DE3844164A1

DE3844164A1 - Verfahren zur herstellung von druckbehaeltern

Info

Publication number: DE3844164A1
Application number: DE19883844164
Authority: DE
Inventors: Bernhard Dipl Ing Hoffmann; Heinz Mueller; Hartwig Dr Rer Nat Wanka; Ulrike Dr Ing Zeislmair
Original assignee: Mannesmann AG
Current assignee: MCS CYLINDER SYSTEMS GMBH, 46535 DINSLAKEN, DE
Priority date: 1988-12-23
Filing date: 1988-12-23
Publication date: 1990-06-28
Also published as: DE3844164C2

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von zylindrischen Druckbehältern aus geschweißten Stahlrohren durch Warmumformung nach dem Spinning-Verfahren.

Das Spinning-Verfahren gehört seit Jahren zum bekannten Stand der Technik auf dem Gebiet der Druckbehälterfertigung. Dabei werden die auf Verarbeitungstemperatur erwärmten Rohrenden unter ständiger Drehung durch Fließdrücken zu einem kalottenförmigen Boden geschlossen (z. B. gemäß DE-OS 23 21 326) bzw. zu einem Flaschenhals umgeformt. Als Ausgangsmaterial kommen nahtlose oder geschweißte Stahlrohre zum Einsatz.

Es ist üblich, daß die verwendeten geschweißten Stahlrohre eine normal geglühte Längsnaht aufweisen. Vielfach kommen auch Stahlrohre zum Einsatz, die darüber hinaus aus thermomechanisch gewalztem Warmband hergestellt wurden und daher entsprechend hohe mechanische Festigkeitswerte aufweisen.

Bisher wurde es stets als unumgänglich angesehen, Druckbehälter, die aus geschweißten Stahlrohren gefertigt wurden, nach dem Spinning-Prozeß einer Wärmebehandlung, insbesondere einem Normalglühen zu unterziehen. Dies hat zum Beispiel seinen Niederschlag gefunden in "Allgemeine Anforderungen an Druckgasbehälter, Herstellen, Wärmebehandlung" (Technische Regeln Druckgase TRG 242 des Deutschen Druckgasausschusses, Abschnitt 3.1).

Eine solche Wärmebehandlung durch Normalisieren soll die technologischen Eigenschaften im Kopf- und Fußteil eines Druckbehälters verbessern und gleichzeitig eine Vergleichmäßigung dieser Eigenschaften im Hinblick auf die Eigenschaften im zylindrischen Teil bewirken.

Ein Nachteil des Normalglühens ist in dem damit verbundenen Aufwand für Anlagen, Arbeitszeit und Energie zu sehen, der die Herstellkosten erheblich verteuert.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren anzugeben, das eine kostengünstigere Herstellung von Druckbehältern aus geschweißten Stahlrohren ermöglicht, ohne die Bauteilsicherheit zu beeinträchtigen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Durch die Merkmale der Unteransprüche 2 und 3 läßt sich dieses Verfahren in vorteilhafter Weise ausgestalten.

Die erfindungsgemäße Vorgehensweise ermöglicht die Herstellung von Druckbehältern aus geschweißten Stahlrohren unter Verzicht auf die bisher als unumgänglich angesehene und von der TRG 242 vorgeschriebene Normalglühung, wobei die mechanische Festigkeitskennwerte ohne weiteres die Mindestwerte gemäß DIN 17 178 und DIN 17 172 einhalten:

Dehngrenze R _{p 0,2}
360 N/mm²
Zugfestigkeit R _m	= 490-630 N/mm²
Dehngrenzverhältnis R _{p 0,2}/R _m	85%

Ein Entfallen der nachträglichen Wärmebehandlung wird dadurch erreicht, daß für die Herstellung der verwendeten Stahlrohre mit normal geglühter Schweißnaht ein Warmband mit der chemischen Zusammensetzung gemäß dem Patentanspruch 1 eingesetzt wird, welches normalisierend gewalzt wurde, d. h. die Endumformung beim Walzen des Bandes erfolgte in einem Temperaturbereich, in dem ein Werkstoffzustand eintritt, der dem Zustand nach einer Normalglühung entspricht. Zum anderen wird die Warmumformung der Rohrenden nach dem Spinning-Verfahren derart durchgeführt, daß der Verformungsgrad in Abhängigkeit von der örtlichen Temperatur jeweils ausreichend groß eingestellt wird, um eine Gefügefeinkörnigkeit zu erzielen, die derjenigen eines normalisierten Gefüges gleichwertig ist. Je höher die örtliche Temperatur ist, um so größer muß auch der Umformungsgrad ε _ges sein. Beispielsweise bei 900 Grad Celsius sollte er über 5% und bei 1200 Grad Celsius über 90% betragen.

