DE3406314C2

DE3406314C2 - Verfahren zur Entlastung von Restspannungen durch eine Auftragsschweißung über der Außenoberfläche eines Rohres

Info

Publication number: DE3406314C2
Application number: DE3406314A
Authority: DE
Inventors: Tadahiro Yokohama Kanagawa Umemoto; Kazuo Yoshida
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 1983-02-28
Filing date: 1984-02-22
Publication date: 1985-08-01
Also published as: JPS6161911B2; SE8401020D0; JPS59159294A; SE8401020L; SE458230B; US4585917A; DE3406314A1

Abstract

Auf die Außenoberfläche einer Stoß-Schweißverbindung wird eine Auftragschweißung derart aufgebracht, daß das Verhältnis von h/t größer als annähernd 0,2 und das Verhältnis L/(Rt)1/2 größer als annähernd 1 sind, worin h die Höhe der Auftragsschweißung, t die Wandstärke eines Rohres, L die Breite der Auftragschweißung und R den Radius des Rohres bezeichnen. Das Ergebnis ist, daß die Restspannungen in der Auftragschweißung die Restspannungen in der Schweißverbindung ausgleichen, so daß die Restspannungen an der Innenfläche der Schweißverbindung entspannt werden können.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Entlastung oder Entspannung von Restspannungen an der Innenoberfläihe einer Schweißnaht oder -stelle durch ein Auftragschweißen an einer Außenfläche der Stumpfschweißverbindung zwischen zwei Rohrabschnitten.

Wenn Rohrabschnitte stumpf- oder stoßgeschweißt werden, so bleiben in der Schweißnaht oder -stelle und im wärmebeeinflußten Bereich hohe Zug-Restspannungen erhalten. Wenn die Restspannungen nicht entspannt oder entlastet werden, so entstehen Spannungskorrosionsrisse, wodurch in Fällen, da Rohre und zylindrische jo oder rohrförmige Behälter in Kernreaktoren, chemische Anlagen od. d;.'¹. betroffen sind, die Gefahr besteht, daß ein ernsthafter, schwerwiegender Unfall eintreten kann. Deshalb müssen die Restspannungen entlastet oder aufgehoben werden. Schweißverbindungen werden im allgemeinen solchen Wärmebehanolungen unterworfen, daß die Zug-Restspannungen in den Innenflächen der Schweißstelle und des wärmebeeinflußten Bereichs entspannt bzw. entlastet oder in Druck-Restspannungen umgewandelt werden.

Es gibt verschiedene herkömmliche Verfahren zur Aufhebung von Restspannungen, wie z. B. ein Hochfrequenz-Erhitzungsverfahren, ein Kugclstrahl- oder Siahlsandbkisvcrfahrcn und ein (Lindc-)Vcrfahren zur Erhitzung einer Rohraußenfläche mil Flammen. Das Hochfrequenz-Erhitzungsverfahren erfordert eine Ausrüstung mit großen Abmessungen, und es muß eine HF-Induktionsspule oder -wicklung für jedes Rohr zur Verfugung stehen, so daß das H F-Erhitzungsverfahren teuer ist Darüber hinaus nimmt dieses Verfahren viele Ta- so ge in Anspruch. Bei dem Kugelstrahlverfahren muß die Innenfläche des Rohres strahlbehandelt werden, weshalb dieses Verfahren nicht auf ein eingebautes oder in Betrieb befindliches Rohr anwendbar ist. Mit dem Linde-Verfahren kann die Druck-Restspannung nicht in beständiger, stabiler Weise entlastet werden.

Im Hinblick auf die obigen Ausführungen zum Stand der Technik gibt die Erfindung ein sehr einfaches, jedoch sehr wirksames und leistungsfähiges Verfahren zur Entlastung oder Entspannung von Rest- bzw. Eigen- eo spannungen in einer Schweißung an. Erfindungsgemäß wird die AuLknoberfliichc einer Schweißstelle einer Auftragschweißung unter den im Patentanspruch beschriebenen vorgegebenen Bedingungen unterworfen bzw. mit einer solchen Auftragschweißung versehen. b5

Das Verfahren gemäß der Erfindung wird anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Schweißverbindung, bei der das erfindungsgemäße Verfahren zur Anwendung kommt;

F i g. 2 eine schematische Darstellung zur Erläuterung der Auftragschweißung gemäß der Erfindung;
F i g. 3 ein analytisches Modell, in dem die von einer Auftragschweißung resultierenden Restspannungen, die aus Gleichungen rühren, dargestellt sind:

Fig.4 bis 6 Diagramme, die die aus der Auftragschweißung resultierenden Restspannungci, die aus Versuchen rühren, darstellen.

Wie die F i g. 1 zeigt, wird die Außenoberfläche einer Schweißung (Schweißnaht oder -stelle) 2 zwischen zwei Rohrabschnitten 1 mit einer Auftragschweißung 3 versehen, so daß die Schweißung 2 und ein wärmebeein-,•5 flußter Bereich 4 sowohl in der axialen Richtung wie in der Umfangsrichtung durch die thermische Kompression der Auftragschweißung 3 verschoben werden, so daß die Restspannungen aufgehoben oder entspannt werden können.

