DE3015577A1

DE3015577A1 - Verfahren zur befestigung eines rohres in einer rohrplatte durch explosionsschweissen und sprengladung zum durchfuehrung des verfahrens

Info

Publication number: DE3015577A1
Application number: DE19803015577
Authority: DE
Inventors: Jaakko Dr Ing Autio; Pentti Dr Ing Kettunen; Toivo Dr Ing Lepistoe; Pekka Dipl Ing Palonen
Original assignee: Ahlstrom Corp
Current assignee: Ahlstrom Corp
Priority date: 1979-04-26
Filing date: 1980-04-23
Publication date: 1980-10-30
Also published as: SE8002725L; DK181280A; FR2454856A1; NO801206L; FI791359A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Befestigen eines Rohres in einer Rohrplatte durch Explosionsschweißen und eine Sprengladung zum Durchführen des Verfahrens, welches insbesondere für Rohre bestimmt ist, deren Wandstärke bzw. Wanddicke im Verhältnis zum Durchmesser groß ist.

Das Explosionsschweißen ist ein Verfahren, bei welchem die Verbindung hauptsächlich in einem festen Zustand vor sich geht. Dies erleichtert beispielsweise das Schweißen von Metallen mit sehr verschiedenen Schmelztemperaturen. Das Verfahren kann jedoch auch zum Verbinden von Flächen in einer nur einfachen Form angewandt werden. Bezeichnende bzw. typische Anwendungen sind das Beschichten von Platten sowie das Verbinden von Rohren.

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Das Explosionsschweißen wird herbeigeführt bzw. ausgeführt, indem die zu verschweißenden Stücke zum schiefen bzw. schrägen flächigen Zusammentreffen gegeneinander mit großer Geschwindigkeit gebracht werden. Unter dem großen Druck, der an der Stelle des Zusammentreffens auftritt, verhält sich Metall flüssigkeitsgleich bzw. gleich einer Flüssigkeit. Bei einer gewissen Geschwindigkeit der Zusammentrefffront wird ein Metallstrahl· von Teilen benachbarter Flächen gebildet. Der Metallstrahl entfernt die Haut auf der Fläche des Metalls. Die sauberen Metallflächen werden gegeneinandergepreßt bzw. gedrückt und verschweißt. Die große Geschwindigkeit des Zusammentreffens bzw. des Zusammenstoßens, welche bei dem Verfahren verlangt wird, wird durch die Verwendung von einem Sprengstoff als Energiequelle erreicht.

Die durch Explosionsschweißung zu verbindenden Stücke werden mit den zu verschweißenden Oberflächen gegeneinander gelegt und haben einen sogenannten Beschleunigungsabstand bzw. Abstandsstrecke voneinander. Die Flächen können zueinander parallel angeordnet werden, in welchem Fall der Ausdruck "parallele Geometrie" verwandt wird, oder in einem geringem Winkel, in welchem Fall der Ausdruck "Winkelgeometrie" verwandt wird. Die Sprengladung ist auf der Rückfläche des anderen Stückes angeordnet und der Explosionsdruck bringt <3ie_ Flächen zum Gegeneinander treffen, wobei unter gewissen Umständen eine Verschweißung eintritt bzw. vor sich geht. Das Aufeinandertreffen erfolgt nicht über die ganze Fläche zur gleichen Zeit, sondern pflanzt sich als Auftreffront mit der Detonationsfront über die Flächen fort, die verschweißt

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werden sollen, wobei die Fortpflanzung von dem Zündpunkt der Sprengladung ausgeht.

Es ist möglich, zwei Metallstücke miteinander metallurgisch zu verbinden, wenn die Teilchen der Stücke, die verbunden werden sollen, in einem solch' engen bzw. innigen Kontakt miteinander gebracht werden, daß die Kräfte zwischen den Teilchen ausgeglichen sind und ein Teilchenband bzw. atomares Band bilden. Die Metallflächen sind jedoch häufig mit einer dünnen Haut von Oxyden, Nitriden und absorbierten Gasen bedeckt, welche den unmittelbaren Kontakt der Metallteilchen der Begrenzungsflächen miteinander verhindern. Bei allen Schweißverfahren muß die Schicht bzw. Außenhaut entfernt werden und müssen die Flächen der zu verbindenden Stücke in unmittelbarem Kontakt miteinander gebracht werden.

Bei der Schmelzschweißung werden die zu verbindenden Flächen geschmolzen bzw. angeschmolzen, indem.entweder zusätzliches Material verwandt wird oder ohne ein solches, wobei Haut an der Oberfläche als Schlacke entfernt wird. Die Schmelze ermöglicht eine Vermischung der Teilchen der Metalle, welche verbunden werden sollen.

