WO2013087803A1 - Lasttragende armierung von innendruckbeaufschlagten hohlkörpern - Google Patents

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WO2013087803A1
WO2013087803A1 PCT/EP2012/075467 EP2012075467W WO2013087803A1 WO 2013087803 A1 WO2013087803 A1 WO 2013087803A1 EP 2012075467 W EP2012075467 W EP 2012075467W WO 2013087803 A1 WO2013087803 A1 WO 2013087803A1
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inorganic
main body
faserarmierung
fibers
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PCT/EP2012/075467
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Walter Krenkel
Jens Schmidt
Carolin SPATZ
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Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
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    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16L—PIPES; JOINTS OR FITTINGS FOR PIPES; SUPPORTS FOR PIPES, CABLES OR PROTECTIVE TUBING; MEANS FOR THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16L9/00—Rigid pipes
    • F16L9/14—Compound tubes, i.e. made of materials not wholly covered by any one of the preceding groups
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B18/00—Layered products essentially comprising ceramics, e.g. refractory products
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    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
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    • C04B2235/02—Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
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    • C04B2235/5216—Inorganic
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    • C04B2237/30—Composition of layers of ceramic laminates or of ceramic or metallic articles to be joined by heating, e.g. Si substrates
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    • C04B2237/765—Forming laminates or joined articles comprising at least one member in the form other than a sheet or disc, e.g. two tubes or a tube and a sheet or disc at least one member being a tube
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    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2237/00—Aspects relating to ceramic laminates or to joining of ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/50—Processing aspects relating to ceramic laminates or to the joining of ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/84—Joining of a first substrate with a second substrate at least partially inside the first substrate, where the bonding area is at the inside of the first substrate, e.g. one tube inside another tube

Definitions

  • the invention relates to a innenendruckbeaufschlagbaren, high temperature resistant hollow body having a base body for receiving hot fluids and a
  • Base body has on the outside enclosing Faserarm réelle, wherein the Faserarm réelle has a relative to the base body lower thermal expansion coefficient and an inner diameter which exceeds the outer diameter of the base body at room temperature.
  • high temperature is defined differently depending on the material class and applies, for example, for polymers and light metals already for temperatures above about 200 ° C, for steels from about 700 ° C and for ceramics above about 1000 ° C.
  • Metallic pipes and pressure vessels made of martensitic steels can generally be used only up to about 650-750 ° C in atmospheric air and at fluid pressures inside the components of about 300 bar. Due to the creep behavior of the metals and for safety reasons, higher pressures and higher temperatures in such pressure vessels are not feasible. In this case, for example, the thermal efficiency of power plants could be increased considerably by increasing the process temperatures and pressures. From the prior art, the following suggestions for improvement are known in this regard:
  • the use of ceramic for these layers suggests a separation of functions from the dense metal body and the high temperature and creep resistant ceramic cladding.
  • the two layers are made of fiber composite materials, namely from a first facing the metal thermo-insulating layer of CMC materials (Ceramic Matrix Composites) and at least one further layer, which also consists of a
  • Fiber composite material FVW carbon fiber reinforced plastic CFK, CMC
  • Heat treatment steps crosslinking of the 1st CMC layer, pyrolysis of the 1st CMC layer, crosslinking of the 2nd FVW layer are necessary.
  • a wire-wound pressure vessel with low weight for receiving fluids under repeated cyclic pressurization and relaxation which has a thin metal inner lining and only on the curved part of the boiler (for the purpose of load distribution on the curved metal flange).
  • Metallauslag- connection point) attached and associated load distribution layer has.
  • This layer (to reduce notch stresses) can be constructed of a resin-impregnated fiber or thread fabric and connected by means of an adhesive to the curved part.
  • the intermediate layer can also be designed as a double layer.
  • a Schergleit- intermediate layer (wedge layer) is mounted between the load distribution layer and the wire-wrapped housing.
  • This second layer can be elastic and consist of a resilient, rubbery, polymeric material.
  • the former layer is shown as optional. Due to the deformation of the intermediate layer, it is possible that occurring during the pressure relief of the boiler plastic deformation in the area around a metal cap do not lead to a drape, but are degraded by the elastic intermediate layer.
  • Creep resistance of the metal lining at high temperatures e.g. at
  • the pressure vessel of DE OS 1 650 057 has a corrugated inner wall of metal and a glass fiber reinforced outer wall.
  • the troughs of the inner wall are filled by an elastically deformable and incompressible material (a resilient filler, e.g., a resin).
  • a resilient filler e.g., a resin
  • the resilient filler located in the region of the troughs deforms and transfers an appropriate proportion of the load from the inner wall to the outer wall.
  • the outer wall is wound in the region of the troughs above the filler and in the region of the vertex directly on the metal shell.
  • the container disclosed therein has an inner jacket for receiving high-pressure gases and a reinforcing structure enclosing the inner jacket; the inner shell is provided with structural means - in the form of a corrugation of its wall - which, in order to limit the deformation of the
  • Reinforcement structure in the direction of the container axis provides when the container is subjected to internal pressure.
  • the reinforcement structure lies directly on the wave crests of the Inner shell, while in the troughs a compression zone of a soft material may be present.
  • US Pat. No. 3,508,677 describes a non-metallic container for storing gases under extremely high pressures for a long time, comprising an inner lining of a thermoplastic resin, an intermediate diaphragm attached thereto, and an outer wall of resin-impregnated glass fibers which, after hardening, form the structure gives necessary pressure resistance.
  • This container must not be exposed to high temperatures.
  • Japanese Patent Abstract 201 1 -157991 A discloses a high-pressure tank having a carbon fiber reinforcement embedded in a thermosetting resin. Between the outer wall of the tank and the reinforcement there is a sacrificial layer of wax, which completely disappears during heating and curing of the thermoset, so that a gas-filled gap is created in its place.
  • a high-temperature resistant pressure vessel (hereinafter also referred to as a pressure vessel or as a hollow body) comprising a base body for receiving hot fluids, a fiber reinforcement enclosing the base body on the outside with a thermal expansion coefficient which is lower relative to the base body and an inner diameter that is at room temperature larger than the outer diameter of the
  • Main body is, as well as between the main body and the inside of the Faserarm ist located medium comprises
  • the medium is or comprises a
  • Main body enclosing, solid intermediate layer which has ceramic components in most cases or consists of these. It may, but does not have to, be one
  • Heat treatment / pyrolysis have arisen; if it is not itself compressible, it has cracks, fissures and / or pores and or other gas-filled structures. Due to its constitution, the medium allows for a thermal expansion of the body a reduction in the distance between the body and the inside of the body
  • the pressure vessel according to the invention is specified in claim 1.
  • the main body is in this case a pressure-resistant fluid-impartable body, such as e.g. a conventional pressure tube or pressure vessel made of metal, ceramic or a
  • high temperature resistant plastic It should be used to hold hot fluids, i. of fluids having a temperature of at least 100 ° C, preferably of at least 500 ° C, be suitable.
  • the outer surface of the base body from the inside of the
  • the volume loss is usually due to the fact that gaseous medium escapes through the fiber reinforcement or at the lateral edges.
  • the medium itself is compressible.
  • a material can be selected which has a lower relative thermal expansion and preferably also a higher high temperature and creep resistance than the main body.
  • a basic body e.g. made of steel can be characterized by its creep resistance and
  • the base body may for example consist of metals, such as steel, superalloy, titanium, aluminum, ceramics, graphite or plastics. Its wall thickness can be for example about 1 to 50 mm or even more.
  • Outside diameter is not used in the context of the invention as a constant value for the entire hollow body, but only as a respective local dimension, which also does not require radial symmetry of the affected body a central axis radially symmetrical, for example, cylindrical main body.This also applies to the Faserarm réelle and the entire hollow body.
  • the base body contacts the fiber reinforcement in the
  • critical areas e.g., over the length of tubing or vessels with a constant
  • Diameter see Fig. 1 not immediately. Exceptions may, however, be made in areas of filling openings and similar constrictions or ends of the hollow body. The requirement of a finite diameter difference and thus a finite spacing between the fiber reinforcement and the main body is therefore generally fulfilled in the entire peripheral region and in most cases over the entire length of the hollow body.
  • the medium according to the invention can, in combination with the fiber reinforcement, inter alia take over one or more, preferably all of the following functions:
  • the pressure vessel according to the invention can be used once for receiving a hot high pressure fluid.
  • it is suitable for heating or cooling, repeated or even repeated, several times through in-vessel, for example, flowing gases or liquids.
  • the materials should be chosen so that the base body in the temperature and pressure range required for the respective application no material damage For example, cracks or cracks occur, which could lead to a noticeable increase in the leak rate.
  • pressure vessels according to the invention which are suitable for fluids at temperatures of at least about 100 ° C, preferably at least about 550 ° C, and / or at pressures of at least about 1 bar, preferably at pressures of at least about 250 bar
  • Specific embodiments of the hollow body according to the invention allow repeated use, for example in annual revisions, at temperatures of more than about 750 ° C, preferably more than about 850 ° C, more preferably more than about 950 ° C and / or at pressures of more than about 300 bar, preferably more than about 350 bar, more preferably more than about 400 bar inside the vessel.
  • a stable intermediate layer of one or more materials applied which serves as a base for the Faserarmmaschine and has sufficient strength, whereby the Reinforcement reliably obtains the desired distance to the base body.
  • this layer does not necessarily have to be identical to the said medium. So she can e.g. subsequently, i. after application of the fiber reinforcement, be modified so as to allow the desired reduction in the distance of operation of the hollow body, while at the time of application of the fiber reinforcement it may still be uncompressible. This will be described in more detail below in connection with the preparation and the intermediate according to the invention.
  • Fiber windings of the fiber reinforcement of the hollow body stabilized by a solid intermediate layer which is part of the medium according to the invention.
