Kugelautofrettage

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erhöhung der dynamischen Druckbeständigkeit bzw. Biegewechselfestigkeit eines metallischen Bauteils mit rohrförmigem Innenraum, insbesondere von metallischen Rohrkomponenten, Fittingen und sonstigen druckführenden Bautei- len. Die Erfindung betrifft weiterhin nach diesem Verfahren hergestellte Bauteile.

Hintergrund der Erfindung

Druckführende Rohrleitungen und andere Bauteile werden in vielen technischen Berei- chen eingesetzt, wie beispielsweise in der Hochdrucktechnik und in der chemischen Industrie. Man unterscheidet zwischen statischer (gleichbleibender) und dynamischer (wechselnder oder pulsierender) Druckbelastung. In vielen Anwendungen werden druckführende Bauteile häufig einer wechselnden oder pulsierenden Druckbelastung ausgesetzt, die je nach Belastungsniveau zu einem mehr oder weniger schnellen Versagen des Bauteils führt. Einflußgrößen der Belastung sind z.B. das Druckkollektiv, die Frequenz der Druckwechsel und das Druckdelta (Differenz zwischen Maximaldruck und Minimaldruck). Die dynamische Druckbeständigkeit bzw. Lebensdauer von einzelnen Komponenten liegt dabei weit unterhalb derjenigen, die ein solches Rohr oder Bauteil bei einer statischen Druckbelastung erreichen würde.

Die statische Druckbeständigkeit von Bauteilen hängt unter anderem von den mechanischen Eigenschaften des Werkstoffs ab, wie der Dehngrenze (Rpo, ₂ ) und der Zugfestigkeit (R _m ). Die dynamische Druckbeständigkeit wird von weiteren Parametern bestimmt, wie zum Beispiel der Duktilität (Bruchdehnung A) des Werkstoffs, der Tiefe von vorhandenen Anrissen in der Rohrwand, dem Reinheitsgrad und dem Mikrogefüge.

Das Versagen von Rohren und anderen Bauteilen aufgrund dynamischer Belastung erfolgt durch ein kritisches Rißwachstum, zum Beispiel von der Rohrinnenoberfläche zur Rohraußenoberfläche. Dabei können Risse durch lokale Spannungskonzentrationen z.B. an intermetallischen Einschlüssen entstehen, oder bereits vorhandene Anrisse setzen sich weiter fort. Die Lebensdauer eines Rohrs oder eines anderen Bauteils unter dynamischer Druckbelastung hängt somit unter anderem von der Größe des Rißwachstums pro Druckstoß und der Materialstärke ab.

Um die dynamische Lebensdauer von Komponenten in einem bestimmten Belastungskollektiv zu erhöhen, optimiert man die vorgenannten Einflußgrößen bei der Herstellung des Werkstoffs und/oder nutzt Verfahren, um bestimmte Materialeigenschaften nachträglich zu ver- bessern, wie beispielsweise die Autofrettage.

Autofrettage bezeichnet ein Verfahren zur Steigerung der Dauerfestigkeit von Bauteilen der Hochdrucktechnik. Dabei werden Rohre und sonstige Bauteile einmalig und nur für wenige Sekunden bis auf ca. 80 % ihres rechnerischen Berstdrucks belastet, d.h. auch weit oberhalb des rechnerischen statischen Betriebsdrucks. Bei dieser Belastung kommt es oberhalb der Dehngrenze oder Streckgrenze des Werkstoffs zu einem mikroplastischen Fließen in dem Werkstoff, und in dem Material des Werkstoffs werden Druckeigenspannungen erzeugt. Bei Entlastung des Bauteils verbleiben diese Eigenspannungen in dem Werkstoff und verhindern bzw. vermindern das Wachstum von Mikroanrissen. Da die Autofrettage die mechanischen Ei- genschaften des autofrettierten Werkstoffs nur unerheblich beeinflußt, hat sie damit kaum einen Einfluß auf die statische Druckbeständigkeit des Rohres oder Bauteils, sondern vielmehr auf die dynamische Druckbeständigkeit.

