DE3327529A1

DE3327529A1 - Verfahren und vorrichtung zur befestigung einer metallenen futterhuelse in einem metallenen rohr durch stoffschluessige verbindung

Info

Publication number: DE3327529A1
Application number: DE19833327529
Authority: DE
Inventors: Arthur F. Monroeville Pa. Jacobs; Richard M. Delmont Pa. Kobuck; Israel Monroeville Pa. Stol
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1982-08-18
Filing date: 1983-07-30
Publication date: 1984-02-23
Also published as: ES8607083A1; FR2531890A1; CA1226423A; ES525000A0; GB2128528A; SE8304197D0; GB8320804D0; FR2531890B1; GB2128528B; SE8304197L

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Befestigung einer metallenen Futterhülse in einem metallenen Rohr durch Stoffschlüssige Verbindung, insbesondere durch Einschweißen oder Harteinlöten.

Ein Hauptanwendungsgebiet der Erfindung ist die Befestigung der Rohre eines Rohrbündel-Wärmetauschers

im Rohrboden.

Bei Rohrbündel-Wärmetauschern werden die Rohre des Wärmetauschers von einem ersten Medium, normalerweise dem Heizmedium, durchströmt, während ein zweites Medium, gewöhnlich das beheizte Medium, die Rohraußenwandflächen des Rohrbündels umströmt, so daß ein Wärmeaustausch zwischen den beiden Medien stattfindet. Dabei kann es natürlich auch vorkommen, daß am einen oder anderen Rohr des Rohrbündels ein Defekt auftritt, derart, daß ein Leck entsteht, so daß in gewissem Maße ein Austritt

des einen Mediums aus dem Rohrbündel in das andere .'iedium hinein und eine Vermischung dieser beiden Medien auftreten kann. In diesem Fall ist es manchmal erforderlich, entweder das betreffende defekte Rohr völlig zu verschließen, so daß es überhaupt nicht mehr durchströmt werden kann, oder das Rohr zur Beseitigung der Leckstelle zu reparieren.

Bei Kernkraftanlagen werden die Rohrbündel-Wärmetauscher gewöhnlich als Dampferzeuger bezeichnet. Wenn in einem Rohr eines solchen nuklearen Dampferzeugers ein Defekt in Form einer Leckstelle auftritt, so daß Primärkühlmittel aus dem betreffenden Rohr in das Sekundärkühlmittel austreten kann, das die Rohraußenwandflächen umspült, tritt ein wesentlich bedeutenderes Problem auf, da dann nicht nur eine Verschlechterung des Wärmetauscherwirkungsgrades, sondern das Problem der radioaktiven Kontaminierung des Sekundarkühlmittels auftritt. Da das die Rohre des nuklearen Dampferzeugers durchströmende Primärkühlmittel gewöhnlich radioaktiv ist, ist es äußerst wichtig, daß es nicht aus den Rohren auslecken und das die Rohre des Rohrbündels an ihren Außenwandflächen umspülende Sekundärkühlmittel kontaminieren kann. Wenn also in einem Wärmetauschrohr eines nuklearen Dampferzeugers ein Leck auftritt, muß das betreffende Rohr entweder verschlossen oder repariert werden, damit sichergestellt ist, daß ein Austritt von radioaktivem Primärkühlmittel durch das defekte Rohr in das umgebende Sekundärkühlmittel und dessen Kontaminierung unterbleibt.

Zur Reparatur von Wärmetauschrohren sind bereits verschiedene Methoden bekannt, wobei jedoch viele dieser bekannten Methoden zur Reparatur schlecht zugänglicher Wärmetauschrohre nicht anwendbar sind. Beispielsweise stellen bei einem nuklearen Dampferzeuger die räumliche Unzugänglichkeit defekter Wärmetauschrohre einerseits und die radioaktive Verstrahlung der Umgebung dieser Wärme-

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tauschrohre andererseits ganz besondere Probleme hinsichtlich der Reparatur solcher Wärmetauschrohre dar, die bei gewöhnlichen Wärmetauschern normalerweise nicht vorliegen. Aus diesen Gründen sind bereits spezielle Methoden zur Reparatur von Wärmetauschrohren in nuklearen Dampferzeugern entwickelt worden.

Bei einem typischen, zur Reparatur eines Wärmetauschrohres in einem nuklearen Dampferzeuger verwendeten Verfahren wird eine metallene Putterhülse, deren Außendurchmesser geringfügig kleiner als der Innendurchmesser des defekten Rohres ist, in das defekte Rohr eingesetzt und in diesem so befestigt, daß er den defekten Bereich des Rohres überbrückt. Die bisherige Entwicklungsarbeit an dieser Reparaturmethode unter Vervrendung einer Putterhülse hat sich wesentlich mit der Herstellung einer leckdichten Verbindung zwischen der Futterhülse und dem Rohr durch Hartlöten, Lichtbogenschweißen, Explosionsschweißen oder andere Verbindungsmaßnahmen befaßt. Infolge der Notwendigkeit von Sauberkeit, engen Passungen, Warmeanwendung und atmosphärischer Steuerung bringen diese metallurgischen Verbindungsverfahren Probleme mit sich, die an solchen Arbeitsstellen, wie beispielsweise an einem nuklearen Dampferzeuger, wo die Zugänglichkeit für Menschen beschränkt ist, nicht leicht zu lösen sind.

