EP1206662B1 - Taucherflasche und verfahren für deren herstellung - Google Patents

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EP1206662B1
EP1206662B1 EP00954437A EP00954437A EP1206662B1 EP 1206662 B1 EP1206662 B1 EP 1206662B1 EP 00954437 A EP00954437 A EP 00954437A EP 00954437 A EP00954437 A EP 00954437A EP 1206662 B1 EP1206662 B1 EP 1206662B1
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EP
European Patent Office
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compressed gas
tank
gas
diving
compressed
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EP00954437A
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Klaus Markhoff
Gesa Bayer
Martin Kesten
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Air Liquide Deutschland GmbH
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    • F17C2270/07—Applications for household use
    • F17C2270/0781—Diving equipments

Definitions

  • the invention relates to a use of a known compressed gas container made of a rustproof chrome-nickel-stainless steel alloy.
  • the invention is based on the object, a diver bottle provide high mechanical strength, Corrosion resistance and reliability distinguished.
  • the task is accomplished by the use of a pressurized gas container Made of a stainless chromium-nickel-stainless steel alloy Diver bottle solved.
  • This method therefore allows the production of a diver bottle with a compressed gas tank made of stainless steel, which is characterized by high mechanical strength with low wall thickness and at the same time a correspondingly low weight.
  • a procedure for Production of compressed gas containers made of stainless steels "Kryoverformung" is described in DE-A 36 14 290.
  • Compressed gas tank with particularly high mechanical strength are obtained when the compressed gas tank is made of a stainless steel consisting of a metastable austenitic CrNi steel alloy with a titanium and niobium content of max. 0.02 wt .-%, one Nickel content between 9 and 11 wt .-% and a carbon content between 0.03 and 0.045 wt .-%. Except for minor Modifications are, for example, among the Material numbers 1.4301, 1.4306 and 1.4404 (DIN 17440) known, Austenitic stainless steels suitable.
  • the wall thickness of the pressurized gas container is in the range between 2 mm and 5 mm.
  • the mechanical strength and the Weight-related storage capacity of such stainless steel containers corresponds approximately to that of pressure vessels from conventional ferritic Pressure vessel steels.
  • a further improvement results from an electrolytic polishing the tank inner wall.
  • the diver bottle is particularly suitable for use with a dipping gas, which has an oxygen content of at least 32% by volume having. Due to the high oxygen content, the formation of a the further corrosion preventing dense passivation layer facilitates the inner wall of the compressed gas container.
  • a dipping gas which has an oxygen content of at least 32% by volume having. Due to the high oxygen content, the formation of a the further corrosion preventing dense passivation layer facilitates the inner wall of the compressed gas container.
  • passivation layers forming steel alloys are again the alloys according to the material number 1. 4301, 1.4451 or 1. 4306 according to DIN 17440 called.
  • the compressed gas container by plastic Kryoverformung a hollow cylindrical raw form of stainless steel molded.
  • the compressed gas tank Due to the Kryoverformung the compressed gas tank receives the desired high strength.
  • the hollow cylindrical Rohform by a certain amount at low temperatures, such as the Temperature of the liquid nitrogen, plastically deformed.
  • the degree of Consolidation goes hand in hand with the proportion of the microstructure that is at the Deformation is converted into martensite. Since in martensite converted part of the structure with decreasing deformation temperature and increasing degree of deformation increases, the deformation temperature below the so-called martensite temperature, above which no martensitic transformation takes place. The best results are obtained when the deformation takes place below the so-called "Ms temperature". This is the Temperature at which the martensite transformation of the microstructure also without simultaneous deformation.
  • the reference numeral 1 of the diving bottle is a total assigned.
  • the diver bottle 1 consists of a pressurized gas container 2 for receiving an immersion gas 3 with an opening 4, in a valve 5 for filling and for removing the immersion gas. 3 pressure-tight is used.
  • the pressurized gas container 2 consists of an austenitic stainless steel CrNi alloy, under the material number 1.4301 (according to DIN 17440) is commercially available and slightly modified in style is that, unlike the composition according to the DIN standard the titanium and niobium content at about 0.02 wt .-%, the Nickel content at 10 wt% and the carbon content at 0.04 wt% lie.
  • the inner wall 6 of the compressed gas container 2 is electrolytic polished. Its filling volume is 10 l, its wall thickness 3.5 mm and his weight is about 12 kg.
  • the compressed gas tank 2 is characterized a high bursting pressure of about 650 bar, resulting in a permissible operating pressure of 200 bar.
  • the immersion gas 3 is an oxygen-rich Gas mixture with an oxygen content of between 32 and 60% by volume, which is commercially available under the name "Nitrox".
  • the tube shape with an initial wall thickness of 4 mm immersed in a container of liquid nitrogen immersed in a container of liquid nitrogen.
  • a Cryo high-pressure pump is liquid nitrogen in the raw form introduced and thus generates an internal pressure of about 700 bar, the Rohform on the final geometry of the compressed gas container 2 stretches.
  • the austenitic stainless steel structure is solidified by martensite formation.
  • the deformation process is completed.
  • the Embodiment has been in the Kryoverformung the wall thickness of the pipe reduced by slightly more than 10%.
  • the pressurized gas container becomes electrolytic polished.
  • the compressed gas container 2 thus produced characterized by low weight, high mechanical strength and corrosion resistance, so that it is suitable for use as Diving bottle is particularly well suited.