  • the medium consists of the or even more intermediate layers, possibly with one or more adjacent columns, which extend for example in the circumferential direction around the base body.
  • a gas-filled gap may be e.g. between the solid intermediate layer and the base body or between the solid intermediate layer and the Faserarmtechnik run. Such a gap can in principle also run within an intermediate layer.
  • cracks extending in a direction from the main body to the inside of the fiber reinforcement, in particular also radial cracks, can also be present in the intermediate layer.
  • the intermediate layer may have pores corresponding to the
  • the medium according to the invention also a certain flexibility at high temperatures and / or press.
  • the intermediate layer can also be multi-layered or graded.
  • the medium may represent a flexible dense, porous and / or column-containing intermediate layer. Not necessarily such an intermediate layer adheres to the body.
  • the aforementioned embodiment can be realized for example by an intermediate layer as described above or with a ceramic material. This achieves a significantly longer service life in combination with a fiber reinforcement
  • the invention further relates to an intermediate product for producing a high temperature resistant pressure vessel / hollow body of
  • Room temperature - has a larger inner diameter than the outer diameter of the base body, wherein there is a medium between the base body and the inside of the Faserarmtechnik, which compress under the action of pressure and / or heat to the desired extent or in one of the thermal expansion of the body not in the Paths can transform standing medium.
  • the intermediate of the invention is in the independent main claim, specific embodiments thereof are given in the dependent claims and in the description.
  • the medium in the intermediate according to the invention can, for example, a
  • Interlayer be one of the types described above or contain.
  • One or more such intermediate layers may be dense or porous and possibly have a gap between the base body and the fiber reinforcement.
  • FIG. 1 shows a schematic example of the intermediate product or the pressure vessel according to the invention with a solid intermediate layer as the medium. The representation is not to scale.
  • Hollow bodies according to the invention are e.g. thin, firmly attached to the body
  • Layers with layer thicknesses of up to about 10 mm suitable, which can also be structured graded.
  • the following materials and materials can in the medium according to the invention of the intermediate or the hollow body and in particular for the production of layers of or with an inorganic, high-temperature-stable material (stable to
  • a ceramic material such as a ceramic material: a. Silicon-containing polymers, for example polysiloxanes or polysilazanes, which can be converted by heat treatment into ceramics and thereby form pores, for example by the loss of their organic fractions; b. Other inorganic-organic hybrid polymers / hybrid polymer layers, for example
  • Silica (hetero) polycondensates obtained e.g. by hydrolytic condensation of corresponding partially organically modified silanes and / or
  • inorganic polymer materials each filled with organic particles or short fibers and capable of being pyrolyzed; d. with suitable, in particular inorganic particles (for example carbides, nitrides, borides, oxides, in particular ceramic particles, for example with diameters d ⁇ 50 ⁇ m and a volume fraction of the slip below 60% by volume) filled organic materials such as plastics, e.g. Thermoplastics. e. Materials containing ceramic fibers, wherein the fibers are present as a nonwoven, paper or felt or have a different textile surface structure.
  • suitable, in particular inorganic particles for example carbides, nitrides, borides, oxides, in particular ceramic particles, for example with diameters d ⁇ 50 ⁇ m and a volume fraction of the slip below 60% by volume
  • suitable, in particular inorganic particles for example carbides, nitrides, borides, oxides, in particular ceramic particles, for example with diameters d ⁇ 50 ⁇ m and a volume fraction of the
  • the fibers are preferably cut fibers or short fibers (often having a length in the mm range or a few cm, for example in the range of 1 mm to 5 or 10 cm), which have a disordered, random or confused arrangement; the nonwoven fabric or felt or the paper or the other textile surface structure may contain a binder for adhesion of the fibers to each other or as a matrix for the fibers (semi-finished) or be free thereof.
  • the fibers contained take no load-bearing task, but act as insulation or thermal conductors.
  • the binder or the material of the matrix can be either stable in temperature or at the
  • Temperatures that occur according to the invention for the production of the finished container or during its operation change or decompose (eg by pyrolysis) and thereby maintain its solid structure or be completely or partially converted into gaseous products.
  • the nonwoven fabric or felt or the paper or the other textile surface structure forms a solid intermediate layer between the at least before the first heating Pressure vessel / hollow body and the Faserarmtechnik from, which usually
  • Binder / matrix material covered fibers has. However, gaps, pores, or other types of interstices may also arise as a result of the first (single) or further heating of the container, as the binder or matrix changes / decomposes due to the heat, e.g. loses organic material or is completely converted into gaseous products.
  • Powder particles e.g. ceramic or other inorganic, preferably
  • the pyrolysis is carried out in each case preferably already at low temperatures (T ⁇ 700 ° C).
  • T ⁇ 700 ° C low temperatures
  • These different variants can also be combined in a medium according to the invention or in an intermediate layer contained therein.
  • H Another possibility is purely organic, e.g. polymeric materials and layers which pyrolyze under thermal stress thereby shrinking or otherwise altering to form cracks, crevices or pores, e.g. that they leave a gap between the base body and the inside of the Faserarmtechnik.
  • CMCs Chemical Matrix Composites
  • Process temperatures below about 1000 ° C necessary to form the medium of the invention.
  • pyrolysis temperatures below about 1000 ° C necessary to form the medium of the invention.
  • a combination of the above variants for example in the form of two or more layers of different materials. This may be advantageous, for example, in applications which require a relatively large clearance for the thermal expansion of the base body in the medium according to the invention due to very high operating temperatures, with a safe spacing of the Faserarmtechnik from the hot body for thermal insulation is desired even at high operating temperatures.
  • This can then be achieved by the residue-free decomposition of purely organic layers, while contact between the fiber reinforcement and the base body can be reliably prevented by a further intermediate layer, for example made of ceramic.
  • a further intermediate layer for example made of ceramic.
  • such contact must not be detrimental in every application and therefore need not be excluded in the invention in principle.
  • the pyrolysis takes place either before or only during operation of the hollow body. Possibly resulting pores are reversibly or irreversibly compressed by the expansion of the hot body. In the latter case, a gap between the fiber reinforcement and the material and / or between the
  • an intermediate layer or medium according to the invention can also be made up of a solution or slurry of solid, in particular purely inorganic substances or particles (such as, for example, fine-grained ceramic or metallic substances / particles) in a liquid, e.g. in a solvent which, after application of the fiber reinforcement, may be evaporated or otherwise removed (e.g., by pouring) from the layer.
  • the slurried or dissolved particles or grains are sintered to one another by the subsequent effect of heat, so that a solid intermediate layer enclosing the base body is obtained. Pyrolysis is not required here.
  • possibly resulting in sintering pores can be reversibly or irreversibly squeeze by the expansion of the hot body, creating another
  • volume loss of the medium can be brought about. k.
  • a solvent for example hexagonal boron nitride and ethanol, which can be used to produce a porous intermediate layer by evaporation of the solvent, which can be heated to high temperatures of more than 700 ° C., preferably more than 1000 ° C. and in the case of the example with boron nitride even from 1600 ° C are stable and in the specific case, in particular, adhere very well to graphite.
  • the thickness of the intermediate layers can be selected as needed. If nonwovens, felts, papers or other textile fabrics or films containing or consisting of ceramic material are used, this intermediate layer may be formed, for example, in one or more layers, wherein each of the layers has a thickness of preferably approx.
  • 100 ⁇ to about 10 mm has.
  • intermediate layers in the range of about 50 ⁇ m to about 5 mm are often sufficient.
  • the ceramic layer acts as a thermal barrier coating, if an insulating ceramic is selected, for example of alumina or mullite.
  • the pressure vessel / hollow body is protected during the pyrolysis of the matrix in the fiber composite material (fiber reinforcement) in these embodiments from overheating.
  • Process temperatures of the pressure vessel / hollow body in addition to carbidic and oxide ceramic fibers in the hot inner part of the reinforcement and tensile glass or carbon fibers are used in the outer layers of the fiber cladding.
  • Use case serves the medium between the main body and the inside of the Faserarm réelle as a conductor. This has the advantage that when the heat is to
  • a good thermal conductivity ceramic layer which transfers process heat well.
  • a medium preferably consists for example of highly heat-conductive silicon carbide.
  • the first application is usually the more significant, because the medium can help to keep the heat loss as low as possible.
  • the fibers / wires are processed, for example, as rovings made of continuous fibers, mono- or multifilaments, woven tapes (with a width of up to about 50 mm) or by means of a two-dimensional fabric (with a width of up to about 1.5 m).
  • the temperature resistance of the fibers / wires is preferably greater than that of the body, and the fibers / wires are preferably more resistant to creep than the material of the body.
  • the inner diameter of the reinforcement is greater than the outer diameter of the base body.
  • the layer thickness of the reinforcement results from the strength requirement.
  • the reinforcement can be made of fiber composite materials (polymer matrix Composites PMC, Ceramic Matrix Composites CMC, Metal Matrix Composites MMC). But not necessarily a matrix is necessary.
  • Another aspect of the invention is a method of making a
  • base body-enclosing stabilizing solid intermediate layer selected from inorganic and inorganic-organic materials as well as among organic materials which undergo pore formation and / or shrinkage during pyrolysis,
  • the winding of the fiber reinforcement under a required winding tension is ensured by the stable (in) n) intermediate layer (s) allows.
  • the pressure vessel produced by the process described can already represent a ready-to-use hollow body according to the invention.
  • Pressure vessel or in the subsequent operation ie when exposed to hot fluids, sufficient in this case, the operational high temperatures and resulting from the thermal expansion of the body pressure on the medium usually from, so this in one (eg for the discharge the Faserarmtechnik) loses required levels of volume.
