EP0303016B1 - Verfahren zur Herstellung eines Druckgasbehälters aus austenitischen Stählen durch Kryoverformung - Google Patents
Verfahren zur Herstellung eines Druckgasbehälters aus austenitischen Stählen durch Kryoverformung Download PDFInfo
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Definitions
- the invention relates to a method for producing a pressurized gas container from austenitic steels by cryoforming according to the preamble of claim 1.
- the strength properties of metastable austenitic steels can be improved by cryoforming by deforming them below their respective martensite transformation temperatures Md or Ms.
- Md is the temperature above which no martensitic transformation takes place even when deformed
- Ms is the temperature below which martensite formation begins even without deformation.
- the preferred coolant used is liquid nitrogen, with which the steels, if desired, can be cooled down to -196 ° C.
- DE-OS 1 452 533 also discloses the use of this method for producing high-strength pressure vessels.
- the simultaneous use of liquid nitrogen as the coolant and pressure medium is preferred.
- the container to be deformed is filled with liquid nitrogen and brought to the high pressure required for the deformation by means of an appropriate cryopump or by injecting a gas.
- the use of a pressure medium different from the coolant is also mentioned, but appears to be too complex, for example in the form of explosion deformation, or undesirable condensations from the pressure medium are to be expected, possibly freezing the pressure medium with excessive cold removal from the container wall.
- the invention is therefore based on the object of improving the process for producing pressurized gas containers from austenitic steels by cryogenic shaping in such a way that it does not have the disadvantages mentioned when the coolant is simultaneously used as the pressurizing medium, nor does the difficulties described when using its own pressurizing medium occur.
- the trichlorofluoromethane CFCl3 used according to the invention which is known as a refrigerant under the designation R11, has properties that enable its use as a separate pressure medium that is independent of the coolant, although this is not actually to be expected due to the temperature range in which it is present as a liquid is.
- Trichlorofluoromethane solidifies at a temperature which, because of the expedient use of liquid nitrogen as the coolant, is significantly above the temperature at which the cryogenic stretching is carried out.
- the drawing illustrates a device for carrying out the method according to the invention in schematic form.
- the compressed gas container 1 to be deformed is located in an insulated cooling chamber 2, in which it is cooled to the temperature required for the formation of martensite.
- Liquid nitrogen which flows through the line 3 and nozzles 4 into the cooling chamber 2, serves as the coolant is sprayed where it evaporates.
- the temperature reached is indicated by the thermometer 5.
- CFCl3 as a pressure medium, which is removed from a reservoir 6 and pressed by means of the pump 7 via the line 8 into the interior of the container 1.
- the pressure is indicated by the manometer 9.
- the filled pressurized gas container 1 is closed with a releasable, pressure-tight closure 10 and connected to the pump 7 and the line 8 via a filling pipe 11 which extends into the middle of the container.
- the filling pipe 11 has thermal insulation 12 which prevents the pressure medium from freezing.
- CFCl3 has a significantly lower thermal conductivity than the container steel, only an edge layer that comes into direct contact with the inner surface of the container can solidify during the deformation process. It is therefore also possible to replace the cooling chamber 2 with a Dewar vessel filled with liquid nitrogen, into which the container 1 is immersed.
- the process according to the invention can be carried out even under these extreme conditions, provided that care is taken that the container 1 is not immersed in the liquid nitrogen for longer than the time required for the deformation.
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Description
- Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Druckgasbehälters aus austenitischen Stählen durch Kryoverformung nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
- Die Festigkeitseigenschaften metastabiler austenitischer Stähle können durch Kryoverformung verbessert werden, indem sie unterhalb ihrer jeweiligen Martensitumwandlungstemperatur Md oder Ms verformt werden. Md ist dabei die Temperatur, oberhalb der auch bei Verformung keine martensitische Umwandlung stattfindet, Ms ist dagegen die Temperatur, unterhalb der auch ohne Verformung die Martensitbildung einsetzt. Ein derartiges Verfahren zur Verbesserung der Festigkeitseigenschaften austenitischer Stähle ist aus der DE-PS 26 54 702 bekannt.
- Da insbesondere die Ms-Temperaturen sehr niedrig liegen, verwendet man als Kühlmittel bevorzugt flüssigen Stickstoff, mit dem die Stähle, falls gewüschnt, bis auf -196°C abgekühlt werden können.
- Aus der DE-OS 1 452 533 ist ferner die Anwendung dieses Verfahrens zur Herstellung hochfester Druckbehälter bekannt. Bevorzugt wird hierbei die gleichzeitige Verwendung von flüssigem Stickstoff als Kühlmittel und Druckmittel. In diesem Fall wird der zu verformende Behälter mit flüssigem Stickstoff gefüllt und mit Hilfe einer entsprechenden Kryopumpe oder durch Aufdrücken eines Gases auf den für die Verformung erforderlichen hohen Druck gebracht. Die Verwendung eines vom Kühlmittel unterschiedlichen Druckmittels wird ebenfalls genannt, erscheint jedoch zu aufwendig, beispielsweise in Form von Explosionsverformung, oder es sind unerwünschte Kondensationen aus dem Druckmittel zu erwarten, ggf. Einfrieren des Druckmittels mit übermäßigem Kälteentzug aus der Behälterwand.
- In der Praxis hat sich jedoch bei der gleichzeitigen Verwendung von flüssigem Stickstoff als Kühl- und Druckmittel eine Reihe von Nachteilen und Schwierigkeiten herausgestellt.
