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Verfahren zur Herstellung von Leitungen, Reservoiren und Gefäßen für
hohe Innendrücke Die Fortschritte in der Technik der Herstellung von Hochdruckleitungen
und Behältern, die für hohe Innendrücke bestimmt sind, sind seit langer Zeit darauf
gerichtet, Metall einzusparen und damit Gewicht und Preis der Erzeugnisse herabzusetzen.
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Nachdem bei der Fertigung der Rohre und beim Leitungsbau das Nieten
durch das Schweißen ersetzt wurde, ist man dazu übergegangen, Stähle von hoher Elastizitätsgrenze
und großer Festigkeit zu verwenden und alle Möglichkeiten der Ausnutzung dieser
Eigenschaften auszuschöpfen. Dabei wurden insbesondere Verfahren entwickelt, bei
welchen durch Aufweiten des Rohres die Elastizitätsgrenze des Metalls der Rohrwandung
überschritten wurde. Ein solches Verfahren ist bekannt unter der Bezeichnung Selbstbandagierung
auf kaltem Wege (Autofrettage). Gemäß diesem Verfahren werden Verstärkungsringe
in geeigneten Abständen mit Spiel auf das Rohr aufgeschoben. Das mit den kalten
Ringen versehene Rohr wird dann in einer hydraulischen Presse unter guter Abdichtung
der Anschlüsse einem Druck unterworfen, der das Doppelte des Betriebsdruckes (statischer
Druck plus Überdruck) beträgt.
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Unter der Wirkung des ansteigenden Druckes weitet sich das Rohr bis
zum Anliegen gegen die Bandagierungsringe auf und spannt dann die Ringe. Bei Beendigung
des Vorganges ist die Elastizitätsgrenze
in der Rohrwandung überschritten,
in den Ringen aber nicht erreicht.
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Wird der Innendruck auf Null gebracht, so verbleibt dem Rohr eine
dauernde Deformation, während die mit dem Rohr ein Ganzes bildenden Ringe elastisch
gespannt sind und auf die Rohrwand so wie heiß aufgebrachte Schrümpftinge eine Pressung
ausüben. Die Bezeichnung Selbstbandagierung bringt zum Ausdruck, daß sich das Rohr
selbst im Zuge seiner Aufweitung mit den Bandagen (Armierungsringen) zu einem festen
Ganzen vereinigt hat.
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Es ist bekannt, daß beim Überschreiten der Elastizitätsgrenze das
Metall eine dauernde Dehnung erfährt und eine neue Elastizitätsgrenze erhält, die
gleich der maximalen Beanspruchung ist, der es unterworfen wurde. Es ist zulässig,
beim Entwurf von Leitungen mit dem erhöhten Wert der Elastizitätsgrenze zu rechnen.
Durch das Verfahren der kalten Selbstbandagierung erhält man dieselbe Festigkeit
und dieselbe Sicherheit bei einem viel kleineren Aufwand an Metall als mit den bisher
bekannten Methoden.
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Die gewonnenen praktischen Erfahrungen haben die Vorteile dieses Verfahrens
bestätigt und gezeigt, daß die Ersparnisse an Metall 5o °/a betragen gegenüber einfach
geschweißten Rohren und 25 °/ö gegenüber dem Verfahren der heiß aufgebrachten
Schrumpfringe.
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Bei Durchführung dieses Verfahrens werden die Ringe gegenüber dem
Rohr mit einem Spiel bemessen, das gerade hinreicht, um ein leichtes Aufbringen
der kalten Ringe zu gewährleisten. Das Spiel wird so klein wie möglich bemessen
und beträgt praktisch im Maximum 10/, des Durchmessers. - Daraus ergibt sich für
die Rohrwandung bei der Kaltaufweitung eine dauernde Dehnung von = °/o, die der
Beanspruchung entspricht, der das Stahlblech des Rohres während der Bandagierung
unterworfen wurde. Die zusätzliche Aufweitung zufolge der elastischen Dehnung der
Ringe beträgt etwa 2/1o00 bis 5/iooö# Die Totalaufweitung beträgt demnach maximal
1,5 °/0. Daraus ergibt sich eine entsprechende Erhöhung der Elastizitätsgrenze,
die noch nicht systematisch untersucht würde, vom Verfahren abhängt und maximal
etwa zo °/o ausmacht.
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Die eben entwickelten Bedingungen sind für die gebräuchlichen Stahlsorten
zufriedenstellend und ergeben Wandstärken für die Rohre, die etwa ein Viertel der
Wandstärke gewöhnlicher, geschweißter Rohre aus dem gleichen Stahlblech betragen.
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Ein anderes Verfahren zur Herstellung von Rohren, das auf der systematischen
Erhöhung der Elastizitätsgrenze des Metalls durch Kaltaufweitung beruht, wird im
nachfolgenden kurz als Ultrapreßverfabren bezeichnet.
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Gemäß diesem Verfahren wird das fertige Röhr in eine zylindrische,
ein- oder mehrteilige Form eingebracht, welche der Form des Röhren entspricht, aber
einen Innendurchmesser hat, der etwas größer ist als der Außendurchmesser des Rohres.