Die Feinkörnigkeit des Gefüges und damit dessen mechanische Festigkeitskennwerte lassen sich weiter verbessern, wenn am Ende des Spinningsprozesses eine beschleunigte Abkühlung bis auf unter 500 Grad Celsius durchgeführt wird. Die Abkühlgeschwindigkeit sollte möglichst im Bereich von 3 bis 15 K/s liegen, wobei in Abhängigkeit vom Werkstoff bei höherem C-Gehalt eine um so kleinere Abkühlgeschwindigkeit gewählt wird. Mit besonderem Vorteil wird die beschleunigte Abkühlung unter Verwendung von Druckluft oder Luft/Wasser-Gemischen vorgenommen und bis unter 300 Grad Celsius geführt.

Das erfindungsgemäße Verfahren bringt neben der Kostenersparnis den Vorteil mit sich, daß die beim Walzen des Warmbandes erzielten sehr guten Festigkeitseigenschaften nicht mehr durch ein abschließendes Normalglühen des Druckbehälters verschlechtert werden können. Damit bleiben gerade im zylindrischen Teil des Druckbehälters, in dem die stärkste mechanische Belastung durch den Innendruck auftritt, deutlich bessere Festigkeitseigenschaften erhalten, als dies nach den Vorschriften gefordert wird. Dies wird anhand der nachfolgenden Beispiele näher erläutert.

Die Wirksamkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens wird durch eine Gegenüberstellung der Eigenschaften eines erfindungsgemäß hergestellten Druckbehälters C und derjenigen zweier Vergleichsbeispiele A und B deutlich. In den Fig. 1 bis 4 sind schematische Schnitte durch den Kopf- bzw. Fußteil eines Druckbehälters dargestellt, in denen die Meßstellen mit den jeweils ermittelten Durchschnittswerten für die Dehngrenze R _{p 0,2}, die Zugfestigkeit R _m und das Dehngrenzenverhältnis R _{p 0,2}/R _m an den Druckbehältern A, B bzw. C eingetragen sind. Die chemische Zusammensetzung des Stahles vom Behälter C unterscheidet sich, wie die nachfolgende Tabelle zeigt, nur unwesentlich von der Zusammensetzung des Stahles der Vergleichsbehälter A und B.

Während das Warmband für die Behälter A und B thermomechanisch gewalzt wurde, ist das Warmband für Behälter C erfindungsgemäß normalisierend gewalzt worden. Die aus dem Warmband erzeugten Stahlrohre (Durchmesser 229 mm, Wanddicke 3,2 mm) wurden alle HFI-geschweißt, wobei die Schweißnaht jeweils nachträglich doppelt induktiv normalisierend geglüht wurde.

Zur Herstellung der Druckbehälter A und B wurden die Rohre an den Enden erwärmt und nach dem Spinning-Verfahren eingeformt. Während Behälter A entsprechend den Vorschriften der TRG 242 im Anschluß an den Spinning-Prozeß normalisierend geglüht wurde, ist bei Behälter B auf eine solche nachträgliche Wärmebehandlung verzichtet worden. Die mechanische Prüfung der Festigkeitseigenschaften erfolgte an Mikro-Rundzerreißproben B 1,5×7,5 nach DIN 50125 im Kopf- und Fußbereich bzw. im zylindrischen Teil an Flachzugproben 6×30 nach DIN 50114. Die Meßstellen und Meßwerte für R _{p 0,2}, R _m und R _{p 0,2}/R _m, die für die Behälter A und B ermittelt wurden, sind für den Kopfteil in Fig. 1 und für den Fußteil in Fig. 2 dargestellt.