  • operating temperatures above 700 ° C may be sufficient for pyrolysis-induced pore and / or gap formation in an inorganic-organic intermediate layer of one of the abovementioned specific species.
  • the production of the pressure vessel obtained by the steps mentioned in the main claim may require an additional pre-commissioning treatment step in which the originally present medium is modified. In such cases, therefore, an intermediate product is first produced with one or more intermediate layers, which are then by suitable measures, in particular by heating to a
  • Temperature which exceeds the subsequent operating temperature of the hollow body, is converted into a medium whose volume decreases when exposed to heat and / or pressure sufficiently. This creates room for an expansion of the body when it is heated.
  • An example of this is the use of an intermediate layer of a polymeric material, e.g. Polysilazane, which can be completely converted to a ceramic material only above 800 ° C, while the planned operating temperature in or on the hollow body does not exceed 800 ° C.
  • the body itself should be able to withstand even moderate temperatures at least to some extent; in many cases it should be resistant to high temperatures. So he should, for example repeatedly fluids with temperatures of at least about 100 ° C, preferably at least about 500 ° C record.
  • the process temperatures in the thermal treatment of the intermediate exceed the temperature stability of the
  • Heat treatment temperature of the steel should not be exceeded.
  • the medium or an intermediate layer of the medium may be applied by dipping, spraying, vapor deposition (e.g., chemical vapor deposition), spraying (e.g., flame spraying), brushing, applying, etc., the material on the outside of the body or previous intermediate layer.
  • vapor deposition e.g., chemical vapor deposition
  • spraying e.g., flame spraying
  • brushing applying, etc., the material on the outside of the body or previous intermediate layer.
  • FIGS. 2 to 4 show test specimens in which stainless steel tubes are used as the main body (with an outer diameter of approximately 41 mm and a wall thickness of approximately 2.5 mm) in a first case with a single layer (FIGS. 2, 3) and in a second case with five individual layers (Figure 4) of carbon fibers (3k rovings, ie in each case with 3000 filaments) were provided as a reinforcement.
  • the fibers were in a series of experiments with an intermediate layer ( Figures 3, 4) and in another without an intermediate layer (Fig. 2) in the form of a 0.75 mm thick plastic shrink tube with a yarn tension of 2.5 N. the metallic base body wound at 90 °.
  • the obtained test specimens were stored at 700 ° C (heating rate: 5 K / min) in the nitrogen atmosphere ( Figures 2a, 3a, 4a respectively show the product before this
  • a layer of ceramic paper from the company Kager (thickness: 2 mm), whose ceramic consists of silicon-alumina fibers applied and fixed without overlap.
  • This material is fire resistant and heat insulating. It can be used for insulation up to 1850 ° C.
  • the length of the paper was determined by the outer tube circumference.
  • fiber layers of alumina infiltrated with siloxane matrix are wound.
  • the heat treatment of the composite pipe is carried out by externally applied heating mats and takes place first for 12 hours at 220 ° C and then for 1 hour at 700 ° C.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen innendruckbeaufschlagbaren, hochtemperaturbeständigen Hohlkörper, der beispielsweise für Heißgasleitungen in Kraftwerken, für Wärmetauscher und Rekuperatoren in Hochtemperaturanlagen, für fluidleitende, unter Druck stehende Rohre in der Chemieindustrie oder für Heizungsrohre einsetzbar ist, umfassend einen Grundkörper zur Aufnahme von Fluiden mit Temperaturen höher als etwa 100°C, eine den Grundkörper außenseitig umschließende Faserarmierung mit einem relativ zum Grundkörper geringeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten und einem Innendurchmesser, der bei Raumtemperatur den Außendurchmesser des Grundkörpers übersteigt, dadurch gekennzeichnet, dass sich zwischen dem Grundkörper und der Innenseite der Faserarmierung ein Medium befindet, das eine Verringerung des Abstands zwischen dem Grundkörper und der Innenseite der Faserarmierung erlaubt, wobei das Medium eine den Grundkörper umschließende feste Zwischenschicht aufweist, die entweder aus einem anorganischen Material besteht oder ein solches enthält oder durch eine Wärmebehandlung/Pyrolyse entstanden ist und welche gegebenenfalls Risse, Spalte und/oder Poren aufweist. Weiterhin umfasst sie ein Zwischenprodukt zur Herstellung des Hohlkörpers und ein Verfahren zu dessen Herstellung.

Description

Lasttragende Armierung von innendruckbeaufschlagten Hohlkörpern
Die Erfindung betrifft einen innendruckbeaufschlagbaren, hochtemperaturbeständigen Hohlkörper, der einen Grundkörper zur Aufnahme von heißen Fluiden und eine den
Grundkörper außenseitig umschließende Faserarmierung aufweist, wobei die Faserarmierung einen relativ zum Grundkörper geringeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten und einen Innendurchmesser hat, der bei Raumtemperatur den Außendurchmesser des Grundkörpers übersteigt.
Der Begriff Hochtemperatur ist je nach Werkstoffklasse unterschiedlich definiert und gilt beispielsweise für Polymere und Leichtmetalle bereits für Temperaturen oberhalb von etwa 200°C, für Stähle ab etwa 700°C und für Keramiken oberhalb von etwa 1000°C.
Metallische Rohre und Druckbehälter aus martensitischen Stählen, typischerweise mit Wandstärken bis 50 mm, können in der Regel auf Dauer nur bis etwa 650 - 750°C an atmosphärischer Luft und bei Fluiddrücken im Inneren der Bauteile von etwa 300 bar eingesetzt werden. Auf Grund des Kriechverhaltens der Metalle sowie aus Sicherheitsgründen sind höhere Drücke und höhere Temperaturen in solchen Druckbehältern nicht realisierbar. Dabei könnte durch eine Erhöhung der Prozesstemperaturen und -Drücke beispielsweise der thermische Wirkungsgrad von Kraftwerken erheblich gesteigert werden. Aus dem Stand der Technik sind in dieser Hinsicht folgende Verbesserungsvorschläge bekannt:
In DE 10 2006 038 713 wird eine zweischichtige Armierung von druckbeaufschlagten
Behältern und Rohren aus Stahl vorgeschlagen, um die Einsatzgrenze um mindestens 200°C durch eine Reduzierung der Kriechdehnung zu erhöhen. Durch den Einsatz von Keramik für diese Schichten wird eine Funktionentrennung vom dichten Grundkörper aus Metall und dem hochtemperatur- und kriechbeständigen keramischen Mantel vorgeschlagen. Die beiden Schichten bestehen dabei zwingend aus Faserverbundwerkstoffen, und zwar aus einer ersten dem Metall zugewandten thermoisolierenden Schicht aus CMC-Werkstoffen (Ceramic Matrix Composites) sowie aus mindestens einer weiteren Schicht, die ebenfalls aus einem
Faserverbundwerkstoff FVW (kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff CFK, CMC) hergestellt ist.
Dieser Aufbau hat jedoch folgende Nachteile:
- Die Herstellung zweier Schichten aus Faserverbundwerkstoffen ist aufwändig, drei
Wärmebehandlungsschritte (Vernetzung der 1. CMC-Schicht, Pyrolyse der 1. CMC-Schicht, Vernetzung der 2. FVW-Schicht) sind dabei notwendig.
- CMC- Werkstoffe erfordern zum einen hohe Herstelltemperaturen (mindestens 1000°C und höher); deren Matrix ist zudem rissbehaftet, so dass nur geringe Schubspannungen auftreten dürfen. - Es besteht ein großer Unterschied zwischen dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten des metallischen Grundkörpers und der ersten CMC-Schicht.
In DE OS 22 23 852 wird ein mit Draht umwickelter Druckkessel mit geringem Gewicht zur Aufnahme von Fluiden unter wiederholtem zyklischem Unterdrucksetzen und Entspannen beschrieben, der eine dünne Metallinnenauskleidung und eine nur an dem gewölbten Teil des Kessels (zum Zwecke der Lastverteilung an der gekrümmten Metallflansch-Metallauskleidung- Verbindungsstelle) angebrachte und damit verbundene Lastverteilungsschicht aufweist. Diese Schicht (zum Abbau von Kerbspannungen) kann aus einem harzimprägnierten Faser- oder Fadengewebe aufgebaut und mittels eines Klebstoffes mit dem gewölbten Teil verbunden sein. Die Zwischenschicht kann auch als Doppelschicht ausgeführt sein. Hierfür wird zwischen der Lastverteilungsschicht und dem mit Draht umwickelten Gehäuse eine Schergleit- Zwischenschicht (Keilschicht) angebracht. Diese zweite Schicht kann elastisch sein und aus einem nachgiebigen kautschukartigen, polymeren Werkstoff bestehen. In der zugehörigen Patentschrift ist statt der zweiten die erstere Schicht als fakultativ dargestellt. Durch die Deformation der Zwischenschicht ist es möglich, dass die bei der Druckentlastung des Kessels auftretenden plastischen Deformationen im Bereich um eine Metallkappe nicht zu einem Faltenwurf führen, sondern durch die elastische Zwischenschicht abgebaut werden.
Aufgrund einer geringen Hochtemperaturbeständigkeit der elastischen Zwischenschicht bietet ein solcher Druckkessel keine Anwendung zur Verbesserung der Warmfestigkeit bzw.
Kriechbeständigkeit der Metallauskleidung bei hohen Temperaturen, wie z.B. bei
Temperaturen oberhalb von 550°C. Aus ähnlichen Gründen ist auch der Einsatz der folgenden Druckbehälterarten bei hohen Temperaturen begrenzt:
Der Druckbehälter der DE OS 1 650 057 hat eine gewellte Innenwandung aus Metall sowie eine glasfaserverstärkte Außenwandung. Die Wellentäler der Innenwandung werden von einem elastisch verformbaren und inkompressiblen Material (einem federnden Füllmittel, z.B. einem Harz) ausgefüllt. Bei der Ausdehnung der metallischen Innenwand verformt sich das im Bereich der Wellentäler befindliche federnde Füllmittel und überträgt einen angemessenen Anteil der Belastung von der Innenwand auf die Außenwandung. Die Außenwandung wird im Bereich der Wellentäler über dem Füllmittel und im Bereich der Scheitel unmittelbar auf dem Metallmantel aufgewickelt.