Beim Explosionsschmelzen wird die schädliche Haut an der Fläche durch den Metallstrahl entfernt, der erzeugt wird, wenn die zu verbindenden Flächen gegeneinander stoßen bzw. zusammentreffen. Die kräftige Verformung der zu verbindenden Flächen, welche durch das Erzeugen des Strahles hervorgerufen wird, zerreißt bzw. zerstört die Haut an der Oberfläche, welche

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ganz oder teilweise durch den Strahl entfernt wird. Wenn die Aufprallfront bzw. Zusammentrefffront sich fortpflanzt, werden die neuen gereinigten Flächen gegeneinander gedrückt bzw. gegeneinandergepreßt und wird ein metallurgisches Band über die Begrenzungsflächen gebildet. Wenn die Schweißparameter (Beiwerte) günstig ausgewählt sind, ist die Schweißbegrenzungsfläche infolge des veränderlichen Flusses bzw. der veränderlichen Zusammentreffstelle gewellt bzw. wellenartig. Auch andere Formen von reinem, metallurgischem Schweißen sind durchführbar.

Wie es vorangehend erklärt ist, ist es, obwohl keine entsprechende Voraussetzung des Schweißens notwendig, daß ein Metallstrahl an dem Punkt bzw. an der Stelle des Zusammentreffens der zu verbindenden Flächen erzeugt wird. Das Erzeugen des MetallStrahles hängt von dem Druck und der Verteilung an der Stelle bzw. dem Punkt des Zusammentreffens ab.

Eine Erzeugung des Strahles ist möglich, wenn die Fortpflanzungsgeschwindigkeit der Zusammentreffront kleiner als die sogenannte Größe der Schallgeschwindigkeit C₀ in dem zu schweißenden Material ist. Der empfohlene Wert der Geschwindigkeit der Fortpflanzungsfront ist 1/2C_Q bis 2/3C_o.

Eine andere Voraussetzung für das Schweißen besteht darin, daß der Winkel des Zusammentreffens und die Geschwindigkeit des Zusammentreffens in einem gewissen Hang bzw. einer gewissen Ordnung verbleiben.

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Die Detonationsgeschwindigkeit und der Betrag der Sprengladung muß gewählt werden, um die Forderungen an die Schweißbarkeit zu erfüllen. Hier müssen auch die Materialeigenschaften und die Geometrie der Verbindung berücksichtigt werden.

Beim Entwickeln bzw. Nutzbarmachen des Verfahrens nach der Erfindung werden bei Hochdruckwärmeaustauschern auftretende Probleme im einzelnen berücksichtigt. Rohre die i_m Verhältnis zu ihrem Durchmesser dicke Wände aufweisen und welche in Rohrplatten befestigt oder bei diesen Wärmeaustauschern verwandt werden, sind die Anforderungen an die Dicke bzw. Stärke der Verbindung sind sehr genau bzw. strikt. Gewöhnlich sind die Rohre in den Platten durch Anbringen des Endes des Rohres beispielsweise durch Schweißen befestigt. Die Länge der Verbindung beträgt meistens 2 bis 3 mm vom Rohrende. Es ist nachgewiesen, daß es schwierig ist, eine gleichmäßige Dicke bzw. Stärke zu erzielen. Darüberhinaus wird ein großer thermischer Beanspruchungsstoß bei einer solchen kurzen Verbindung erzeugt, welcher das Entstehen einer Leckstelle bzw. einer Undichtigkeit begünstigt. Beim Schweißen der Außenfläche des Rohres an die Fläche der Bohrung in der Platte durch Explosionsschweißen kann die Länge der Verbindung vergrößert werden. Bei einer langen Verbindung sind die Temperaturwechsel gleichmäßig und ist der thermische Beanspruchungsstoß gemindert. Zur gleichen Zeit ist die Dichtheit der Verbindung entscheidend bzw. in entscheidender Weise verbessert.

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Um eine lange Schweißverbindung zu erzeugen, ist die sogenannte Parallelgeometrie anzuwenden, bei welcher bzw. in welchem Fall die Bohrungen in der Platte zylindrisch sind. Da die Viand des verwandten Rohres im Verhältnis zum Durchmesser des Rohres dick ist, ist es schwierig, den Anforderungen zur Herstellung einer Schweißung bzw. einer Schweißnaht Rechnung zu tragen. Insbesondere macht das Einhalten des Winkels des Zusammentreffens große Schwierigkeit. Der Grund hierfür ist weiter unten erklärt.

