DE3827080A1 - Verfahren und vorrichtung zur dynamischen innendruckpruefung von hohlkoerpern - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur dynamischen In­ nendruckprüfung von mindestens eine Öffnung aufweisenden Hohl­ körpern, insbesondere von Rohrabschnitten und Rohranschlußstüc­ ken, beispielsweise von Geschützrohren und deren Bodenstücke, bei dem in dem mittels eines Kolbens verschließbaren, vollstän­ dig mit Druckflüssigkeit und gegebenenfalls auch mindestens ein Füllstück aufnehmenden Hohlkörper ein der zu erwartenden Bean­ spruchung relevanter dynamischer Druckverlauf erzeugt wird und die dabei auftretenden Spannungen, insbesondere die Dehnungen, des Hohlkörpers gemessen werden, sowie auf eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Geschützrohre und deren Bodenstücke werden durch wiederholende Innendruckerhöhung bei gleichzeitiger Messung der Dehnung solan­ ge belastet, bis sich Risse zeigen, durch die die eingespannte Druckflüssigkeit nach außen dringt. Da dabei Prüfdrücke bis et­ wa 8000 bar erforderlich sind und die Druckflüssigkeit sich da­ bei bis auf ca. 75% des ursprünglichen Volumens zusammendrücken läßt, wird mindestens ein Füllstück in den Druckraum eingebracht, um so die Druckflüssigkeitsmenge und damit das Kompressionsvolu­ men möglichst gering zu halten.

Der Druckaufbau erfolgt normalerweise mittels eines an sich be­ kannten Druckübersetzers, dessen Förderstrom bei ca. 0,5 l/min liegt. Die daraus resultierende Druckanstiegsgeschwindigkeit ist sehr gering und entspricht keinesfalls der wirklichen dy­ namischen Belastung eines Geschützrohres.

Aus der DE-OS 35 04 685 ist ein Verfahren zur Innendruckprü­ fung von Geschützrohren bekannt, bei dem ein dichtend in das Rohr eingeführter Kolben an seinem herausragenden Ende von einer schlagartig wirkenden Krafteinheit belastet und damit in dem Rohr eine schlagartige Druckerhöhung erzeugt wird, die sich vom inneren, freien Ende des Kolbens über einen Drossel­ spalt bei gleichzeitiger Reduzierung bis zum dem von dem Kol­ ben durchdrungenen Endstück fortpflanzt. Durch diese schlag­ artige Belastung steigt der Druck zumindest vor der freien Kolbenfläche innerhalb weniger Millisekunden auf den erforder­ lichen Prüfdruck an, und durch die Festlegung des Drosselspal­ tes läßt sich eine Druckbelastung über die gesamte Rohrlänge er­ zeugen, die zumindest annähernd der tatsächlichen dynamischen Belastung eines Geschützrohres entspricht. Nachteilig bei die­ sem Verfahren ist es, daß die Belastungsfrequenz nur sehr ge­ ring ist und damit die Zeit für eine gesamte Ermüdungsprüfung bis zur Rißbildung sehr viel Zeit in Anspruch nimmt. Dies hängt nicht zuletzt davon ab, daß die einzelnen Teile der Vorrichtung, insbesondere die beiden Schlitten, nach jedem Schlag bzw. jeder simulierten Schußbelastung wieder in die Ausgangslage zurückbe­ wegt werden müssen. Darüber hinaus ist eine derartige Vorrich­ tung sehr aufwendig und teuer, bei gegebener Auslegung nur in geringem Maße auf unterschiedliche Rohrabmessungen sinnvoll um­ rüstbar, baut sehr groß und besitzt nur einen geringen Wirkungs­ grad.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfah­ ren zur dynamischen Innendruckprüfung von mindestens eine Öff­ nung aufweisenden Hohlkörpern, insbesondere von Rohrabschnitten und Rohranschlußstücken, beispielsweise von Geschützrohren und deren Bodenstücken zu schaffen, welches eine hohe Belastungsfol­ ge ermöglicht, einen hohen Wirkungsgrad besitzt und dabei viel­ seitig anwendbar und wesentlich einfacher und preiswerter ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe werden die im Kennzeichen des An­ spruches 1 aufgeführten Verfahrensschritte vorgeschlagen.