Damit die Zug-Restspannungen der Innenflächen der Schweißung 2 und des wärmebeeinflußten Bereichs 4 in zufriedenstellender Weise entspannt oder die Zug-Reslspannungen in Druck-Restspannungen umgewandelt werden können, müssen die Breite L sowie die Höhe h der Auftragschweißung 3 vorbestimmte Erfordernisse erfüllen, die vom Durchmesser und der Wandstärke des Rohrabschnitts 1 abhängen.

Die Bedingungen für eine Auftragschweißung zur Aufhebung der Restspannungen werden im folgenden erläutert.

Wenn, wie Fig.2 zeigt, die Außenoberfläche des Rohres 1 über die Strecke L mit einer Auftragschweißung versehen wird, so wird der die Auftragschweißung 3 umfassende Teil komprimiert. Das hat zur Folge, daß die Belastung pro Längeneinheit in der Umfangsrichtung des Rohres pe//wird, worin ρ der Druck ist, wenn das Rohr 1 zu seiner Achse hin zusammengedrückt wird.

Auf Grund der Belastung ράξwird das Rohr an seiner Außenfläche einer Umklammerungswirkung ausgesetzt, so daß ein Biegemoment entwickelt wird. Die Axialspannung an der Rohrinnenfläcbe in der Mitte der Auftragschweißung 3, die durch das Biegemoment cnlwickcli wird, ist gegeben durch:

a_ilb

1,82/?-~r(

->'»s\nßb

(n gleichartiger Weise ist die Umfangsspannung gegeben durch:

Ocb

vo_lb

worin ist

ß" = 3(\-v2)/(R2T>) R: der mittlere Radius eines Rohres
t: die Wandstärke des Rohres
v: dieQuerdehnungszahl

b: die Länge von einer Hälfte der Auftragschweißung

Wenn der die Auftragschweißung umfassende Teil J sowohl in der Umfangs- wie in der Axialrichtung /us.iinmengedrückt wird oder schrumpft, dünn wird d;is Rohr 1 verformt, was die Entwicklung der Spannungen /or Folge hat. Die Umfangsspannung ist gegeben durch

= _p-^-(i _e-^> cos ßb)

Ist die Länge L der Auftragschweißung ausreichend groß, dann ist die Axialspannung gegeben durch

Obw = -

(4)

Die durch die Gleichung (1) gegebene Spannung r/_a/. ist die Zugspannung an der Innenfläche des Rohres I. während die durch die Gleichung (3) gegebene Spannung Or* die Druckspannung an der Rohrinnenfläche ist. Sowohl die Zug· wie die Druckspannung sind eine Funktion der Länge L, und das bedeutet, je größer die Länge L ist, desto geringer wird die Zugspannung a_ab, während die Druckspannung Ocw desto größer wird. Daraus folgt, daß, um die an der Rohrinnenfläche entwickelten Spannungen in die gewünschten Druckspannungen umzuwandeln, die Länge L der Auftragschweißung größer als ein vorbestimmter Wert sein muß. Ferner sind die entwickelten Spannungen vom Radius R und der Wandstärke f abhängig. Die F i g. 3 zeigt die Beziehung zwischen dem Verhältnis L/ /Ri und den Spannungen a„b und Ocw, wobei σ& (t/pR) und — O_n, (t/ pn/iängs der Ordinate aufgetragen sind.

Der Druck ρ wird durch die Restspannur^en des durch Auftragschweißen aufgebrachten Metalls entwikkcll und ist gegeben durch

worin a_y die Restspannung des Metalls der Auftragschweißung (a Streckgrenze) und h die Höhe der Auftragschweißung sind.
Aus den Gleichungen (3) und (5) ergibt sich

(6)

35

Aus Gleichung (6) ist zu erkennen, daß die Druckspannung <7o» an der Innenfläche im Verhältnis zur Streckgrenze des Metalls der Auftragschweißung und zu h/t steht. Ein geschweißtes Metall hat eine spezifisehe Streckgienze, so daß bei Verwendung desselben Materials die Spannung Ocw vom Verhältnis h/t abhängig ist. Daraus folgt, daß, um eine gewünschte Spannung α_η zu erhalten, das Verhältnis h/t in geeigneter Weise gewählt werden muß.

Deshalb können, wenn die Außenfläche der Schwei-Uung 2 eine Auftragschweißung mit tinem geeigneten Verhältnis h/t und einem geeigneten Verhältnis LJ /Rl erhält, die Restspannungen an der Innenfläche der Schweißnaht 2 entlastet werden.

Die Verhältnisse h/l und IJ/Rl werden durch Versucht· cnniitcll. so daß die Restspannungen in zufriedenstellender Weise entspannt werden. Die Versuche wurden mit Stahlrohren durchgeführt.

