WO2013135868A1 - Connecting element for low-temperature applications, compressor for operation in the low-temperature range - Google Patents

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Definitions

  • Connection element for low-temperature applications compressors for operation in the low-temperature range
  • the invention relates to a connecting element for
  • fasteners are required, which have the highest possible strength with sufficient toughness in a colder at temperatures up to -120 ° C (lowest temperature of common technical applications).
  • LNG plants Liquefaction of natural gas (LNG plants). Another preferred application of the invention may be in the field of
  • the invention has, starting from the problems and disadvantages of the prior art, the task of fasteners, especially screws for the
  • the invention proposes
  • inventive connecting elements is significantly increased.
  • a steel for the connecting element comprising the following components, preferably consists of these:
  • c) tempering takes place at a temperature between 620 ° C and 660 ° C.
  • a blank may first be subjected to this heat treatment before a subsequent mechanical production of the connecting element according to the invention.
  • Hardening or double curing can be done in oil or water, with water meeting all the requirements of this
  • Manufacturing step is fair and is therefore preferred due to the lower cost.
  • the manufacturing step is fair and is therefore preferred due to the lower cost.
  • Heat-treated fasteners meet the requirements of the design regulations for pressure vessels (AD2000-Merkblatt W7), allowing a far-reaching
  • the invention is based on a special
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a cross section through a parting line of a compressor with a parting screw formed according to the invention.
  • FIG. 1 shows a schematic cross section in the region of a parting line of a not-shown detail
  • Turbo compressor has a housing CC with a
  • Partial joint screws SH held together, of which the figure shows one.
  • the parting screw SH extends along a longitudinal axis X and has at an upper end a head H with key surfaces TS for applying a tool.
  • a stretching stem ES of the screw SH extends to a threaded portion TH, which ends at a second end.
  • Threaded portion TH is a nut N screwed, which together with the screw SH interposition a washer W, the two flanges LF, UF clamped in the clamping length CL.
  • the screw SH and the nut N are both made of the material 26NiCoMoV14-5, so they meet the strength requirements under the

Abstract

The invention relates to a connecting element for low-temperature applications and to a compressor for low-temperature operation. It is proposed according to the invention that the connecting element is composed of a steel which is alloyed with 3 - 4 wt.% of nickel.

Description

Beschreibung description
Verbindungselement für Tieftemperaturanwendungen, Verdichter zum Betrieb im Tieftemperaturbereich Connection element for low-temperature applications, compressors for operation in the low-temperature range
Die Erfindung betrifft ein Verbindungselement für The invention relates to a connecting element for
Tieftemperaturanwendungen und einen Verdichter für den Cryogenic applications and a compressor for the
Tieftemperaturbetrieb . Cryogenic operation.
Insbesondere für Verdichter, die Gase in Kälteprozessen verdichten, werden Verbindungselemente benötigt, die eine möglichst hohe Festigkeit bei ausreichender Zähigkeit bei einer Kälter unter Temperaturen bis zu -120°C (niedrigste Temperatur üblicher technischer Anwendungen) aufweisen. In particular, for compressors that compress gases in cooling processes, fasteners are required, which have the highest possible strength with sufficient toughness in a colder at temperatures up to -120 ° C (lowest temperature of common technical applications).
Derartig niedrige Betriebstemperaturen ergeben sich Such low operating temperatures result
beispielsweise beim Verdichten von Ethylen oder bei der for example, in the compression of ethylene or in the
Verflüssigung von Erdgasen (LNG-Anlagen) . Eine weitere bevorzugte Anmeldung der Erfindung kann im Bereich der Liquefaction of natural gas (LNG plants). Another preferred application of the invention may be in the field of
Abscheidung und Speicherung von Kohlendioxid im Anschluss an die Verbrennung fossiler Energieträger im Rahmen der Separation and storage of carbon dioxide following the combustion of fossil fuels in the context of
Energieerzeugung liegen. Energy generation lie.
