DE4107901A1 - Druckmanschette und verfahren zu ihrer herstellung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Druckmanschette gemäß dem Ober­ begriff des Anspruches 1 sowie ein Verfahren zu ihrer Her­ stellung.

Die Prüfung von Schweißverbindungen an beispielsweise Druck­ gefäßen oder Rohren führt häufig zum Erkennen verschiedenar­ tiger Fehler in der Schweißnaht oder in dem die Schweißnaht benachbarten Material. Diese Erscheinung wird durch die Tat­ sache verstärkt, daß, insbesondere bei Kernkraftwerken, neue Prüftechniken und neue Prüfkriterien angewendet werden.

Die Erfahrung zeigt, daß die Probleme, die entstehen, wenn festgestellt wird, daß eine Schweißnaht in einem Kernreaktor fehlerhaft hat, können sehr ausgedehnte und teure Maßnahmen nach sich ziehen. Häufig müssen Berechnungen über das An­ wachsen eines Risses durchgeführt werden, und es können um­ fangreiche wiederkehrenden Prüfungen der Schweißnaht ver­ langt werden. Als Alternative hierzu kann eine Reparatur durchgeführt werden, die sehr umfangreich und kostspielig werden kann.

Es ist daher notwendig, die verschiedenen alternativen Maß­ nahmen gegeneinander abzuwägen. Diese haben unterschiedli­ che, kurzfristige und langfristige wirtschaftliche Folgen. Die Maßnahmen müssen auch den Sicherheitsbedingungen ange­ paßt werden, die im einzelnen Falle gelten.

Alternative Maßnahmen, welche die Möglichkeit eröffnen, den vielfältigen Problemen mit optimalem Ergebnis aus wirt­ schaftlicher und sicherheitstechnischer Sicht gerecht zu werden, sollten die Herbeiführung einer einfachen Entschei­ dung ermöglichen. Die Vorteile alternativer Maßnahmen werden verstärkt, wenn sie eine Verkürzung der Zeit zur Korrektur des entdeckten Fehlers erlauben. Dies trifft besonders dann zu, wenn die Maßnahme so beschaffen ist, daß sie nach kurzer Vorbereitung unmittelbar verfügbar ist und ausgeführt werden kann, im Prinzip, unmittelbar nach Entdeckung des Fehlers. Auf diese Weise kann vermieden werden, daß während der Revi­ sionszeit Untersuchungsarbeiten notwendig werden und Ent­ scheidungen getroffen werden müssen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Druckman­ schette zu entwickeln, welche unter den oben geschilderten Verhältnissen eine schnelle und wirksame Behebung oder Sta­ bilisierung eines entdeckten Fehlers ermöglicht.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird eine Druckmanschette gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 vorgeschlagen, welche er­ findungsgemäß die im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 genannten Merkmale hat.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Druckmanschette sind in den weiteren Ansprüchen 2 bis 7 genannt.

Verfahren zur Herstellung von Druckmanschetten gemäß der Er­ findung sind in den Ansprüchen 8 und 9 genannt.

Die Erfindung basiert darauf, daß der Draht oder das Band in solchem Maße fest angelegt ist, daß die Fehlerstelle in dem rohrförmigen Teil stark kontrahiert wird. Der entstehende Druckzustand bleibt im Falle einer geeigneten Dimensionie­ rung und und einer geeigneten Zugspannung in dem Draht auch bestehen, nachdem das rohrförmige Teil unter Druck gesetzt und belastet worden ist. Unter der Druckspannung in dem Ma­ terial des Teils wird ein Anwachsen eines anfänglichen Ris­ ses oder eines anderen Fehlers verhindert. Die Maßnahme kann auch vorsorglich angewendet werden, um das Auftreten von Rissen an exponierten Stellen in dem rohrförmigen Teil als Folge von beispielsweise Spannungskorrosion verhindern.

Das Band kann so breit gemacht werden, daß eine Lage des Bandes über der Fehlerstelle den Fehler hinreichend über­ deckt. Das Band wird dann in einer erforderlichen A zahl von Lagen (Windungen) über die Fehlerstelle gewickelt. In diesem Falle kann das Band aus dünnem Blech oder einer Folie beste­ hen. Die Verwendung eines solchen breiten Bandes hat den Vorteil, daß die axiale Festigkeit der Druckmanschette ver­ bessert wird.