Man unterwirft das Rohr, so wie beim Verfahren der Selbstbandagierung, einem wachsenden
hydraulischen Druck, der das Rohr aufweitet, bis seine Außenwand mit der Form in
Berührung tritt, wobei in der Rohrwandung die Elastizitätsgrenze überschritten wird.
Diese Art der Herstellung von Rohren nach dem Ultrapreßverfahren gewährleistet so
wie das Verfahren der Selbstbandagierung eine bessere Ausnutzung des Metalls und
daher eine Herabsetzung des erforderlichen Metallgewichts gegenüber gewöhnlichen
Rohren.
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Die Form, in welcher das Ultrapreßverfahren vor sich geht, weist gegenüber
dem zu behandelnden Rohr eine Druchmesserdifferenz von Z bis 5 °/o auf und läßt
daher eine erhebliche Aufweitung sowie eine beträchtliche Erhöhung der Elastizitätsgrenze
zu. Im Gegensatz zum vorhergehend erläuterten Verfahren ist die Erhöhung der Elastizitätsgrenze
genau eimittelbar und beträgt 2o bis q0 °/o.
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Man hat auch die Vorteile beider Verfahren vereinigt in der Herstellung
von Rohren im Ultrapreß-und Selbstbandagierungsverfahren. Dabei wird nicht ein gewöhnliches,
geschweißtes Rohr, sondern ein vorher auf kaltem Wege nach dem Ultrapreßverfahren
aufgeweitetes Rohr behandelt. Das Verfahren wickelt sich in zwei Stufen
ab: Man unterwirft das Rohr zuerst der Ultrapressung und dann, nachdem man
auf das Rohr die erforderlichen Armierungen aufgebracht hat, der kalten Selbstbandagierung.
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Obwohl diese Verfahren gute Ergebnisse hatten und in zahlreichen wichtigen
Fällen angewendet wurden, so schöpfen sie nicht alle Möglichkeiten aus, die Festigkeit
des Metalls auszunutzen. Insbesondere bei den modernen,: hochwertigen Stahlsorten
ergeben sich Möglichkeiten der Aufweitung der Rohre in einem größeren Ausmaß als
beim Verfahren der Selbstbandagierung bzw. der Ultrapressung unter Verwendung einer
Form.
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Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren der Herstellung von bandagierten
Rohren, wobei mit der Aufweitung der Rohre bis zum maximalen Wert gegangen wird,
der vor dem Eintreten der Fließgrenze liegt und der bei halbharten, gewöhnlichen
C-Stählen oder Cr-Cu-Stählen etwa zo °/ö beträgt, was einer Erhöhung der Elastizitätsgrenze
von etwa 7o °/Q entspricht.
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Die Erfindung besteht im wesentlichen darin, daß man dem Werkstück
eine dauernde Deformation durch Aufweitung desselben aufzwingt, indem man es sowohl
einer Ultrapressung wie auch einer kalten Selbstbandagierung unterwirft, wobei aber-
beim Ultrapressen die Bandagen (Ringe) die Rolle einer Form spielen.
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Die Bandagen sind dieselben wie bei der Selbstbandagierung. Sie werden
aber nicht mit dem für das Montieren unbedingt notwendigen kleinsten Spiel, sondern
mit einem ganz erheblich größeren Spiel von etwa 5 bis ro °/o des Durchmessers aufgebracht.
Dieses Spiel ist so bemessen, daß es eine bestimmte, vorher festgesetzte Aufweitung
der Rohrwand zuläßt.
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Bei diesem Verfahren entfällt die Verwendung einer besonderen Form,
deren Rolle von den mit erheblich größerem Spiel aufgebrachten Bandagen übernommen
wird. Die Berührung der Rohrwand mit den Bandagen tritt erst ein, wenn die Periode
der Ultrapressung beendet ist. Die Aufweitung der Bandagen beginnt erst, wenn die
Rohrwand die vorher bestimmte, von den Bandagen begrenzte Aufweitung erfahren hat.
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Da beim Verfahren gemäß der Erfindung die Selbstbandagierung
erst
an einem vorher der Ultrapressung unterworfenen Rohr durchgeführt wird, vereinigte
es die Vorteile beider Verfahren. Es gibt die Möglichkeit einer ganz wesentlich
größeren Dehnung des Metalls als die Ultrapressung oder die einfache Selbstbandagierung,
verbessert aber das Verfahren der Ultrapressung durch die den Ringen zu verdankende
Sicherheit. Unter sonst gleichen Bedingungen ermöglicht es eine bessere Ausnutzung
des Metalls und damit eine Herabsetzung der Preise und Gewichte.
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Die Erfindung umfaßt auch die Vereinigung der Selbstbandagierung mit
der Ultrapressung in einem Arbeitsgang, ohne daß für die zweitgenannte Phase eine
besondere Form notwendig ist. Die Kombination der beiden Verfahren vereinigt nicht
bloß die Vorteile derselben, sondern steigert diese, indem eine bei getrennter Anwendung
garnicht mögliche Erhöhung der nutzbaren Elastizitätsgrenze erreicht wird, und zwar
durch die maximale, noch zulässige Aufweitung, die das Rohr erfährt.