Die Fig. 4 und 5 zeigen in Diagrammen die Beziehung zwischen dem Verhältnis h/t und der an der Innenfläche eines Rohres entwickelten Spannung (die Restspannung einschließlich der Res>spannung an der Schweißstelle 2). Ein offener Kreis gibt eine Restspannung an. wenn keine geschweißte Verbindung vorhan- s>o den ist (d. h. die Restspannung, die entwickelt wird, wenn eine Auftragschweißung gebildet wird), während ein als Punkt dargestellter Kreis die Spannung angibt, wenn eine geschweißte Verbindung vorhanden ist. Die I" ig. 4 zeigt die Umfangsspannungcn, die Fig. 5 zeigt b5 clic axialen Reslspami'.'ngen.

Der Fig.4 ist zu entnehmen, daB die geschweißten Verbindungen alle DrucKspannungen aufweisen ohne Rücksicht auf das Verhältnis h/t Deshalb sind die Umfangsrestspannungen in zufriedenstellender Weise entspannt

Der Fig.5 ist zu entnehmen, daß dann, wenn eine geschweißte Verbindung besteht, die Zug-Restspannung umso höher wird, je niedriger das Verhältnis h/l ist. In Fig.5 sind die Punkte λ, β und ;: die als die Sicherheit gewährleistend anzusehen sind, ausgewählt. Die die Maximalwerte der typischen Punkte α und β verbindende Linie und die die Maximalwerte der typischen Punkte β und γ verbindende Linie sind als die Restspannungen anzusehen, wenn das Verhältnis h/t verändert wird.

In der Praxis kann die Zug-Restspannung an einer Schweißung in der Größenordnung von 10 k/mm² zufriedenstellend sein. Wenn das Verhältnis h/t = 0.18 ist, kann die Zugspannung von 10 k/mm² erhalten werden.

Das bedeutet, daß dann, wenn das Verhältnis h/t höher als etwa 0,2 ist, die Restspannungen an der Schweißstelle 2 in zufriedenstellender Weise entlastet werden können.

Die Diagramme der Fig.6 und 7 üwgen die Beziehung zwischen der Restspannung und dem Verhältnis U /Ri = K, wobei die F i g. 6 sich auf die Umfangs-Restspannung, die Fig. 7 sich auf die Axial-Restspannung bezieht. Ein offener Kreis gibt eine Restspannung an, wenn keine geschweißte Verbindung besteht, ein punktförmiger Kreis gibt eine Restspannung an, wenn eine geschweißte Verbindung vorhanden ist.

Aus der F i g. 6 ist zu entnehmen, daß ohne Rücksicht auf das Verhältnis L//Wi = K die Umfangs-Restspannung eine Druckspannung ist, wenn eine geschweißte Verbindung vorhanden ist.

Der F i g. 7 ist zu entnehmen, daß, wenn eine Schweißverbindung vorhanden ist, bei Abnahme des Verhältnisses L//Kt = K die Restspannung zu einer Zugspannung wird. Gemäß Fig.7 ist das Verhältnis K. das eine Sicherheit gewährleistet, annähernd 1, und dieser Wert 1 entspricht dem Maximalwert der aus Gleich'ing (1) erhaltenen, in F i g. 3 gezeigten Kurve. Ferner übertrifft bei dem Wert 1 die durch Gleichung (3) erhaltene Druckspannung die durch Gleichung (1) erhaltene Zugspannung. Somit besteht hier kein Widerspruch.

Bei der oben gegebenen Erläuterung von Versuchen ist die Wärmezufuhr bei der Ausbildung der Auftragschweißung nicht in Betracht gezogen worden, es ist jedoch klar, daß unter normalen Schweißbedingungen nahezu kein auf der Wärmezufuhr beim Schweißen beruhender Einfluß vorliegt, wenn Kühlwasser durch das Rohr geführt wird.

Die Verhältnisse h/t und K werden in Abhängigkeit von den Zielen und Zwecken gewählt. Beispielsweise wird im Fail einer Ein- oder Vorrichtung, für die ein hoher Grad an Zuverlässigkeit gefordert wird, das Verhältnis K = 2 angesetzt.

Aus der obigen B?schreibung folgt, daß yemäß der Erfindung eine Schweißvorrichtung zur Anwendung kommen kann, mit der die Restspannung an der Innenfläche einer Schweißung entspannt werden können, wobei hierzu keine groß bemessene voluminöse Vorrichtung notwendig ist. Darüber hinaus können die Größenabmessungen der die Auftragschweißungen bildenden Teile kontrolliert und geregelt werden, so diß die Restspannungen in einer zufriedenstellenden Weise entspannt oder abgebaut werden können.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

Verfahren zur Entlastung von Restspannungen durch Auftragschweißen auf einer Außenoberfläche eines Rohres, gekennzeichnet durch eine Auftragschweißung auf der Außenoberfläche einer geschweißten Verbindung derart, daß das Verhältnis von h/t größer als annähernd 02 und das Verhältnis LJ /Rl größer als annähernd 1 eingestellt werden, worin h die Höhe der Auftragschweißung, t die Wandstärke des Rohres. L die Breite der Auftragschweißung und R den Radius des Rohres bezeichnen.