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Verfahren zur Herstellung von bandagierten Hochdruckleitungen und
Behältern Beim Herstellen vorn Hochdruckleitungen, Reservoiren und Gefäßen, die
einem erhöhten Innendruck ausgesetzt sind, ist es seit langem bekannt. zylindrische
Bandagen (Ringe) zu verwenden. Seit einiger "Zeit Nahen die finit Ringen bandagierten
Rohre auf denn Gebiete der Hochdruckleitungen die geschweißten Rohre fast völlig
verdrängt, da <nie Verwendung von Ringen hei der Herstellung von Leitungen mit
großer Wandstärke eine erhebliche Einsparung von Metall ermöglicht.
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Zuerst hat man das Heißaufziehen der Ringe bevorzugt, d. 1i. man hat
Ringe, die vorher durch Erhitzen eine erhebliche Dehnung erfahren hatten, auf das
Rohr aufgezogen. Beim Erkalten legten sich die Ringe mit erheblicher Pressung gegen
das Rohr.
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Eine erhebliche Verbesserung wurde durch das Verfahren der Kaltaufbringung
erzielt. läemä(.l diesem Verfahren werden Ringe auf das Rohr gezogen, die etwas
größere Abmessungen haben als das Rohr. Dann erzeugt man im Rohr eine Pressung,
die hinreicht, um das Rohr unter Lrberschreitung der Elastizitätsgrenze dauernd
zu verformen. cl. 1i. (las Rohr wird im kalten Zustand
aufgeweitet
und legt sich gegen die Ringe, die unter elastischer Spannung mit dem Rohr ein Ganzes
bilden.
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Man verwendet ferner ein Verfahren der Selbstbandagierung (Autofrettage),
wobei das Rohr vorher einer Ultrapressung unterworfen wurde und innerhalb einer
Form durch Anwendung eines überhöhten Innendruckes eine dauernde Verformung unter
Überschreitung der Elastizitätsgrenze erfuhr. Dieses Verfahren kann in zwei Phasen
durchgeführt werden, indem das Rohr zuerst der Ultrapressung unterworfen wird und
dann der Selbstbandagierung. Man kann aber auch beide Maßnahmen gleichzeitig anwenden,
wie es bereits in einem anderen Verfahren vorgeschlagen wird. Diese verschiedenen
Kaitverfahren bedeuten gegenüber dem Warmverfahren einen erheblichen Fortschritt.
Sie erlauben eine bessere Ausnutzung des Metalls und damit eine wesentliche Ersparnis
des Aufwandes an Metall.
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Es ist allerdings zu beachten, daß man bei der dauernden Verformung,
die man der Rohrwandung erteilt, die Elastizitätsgrenze in den Ringen nicht erreichen
darf. :Man soll sich vielmehr in den Ringen erheblich unter dem Wert der Elastizitätsgrenze
halten, so daß diese lediglich elastische Spannungen erfahren.
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Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung
von Hochdruckrohren od. dgl. Werkstücken, bei welchem gemäß der Erfindung im Kaltstreckverfahren
nicht nur der Wandung des Werkstückes, sondern auch den Bandagen die dauernde Deformation
unter Überschreitung ihrer Elastizitätsgrenze erteilt wird.
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Dieses Überschreiten der Elastizitätsgrenze bei den Armierungen ist
im Hinblick auf die Qualitäten der Stähle, die heute erzeugt werden, durchaus zulässig.
Die Spezialstähle, die heute von den Stahlwerken geliefert werden, vertragen ein
Kaltstrecken unter dauernder Deformation, ohne daß ihre Qualitäten leiden, wobei
die den Anforderungen entsprechende Nachgiebigkeit erhalten bleibt.
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Die den Armierungsringen aufgezwungenen Deformationen ermöglichen
eine erheblich größere Deformation der Rohrwandung, auf welche die Armierungen aufgebracht
sind. Für die Rohrwandung kann man das Maximum der Dehnung vor dem Auftreten einer
Einschnürung erreichen, d. h. eine Dehnung, die dem Scheitelpunkt der Dehnungskurve
entspricht.