Ein Nachteil der Autofrettage ist, daß dieses Verfahren bezüglich der benötigten Drücke und der statischen Druckbelastbarkeit der zu autofrettierenden Bauteile limitiert ist. In einigen Fällen bzw. für bestimmte Materialien müßten zum Erreichen zufriedenstellender Ergebnisse in den Bauteilen rechnerisch Drücke über 15.000 bar, beispielsweise Drücke von 18.000 bis 22.000 bar, erzeugt werden, was anlagentechnisch nur extrem aufwendig bzw. derzeit technisch noch gar nicht umzusetzen ist. Des weiteren ist die Höhe der lokal erzeugbaren Druckei- genspannungen begrenzt, weil der Autofrettagedruck nicht beliebig erhöht werden kann, da ansonsten das Bauteil bersten würde. Das Verfahren der Autofrettage ist somit technisch limitiert, kann für viele Materialien die rechnerisch erforderlichen Drücke überhaupt nicht bereitstellen und ist zudem sehr kostenintensiv und aufwendig.

Aufgabe der Erfindung

Es besteht daher ein Bedarf nach einem Verfahren zur Erhöhung der dynamischen Druckbeständigkeit bzw. Verbesserung der Lebensdauer von Bauteilen für Hochdruckanwendungen, bei dem die bekannten Nachteile und Beschränkungen der Autofrettage nach dem Stand der Technik überwunden werden.

Beschreibung der Erfindung

Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zur Erhöhung der dynamischen Druckbeständigkeit eines metallischen Bauteils mit rohrförmigem Innenraum, bei dem man eine Hart- metallkugel unter Hochdruck durch das Innere des rohrförmigen Innenraums drückt, wobei die Hartmetallkugel einen Durchmesser aufweist, der größer ist als der Innendurchmesser des rohrförmigen Innenraums vor dem Hindurchdrücken der Hartmetallkugel.

Das erfindungsgemäße Verfahren hat gegenüber der für diesen Zweck eingesetzten Au- tofrettage eine Reihe von Vorteilen:

a) Die benötigten Drücke zum Bewegen der Hartmetallkugel durch das Innere des rohrförmigen Innenraums liegen weit unter den Drücken, die bei dem Verfahren der Autofrettage aufzubringen sind. Dies hat anlagentechnische Vorteile, spart erhebliche Kosten für Vorrichtun- gen zur Erzeugung extrem hoher Drücke ein, und die Drücke brauchen nicht bis nahe an die Belastungsgrenze des Metalls heranzugehen, wie dies bei der Autofrettage der Fall ist.

b) Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden vorhandene Oberflächenanrisse an der Innenwand des rohrförmigen Innenraums teilweise oder vollständig entfernt, wodurch die Gefahr der Rißbildung und Rißfortsetzung im Hochdruckbetrieb erheblich verringert wird.

c) Die in dem Material durch das erfindungsgemäße Verfahren erzeugten Druckeigenspannungen haben den gleichen oder besseren positiven Effekt, als das Verfahren der Autofrettage.

d) Durch das erfindungsgemäße Verfahren werden darüber hinaus Schwankungen des Innendurchmessers des rohrförmigen Innenraums des Bauteils, die bei der Herstellung entstehen können, korrigiert.

e) Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird weiterhin die Innenwand des rohrförmigen Innenraums geglättet, so daß die Oberflächenrauhigkeit der Innenwand erheblich abnimmt, was in vielen Anwendungen für die Strömungseigenschaften innerhalb des Bauteils vorteilhaft ist.

f) Die durch das erfindungsgemäße Verfahren bearbeiteten Bauteile weisen eine deutlich höhere dynamische Druckbeständigkeit im Vergleich zu autofrettierten Bauteilen auf.

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Metallischen Bauteile mit rohrförmigem Innenraum im Sinne der Erfindung umfassen sämtliche Bauteile eines druckführenden Systems, soweit sie rohrförmige Innenräume aufweisen. Dies sind bevorzugt Rohre, für die Leitung von Flüssigkeiten oder Gasen, aber auch Fittin- ge, Anschlußstücke, T-Stücke, Rohrkreuzungen, Ventile, Ventilsitze und andere Bauteile.