Ein ähnliches Prinzip zeigt WO201 1/030019 A1 . Der darin offenbarte Behälter weist einen Innenmantel zur Aufnahme von Hochdruckgasen sowie eine den Innenmantel umschließende Verstärkungsstruktur auf; der Innenmantel ist mit Konstruktionsmitteln - und zwar in Form einer Welligkeit seiner Wandung - versehen, die für eine Limitierung der Verformung der
Verstärkungsstruktur in Richtung der Behälterachse sorgt, wenn der Behälter einem inneren Druck ausgesetzt wird. Die Verstärkungsstruktur liegt unmittelbar an den Wellenbergen des Innenmantels an, während in den Wellentälern eine Kompressionszone aus einem weichen Material vorliegen kann.
Die Lehre der beiden vorgenannten Druckschriften verfolgt einzig den Zweck, mechanische Deformationen der Faserarmierung unter den im Inneren des Grundkörpers entstehenden hohen Drücken durch eine Art Knautschzone durch die wellige Grundkörperwandung zu reduzieren. Eine Hochtemperatur-Anwendung wird darin nicht in Betracht gezogen und wäre wegen einer unmittelbaren Berührung zwischen dem Grundkörper und der Faserarmierung auch nicht günstig.
In der US PS 3,508,677 wird ein nichtmetallischer Behälter zur Aufbewahrung von Gasen unter extrem hohen Drücken über längere Zeit beschrieben, der aus einer inneren Auskleidung aus einem thermoplastischen Harz, einem daran befestigten Zwischendiaphragma und einer Außenwandung aus harzimprägnierten Glasfasern besteht, die nach Härtung dem Gebilde die notwendige Druckbeständigkeit verleiht. Dieser Behälter darf keinen hohen Temperaturen ausgesetzt werden.
Aus der DE PS 825 391 ist ein auf kaltem Wege bandagiertes Metallrohr bekannt, dessen Armierung aus Metallreifen und auf das Rohr aufgewickelten Metalldrähten besteht. Während die Streckgrenze des Metallrohrs bei inneren Druckbelastungen unter Raumtemperatur durch eine Metallbandage erhöht wird, bietet diese Konstruktion wegen eines hohen thermischen Ausdehnungskoeffizienten der metallischen Armierung keine Verbesserung der
Warmfestigkeit bzw. Kriechbeständigkeit bei hohen Temperaturen.
Das japanische Patent-Abstract 201 1 -157991 A offenbart einen Hochdrucktank mit einer Kohlenstofffaser-Armierung, die in ein Duromer-Harz eingebettet ist. Zwischen der Außenwand des Tanks und der Armierung befindet sich eine Opferschicht aus Wachs, die beim Erhitzen und Aushärten des Duromeren vollständig verschwindet, so dass an ihrer Stelle ein gasgefüllter Spalt entsteht.
Die vorliegende Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, ein hinsichtlich der Hochtemperatur- und Kriechbeständigkeit verbessertes Hochdruckgefäß sowie ein in Bezug auf den
erforderlichen Zeit- und Kostenaufwand effizientes Verfahren zu dessen Herstellung bereitzustellen, die die Nachteile des genannten Standes der Technik nicht aufweisen.
Diese Aufgabe wird durch ein hochtemperaturbeständiges Druckgefäß (im Folgenden auch als Druckbehälter oder als Hohlkörper bezeichnet) gelöst, das einen Grundkörper zur Aufnahme von heißen Fluiden, eine den Grundkörper außenseitig umschließende Faserarmierung mit einem relativ zum Grundkörper geringeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten und einem Innendurchmesser, der bei Raumtemperatur größer als der Außendurchmesser des
Grundkörpers ist, sowie ein zwischen dem Grundkörper und der Innenseite der Faserarmierung befindliches Medium aufweist Das Medium ist oder umfasst eine den
Grundkörper umschließende, feste Zwischenschicht, die in den meisten Fällen keramische Bestandteile aufweist oder aus diesen besteht. Es kann, muss aber nicht, durch eine
Wärmebehandlung/Pyrolyse entstanden sein; sofern es nicht selbst kompressibel ist, weist es Risse, Spalte und/oder Poren und oder sonstige gasgefüllte Strukturen auf. Aufgrund seiner Konstitution erlaubt das Medium bei einer thermischen Ausdehnung des Grundkörpers eine Verringerung des Abstands zwischen dem Grundkörper und der Innenseite der
Faserarmierung. Der Druckbehälter nach der Erfindung ist in Anspruch 1 angegeben.
Der Grundkörper ist hierbei ein druckfester fluidbeaufschlagbarer Körper, wie z.B. ein herkömmliches Druckrohr oder Druckbehälter aus Metall, Keramik oder einem
hochtemperaturbeständigen Kunststoff. Er sollte zur Aufnahme heißer Fluide, d.h. von Fluiden mit einer Temperatur von mindestens 100°C, vorzugsweise von mindestens 500°C, geeignet sein.
Erfindungsgemäß ist die Außenoberfläche des Grundkörpers von der Innenseite der
Faserarmierung durch ein Medium beabstandet, dessen Volumen durch die Einwirkung von Druck und/oder Wärme so weit wie erforderlich reduziert werden kann. Der vom
erfindungsgemäßen Medium eingenommene Zwischenraum zwischen dem Grundkörper und der Faserarmierung bietet daher Platz für eine Ausdehnung des Grundkörpers bei hohen Temperaturen. Erfindungsgemäß geht deshalb das Volumen des Mediums bei einer solchen Ausdehnung zurück, indem der Abstand zwischen dem Grundkörper und der Faserarmierung kleiner wird. Mechanische Spannungen, denen die Faserarmierung ohne das Medium aufgrund der thermischen Ausdehnung des Grundkörpers standhalten müsste, werden durch das Medium zumindest teilweise abgebaut.
Der Volumenverlust erfolgt in der Regel dadurch, dass gasförmiges Medium durch die Faserarmierung oder an deren seitlichen Rändern entweicht. Alternativ ist das Medium selbst komprimierbar.
Für die Faserarmierung des Hohlkörpers nach der Erfindung kann ein Material gewählt werden, das eine geringere relative thermische Ausdehnung und vorzugsweise auch eine höhere Hochtemperatur- und Kriechbeständigkeit als der Grundkörper aufweist. Bei einem Grundkörper z.B. aus Stahl lässt sich dadurch dessen Kriechbeständigkeit und
Zeitstandfestigkeit verbessern, d.h. einem Festigkeitsverlust des Stahls beim Beaufschlagen mit heißen Hochdruckfluiden wird vorgebeugt. Besonders gut eignen sich zu diesem Zweck keramische Fasern für die Armierung. Während der thermische Ausdehnungskoeffizient einer Stahldrahtwicklung etwa a=12x10"6/K beträgt, unterliegen keramische Werkstoffe einer deutlich geringeren relativen thermischen Ausdehnung von etwa α=(1 -8)χ10"6/Κ. Der Grundkörper kann beispielsweise aus Metallen, wie z.B. Stahl, Superlegierung, Titan, Aluminium, aus Keramiken, Graphit oder Kunststoffen bestehen. Seine Wandstärke kann beispielsweise etwa 1 bis 50 mm oder sogar mehr betragen. Der Begriff„Innen- bzw.
Außendurchmesser" wird im Zusammenhang mit der Erfindung nicht als ein für den gesamten Hohlkörper konstanter Wert verwendet, sondern lediglich als eine jeweils lokale Abmessung, die zudem keine radiale Symmetrie des betroffenen Körpers voraussetzt. Vorzugsweise handelt es sich um einen kantenfreien, besonders bevorzugt um einen bezüglich einer Mittelachse radial symmetrischen, z.B. zylindrischen Grundkörper. Dies gilt entsprechend auch für die Faserarmierung und den gesamten Hohlkörper.
In allen Fällen der Erfindung berührt der Grundköper die Faserarmierung in den
entscheidenden Bereichen (z.B. über die Rohr- oder Behälterlänge mit konstantem
Durchmesser, siehe Fig. 1 ) nicht unmittelbar. Ausnahmen können allerdings in Bereichen von Einfüllöffnungen und ähnlichen Verengungen oder Enden des Hohlkörpers gegeben sein. Das Erfordernis einer endlichen Durchmesserdifferenz und damit einer endlichen Beabstandung zwischen der Faserarmierung und dem Grundkörper ist daher in der Regel im gesamten Umfangsbereich und in den meisten Fällen auf der gesamten Länge des Hohlkörpers erfüllt.
Das erfindungsgemäße Medium kann in Kombination mit der Faserarmierung unter anderem eine oder mehrere, vorzugsweise alle der folgenden Funktionen übernehmen:
- Ausgleich der unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen dem
Grundkörper und der Faserarmierung;
- Abbau des thermischen Gradienten zwischen dem heißen Grundkörper und der
Faserarmierung;
- thermische Isolierung der Faserarmierung von dem Grundkörper, so dass diese
insbesondere gegen Überhitzung geschützt ist;
- Erhöhung der Oxidations- und Korrosionsbeständigkeit des Grundkörpers;
- Abbau von thermischen Spannungen beim Aufheizen und Abkühlen des Hohlkörpers, wie z.B. während eines Dampfturbinenprozesses;
- Abbau von auf die Faserarmierung wirkenden Spannungen, wie z.B. von Kerbspannungen, durch die Lastverteilung innerhalb des Mediums;
- Verbesserung der Kriechstabilität und Erhöhung der Zeitstandfestigkeit des Grundkörpers durch die Lastverteilung innerhalb des Mediums.
