DE3406747C2

DE3406747C2 -

Info

Publication number: DE3406747C2
Application number: DE3406747A
Authority: DE
Inventors: Kazuo Yoshida; Tadahiro Yokohama Kanagawa Jp Umemoto
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 1983-02-28
Filing date: 1984-02-24
Publication date: 1987-08-13
Also published as: SE8401021D0; JPS59159293A; SE452566B; DE3406747A1; US4588869A; SE8401021L

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Entlastung von Restspannungen in der Innenfläche einer stoßgeschweißten Verbindung zwischen Rohrabschnitten durch Erhitzen der Außenfläche der Verbindung mittels einer Schweißmaschine und Abkühlen der Innenfläche der Verbindung mittels eines Kühlmittels.

Wenn Rohrabschnitte stoß- oder stumpfgeschweißt werden, so verbleiben Zug-Restspannungen in der Schweißstelle oder -naht und im hitzebeeinflußten Bereich. Werden die Restspannungen nicht entlastet oder aufgehoben, so ergeben sich daraus Spannungskorrosionsrisse, so daß in den Fällen, da Rohre und zylindrische bzw. rohrartige Behälter in Kernkraftanlagen, chemischen Anlagen od. dgl. betroffen sind, die Gefahr für ein Auftreten eines ernsten und schwerwiegenden Unfalls besteht. Deshalb müssen die Restspannungen entlastet oder aufgehoben werden. Schweißverbindungen werden im allgemeinen derartigen Wärmebehandlungen unterworfen, daß die Zug-Restspannungen in den Innenflächen einer Schweißstelle und des hitzebeeinflußten Bereichs entlastet oder in Druck-Restspannungen (Eigenspannungen) umgewandelt werden.

Es gibt verschiedene Verfahren zur Entlastung der Restspannung unter Ausnutzung der Temperaturdifferenz zwischen Innen- sowie Außenfläche eines geschweißten Rohres, und zwar sind hier als Beispiele das Hochfrequenz-Erhitzungsverfahren und das Linde-Verfahren, wobei die Außenflächen eines geschweißten Rohres mittels Flammen erhitzt werden, zu nennen. Das HF-Erhitzungsverfahren macht eine Vorrichtung mit großen Abmessungen erforderlich, und es muß für jedes Rohr eine HF-Wicklung oder -Spule gefertigt werden, so daß das HF-Erhitzungsverfahren hohe Kosten verursacht, das darüber hinaus auch noch viele Tage beansprucht. Mit dem Linde-Verfahren ist es technisch schwierig, beständig Restspannungen in der Innenfläche eines geschweißten Rohres in dauerhafter Weise hervorzurufen.

Weder das HF-Erhitzungs- noch das Linde-Verfahren können zufriedenstellende Bedingungen zur Entlastung von Restspannungen bieten. Beide Verfahren werden in Übereinstimmung mit Erfahrungen durchgeführt, so daß eine befriedigende Spannungsentlastung nicht erreicht werden kann.

Ein Verfahren der eingangs genannten Gattung ist aus der DE-OS 30 04 233 bekannt, wobei eine Schweißverbindung lokal von außen erwärmt und deren Innenfläche gekühlt wird. Hierbei wird übersehen, daß, wie Versuche gezeigt haben, die Restspannungen an der Rohrinnenfläche in einigen Fällen Zugspannungen und in anderen Fällen Druckspannungen sind. Insofern ist es, um das angestrebte Ziel der Entlastung von Restspannungen zu erreichen, nicht ausreichend, lediglich die Rohrinnenfläche zu kühlen, vielmehr muß die Schweißwärmezufuhr geregelt werden.

Bei einem weiteren gattungsgemäßen Verfahren (JP-A2 54-85 143) werden Beschränkungen in bezug auf die Schweißwärmezufuhr und die Intensität der Kühlung auferlegt.

Im Hinblick auf den Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Entlastung von Restspannungen bei einer Stoß-Schweißverbindung, das in einfacher, jedoch sehr sicherer Weise diese Restspannungen entlastet oder entspannt, anzugeben, wobei eine Schweißmaschine, z. B. eine Wolfram-Schutzgas-, eine Metall-Inert-, eine Plasmalichtbogenschweißmaschine od. dgl. zur Anwendung kommt, so daß eine Schweißwärmezufuhr derart gesteuert wird, daß ein örtliches Temperaturgefälle (Temperaturgradient) zur Entlastung der Restspannungen entwickelt werden kann.

Die Lösung dieser Aufgabe besteht erfindungsgemäß darin, daß die Schweißwärmezufuhrbedingung q/t² (worin q die Wärmezufuhr und t die Rohrwandstärke sind) höher als annähernd 0,01 und die relative Wärmeübergangszahl ht/ λ (worin h die Wärmeübergangszahl zwischen dem Kühlmittel sowie der Rohrinnenfläche und λ die Wärmeleitfähigkeit des Rohres sind) höher als annähernd 2 sind.