Bei einem bereits vorgeschlagenen Verfahren zum Harteinlöten einer Futterhülse ist es notwendig, das Hartlotmetall zu erwärmen, um die Hartlötverbindung zwischen der Futterhülse und dem Rohr herzustellen. Eine Möglichkeit zur Erwärmung des Lotmaterials ist die Einführung eines Heizgeräts in die Futterhülse, um die Futterhülse und das Lotmaterial von innen zu erwärmen. Wegen der Unzugänglichkeit des Arbeitsbereichs, des Energiebedarfs, des Heizgeräts und der Notwendigkeit nach einer sorgfältigen Steuerung

der Lötzeiten und Löttemperaturen wird bei einem solchen Verfahren ein besonders gestalteter Innenhartlötstab verwendet.

Bei Schweißverfahren zum Einschweißen von Futterhülsen in Rohre von Wärmetauschern vom Rohrinneren aus treten besondere Probleme auf, die gelöst werden müssen, um eine dichte Schweißverbindung zwischen der Futterhülse und dem Rohr zu erhalten. Beispielsweise wird die Futterhülse gewöhnlich in satte Anlage mit der Rohrinnenwandung aufgeweitet, um eine ausreichende Berührungsfläche zwischen der Futterhülse und der Rohrwand zum Hartlöten oder Schweißen zu erhalten. Jedoch ist es trotz dieser Aufwertung der Futterhülse in Anlage an das Rohr nicht immer möglich, eine gleichförmige Berührung zwischen der Futterhülse und der. Rohr zu erreichen. Beim Arbeiten mit einem inneren Schweißlichtbogen kann eine solche nichtgleichförmige Berührung zwischen der Futterhülsenaußenfläche und der Rohrinnenwandung zu einem ungleichförmigen Wärmeübergangswiderstand führen. Im Bereich einer innigen Berührung zwischen Futterhülse und Rohr wird dann die Wärme des Schweißlichtbogens leichter und schneller sowohl durch die Futterhülse als auch durch die Rohrwand abgeleitet, als dies an einer Stelle der Fall ist, an welchem keine Berührung zwischen Futterhülse und Rohrwand vorhanden ist. An denjenigen Bereichen, wo keine Berührung zwischen Futterhülse und Rohrwand vorhanden ist, muß die Lichtbogenwärme allein durch die dünne Wand der Futterhülse abgeführt werden. Wegen der begrenzten "zweidimensionalen" Wärmeleitung staut sich die Wärme im Bereich der Schmelzzone und verlangsamt die Erstarrung der Schweißschmelze. Da die Oberflächenspannung der Serweiß schmelze in umgekehrter Beziehung zu deren Temperatur abnimmt, kann sie durch die Kraft des Lichtbogens überwunden und die flüssige Schweißschmelze aufgerissen werden. Dadurch kann der Lichtbogen durch die Futterhülse hindurchdringen und unmittelbar

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auf die Innenwandungsfläche des Rohres auftreffen. Selbst wenn bei diesem Vorgang die Schweißschmelze nicht aufgerissen wird, kann die begrenzte Leitfähigkeit von der Schweißschmelze zum Rohr zu einer nicht einwandfreien Ver-Schmelzung zwischen Putterhülse und Rohr führen.

Ein weiteres Problem, das sich beim von innen durchgeführten Einschweißen einer Putterhülse in ein Rohr stellt _s ist die Tatsache, daß die Putterhülse beim Beginnn des SchweißVorgangs zu derjenigen Seiten des Rohres hingezogen werden kann, an welcher die Schweißung beginnt, wodurch an der diametral gegenüberliegenden Stelle ein Spalt zwischen der Putterhülse und dem Rohr gebildet wird. Dieser Spalt führt dann wiederum zu einer ungleichförmigen Berührung zwischen Putterhülse und Rohr mit dem Ergebnis eines ungleichförmigen Wärmeübergangswiderstands.

Außerdem kann ein Verziehen zwischen dem Rohr und der Putterhülse durch Spannungsabbau der aufgeweiteten Futterhülse entstehen. Da in der Werkstoffstruktur der aufgeweiteten Futterhülse noch Restspannungen vorhanden sind, kann sich die Futterhülse bei Erwärmung verformen, da die Erwärmung einen Abbau der Spannungen herbeiführt. Daraus können sich Pluchtungsfehler zwischen Putterhülse und Rohr und wiederum eine ungleichförmige Berührung zwischen Putterhülse und Rohr ergeben.

Ein optimiertes Verbindungsverfahren zur Befestigung der Futterhülse im Rohr müßte eine gleichförmige Temperaturverteilung und Lichtbogenkraft zwischen der Putterhülse und dem Rohr in deren Grenzbereich sicherstellen, um die durch ungleichförmige Berührung hervorgerufenen Probleme abzuschwächen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Befestigung einer inneren Putterhülse in

einem Rohr durch stoffschlüssige Verbindung zu schaffen, mit welchem eine im wesentlichen gleichförmige Berührung zwischen Futterhülse und Rohr und auf diesem Wege ein im wesentlichen gleichförmiger Wärmeübergangswiderstand zwischen Hülse und Rohr aufrechterhalten werden kann, um eine Verbindung guter Qualität herstellen zu können.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch das im Anspruch 1 angegebene Verfahren gelöst. 10

Eine Vorrichtung zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist Gegenstand des Anspruchs 6.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche 2 bis 5 bzw. 7 bis 10.