Wie der Vergleich der Dehngrenzen- und der Zugfestigkeitswerte, insbesondere im zylindrischen Teil deutlich zeigt, tritt durch die Normalisierungsbehandlung im Falle des Behälters A eine deutliche Abnahme der Dehngrenze ein. Im Kopf- bzw. Fußteil sind mit der Wärmebehandlung darüber hinaus auch deutliche Einbußen in der Zugfestigkeit verbunden. Der normalisierte Behälter A erfüllt jedoch sämtliche geforderten Mindestwerte. Dagegen entspricht Behälter B trotz der höheren Werte für die Dehngrenze und die Zugfestigkeit nicht den Anforderungen, weil das Verhältnis R _{p 0,2}/R _m im zylindrischen Teil mit 89% deutlich zu hoch liegt.

Der in erfindungsgemäßer Weise aus normalisierend gewalztem Warmband im Spinning-Verfahren mit geregelter Temperaturführung und definiertem Umformgrad ohne die sonst übliche Normalisierung im Anschluß an das Spinning-Verfahren erzeugte Behälter C erfüllt aber die gestellten Bedingungen wiederum ebenso wie Behälter A vollständig. Die gefundenen Meßwerte gehen aus Fig. 3 für den Kopfteil und aus Fig. 4 für den Fußteil hervor. Aufgrund des normalisierenden Walzens bei der Warmbandherstellung sind die Ausgangswerte für R _{p 0,2} und R _m, wie ein Vergleich zwischen den Behältern B und C im zylindrischen Teil zeigt, geringer, erfüllten jedoch voll die gestellten Anforderungen. Ein Vorteil des normalisierenden Walzens gegenüber dem thermomechanischen Walzen (Behälter B) ist aber das deutlich günstigere Dehngrenzenverhältnis von 77% gegenüber 89%. Vergleicht man nun die Eigenschaften des nach dem Stand der Technik normalisierten Behälters A mit denen des erfindungsgemäß erzeugten Behälters C, so stellt man bei Behälter C nur geringfügig niedrigere Werte für R _{p 0,2} und R _m fest, die durch Abweichungen in der Analyse (C, Si, Nb) bedingt sind, jedoch den erforderlichen Sollwerten auch im Hinblick auf das Dehngrenzenverhältnis voll entsprechen.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung von zylindrischen Druckbehältern mit einer Dehngrenze R _{p 0,2} von mindestens 355 N/mm², einer Zugfestigkeit R _m von 490 bis 630 N/mm² und einem Dehngrenzenverhältnis R _{p 0,2}/R _m von maximal 85% aus einem längsnahtgeschweißten Stahlrohr mit normalgeglühter Naht durch Warmumformen der Rohrenden nach dem Spinning-Verfahren mit anschließendem Abkühlen auf Raumtemperatur, wobei das verwendete Stahlrohr die folgende Werkstoffzusammensetzung (Massenprozent) aufweist: 0,08-0,25% C
0,15-0,50% Si
1,1-1,8% Mn
0,02-0,06% Al
bis 0,04% Nb
bis 0,025% Ti
bis 0,05% V
bis 0,02% P
bis 0,005% S
bis 0,018% NRest Eisen und erschmelzungsbedingte Verunreinigungen, dadurch gekennzeichnet, daß das verwendete Stahlrohr aus normalisierend gewalztem Warmbreitband hergestellt worden ist, daß der Verformungsgrad beim Spinning-Prozeß in Abhängigkeit von der örtlichen Temperatur zur Erzeugung eines Gefüges mit einer Feinkörnigkeit, die derjenigen eines normalisierten Gefüges gleichwertig ist, ausreichend groß eingestellt wird und daß die Druckbehälter nicht einer nachträglichen Wärmebehandlung unterzogen werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohrenden am Ende des Spinning-Prozesses mit einer vom C-Gehalt abhängigen Abkühlgeschwindigkeit von 3 bis 15 K/s bis auf unter 500 Grad Celsius abgekühlt werden.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abkühlung mit Druckluft oder einem Luft/Wasser-Gemisch als Kühlmedium vorgenommen wird.