Gemäß einer besonders geeigneten Ausführungsform der Erfin­ dung besteht der Draht oder das Band aus Memory-Metall. Die Eigenschaften von Memory-Metall werden weiter unten erklärt. In diesem Falle wird der Draht oder das Band vor dem Herum­ wickeln um das rohrförmige Teil bei einer Temperatur unter­ halb der Umwandlungstemperatur des Memory-Metalls in einem solchen Maße in Längstrichtung plastisch gedehnt, daß nach dem Wickeln des Drahtes oder des Bandes um den Fehlerstelle und nachfolgender Erwärmung auf einen Wert oberhalb der Um­ wandlungstemperatur des Memory-Metalls die gewünschte Zug­ spannung in der Druckmanschette erreicht wird.

Auf diese Weise kann der Draht oder das Band ohne Vorspan­ nung gewickelt werden. Die Vorspannung wird aufgebaut, wenn der Draht oder das Band nach Erhitzen über die Umwandlungs­ temperatur seine ursprüngliche Länge wieder einzunehmen ver­ sucht, wodurch die gewünschte Zugspannung in der Druckman­ schette zustande kommt. Natürlich kann auch die Folie oder das dünne Blech aus Memory-Metall bestehen.

Anhand der in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele soll die Erfindung näher erläutert werden. Es zeigen

Fig. 1 bis 3 verschiedene Ausführungsformen einer Druckmanschette über einer Schweißnaht,

Fig. 4 eine Druckmanschette, die an einem Rohrsockel für ein Kernreaktorgefäß angelegt ist,

Fig. 5 eine Druckmanschette aus Folie oder dünnem Blech mit einer Breite, die im wesentlichen gleich der axialen Länge der Manschette ist.

Fig. 1 zeigt ein rohrförmiges Teil 1 mit einer peripheren Schweißnaht 2, neben der ein Riß 3 aufgetreten ist. Um das Rohr sind verschiedene Windungen einer Druckmanschette 4 ge­ wickelt. Die Druckmanschette 4 ist aus einem Draht 5 aufge­ baut, der zweckmäßigerweise eine flache Querschnittsform hat, beispielsweise 0,5 × 3 mm. Der Draht 5 kann aus Kohlen­ stoffstahl oder aus rostfreiem Stahl bestehen, letzteres, um die Gefahr von Spannungskorrosion zu vermeiden und hohe Zug­ spannungen zu erreichen. Der Draht wird über die Fehler­ stelle mit einer Zugspannung von beispielsweise 300 MPa, zweckmäßigerweise noch mehr in den unteren Lagen der Wick­ lung, gewickelt. Hierdurch wird eine so stark vorgespannte Wicklung erhalten, daß der Druckspannungszustand in dem rohrförmigen Teil 1 erhalten bleibt, auch wenn dieses von innen unter Druck gesetzt wird. Um eine Dichtung eines un­ dichten Risses 3 zu erhalten, ist bei der Ausführungsform nach Fig. 2 eine Dichtungspackung 6 aus rostfreiem Stahl­ blech oder dergleichen um das Rohr herumgelegt und an­ schließend die Wicklung über das Stahlblech gewickelt. Die­ ses Stahlblech wird dann mit einer solchen Kraft gegen das Rohr gedrückt, daß auch Risse 3, die quer zur Längsrichtung des Rohres 1 verlaufen, unschädlich gemacht werden können. In diesem Fall ist es notwendig, daß die Druckmanschette 4 auch axiale Kräfte im Rohr aufnehmen kann. Diese Kräfte wer­ den von dem Stahlblech aufgenommen, welches von dem Draht 5 gegen das rohrförmige Teil 1 mit solcher Kraft gedrückt wird, daß ausreichende Reibung zwischen dem Teil 1 und dem Stahlblech entsteht.

In Fig. 3 liegt unmittelbar an dem Teil 1 eine mit Flan­ schen versehene Hülse 7 an, deren Form einem Garnrollenkör­ per ähnelt. Dies wurde in der Weise vorgenommen, daß die Hülse 7 längs einer axialen Ebene in mindestens zwei Teilen zerlegt wurde, die dann über dem Riß 3 an das Teil 1 ange­ legt wurden. Danach wurde der Draht 5 gewickelt.

Beim Wickeln des Drahtes 5 ist darauf zu achten, daß die un­ teren Windungen mit einer höheren Zugspannung gewickelt wer­ den, als die äußeren Windungen. Die Spannung im Draht kann variieren von, beispielsweise, 500 MPa in der innersten Win­ dungslage bis, zum Beispiel, 300 MPa in der äußeren Lage. Natürlich kann es notwendig sein, Spannungen von unter­ schiedlicher Größe anzuwenden, und dies hängt vollständig von den besonderen herrschenden Umständen ab, wie zum Bei­ spiel dem Rohrdurchmesser, der Dicke, dem Material des Roh­ res, dem inneren Druck, der Temperatur und so weiter. Eine Vielzahl unterschiedlicher Faktoren beeinflußt also die Be­ rechnungen, die zur Bestimmung einer geeigneten Spannung im Draht 5 erforderlich sind, und die erwähnten Zahlen bezüg­ lich der Drahtabmessungen, der Zugspannung, der Zugkraft und so weiter sind nur geeignete Beispiele.

