WO2014067706A1 - Verfahren zur herstellung eines verbundkörpers - Google Patents

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WO2014067706A1
WO2014067706A1 PCT/EP2013/069546 EP2013069546W WO2014067706A1 WO 2014067706 A1 WO2014067706 A1 WO 2014067706A1 EP 2013069546 W EP2013069546 W EP 2013069546W WO 2014067706 A1 WO2014067706 A1 WO 2014067706A1
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heating
fiber
impregnated
composite
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PCT/EP2013/069546
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Roland Weiss
Martin Henrich
Thorsten Scheibel
Marco Ebert
Andreas Lauer
Walter Krenkel
Carolin SPATZ
Karl Maile
Karl Berreth
Jens Schmidt
Christian Eckardt
Sandro BISCHOFF
Klaus Metzger
Karl-Heinz CZYCHON
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Schunk Kohlenstofftechnik Gmbh
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Definitions

  • the invention relates to a method for producing a composite body and a composite body produced by the method, wherein the composite body is formed as a pressure tube or a pressure vessel, wherein the composite body of a base body made of steel and the body at least partially outside enclosing layer formed from a fiber composite material wherein, to form the fiber composite material, the base body is wrapped with a fiber material, wherein the fiber material is impregnated before or after wrapping with a resin, wherein a heating of the wound and impregnated fiber material is carried out to form the fiber composite material.
  • the composite may be formed as a pressure tube or as a pressure vessel through which a fluid having a process temperature of 300 to 650 ° C flows at a pressure of up to 300 bar.
  • the main body of the composite is made of a martensitic steel or regular made of another high-alloy steel.
  • Such composite bodies which have a base body with two enclosing layers.
  • a first layer is formed of a ceramic fiber composite material and a second layer of a fiber-reinforced plastic or fiber-reinforced ceramic.
  • Characteristic of these composite bodies is that the respective composite bodies are always produced outside the power plant or the industrial plant in which they are later used. This is far and away required because, for example, a pressure tube can then be wrapped on a machine with filaments of fiber composite material. Furthermore, impregnation or impregnation of the fiber material with resin as well as a final curing under workshop conditions is facilitated. Depending on the method used, it may be necessary to cure the composite or fiber composite by heat treatment within a furnace over a period of several days. By treatment in an oven, heating of the composite can be relatively accurately controlled and monitored. In particular, in a formation of the fiber composite material by pyrolysis particularly high process temperatures must be maintained, which are regularly in a range of about 700 ° C.
  • the present invention is therefore based on the object
  • the composite body is formed as a pressure tube or a pressure vessel, wherein the composite body of a base body made of steel and the body at least partially outer side enclosing layer is formed from a fiber composite material, wherein for forming the fiber composite material of the base body a fiber material is wrapped, wherein the fiber material is impregnated before or after wrapping with a resin or impregnated, wherein a heating of the wound and impregnated Fasertechnik- Stoffes erfo lent to form the fiber composite material, wherein the method is carried out on a built-pressure tube or pressure vessel in situ, wherein the heating of the wound and impregnated fiber material erfo up to 700 ° C.
  • Forming the composite body or the layer of the fiber composite material enclosing the base body can effectively avoid creeping of the martensitic or high-alloyed steel of the basic body. This makes it possible to extend the useful life of the pressure pipes or pressure vessels of the plant by up to 20 years, and thus, if necessary, to postpone replacement of the pressure pipes and pressure vessels beyond a shutdown period of the plant.
  • the inventive method a significant cost savings can be achieved as a decommissioning, for example, a power plant in the context of regular maintenance can be completely avoided or shortened.
  • the formation of the composite body or of the fiber composite material on the main body can be achieved on the pressurized fluid-flowed pressure tube or pressure vessel by wrapping it around the fiber material.
  • the fiber material can be soaked before or after wrapping with the resin, wherein the formation of the fiber composite nachfo ling a heating or temperature of the
  • Fiber material on the pressure tube or pressure vessel erfo lgt.
  • the base body is heated to not more than 700 ° C.
  • the method can also be carried out in situ during the intended use of the pressure tube or the pressure vessel.
  • the composite body can be formed during operation of a system on a pressure pipe or a pressure vessel of the system, without having to take them out of service.
  • the formation of the composite body or of the fiber composite material on the base body can therefore be based on the example heated to 530 ° C to 700 ° C, pressurized, perfused with a fluid pressure tube or pressure vessel by wrapping with the fiber material erfo.
  • polysiloxane resin may be used as a resin.
  • the fiber composite material can be formed without requiring excessively high temperatures for curing and optionally pyrolysis of the resin.
  • a preimpregnated fiber material is used.
  • the main body can be particularly easily wrapped in situ with the fiber material and the resin. Since, for example, in a power plant regularly a plurality of pressure pipes are moved for reasons of space relatively close to each other, it is often not possible to wrap the respective pressure tube by means of a dedicated machine with the fiber material and finally impregnated with resin.
  • a preimpregnated fiber material can be applied particularly easily manually directly to the body even in confined spaces.
  • UD tapes, fabrics and rovings can be used for the application of the fiber composite material.
  • tissue and tissue sections / individual layers can be stored so that there are shocks. This reduces the risk of delaminations and wrinkles with thick wall thicknesses.