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Dieses Verfahren erlaubt es, dein Metall der Rohrwandung eine bedeutend
größere Aufweitung zu geben, als mit der gebräuchlichen Selbstbandagierung, allein
oder kombiniert mit einer vorangehenden bzw. gleichzeitigen Ultrapressung, erreicht
werden kann. Die Sicherheit der ausgeweiteten Rohrwandung wird nicht nur durch die
Anwesenheit der Armierungen, sondern auch durch die Verbesserung ihrer eigenen mechanischen
Eigenschaften infolge der Vergrößerung ihrer Deformation erhöht. Unter sonst gleichen
Betriebsbedingungen erreicht man eine bessere Ausnutzung des Metalls und eine Reduktion
des Gewichtes sowie der Preise der Erzeugnisse.
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Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin,
daß die so hergestellten armierten Rohre einen Sicherheitskoeffizienten haben, der
nicht bloß gerechnet und theoretisch, sondern im Hinblick auf die tatsächliche Elastizitätsgrenze
der verwendeten Materialien ein effektiver und'kontrollierter ist.
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Die gewöhnlichen, arrnierten, für Hochdruckleitungen bestimmten Rohre
rechnet man normal so, daß für einen Druck, der das 2'/2fache des Betriebsdruckes
beträgt, die ,Armierungen eine Beanspruchung erfahren, die höchstens der Elastizitätsgrenze
des Metalls gleichkommt, aus dem sie gefertigt sind. Das besagt, daß beim maximalen,
im Betrieb vorkommenden Druck der Sicherheitskoeffizient 2,5 ist.
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Beim gebräuchlichen Verfahren der Selbstbandagierung unterwirft man
das Rohr dem doppelten maximalen Betriebsdruck. Dieser Druck deformiert das Rohr
über die Elastizitätsgrenze. Dabei wird aber die Elastizitätsgrenze der Armierungsbänder
bei weitem nicht erreicht. Daraus folgt, daß bei diesen Rohren bei einem errechneten
Sicherheitskoeffizienten von 2,5 der tatsächlich kontrollierte Sicherheitskoeffizient
nur 2 ist.
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Beim Verfahren gemäß der Erfindung, wo man die Elastizitätsgrenze
bei den Armierungen überschreitet, ist man dazu übergegangen, das Rohr im Laufe
seiner Herstellung einem höheren Druck auszusetzen, als bisher, und zwar einemDruck,
der das Dreifache des maximalen Betriebsdruckes erreichen kann. Die Rohre sind daher
mit dem Dreifachen des maximalen Betriebsdruckes erprobt, und es kommt ihnen daher
der effektive Sicherheitskoeffizient 3 zu. Daraus ergibt sich, daß Rohre, die man
im Hinblick auf das verwendete Material normalerweise unter Einhaltung eines Sicherheitskoeffizienten
2,5 belastet hat, nunmehr imstande sind, einen höheren Betriebsdruck aufzunehmen,
nämlich das 3 2,5 = r,2fache des Betriebsdruckes, der nach den bisher üblichen
Verfahren 'hergestellten Rohre, Man kann daher, wenn man dasselbe Metallgewicht
aufwendet, mit einem größeren Sicherheitskoeffizienten rechnen oder bei Eirilialtung
desselben Sicherheitskoeffizienten mit einem geringeren Aufwand an Metall.
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Die Verringerung des Metallgewichtes wirkt sich insbesondere bei den
Armierungen, die aus einem teueren Metall hergestellt sind, als wesentliche Verbilligung
aus.
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Die Erfindung ermöglicht es aber auch, schon vorhandene bandagierte'Rohre
für die Aufnahme höherer Drücke geeignet zu machen, als die, für welche sie bestimmt
waren. Hierzu unterwirft man die Rohre einer Kaltaufweitung, die bei den Armierungen
über die Elastizitätsgrenze hinausgeht, gleichzeitig aber auch die Aufweitung der
Rohrwandung erhöht.