Die Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen beispielsweise mehr im einzelnen beschrieben. In den Zeichnungen zeigt: 20

Fig. 1 im Axialschnitt den unteren Teil

einer Schweißvorrichtung nach der Erfindung,

Fig. 2 im Axialschnitt den oberen Teil

der Schweißvorrichtung,

Fig. 3 im Axialschnitt den oberen Teil

der Schweißvorrichtung in der abgedichteten Betriebsstellung,

Fig. 4 im Axialschnitt den unteren Teil

der Schweißvorrichtung in der abgedichteten Betriebsstellung, und

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Pig. 5 eine graphische Darstellung der

Beziehung zwischen dem Schweißstrom und dem Elektrodendrehwinkel.

Die innere Befestigung von Putterhülsen in Wärmetauseh= rohren verlangt, daß das Verbindungsverfahren und die Vorrichtung zur Herstellung dieser Verbindung eine sichere Verbindung zwischen der Hülse und dem Rohr selbst dort ermöglichen, wo geringfügige Ungleichförmigkeiten der Berührungsflächen zwischen der Hülse und dem Rohr und folglich geringfügige Berührungsungleichförmigkeiten zwischen Hülse und Rohr gegeben sind. Die beschriebene Erfindung ermöglicht die Herstellung einer sicheren Verbindung zwischen einer innerhalb eines Rohres befindlichen Hülse und dem Rohr.

Zunächst wird auf die Fig. 1 und 2 Bezug genommen. Ein Rohrboden 20 eines Wärmetauschers, bei welchem es sich um einen nuklearen Dampferzeuger handeln kann, ist mit einer Vielzahl von Durchgangsbohrungen zur Aufnahme einer Anzahl von Warnetauschrohren 22 versehen. Sollte ein Leck oder irgendein sonstiger Defekt 24 in bzw. an einem der Wärmetauschrohre 22 an irgend einer Stelle oberhalb des Rohrbodens 20 auftreten, kann es notwendig sein, eine metallene Futterhülse 26 in das betreffende Rohr 22 einzusetzen, um den Defekt 24 zu überbrücken und dadurch ein mögliches Auslecken des Heizmediums durch den Defekt 24 zu verhindern. Die Futterhülse 26 kann aus einem hochtemperaturfesten und korrosionsbeständigen Werkstoff, wie beispielsweise Inconel, bestehen. Nachdem die Futterhülse 26 in das Rohr 22 eingeführt worden ist, können begrenzte Axialabschnitte der Hülse 26 oberhalb und unterhalb des Defekts 24 in satte Anlage mit dem Rohr 22 aufgeweitet werden, wie in den Zeichnungen dargestellt ist. Diese Aufweitung der Hülse kann mittels einer üblichen Rohraufweitevorrichtung, beispielsweise mit einem hydraulischen Aufweitegerät,

erfolgen. Nachdem die Hülse 26 in dieser Weise in satte Anlage mit dem Rohr 22 aufgeweitet worden ist, kann eine Schweißvorrichtung 28 in die Hülse 26 eingeführt werden.

Die Schweißvorrichtung 28, bei welcher es sich um eine Wolfram-Inertgas-Schweißvorrichtung handeln kann, weist eine mittige Welle 30 auf, die in Längsrichtung der Schweißvorrichtung verläuft und in die Hülse 26 eingeführt werden kann. Diese mittige Welle 30 kann aus einem elektrisch leitenden Werkstoff, wie beispielsweise Kupfer, hergestellt sein, um gleichzeitig als elektrischer Leiter zu dienen. Außerdem kann die Welle 30 eine mittige Axialbohrung 32 aufweisen, die als Leitung für ein inertes Schutzgas zu der Schweißstelle dient. Eine Schweißelektrode 3^, die als Wolframelektrode mit 2 ¹T Thorium ausgebildet sein kann, ist an der mittigen Welle 30 nahe dem mit dem Rohr 22 zu verschweißenden Bereich der Futterhülse 26 befestigt. Diese Schweißelektrode 3^ ragt von der Welle 30 bis nahe zu der Hülse 26 hin. Weiter weist die Welle 30 nahe der Schweißelektrode 3*1 eine Querbohrung 3d auf, durch welche das Inertgas aus der mittigen Axialbohrung 32 zur Schweißstelle nahe der Schweißelektrode J>^ hin austreten kann. Im Bereich der Schweißelektrode 3^ ist ein Isoliermantel 38 über die Welle 30 geschoben, der aus einem hochtemperaturbeständigen Isolierwerkstoff, beispielsweise einem Keramikwerkstoff oder einem Bohrnitrid- oder Aluminiumoxid-Werkstoff bestellt.