Da die Wand des Rohres recht dick ist, ist eine Menge an Energie erforderlich, um das Rohr aufzuweiten und der Wand eine entsprechende Geschwindigkeit des Zusammentreffens zu geben. Dies ist möglich, wenn eine starke Ladung verwendet wird, d. h. eine große Menge von niedriger Sprengenergie oder eine kleine Menge von hoher Sprengenergie. Eine niedrigere Sprengenergie kann jedoch nicht verwandt werden, da bzw. wenn der innere Durchmesser des zu schweißenden Rohres kleiner als der kritische Durchmesser der niedrigeren Explosionsenergie, d. h. der Mindestdurchmesser der Ladung ist, mit welcher die Detonation durchführbar ist. Die Sprengstoffe, deren kritischer Durchmesser entsprechend klein ist, sind im allgemeinen von großer bzw. hoher Energie. Die Detonationsgeschwindigkeit dieser Stoffe ist jedoch meist höher als das Ausmaß der Schallgeschwindigkeit des zu schweißenden Metalls, womit gemeint ist, daß die

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Fortpflanzgeschwindigkeit der Zusammentreffront im Falle einer Parallelgeometrie zu groß wird. Die Detonationsgeschwindigkeit einer hohen bzw. großen Sprengstoffenergie kann durch die Zugabe inerter Ingrediensien herabgesetzt werden. Jedoch ist es möglich, die Detonationsgeschwindigkeit auf diese Weise herabzusetzen, indem die vorausgesetzten Energieforderungen sich einer sehr dicht gepackten Ladung bzw. Charge bedienen, die wiederum die Detoniergeschwindigkeit erhöht. Deshalb verbleibt das Problem eines zu kleinen Zusammentreffwinkels in Folge einer zu großen Detonationsgeschwindigkeit.

Das Problem des Zusammentreffwinkeis kann vermieden werden, indem die sogenannte Winkelgeometrie an dieser Stelle bzw. an diesem Punkt angewandt wird. Die Bohrung in der Platte muß dann konisch sein. Ein Sprengstoff von hoher bzw. großer Detonationsgeschwindigkeit kann so ohne das Risiko einer zu großen Fortpflanzungsgeschwindigkeit der Zusammentref front oder eines zu schmalen bzw. kleinen Winkels des Zusammentreffens angewandt werden. Andererseits ist es nicht möglich, eine lange Schweißstelle auf diesem Wege zu erreichen, da die Bildung einer Schweißnaht nur in dem konischen Teil der Bohrung möglich ist. Wenn der konische Teil recht lang ist, ist der Durchmesser des Bohrmundes zu groß und läßt entweder das zu schweißende Rohr bei der Explosion reißen oder es wird in Folge der zu großen

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Geschwindigkeit des Zusammentreffens die Güte der Schweißnaht herabgesetzt.

Auch wenn es möglich wäre, die Forderungen hinsichtlich der Länge der Verbindung herabzusetzen, würde die Steigung der Bohrungen in Folge des konischen Teils der Bohrung eine Vergrößerung erfahren müssen, welche ihrerseits die Dimensionierung des ganzen Wärmeaustauschers vergrößern würde.

Die Herstellung der geforderten Bohrung bei der Verwendung der Parallelgeometrie ist einfacher als die Herstellung durch die Winkelgeometrie. Die herabgesetzten Bearbeitungskosten sind ein Vorteil der Parallelgeometrie zusätzlich zu der Länge der erzielbaren Schweißnaht. Wenn die Herstellung des ganzen Wärmeaustauschers berücksichtigt wird, ist es ein anderer bemerkbarer Vorteil, daß die Steigung des Rohres unverändert bleibt.

Es ist ein Ziel der Erfindung, ein Verfahren zu schaffen, durch welches die vorerwähnten Schwierigkeiten überwunden werden können. Es ist ein charakteristisches bzw. augenfälliges Merkmal des Verfahrens, daß die Explosion in einer solchen Weise durchgeführt wird, daß die Detonationsgeschwindigkeit in Richtung der Fortpflanzung der Detonation abnimmt. Auf diese Weise kann der Zusammentreffwinkel künstlich größer genommen werden, als es der Fall ist, wenn die Detonationsgeschwindigkeit konstant bzw. stetig ist.

Es ist ein charakteristisches bzw. augenfälliges Merkmal der Sprengladung zur Durchführung

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des Verfahrens, daß sie mit einem Sprengstoff gefüllt ist, dessen Detonationsgeschwindigkeit in Richtung des Fortpflanzens der Detonation
kleiner wird. Die meist bevorzugte Ladung ist eine Ladung deren Dichte stufenweise fortschreitend in der Richtung der Fortpflanzgeschwindigkeit der Detonation kleiner wird. Um die Herstellung zu vereinfachen, kann die Ladung aus zwei
Teilen bestehen, von denen der erste eine
größere Dichte der Ladung aufweist als der
zweite.

Die Erfindung ist in der folgenden Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung näher beschrieben, die ein Ausführungsbeispiel der Erfindung veranschaulicht.

Fig. 1 ist der Längsschnitt einer Sprengladung zum Durchführen des Verfahrens nach der Erfindung.

