DE3004872A1

DE3004872A1 - Rohr fuer hochdruckfluessigkeit und verfahren zu dessen herstellung

Info

Publication number: DE3004872A1
Application number: DE19803004872
Authority: DE
Inventors: Yasuaki Hashimoto; Masayoshi Usui
Original assignee: Usui Kokusai Sangyo Kaisha Ltd
Current assignee: Usui Kokusai Sangyo Kaisha Ltd
Priority date: 1979-03-15
Filing date: 1980-02-09
Publication date: 1980-09-18
Also published as: JPS55122825A; BR8001457A; AU525292B2; FR2451532A1; AU5541980A; GB2045384A

Description

Die Erfindung betrifft Metallrohre für Nochdruckflüssigkeit
und zwar insbesondere solche Rohre, die für Hochdruck-Kraftstoffeinspritzsysteme für Dieselkraftmaschinen verwendet werden. Die dafür verwendeten Leitungen bestehen im allgemeinen aus dickwandigen Rohren, d.h. aus Rohren, die im Vergleich zu ihrem Durchmesser eine verhältnismäßig dicke lfand haben. Ein typisches Kraftstoffeinspritzrohr hat beispielsweise einen Außendurchmesser von weniger als 50 mm, allgemein etwa 6,0 bis 35 mm, und eine Wanddicke im Bereich von 2,2 bis 12 mm.
In der US-PS 1 987 201 ist eine Herstellungsweise von Kraftstoffeinspritzrohren aus Kohlenstoffstahl, beispielsweise ST535 oder SOS 304L beschrieben, nach der der Rohrwerkstoff wiederholt angelassen und dadurch bearbeitet wird, daß das Rohr auf einem Innendorn oder Formkörper gewalzt wird. Am Ende wird das Rohr in einem Ofen erwärmt, um eine gleichmäßige Gefüge entspannung zu erzielen. Die wiederholte Walzbearbeitung des Rohres auf einem Dorn führt jedoch zur Ausbildung von axial verlaufenden Haarrissen in der Innenoberfläche der Rohrwand, die sich aufweiten, wenn das Rohr einem hohen Innendruck ausgesetzt wird, so daß weitere Folgeschäden durch radiale Kavitation hervorgerufen werden können.
Um dies zu vermeiden, ist es erforderlich, die Innenoberfläche des Rohres glatt zu machen. Mit den herkömmlichen Herstellungsmethoden ist es jedoch nicht möglich, Rohrinnenoberflächen mit einem Grad an Glätte zu erzeugen, der notwendig wäre, damit die Rohre den Hochdruckbeanspruchungen widerstehen, die von der modernen Technologie gefordert werden, mit dem Ergebnis, daß solche Rohre der Gefahr unterliegen, bei Druckbeanspruchung zu versagen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Rohr für Hochdruckflüssigkeit zu schaffen, welches hohen Innendrucken besser widersteht, und bei welchem eventuelle Haarrisse unter Innendruckbeanspruchung nicht zu Schäden führen. Aufgabe der Erfindung ist es ferner, ein Verfahren zur Herstellung solcher Rohre anzugeben.
Das angestrebte Rohr für Hochdruckflüssigkeiten ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß das Metall an seiner Außenoberfläche unter bleibender Zugspannung und das Metall an seiner Innenoberfläche unter bleibender Druckspannung steht.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen solcher Rohre besteht darin, daß das Rohr an seiner Außenoberfläche erwärmt und in seinem Inneren durch Beaufschlagen mit einem Kühlmittel gekühlt wird.
Durch die Erfindung werden die oben erwähnten Probleme, die bei herkömmlichen Hochdruckrohren auftreten, beseitigt und eine radiale Kavitation vermieden, die bei bekannten Rohren dadurch entstand, daß der hohe Innendruck innerhalb der Rohre auf die axial verlaufenden Haarrisse in der Innenoberfläche der Rohrwand wirkte. Durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen weist das Rohr eine wesentlich höhere Widerstandsfähigkeit und Belastbarkeit auf, und dieser Gewinn wird erzielt, ohne die Rohrdicke zu erhöhen oder den Werkstoff zu ändern bzw.