Der Zweck dieses Isoliermantels 38 ist die elektrische Isolierung der mittigen Welle 30 gegenüber der Hülse 26, urr. zu verhindern, daß der elektrische Strom direkt von der Welle 30 zur Hülse 26 fließt, wohingegen jedoch der elektrische Strom von der Welle 30 über die Schweißelektrode 3¹I zur Schweißstelle fließen kann. Der Isoliermantel 38 weist eine Aussparung 40 auf, durch Vielehe die

Schweißelektrode 34 zur Schweißstelle an der Hülse 26 hindurchragt. Ein Stift 42, der mit Spiel durch die Welle 30 quer hindurchverläuft, fixiert den Isoliermantel 33 derart an der Welle 30, daß eine Relativbewegung zwischen diesen beiden Teilen möglich ist. über der Welle 30 und einem Teil des Isoliermantels 38 nahe dem oberen Ende der Welle 30 sitzt ein Abstandsstück 44. Dieses Abstandsstück 44 kann aus Nylon oder einem anderen Kunststoff, wie beispielsweise Delrin, aus einem keramischen Werkstoff, wie beispielsweise Bornitrid gefertigt sein und bildet einen übergangsmechanismus am oberen Ende des Isoliemantels 38. Zwischen dem Isoliermantel 38 und dem Abstandsstück 44 ist eine Scheibe 46, um eine gasdichte Abdichtung zwischen diesen beiden Teilen herzustellen und den Austritt von Schutzgas zu verhindern. Eine aus Nylon oder anderem Kunststoffmaterial, wie beispielsweise Delrin hergestellte Endkappe 48 ist über das Ende der Welle 30 geschoben und daran mittels einer Schrauben 49 befestigt. Diese Zndkappe 48 ragt auch etwas über den oberen Teil des Abs-tandsstückes 44. Zwischen dem Abstandsstück 44, riämlich einer Absatzflache dieses Abstandsstückes, und der Endkappe ist eine Dichtung 50, beispielsweise in Form eines elastomerischen O-Ringes, angeordnet. Wenn nun die Welle relativ zum Abstandsstück 44 nach unten gezogen wird, bewegt sich die daran befestigte Endkappe 48 ebenfalls nach unten relativ zur.; Abstandsstück 44 wird die Dichtung 50 zwischen der Endkappe 48 und der Absatzfläche des Abstandsstückes zusammengedrückt, so daß sie, wie in Fig. 3 dargestellt ist, sich an die Innenwandfläche der Futterhülse 26 anlegt. Auf diese Weise verhindert die Dichtung 50 ein Auslecken des Schutzgases aus dem Ringraum zwischen der Hülse 26 und der Schweißvorrichtung 28. Ein zweiter Isoliermantel 52, der aus einem Material wie beispielsweise Micarta besteht, ist unterhalb des ersteren Isoliermantels 38 über die mittige Welle 30 aufgeschoben. Dieser zweite Isoliermantel 52 über-

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deckt auch einen unteren Abschnitt des ersteren Isoliermantels 38 und befindet sich in Berührung mit diesem.

Ein weiteres Abstandsstück 54 ist um das untere Ende der Welle 30 herum und in Anlage mit dem zweiten Isoliermantel 52 angeordnet. Dieses weitere Abstandsstück 54 kann wiederum aus Nylon oder einem anderen Kunststoff wie beispielsweise Delrin bestehen. Dieses Abstandsstück 5²J ist mit einer Querbohrung 56 zum Hindurchleiten von Schutzgas versehen. Zwischen dem zweiten Isoliermantel 52 und der. Abstandsstück 54 ist um die VJelie 30 heruir. wiederum eine Scheibe 58 zur Abdichtung zwischen diesen beiden Teilen angeordnet, um einen Durchtritt von Inertgas zu verhindern. Eine Flanschhülse 60, die aus einem Werkstoff wie beispielsweise Nylon oder sonstigem Kunststoff gefertigt ist, ist an einem Gehäuse 62 der Vorrichtung befestigt und umschließt die Welle 30 und einen Abschnitt des Abstandsstückes 53. Zwischen dem Abstandsstück 5²J₉ nämlich einer Ab sat z fläche dieses Abstandsstückes, und der Planschhülse 60 ist wiederurr.

eine Dichtung 64, beispielsweise in Form eines elastomerischen O-Ringes, angeordnet, so daß, wenn das Abstandsstück 54 relativ zur Flanschhülse 60 nach unten bewegt wird, die Dichtung 64 zusammengedrückt und dadurch nach außen und in Anlage mit der Innenwandungsfläche der Hülse 26 gedrückt wird, wie in Fig. 4 dargestellt ist. Auf diese Weise wird eine Dichtung zwischen der Flanschhülse 60 und der Futterhülse 26 hergestellt. Wenn sowohl die obere Dichtung 50 als auch die untere Dichtung 64 gemäß den Fig. 3 und 4 zusammengedrückt und in Anlage an die Innenwandungsfische der Futterhülse 26 gedrückt sind, ist der zwischen der Schweißvorrichtung 28 und der Futterhülse 26 bestehende Ringraum abgedichtet und stellt eine Kammer dar, die zur Aufnahme des Inertgases dient, so daß der Schweißbereich unter Gasdruck gesetzt werden kann.