Bei einem solchen Verfahren wird in üblicher Weise vor der ei­ gentlichen Prüfung in dem Hohlkörper ein geringer Vordruck auf­ gebaut. Mit der Einleitung der kinetischen Energie beginnt der Prüfablauf. Die kinetische Energie einer beispielsweise als Fallgewicht ausgebildeten stoßenden Masse wird beim Auftreffen auf den Kolben, der den Hohlkörper verschlossen hält, auf die Druckflüssigkeit und das elastische Zwischenglied übertragen. Die dabei entstehende Stoßkraft ist abhängig von der einge­ brachten Energie und der Elastizität der sich stoßenden Massen und Zwischenglieder. Die Stoßkraft erzeugt bei Durchgang durch den Hohlkörper einen entsprechenden Druckanstieg und beschleu­ nigt damit die mit dem Hohlkörper verbindbare gestoßene Masse in der Stoßrichtung. Je nach Wahl der Einrichtung wird die übertragene Energie über Bremszylinder einem Energiespeicher zumindest teilweise wieder zugeführt oder an das Erdreich über­ tragen.

Der Druckverlauf selbst wird weitgehend von den Stoffeigen­ schaften des elastischen Zwischengliedes, der im Hohlkörper eingespannten Druckflüssigkeit und des Hohlkörpers selbst so­ wie die sie umgebenden Materialien (Erdreich) bestimmt.

Die Druckanstiegsgeschwindigkeit wird durch die Höhe der Auf­ treffgeschwindigkeit und der federelastischen Eigenschaften der in der Stoßlinie aufeinandertreffenden Komponenten be­ einflußt, während die Druckabfallgeschwindigkeit weitgehend von der elastischen Nachwirkung sowie dem inneren und äußeren Dämpfungsgrad der beteiligten Komponenten bestimmt wird. Dem­ entsprechend ist es empfehlenswert die Auftreffgeschwindig­ keit relativ niedrig und dafür die stoßende Masse möglichst hoch anzusetzen.

Je nach der zu erwartenden Druckverlaufscharakteristik wird als elastisches Zwischenglied eine Rammhaube, die Druckflüs­ sigkeit selbst, d.h. durch entsprechende Volumenvorgabe und gegebenenfalls entsprechender Reduzierung des Füllstückvo­ lumens, oder ein entsprechender Rammpfahl, dessen Mantel- und/oder innere Reibung dabei zu berücksichtigen ist, ausge­ wählt. Empfehlenswerterweise sollte die stoßende Masse in et­ wa gleich groß der gestoßenen Masse sein, da so die stoßende Masse nach dem Stoß in etwa zum Stillstand kommt und rasch in ihre Ausgangsposition bringbar ist. Das Gewicht der beiden Massen sollte dabei ein Vielfaches des Hohlkörpergewichtes betragen.

Weitere Merkmale des Verfahrens sowie die Ausbildung einer Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens sind in den Ansprüchen 2-26 offenbart.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand zweier zeichnerisch dar­ gestellter Ausführungsbeispiele der Vorrichtung näher erläutert. Dabei zeigt

Fig. 1 eine weitgehend hydraulisch angetriebene Vorrichtung zur dynamischen Innendruckprüfung und

Fig. 2 eine Vorrichtung zur dynamischen Innendruckprüfung unter Inanspruchnahme von Komponenten, wie sie in der Rammtechnik verwendet werden.

In Fig. 1 der Zeichnung ist eine Vorrichtung zur dynamischen Innendruckprüfung dargestellt, bei der eine stoßende Masse 1 über einen Hydraulikzylinder 2 in ihrer Ausgangsposition ge­ halten und über einen Verriegelungszylinder 3 gesichert wird. Durch die Betätigung eines Magnetventiles 4 wird die Verriege­ lung aufgehoben. Mit der Betätigung eines Magnetventiles 5 wird die Hydraulikflüssigkeit aus dem Zylinder 2 und verstärkt über ein Schnellentlastungsventil 6 drucklos zu einem Tank 7 abgelassen. Damit setzt sich die stoßende Masse 1 in Bewegung und trifft nach dem Durchlaufen einer Fallhöhe H auf einen Kol­ ben 8, der einen als Prüfling eingebrachten Hohlkörper 9 ver­ schlossen hält.

