein Dehnungsmeß-Verfahren, das die Ermittlung auch der Längs-Restspannungen im Rohr gestattet.
Die an der Gruppe der in Tabelle 1 angeführten Rohre vorgenommenen Messungen gemäß den in dieser Tabelle aufgeführten Probebedingungen zeigen, daß die Längs-Restspannungen nach der Wasserdruckprobe vernachlässigbar für alle Rohre sind.
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Die Umfangs-Restspannungen an der Außenfläche der Rohre, d. h. an der Stelle, wo sie maximal sind, sind in der nachfolgenden Tabelle 2 eingetragen.
Es ist daraus insbesondere ersichtlich, daß die Umfangs-Restspannungen, deren Mittelwert ca. 15 h · bar und deren Maximalwert ca. 18 h · bar vor der Wasserdruckprobe betragen, ungefähr den halben Wert nach einer Wasserdruckprobe von einer Dauer von mindestens 3 min haben.
Die Restspannungen sind daher in jedem Fall signifikant verringert.
Andere Versuche haben früher ebenfalls gezeigt, daß die Entspannung unter einem Innendruck im Rohr von mindestens dem 0,8-fachen kritischen Druck für eine ausreichende Verringerung der Restspannungen erfolgen muß, damit die Rohre nach der Entspannungsbehandlung eine ausreichende Spannungskorrosionsfestigkeit unter den Betriebsbedingungen zeigen.
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Tabelle 2: Umfanps-Restspannungen auf der Außenfläche
Rohre RO,2
[hbar]		 Proben-
druck
Pe 		Pe/Pc Vor de
Rincverf
Maximal
wert		 r Probe
ahren
Mittel
wert		 Dehnungs-
meßverfah-
ren		 Nacl-
RingverJ
Maximal
wert		 ι der Pr
'ahren
Mittel
wert		 Dbe
Dehnungs-
meß
verfahren		 Berechnet
3 33 340 0,80 18 13,1 15,5 7,8 6,9 9,1
7,5		 10
6 34,8 400 0,913 19,5 13,5 6,5 6,5 6,9
CD
V L860 7 37,6 430 0,913 18,5 12,5 12,5 7,8 5,9 6,8
/082' 1 34,8 400 0,93 18,5 " 14,5 6,5 7,5 6,3
8 37,2 446 0,984 17 13,5 7,8 5,9 6,2 4,7
4 36,3 460 1,02 19 14,1 13,5 8,5 6,6 8,0
274Α120
Es ist gleichfalls ersichtlich, daß bei nahtlosen Rohren, die vorher gerichtet worden sind, die Verteilung der Umfangs- und Längsspannungen so bemessen ist, daß eine Druckbeaufschlagung des Rohrs mit einem Druck, der um den 0,8-fachen kritischen Druck der plastischen Verformung größer ist, eine bedeutend bessere Beseitigung der Restspannungen gegenüber der für einen geschweißten Behälter oder ein geschweißtes Rohr oder ein ganz anderes Metallgefäß bewirkt, das eine Verformung oder irgendeine Behandlung zur Beseitigung von Restspannungen erfahren hat.
überraschenderweise bewirkt die Unterhaltung eines Drucks mit einem beachtlichen Wert im Vergleich zum für die herkömmliche Wasserdruckprobe von Rohren benutzten Druck eine beträchtliche1 Spannung, die keineswegs vergleichbar mit der sehr begrenzten Entspannung von tiefgezogenen und geschweißten.Druckbehältern ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren macht auch die Verwendung von großen öfen überflüssig, wobei die Länge der Bögen der Dampferzeuger von Kernkraftwerken ca. 10 m beträgt, und gestattet für die Entspannungsbehandlung die Verwendung einer Wasserdruckprobenanlage, die ohnehin für die Rohruntersuchung notwendig ist.
Die von den Erfindern vorgenommenen Versuche haben außerdem gezeigt, daß bei Inconel-Rohren für Elastizitätsgrenzen von 33 - 38 h · bar Wasserdruckproben mit Druckwerten von 31O - 1I1IO bar Werte ergeben, die beinahe mit den Verringerungen von Restspannungen vergleichbar sind. Diese Werte von 31IO - 1I1IO bar entsprechen ungefähr den Innendrücken bei 0,8 - 1-fachem kritischem Druck. Die Wahl des Probendrucks scheint daher nicht besonders
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kritisch zu sein, wenn er oberhalb 0,8 Pc liegt. In der
Praxis kann man also für Elastizitätsgrenzen von Rohren
zwischen 33 und 38 h · bar einen Probendruck von ca. 400 bar wählen.