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Description

Die Erfindung betrifft eine Verwendung eines an sich bekannten Druckgas-Behälters aus einer nicht rostenden Chrom-Nickel-Edelstahllegierung.
In der US-A-4 895 345, EP-A2-303 840 und der DE-A1-3614290 werden solche Druckgasbehälter aus Chrom-Nickelstählen beschrieben. Aus der DE-B-1093394 ist ein Verfahren zum Herstellen von Walzerzeugnissen aus stabil-austenitischen Chrom-Nickel-Stählen bekannt.
Bei den bekannten Taucherflaschen besteht der Druckgas-Behälter üblicherweise aus ferritischem Stahl oder aus Aluminium. Druckgas-Behälter aus Stahl zeichnen sich durch hohe mechanische Festigkeit aus, sind jedoch bei Kontakt mit Wasser korrosionsgefährdet. Dies zeigt sich insbesondere bei Einsatz der Taucherflaschen in Brack- und Seewasser. Dabei besteht nicht nur die Gefahr der Korrosion der Außenoberfläche, sondern durch eingeschlepptes Wasser bei unsachgemäßer Behandlung auch die Möglichkeit von Innenkorrosion. Neue Tauchgase, die sich durch einen hohen Anteil an Sauerstoff auszeichnen, erhöhen die Gefahr der Innenkorrosion des Druckgas-Behälters noch, da bei den üblichen ferritischen Druckbehälterstählen die Korrosionsgeschwindigkeit mit steigendem Sauerstoff-Partialdruck des Tauchgases zunimmt.
Neben den Auswirkungen auf die Sicherheit der Flasche können die durch Innenkorrosion entstehenden Korrosionsprodukte auch das Tauchgas verunreinigen und die Funktion der nachgeschalteten Entnahmearmaturen beeinträchtigen.
Die Fertigung von Druckgas-Behältern für die bekannten Taucherflaschen erfolgt beispielsweise mittels der bekannten Warm- oder Tiefziehverfahren aus Rohren oder Blechen aus ferritischem Druckbehälterstahl. Der so hergestellte Druckbehälter wird anschließend mit einer Entnahmearmatur für das Tauchgas, wie etwa einem Ventil, verschlossen.
In der US-A-3 917 115 wird eine Taucherflasche aus Metall durch einen innen angebrachten Plastiksack vor Korrosion geschützt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Taucherflasche bereitzustellen, die sich durch hohe mechanische Festigkeit, Korrosionsbeständigkeit und Betriebssicherheit auszeichnet.
Die Aufgabe wird durch die Verwendung eines Druckgas-Behälters aus einer nicht rostenden Chrom-Nickel-Edelstahllegierung als Taucherflasche gelöst.
Unter Edelstahl wird hierbei eine nichtrostende Chrom-Nickel-Edelstahllegierung verstanden. Geeignete Edelstahllegierungen bilden im Kontakt mit Sauerstoff selbstheilende, dichte Passivschichten an ihrer Oberfläche aus, die eine elektrolytische Korrosion nachhaltig verhindern. Die Passivierung der Oberfläche wird bei hohen Sauerstoffkonzentrationen im Füllgas noch verstärkt, so daß die erfindungsgemäße Taucherflasche für eine Verwendung mit Tauchgasen mit hohem Sauerstoffgehalt besonders geeignet ist.
Bisher stand einer Verwendung von Edelstahl für korrosionsbeständige Druckgas-Behälter die geringe mechanische Festigkeit dieses Werkstoffes im Wege. Durch die an sich bekannte Technik der sogenannten "Kryoverformung" können jedoch auch aus austenitischen Edelstählen Druckgas-Behälter mit hoher Festigkeit erhalten werden.
Dieses Verfahren erlaubt daher die Herstellung einer Taucherflasche mit einem Druckgas-Behälter aus Edelstahl, der sich durch hohe mechanische Festigkeit bei gleichzeitig geringer Wandstärke und einem entsprechend geringem Gewicht auszeichnet. Ein Verfahren zur Herstellung von Druckgas-Behältern aus Edelstählen durch "Kryoverformung" ist in der DE-A 36 14 290 beschrieben.