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Die Überschreitung der Elastizitätsgrenze bei den Armierungen kann
auf alle bandagierten Rohre angewendet werden, gleichgültig, welches Aufbringungsverfahren
verwendet
wurde. Sie kann ebensogut bei der Herstellung neuer Rohre wie bei bereits fertiggestellten
Rohren angewendet werden. Sie kann bei heiß aufgezogenen Bandagen, mit hesonderenv
Vorteil aber hei (Irr kalten Sell>stbandagierung und bei der Ultrapressung angewendet
werden. Bei der Verwendung dieses Verfahrens in Kombittation mit der kalten Selbstbandagierung
genügt es, das erforderliche Spiel zwischen der Rohrwandung und den Artvierungen
vorzusehen, damit die gegewünschte Aufteilung der Aufweitungen zwisch,rl der Rohrwandung
einerseits und den Armierungen :,n(lererseits gewährleistet ist. Diese Aufteilung
wird so heniessen, daß die Aufweitung der Rohrwand und der :\rmiertingen im wesentlichen
dem Beginn der Einschnürung der Metalle entspricht, aus welchen sie hergestellt
sind. Die totale Aufweitutig ergibt sich dabei als Summe der anfänglichen Ausweitung
der Rohrwand und der Ausweitung der Armierungen. falls man von einem bereits armierten
Rohr ausgeht und zweiphasig arbeitet. Sie entspricht hingegen der Aufweitung der
_Rohrwand, weint ein einziger Arbeitsgang angeweindet wird. Das Überschreiten der
Elastizitätsgrenze bei den Artvierungen kann in einem besonderen Arbeitsgang vor
sich gehen, dem ein bereits vorher der Selbstbandagierung unterzogenes Rohr unterworfen
wird. Man kann dieses Ziel aber .auch in einem einzigen Arbeitsgang erreichen, der
gleichzeitig die Selbstbart(lagierung des Rohres und die .i#iusweitttngen der Armierungen
erwirkt.
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Die Erfindung wird all Hand der Zeichnung 1)eispielsweise veranschaulicht.
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Die Fig. i und 2 erläutern den zweiphasigen Vorgang, die F 'g. 3 und
.I das einphasige Verfahren. Gemäß Fig. i geht man von einem bereits der Selbstbandagierung
unterworfenen Rohr aus, desseil Wand i sich in einem ersten Arbeitsgang unter elastischer
Spannung gegen die Ringe 2 gelegt hat. Dabei hat der Innendurchmesser des Rohres
vom ursprünglichen Wert h auf den Wert D + a zu-
genommen.
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Zwischen den Ringen 2 ordnet man die aus zwei oder mehreren Teilen
bestehenden Ringe 3 an, deren Innendurchmesser entsprechend der Aufweitung b (Fig.
2) gewählt ist, die man den Ringen 2 erteilen will, d.li. der Innendurchmesser der
Ringe 3 ist gleich (lern Innendurchmesser der Ringe 2 vermehrt um b.
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Sind die Ringe 3 an Ort und Stelle gebracht, so wird (las Rohr in
eitle hydraulische Presse eingespannt. Nach Herstellung der erforderlichen dichten
Anschlüsse setzt nian das Rohr einem wachsenden Druck aus. bis (las 2.5faclie des
Betriebsdruckes erreicht (>der sogar überschritten ist (statischer Druck und (rl)er(lrtick,
für den das Rohr bestimmt ist).
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Unter der 1?inwirkung des Druckes weitet sich die \i"andung i des
Rohres unter zunehmender Dehnung der Ringe = auf, in denen wachsende, schließlich
die 1?lastizitä tsgrenze überschreitende Spannungen erzeugt werden. Die Ringe weiten
sich so lange auf, bis die Außenwand i des Rohres die Ringe 3 berührt (Fig.2), welche
der Aufweitung der Ringe 2 die erwünschte Grenze setzen.
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Der Vorgang ist dann beendet. Der Druck der Presse wird auf Null gesenkt,
und die Ringe 3 werden entfernt. Das armierte Rohr behält die der letzten Phase
entsprechende Form, d. h. sein Durchtnesser hat den Wert D + a + b.
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Gemäß den F ig. 3 und .I geht man voll einem gezogenen oder geschweißten
Rohr i mit (lern Innendurchmesser D aus. Mit 2 sind Ringe bezeichnet, deren Innendurchmesser
aber nicht wie beim eben geschilderten Verfahren unter Berücksichtigung des für
das Aufbringen notwendigen Spieles bemessen ist, sondern mit einem Spiel a, das
der ersten partiellen Aufweitung des Rohres i entspricht. Dann ordnet man zwischen
den Ringen 2 die Ringe 3 all, deren Innendurchmesser mit D + a + b bemessen
ist, also unter Berücksichtigung der Aufweitung l), die man für die Ringe 2 vorgesehen
hat.
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Die ganze Anordnung wird dann an eine Presse angeschlossen und einem
wachsenden Druck ausgesetzt. Die erste Phase der Deformation bringt die Wandung
des Rohres i zum Anliegen gegen die Ringe 2. Eine weitere Steigerung des Druckes
bewirkt eine Dehnung der Ringe 2. Auf diese Weise wird eine totale Ausweitung a
+ b in einem einzigen Arbeitsgang erreicht.