In einem einfachen Fall lässt sich das erfindungsgemäße Druckgefäß einmal zur Aufnahme eines heißen Hochdruckfluids verwenden. Vorzugsweise ist es durch eine geeignete Wahl der Materialien jedoch zu einem mehrmals oder sogar oft wiederholten Aufheizen und Abkühlen durch im Gefäßinneren befindliche, z.B. fließende Gase oder Flüssigkeiten geeignet. Die Werkstoffe sollten dabei so gewählt werden, dass bei dem Grundkörper in dem für die jeweilige Anwendung erforderlichen Temperatur- und Druckbereich keine Materialschäden wie z.B. Brüche oder Risse auftreten, die zu einem merkbaren Anstieg der Leckrate führen könnten. Möglich sind z.B. Druckgefäße nach der Erfindung, die für Fluide bei Temperaturen von mindestens etwa 100°C, vorzugsweise von mindestens etwa 550°C, und/oder bei Drücken von mindestens etwa 1 bar, vorzugsweise bei Drücken von mindestens etwa 250 bar, geeignet sind. Spezifische Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Hohlkörpers erlauben eine wiederholte Verwendung, z.B. bei jährlichen Revisionen, bei Temperaturen von mehr als etwa 750°C, vorzugsweise mehr als etwa 850°C, besonders bevorzugt mehr als etwa 950°C und/oder bei Drücken von mehr als etwa 300 bar, vorzugsweise mehr als etwa 350 bar, besonders bevorzugt mehr als etwa 400 bar im Gefäßinneren.
Um die Faserarmierung mit einem größeren Innendurchmesser als dem Außendurchmesser des Grundkörpers zu realisieren, wird bei der Herstellung des erfindungsgemäßen Hohlkörpers auf dem Grundkörper eine stabile Zwischenschicht aus einem oder mehreren Materialien aufgebracht, die als Unterlage für die Faserarmierung dient und eine ausreichende Festigkeit besitzt, wodurch die Armierung zuverlässig den gewünschten Abstand zum Grundkörper erhält. Erfindungsgemäß muss diese Schicht jedoch nicht notwendigerweise mit dem genannten Medium identisch sein. So kann sie z.B. nachträglich, d.h. nach dem Aufbringen der Faserarmierung, derart modifiziert werden, dass sie die gewünschte Abstandsverringerung beim Betrieb des Hohlkörpers erlaubt, während sie zum Zeitpunkt des Aufbringens der Faserarmierung noch unkomprimierbar sein kann. Dies wird weiter unten im Zusammenhang mit der Herstellung und dem erfindungsgemäßen Zwischenprodukt ausführlicher beschrieben.
Bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Druckbehälters sind in den abhängigen Ansprüchen und in der nachfolgenden Beschreibung angegeben. Die darin beschriebenen Merkmale können auch für andere Aspekte der Erfindung, insbesondere für das Herstellungsverfahren, relevant sein, worauf im Folgenden nicht immer explizit
hingewiesen wird.
In einer ersten Ausführungsform des Hohlkörpers nach der Erfindung sind die
Faserwicklungen der Faserarmierung des Hohlkörpers durch eine feste Zwischenschicht stabilisiert, die Teil des erfindungsgemäßen Mediums ist. Das Medium besteht dabei aus der oder sogar mehreren Zwischenschichten, ggf. mit einem oder mehreren angrenzenden Spalten, die sich beispielsweise in Umfangsrichtung um den Grundkörper herum erstrecken. Ein gasgefüllter Spalt kann z.B. zwischen der festen Zwischenschicht und dem Grundkörper oder zwischen der festen Zwischenschicht und der Faserarmierung verlaufen. Ein solcher Spalt kann prinzipiell auch innerhalb einer Zwischenschicht verlaufen. Ferner können in der Zwischenschicht auch sich in einer Richtung von dem Grundkörper zu der Innenseite der Faserarmierung hin erstreckende, insbesondere auch radiale, Risse vorliegen. Alternativ und vorzugsweise zusätzlich kann die Zwischenschicht Poren aufweisen, die dem
erfindungsgemäßen Medium ebenfalls eine gewisse Flexibilität bei hohen Temperaturen und/oder Drücken verleihen. Die Zwischenschicht kann auch mehrlagig oder gradiert aufgebaut sein. Ferner kann das Medium eine flexible dichte, eine poröse und/oder Spalte enthaltende Zwischenschicht darstellen. Nicht zwingend haftet eine solche Zwischenschicht an dem Grundkörper an.
Die vorgenannte Ausführungsform lässt sich beispielsweise durch eine Zwischenschicht wie oben beschrieben aus oder mit einem keramischen Material realisieren. Hierdurch erzielt man in Kombination mit einer Faserarmierung eine deutlich längere Lebensdauer von
druckbeaufschlagten, metallischen Rohren und Behältern im Vergleich zu den bisher bekannten. Ebenso können durch die Erfindung höhere Kriech- und Dehnraten von
metallischen Grundkörpern als bisher möglich zuverlässig vermieden werden.
Aufgrund der Tatsache, dass das Medium des erfindungsgemäßen Hohlkörpers durch eine Modifikation einer ursprünglich vorhandenen, das Aufbringen der Faserarmierung stützenden Zwischenschicht entstanden sein kann, betrifft die Erfindung weiterhin ein Zwischenprodukt zur Herstellung eines hochtemperaturbeständigen Druckbehälters/Hohlkörpers der
beschriebenen Art, das einen Grundkörper zur Aufnahme von heißen Fluiden, eine den Grundkörper außenseitig umschließende Faserarmierung mit einem relativ zum Grundkörper geringeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten und einem - zumindest bei
Raumtemperatur - größeren Innendurchmesser als dem Außendurchmesser des Grundkörpers aufweist, wobei sich zwischen dem Grundkörper und der Innenseite der Faserarmierung ein Medium befindet, welches sich unter der Wirkung von Druck und/oder Wärme im gewünschten Ausmaße zusammendrücken oder in ein der thermischen Ausdehnung des Grundkörpers nicht im Wege stehendes Medium umwandeln lässt. Das erfindungsgemäße Zwischenprodukt ist im nebengeordneten Hauptanspruch, spezifische Ausgestaltungen davon sind in den abhängigen Ansprüchen sowie in der Beschreibung angegeben.
Das Medium im erfindungsgemäßen Zwischenprodukt kann beispielsweise eine
Zwischenschicht einer der oben beschriebenen Arten sein oder enthalten. Eine oder mehrere solche Zwischenschichten können dicht oder porös sein und ggf. einen Spalt zwischen dem Grundkörper und der Faserarmierung aufweisen. Vorzugsweise ist die maximale
Temperaturbeständigkeit einer festen Zwischenschicht größer als die maximale
Temperaturbeständigkeit des Grundkörpers; dies ist jedoch nicht notwendig.
In Figur 1 ist ein schematisches Beispiel für das Zwischenprodukt oder das erfindungsgemäße Druckgefäß mit einer festen Zwischenschicht als Medium dargestellt. Die Darstellung ist nicht maßstabsgetreu. Als Zwischenschicht bzw. Zwischenschichten im Zwischenprodukt bzw.