Gemäß einer besonders geeigneten Ausführungsform der Erfin­ dung besteht die Druckmanschette aus Memory-Metall mit einem Einweg-Memory-Effekt. Eine geeignete Legierung ist das auf Ni-Ti basierende NITINOL oder eine auf Eisen basierende Fe- Cr-Ni-Mn-Si-Legierung. Diese Legierungen haben Umwandlungs­ temperaturen bis herunter zu ungefähr +100°C, aber wahr­ scheinlich kann eine noch niedrigere Umwandlungstemperatur erreicht werden.

Ein Memory-Metall ist eine Legierung, die einen stabilen, austenitischen Zustand bei einer Temperatur oberhalb einer bestimmten sogenannten Umwandlungstemperatur einnimmt und einen stabilen martensitischen Zustand unterhalb dieser Tem­ peratur. Ein Memory-Metall, welches im austenitischen Zu­ stand eine bestimmte erste Form hat und dann bis unterhalb der Umwandlungstemperatur abgekühlt wird und dabei in den martensitischen Zustand übergeht und dann in eine zweite Form umgeformt wird, hat die Fähigkeit, nach Erhitzung auf einen Wert oberhalb der Umwandlungstemperatur und Übergang in den austenitischen Zustand die erste Form wieder anzuneh­ men, das heißt sich dieser erste Form zu erinnern. Die Me­ mory-Metalle, die in diesem Falle verwendet werden, vertra­ gen eine Verformung zwischen 4 und 8% und sind daher in der Lage, auch nach einer großen Verformung ihre ursprüngliche Gestalt wieder anzunehmen. Die vorgenannte Erscheinung wird gemäß der Erfindung in der Weise ausgenutzt, daß das Memory- Metall, in diesem Falle der Draht 5, unterhalb der Umwand­ lungstemperatur plastisch in Längsrichtung gedehnt wird, be­ vor er auf das rohrförmige Teil 1 gewickelt wird. Das Ausmaß der Dehnung des Drahtes 5 hängt von dem gewünschten Druck ab, der durch die Druckmanschette ausgeübt werden soll. Der Draht 5 wird dann ohne Vorspannung auf das Teil 1 gewickelt. Danach wird die Temperatur bis oberhalb der Umwandlungstem­ peratur erhöht, so daß der Draht 5 versucht, seine ursprüng­ liche Länge wieder anzunehmen. Dabei zieht er sich zusammen und übt den gewünschten Druck auf das rohrförmige Teil 1 aus.

In beengten Räumen ist die Verwendung von Memory-Metall ein Vorteil, da keine spezielle Wickelvorrichtung notwendig ist, um den Draht 5 mit Vorspannung zu wickeln.

Noch eine weitere Vereinfachung ist möglich. Diese zeigt Fi­ gur 4, in der 8 das Druckgefäß eines Kernreaktors ist, wel­ ches Druckgefäß in einem schützenden Betonmantel 9 einge­ schlossen ist. Das Druckgefäß 8 ist mit einem Rohrsockel 10 versehen, an welchen ein rostfreies rohrförmiges Teil 11 an­ geschweißt ist. Die Schweißnaht 12 ist schwer herzustellen und natürlich auch schwer zu reparieren. Gemäß der Erfindung kann dies nun durch Anlegen einer Druckmanschette 4 gemäß Fig. 3 mit einer Flanschhülse 7 und einer Wicklung aus Me­ mory-Metall in der beschriebenen Weise um das Teil 11 außer­ halb des Betonmantels 9 herum in der in Fig. 4 mit A be­ zeichneten Stelle geschehen. Danach wird die Druckmanschette 4 durch die Öffnung zwischen dem Teil 11 und dem Betonmantel 9 in eine Lage über der Schweißnaht 12 geschoben (Position B in Fig. 4). Diese Verschiebung ist möglich, da die Man­ schette ohne Vorspannung gewickelt wurde, und die Reibung zwischen der Manschette und dem Teil 11 daher gering ist. Um weiter sicherzustellen, daß die Reibung zwischen der Hülse 7 und dem rohrförmigen Teil 11 niedrig ist, kann die Hülse 7 aus Memory-Metall gemacht werden. Sie wird dann vor ihrer Teilung und ihrem Anbringung an dem rohrförmigen Teil 11 durch Verformung mit einem inneren Durchmesser versehen, der ein geeignetes Spiel zwischen Hülse 7 und Teil 11 garan­ tiert. Wenn die Druckmanschette 4 in ihre Lage gebracht wor­ den ist, wird sie bis oberhalb der Umwandlungstemperatur er­ wärmt, so daß sich das Memory-Metall des Drahtes 5 und even­ tuell auch der Hülse 7 zusammenzieht und dadurch die Man­ schette 4 ihren Druck entfaltet. Die Aufheizung kann dadurch vorgenommen werden, daß die Manschette 4 mit einer elektri­ schen Heizfolie umgeben wird. Um sicherzustellen, daß die Temperatur einen Wert oberhalb der Umwandlungstemperatur für das Memory-Metall erreicht, bevor die Heizung beendet wird, ist ein Thermoelement an einer geeigneten Stelle in der Man­ schette 4 angeordnet.