- Wenn die Druckübertragung auf die Behälterwand über den flüssigen Stickstoff als Medium erfolgt, erfordert dies die Verwendung aufwendiger, wärmeisolierter Einrichtungen wie Kryopumpen, isolierten Rohrleitungen und Kryobehältern. Bewußt erzeugte oder unvermeidlich entstehende Gaspolster im Behälter oder seinen Zuleitungen erhöhen das Sicherheitsrisiko bei einem eventuellen Versagen des Behälters während des Kryostreckprozesses. Dazu kommt, daß auch der flüssige Stickstoff bei den relativ hohen erforderlichen Streckdrücken (einige 100 bar) selbst eine merkliche Kompressibilität besitzt, was die bei einem Versagen freigesetzte Energie deutlich erhöht. Deswegen sind für das Kryostrecken aufwendige und die technische Anwendung des Verfahrens behindernde Sicherheitseinrichtungen erforderlich.
- Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, das Verfahren zur Herstellung von Druckgasbehältern aus austenitischen Stählen durch Kryoverformung so zu verbessern, daß es weder die bei gleichzeitiger Verwendung des Kühlmittels als Druckmittel genannten Nachteile aufweist, noch die bei Verwendung eines eigenen Druckmittels beschriebenen Schwierigkeiten auftreten.
- Ausgehend von dem im Oberbegriff des Anspruches 1 berücksichtigten Stand der Technik ist diese Aufgabe erfindungsgemäß gelöst mit den im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 angegebenen Merkmalen.
- Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung ist im Unteranspruch angegeben.
- Das gemäß der Erfindung verwendete Trichlorfluormethan CFCl₃, welches als Kältemittel unter der Bezeichnung R11 bekannt ist, besitzt Eigenschaften, die seinen Einsatz als separates, vom Kühlmittel unabhängiges Druckmittel ermöglichen, obwohl dies aufgrund des Temperaturbereiches, in dem es als Flüssigkeit vorliegt, eigentlich nicht zu erwarten ist.
- Trichlorfluormethan erstarrt bei einer Temperatur, die wegen der zweckmäßigen Verwendung von flüssigem Stickstoff als Kühlmittel deutlich über der Temperatur liegt, bei der das Kryostrecken durchgeführt wird.
- Bei Raumtemperatur ist es flüssig, so daß es mit einer normalen hydraulischen Pumpe in den zu verformenden Behälter gepreßt werden kann. Daß es diesen Aggregatzustand während des Kryostreckvorganges beibehalten kann, obwohl der zu verformende Behälter von außen mit flüssigem Stickstoff gekühlt wird, verdankt es seiner, im Vergleich zum Stahl, geringen Wärmeleitfähigkeit und großen spezifischen Wärme.
λ Stahl (-196 °C) ∼ 6 [W/mK];λ CFCL₃(-120 °C)<O.2 [W/mK]
cp Stahl (-196 °C)=0.15 [J/gk];cp CFCl₃(-120 °C)=0.79[J/gK]
Durch diese Eigenschaften wird ein schneller Temperaturausgleich zwischen der von außen gekühlten Behälterwand und dem Druckmedium im Behälter verhindert. - Die Zeichnung veranschaulicht als Ausführungsbeispiel eine Einrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens in schematischer Form.
- Der zu verformende Druckgasbehälter 1 befindet sich in einer isolierten Kühlkammer 2, in welcher er auf die für die Martensitbildung erforderliche Temperatur abgekühlt wird. Als Kühlmittel dient flüssiger Stickstoff, der durch die Leitung 3 und Düsen 4 in die Kühlkammer 2 eingesprüht wird, wo er verdampft. Die erreichte Temperatur wird durch das Thermometer 5 angezeigt. Erfindungsgemäß wird der erforderliche Verformungsdruck mit CFCl₃ als Druckmittel aufgebracht, welches einem Reservoir 6 entnommen und mittels der Pumpe 7 über die Leitung 8 in das Innere des Behälters 1 gedrückt wird. Der Druck wird durch das Manometer 9 angezeigt.
- Der gefüllte Druckgasbehälter 1 ist mit einem lösbaren, druckdichten Verschluß 10 verschlossen und über eine bis in die Behältermitte ragendes Füllrohr 11 mit der Pumpe 7 und der Leitung 8 verbunden. Am Eintritt in den Druckgasbehälter 1 besitzt das Füllrohr 11 eine thermische Isolierung 12, die ein Einfrieren des Druckmittels verhindert. Die für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens erforderlichen Sicherheitsvorkehrungen gehen über das bei routinemäßig durchgeführten Wasserdruckprüfungen von Behältern übliche Maß nicht hinaus.
- Da CFCl₃ eine deutlich geringere Wärmeleitfähigkeit als der Behälterstahl besitzt, kann während des Verformungsprozesses nur eine mit der Behälterinnenoberfläche unmittelbar in Berührung kommende Randschicht erstarren. Es ist daher auch möglich, die Kühlkammer 2 durch ein mit flüssigem Stickstoff gefülltes Dewargefäß zu ersetzen, in welches der Behälter 1 eintaucht. Das erfindungsgemäße Verfahren kann selbst unter diesen extremen Bedingungen durchgeführt werden, sofern man darauf achtet, daß der Behälter 1 nicht länger als während der für die Verformung erforderlichen Zeit in den flüssigen Stickstoff eintaucht.
Claims (2)
- Verfahren zur Herstellung eines Druckgasbehälters (1) aus austenitischen Stählen durch Kryoverformung, bei dem der Druckgasbehälter durch ein tiefkaltes Kühlmittel unter die jeweilige Martensitumwandlungstemperatur (Md; Ms) abgekühlt und durch Einleiten eines Druckmittels in das Behälterinnere zur gewünschten Größe aufgeweitet wird,
dadurch gekennzeichnet,
daß als Druckmittel Trichlorfluormethan (CFCl₃) verwendet wird. - Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Abkühlung durch Stickstoff erfolgt.
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