Hohlkörper nach der Erfindung sind z.B. dünne, auf dem Grundkörper fest anhaftende
Schichten mit Schichtdicken von bis etwa 10 mm geeignet, die auch gradiert aufgebaut sein können. Folgende Werkstoffe und Materialien können im erfindungsgemäßen Medium des Zwischenprodukts bzw. des Hohlkörpers und insbesondere für die Herstellung von Schichten aus oder mit einem anorganischen, hochtemperaturstabilen Material (stabil gegenüber
Temperaturen über 500°C, vorzugsweise über 700°C, besonders bevorzugt über 1000°C) wie einem Keramikmaterial verwendet werden: a. Siliciumhaltige-Polymere, beispielsweise Polysiloxane oder Polysilazane, die sich durch eine Wärmebehandlung in Keramiken umwandeln lassen und dabei Poren ausbilden, beispielsweise durch den Verlust ihrer organischen Anteile; b. Sonstige anorganisch-organische Hybridpolymere/Hybridpolymerschichten, beispielsweise
®
Kieselsäure(hetero)polykondensate (ORMOCER e), erhalten z.B. durch hydrolytische Kondensation entsprechender teilweise organisch modifizierter Silane und/oder
kondensierbarer Metallverbindungen, die bei Pyrolyse, vorzugsweise bereits bei niedrigen Temperaturen (T < 700°C), ihren organischen Anteil teilweise oder vollständig verlieren und sich in poröse Keramiken umwandeln lassen; c. anorganisch-organische Hybridmaterialien wie voranstehend definiert oder rein
anorganische Polymermaterialien, die jeweils mit organischen Partikeln oder Kurzfasern befüllt sind und pyrolysiert werden können; d. mit geeigneten, insbesondere anorganischen Partikeln (z.B. Carbiden, Nitriden, Boriden, Oxiden, insbesondere keramischen Partikeln; z.B. mit Durchmessern d < 50 μηη und einem Volumenanteil am Schlicker unter 60 Vol.%) gefüllte organische Materialien wie Kunststoffe, z.B. Thermoplaste. e. Materialien, die keramische Fasern enthalten, wobei die Fasern als Vliesstoff, Papier oder Filz vorliegen oder eine sonstige textile Flächenstruktur aufweisen. Bei den Fasern handelt es sich bevorzugt um Schnittfasern oder Kurzfasern (häufig mit einer Länge im mm-Bereich oder von wenigen cm, z.B. im Bereich von 1 mm bis 5 oder 10 cm), die eine ungeordnete, regellose bzw. wirre Anordnung besitzen; der Vliesstoff oder Filz oder das Papier oder die sonstige textile Flächenstruktur kann dabei ein Bindemittel zur Haftung der Fasern aneinander oder als Matrix für die Fasern enthalten (Halbzeug) oder frei davon sein. In dieser Ausführungsform übernehmen die enthaltenen Fasern keine lasttragende Aufgabe, sondern fungieren als Dämmstoffe oder thermische Leiter. Das Bindemittel bzw. das Material der Matrix kann dabei entweder temperaturstabil sein oder sich bei den
Temperaturen, die erfindungsgemäß für die Herstellung des fertigen Behälters bzw. bei dessen Betrieb auftreten, verändern oder zersetzen (z.B. durch Pyrolyse) und dabei seine feste Struktur beibehalten oder ganz oder teilweise in gasförmige Produkte umgewandelt werden. Der Vliesstoff oder Filz oder das Papier oder die sonstige textile Flächenstruktur bildet zumindest vor dem ersten Erhitzen eine feste Zwischenschicht zwischen dem Druckbehälter/Hohlkörper und der Faserarmierung aus, die in der Regel
zusammendrückbare Spalte oder Poren (Zwischenräume zwischen den ggf. durch
Binder/Matrixmaterial umhüllten Fasern) besitzt. Spalte, Poren oder andere Arten von Zwischenräumen können jedoch ggf. auch infolge des ersten (einzigen) oder weiteren Erhitzens des Behälters entstehen, wenn sich das Bindemittel bzw. die Matrix durch die Hitze verändert/zersetzt und dabei z.B. organisches Material verliert oder ganz in gasförmige Produkte umgewandelt wird. f. Materialien, die keramische oder andere anorganische, vorzugsweise
hochtemperaturstabile Partikel enthalten, wobei die Partikel ohne Hilfsmittel untereinander verklebt vorliegen oder mit einem Bindemittel/einem Matrixmaterial eine Pulverschicht in Form eines (monolithischen) Papiers (Keramikpapiers) oder eine solche Folie ausbilden. Hinsichtlich des Bindemittels/Matrixmaterials und der Poren/sonstigen Zwischenräume gilt das unter e. Gesagte. g. Materialien, die neben keramischen Fasern wie unter e. beschrieben zusätzlich
Pulverpartikel, z.B. keramische oder andere anorganische, vorzugsweise
hochtemperaturstabile Partikel enthalten.
Bei allen bisher genannten Varianten erfolgt die Pyrolyse jeweils vorzugsweise bereits bei niedrigen Temperaturen (T < 700°C). Diese verschiedenen Varianten lassen sich auch in einem Medium nach der Erfindung bzw. in einer darin enthaltenen Zwischenschicht kombinieren. h. Eine weitere Möglichkeit bieten rein organische, z.B. polymere Materialien und Schichten, die bei einer thermischen Beanspruchung pyrolysieren und dabei schrumpfen oder sich auf andere Weise so verändern, dass Risse, Spalte oder Poren entstehen, z.B. dass sie einen Spalt zwischen dem Grundkörper und der Innenseite der Faserarmierung hinterlassen. Im Gegensatz zur Herstellung von CMCs (Ceramic Matrix Composites) sind hier nur
Prozesstemperaturen (Pyrolysetemperaturen) unter etwa 1000°C notwendig, um das erfindungsgemäße Medium zu bilden. i. Möglich ist auch eine Kombination der obigen Varianten, z.B. in Form von zwei oder mehr Schichten aus unterschiedlichen Materialien. Dies kann beispielsweise bei Anwendungen von Vorteil sein, die aufgrund sehr hoher Betriebstemperaturen ein verhältnismäßig großes Spiel für die thermische Ausdehnung des Grundkörpers in dem erfindungsgemäßen Medium erfordern, wobei auch bei hohen Betriebstemperaturen eine sichere Beabstandung der Faserarmierung vom heißen Grundkörper zur thermischen Isolierung erwünscht ist. Dies kann dann durch die rückstandsfreie Zersetzung rein organischer Schichten erreicht werden, während Berührungen zwischen der Faserarmierung und dem Grundkörper durch eine weitere Zwischenschicht z.B. aus Keramik zuverlässig vermieden werden können. Solche Berührungen müssen jedoch nicht bei jeder Anwendung nachteilig sein und müssen im Rahmen der Erfindung daher grundsätzlich nicht ausgeschlossen werden.
Die Pyrolyse erfolgt in jedem Fall entweder bereits vor oder erst während des Betriebs des Hohlkörpers. Dabei ggf. entstehende Poren werden durch die Ausdehnung des heißen Grundkörpers reversibel oder irreversibel zusammengedrückt. Im letzteren Falle entsteht ein Spalt zwischen der Faserarmierung und dem Werkstoff und/oder zwischen dem
Werkstoff und dem Grundkörper. j. Ferner kann eine Zwischenschicht bzw. das Medium nach der Erfindung auch aus einer Lösung oder Aufschlämmung fester, insbesondere rein anorganischer Stoffe bzw. Partikel (wie z.B. feinkörniger keramischer oder metallischer Stoffe/Partikel) in einer Flüssigkeit, z.B. in einem Lösungsmittel, bestehen, die nach Aufbringen der Faserarmierung verdampft oder auf andere Weise (z.B. Abgießen) der Schicht entzogen werden kann. Vorzugsweise werden die aufgeschlämmten oder aufgelösten Partikel bzw. Körner durch die spätere Hitzeeinwirkung untereinander gesintert, so dass eine den Grundkörper umschließende feste Zwischenschicht erhalten wird. Einer Pyrolyse bedarf es hierbei nicht. Auch hier lassen sich ggf. beim Sintern entstandene Poren durch die Ausdehnung des heißen Grundkörpers reversibel oder irreversibel zusammendrücken, wodurch ein weiterer
Volumenverlust des Mediums herbeigeführt werden kann. k. Eine weitere Möglichkeit bieten Suspensionen aus einem anorganischen Material in einem Lösungsmittel, beispielsweise aus hexagonalem Bornitrid und Ethanol, mit denen sich durch Verdampfen des Lösungsmittels eine poröse Zwischenschicht erzeugen lässt, die bis zu hohen Temperaturen von über 700°C, vorzugsweise von über 1000°C und im Falle des Beispiels mit Bornitrid sogar von 1600°C stabil sind und im speziellen Fall insbesondere auf Graphit sehr gut haften.
Die Dicke der Zwischenschichten kann je nach Bedarf gewählt werden. Wenn keramisches Material enthaltende oder hieraus bestehende Vliese, Filze, Papiere oder sonstige textile Flächengebilde oder Folien eingesetzt werden, kann dies Zwischenschicht beispielsweise ein- oder mehrlagig ausgebildet sein, wobei jede der Lagen eine Dicke von vorzugsweise ca.
100 μηη bis ca. 10 mm besitzt. Bei Rohren mit Durchmessern von wenigen Zentimetern und/oder einer Wandstärke im mm-Bereich sind Zwischenschichten im Bereich von ca. 50 μηη bis ca. 5 mm häufig ausreichend.
Im Falle der Verwendung von Materialien, die Fasern wie oben in e. beschrieben aufweisen, sind diese so ausgebildet, dass sie nicht als - lasttragende - Verstärkungsfasern dienen können, die als Endlosfasern um das Bauteil gewickelt werden könnten. Die Kriechdehnung lässt sich daher mit diesen Materialien nicht vermindern. Dennoch können diese Materialien neben ihrer erfindungsgemäßen Wirkung zusätzliche Funktionen haben: In einem ersten Anwendungsfall dient das zwischen dem Grundkörper und der Innenseite der Faserarmierung befindliche Medium als Isolator: Im Falle eines Wärmeeintrags von außen, z.B. durch eine Heizmatte, wirkt die Keramikschicht als Wärmedämmschicht, wenn eine isolierende Keramik gewählt wird, beispielweise aus Aluminiumoxid oder Mullit. Der Druckbehälter/Hohlkörper wird während der Pyrolyse der Matrix im Faserverbundwerkstoff (Faserarmierung) in diesen Ausführungsformen vor Überhitzung geschützt. Somit können höhere Pyrolysetemperaturen zugelassen werden, um die Matrix auszubilden. Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, dass durch die Wahl einer schlechten Wärmeleitung des Mediums im Dauerbetrieb auch kostengünstige Fasern als Armierung eingesetzt werden können, da die Temperatur in der Faserarmierung nach außen stärker abnimmt. Deshalb können bei hohen
Prozesstemperaturen des Druckbehälters/Hohlkörpers neben carbidischen- und oxidischen Keramikfasern im heißen Innenteil der Armierung auch zugfeste Glas- oder Carbonfasern in den äußeren Schichten des Fasermantels eingesetzt werden. In einem zweiten
Anwendungsfall dient das zwischen dem Grundkörper und der Innenseite der Faserarmierung befindliche Medium als Leiter. Dies hat den Vorteil, dass dann, wenn die Wärme zur
Durchführung der Pyrolyse durch Aufheizen des Druckbehälters/Hohlkörpers (heiße Fluide) in den Fasermantel eingetragen wird, eine gut wärmeleitende Keramikschicht die Prozesswärme gut überträgt. So ein Medium besteht bevorzugt beispielsweise aus hochwärmeleitfähigem Siliziumcarbid. Für den Dauerbetrieb vorn Hohlkörpern der erfindungsgemäßen Art ist der erste Anwendungsfall in der Regel der bedeutendere, weil das Medium dazu beitragen kann, den Wärmeverlust möglichst gering zu halten.