eine aufwendige Behandlung des Werkstoffes durchzuführen.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird ein Metallrohr aus Stahl oder rostfreiem Stahl (z.B. ST35 oder SUS304L) mit einer verhältnismäßig großen Wanddicke von etwa 2,2 bis 12 mm und einem Außendurchmesser von weniger als 50 mm, im allgemeinen von 6,0 bis 35 mm, wie es auch in herkömmlicher Weise Anwendung gefunden hat, an seiner Außenoberfläche an einer Mehrzahl von Stellen entlang seiner Länge vorzugsweise auf die Umwandlungstemperatur des Metalles erwärmt, wobei es relativ zu der Wärmequelle fortbewegt werden kann, welche beispielsweise eine Hochfrequenz-Induktionsheizeinrichtung oder jede andere herkömmliche Art von Wärmequelle sein kann. Gleichzeitig mit oder so schnell wie möglich nach der Wärmebehandlung wird das Rohr innen mit einem Kühlmedium beaufschlagt, welches die Innenoberfläche des Rohres kühlen soll. Als geeignete Kiihlmedien können Wasser, wässrige Lösungen von Äthylenglykol oder Glycerin, Butanol enthaltende Gase, Luft oder verflüssigtes Kohlendioxid verwendet werden. Falls das Metallrohr versehentlich auf eine Temperatur oberhalb der Umwandlungstemperatur erwärmt wird, erfährt der Werkstoff eine bleibende Gefügeumwandlung, wobei die mit der Erfindung erzielten Wirkungen nicht erreicht werden können. Bei richtiger Behandlung bilden sich in dem Metallrohr jedoch bleibende Spannungen aus, und zwar Zugspannungen an der Außenoberfläche des Rohres und Druckspannungen an der Innenoberfläche des Rohres.
Die Ausbildung dieser Spannungsverteilung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren läßt sich durch Analogie zu einem doppelwandigen Rohr erklären, welches aus zwei Rohren besteht, von denen das eine auf das andere aufgeschrumpft ist. Dabei entsteht eine bleibende Zugspannung in dem äußeren Rohr, welche der Dehnung entspricht, die das äußere Rohr beim Aufschrumpfen erfährt, während das innere Rohr unter eine Druckspannung gesetzt wird, die der Zugspannung im äußeren Rohr das Gleichgewicht hält. Wenn andererseits eine flache Versuchsplatte an ihrer einen Fläche erhitzt und an der anderen Seite mittels Wasser gekühlt wird, so wirft sie sich zu der gekühlten Seite hin als Folge von der unterschiedlichen Metallausdehnung. Wenn danach die Erwärmung unterbrochen, das Kühlen der anderen Seite aber fortgesetzt wird, erholt sich die Versuchsplatte langsam wieder, aber auch nach vollständiger Abkühlung behält die eine Seite eine bleibende Dehnung.
Es kann angenommen werden, daß sich eine kreisförmige Wand in ähnlicher Weise benehmen würde, bedingt durch den kreisförmigen Querschnitt kann sich jedoch keine bleibende Dehnung oder auch nur Verwerfung ausbilden. Anstatt dessen werden bleibende Spannungen aufgebaut, die in ihrer Höhe im wesentlichen der bleibenden Dehnung entsprechen, die in einer gleichwertigen flachen Platte auftreten würde, die den gleichen Behandlungsbedingungen unterworfen worden ist. Als bleibende Spannungen steten sich eine Zugspannung an der erwärmt gewesenen Außenoberfläche und eine Druckspannung an der Innenoberfläche ein, welche gekühlt wurde.
Im folgenden wird die Erfindung anhand einiger Ausführungsbeispiele noch näher erläutert.
Beispiel 1 Proberohre aus STS35 mit einem Außendurchmesser von 34,0 mm und einer Dicke von 5,0 mm wurden so behandelt, wie dies in der nachfolgenden Tabelle 1 angegeben ist. Die Prüfergebnisse entsprachen den Werten, die in Tabelle 2 wiedergegeben sind.
Tabelle 1 Art der Aufheiz- Vorschubge- Kühlwasser-Probe Erwärmung temperatur schwindigkeit durchsatz C m/Min. 1/Min.