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

Fig. 1 eine Darstellung zur Erläuterung des Erhitzungszustandes, wenn die Schweißwärmezufuhr niedrig ist;

Fig. 2 eine Darstellung zur Erläuterung des Erhitzungszustandes, wenn die Schweißwärmezufuhr hoch ist;

Fig. 3 die Temperaturverteilung, wenn die Schweißwärmezufuhr hoch ist;

Fig. 4 eine eindimensionale Temperaturverteilung;

Fig. 5 ein Kurvenbild für die Beziehung zwischen dem relativen Wärmeübertragungskoeffizienten n und (T _o-T _i)/T _o;

Fig. 6 ein Kurvenbild für die Beziehung zwischen dem Erhitzungszustand und der Restspannung;

Fig. 7 ein Kurvenbild für die Beziehung zwischen dem relativen Wärmeübertragungskoeffizienten und der Restspannung;

Fig. 8 eine Darstellung zur Erläuterung einer Abwandlung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Ist die Schweißwärmezufuhr q gering, so wird ein Rohr 1 so erhitzt, wie das in Fig. 1 gezeigt ist, d. h., ein erhitzter Teil ist sehr begrenzt und die Schrumpfkraft nach dem Abkühlen ist niedrig. Wenn die Schweißwärmezufuhr q hoch ist, dann wird das Rohr so erhitzt, wie Fig. 3 zeigt, d. h., ein beträchtlicher Teil der Rohrwand wird auf hohe Temperatur angehoben. Die eine Hälfte der Wand des Rohres 1 wird auf eine Temperatur gebracht, die höher als eine mittlere oder durchschnittliche Temperatur ist, die andere Hälfte der Rohrwand wird auf eine unter der mittleren Temperatur liegende Temperatur gebracht. Es ist in diesem Fall davon auszugehen, daß die nach dem Abkühlen in Erscheinung tretende Schrumpfkraft in demjenigen Teil entwickelt wird, der in der Temperatur über der Durchschnittstemperatur liegt, d. h. in der einen Rohrwandhälfte. Der Teil, in dem die Schrumpfkraft entwickelt wird, ist bei weitem größer als der Teil, in dem die Schweißwärmezufuhr niedrig ist. Das hat zur Folge, daß die sich ergebende Restspannung höher ist als diejenige, die im Teil der niedrigen Schweißwärmezufuhr erzeugt wird.

Um die für genügende Restspannungen erforderliche Wärmezufuhr abzuschätzen, wird angenommen, daß die Temperaturverteilung in der Wand des Rohres 1 die Form eines Kreises hat, dessen Mitte mit einer Schweißlinie (Erhitzungslinie) zusammenfällt (s. Fig. 2). In diesem Fall wird die Schweißwärmezufuhr q durch Multiplikation des Volumens eines Halbkegels, wie Fig. 2 zeigt, mit einem spezifischen Gewicht sowie einer spezifischen Hitze erhalten. Die Schweißwärmezufuhr q ist also gegeben durch

q = ½ × ¹/₃ π × t² (T _o-T _i) μρ

q/t² ≅ 0,5 × T _o × μρ (1)

worin ist

t = Wandstärke eines Rohres T _o = Rekristallisationstemperatur eines Werkstückmaterials T _i = Temperatur der Innenfläche eines Rohres μ = spezifische Hitze ρ = spezifisches Gewicht

weshalb T _o, d. h. die Rekristallisationstemperatur eines Werkstückmaterials, benutzt wird, hat folgenden Grund. Die Festigkeit eines Werkstückmaterials ist bei einer über einer Rekristallisationstemperatur liegenden Temperatur extrem niedrig, so daß, selbst wenn Formänderungen erzeugt werden, Spannungen nahezu nicht entwickelt werden. Ferner werden Spannungen, selbst wenn sie entwickelt werden, wegen der hohen Temperatur entspannt. Es ist also anzunehmen, daß die Temperaturänderung, nachdem sich die Maximaltemperatur der Rohrwand auf eine Rekristallisationstemperatur abgekühlt hat, die Restspannung stark beeinflußt.

Bei dem Verfahren gemäß der Erfindung wird durch T _o und q automatisch auf die Zeit und die Höhe des Temperaturflusses Bezug genommen.

Die Gleichung (1) ist eine der notwendigen Bedingungen zur Erhöhung der Druckkraft. In Gleichung (1) sind T _o, μ und ρ Materialkonstante, so daß einer der bedeutenden Parameter ist, daß der Wert von q/t² größer ist als der rechte Ausdruck der Gleichung (1).