In der Hochdrucktechnik werden unterschiedliche metallische Werkstoffe für die Herstellung von Rohren und anderen Bauteilen verwendet. Dabei handelt es sich hauptsächlich um unlegierte, niedriglegierte und hochlegierte Stähle. Besonders hohe dynamische Druckbestän- digkeit wird bei Rohren oder anderen Bauteilen aus hochlegiertem Stahl erreicht, der kaltverfestigt oder vergütet und anschließend nach dem erfindungsgemäßen Verfahren behandelt wurden, wie die nachfolgend beschriebenen Beispiele zeigen.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung liegt der Druck, mit dem die Hart- metallkugel durch den rohrförmigen Innenraum des Bauteils gedrückt wird, im Bereich von 2000 bis 7000 bar, vorzugsweise im Bereich von 3000 bis 6000 bar und besonders bevorzugt im Bereich von 3500 bis 5500 bar. Die Anwendung eines Drucks von weniger als 2000 bar hat zur Folge, daß sich die Kugel ungleichmäßig durch den rohrförmigen Innenraum des Bauteils bewegt oder darin stecken bleibt.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird der Druck, mit dem die Hartmetallkugel durch den rohrförmigen Innenraum des Bauteils gedrückt wird, mittels einer unter Druck stehenden Flüssigkeit, vorzugsweise mittels eines unter Druck stehenden öls erzeugt. Es wird unterschieden zwischen einem "Anschubdruck", der erforderlich ist, um Rei- bungs- und andere Widerstände zu überwinden und die Hartmetallkugel aus der Ruheposition im rohrförmigen Innenraum des Bauteils in Bewegung zu versetzen, und einem "Bewegungsdruck", der erforderlich ist, um die Hartmetallkugel nach dem Anschub im rohrförmigen Innenraum des Bauteils in Bewegung zu halten. Der Anschubdruck ist stets erheblich höher als der Bewegungsdruck. Beide Drücke hängen von verschiedenen Parametern ab, insbesondere der mechanischen Festigkeit des Werkstoffs und dem Unterschied zwischen dem Außendurchmesser der Hartmetallkugel und dem Innendurchmesser des rohrförmigen Innenraums des Bauteils.

Trotz der erheblichen Kraft, die erforderlich ist, um die Hartmetallkugel mit größerem

Durchmesser als dem Innendurchmesser des rohrförmigen Innenraums des Bauteils durch das Bauteil zu pressen, ist der in dem erfindungsgemäßen Verfahren erforderliche Druck erheblich

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niedriger als bei der bekannten Autofrettage, um gleiche oder bessere Ergebnisse hinsichtlich der dynamischen Druckbeständigkeit zu erzielen.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Durchmesser der Hartmetallkugel um 1 bis 5 %, vorzugsweise um 1 ,5 bis 4 %, besonders bevorzugt um 2 bis 3 % größer als der Innendurchmesser des rohrförmigen Innenraums des Bauteils vor dem Hindurchdrücken der Hartmetallkugel. Ein zu großer Durchmesser der Kugel hat zur Folge, daß sich die Kugel nicht bewegt bzw. im rohrförmigen Innenraum des Bauteils stecken bleibt. Bei einem zu kleinen Durchmesser werden zu geringe Druckeigenspannungen in das Material ein- gebracht.

In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden mehrfach nacheinander, vorzugsweise zwei bis vier mal nacheinander, besonders bevorzugt zwei mal nacheinander Hartmetallkugeln unter Hochdruck durch den rohrförmigen Innenraum des Bauteils gedrückt, wobei die Hartmetallkugeln in der Reihenfolge, in der sie nacheinander unter Hochdruck durch den rohrförmigen Innenraum des Bauteils gedrückt werden, zunehmende Durchmesser aufweisen.

Auf diese Weise kann die Innenoberfläche des Bauteils in mehreren Stufen bearbeitet werden. Nach dem Hindurchdrücken einer ersten Hartmetallkugel durch das Innere des Bauteils erweitert sich der Innendurchmesser des rohrförmigen Innenraums des Bauteils, wobei die Innenoberfläche bereits die beschriebene Verbesserung der Materialeigenschaften erfährt. Anschließend wird eine weitere Hartmetallkugel mit einem größeren Durchmesser durch das Innere des Bauteils gedrückt, um eine weitere Verbesserung der Materialeigenschaften, der Innen- Oberfläche des Bauteils und der aus dem Verfahren resultierenden dynamischen Druckbeständigkeit zu erreichen. Auf diese Weise können zwei, drei, vier oder mehr Hartmetallkugeln mit zunehmendem Durchmesser nacheinander durch das Innere des rohrförmigen Innenraums des Bauteils gedrückt werden, um die gewünschten Eigenschaften zunehmend zu verbessern. Es hat sich als besonders vorteilhaft und für das Erreichen hervorragender Ergebnisse ausrei- chend erwiesen, wenn der Vorgang genau zwei mal wiederholt wird, d. h. genau zwei Hartmetallkugeln mit zunehmendem Außendurchmesser nacheinander durch ein Bauteil gedrückt werden. Die Anzahl der Wiederholungen und die Auswahl der jeweiligen Durchmesser sowie der anzuwendenden Drücke der Hartmetallkugeln werden jedoch vom Material und den jeweiligen Abmessungen des rohrförmigen Innenraums des Bauteils abhängen. Die geeigneten Parameter zur Herstellung von Bauteilen für bestimmte dynamische Druckbelastungen lassen sich durch wenige Experimente und durch Erstellung von Wöhler-Kurven bestimmen. Wöhler-Kurven sind

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dem Fachmann auf dem Gebiet bekannt und dienen ihm zur Auswahl der geeigneten Bauteile, Materialien und Bearbeitungsparameter für vorgegebene Anwendungen.