Hochfrequenzinduktion 600 1,1 10 Am " 600 1,1 10 ganzen ?1 750 0,7 15 Umfang erwärmt II 750 0,7 15 II 750 0,7 15 Brenner 550-600 0,6 7 In vier " 550-600 0,6 7 Bereichen " 700-750 0,4 10 erwärmt 700-750 0,4 10 unbehandelt (4+) Tabelle 2 Breite der Schleif- Aufweitung Berstdruckscheibe (1+) Berstdreck rmmi verhältnis (mm) (kg/cm) (mm) 0,5 1370 0,74 1,07 0,5 1390 0,60 1,09 0,5 1500 0,93 1,17 0,5 1540 1,02 1,20 0,5 1480 O,g0 1,1 6 0,5 1340 0,80 1,04 0,5 1390 0,85 1,08 0,5 1410 1,05 1,10 0,5 1390 1,05 1,08 0,5 1450 1,10 1,13 0,5 1280 0,01 1,00 Erläuterungen: 1+ "Breite der Schleifscheibe" ist die Breite derjenigen Schleifscheibe, die benutzt wurde, um das Metallrohr über eine bestimmte Länge aufzutrennen; Mit 2 Mit "Aufweitung" ist die Differenz zwischen der tatsächlichen Breite des Einschnittes nach der Druckprüfung und der Breite der Schleifscheibe bezeichnet. Da das Verhältnis von der Dicke t zum Außendurchmesser D beim weiter unten beschriebenen Beispiel 2 einen höheren Wert annimmt, konnte die Form des Trennschlitzes parallel ausgeführt werden, so daß die unter "Aufweitung" angegebenen Ergebnisse jeweils der Mittelwert aus den Messungen an der Innen- und Außenoberfläche sind; 3+ Das Berstdruckverhältnis ist das Verhältnis des tatsächlichen Berstdruckes bei einem erfindungsgemäßen Rohr zum entsprechenden Berstdruck bB einem unbehandelten Rohr; f Die Ergebnisse für die unbehandelten Rohre sind Mittelwerte aus Messungen an fünf Proben.
Beispiel 2 Proberohre aus dem gleichen Material wie bei Beispiel 1, aber mit einem Außendurchmesser von 6,0 mm und einer Dicke von 2,0 mm wurden behandelt wie in Tabelle 3 angegeben. Die zugehörigen Prüfergebnisse sind in Tabelle 4 enthalten.
Tabelle 3 Art der Aufheiz- Vorschubge- Kühlwasser-Probe Erwärmung temperatur schwindigkeit durchsatz C m/Min. 1/Min.
Hochfrequenzinduktion 750 1,0 1 Am ganzen " Umfang 11 750 1,0 1 erwärmt 750 1,0 1 unbehandelt Tabelle 4 Breite der Schleifscheibe Berstdru k Aufweitung Berstdruck-(mm) (kg/cm ) (mm) verhältnis 0,5 4510 0,07 1,19 0,5 4560 0,06 1,21 0,5 4550 0,06 1,20 0,5 4560 0,07 1,21 0,5 4620 0,07 1,22 0,5 3780 0,01 1,00 Beispiel 3 Proberohre aus Metall, und zwar aus dem Stahl SUS30lFL mit einem Außendurchmesser von 34,0 mm und einer Dicke von 3,5 mm wurden entsprechend Tabelle 5 behandelt. Die erzielten Prüfergebnisse sind in Tabelle 6 wiedergegeben.
Tabelle 5 Art der Aufheiz- Vorschubge- Kühlwasser-Probe Erwärmung temp#ratur schwindigkeit durchsatz C m/Min. 1/Min.
Hochfrequenz-Am induktion 750 0,6 15 ganzen ~ 750 0,6 15 Umfang !1 750 0,6 15 erwärmt 750 0,6 15 Brenner 700-750 0,6 10 In vier I1 700-750 0,6 10 Bereichen erwärmt I1 700-750 0,6 10 700-750 0,6 10 unbehandelt Tabelle 6 Breite der Schleifscheibe Berstdr#ck Aufweitung Berstdruck-(mm) (kg/cm2) (mm) verhältnis 0,5 1610 0,66 1,09 0,5 1700 0,71 1,15 0,5 1700 0,73 1,15 0,5 1650 0,61 1,11 0,5 1690 0,69 1,14 0,-5 1580 0,81 1,07 0,5 1610 0,85 1,09 0,5 1650 0,89 1,11 0,5 1600 0,90 1,08 0,5 1560 0,85 1,05 0,5 1480 0,01 1,00 Die vorhergesagte Verteilung an bleibenden Zug- und Druckspannungen in der Nähe der Außenseite und der Innenseite der Rohrwand wird durch den Gewinn an Berstfestigkeit der Proben bestätigt, die in den obigen Beispielen aufgeführt sind. Diese Spannungsverteilungen bestätigen sich gleichzeitig auch ohne Schwierigkeit aus den unterschiedlichen Au£weitungen der geschlitzten Abschnitte.
Es ist somit möglich, eine Verteilung bleibender Spalmungen in den Rohren derart zu erzeugen, daß bleibende Zugspannungen im Bereich der Außenoberfläche der Rohrwand und Druckspannungen im Bereich der Innenoberfläche der Rohrrand erhalten werden, und dies durch ein verhältnismäßig einfaches Verfahren, ohne die Dicke des Rohres zu erhöhen, den verwendeten Werkstoff zu ändern oder eine aufwendige Behandlung durchzuführen. Die Ergebnisse der Versuche haben gezeigt, daß der Berstwiderstand gegenüber Vergleichsrohren bis zu 21 % verbessert werden kann, und zwar insbesondere durch die Wirkung der bleibenden Druckspannungen in der Nähe des Innenumfangs. Dieser Gewinn ist nicht nur auf eine Verminderung der Wirkung des Innendruckes auf die Haarrisse, sondern auch auf eine Verbesserung der Rohrfestigkeit insgesamt zurückzuführen.