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Zwischen dem Abstandsstück 5^ und der Welle 30 sowie zwischen der Planschhülse 60 und der Welle 30 ist ein Ringraun 66 gebildet. Mit diesem Ringraum 66 steht eine im Gehäuse 62 gebildete Bohrung 68 in Verbindung, um das Schutzgas aus der Schweißvorrichtung 28 abführen zu können. Γ-Tit dieser Bohrung 68 kann ein nicht dargestelltes Druckreguliergerät verbunden sein, um den Gasdruck während des SchweißVorgangs zu regulieren. Wie ersichtlich ist, kann das Schutzgas durch die mittige Bohrung 32 der Welle 30 und durch deren Querbohrung 36 in die Schweißvorrichtung zugeführt werden. Aus der Querbohrung 36 tritt das Schutzgas in den zum Schweißen unter Gasdruck zu setzenden Bereich aus, bei welchem es sich um den Ringraum zwischen der Schweißvorrichtung 28 und der Putterhülse 26 handelt.

Dieser Ringraum erstreckt sich nach unten bis zu der Querbohrung 56 im Abstandsstück 5¹*» die ihn mit dem Ringraun 66 und folglich mit der Bohrung 68 verbindet, durch welche das Schutzgas aus der Schweißvorrichtung abgeleitet !herden kann, um den Gasdruck während des Schweißvorgangs zu regulieren.

Die mittige Welle 30 erstreckt sich durch das Gehäuse hindurch, und auf der Welle ist ein Zahnrad 70 befestigt, das aus Nylon oder einem anderen Kunststoffmaterial wie 5 beispielweise Delrin gefertigt sein kann. Dieses Zahnrad steht mit einem weiteren Zahnrad 72 in Eingriff, das seinerseits mit einem Antrieb ¹Jk verbunden ist. Bei diesem Antrieb I^ kann es sich um einen Gleichstrom-Getriebemotor mit einer Getriebeuntersetzung von 935 : 1 handeln, der an Gehäuse 62 montiert ist und mit einer Drehzahl von 3 ... 10 U/min bei einem Drehmoment von etwa 1 Nm laufen kann. Bei eingeschaltetem Antrieb 7^ wird das Zahnrad 72 und über dieses das Zahnrad 70 angetrieben. Die Drehung des Zahnrads 70 bewirkt also eine Drehung der VJeIIe 30 innerhalb der Futterhülse 26. Auf diese Weise kann die

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Schweißelektrode 3^ um mehr als 36O um die Längsachse der Welle 30 gedreht und damit eine vollständige Uir.fangsschweißnaht zwischen der Hülse 26 und deir Rohr 22 hergestellt werden.

über dem Zahnrad 70 ist ein Plansch 76 auf die Welle aufgesetzt. In dem Gehäuse 62 ist ein Metallkolben 78 gleitend verschiebbar angeordnet, der mit seinem einen Ende an den unteren Enden der Putterhülse 26 und des Rohres 22 und mit seinem anderen Ende an dem Flansch 76 anliegt. Da der Flansch 76 und das Gehäuse 62 aus elektrisch isolierendem Werkstoff hergestellt sind, ist die mittige Welle 30 elektrisch gegen den Kolben 78 isoliert, so daß sie auch gegenüber der Putterhülse 26 und gegenüber dem Rohr 22 elektrisch isoliert ist. Ein Vorspannmechanismus 80, bei welchem es sich um eine die Welle 30 umgebende Schraubenfeder handeln kann, die sich einerseits am Gehäuse 62 und andererseits am Zahnrad 70 abstützt, drängt das Zahnrad und die Welle 30 relativ zum Gehäuse 62 nach oben.

Am Gehäuse 62 ist eine Anzahl von Befestigungsmechanismen 82 angeordnet, die in ein oder mehrere Rohre einführbar sind, um das Gehäuse 62 am Rohrboden 20 hängend zu fixieren. Diese Befestigungsmechanismen 82 können manuell oder automatisch betätigte Spannmechanismen an sich bekannter Bauart sein. Die Schweißvorrichtung 28 kann entweder von Hand oder mittels Fernbetätigung in eine Futterhülse 26 eingeführt werden, indem ein oder mehrere Befestigungsmechanismen 82 gleichzeitig in ein oder mehrere Rohre 22 eingeführt v/erden, um das Gehäuse 62 mit der Schweißvorrichtung 28 am Rohrboden zu fixieren. Da die mittige Welle axial verschiebbar im Gehäuse 62 angeordnet ist, bewirkt während des Verschiebens des Gehäuses 62 in Richtung zum Rohrboden 20 hin das Anstoßen des Kolbens 78 an den unteren