Fig. 2 verdeutlicht, wie die Detonationsgeschwindigkeit bei der Sprengladung wechselt bzw. schwankt.

In Fig. 1 bezeichnet das Bezugszeichen 1 eine Rohrplatte, in welcher sich eine Bohrung befindet, die aus zwei Teilen besteht. Die Länge des Teils 2 der Bohrung mit einem größeren Durchmesser hängt von der Länge des Teils des Rohres ab, welcher metallurgisch an die Rohrplatte
angeklebt oder angeschweißt ist. Das Ziel
des Teils 3 der Bohrung mit einem kleineren
Durchmesser besteht darin, es zu sichern, daß das Rohr 4 konzentrisch in der Bohrung 8

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angeordnet ist. Eine Sprengladung 5 umfaßt eine Sprengkapsel 6, einen ersten Teil 7 einer Bodenladung und einen zweiten Teil 8 der Bodenplatte . Beide Teile enthalten den gleichen Explosivstoff bzw. Sprengstoff, jedoch ist die Dichte der Ladung bei dem ersten Teil höher bzw. größer als bei dem zweiten Teil. Die Sprengladung wird elektrisch mit Hilfe einer Zündvorrichtung 9 gezündet, welche einen Feuerstrahl aussendet, wodurch die Sprengkapsel gezündet wird. Als Sprengstoff für die Sprengkapsel ist brennbares Bleioxyd verwandt. Von der Sprengkapsel wird die Detonation zu der Bodenladung übertragen. Die Detonationsgeschwindigkeit des ersten Teils der Bodenladung ist wegen der größeren Dichte der Ladung größer als die der zweiten Ladung. Um das Hantieren der Sprengladung zu erleichtern, sind alle deren Komponenten in einer Kartusche mit einem Kragen gesammelt, der die axiale Lage der Kartusche gegenüber dem Rohr bestimmt. Vor dem Schweißen des Rohres in der Rohrplatte kann der Außendurchmesser des zu schweißenden Teils herabgesetzt sein, um so die Masse des Materials zu verringern, die bei der Expansion bzw. der Ausdehnung des Rohres bewegt wird, wordurch auch die Größe bzw. Weite des Teils 2 mit einem größeren Durchmesser verringert werden kann.

Beispiel.

Bei einen Wärmeaustauscher ist der Druck auf der einen Seite des Gehäuses 25,4 MPa und auf der Seite der Rohre 38,5 MPa. Die

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Temperatur beträgt 200⁰C. Die Rohre von einem Durchmesser φ 17,2 χ 2,9 mm werden mit der 200 mm starken bzw. dicken Rohrplatte unter Verwendung des Verfahrens nach der Erfindung verschweißt. Der Außendurchmesser des Teils der Rohre, welcher geschweißt werden soll, war auf φ 15,7 mm durch Drehen bzw. Abdrehen verringert. Die Seite des Teils der Bohrung mit einem größeren Durchmesser betrugt φ 19,2 χ 100 mm. Als Sprengstoff wurde eine Mischung von Penthrit verwandt. Die Dichtung der Ladung des ersten Teils der Bodenladung mit einer Länge von 35 mm war 1,0 g/cm^ und die des zweiten Teils mit einer Länge von 72 mm war 0,6 g/cm^. Die Detonationsgeschwindigkeit der Bodenladung nahm in der Richtung der Fortpflanzung der Explosion ab, wie es in Fig. 2 gezeigt ist.

Die Erfindung ist nicht auf die beschriebene Ausführungsform beschränkt. Verschiedene Sprengstoffe können beispielsweise bei verschiedenen Teilen der Bodenladung verwandt werden. ·

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Claims

Patentansprüche.

( V. Verfahren zum Befestigen eines Rohres in einer Rohrplatte durch Sprengschweißen bzw. Explosxonsschwexßen, dadurch gekennzeichnet, daß die Explosion bzw. Detonation in einer solchen Weise durchgeführt wird, daß die Explosionsbzw. Detonationsgeschwindigkeit in Richtung der Fortpflanzung der Explosion bzw. Detonation abnimmt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Detonations- bzw. Explosionsgeschwindigkeit in Schritten bzw. stufenweise abnimmt.
3. Sprengladung zum Durchführen des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

sie einen Sprengstoff enthält, dessen Detonationsgeschwindigkeit in der Richtung des Fortpflanzens der Detonation abnimmt.

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4. Sprengladung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ladung einen Sprengstoff enthält, dessen Ladungsdichte, in Richtung des Fortpflanzens der Detonation abnimmt.
5. Sprengladung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichte der Sprengladung in Schritten bzw. Stufen abnimmt.
6. Sprengladung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Sprengladung zwei Teile umfaßt und daß die Dichte der Ladung in dem ersten Teil in Beziehung zur Fortpflanzung der Detonation höher bzw. größer als der zweite ist.

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