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Die kombinierte Anwendung der Ultrapressung mit der Selbstbandagierung
wird gewöhnlich mit starren Bandagen (Ringen) durchgeführt. Der Innendurchmesser
der Ringe ist um 5 bis io % größer als der Außendurchmesser der Rohre. Der OOuerschnitt
der Ringe ist im wesentlichen gleich dem Querschnitt des Bleches der Rohrwand. Die
Ringe sind in regelmäßigen Abständen auf das Rohr aufgebracht.
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Das Rohr mit den Ringen wird zwischen die Anschlüsse einer hydraulischen
Prüfpresse gebracht. Nach gehöriger Abdichtung der Anschlüsse wird der Druck allmählich
bis auf das Doppelte des Betriebsdruckes gesteigert, für den das Rohr in der verlegten
Leitung bestimmt ist, der sich aus dem statischen Druck und dem maximalen Überdruck
zusammensetzt, dem das Rohr betriebsmäßig unterworfen wird.
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Unter dem Druck der hydraulischen Presse weitet sich das Rohr zuerst
frei um etwa 5 bis io % seines Durchmessers auf, dann legt sich die Rohrwand gegen
die starren Bandagen und ruft in denselben Spannungen hervor. Ist der Vorgang beendet
und wurde der Innendruck auf Null gebracht, so bleiben die Bandagen gespannt und
üben eine ständige Pressung auf die Rohiwand aus. Die Deformation der Bandagen ist
eine elastische Deformation und beträgt nur einige Tausendstel des Durchmessers.
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An Stelle starrer Bandagen kann man nachgiebige Bandagen verwenden,
die aus Wicklungen von Fäden oder schmalen Bändern bestehen, die in aufeinanderfolgenden
Lagen aufgebracht sind und einen nachgiebigen Ring bilden. Diese nachgiebigen Ringe
sind unter Einhaltung geeigneter Zwischenräume auf das Rohr aufgebracht. Das Verfahren,
dem das Rohr unterworfen wird, ist dasselbe wie oben geschildert. Beispiel Es sei
ein Rohr im Verfahren gemäß der Erfindung herzustellen, das sowohl der Ultrapressung
wie auch der kalten Selbstbandagierung unterworfen wurde und einen Innendurchmesser
von i,6oo m haben soll und bestimmt ist, einen Betriebsdruck von 12o kg/cm2 auszuhalten.
Die Rohrwand aus Stahlblech der Sorte Cr-Cu (54
kg) wurde geschweißt und
hat folgende Daten
| Festigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . > 54 kg/mm2 |
| Elastizitätsgrenze . . . . . . . . . . . > 34 kg/mm2 |
| Dehnung .................. > 2o0/0 |
Die Dicke des Stahlbleches beträgt 18 mm und soll eine Dehnung von 7 % erfahren,
ausgehend von einem Anfangsdurchmesser = i,5oo m.
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Auf dieses Rohr wird unter Einhaltung von je 8o mm breiten Zwischenräumen
eine Reihe von Bandagierungsringen aufgebracht mit folgenden Daten
| Innendurchmesser . . . . . . . . . . 1,636 m |
| Breite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8o mm |
| Dicke ..................... 30 mm |
Die Ringe sind aus Stahl der Sorte Cr-Ni (115 kg) und haben folgende charakteristische
Daten:
| Festigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115 kg/mm2 |
| Elastizitätsgrenze . . . . . . . . . . . 95 kg/mm2 |
| Dehnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 611/, |
Das so vorbereitete Rohr wird zwischen die Anschlüsse einer hydraulischen Prüfpresse
eingespannt und einem Innendruck von 240 kg/cm2 unterworfen.
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Während der allmählichen Steigerung des Druckes weitet sich das Rohr
um 7 % auf und fängt dann an, die Bandage elastisch zu spannen. Wird der Druck auf
Null herabgesetzt, so behält die Rohrwand ihre Deformation bei und wird von den
gespannt bleibenden Bandagen zusammengepreßt.
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Das Rohr ist zufolge seiner Behandlung imstande, samt den Bandagen
einen Druck von i2o kg/cm2 aufzunehmen, wobei sich ein theoretischer Sicherheitskoeffizient
von 2,5 ergibt. Bei Einhaltung desselben Sicherheitskoeffizienten ist ein der gewöhnlichen
Selbstbandagierung unterworfenes Rohr imstande, nur einen Druck von 1o4 kg/cm2 auszuhalten.
Die Einsparung an Metall beträgt daher etwa 15 %.
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Ein unter denselben Bedingungen der einfachen Ultrapressung mit einer
Dehnung von 70/, unterworfenes Rohr, das dieselbe Wandstärke hat, wie das im Beispiel
betrachtete Rohr, ist einschließlich der Bandagen imstande, eine Pressung von 89
kg/cm2 auszuhalten. Die entsprechende Einsparung an Metall beträgt unter diesen
Umständen 35 0/0.