Enden der Futterhülse 26 und des Rohres 22, daß der Plansch und folglich das Zahnrad 70 zusammen mit der Welle 30 relativ zum Gehäuse 62 nach unten gedrückt werden, wie in den Fig. 3 und 4 dargestellt ist. Bei dieser relativen Abwärtsbewegung der Welle 30 wird auch die obere Endkappe relativ zur Futterhülse 26 nach unten bewegt. Da das obere Abstandsstück 44, der obere Isoliermantel 38, der untere Isoliermantel 52 und das untere Abstandsstück 54 gleitend verschiebbar auf der Welle 30 sitzen und da die Abwärtsbewegung des unteren Abstandsstückes 54 durch die relativ zum Gehäuse 62 unbewegliche Flanschhülse 60 begrenzt wird, bewirkt die Abwärtsbewegung der Welle 30 ein Zusammendrücken der oberen Dichtung 50 und der unteren Dichtung 64, die dadurch beide in Anlage an die Innenwandungsfläche der Futterhülse 26 gedrückt werden und daher den Ringraum zwischen der Schweißvorrichtung 28 und der Hülse 26, der oben durch die obere Dichtung 50 und unten durch die untere Dichtung 64 begrenzt wird, dicht abschließen. Dieser abgedichtete Ringraum bildet nunmehr einen Gasraum, der durch Einleiten von Inertgas durch die mittige Wellenbohrung 32 während des Schweißvorgangs unter Gasdruck gesetzt werden kann.

Am unteren Ende der Welle 30 kann eine Schnellkupplung 84 zum Anschluß einer Gaszuleitung und einer elektrischen Zuleitung (nicht dargestellt) vorgesehen sein. Die Gasversorgung kann an sich bekannter Bauart sein und ein Inertgas wie beispielsweise Argon mit einem Druck

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zwischen etwa 3 N/cm und 100 N/cm und mit einem Durchsatz von 30 l/h bis 900 l/h zuführen. In gleicher V/eise ist die elektrische Zuführung mit der Welle 30 verbunden und liefert einen elektrischen Strom mit einer Spannung von 5 V bis 15 V und etwa 150 A zur mittigen Welle 30 und über diese zur Schweißelektrode 34 zur Durchführung der Schweißung.

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- 49--Arbeitsweise

Wenn ein defektes Rohr eines Wärmetauschers repariert werden soll, wird der Wärmetauscher stillgesetzt und entleert. Danach wird das Innere des zu reparierenden Rohres gereinigt und für die Reparatur vorbereitet. Danach wird die Futterhülse 26 derart in das defekte Rohr 22 eingesetzt, daß sie den defekten Bereich 24 überbrückt. Nach der. sich die Futterhülse in dieser Position befindet, kann eine hydraulische Aufweitevorrichtung in die Futterhülse eingeführt und ein gewählter Bereich der Hülse aufgeweitet werden. Hierzu ist anzumerken, daß unter gewissen Umständen eine solche Aufweitung nicht unbedingt notwendig ist. Nach der: die Hülse 26 in dieser Weise in satte Anlage an die Innen-, wandung des Rohres 22 aufgeweitet worden ist, wird die Schweißvorrichtung 28 in die Hülse 26 eingeführt, wie in Fig. 1 dargestellt ist. Nach dem Einführen der Schweißvorrichtung 28 in die Futterhülse 26 stößt der Kolben 7? am unteren Ende von Futterhülse 26 und Rohr 22 an und drückt dadurch den Flansch 76, das Zahnrad 70 und die mittige Welle 30 relativ zum Gehäuse 62 und relativ zur Futterhülse 26 nach unten. Diese relative Abwärtsbewegung der Welle 30 hat zur Folge, daß die obere Dichtung 50 und die untere Dichtung 64 jeweils in Anlage mit der Innenwandungsfläche der Futterhülse 26 zusammengedrückt werden und dadurch ein dicht abgeschlossener Gasraum geschaffen wird. Wenn diese Betriebsstellung erreicht ist, kann durch die mittige Wellenbohrung 32 und die Querbohrung 36 der Welle ein inertes Schutzgas eingeleitet werden, das dann den Ringraum zwischen der Schweißvorrichtung 28 und der Futterhülse 26 ausfüllt. Dieses Gas kann zum Durchspülen des Schweißbereiches durch Ableiten des Schutzgases durch die Bohrung 56, den Ringraum 66 und die Bohrung 68 benützt werden. Nachdem der Schweißbereich auf diese Weise durch-

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gespült worden ist, wird das Schutzgas durch entsprechende Regulierung des Rückdruckes in der Bohrung 68 unter Druck gesetzt. Der Schweißbereich kann dann unter einen Gasdruck

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zwischen etwa 3 N/cn und 100 N/cm und vorzugsweise zwischen

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etwa 3 N/cm und 20 N/cm gesetzt werden, der während des Schweißvorgangs aufrechterhalten wird. Nachdem der Schvreißbereich in dieser Weise unter Gasdruck gesetzt worden ist, wird die elektrische Stromversorgung eingeschaltet, so daß ein elektrischer Strom durch die Welle 30 und die Schweißelektrode 34 fließt. Dabei wird ein Schweißlichtbogen von der Schweißelektrode 34 zur Putterhülse 26 in dem mit dem Rohr 22 zu verschweißenden Bereich der Putterhülse gezogen. Der über die Schweißelektrode 34 zugeführte Schweißstrom kann dabei eine Stromstärke zwischen etwa 2 A und 150 A haben und eine Schweißtemperatur oberhalb von 1250 ⁰C erzeugen.