Druckgas-Behälter mit besonders hoher mechanischer Festigkeit werden erhalten, wenn der Druckgas-Behälter aus einem Edelstahl besteht, der eine metastabile austenitische CrNi-Stahllegierung mit einem Titan- und Niobgehalt von max. 0,02 Gew.-%, einem Nickelgehalt zwischen 9 und 11 Gew.-% und einem Kohlenstoffgehalt zwischen 0,03 und 0,045 Gew.-% aufweist. Bis auf geringfügige Modifizierungen sind hierfür beispielsweise die unter den Werkstoffnummern 1.4301, 1.4306 und 1.4404 (DIN 17440) bekannten, austenitischen Edelstähle geeignet.
Vorzugsweise liegt die Wandstärke des Druckgas-Behälters im Bereich zwischen 2 mm und 5 mm. Die mechanische Festigkeit und die gewichtsbezogene Speicherkapazität derartiger Edelstahl-Behälter entspricht etwa der von Druckbehältern aus üblichen ferritischen Druckbehälterstählen.
Eine weitere Verbesserung ergibt sich durch eine elektrolytische Politur der Behälter-Innenwandung. Durch die Politur wird die Abgabe von Verunreinigungen an das Tauchgas verringert, die Korrosionsanfälligkeit der Innwandung noch weiter vermindert und die Ausbildung einer dichten Passivierungsschicht erleichtert.
Die Taucherflasche ist besonders geeignet für die Verwendung mit einem Tauchgas, das einen Sauerstoffgehalt von mindestens 32 Vol-% aufweist. Aufgrund des hohen Sauerstoffgehaltes wird die Bildung einer die weitere Korrosion verhindernden, dichten Passivierungsschicht auf der Innenwandung des Druckgas-Behälters erleichtert. Als Beispiel für derartige Passivierungsschichten bildende Stahllegierungen seien wiederum die Legierungen entsprechend den Werkstoffnummer 1. 4301, 1.4451 oder 1. 4306 nach DIN 17440 genannt.
Vorteilhaft wird der Druckgas-Behälter durch plastische Kryoverformung einer hohlzylindrischen Rohform aus Edelstahl geformt.
Durch die Kryoverformung erhält der Druckgas-Behälter die gewünschte hohe Festigkeit. Hierzu wird die hohlzylindrische Rohform um einen bestimmten Betrag bei tiefen Temperaturen, etwa der Temperatur des flüssigen Stickstoffes, plastisch verformt. Der Grad der Verfestigung geht dabei mit dem Anteil des Gefüges einher, das bei der Verformung in Martensit umgewandelt wird. Da der in Martensit umgewandelte Gefügeanteil mit sinkender Verformungs-Temperatur und steigendem Verformungsgrad zunimmt, muß die Verformungs-Temperatur unter der sogenannten Martensit-Temperatur liegen, oberhalb von der keine martensitische Umwandlung mehr stattfindet. Die besten Ergebnisse werden erhalten, wenn die Verformung unterhalb der sogenannten "Ms-Temperatur" stattfindet. Dies ist die Temperatur, bei der die Martensit-Umwandlung des Gefüges auch ohne gleichzeitige Verformung einsetzt. Es ist dann nur eine relativ geringe Verformung, beispielsweise ein Verformungsgrad unter 12% erforderlich, um einen ausreichend großen Anteil des Gefüges in Martensit umzuwandeln und so die gewünschte Festigkeitssteigerung zu erreichen. Die "Ms-Temperaturen" üblicher Edelstähle liegen im Bereich der Temperatur des flüssigen Stickstoffs .
Als besonders günstig hat sich eine Verfahrensweise erwiesen, bei der die hohlzylindrische Rohform durch Anlegen eines Innendrucks verformt wird. Als Medium zur Erzeugung des Innendrucks in der Rohform kann entweder flüssiger Stickstoff selbst oder ein bei dieser Temperatur nicht kondensierendes Gas z.B. Helium verwendet werden. Durch den Innendruck wird eine Streckung unter Verringerung der Rohform-Wandstärke bewirkt. Als günstig hat es sich erwiesen, die Wandstärke der Rohform um mindestens 8 % vom Anfangswert zu reduzieren. Die Höhe des dafür anzuwendenden Druckes richtet sich nach der Rohform-Geometrie und der angestrebten Materialfestigkeit. Das Verfahren zur Verfestigung von Edelstahl-Behältern durch Kryoverformung ist in der oben erwähnten DE-A 36 14 290 beschrieben.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels und einer Zeichnung näher erläutert. Als einzige Figur zeigt schematisch
Figur 1
eine Taucherflasche mit einem Druckgas-Behälter und Entnahmeapparatur anhand eines Längsschnittes.