Das vorgenannte Verfahren zur Reparatur einer Schweißnaht hat insofern einen weiteren Vorteil, als die für die Repara­ tur erforderliche Zeit kurz ist, so daß die Abschaltzeit des Kernreaktors reduziert werden kann und damit natürlich auch die radioaktive Dosis, welcher das Reparaturpersonal ausge­ setzt ist.

Fig. 5 zeigt ein rohrförmiges Teil 1 mit einer peripheren Schweißnaht 2, neben der ein Riß 3 entstanden ist. In diesem Falle enthält die Druckmanschette 4 ein Band 22 von voller Breite, das heißt die Breite des Bandes 22 ist im wesentli­ chen gleich der axialen Länge der Druckmanschette 4. Im üb­ rigen wird das Band 22 in der gleichen Weise behandelt, wie es zuvor für eine Draht aus Kohlenstoffstahl oder Memory-Me­ tall beschrieben wurde. Das Band 22 besteht aus einer Folie oder einem dünnen Blech, welches sich den unter ihr/ihm lie­ genden Unregelmäßigkeiten anpaßt, wie zum Beispiel einer Schweißnahtverstärkung oder dem Übergang von einer Rohrab­ messung zu einer anderen.

Ein weiterer Vorteil eines Bandes 22 von voller Breite be­ steht darin, daß der Druckmanschette eine große axiale Fe­ stigkeit verliehen wird und daß keine unterzulegende Packung 6 für die Aufnahme von axialen Kräften erforderlich ist. An­ dererseits kann es zweckmäßig sein, unter der Druckman­ schette eine flexible Schicht 25 aus Graphit anzuordnen. Diese Schicht kann entweder aus einer separaten Platte be­ stehen, die getrennt um die Fehlerstelle gewickelt wird, wo­ rauf anschließend das Band 22 gewickelt wird, oder der erste Teil des Bandes 22, der in Kontakt mit der Fehlerstelle ge­ langt, kann mit einer Schicht aus Graphit belegt sein.

Eine Druckmanschette 4 mit einer vollen Bandbreite entspre­ chend der vorgenannten Art kann auch in der in Fig. 4 ge­ zeigten Art verwendet werden, wobei dann eine unterliegende Hülse 7 nicht erforderlich ist. Die Druckmanschette 4 aus Memory-Metall wird in diesem Falle unterhalb der Umwand­ lungstemperatur aus einem Band ohne Vorspannung um das Teil 11 gewickelt. Die Druckmanschette 4 mit der darunter liegen­ den Graphitplatte beziehungsweise Graphitschicht 25 wird dann in eine Lage über der Fehlerstelle geschoben und bis über die Umwandlungstemperatur erhitzt. Die Druckmanschette 4 dichtet dabei über der Fehlerstelle (die Schweißnaht 12) ab und hat gleichzeitig eine zufriedenstellende axiale Fe­ stigkeit.

Schließlich ist es möglich, eine Band- und eine Drahtausfüh­ rung zu kombinieren, zum Beispiel dadurch, daß über eine Wicklung, die aus wenigen Lagen eines breiten Bandes be­ steht, Draht oder ein schmaleres Band 5 gewickelt wird, wo­ durch der Manschette ein Aussehen verliehen wird, welches dem in Fig. 2 gezeigten ähnelt mit der Maßgabe, daß das Blech 6 dünner ist und dafür aus meheren Lagen gewickelt ist. Das Blech 6 kann dann natürlich auch aus Memory-Metall bestehen.