Für herkömmliche Verbindungselemente werden sogenannte kaltzähe Werkstoffe verwendet, die jedoch eine For conventional fasteners so-called cold-tough materials are used, but a
verhältnismäßig geringe Festigkeit aufweisen. Ein Beispiel hierfür ist der Austenit oder der Werkstoff X8Ni9 gemäß der Norm DIN-EN10028-4 und weiterer. Die bisherige Lösung der Aufgabe Strömungsmaschinen, have relatively low strength. An example of this is the austenite or the material X8Ni9 according to the standard DIN-EN10028-4 and others. The previous solution of the task turbomachinery,
insbesondere Kompressoren oder Turboverdichter zu schaffen, welche auch noch bei niedrigen Temperaturen von bis zumindest -120°C funktionieren, hat insbesondere den Nachteil, dass die Verbindungselemente in Folge ihrer nur verhältnismäßig geringen Zugfestigkeit verhältnismäßig große Abmessungen aufweisen, um den mechanischen Belastungen Stand zu halten. So sind beispielsweise Teilfugenschrauben von relativ großem Durchmesser für Hochdruckverdichter bei Kälteanwendungen erforderlich, was zu raumgreifenden Teilfugenflanschen der Verdichtergehäuse führt. Diese konstruktiven Randbedingungen führen insbesondere im instationären Betrieb zu der In particular, to provide compressors or turbo compressors, which also work at low temperatures of at least -120 ° C, in particular has the disadvantage that the connecting elements as a result of their only relatively low tensile strength relatively large dimensions have to hold the mechanical loads withstand. For example, part-joint screws of relatively large diameter for high pressure compressor in refrigeration applications required, resulting in expansive Teilfugenflanschen the compressor housing. These structural boundary conditions lead in particular in transient operation to the
Notwendigkeit, thermische Zeitkonstanten beim Anfahren und Abfahren der Maschine verstärkt zu berücksichtigen, da es sonst zu inakzeptablen Verformungen und thermisch Necessity to consider increased thermal time constants during startup and shutdown of the machine, otherwise it becomes unacceptable deformations and thermal
verursachten ggf. unzulässigen Spannungsverhältnissen an den verschiedenen Bauteilen kommen kann. Schließlich erweisen sich bestimmte Konstruktionen aufgrund der herkömmlichen Werkstoffauswahl für die Verbindungselemente als schlicht nicht realisierbar. caused possibly unacceptable tension conditions on the various components can come. Finally, certain designs prove to be simply unrealizable due to the conventional choice of materials for the fasteners.
Die Erfindung hat es sich ausgehend von den Problemen und Nachteilen des Standes der Technik zur Aufgabe gemacht, Verbindungselemente, insbesondere Schrauben für die The invention has, starting from the problems and disadvantages of the prior art, the task of fasteners, especially screws for the
Tieftemperaturanwendung zu entwickeln, welche eine höhere Belastbarkeit als herkömmliche Verbindungselemente aufweisen bzw. bei gleicher Belastbarkeit weniger raumgreifend  To develop low-temperature application, which have a higher load capacity than conventional fasteners or less expansive at the same capacity
ausfallen. In gleicher Weise ist es Aufgabe der Erfindung, herkömmliche Verdichter für die Tieftemperaturanwendung entsprechend fortzubilden. fail. Similarly, it is an object of the invention to train conventional compressors for the low temperature application accordingly.
Zur Lösung der Aufgabe schlägt die Erfindung ein To solve the problem, the invention proposes
Verbindungselement der eingangs genannten Art vor, Connecting element of the type mentioned,
insbesondere eine Schraube, mit den zusätzlichen Merkmalen des Kennzeichens des Anspruchs 1. Weiterhin wird eine In particular, a screw, with the additional features of the characterizing part of claim 1. Furthermore, a
Maschine, isbesondere ein Verdichter der eingangs genannten Art vorgeschlagen mit den zusätzlichen Merkmalen des Machine, is especially a compressor of the type mentioned proposed with the additional features of
Kennzeichens des Anspruchs 5. Die jeweils rückbezogenen Unteransprüche beschäftigen sich mit vorteilhaften Characteristic of Claim 5. The respective dependent claims are concerned with advantageous
Weiterbildungen der Erfindung. Further developments of the invention.