Die Armierung des beschichteten Grundkörpers kann beispielsweise aus Fasern oder Drähten mit einem Durchmesser 0 = 1 - 500 μηη und einer Zugspannung σ > 500 MPa bestehen, mit einem Wickelwinkel zwischen 0° und 90° zur Axialrichtung des Grundkörpers. Es eignen sich sowohl Kreuzwicklungen als auch eine einfache Umfangswicklung. Vorzugsweise werden mehrere Lagen gebildet, wobei z.B. das Kreuzwickelverfahren mit Umfangswicklungen kombiniert werden kann. Von Lage zu Lage können sich zur Verbesserung der Dichtigkeit und Kriechbeständigkeit des Hohlkörpers die Wickelwinkel ändern, vorzugsweise derart, dass sich kumulativ über mehrere Wickellagen ein Winkelunterschied von etwa 90° oder mehr ergibt. Die Verarbeitung der Fasern/Drähte erfolgt z.B. als Rovings aus Endlosfasern, Mono- oder Multifilamenten, Gewebebänder (mit einer Breite bis etwa 50 mm) oder mittels eines zweidimensionalen Gewebes (mit einer Breite bis etwa 1 ,5 m). Die Temperaturbeständigkeit der Fasern/Drähte ist vorzugsweise größer als die des Grundkörpers, und die Fasern/Drähte sind vorzugsweise kriechbeständiger als das Material des Grundkörpers. Wie weiter oben erwähnt, ist bei Raumtemperatur der Innendurchmesser der Armierung größer als der Außendurchmesser des Grundkörpers. Die Schichtdicke der Armierung ergibt sich aus dem Festigkeitsbedarf. Die Armierung kann aus Faserverbundwerkstoffen (Polymer Matrix Composites PMC, Ceramic Matrix Composites CMC, Metal Matrix Composites MMC) hergestellt werden. Es ist aber nicht zwingend eine Matrix notwendig.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines
hochtemperaturbeständigen Druckbehälters/Hohlkörpers mit einer lasttragenden Armierung, aufweisend die Schritte:
- Bereitstellen eines Grundkörpers aus Metall, Keramik, Graphit oder einem
hochtemperaturbeständigen Kunststoff,
- Aufbringen eines Mediums aus einer oder mehreren stabilen Zwischenschichten auf der Außenoberfläche des Grundkörpers, wobei das Medium unter Druck- und/oder
Temperaturbeaufschlagung Volumen verlieren kann, wobei das Medium eine den
Grundkörper umschließende stabilisierende feste Zwischenschicht aufweist, ausgewählt unter anorganischen und anorganisch-organischen Materialien sowie unter organischen Materialien, die bei einer Pyrolyse einer Porenbildung und/oder Schrumpfung unterliegen,
- Aufbringen einer den Grundkörper außenseitig umschließenden Faserarmierung mit einem relativ zu dem Grundkörper kleineren thermischen Ausdehnungskoeffizienten auf der Außenoberfläche des Mediums.
Das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren ist im entsprechenden nebengeordneten Hauptanspruch, die bevorzugten Ausführungsformen davon sind in den Unteransprüchen und in der gesamten Beschreibung angegeben. Wie bereits erwähnt, finden sich in der
Beschreibung des erfindungsgemäßen Hohlkörpers bzw. Zwischenprodukts und deren spezifischen Ausgestaltungen auch für das Herstellungsverfahren nach der Erfindung relevante Merkmale.
Wie ebenfalls weiter oben erwähnt, wird bei dem Herstellungsverfahren nach der Erfindung das Aufwickeln der Faserarmierung unter einer erforderlichen Wickelspannung trotz der erfindungsgemäßen Differenz der Außen- bzw. Innendurchmesser des Grundkörpers und der Faserarmierung bei Raumtemperatur durch die beim Aufbringen der Faserarmierung vorhandene(n) stabile(n) Zwischenschicht(en) ermöglicht.
Das nach dem beschriebenen Verfahren hergestellte Druckgefäß kann bereits einen einsatzfertigen Hohlkörper nach der Erfindung darstellen. Bei der Inbetriebnahme des
Druckgefäßes bzw. bei dem nachfolgenden Betrieb, d.h. beim Beaufschlagen mit heißen Fluiden, reichen in diesem Fall die betriebsbedingten hohen Temperaturen und der aus der thermischen Ausdehnung des Grundkörpers resultierende Druck auf das Medium in der Regel aus, damit dieses in einem (z.B. für die Entlastung der Faserarmierung) erforderlichen Maße an Volumen verliert. Beispielsweise können Betriebstemperaturen oberhalb von 700°C bereits für eine durch Pyrolyse bedingte Poren- und/oder Spaltbildung in einer anorganischorganischen Zwischenschicht einer der oben genannten spezifischen Arten ausreichen. In anderen Fällen kann die Herstellung des nach den im Hauptanspruch genannten Schritten erhaltenen Druckgefäßes einen zusätzlichen Behandlungsschritt vor der Inbetriebnahme erfordern, bei dem das ursprünglich vorhandene Medium modifiziert wird. In solchen Fällen wird daher zunächst ein Zwischenprodukt mit einer oder mehreren Zwischenschichten erzeugt, die anschließend durch geeignete Maßnahmen, insbesondere durch Erhitzen auf eine
Temperatur, die die spätere Betriebstemperatur des Hohlkörpers übersteigt, in ein Medium überführt wird/werden, dessen Volumen bei Einwirkung von Wärme und/oder Druck in ausreichendem Maße abnimmt. Dadurch wird Platz für eine Ausdehnung des Grundkörpers bei dessen Erhitzen geschaffen. Ein Beispiel hierfür ist die Verwendung einer Zwischenschicht aus einem Polymermaterial, z.B. Polysilazan, welches sich erst oberhalb von 800°C vollständig zu einem keramischen Werkstoff umwandeln lässt, während die geplante Betriebstemperatur im oder am Hohlkörper 800°C nicht überschreitet.
Der Grundkörper sollte bereits selbst in gewissem Maße zumindest mäßige Temperaturen aushalten; in vielen Fällen sollte er hochtemperaturbeständig sein. So sollte er z.B. wiederholt Fluide mit Temperaturen von mindestens etwa 100°C, vorzugsweise von mindestens etwa 500°C, aufnehmen können. Vorzugsweise überschreiten die Prozesstemperaturen bei der thermischen Behandlung des Zwischenprodukts die Temperaturbeständigkeit des
Grundkörpers nicht. Bei martensitischen Grundkörpern sollte z.B. die letzte
Wärmebehandlungstemperatur des Stahls nicht überschritten werden.
Das Medium bzw. eine Zwischenschicht des Mediums kann durch Tauchen, Aufsprühen, Aufdampfen (z.B. Chemical Vapour Deposition), Spritzen (z.B. Flammspritzen), Aufstreichen, Auflegen etc. des Materials auf der Außenseite des Grundkörpers bzw. der vorhergehenden Zwischenschicht aufgebracht werden.
Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist im Vergleich zum Stand der Technik unter anderem, dass grundsätzlich ein oder höchstens zwei Wärmebehandlungsschritte zur
Herstellung des einsatzbereiten Hohlkörpers ausreichend sind. Selbstverständlich können weitere Schritte hinzukommen, jedoch ist dies zum Erreichen des Zieles der Erfindung nicht notwendig.
Für die Erfindung gibt es unter anderem folgende Anwendungsgebiete:
- Armierung von Heißgasleitungen in Kraftwerken,
- Armierung von Wärmetauschern und Rekuperatoren im HT-Bereich,
- Fluidleitende, unter Druck stehende Rohre in der Chemieindustrie,
- Armierung von Heizungsrohren. Verfahrensbeispiel 1.
In Figuren 2 bis 4 sind Versuchskörper dargestellt, bei denen Edelstahlrohre als Grundkörper (mit einem Außendurchmesser von etwa 41 mm und einer Wandstärke von etwa 2,5 mm) in einem ersten Fall mit einer Einzellage (Figuren 2, 3) und in einem zweiten Fall mit fünf Einzellagen (Fig. 4) aus Kohlenstoff-Fasern (3k-Rovings, d.h. jeweils mit 3000 Filamenten) als Armierung versehen wurden. Bei jeder Variante wurden die Fasern in einer Versuchsreihe mit einer Zwischenschicht (Figuren 3, 4) und in einer anderen ohne eine Zwischenschicht (Fig. 2) in Form eines 0,75 mm dicken Kunststoff-Schrumpfschlauchs mit einer Fadenspannung von 2,5 N auf den metallischen Grundkörper unter 90° gewickelt. Anschließend wurden die erhaltenen Versuchskörper bei 700°C (Heizrate: 5 K/min) in der Stickstoff-Atmosphäre ausgelagert (Figuren 2a, 3a, 4a zeigen jeweils das Produkt vor dieser
Hochtemperaturbehandlung).
Bei den Rohren ohne Zwischenschicht und mit einer bzw. fünf (nicht gezeigt) Faserschichten ist deutlich zu erkennen, dass Einzelfasern wegen der höheren thermischen Ausdehnung des Grundkörpers und einer daraus herrührenden Überlastung gerissen sind (Fig. 2b). Bei den Rohren jeweils mit einer Zwischenschicht sind hingegen keine gerissenen Fasern zu erkennen (Figuren 3b, 4b). Es ist in Figuren 3b, 4b weiterhin ein erfolgtes Aufschmelzen und eine anschließende Pyrolyse des Kunststoff-Schrumpfschlauchs zu erkennen. Dies zeigt einen deutlichen Vorteil eines Aufbaus nach der Erfindung, wie in Figuren 3, 4 gezeigt, d.h. eines Hohlkörpers mit einem Medium (hier Schrumpfschlauch) zwischen dem Grundkörper und der Faserarmierung, dessen Volumen durch Wärme und Druck reduzierbar ist.