In Figur 1 ist die Bezugsziffer 1 der Taucherflasche insgesamt zugeordnet. Die Taucherflasche 1 besteht aus einem Druckgas-Behälter 2 zur Aufnahme eines Tauchgases 3 mit einer Öffnung 4, in die ein Ventil 5 zum Befüllen und zur Entnahme des Tauchgases 3 druckdicht eingesetzt ist.
Der Druckgas-Behälter 2 besteht aus einer austenitischen CrNi-Edelstahllegierung, die unter der Werkstoffnummer 1.4301 (nach DIN 17440) im Handel erhältlich ist, und die geringfügig in der Art modifiziert ist, daß abweichend von der Zusammensetzung gemäß der DIN-Vorschrift der Titan- und Niobgehalt bei ca. 0,02 Gew.-%, der Nickelgehalt bei 10 Gew.-% und der Kohlenstoffgehalt bei 0,04 Gew.-% liegen. Die Innenwandung 6 des Druckgas-Behälters 2 ist elektrolytisch poliert. Sein Füllvolumen beträgt 10 I, seine Wandstärke 3,5 mm und sein Gewicht etwa 12 kg. Der Druckgas-Behälter 2 zeichnet sich durch einen hohen Berstdruck von ca. 650 bar aus, woraus sich ein zulässiger Betriebsdruck von 200 bar ergibt.
Bei dem Tauchgas 3 handelt es sich um ein sauerstoffreiches Gasgemisch mit einem Sauerstoffgehalt zwischen 32 und 60 Vol.-%, das unter der Bezeichnung "Nitrox" im Handel erhältlich ist.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispieles für das Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäß als Taucherflasche verwendeten Druckgas-Behälters anhand Figur 1 näher erläutert.
Aus einem Rohr aus der oben genannten modifizierten austenitischen CrNi-Edelstahllegierung wird mit einem herkömmlichen Verfahren eine Flaschen-Rohform hergestellt. Diese wird anschließend mittels der bekannten "Kryoverformungs-Technik" zu dem Druckgas-Behälter 2 gemäß Figur 1 verformt.
Hierzu wird die Rohrform mit einer anfänglichen Wandstärke von 4 mm in einen Behälter mit flüssigem Stickstoff eingetaucht. Mittels einer Kryo-Hochdruckpumpe wird flüssiger Stickstoff in die Rohform eingeleitet und so ein Innendruck von ca. 700 bar erzeugt, der die Rohform auf die Endgeometrie des Druckgas-Behälters 2 dehnt. Dabei verfestigt sich das austenitische Edelstahl-Gefüge durch Martensit-Bildung. Nach Erreichen der Soll-Wandstärke des Druckgas-Behälters 2 von 3,5 mm wird der Verformungsprozess beendet. Im Ausführungsbeispiel wurde bei der Kryoverformung die Wandstärke des Rohres um etwas mehr als 10 % reduziert. Im Anschluß an den Kryo-Verformungsprozess wird der Druckgasbehälter elektrolytisch poliert.
Auf den freien Oberflächen der für die Herstellung des Behälters eingesetzten Edelstahllegierung bilden sich in Kontakt mit Sauerstoff dichte Passivierungsschichten aus, die einen weiteren oxidativen Angriff weitgehend verhindern. Der so hergestellte Druckgas-Behälter 2 zeichnet sich durch geringes Gewicht, hohe mechanische Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit aus, so daß er sich für einen Einsatz als Tauchflasche besonders gut eignet.

Claims (5)

  1. Verwendung eines Druckgas-Behälters aus einer nicht rostenden Chrom-Nickel-Edelstahllegierung als Taucherflasche.
  2. Verwendung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Edelstahl eine metastabile austenitische Chrom-Nickel-Stahllegierung mit einem Titan- und Niobgehalt von maximal 0,02 Gew.-%, einem Nickelgehalt zwischen 9 und 11 Gew.-% und einem Kohlenstoffgehalt zwischen 0,03 und 0,045 Gew.-% ist.
  3. Verwendung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckgas-Behälter eine Wandstärke im Bereich von 2 mm bis 5 mm hat.
  4. Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckgas-Behälter eine Innenwandung aufweist, die elektrolytisch poliert ist.
  5. Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckgas-Behälter zur Aufnahme eines Tauchgases mit einem Sauerstoffgehalt von mindestens 32 Vol-% vorgesehen ist.
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