In dem Hohlkörper 9 befindet sich ein Füllstück 10 und eine Druckflüssigkeit 11, die über eine Pumpe 12 aus einem Behälter 13 über ein Rückschlagventil 14 in den Hohlkörper 9 gedrückt wurde. Über eine Zugankerverspannung 15 wird der Kolben 8 daran gehindert aus dem Hohlkörper 9 gedrängt zu werden. Eine Dich­ tung 16 auf dem Kolben 8 verhindert das Austreten der Druck­ flüssigkeit aus dem Hohlkörper 9 zwischen dem Kolben 8 und der Hohlkörperinnenwandung 17. Durch den der Dichtung 16 vorgela­ gerten Dichtspalt 18 wird die Dichtung 16 nur mit einem wesent­ lich geringeren Druck als dem maximalen Spitzendruck im Inneren des Hohlkörpers 9 beaufschlagt, der gemäß Aufgabenstellung wäh­ rend eines Prüfzyklus nur wenige Millisekunden ansteht. Beim Auftreffen der stoßenden Masse 1 auf den Kolben 8 erzeugt die Stoßkraft einen Druckanstieg entsprechend der eingebrachten Energie und der Gesamtelastizität des Systems.

Da das Gewicht der stoßenden Masse 1 in etwa dem einer ge­ stoßenen Masse 19 entspricht, die sich in diesem Ausführungs­ beispiel aus einer Aufspannplatte 20 und einem Plunger 21 zu­ sammensetzt, kommt die stoßende Masse 1 nach dem Stoß in etwa zum Stillstand, während die gestoßene Masse 19 mit dem Hohl­ körper 9 und seinen Anbauten sich in Stoßrichtung weiter be­ wegen. Dabei wird die gestoßene Masse 19 gegen das sie tragen­ de Druckluftpolster 22 gedrängt, und zwei in dieser Zeichnung dargestellte Bremszylinder 23 a und 23 b verdrängen in gleichem Maße, wie die gestoßene Masse zurückweicht, die Hydraulikflüs­ sigkeit aus den Bremszylindern 23 a und 23 b über ein Rück­ schlagventil 24 in einen Druckspeicher 25. Ist die einge­ brachte Energie zumindest teilweise wieder in den als Ener­ giespeicher wirkenden Druckspeicher 25 zurückgeführt, so wird die gestoßene Masse 19 durch das Druckluftpolster 22 wieder in die Ausgangsposition zurückgeführt und saugt dabei Hy­ draulikflüssigkeit aus dem Tank 7 über ein Rückschlagventil 26 in die beiden Bremszylinder 23 a und 23 b.

Parallel dazu wird durch das Umschalten der Magnetventile 4 und 5 die stoßende Masse 1 in die Ausgangsposition zurückgezogen und gesichert. Eine Pumpe 27 sorgt für den Ausgleich der Ener­ gieverluste. Der Hydraulikkreislauf ist über ein Sicherheits­ ventil 28 abgesichert und wird über einen Filter 29 entsorgt. Beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 ist das Volumen des Füll­ stücks 10 reduziert worden, da hierbei die Druckflüssigkeit 11 weitgehend die Aufgabe des elastischen Zwischengliedes über­ nehmen soll.

In Fig. 2 ist eine stoßende Masse 30 als Rammbär ausgebildet, der über ein Seil 31, das zu einer nicht dargestellten Seil­ winde führt, gehalten wird und so abgelassen und wieder hoch­ gezogen werden kann. Die gestoßene Masse setzt sich in diesem Ausführungsbeispiel aus dem unteren Ende eines Rammpfahles 32 und dem diesen Pfahl umgebenden Erdreich zusammen.