  • elbows or pipes with outlets preferably UD woven tapes, with widths of several centimeters can be used.
  • the preimpregnated fiber material can be sealed in a protective film for protection against moisture. This makes it possible to store and transport the impregnated fiber material over a longer period of time. For example, then the fiber material in a workshop simply pre-impregnated and nachfo lying directly to the installation site, such as a power plant, spent, without the preimpregnated fiber material could be damaged by absorption of moisture.
  • the wound and impregnated fiber material can be wrapped with a shrink film.
  • the shrink film can be shrunk by briefly applying the temperature to the impregnated fiber material such that the impregnated fiber material is substantially airtight. This can prevent unwanted oxidation of the wound, impregnated fiber material during the subsequent work.
  • a surface of the finished fiber composite material can then be produced comparatively smoothly and free from impurities. A final dismantling of the shrink film can be omitted, since it can be eliminated during the process of heating.
  • the fiber material may be formed from fibers of alumina, silicon carbide, nitride bonded silicon carbide, glass or basalt.
  • Such fibers are particularly suitable for forming a fiber composite material by means of pyrolysis at low temperatures. Nevertheless, these fibers can still ensure high strength. It can also be provided that in each case several layers are formed with different fiber materials.
  • fiber mats of the fiber material can also be used. It then becomes possible to wind the fiber material around, for example, a pressure tube very quickly in order to surround the pressure tube with a sufficient amount of fiber material. A working time on, for example, up to 300 ° C hot pressure pipes can then be significantly shortened.
  • fibers of the fiber material are oriented at least 2/3 radially in the circumferential direction of the pressure tube or the pressure vessel. Accordingly, the fibers can be oriented so that the radial compressive forces of the pressure tube or of the pressure vessel can be absorbed particularly well by the fiber material. Because the fibers are not solely radially oriented, it is also possible to use the fiber material, for example, in curved sections of pressure pipes or areas of similar shape of pressure vessels, since the fiber material can also absorb axial forces. Furthermore, it can also be provided to form the fiber composite material or the composite body in the region of a connecting weld seam of a pressure tube or pressure vessel, since these regions can regularly have a lower strength. The orientation of the fibers can already by the formation of
  • the heating of the body takes place only below an annealing temperature of the steel.
  • the heating of the impregnated fiber material or the steel of the base body to at least 500 ° C up to 680 ° C erfo.
  • the fiber composite material can be cured and formed by pyrolysis, and on the other hand damage to the body is prevented by the application of the method.
  • the process can be carried out particularly quickly when curing and pyrolysis of the wound and impregnated fiber material take place by the heating in one step. In this case, it is then dispensed with a lowering of a temperature after curing.
  • a temperature gradient can initially lead to a voltage rearrangement (plastically deformable matrix) and, after cooling, to an inherent stress state in a winding.
  • This residual stress state causes tensile stresses in the fibers at an outer edge of the wrapping and compressive stresses in the fibers at an inner edge of the wrapping. This has a favorable effect on the overall load capacity of the inner tube in the case of a later compressive stress of an inner tube.
  • a pyrolysis of the wound and impregnated fiber material erfo conditions before the heating by a first heating in a first step, a hardening and by the heating in a second step, a pyrolysis of the wound and impregnated fiber material erfo conditions.
  • a quality control of the cured fiber composite material can be carried out.
  • the quality control can, for example, by a mobile, air-coupled ultrasonic technology erfo conditions to check for accuracy of the fiber material.
  • delaminations can be detected in a fiber cladding.
  • a duration of up to 9.5 hours may be provided for the first heating and a duration of up to 12 hours for the second heating.
  • a heating rate may preferably be up to 1 K / min. Also, then a possible, undesirable Burning or coking of used insulating materials or heaters are prevented.
  • a resistance wire, a heating mat and / or a heating tape can be used.
  • the resistance wire may be made of a NiCr wire and wrapped around the pressure tube or pressure vessel with the fiber material.
  • the pressure tube or the pressure vessel can be wrapped with a heating tape or covered with a heating mat.
  • Combinations of the aforementioned heaters are of course also possible.
  • the heater can be further surrounded with a refractory insulating material.
  • At least one strain gauge or a similar such sensor can be wrapped with the fiber material.
  • the strain gauge can then be applied directly to an outer surface of the body prior to wrapping, so that even after the formation of the composite body, a strain measurement of the body is possible.
  • at least one temperature sensor can be wrapped with the fiber material.
  • the temperature sensor can be applied directly to the steel of the pressure tube or pressure vessel.
  • post-impregnation of the fiber composite material with resin can be carried out after pyrolysis. After Nachimlessnessgntechnik then in each case again a pyrolysis of the Nachimoniagn réelle Added resin done.
  • the process of post-impregnation and pyrolysis may preferably be repeated up to three times. By repeating any voids of the fiber composite material with resin, a fiber composite material with a particularly high density and thus strength can be produced.
  • Post-impregnation can be achieved particularly easily by means of vacuum infusion.
  • the vacuum infusion can be carried out by surrounding the first pyrolyzed fiber composite by a tube filled with resin, whereby the tube is subjected to a vacuum. Gases located in cavities of the fiber composite material are thus removed, so that the resin can easily penetrate into the fiber composite material or its cavities.