Erfindungsgemäß kann der kritische Druck leicht mit einer Formel, ausgehend vom Tresca-Kriterium, ermittelt werden, obwohl auch für diesen kritischen Druck ein Wert verwendet werden kann, der von einer Formel abgeleitet wird, die auf dem von-Mises-Kriterium beruht, wenn z. B. dieses Kriterium besser dem betreffenden Werkstoff angepaßt ist, oder es kann auch ein experimentell erhaltener Wert zugrundegelegt werden .jDas geschilderte Ausführungsbeispiel kann in verschiedener Weise abgewandelt werden. So kann die Druckbeaufschlagung des Rohrs mit jeder von einer Wasserdruckprobenanlage verschiedenen Anlage erfolgen, und die verwendete Flüssigkeit braucht nicht das für die Wasserdruckproben verwendete Wasser zu sein. Anstelle von Wasser mit Umgebungstemperatur kann auch eine leicht erhitzte Flüssigkeit benutzt werden, um der mechanischen Entspannung unter Druck eine Wärmeentspannung zu überlagern. Obwohl die Erfindung beispielsweise für Inconel-600-Rohre näher erläutert worden ist, ist das erfindungsgemäüe Entspannungsverfahren auch auf vorher gerichtete nahtlose Rohre aus beliebigem metallischen Werkstoff anwendbar, z. B. auf Wärmetauscher-Rohre aus Edelstahl. Es ist darauf hinzuweisen, daß je nach der Art des verwendeten Rohr-Werkstoffs die Behandlungsdauer für optimale Bedingungen zur Beseitigung der Restspannungen verschieden sein kann, auch wenn eine Behandlungsdauer von mindestens 3 min für eine merkliche Verringerung der Restspannungen notwendig erscheint.
Anstatt für jedes Rohr den kritischen Druck zu ermitteln, der die möglichen Grenzen für den Probendruck bestimmt, kann
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man für eine Serie von praktisch identischen Rohren einen Probendruck wählen, der sich nach aller Wahrscheinlichkeit in dem erforderlichen Intervall befinden muß, wenn die Parameter der Serie von Rohren relativ gleich sind.
Wie gesagt, ist die Erfindung nicht nur auf Rohre aus Inconel oder Edelstahl für Dampferzeuger oder Wärmetauscher anwendbar, sondern auch bei sonstigen metallischen nahtlosen Rohren, die vorher gerichtet worden sind, wenn die Restspannungen auf einen Wert beträchtlich unter den Restspannungen im gerichteten Rohr verringert werden sollen, z. B. auf den halben oder einen noch kleineren Bruchteil des Ausgangswerts.
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Claims (3)

27U120 Patentansprüche
1. Verfahren zum Entspannen metallischer nahtloser Rohre, die vorher gerichtet worden sind,
dadurch gekennzeichnet, daß für mindestens 3 min die ungefähr auf Umgebungstemperatur gehaltenen Rohre einem Innendruck von 0,8 - 1 Pc ausgesetzt werden,
wobei Pc den kritischen Druck bezeichnet, oberhalb dessen das Rohr eine piatische Verformung auf seiner ganzen Dicke erfährt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß mechanisch experimentell die Elastizitätsgrenze des zu behandelnden Rohrs ermittelt wird, daß der kritische Druck Pc durch die Gleichung
pc =
bestimmt wird mit
R0 0 = Elastizitätsgrenze,
r^ = Außenradius und
r0 = Innenradius des Rohrs,
und
daß dieser Innendruck im Rohr gleich 0,8 - 1 Pc gewählt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß das Rohr mit Druckwasser beaufschlagt wird.
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ORIGINAL INSPECTED
120
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche zum Entspannen von gebogenen langen Rohren für Dampferzeuger von Kernkraftwerken,
dadurch gekennzeichnet, daß die Rohre in einer Wasserdruckprobenanlage montiert werden.
8098U/082 1
DE19772744120 1976-10-01 1977-09-30 Verfahren zum entspannen nahtloser rohre Withdrawn DE2744120A1 (de)

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