Als elastisches Zwischenglied ist in diesem Ausführungsbeispiel erstens eine Rammhaube 33 vorgesehen, die aus einem Stahlmantel 34 und einer Dämmstoffauskleidung 35, beispielsweise einer Hart­ holzauskleidung, besteht. Als zweites elastisches Zwischenglied wird das in diesem Ausführungsbeispiel gegenüber Fig. 1 ge­ minderte Druckmittelvolumen herangezogen, und als drittes ela­ stisches Zwischenglied wirkt der obere Teil des Rammpfahles 32, der wie eine elastische Feder durch die Stoßwirkung gestaucht wird, sich verkürzt und dabei über die Mantelreibung gedämpft wird und demzufolge Energie an das ihn umgebende Erdreich ab­ führt.

Der Aufbau des Hohlkörpers und seine Anbauten entsprechen weit­ gehend dem aus Fig. 1. Auch hinsichtlich des Prüfablaufes be­ stehen keine grundsätzlichen Unterschiede. Während die Vorrich­ tung gemäß Fig. 1 auf ein Fundament zu stehen kommt, kann bei der Vorrichtung gemäß Fig. 2 darauf verzichtet werden. Der Ramm­ pfahl 32 kann, falls er nach längerer Belastungszeit weiter in das Erdreich absinkt, am oberen Ende durch das Einfügen von ent­ sprechenden Abschnitten jederzeit verlängert werden.

Grundsätzlich sind die Module der beiden Ausführungsbeispiele gegeneinander austauschbar. Das heißt, daß die hydraulisch ge­ steuerte stoßende Masse aus Fig. 1 durch einen Rammbär, wie er in Fig. 2 dargestellt ist, ausgetauscht werden kann. In gleicher Weise kann aber auch eine hydraulisch gesteuerte, stoßende Masse gemäß Fig. 1 auf eine als Rammpfahl ausgebildete, gestoßene Masse gemäß Fig. 2 einwirken. Bei beiden Ausführungsbeispielen ist es möglich, die Vorrichtungen mit einem Schalldämmkamin zu umgeben, um so die als Schallabstrahlung entweichende Energie zu dämpfen und den Schallpegel der Vorrichtung zu senken. Vorrichtungen dieser Art sind in der Lage, ca. 5 bis 10 Belastungszyklen pro Minute zu erzeugen und so mit wesentlich geringerem Energieauf­ wand in kürzerer Zeit als mit jeder anderen Vorrichtung das Prüfziel zu erreichen.

Claims (26)

1. Verfahren zur dynamischen Innendruckprüfung von mindestens eine Öffnung aufweisenden Hohlkörpern, insbesondere von Rohr­ abschnitten und Rohranschlußstücken, beispielsweise von Ge­ schützrohren und deren Bodenstücke, bei dem in dem mittels eines Kolbens verschließbaren, vollständig mit Druckflüssig­ keit und gegebenenfalls auch mindestens ein Füllstück aufneh­ menden Hohlkörper ein der zu erwartenden Beanspruchung rele­ vanter dynamischer Druckverlauf erzeugt wird und die dabei auftretenden Spannungen, insbesondere die Dehnungen, des Hohlkörpers gemessen werden, dadurch gekennzeichnet, daß der mit einem Kolben (8) verschließbare Hohlkörper (9) gemeinsam mit einem mit dem Hohlkörper (9) in Stoßrichtung zusammenwirkenden elastischen Zwischenglied (11, 32, 33, 34, 35) durch zwei sich stoßende Massen (1, 19, 30, 32) belastet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Auslegung des elastischen Zwischengliedes (11, 32, 33, 34, 35) im Hinblick auf seine federelastischen Ei­ genschaften und seine elastische Nachwirkung der Druckver­ lauf im Hohlkörper (9) beim Durchgang der Stoßenergie steu­ erbar ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stoßauftreffgeschwindigkeit unter Berücksichtigung der elastischen Eigenschaften der Zwischenglieder (11, 32, 33 34, 35) auf die gewünschte Druckanstiegsgeschwindigkeit abge­ stimmt und die Gewichte der sich stoßenden Massen (1, 19, 30, 32) in Hinblick auf die erforderliche Stoßenergie festgelegt werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Stoßenergie durch den nahezu freien Fall der sto­ ßenden Masse (1, 30) eingebracht und über die gestoßene Mas­ se (19) zurückgewonnen wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die eingebrachte Stoßenergie weitgehend über Reibung an das Erdreich abgeführt wird.