  • the main body to which the method is applied may in particular be a pipeline. It can also be provided that the pipeline is not formed over an entire length to form a composite body, but only in regions of a connecting weld seam and of bends of the pipeline, since, according to experience, these areas regularly have first a reduced strength after a long period of use. Furthermore, the invention relates to a composite body produced by a method according to any one of the preceding claims. Further advantageous embodiments of the composite result from the feature descriptions of the dependent on the method claim 1 dependent claims. Nachfo lying a preferred embodiment of the invention will be explained in more detail with reference to the accompanying drawings.
  • Fig. 1 is a cross-sectional view of a composite body
  • Fig. 2 is a sectional longitudinal sectional view of the composite body.
  • FIGS. 1 and 2 shows a composite body 10 of a pipe 1 first
  • the composite body 10 is formed in a region 12 of the pipe 1 1, which has a connecting weld, not shown here.
  • a main body 13 of the pipe 1 1 consists of martensitic steel and has a diameter of up to 300 mm.
  • a wall thickness of the body is up to 32 mm.
  • the main body 1 3 is surrounded by a layer 14 which is formed from a fiber composite material 15.
  • the pipe 1 shown here or the composite body 1 0 is flowed through by a fluid, not shown here, with a high pressure and a high temperature.
  • the fiber composite material 15 was applied to the built-in pipe 1 1 during operation of the pipe 1 1 on this or formed on this.
  • the base body 13 was wrapped with a fiber material, wherein fiber mats impregnated with a resin were used. Thereafter, the wound and impregnated fiber material with a
  • the heating was accomplished by means of heating elements placed around the wrapped and impregnated fiber material.
  • nachfo lgender pyrolysis thereof By a repeated Nachimlessnessgnierung of the fiber composite material 15 with resin by vacuum infusion with nachfo lgender pyrolysis density and thus a strength of the layer 14 was further increased.
  • the layer 14 or the fiber composite material 1 5 can thus now absorb from the pipe 1 1 acting on the layer 14 radial forces and so largely avoid creeping of the steel of the pipe 1 1 in the area 12.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundkörpers sowie einen nach dem Verfahren hergestellten Verbundkörper, wobei der Verbundkörper (10) als ein Druckrohr oder ein Druckbehälter ausgebildet ist, wobei der Verbundkörper aus einem Grundkörper (13) aus Stahl und eine den Grundkörper zumindest abschnittsweise außenseitig umschließende Schicht (14) aus einem Faserverbundwerkstoff (15) wird, wobei zur Ausbildung des Faserverbundwerkstoffs der Grundkörper mit einem Faserwerkstoff umwickelt wird, wobei der Faserwerkstoff vor oder nach dem Umwickeln mit einem Harz imprägniert wird, wobei eine Erwärmung des gewickelten und imprägnierten Faserwerkstoffs erfolgt, um den Faserverbundwerkstoff auszubilden, wobei das Verfahren an einem eingebauten Druckrohr oder Druckbehälter in situ durchgeführt wird, wobei die Erwärmung des umwickelten und imprägnierten Faserwerkstoffs auf bis zu 700°C erfolgt.

Description

Verfahren zur Herstellung eines Verbundkörpers
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundkörpers sowie einen mit dem Verfahren hergestellten Verbundkörper, wobei der Verbundkörper als ein Druckrohr oder ein Druckbehälter ausgebildet ist, wobei der Verbundkörper aus einem Grundkörper aus Stahl und eine den Grundkörper zumindest abschnittsweise außenseitig umschließende Schicht aus einem Faserverbundwerkstoff gebildet wird, wobei zur Ausbildung des Faserverbundwerkstoffes der Grundkörper mit einem Faserwerkstoff umwickelt wird, wobei der Faserwerkstoff vor oder nach dem Umwickeln mit einem Harz imprägniert wird, wobei eine Erwärmung des gewickelten und imprägnierten Faserwerkstoffes erfolgt, um den Faserverbundwerkstoff auszubilden.
Derartige Verbundkörper finden regelmäßig beispielsweise bei Dampfturbinenprozessen oder ähnlichen Anwendungen Verwendung. Der Verbundkörper kann als ein Druckrohr oder als ein Druckbehälter ausgebildet sein, durch den ein Fluid mit einer Prozesstemperatur von 300 bis 650 °C bei einem Druck von bis zu 300 bar strömt. Der Grundkörper des Verbundkörpers ist regelmäßig aus einem martensitischen Stahl oder einem anderen hochlegierten Stahl gebildet. Durch das Umschließen des Grundkörpers mit einer weiteren Schicht aus einem Faserverbundwerkstoff wird der Vorteil erzielt, dass ein Kriechen des Stahls, welches durch die hohen Drücke und Temperaturen begünstigt wird, unterbunden werden kann.
So sind aus der WO 2007/ 128837 A I derartige Verbundkörper bekannt, die einen Grundkörper mit zwei umschließenden Schichten aufweisen. Eine erste Schicht ist aus einem keramischen Faserverbundwerkstoff und eine zweite Schicht aus einem faserverstärkten Kunststoff oder aus faserverstärkter Keramik gebildet. Damit soll eine Erhöhung der Prozesstemperaturen im Vergleich zu Körpern, die allein aus Stählen bestehen, möglich sein. Beispielsweise kann dann ein thermischer Wirkungsgrad in einem Kraftwerk gesteigert werden.