Die Verwendung eines mit 3,5 Gew.% Nickel legierten Stahls führt zu einer 0 , 2%-Dehngrenze von mindestens lOOOMPa und einer Kerbschlagarbeit von mindestens 52 Joule bei der Prüftemperatur bis -120°C. Diese Werkstoffkennwerte des Verbindungselementes ermöglichen eine platzsparende The use of a steel alloyed with 3.5% by weight nickel leads to a 0.2% proof strength of at least 1000 μm and a notch impact work of at least 52 Joules at the test temperature to -120 ° C. These material characteristics of the connecting element allow a space-saving
Dimensionierung bei hoher Belastung, so dass nicht nur eine geringere Materialaufwendung für die Verbindungselemente vorliegt, sondern auch die konstruktive Freiheit bei der Gestaltung der Maschine für die Kälteanwendung, Sizing under high load, so not just one less material used for the fasteners, but also the design freedom in the design of the machine for the refrigeration application,
beispielsweise bei der Konstruktion eines Verdichters in Folge der geringeren räumlichen Ausdehnung der For example, in the construction of a compressor due to the smaller spatial extent of
erfindungsgemäßen Verbindungselemente signifikant vergrößert ist . inventive connecting elements is significantly increased.
Besonders zweckmäßig ist die Verwendung eines Stahles für das Verbindungselement der die folgenden Bestandteile umfasst, bevorzugt aus diesen besteht: Particularly useful is the use of a steel for the connecting element comprising the following components, preferably consists of these:
0,22 - 0,32 Gew.-% C  0.22-0.32 wt% C
0 - 0,15 Gew.-% Si  0 - 0.15 wt .-% Si
0, 15-0,40 Gew. -% Mn  0.15-0.40% by weight Mn
0 - 0,010 Gew.-% P 0-0.010% by weight P
0 - 0,007 Gew.-% S  0 - 0.007 wt .-% S
1,20 - 1,80 Gew.-% Cr  1.20 - 1.80 wt.% Cr
0,25 - 0,45 Gew.-% Mo  0.25-0.45 wt% Mo
3,40 - 4,00 Gew. -% Ni  3.40 - 4.00 wt.% Ni
0,05 - 0, 15 Gew. -% V. 0.05-0.15% by weight V.
Hierbei bevorzugt ist die Verwendung eiens Stahls mit der Bezeichnung 26NiCrMoV14-5. Dieser Stahl erfüllt nicht nur die technischen Anforderungen hinsichtlich der Festigkeit, sondern ist auch verhältnismäßig gut verfügbar. Here, preference is given to the use of a steel with the designation 26NiCrMoV14-5. This steel not only meets the technical requirements in terms of strength, but is also relatively well available.