Pi<r. 5 zeigt beispielsweise eine graphische Darstellung einer typischen Beziehung von Stromstärke und Elektrodendrehwinkel beim Betrieb mit Hochstromimpulsen, wie er bei dem Schweißverfahren Anwendung finden kann. Die folgenden Parameter können bei dem in Pig. 5 dargestellten Impulsstrombetrieb benützt werden:

Stromstärke (A) Impulsdauer (s)

Hochstromimpulse 50 ... 250 0,01 ... 1,0

Niederstromimpulse 2 ... 250 0,01 ... 1,0 30

Bei fortschreitendem SchweißVorgang bildet sich an

der Innenfläche der Putterhülse 26 eine Schweißschmelze.

Da das Innere der Putterhülse 26 durch das Schutzgas unter Gasdruck gesetzt ist, wird die Schweißschmelze gegen die Innenwandungsfläche der Hülse 26 gedrückt und kann nicht

seitwärts abfließen. Der unter dem Lichtbogen jeweils gebildete geschmolzene Schweißbereich wird durch das Druckgefälle ständig nach außen gegen das Rohr 22 gedrückt. Auf diese Weise wirkt die Schmelze während des ganzen SchweißVorgangs stets als Puffer gegen die Kraft des Lichtbogens. Damit wird ein abrupter Durchbruch durch die Futterhülse 26 und das Rohr 22 vermieden. Der dann in Betrieb gesetzte Antrieb 7^ dreht über das Zahnrad 72 das Zahnrad 70, das bei seiner Drehung die Welle 30 um ihre Längsachse mitdreht und folglich die Schweißelektrode 3'; um den vollen 3oO -Vollwinkel über die Innenv.-andungs fläche der Hülse 26 dreht. Die Umfangsgeschwindigkeit der Schv;eißelektrodendrehung kann etwa 5 ... 50 cm/min und vorzugsweise etwa 10 ... 25 cm/min betragen, wodurch die Herstellung einer sauberen Schweißnaht sichergestellt ist. Während der Drehung der Schweißelektrode 3^ wird über den gesamten 3^0 ^O-Vollwinkel eine Schweißnaht zwischen der Futterhülse 26 und dem Rohr 22 hergestellt. Durch die Anwendung des von innen wirkenden Schutzgasdruckes werden die sich bei herkömmlichen Verfahren durch Berührungsungleichförmigkeiten zwischen Hülse und Rohr ergebenden Probleme auf ein Minimum reduziert. Außerdem bewirkt der Gasdruck eine weitgehende Verringerung der Probleme mit Bezug auf Schweißechwindung und Verformung durch Spannungsabbau.

Anstelle des eben beschriebenen Schweißverfahrens kann auch ein ähnliches Hartlötverfahren zum Harteinlöten der Futterhülse in das Rohr in gleicher Weise Anwendung finden. Für ein solches Harteinlötverfahren kann die Futterhülse 2c an ihrer Außenseite mit einer Rille versehen sein, in welche ein Hartlotwerkstoff, wie beispielsweise ein Gold-Nickel-Hartlot, eingebracht werden kann. Dabei kann die Schweißvorrichtung 28 zur inneren Erwärmung der Futterhülse 26 unc5.

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des Kartlotmaterials auf die richtige Löttemperatur verwendet werden. In diesem Fall wird natürlich die Hülse 26 nicht bis zu ihrem Schmelzpunkt erwärmt, so daß sich keine flüssige Schmelze bildet. Vielmehr wird die Hülse 26 nur bis zu demjenigen Temperaturpunkt erwärmt, an welchem die Hülse 26 durch die innere Druckbeaufschlagung der Schweißvorrichtung 28 so verformt wird, daß sie und das Hartlot in innigen Kontakt mit dem Rohr 22 gedrückt wird. Nach Erreichen dieses Betriebszustandes wird die Schweißvorrichtung 28 in Drehung versetzt, wobei nur das Hartlot bis über seinen Schmelzpunkt erwärmt wird, während die Hülse 26 und das Rohr 22 nicht angeschmolzen, sondern nur durch Hartlötung miteinander verbunden werden.

Wie aus der obigen Beschreibung hervorgeht, ist also die Erzeugung einer Druckdifferenz für das erfindungsgemäße Verfahren zur inneren Befestigung einer Putterhülse in ein V/ärmetauscherrohr wesentlicher Bestandteil des Erfindungsgedankens.

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zur Befestigung einer metallenen Futterhülse in einem metallenen Rohr durch stoffschlüssige Verbindung, wobei nach dem Einführen und Positionieren der Futterhülse in dem Rohr eine Schweißvorrichtung mit einer Schweißelektrode in die Futterhülse eingeführt und mit ihrer Schweißelektrode bezüglich des zu schweißenden Bereiches positioniert wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein die Schweißzone enthaltender Abschnitt innerhalb des Rohres (22) bzw. der Futterhülse (26) mittels eines an der Schweißvorrichtung (28) vorgesehenen Dichtungsmechanismus (50, 64) zur Herstellung einer gasdicht abgeschlossenen Kammer abgedichtet wird, sodann durch die SchweißVorrichtung (28) ein inertes Schutzgas in diese abgedichtete Kammer eingeleitet und diese Kammer