Kennzeichnend für diese Verbundkörper ist, dass die j eweiligen Ver- bundkörper immer j eweils außerhalb des Kraftwerks bzw. der Industrieanlage, in der sie später zum Einsatz gelangen, hergestellt werden. Dies ist inso fern erforderlich, da beispielsweise ein Druckrohr dann auf einer Maschine mit Filamenten des Faserverbundwerkstoffes umwickelt werden kann. Weiter wird ein Imprägnieren bzw. Durchtränken des Faser- Werkstoffes mit Harz sowie ein abschließendes Aushärten unter Werkstattbedingungen erleichtert. Je nach angewendetem Verfahren kann es erforderlich sein, den Verbundkörper bzw. den Faserverbundwerkstoff durch Hitzebehandlung innerhalb eines Ofens über einen Zeitraum von mehreren Tagen auszuhärten. Durch die Behandlung in einem Ofen kann eine Erwärmung des Verbundkörpers relativ genau gesteuert und überwacht werden. Insbesondere bei einer Ausbildung des Faserverbundwerkstoffes durch Pyrolyse müssen besonders hohe Prozesstemperaturen eingehalten werden, die regelmäßig in einem Bereich von über 700 °C liegen. Nach der Ausbildung des Verbundkörpers wird dieser dann in einem Kraftwerk oder einer ähnlichen Anlage verbaut. Bei älteren Kraftwerken oder derartigen Anlagen besteht das Problem, dass bei diesen gemäß der deutschen Druckbehälterverordnung nach einer bestimmten Betriebsdauer ein Austausch von Druckrohren oder Druckbehältern erforderlich wird. Über einen langen Zeitraum von mehreren Jahren erfolgt durch Alterung bzw. Kriechen des Stahls beispielsweise eine Querschnittsänderung des betreffenden Druckrohres oder Druckbehälters, wodurch dessen Druckfestigkeit herabgesetzt ist. Nach der Druckbehälterverordnung ist dann ein Austausch des betreffenden Druckrohres oder Druckbehälters notwendig. Dies betrifft insbeson- dere ältere Anlagen, in denen noch keine Verbundkörper der vorgenannten Art verbaut wurden. Die Kosten für einen Austausch der Druckrohre oder Druckbehälter sind j edoch erheblich, da dazu ein Stillstand der gesamten Anlage über einen längeren Zeitraum erforderlich ist. Es wäre daher wünschenswert, einen Stillstand der Anlage zu vermeiden bzw. einen Austausch der Druckrohre oder Druckbehälter möglichst lange aufzuschieben, beispielsweise bis zu einer endgültigen Stilllegung der Anlage, so dass ein Austausch überflüssig wird.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein
Verfahren zur Ertüchtigung von Druckrohren oder Druckbehältern vorzuschlagen, welches einen Anlagenstillstand vermeidet.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren und einen Verbundkörper mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. 22 gelöst.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines Verbundkörpers ist der Verbundkörper als ein Druckrohr oder ein Druckbehälter ausgebildet, wobei der Verbundkörper aus einem Grundkörper aus Stahl und eine den Grundkörper zumindest abschnittsweise außenseitig umschließende Schicht aus einem Faserverbundwerkstoff gebildet wird, wobei zur Ausbildung des Faserverbundwerkstoffes der Grundkörper mit einem Faserwerkstoff umwickelt wird, wobei der Faserwerkstoff vor oder nach dem Umwickeln mit einem Harz imprägniert bzw. durchtränkt wird, wobei eine Erwärmung des gewickelten und imprägnierten Faserwerk- Stoffes erfo lgt, um den Faserverbundwerkstoff auszubilden, wobei das Verfahren an einem eingebauten Druckrohr oder Druckbehälter in situ durchgeführt wird, wobei die Erwärmung des umwickelten und imprägnierten Faserwerkstoffes auf bis zu 700 °C erfo lgt. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird folglich ein Anlagenstillstand vermieden, da der Verbundkörper während des Betriebs einer Anlage an einem Druckrohr oder einem Druckbehälter der Anlage ausgebildet wird, ohne dass diese ausgebaut werden müssten. Durch die
Ausbildung des Verbundkörpers bzw. der den Grundkörper umschließen- den Schicht aus dem Faserverbundwerkstoff kann ein Kriechen des martensitischen oder hochlegierten Stahls des Grundkörpers wirkungsvo ll vermieden werden. Damit wird es mö glich, eine Nutzungsdauer der Druckrohre oder Druckbehälter der Anlage um bis zu 20 Jahre zu verlängern und so gegebenenfalls einen Austausch der Druckrohre und Druck- behälter über einen Stilllegungszeitraum der Anlage hinaus zu verschieben. Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann eine erhebliche Kosteneinsparung erzielt werden, da eine Außerbetriebnahme beispielsweise eines Kraftwerkes im Rahmen regelmäßiger Wartungsarbeiten gänzlich vermieden oder verkürzt werden kann. Die Ausbildung des Verbundkör- pers bzw. des Faserverbundwerkstoffes am Grundkörper kann demnach an dem unter Druck stehenden, mit einem Fluid durchströmten Druckrohr oder Druckbehälter durch Umwickeln mit dem Faserwerkstoff erfo lgen. Der Faserwerkstoff kann vor oder nach dem Umwickeln mit dem Harz durchtränkt werden, wobei zur Ausbildung des Faserverbundwerkstoffes nachfo lgend eine Erwärmung bzw. Temperaturbeaufschlagung des
Faserwerkstoffes an dem Druckrohr oder Druckbehälter erfo lgt. Durch die Temperaturbeaufschlagung wird der Grundkörper auf nicht mehr als 700 °C erwärmt. Eine Verwendung einer höheren Temperatur für den Grundkörper, wie bei der Herstellung eines Verbundkörpers in einem Ofen einer Werkstatt nach dem Stand der Technik, ist hier nicht möglich, da der Grundkörper aufgrund des Betriebs der Anlage druckbelastet ist. Auch kann das Verfahren während einer bestimmungsgemäßen Verwendung des Druckrohres oder des Druckbehälters in situ durchgeführt werden. So kann der Verbundkörper während des Betriebs einer Anlage an einem Druckrohr oder einem Druckbehälter der Anlage ausgebildet werden, ohne dass diese außer Betrieb genommen werden müssten. Die Ausbildung des Verbundkörpers bzw. des Faserverbundwerkstoffes am Grundkörper kann demnach an dem beispielsweise auf 530 °C bis zu 700 °C erwärmten, unter Druck stehenden, mit einem Fluid durchströmten Druckrohr oder Druckbehälter durch Umwickeln mit dem Faserwerkstoff erfo lgen.