Eine vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass das An advantageous development provides that the
Verbindungselement einer speziellen Wärmebehandlung Connecting element of a special heat treatment
unterzogen wird. Hierzu wird das Verbindungselement is subjected. For this purpose, the connecting element
doppelgehärtet und anschließend angelassen, wobei bevorzugt: a) Härten bei einer Temperatur zwischen 920°C und 960°C, b) Durchführen einer zweiten Härtung bei einer Temperatur zwischen 820°C und 860°C und and then tempered, preferably: a) curing at a temperature between 920 ° C and 960 ° C, b) carrying out a second curing at a temperature between 820 ° C and 860 ° C and
c) Anlassen bei einer Temperatur zwischen 620°C und 660°C stattfindet. Ebenso kann statt des Verbindungselementes zunächst ein Rohling vor einer anschließenden mechanischen Fertigung zu dem erfindungsgemäßen Verbindungselement dieser Wärmebehandlung unterzogen werden. Das Härten bzw. das Doppelhärten kann in Öl oder Wasser erfolgen, wobei Wasser sämtlichen Anforderungen dieses c) tempering takes place at a temperature between 620 ° C and 660 ° C. Likewise, instead of the connecting element, a blank may first be subjected to this heat treatment before a subsequent mechanical production of the connecting element according to the invention. Hardening or double curing can be done in oil or water, with water meeting all the requirements of this
Fertigungsschrittes gerecht wird und dementsprechend aufgrund der niedrigeren Kosten bevorzugt ist. Insbesondere die derManufacturing step is fair and is therefore preferred due to the lower cost. In particular, the
Wärmebehandlung unterzogenen Verbindungselemente erfüllen die Anforderungen der Konstruktionsvorschriften für Druckbehälter (AD2000-Merkblatt W7), so dass eine weitreichende Heat-treated fasteners meet the requirements of the design regulations for pressure vessels (AD2000-Merkblatt W7), allowing a far-reaching
Einsatzmöglichkeit gewährleistet ist. Possible use is guaranteed.
Im Folgenden ist die Erfindung anhand eines speziellen In the following, the invention is based on a special
Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf eine Zeichnung näher verdeutlicht. Es zeigt: Figur 1 eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch eine Teilfuge eines Verdichters mit einer erfindungsgemäß ausgebildeten Teilfugenschraube. Embodiment with reference to a drawing illustrated in more detail. FIG. 1 shows a schematic representation of a cross section through a parting line of a compressor with a parting screw formed according to the invention.
Figur 1 zeigt einen schematischen Querschnitt im Bereich einer Teilfuge eines nicht näher dargestellten FIG. 1 shows a schematic cross section in the region of a parting line of a not-shown detail
Turboverdichters für Tieftemperaturanwendungen . Der  Turbo compressor for low temperature applications. Of the
Turboverdichter weist ein Gehäuse CC auf mit einer Turbo compressor has a housing CC with a
horizontalen Teilfuge SP, welche eine obere Gehäusehälfte - in der Zeichnung ist der obere Gehäuseflansch UF dargestellt - und eine untere Gehäusehälfte - in der Zeichnung ist der untere Gehäuseflansch LF dargestellt -. Die beiden horizontal parting line SP, which an upper half of the housing - in the drawing, the upper housing flange UF is shown - and a lower half of the housing - in the drawing, the lower housing flange LF is shown -. The two
Gehäusehälften bzw. Flansche UF, LF werden mittels Housing halves or flanges UF, LF are using
Teilfugenschrauben SH zusammengehalten, von denen die Figur eine zeigt. Die Teilfugenschraube SH erstreckt sich entlang einer Längsachse X und weist an einem oberen Ende einen Kopf H auf mit Schlüsselflächen TS zum Ansetzen eines Werkzeugs. Entlang einer Klemmlänge CL erstreckt sich ein Dehnschaft ES der Schraube SH bis zu einem Gewindeabschnitt TH, der an einem zweiten Ende seinen Abschluss findet. Auf dem Partial joint screws SH held together, of which the figure shows one. The parting screw SH extends along a longitudinal axis X and has at an upper end a head H with key surfaces TS for applying a tool. Along a clamping length CL, a stretching stem ES of the screw SH extends to a threaded portion TH, which ends at a second end. On the
Gewindeabschnitt TH ist eine Mutter N aufgeschraubt, die gemeinsam mit der Schraube SH unter Zwischenanordnung eine Unterlegscheibe W die beiden Flansche LF, UF im Bereich der Klemmlänge CL klemmt. Die Schraube SH und die Mutter N sind beide aus dem Werkstoff 26NiCoMoV14-5 hergestellt, so dass sie den Festigkeitsanforderungen im Rahmen der Threaded portion TH is a nut N screwed, which together with the screw SH interposition a washer W, the two flanges LF, UF clamped in the clamping length CL. The screw SH and the nut N are both made of the material 26NiCoMoV14-5, so they meet the strength requirements under the
Tieftemperaturanwendung des Turboverdichters Stand halten.  Low-temperature application of the turbocompressor to withstand.