Claims

Rohr für Hochdruäkflüssigkeit und Verfahren zu dessen Herstellung Patentansprüche @ Rohr für Hochdruckflüssigkeit, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall an seiner Außenoberfläche unter bleibender Zugspannung und das Metall an seiner Innenoberfläche unter bleibender Druckspannung steht.
2. Rohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es einen Außendurchmesser von 6,0 bis 35 mm und eine Dicke von 2,2 bis 12 mm aufweist.
3. Rohr nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß es einen Außendurchmesser von 6,0 bis 34 mm und eine Dicke von 2,0 bis 5,0 mm aufweist.
4. Rohr nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß es aus einem. Werkstoff vom Typ STS35 oder SUS304L besteht.
5. Verfahren zum Herstellen eines Rohres für Hochdruckflüssigkeit, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr an seiner Außenoberfläche erwärmt und in seinem Inneren durch Beaufschlagen mit einem Kühlmittel gekühlt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenoberfläche des Rohres bis zur Gefügeumwandlungstemperatur des Werkstoffes erwärmt wird, aus dem das Rohr besteht.
7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenoberfläche des Rohres über den gesamten Umfang mittels einer Hochfrequenz-Induktionsheizeinrichtung erwärmt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Erwärmen an mehreren Stellen entlang der Rohrlänge erfolgt.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß als Kühlmedium Wasser verwendet wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß als Kühlmedium eine wässrige Lösung von Äthylenglykol, eine wässrige Lösung von Glycerin, Butanol, Luft oder flüssiges Kohlendioxid verwendet wird.
11. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlwasser in eine Seite des Rohres mit Durchsatzmengen von 1 bis 15 1/Min. eingeleitet wird.
12. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr mit einer Vorschubgeschwindigkeit von 0,4 bis 1,1 m/Min.

durch die Hochfrequenz-Induktionsheizeinrichtung bewegt wird.
13. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr mit einer Vorschubgeschwindigkeit von 0,4 bis 0,6 m/Min.

fortbewegt wird.
14. Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 5 bis 13 auf Rohre aus metallischen Werkstoffen vom Typ STS35 oder SUS304L.
15. Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 5 bis 13 auf metallische Rohre mit einem Außendurchmesser von 6,0 bis 35 mm und einer Dicke von 2,2 bis 12 mm.