Bei dem Verfahren kann als ein Harz Polysiloxanharz verwendet werden. Durch die Verwendung eines Polysiloxanharzes kann der Faserverbundwerkstoff ausgebildet werden, ohne dass allzu hohe Temperaturen zur Aushärtung und gegebenenfalls zur Pyrolyse des Harzes erforderlich wären.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn ein vorimprägnierter Faserwerkstoff verwendet wird. Durch die Verwendung eines sogenannten Prepnegs kann der Grundkörper besonders leicht in situ mit dem Faserwerkstoff und dem Harz umwickelt werden. Da beispielsweise in einem Kraftwerk regelmäßig eine Vielzahl von Druckrohren aus Platzgründen relativ dicht nebeneinander verlegt sind, ist es häufig nicht möglich, das betreffende Druckrohr mittels einer dafür vorgesehenen Maschine mit dem Faserwerkstoff zu umwickeln und abschließend mit Harz zu imprägnieren. Ein vorimprägnierter Faserwerkstoff kann besonders einfach auch manuell direkt auf den Grundkörper selbst bei beengten Raumverhältnissen aufgebracht werden. Für die Aufbringung des Faserverbundwerkstoffs können UD-Bänder, Gewebe und Rovings verwedet werden. Bei der Verwendung von Gewebe können auch Gewebeabschnitte/Einzellagen abgelegt werden, so dass sich Stöße ergeben. Dadurch wird die Gefahr von Delaminationen und Falten bei dicken Wandstärken vermindert. Bei der Umwicklung geometrisch komplexer Grundkörper z. B . Rohrbögen oder Rohre mit Abgängen, können bevorzugt UD-Gewebebänder, mit Breiten von mehreren Zentimetern verwendet werden.
Vor einem Aufbringen kann der vorimprägnierte Faserwerkstoff in einer Schutzfolie zum Schutz vor Feuchtigkeit eingeschweißt werden. Damit wird es möglich, den imprägnierten Faserwerkstoff über einen längeren Zeitraum zu lagern und zu transportieren. Beispielsweise kann dann der Faserwerkstoff in einer Werkstatt einfach vorimprägniert und nachfo lgend direkt an den Einbauort, beispielsweise ein Kraftwerk, verbracht werden, ohne dass der vorimprägnierte Faserwerkstoff durch Aufnahme von Feuchtigkeit geschädigt werden könnte.
Darüber hinaus kann der gewickelte und imprägnierte Faserwerkstoff mit einer Schrumpffolie umwickelt werden. Die Schrumpffolie kann vor einem Erwärmen des imprägnierten Faserwerkstoffes durch eine kurze Temperaturbeaufschlagung auf den imprägnierten Faserwerkstoff so aufgeschrumpft werden, dass der imprägnierte Faserwerkstoff im Wesentlichen luftdicht abgeschlo ssen ist. Damit kann eine unerwünschte Oxidation des umwickelten, imprägnierten Faserwerkstoffes während der noch nachfolgenden Arbeiten verhindert werden. Darüber hinaus kann dann mittels der Schrumpffolie eine Oberfläche des fertigen Faserver- bundwerkstoffes vergleichsweise glatt und frei von Verunreinigungen hergestellt werden. Eine abschließende Demontage der Schrumpffolie kann unterbleiben, da diese beim Vorgang der Erwärmung eliminiert werden kann.