Verfahrensbeispiel 2.
Auf ein Aluminium-Rohr wurde durch Aufstreichen und Aufsprühen eine hexagonale
Suspension aus Ethanol und Bornitrid als Zwischenschicht (etwa 0,2 mm dick) aufgebracht. Darüber wurde eine Armierung aufgebracht, bestehend aus NiCr-Drähten mit einem
Drahtdurchmesser 0 300 μηη, die in einer Aluminium-Matrix eingebettet sind. Anschließend wurde das Lösungsmittel durch thermische Behandlung entfernt, was zu einer verdichteten porösen Zwischenschicht führte. Im späteren Betrieb des Hohlkörpers wurde die
Zwischenschicht durch die wiederholte Verringerung des Abstands zwischen dem Rohr und der Armierung aufgrund der thermischen Ausdehnung des Rohrs zunehmend irreversibel zusammengedrückt, wobei ein Spalt zwischen dem Rohr und der Zwischenschicht entstand.
Verfahrensbeispiel 3.
Auf einem Stahlrohr (T24, Außendurchmesser 264 mm, Wandstärke 32 mm) wird eine Lage Keramik-Paper der Fa. Kager (Dicke: 2 mm), dessen Keramik aus Silicium-Aluminiumoxid- Fasern besteht, ohne Überlappung aufgebracht und fixiert. Dieses Material ist feuerbeständig und wärmeisolierend. Es kann für Isolierungen bis 1850°C eingesetzt werden. Die Länge des Papiers wurde anhand des äußeren Rohrumfangs ermittelt. Auf die Papierlage werden mit Siloxan-Matrix infiltrierte Faserlagen aus Aluminiumoxid gewickelt. Die Wärmebehandlung des Verbundrohres erfolgt durch außenseitig aufgebrachte Heizmatten und erfolgt zunächst für 12 Stunden bei 220°C und danach für 1 Stunde bei 700°C.

Claims

Ansprüche:
1 . Innendruckbeaufschlagbarer, hochtemperaturbeständiger Hohlkörper, umfassend
- einen Grundkörper zur Aufnahme von Fluiden mit Temperaturen höher als etwa 100°C,
- eine den Grundkörper außenseitig umschließende Faserarmierung mit einem relativ zum Grundkörper geringeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten und einem Innendurchmesser, der bei Raumtemperatur den Außendurchmesser des
Grundkörpers übersteigt, dadurch gekennzeichnet, dass
- sich zwischen dem Grundkörper und der Innenseite der Faserarmierung ein Medium befindet, das eine Verringerung des Abstands zwischen dem Grundkörper und der Innenseite der Faserarmierung erlaubt, wobei das Medium eine den Grundkörper umschließende feste Zwischenschicht aufweist, die entweder aus einem
anorganischen Material besteht oder ein solches enthält oder durch eine
Wärmebehandlung/Pyrolyse entstanden ist und welche gegebenenfalls Risse, Spalte und/oder Poren aufweist.
2. Hohlkörper nach Anspruch 1 , worin die Zwischenschicht aus einem keramischen Material besteht oder ein solches enthält.
3. Hohlkörper nach Anspruch 1 oder 2, worin das anorganische bzw. keramische Material eine monolithische Struktur, eine Matrixstruktur, die Form von Kurzfasern oder die Form von Partikel besitzt oder worin anorganisches bzw. keramisches Material in Form von Kurzfasern und/oder Partikeln in eine anorganische bzw. keramische Matrixstruktur eingebettet vorliegen.
4. Hohlkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem das Medium einen oder mehrere Werkstoffe umfasst, die einen oder mehrere gasgefüllte Spalten und/oder Poren aufweisen.
5. Hohlkörper nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei dem die Faserarmierung Fasern und/oder Drähte in Form von Rovings aus Endlosfasern/-Drähten, Mono- oder Multifilamenten, in Form von Gewebebändern oder in Form von zweidimensionalem Gewebe aufweist und einlagig oder mehrlagig ist.
6. Hohlkörper nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei dem die
Hochtemperaturbeständigkeit der Faserarmierung, insbesondere von deren
Fasern/Drähten, größer als die Hochtemperaturbeständigkeit des Grundkörpers und/oder die Kriechdehnung der Faserarmierung, insbesondere von deren Fasern/Drähten, kleiner als die Kriechdehnung des Grundkörpers ist.
7. Hohlkörper nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei dem die Faserarmierung matrixfrei ist und aus um den Grundkörper herum verlaufenden Faser- oder
Drahtwicklungen besteht.
8. Hohlkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem die Faserarmierung einen
Faserverbundwerkstoff, insbesondere PMC, CMC oder MMC, aufweist oder daraus besteht.
9. Zwischenprodukt zur Herstellung eines innendruckbeaufschlagbaren,
5 hochtemperaturbeständigen Hohlkörpers nach einem der voranstehenden Ansprüche, umfassend
- einen Grundkörper zur Aufnahme von heißen Fluiden,
- eine den Grundkörper außenseitig umschließende Faserarmierung mit einem relativ zum Grundkörper geringeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten und einem i o größeren Innendurchmesser als dem Außendurchmesser des Grundkörpers, dadurch gekennzeichnet, dass
- sich zwischen dem Grundkörper und der Innenseite der Faserarmierung ein Medium befindet, das unter Druck und/oder thermisch Volumen verlieren kann, wobei das Medium eine den Grundkörper umschließende stabilisierende feste Zwischenschicht i 5 aufweist, ausgewählt unter anorganischen, anorganisch-organischen und organischen
Materialien, die bei einer Pyrolyse einer Porenbildung und/oder Schrumpfung unterliegen.
10. Zwischenprodukt nach Anspruch 9, bei dem das Medium eine an dem Grundkörper anhaftende feste, vorzugsweise dichte Zwischenschicht ist, welche den Zwischenraum
20 zwischen dem Grundkörper und der Innenseite der Faserarmierung ausfüllt und teilweise aus organischem pyrolysierbarem Material besteht.
1 1 . Zwischenprodukt nach Anspruch 9, bei dem das Medium einen oder mehrere
anorganische poröse Stoffe aufweist, die unter Druck oder thermisch einen gasgefüllten Spalt zwischen dem Grundkörper und der Innenseite der Faserarmierung bilden können
25 oder die in Form einer Partikelsuspension vorliegen, deren Partikel unter
Temperatureinwirkung verdichten oder vereintem können.
12. Zwischenprodukt nach einem der Ansprüche 9 bis 1 1 , worin das Medium anorganische Fasern und/oder anorganische Partikel aufweist, die in einen organischen Binder oder in eine organische Matrix eingebettet sind, wobei der Binder bzw. die Matrix bei einer
30 Wärmebehandlung organische Bestandteile verliert derart, dass sich sein/ihr Volumen verringert, oder dass er/sie durch Pyrolyse vollständig in gasförmige Produkte überführt wird.
13. Zwischenprodukt nach Anspruch 13, worin das Material der anorganischen Fasern
und/oder Partikel teilweise oder vollständig ein keramisches Material ist.
14. Verfahren zur Herstellung eines innendruckbeaufschlagbaren,
hochtemperaturbeständigen Hohlkörpers mit einer lasttragenden Armierung, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 8, aufweisend die Schritte:
(a) Bereitstellen eines Grundkörpers aus Metall, Keramik, Graphit oder einem 5 hochtemperaturbeständigen Kunststoff,
(b) Aufbringen eines Mediums aus einer oder mehreren festen Zwischenschichten auf der Außenoberfläche des Grundkörpers, das unter Druck und/oder thermisch Volumen verlieren kann, wobei das Medium eine den Grundkörper umschließende stabilisierende feste Zwischenschicht aufweist, ausgewählt unter anorganischen und i o anorganisch-organischen Materialien sowie unter organischen Materialien, die bei einer Pyrolyse einer Porenbildung und/oder Schrumpfung unterliegen,
(c) Aufbringen einer den Grundkörper außenseitig umschließenden Faserarmierung mit einem relativ zu dem Grundkörper kleineren thermischen Ausdehnungskoeffizienten auf der Außenoberfläche des Mediums. i 5 15. Verfahren nach Anspruch 14, bei dem die Faserarmierung matrixfrei durch das
Aufwickeln von Fasern und/oder Drähten, insbesondere in Form von Rovings aus Endlosfasern/-Drähten, Mono- oder Multifilamenten, auf der Außenoberfläche des Mediums aufgebracht wird.
16. Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, weiterhin umfassend (d) das Erhitzen der gemäß 20 Schritt (b) erhaltenen Zwischenschicht(en) derart, dass in dieser/diesen Schicht(en) gasgefüllte Poren, Spalte oder Risse entstehen.
17. Verfahren nach Anspruch 16, wobei sich beim Erhitzen der Grundkörper stärker
ausdehnt als die Faserarmierung.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 17, bei dem das gemäß Schritt (b)
25 aufgebrachte Medium eine an dem Grundkörper anhaftende feste, vorzugsweise dichte
Zwischenschicht ist, welche den Zwischenraum zwischen dem Grundkörper und der Innenseite der Faserarmierung ausfüllt und zumindest teilweise aus organischem pyrolysierbarem Material besteht, das mittels Pyrolyse bei Temperaturen unter etwa 700°C in ein anorganisches, vorzugsweise ein keramisches Material umgewandelt wird.
30 19. Verwendung des hochtemperaturbeständigen, innendruckbeaufschlagbaren Hohlkörpers nach einem der Ansprüche 1 bis 8 für Heißgasleitungen in Kraftwerken, für Wärmetauscher und Rekuperatoren in Hochtemperaturanlagen, für fluidleitende, unter Druck stehende Rohre in der Chemieindustrie oder für Heizungsrohre.
35 * * *
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