Claims (9)

1. Druckmanschette, insbesondere geeignet als Dichtung und/oder Stütze über Rissen (3) oder gefährdeten Bereichen von rohrförmigen Teilen (1), dadurch gekenn­ zeichnet, daß um die Fehlerstelle des rohrförmigen Teils (1) eine Wicklung aus mehreren Lagen eines vorgespann­ ten Bandes (22) oder Drahtes (5) angeordnet wird.

2. Druckmanschette nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Band aus einer Folie oder einem dünnen Blech besteht, dessen Breite im wesentlichen gleich der axialen Länge der Druckmanschette ist.

3. Druckmanschette nach einem der Ansprüche 1 oder 2, da­ durch gekennzeichnet, daß der Draht (5) oder das Band (22) bei seinem Wickeln um die Fehlerstelle des rohrförmigen Teils (1) mit einer Kraft gespannt wurde, die zumindest eine Zugspannung von 300 MPa in dem Draht (5) oder dem Band (22) hervorruft.

4. Druckmanschette nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Draht (5) oder das Band (22) aus Memory-Metall besteht, wobei der Draht (5) oder das Band (22) vor dem Wickeln um das rohrförmige Teil (1), wel­ ches Wickeln ohne nennenswerte Zugspannung in Draht (5) oder im Band (22) erfolgte, bei einer Temperatur unterhalb der Umwandlungstemperatur des Memory-Metalls auf eine Länge ge­ dehnt wurde, die geeignet ist, die gewünschte Zugspannung in der Druckmanschette (4) zu erzeugen, nachdem die Wicklung über der Fehlerstelle aufgebracht wurde und anschließend die Temperatur über die Umwandlungstemperatur erhöht wurde.

5. Druckmanschette nach einem der vorhergehenden A sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das eine Dichtpackung (6) um die Fehlerstelle unter der Wicklung an­ geordnet ist.

6. Druckmanschette nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß eine mit Auße­ nendflanschen versehene Hülse (7), die parallel zu ihrer Längsachse in zumindest zwei Teile geteilt ist, unter der Wicklung um die Fehlerstelle angebracht ist.

7. Druckmanschette nach Anspruch 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Hülse auf Memory-Metall be­ steht.

8. Verfahren zur Anbringung einer Druckmanschette nach einem der Ansprüche 6 oder 7 über einer schwer zugänglichen Feh­ lerstelle an einem rohrförmigen Teil (11), dadurch gekennzeichnet, daß an einer leicht zugängli­ chen Stelle des defekten rohrförmigen Teils (11) eine Hülse (7) mit nach außen vorstehenden Flanschen an ihren Enden um das Teil (11) angebracht wird, woraufhin ein Draht (5) aus Memory-Metall, welcher unterhalb der Umwandlungstemperatur des Memory-Metalls auf eine Länge gedehnt wurde, die zur Er­ reichung der gewünschten Zugspannung in der Druckmanschette (4) nach anschließender Erhöhung der Temperatur der Druckmanschette (4) über die Umwandlungstemperatur aus­ reicht, um die Hülse (7) ohne nennenswerte-Vorspannung ge­ wickelt wird, daß dann die Hülse mit dem auf ihr aufgewik­ kelten Draht (5) längs des rohrförmigen Teils (11) in Posi­ tion über der Fehlerstelle an den Teil (11) geschoben wird und daß dann das Memory-Metall bis oberhalb der Umwandlungs­ temperatur erhitzt wird.

9. Verfahren zur Anbringung einer Druckmanschette gemäß An­ spruch 2 über einer schwer zugänglichen Fehlerstelle in ei­ nem rohrförmigen Teil (11), dadurch gekenn­ zeichnet, daß an einer leicht zugänglichen Stelle des fehlerhaften Teils (11) ein Band (22) ohne nennenswerte Vor­ spannung gewickelt wird, wobei das Band (22) aus einer Folie oder einem dünnen Blech aus Memory-Metall besteht, de­ ren/dessen Breite im wesentlichen gleich der axialen Länge der Druckmanschette (4) ist und welches unterhalb der Um­ wandlungstemperatur des Memory-Metalls auf eine Länge ge­ dehnt wurde, welche geeignet ist, die gewünschte Zugspannung in der Druckmanschette (4) nach erfolgter Erhöhung der Tem­ peratur in der Druckmanschette (4) über die Umwandlungstem­ peratur zu erreichen, daß danach das um das Teil (11) gewic­ kelte Band (22) längs des rohrförmigen Teils (11) in eine Position über der Fehlerstelle des Teils (11) geschoben wird und daß die Druckmanschette anschließend bis oberhalb der Umwandlungstemperatur des Memory-Metalls erhitzt wird.