Vorzugsweise kann der Faserwerkstoff aus Fasern aus Aluminiumoxid, Siliziumcarbid, nitritgebundenem Siliziumcarbid, Glas oder Basalt gebildet werden. Derartige Fasern eignen sich besonders gut zur Ausbildung eines Faserverbundwerkstoffes mittels Pyrolyse bei niedrigen Temperaturen. Dennoch können diese Fasern noch eine hohe Festigkeit gewährleisten. Auch kann vorgesehen sein, mehrere Lagen j eweils mit unterschiedlichen Faserwerkstoffen auszubilden. Weiter können auch Fasermatten des Faserwerkstoffes verwendet werden. Dann wird es möglich, den Faserwerkstoff besonders schnell um beispielsweise ein Druckrohr herumzuwickeln, um das Druckrohr mit einer ausreichenden Menge Faserwerkstoff zu umgeben. Eine Arbeits- dauer an beispielsweise bis zu 300 °C heißen Druckrohren kann dann erheblich verkürzt werden.
Weiter kann vorgesehen sein, dass Fasern des Faserwerkstoffes zu mindestens 2/3 radial in Umfangsrichtung des Druckrohres oder des Druckbehälters orientiert sind. Die Fasern können demnach so orientiert sein, dass die radialen Druckkräfte des Druckrohrs oder des Druckbehälters von dem Faserwerkstoff besonders gut aufgenommen werden können. Dadurch, dass die Fasern nicht allein radial orientiert sind, ist es weiter möglich, den Faserwerkstoff auch beispielsweise in Bogenabschnitten von Druckrohren oder Bereichen ähnlicher Gestalt von Druck- behältern zu verwenden, da der Faserwerkstoff auch axiale Kräfte aufnehmen kann. Weiter kann es auch vorgesehen sein, den Faserverbundwerkstoff bzw. den Verbundkörper im Bereich einer Verbindungsschweißnaht eines Druckrohres oder Druckbehälters auszubilden, da diese Bereiche regelmäßig eine geringere Festigkeit aufweisen können. Die Orientierung der Fasern kann bereits durch die Ausbildung von
Fasermatten vorgegeben sein oder alternativ durch Wickeln von Endlosfasersträngen in den entsprechenden Richtungen erfo lgen.
Um eine Minderung einer Festigkeit des Druckrohres oder des Druckbehälters bzw. um eine Kriechdehnung des Stahls während des Betriebs zu vermeiden, kann vorgesehen sein, dass die Erwärmung des Grundkörpers nur bis unterhalb einer Anlasstemperatur des Stahls erfolgt.
So kann die Erwärmung des imprägnierten Faserwerkstoffes bzw. des Stahls des Grundkörpers auf mindestens 500 °C bis zu 680 °C erfo lgen. Einerseits kann dann der Faserverbundwerkstoff ausgehärtet und durch Pyrolyse ausgebildet werden, und andererseits wird eine Schädigung des Grundkörpers durch die Anwendung des Verfahrens verhindert. Das Verfahren kann besonders schnell durchgeführt werden, wenn durch die Erwärmung in einem Schritt eine Härtung und eine Pyrolyse des gewickelten und imprägnierten Faserwerkstoffes erfolgen. In diesem Fall wird dann auf eine Absenkung einer Temperatur nach der Härtung verzichtet. Ein Temperaturgradient kann bei einer Pyrolisierung und Keramisierung zunächst zu einer Spannungsumlagerung (plastisch verformbare Matrix) und nach einer Abkühlung zu einem Eigenspan- nungszustand in einer Umwicklung führen. Dieser Eigenspannungszu- stand bewirkt an einem Außenrand der Umwicklung Zugspannungen in den Fasern und an einem Innenrand der Umwicklung Druckeigenspannungen in den Fasern. Dies wirkt sich bei einer späteren Druckbeanspruchung eines Innenrohres günstig auf die gesamte Tragfähigkeit des Innenrohres aus.
In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens kann vor der Erwär- mung durch eine erste Erwärmung in einem ersten Schritt eine Härtung und durch die Erwärmung in einem zweiten Schritt eine Pyrolyse des gewickelten und imprägnierten Faserwerkstoffes erfo lgen. So kann nach der Härtung beispielsweise eine Qualitätskontrolle des gehärteten Faserverbundwerkstoffes durchgeführt werden. Die Qualitätskontrolle kann beispielsweise durch eine mobile, luftgekoppelte Ultraschalltechnik erfo lgen, um eine Fehlerfreiheit des Faserwerkstoffs zu überprüfen.
Insbesondere können dadurch Delaminationen in einem Fasermantel detektiert werden. Für die erste Erwärmung kann beispielsweise eine Dauer von bis zu 9,5 Stunden und für die zweite Erwärmung eine Dauer von bis zu 12 Stunden vorgesehen sein.
Weiter ist es ausreichend, wenn die erste Erwärmung bis zu 220 °C erfo lgt.
Um eine mögliche Selbstentzündung von im Rahmen der Ausbildung des Faserverbundwerkstoffes verwendeten Materialien bei einer Erwärmung zu verhindern, kann eine Aufheizgeschwindigkeit vorzugsweise bis zu 1 K/min betragen. Auch kann dann ein eventuelles, unerwünschtes Verbrennen oder Verkoken von verwendeten Isoliermaterialien oder Heizeinrichtungen verhindert werden.