Wenn die oben beschriebenen Annahmen gelten, dann wird die Temperatur T _o am Punkt O in der axialen Richtung und in Richtung der Stärke einer Platte verteilt. Deshalb ist, wenn die Temperatur auf Raumtemperatur abfällt, die Restspannung die durch die thermoelastische Analyse gegebene Axialspannung, nämlich

worin ist

In Gleichung (2) stellt der erste Ausdruck die auf der Temperaturverteilung in der axialen Richtung beruhende Spannung dar, während der zweite Ausdruck die auf der Temperaturverteilung in Richtung der Stärke oder Dicke beruhende Spannung wiedergibt. Um die Restspannung σ _aq negativ zu machen (Druckspannung), muß (T _o-T _i) größer gemacht werden. Insofern wird ein Parameter, der (T _o-T _i) größer macht, erörtert. Aus dem eindimensionalen Modell von Fig. 4 ergibt sich

worin ist

λ = Wärmeleitfähigkeit h = Wärmeübergangszahl zwischen einem Kühlmittel im Rohr und der Innenfläche des Rohres T _w = Kühlmitteltemperatur

Da nun T _o » T _w ist, folgt

worin ist

und n die relative Wärmeübergangszahl bestimmt.

Die Fig. 5 zeigt die Beziehung zwischen der relativen Wärmeübergangszahl n und (T _o-T _i)/T _o. Es ist zu sehen, daß zur Vergrößerung von (T _o-T _i)/T _o die relative Wärmeübergangszahl n vergrößert werden muß. Das bedeutet, daß die relative Wärmeübergangszahl n größer werden oder die Wandstärke t eines Rohres vergrößert werden muß.

Aus der oben angegebenen Erläuterung wird deutlich, daß, um die Restspannungen durch Anlegen der Schweißwärmezufuhr zu entwickeln und dann die Restspannungen an der Schweißstelle zu entspannen, die Wärmezufuhrbedingungen q/t² sowie die relative Wärmeübergangszeit n (Kühlbedingung) beim Schweißen in geeigneter Weise bestimmt werden müssen.

Die Fig. 6 zeigt die Beziehung zwischen der Wärmezufuhrbedingung q/t² (KJ/cm³) und der Restspannung (kg/mm² × 10 ≈ N/mm²). Es ist zu sehen, daß dann, wenn die Wärmezufuhrbedingung q/t² höher als annähernd 0,01 ist, die für die Entlastung in der Zug-Restspannung in der Schweißstelle ausreichende Druck-Restspannung entwickelt werden kann.

Aus der Fig. 7, die die Beziehung zwischen der relativen Wärmeübertragungszahl n und der Restspannung zeigt, ist zu erkennen, daß eine ausreichende Druck-Restspannung entwickelt werden kann, wenn die relative Wärmeübergangszahl mehr als annähernd 2 ist.

Daraus folgt, daß dann, wenn eine Schweißstelle unter der Wärmezufuhrbedingung q/t² 0,01 und unter der Kühlbedingung derart, daß die relative Wärmeübergangszahl n 2 ist, erhitzt wird, die Restspannungen entlastet oder entspannt werden können.

Bisher wurde von einer Schweißwärmezufuhr im Fall einer Wolfram-Schutzgasschweißung usw. gesprochen, wobei keine Auftragschweißung bewerkstelligt wird. Wenn jedoch Hitze mit einer Auftragschweißung zugeführt wird, wie in Fig. 8 gezeigt ist, dann muß t in Gleichung (5) zu (t + h′) geändert werden, worin h′ die Höhe des durch Auftragschweißung gebildeten Teils 2 bezeichnet.

Das Kühlmittel, das einer der Parameter der Kühlbedingungen ist, ist nicht auf Luft, Wasser od. dgl. begrenzt, und es genügt, daß die relative Wärmeübergangszahl n im Hinblick auf die Wandstärke t höher als annähernd 2 ist.

Wie sich aus den obigen Ausführungen ergibt, können die Restspannungen in der Stoßschweißverbindung zwischen Rohrabschnitten oder zylindrischen Behältern zufriedenstellend durch eine Schweißmaschine auf eine einfache, jedoch zuverlässige und sichere Weise ohne Rücksicht darauf, ob die Schweißverbindung neu oder alt ist, und ohne die Anwendung einer groß bemessenen oder voluminösen Spezialausrüstung bzw. -anlagen entspannt werden.

Claims

Verfahren zur Entlastung von Restspannungen in der Innenfläche einer stoßgeschweißten Verbindung zwischen Rohrabschnitten durch Erhitzen der Außenfläche der Verbindung mittels einer Schweißmaschine und Abkühlen der Innenfläche der Verbindung mittels eines Kühlmittels, dadurch gekennzeichnet, daß die Schweißwärmezufuhrbedingung q/t² (worin q die Wärmezufuhr und t die Rohrwandstärke sind) höher als annähernd 0,01 und die relative Wärmeübergangszahl ht/λ (worin h die Wärmeübergangszahl zwischen dem Kühlmittel sowie der Rohrinnenfläche und g die Wärmeleitfähigkeit des Rohres sind) höher als annähernd 2 sind.