6. Vorrichtung zur dynamischen Innendruckprüfung von minde­ stens eine Öffnung aufweisenden Hohlkörpern, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach mindestens einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß in der Stoßlinie zwischen einer stoßenden und einer ge­ stoßenen Masse (1, 19, 30, 32) der mit einem Kolben (8) ver­ schließbare Hohlkörper (9) und ein elastisches Zwischenglied (11, 32, 33, 34, 35) angeordnet sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die stoßende Masse (1, 30) als Fallgewicht ausgebildet ist, das vorzugsweise mittels eines Hydraulikzylinders (2) in seine Ausgangsposition bringbar ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Fallhöhe (H) veränderbar und während einer Versuchs­ serie, beispielsweise durch einen Anschlag an einem Verriege­ lungszylinder (3), konstant einstellbar ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die stoßende Masse (30) als Rammbär ausgebildet ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das elastische Zwischenglied (33) als eine dem Kolben (8) vorgelagerte Dämpfungsfeder, beispielsweise als Ramm­ haube, ausgebildet ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das elastische Zwischenglied (11) das in dem Hohlkörper (9) eingeschlossene Druckmittel selbst ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das elastische Zwischenglied (32) als eine dem Hohl­ körper nachgeschaltete Dämpfungsfeder, beispielsweise dem oberen Ende eines in das Erdreich eingetriebenen Ramm­ pfahles, ausgebildet ist.

13. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 6-12, dadurch gekennzeichnet, daß das elastische Zwischenglied (11, 32, 33, 34, 35) aus ei­ ner Kombination der Ansprüche 6-12 gebildet ist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die gestoßene Masse (19) über ein Druckluftpolster (22) in ihrer Ausgangsposition gehalten, gegen diese rück­ drängbar und wieder in die Ausgangsposition bringbar ist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 6 und 14, dadurch gekennzeichnet, daß die gestoßene Masse (19) selbst als ein in einem Zy­ linderrohr geführter Plunger (21) ausgebildet ist, der mittels Druckluft in der Ausgangsposition gehalten, ge­ gen diese rückdrängbar und wieder in die Ausgangsposition bringbar ist.

16. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 6-15, dadurch gekennzeichnet, daß die gestoßene Masse (19) mit mindestens einem Brems­ zylinder (23) zur teilweisen Rückgewinnung der über die stoßende Masse (1, 30) eingebrachte Energie verbunden ist.

17. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 6-16, dadurch gekennzeichnet, daß die Stoßenergie über die Mantelreibung des als ela­ stisches Zwischenglied ausgebildeten Rammpfahls (32) an das Erdreich übertragbar ist.

18. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 6-17, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Teil der Stoßenergie durch die innere Reibung des elastischen Zwischengliedes (32, 33, 34, 35) ab­ baubar ist.

19. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die gestoßene Masse durch das untere Ende eines in das Erdreich eingetriebenen Rammpfahles (32) zusammen mit dem ihm umgebenden Erdreich gebildet ist.

20. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß der Rammpfahl (32) aus Metall gebildet ist.

21. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß der Rammpfahl (32) aus Beton gebildet ist.

22. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß der Rammpfahl (32) am oberen Ende verlängerbar ausge­ bildet ist.

23. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß der Rammpfahl (32) am unteren Ende in einen Fundament­ block eingesetzt ist.

24. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Gewichte der sich stoßenden Massen (1, 19, 30, 32) in etwa gleich groß sind.

25. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Gewichte der sich stoßenden Massen (1, 19, 30, 32) um ein Vielfaches höher als das Gewicht des Hohlkörpers (9) sind.

26. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die die Stoßenergie bildenden Faktoren aus einem mög­ lichst hohen Gewicht der stoßenden Masse (1, 30) und einer geringen Fallhöhe (H) wählbar sind.