Claims

Patentansprüche claims
Verbindungselement, insbesondere Schraube (SH) für Connecting element, in particular screw (SH) for
Tieftemperaturanwendung,  Cryogenic application
dadurch gekennzeichnet, dass  characterized in that
das Verbindungselement aus einem Stahl besteht, der mit 3 - 4 Gew.-% Nickel legiert ist.  the connecting element consists of a steel which is alloyed with 3-4% nickel by weight.
Verbindungselement nach Anspruch 1, Connecting element according to claim 1,
wobei der Stahl die folgenden Bestandteile umfasst:  the steel comprising the following components:
0,22 - 0,32 Gew.-% C  0.22-0.32 wt% C
0 - 0,15 Gew.-% Si  0 - 0.15 wt .-% Si
0, 15-0,40 Gew. -% Mn  0.15-0.40% by weight Mn
0 - 0,010 Gew.-% P  0-0.010% by weight P
0 - 0,007 Gew.-% S  0 - 0.007 wt .-% S
1,20 - 1,80 Gew.-% Cr  1.20 - 1.80 wt.% Cr
0,25 - 0,45 Gew.-% Mo  0.25-0.45 wt% Mo
3,40 - 4,00 Gew. -% Ni  3.40 - 4.00 wt.% Ni
0,05 - 0,15 Gew. -% V.  0.05-0.15% by weight V.
Verbindungselement nach Anspruch 1 oder 2, Connecting element according to claim 1 or 2,
wobei das Material zweifach in einem Fluid gehärtet wird und anschließend angelassen wird wobei:  wherein the material is cured twice in a fluid and then tempered, wherein:
a) Härten bei einer Temperatur zwischen 920°C und 960°C, b) Durchführen einer zweiten Härtung bei einer  a) curing at a temperature between 920 ° C and 960 ° C, b) performing a second cure at a
Temperatur zwischen 820°C und 860°C und  Temperature between 820 ° C and 860 ° C and
c) Anlassen bei einer Temperatur zwischen 620°C und 660°C stattfindet.  c) tempering takes place at a temperature between 620 ° C and 660 ° C.
Verfahren zur Herstellung eines Verbindungselementes nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, Process for producing a connecting element according to at least one of Claims 1 to 3,
dadurch gekennzeichnet, dass  characterized in that
ein Rohling aus einem mit 3 - 4 Gew.-% nickellegierten Stahl bereitgestellt wird, der Rohling bei einer ersten Temperatur gehärtet wird,  a blank is provided from a 3 to 4 wt% nickel alloyed steel, the blank is cured at a first temperature,
der Rohling bei einer zweiten Temperatur gehärtet wird, der Rohling angelassen wird bei einer dritten Temperatur, the blank is cured at a second temperature, the blank is tempered at a third Temperature,
eine mechanische Fertigung des Verbindungselementes erfolgt, wobei a mechanical production of the connecting element takes place, wherein
a) Härten bei einer Temperatur zwischen 920°C und 960°C, b) Durchführen einer zweiten Härtung bei einer a) curing at a temperature between 920 ° C and 960 ° C, b) performing a second cure at a
Temperatur zwischen 820°C und 860°C und Temperature between 820 ° C and 860 ° C and
c) Anlassen bei einer Temperatur zwischen 620°C und 660°C stattfindet. c) tempering takes place at a temperature between 620 ° C and 660 ° C.
Maschine, Machine,
insbesondere Turboverdichter, mit mindestens einem in particular turbo-compressor, with at least one
Verbindungselement nach einem der vorhergehenden Connecting element according to one of the preceding
Ansprüche 1 bis 4. Claims 1 to 4.
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