Zur Erwärmung kann ein Widerstandsdraht, eine Heizmatte und/oder ein Heizband verwendet werden. Der Widerstandsdraht kann beispielsweise aus einem NiCr-Draht bestehen und um das Druckrohr oder den Druckbehälter mit dem Faserwerkstoff herum gewickelt werden. Weiter kann das Druckrohr oder der Druckbehälter mit einem Heizband umwickelt oder mit einer Heizmatte abgedeckt werden. Kombinationen der vorgenannten Heizeinrichtungen sind selbstverständlich auch möglich. Um einen Wärmeverlust oder auch eine Flammenbildung zu vermeiden, kann die Heizeinrichtung weiter mit einem feuerfesten Isoliermaterial umgeben werden.
Um ein Kriechverhalten des Stahls des Grundkörpers überprüfen zu können, kann zumindest ein Dehnungsmessstreifen oder ein ähnlicher derartiger Sensor mit dem Faserwerkstoff umwickelt werden. Der Dehnungsmessstreifen kann dann vor einem Umwickeln unmittelbar auf einer Außenfläche des Grundkörpers aufgebracht werden, so dass auch nach Ausbildung des Verbundkörpers eine Dehnungsmessung des Grundkörpers möglich ist. Weiter kann zumindest ein Temperatursensor mit dem Faserwerkstoff umwickelt werden. Da insbesondere eine maximal mögliche Temperatur des Stahls des Grundkörpers nicht überschritten werden darf, kann der Temperatursensor unmittelbar auf dem Stahl des Druckrohrs oder Druckbehälters aufgebracht werden. So wird es dann auch möglich, eine Aufheizkurve beim Erwärmen unmittelbar zu kontrollieren bzw. die Erwärmung mittels des Temperatursensors zu steuern.
Um eine besonders hohe Festigkeit des Faserverbundwerkstoffes zu erzielen, kann nach einer Pyrolyse eine Nachimprägnierung des Faserverbundwerkstoffes mit Harz erfolgen. Nach der Nachimprägnierung kann dann j eweils wieder eine Pyrolyse des bei der Nachimprägnierung hinzugefügten Harzes erfolgen. Der Vorgang der Nachimprägnierung und Pyrolyse kann vorzugsweise bis zu drei Mal wiederholt werden. Durch ein nochmaliges Ausfüllen von eventuellen Hohlräumen des Faserverbundwerkstoffes mit Harz kann ein Faserverbundwerkstoff mit besonders hoher Dichte und damit Festigkeit erzeugt werden.
Die Nachimprägnierung kann besonders einfach mittels Vakuuminfusion erfo lgen. Die Vakuuminfusion kann dadurch durchgeführt werden, dass der erstmalig pyrolysierte Faserverbundwerkstoff von einem mit Harz gefüllten Schlauch umgeben wird, wobei der Schlauch mit einem Vaku- um beaufschlagt wird. In Hohlräumen des Faserverbundwerkstoffes befindliche Gase werden so entfernt, so dass das Harz leicht in den Faserverbundwerkstoff bzw. dessen Hohlräume eindringen kann.
Der Grundkörper, an dem das Verfahren angewendet wird, kann insbesondere eine Rohrleitung sein. Auch kann es vorgesehen sein, die Rohr- leitung nicht über eine gesamte Länge zu einem Verbundkörper auszubilden, sondern nur in Bereichen einer Verbindungsschweißnaht und von Bögen der Rohrleitung, da diese Bereiche erfahrungsgemäß regelmäßig zuerst eine verminderte Festigkeit nach einem langen Nutzungszeitraum aufweisen. Weiter betrifft die Erfindung einen Verbundkörper, hergestellt mit einem Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen des Verbundkörpers ergeben sich aus den Merkmalsbeschreibungen der auf den Verfahrensanspruch 1 rückbezogenen Unteransprüche. Nachfo lgend wird eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 Eine Querschnittansicht eines Verbundkörpers; Fig. 2 eine abschnittsweise Längsschnittansicht des Verbundkörpers .
Eine Zusammenschau der Fig. 1 und 2 zeigt einen Verbundkörper 10 einer Rohrleitung 1 1 . Der Verbundkörper 10 ist in einem Bereich 12 der Rohrleitung 1 1 ausgebildet, der eine hier nicht näher dargestellte Verbindungsschweißnaht aufweist. Ein Grundkörper 13 der Rohrleitung 1 1 besteht aus martensitischem Stahl und weist einen Durchmesser von bis zu 300 mm auf. Eine Wandstärke des Grundkörpers beträgt bis zu 32 mm. Der Grundkörper 1 3 ist mit einer Schicht 14 umgeben, die aus einem Faserverbundwerkstoff 15 gebildet ist.
Die hier dargestellte Rohrleitung 1 1 bzw. der Verbundkörper 1 0 wird von einem hier nicht dargestellten Fluid mit einem hohen Druck und einer hohen Temperatur durchströmt. Der Faserverbundwerkstoff 15 wurde auf die eingebaute Rohrleitung 1 1 während des Betriebs der Rohrleitung 1 1 auf diese aufgebracht bzw. auf dieser ausgebildet. Dazu wurde der Grundkörper 13 mit einem Faserwerkstoff umwickelt, wobei mit einem Harz imprägnierte Fasermatten verwendet wurden. Danach wurde der gewickelte und imprägnierte Faserwerkstoff mit einer
Schrumpffo lie abgedeckt und auf bis zu 680 °C erwärmt. Die Erwärmung erfo lgte mittels Heizelementen, die um den umwickelten und imprägnierten Faserwerkstoff herum angeordnet wurden. Bei der Erwärmung wurde eine Aushärtung des imprägnierten Faserwerkstoffes mit nachfo lgender Pyrolyse desselben durchgeführt. Durch eine mehrmalige Nachimprägnierung des Faserverbundwerkstoffes 15 mit Harz durch Vakuuminfusion mit nachfo lgender Pyrolyse wurde eine Dichte und damit eine Festigkeit der Schicht 14 noch weiter erhöht. Die Schicht 14 bzw. der Faserverbundwerkstoff 1 5 kann somit nun von der Rohrleitung 1 1 auf die Schicht 14 wirkende radiale Kräfte aufnehmen und so ein Kriechen des Stahls der Rohrleitung 1 1 im Bereich 12 weitestgehend vermeiden.