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unter einen Gasdruck im Bereich von 3 N/cm bis 100 N/cm und anschließend die Schweißvorrichtung eingeschaltet und mit einem über die Schweißelektrode fließenden SchweißstroiTi von 2 A bis 150 A zum Verschweißen der Futterhülse mit dem Rohr betrieben xvird, während das unter Druck stehende Schutzgas die geschmolzene Schweißschmelze nach außen gegen die Rohrinnenwand drängt, und daß in diesem Betriebszustand die Schweißvorrichtung zur Herstellung einer ringförmigen Schweißnaht entlang des gesamten Futterhülsenumfangs um ihre Längsachse gedreht

25 wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Einführen der Schweißvorrichtung in die Futter-

hülse diese mindestens innerhalb eines begrenzten Axialabschnitts in satte Anlage mit der Innenwandungsfläche des Rohres (22) aufgeweitet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,

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daß das Inertgas unter einem Druck von 3 N/cm bis 20 N/cm in die abgedichtete Kammer eingeleitet und vor dem Schweißen zum Spülen der Kammer durch diese hindurchgeleitet wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schweißvorrichtung mit einer Umfangsgeschwindigkeit entsprechend einer Schweißvorschubgeschwindigkeit von 10 cm/min bis 25 cm/min gedreht wird und daß während eines anfänglichen Drehwinkels von 0 bis etwa 200 ° ein Schweißstrom von etwa 11(5 A aufrechterhalten wird, wonach der Schweißstrom während eines weiteren Drehwinkels von etwa 200 ° bis 400 ° linear eine Stromstärke von etwa 105 A reduziert wird.

5· Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine aus Inconel bestehende Futterhülse (26) verwendet wird.

6. Schweißvorrichtung zur Ausführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5> mit einer elektrisch leitenden mittigen Welle, die in das Rohr und die Futterhülse einführbar ist und eine daran befestigte Schweißelektrode trägt, dadurch gekennzeichnet, daß die Welle (30) eine Axialbohrung (32) zum Zuführen eines Inertgases zum Schweißelektrodenbereich aufweist, daß vielter axial beiderseits der Schweißelektrode (3¹O jeweils eine die Welle (30) umschließende Dichtung (50, 64) zur Abdichtung des zwisehen diesen beiden Dichtungen gelegenen Axialabschnitts innerhalb des Rohres (22) bzw. der Futterhülse (26) zur Herstellung einer abgedichteten Kammer, wobei die beiden

Dichtungen (50, 64) durch Relativbewegung der Welle (30) relativ zum Rohr (22) bzw. zur Futterhülse (26) in ihre abdichtende Betriebsstellung bringbar sind, und daß ein Drehantrieb (70 bis 7²O zum Drehen der Welle (30) mit der Schweißelektrode (34) innerhalb des Rohres (22) bzw» der Futterhülse (26) mit der Welle verbunden ist.

7. Schweißvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Dichtungen (50, 64) jevjeils einen Dichtungsring (50, 64) aufweisen, der zwischen einem sich an einen axial verschiebbar auf der Welle (30) sitzenden Isoliermantel (38_S 52) anschließenden Abstandsstück (44, 54) und einem Gegenelement (48, 60) axial zusammendrückbar angeordnet ist, wobei das eine Gegenelement (48) fest mit der Welle (30) verbunden (49) ist und das andere Gegenelement (60) eine an einer Halterung (62) der Schweißvorrichtung befestigte Flanschhülse (60) ist, bezüglich derer die Welle (30) axial verschiebbar ist.

8. Schweißvorrichtung nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, daß der Isoliermantel (38, 52) einen Durchbruch (40) aufweist, durch welchen die Schweißelektrode (34) hindurchragt, und sich mit den beiden Abstandsstücken (44, 54) jeweils axial überlappt, und daß zwischen den Abstandsstücken und dem Isoliermantel jeweils eine Dichtung (46, 58) vorgesehen ist.

9. Schweißvorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Isoliermantel axial in zwei Isoliermantelabschnitte (38, 52) geteilt ist.

10. Schweißvorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das mit der Flanschhülse (60) zusammenwirkende Abstandsstück (54) einen die abgedichtete Kammer mit der Halterung (62) verbindenden Strömungsweg (56) aufweist.

11. Schweißvorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß der eine, den Durchbruch (¹IO) zur Durchführung der Schweißelektrode (34) aufweisende Isoliermantelabschnitt (38) aus keramischen Werkstoff und der andere Isoliermantelabschnitt (52) sowie die beiden Abstandsstücke (44, 54) jeweils aus Nylon bestehen.

12. Schweißvorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb der Halterung (62) ein Plansch (76) an der Welle (30) befestigt ist, an welchem das eine Ende eines in der Halterung axial verschieblich geführten Kolbens (78) anliegt, der beim Einführen der Schweißvorrichtung in das Rohr (22) bzw. die Futterhülse (26) an dessen bzw. deren Ende anstößt und die Welle (30) relativ zur Flanschhülse (60) verschiebt, um die beiden Dichtungen (50, 64) in ihre abdichtende Betriebsstellung zu bringen.

13. Schweißvorrichtung nach Anspruch 12, dadurch

gekennzeichnet, daß eine in der Halterung (62) angeordnete, die Welle umgebende Vorspannfeder (80) die Welle (30) relativ zur Halterung (62) in eine Stellung vorspannt, in welcher sich die beiden Dichtungen in ihrer entspannten, nicht abdichtenden Stellung befinden.