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An Stelle von Ringen 3, die zwischen den Bändertl 2 angeordnet sind
und die Rohrwand abstützen. kann matt auch eine einzige ein- oder mehrteilige Rolle
vorsehen, deren Innendurchmesser dem Endaußendurchmesser entspricht, den die Ringe
2 nach der Erhöhung ihrer Elastizitätsgrenze annehmen. Diese Rolle umgibt die Ringe
2 und begrenzt deren Aufweitung von der Außenseite her. Beim Verfahren gemäß der
Erfindung verwendet malt im allgemeinen starre.Armierungen.
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Man kann aber auch nachgiebige Armierungen verwenden, z. B. Ringe,
die aus einer Bewicklung aus Faden oder Bändern gebildet sind, die in mehreren aufeinanderfolgenden
Lagen aufgebracht werden; schließlich auch Armierungen, die aus in schraubenförmig
urn das Rohr gerollten Seilen bestehen. Beispiel Es sei ein Rohr gemäß der Erfindung
auf kaltem Wege unter Selbstbandagierung der Rohrwand und Dehnung der Ringe über
die Elastizitätsgrenze hinaus im Kaltverfahren herzustellen, dessen Innendurchmesser
i6oo m beträgt und das einen Betriebsdruck von 1120 kg/cm' aushalten soll.
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Die Rohrwand ist aus bestem schweißbarem Chrom-Kupfer-Stahlblech (5.4
kg), wobei für die Schweißung folgende mechanische Werte gelten: Festigkeit > 54
kg/mm2, Elastizitätsgrenze > 34 kg/trim2, Deliriung > 2o%. Die Stärke des Bleches
beträgt 18 mm im Hinblick auf eitle 7%ige Auf weitung des _'\nfangsdurchmessers,
der i soo ni beträgt. Die Armierungen sind aus. Spezialchromnickelstahl und haben
die folgenden charakteristischen Daten: Festigkeit > ii 5 kg/mm2, Elastizitätsgreiize
>
9,5 kg/min2, Dehnung > 6%. Die Breite der Bandagen beträgt 8o mm, die Stärke 25
mm, die Intervalle zwischen den Bandagen 8o min, während der Innendurchmesser unter
Berücksichtigung einer 2%igen Aufweitung 16o6 iii beträgt.
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Die so zusammengestellte Gesamtanordnung wird in eine liy-draulisclie
Presse eingespannt und einem Innendruck von 3oo kg/cm2 unterworfen. Während der
Druck allmählich ansteigt, weitet sich das lZohr um 7% auf, erreicht die Armierungen
und weitet diese um 2% auf. Dann wird die Pressung auf Null zurückgebracht, während
die Armierungen stark gespannt bleiben und die Rohrwandung unter starker Pressung
halten. Die mittlere Stärke des Rohres einschließlich der Armierungen beträgt 30,5
mm.
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Ein den gewöhnlichen Selbstbandierungen unterworfenes Rohr, bei welchem
Stahlblech derselben Sorten für die Bleche und die Bandagen verwendet wurde und
das für denselben Betriebsdruck bestimmt ist, wurde einem Probedruck von 240 kg/cm=
ausgesetzt. Die Wandstärke des Rohres betrug 16 mm, die Breite der Bandagen war
dieselbe, die Abstände der Bandagen waren 8o mm, ihre Dicke jedoch 38 mm. Das Ersparnis
an Gewicht ini Vergleich zu den früher angewendeten Verfahren beträgt 21 %, und
zwar ausschließlich bei den Bandagen, deren Preis viel höher liegt als der der Bleche
für die Rohrwand.
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Das erfindungsgemäß bandagierte Rohr mit einem theoretischen Sicherheitskoeffizienten
von 2,50 wird hergestellt mit einem effektiven und erprobten Sicherheitskoeffizienten
von 2,5, weil die Pressung, welcher das Rohr unterworfen ist, das 2,Sfache der Betriebspressung
beträgt, während die nach dem gewöhnlichen Verfahren bandagierten Rohre, die mit
demselben theoretischen Sicherheitskoeffizienten gerechnet sind, einer Pressung
von nur dem Zweifachen der Betriebspressung unterworfen werden können.