Claims

Patentansprüche
Verfahren zur Herstellung eines Verbundkörpers (10), wobei der Verbundkörper als ein Druckrohr oder ein Druckbehälter ausgebildet ist, wobei der Verbundkörper aus einem Grundkörper (13) aus Stahl und eine den Grundkörper zumindest abschnittsweise außenseitig umschließende Schicht (14) aus einem Faserverbundwerkstoff (15) gebildet wird, wobei zur Ausbildung des Faserverbundwerkstoffs der Grundkörper mit einem Faserwerkstoff umwickelt wird, wobei der Faserwerkstoff vor oder nach dem Umwickeln mit einem Harz imprägniert wird, wobei eine Erwärmung des gewickelten und imprägnierten Faserwerkstoffs erfolgt, um den Faserverbundwerkstoff auszubilden,
dadurch g e k e nn z e i c hn e t ,
dass das Verfahren an einem eingebauten Druckrohr oder Druckbehälter in situ durchgeführt wird, wobei die Erwärmung des umwickelten und imprägnierten Faserwerkstoffs auf bis zu 700 °C erfolgt.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch g e k e nn z e i c hn e t ,
dass das Verfahren während einer bestimmungsgemäßen Verwendung des Druckrohrs oder des Druckbehälters in situ durchgeführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch g e k e nn z e i c hn e t ,
dass als Harz ein Polysiloxanharz verwendet wird.
4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch g e k e nn z e i c hn e t ,
dass ein vorimprägnierter Faserwerkstoff verwendet wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4,
dadurch g e k e nn z e i c hn e t ,
dass der vorimprägnierte Faserwerkstoff in einer Schutzfolie eingeschweißt wird.
6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch g e k e nn z e i c hn e t ,
dass der gewickelte und imprägnierte Faserwerkstoff mit einer Schrumpffolie umwickelt wird.
7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch g e k e nn z e i c hn e t ,
dass der Faserwerkstoff aus Fasern aus Aluminiumoxid, Siliziumcar- bid oder nitritgebundenem Siliziumcarbid gebildet wird.
8. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch g e k e nn z e i c hn e t ,
dass Fasermatten des Faserwerkstoffs verwendet werden.
9. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch g e k e nn z e i c hn e t ,
dass Fasern des Faserwerkstoffs zu mindestens 2/3 radial in Um- fangsrichtung des Druckrohrs oder des Druckbehälters orientiert sind.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch g e k e nn z e i c hn e t ,
dass die Erwärmung bis unterhalb einer Anlasstemperatur des Grundkörpers erfolgt.
11. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch g e k e nn z e i c hn e t ,
dass die Erwärmung auf mindestens 500 °C bis zu 680 °C erfolgt.
12. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch g e k e nn z e i c hn e t ,
dass durch die Erwärmung in einem Schritt eine Härtung und eine Pyrolyse des gewickelten und imprägnierten Faserwerkstoffs erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12,
dadurch g e k e nn z e i c hn e t ,
dass vor der Erwärmung durch eine erste Erwärmung in einem ersten Schritt eine Härtung und durch die Erwärmung in einem zweiten Schritt eine Pyrolyse des gewickelten und imprägnierten Faserwerkstoffs erfolgt.
14. Verfahren nach Anspruch 13,
dadurch g e k e nn z e i c hn e t ,
dass die erste Erwärmung bis zu 220 °C erfolgt.
15. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch g e k e nn z e i c hn e t ,
dass eine Aufheizgeschwindigkeit bis zu 1 K/min beträgt.
16. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch g e k e nn z e i c hn e t ,
dass zur Erwärmung ein Widerstandsdraht, eine Heizmatte und/oder ein Heizband verwendet wird.
17. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch g e k e nn z e i c hn e t ,
dass zumindest ein Dehnungsmessstreifen mit dem Faserwerkstoff umwickelt wird.
18. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch g e k e nn z e i c hn e t ,
dass zumindest ein Temperatursensor mit dem Faserwerkstoff umwi- ekelt wird.
19. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch g e k e nn z e i c hn e t ,
dass eine Nachimprägnierung des Faserverbundwerkstoffs mit Harz erfolgt.
20. Verfahren nach Anspruch 19,
dadurch g e k e nn z e i c hn e t ,
dass die Nachimprägnierung mittels Vakuuminfusion erfolgt.
21. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch g e k e nn z e i c hn e t ,
dass der Grundkörper eine Rohrleitung ist.
22. Verbundkörper, hergestellt mit einem Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche.
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