Der Begriff "Hartmetallkugel" im Sinne der vorliegenden Erfindung bezeichnet eine Kugel aus einem Material, das härter ist als das Material des zu bearbeitenden Bauteils, so daß sich beim Hindurchdrücken der Hartmetallkugel durch das Innere des rohrförmigen Innenraums des Bauteils nicht die Hartmetallkugel verformt, sondern das Material des Bauteils. Der Begriff "Hartmetall" ist in diesem Zusammenhang nicht auf Sintercarbide im klassischen Sinne beschränkt, sondern umfaßt alle Materialien, die härter sind als das Material des zu bearbeitenden Bauteils. Besonders bevorzugt besteht die Hartmetallkugel jedoch aus WC-Sintercarbid oder SiC-Sintercarbid. Geeignet sind jedoch auch Hartmetallkugeln aus Kaltarbeitsstählen, wie z.B. solchen der Werkstoffnummern 1.2002, 1.2067 oder 1.4021 gemäß DIN EN 10027-1 +2 bzw. DIN 17007.

Beispiele

Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wurden Rohre aus zwei verschiedenen hochlegierten Stählen mit austenitischer Gefügestruktur getestet:

(1 ) Sandvik TP316L

(= Werkstoff-Nr. 1.4404 = X2CrNiMo17-12-3; Sandvik P&P, Werther, Deutschland)

(2) Sandvik HP160

(keine Werkstoff-Nr. vergeben; Sandvik P&P, Werther, Deutschland)

Die Proben aus den beiden Werkstoffen hatten jeweils eine Länge von ca. 220 mm, einen Innendurchmesser von 4,7 mm und einen Außendurchmesser von 14,3 mm. Die Proben lagen jeweils im kaltverfestigten Zustand vor. Die Richtanalysen der Werkstoffe sind in Tabelle 1 angegeben.

Tabelle 1 : Richtanalysen der Werkstoffe TP316L und HP160:

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TP316L 0 ,03 1 ,00 2 ,00 0 ,04 0 ,015 16,50 2,00 10,00 — <0 ,1 1 — Rest bis bis bis

18,50 2,50 14,00

Die Rohre wurden nach der Warmfertigung (Erschmelzung, Billetherstellung, Strangpressen) einer Behandlung durch Kaltpilgern mit einer Querschnittsreduktion von 60-90 %, Lösungsglühen bei 1 120 ⁰ C und Kaltziehen mit einer Querschnittsreduktion von 10-20 % (HP160) bzw. 30-40% (TP316L) unterzogen. Die mechanischen Richtwerte der so kaltverfestigten Proben sind in Tabelle 2 angegeben.

Tabelle 2: Mechanische Richtwerte für TP316L und HP160:

Die Proben wurden anschließend jeweils einer der nachfolgend angegebenen Nachbehandlungen 1 bis 4 unterzogen und hinsichtlich ihrer dynamischen Druckbeständigkeit getestet.

Nachbehandlungen der kaltverfestigten Proben:

keine Nachbehandlung

Autof rettage:

Autofrettagedruck: HP160: 12.000 bar

TP316L: 6.000 bar

Haltezeit: 5 min

Medium: Hydrauliköl

erfindungsgemäße Kugelautofrettage (1 Durchlauf)

Kugelmaterial: Wolframcarbid

Kugeldurchmesser 4,76 mm

Medium: Hydrauliköl

Druck: HP160: 5.000 / 3.200 bar

TP316L: 5.000 / 3.200 bar

(Anschubdruck / Bewegungsdruck)

4 erfindungsgemäße Kugelautofrettage (2 Durchläufe)

Kugelmaterial: Wolframcarbid

Medium: Hydrauliköl 1. Durchlauf wie (c)

2. Durchlauf: Kugeldurchmesser 4,79 mm

Druck: HP160: 7.000 / 5.000 bar

TP316L: 5.000 / 4.000 bar (Anschubdruck / Bewegungsdruck)

In dem Test auf dynamische Druckbeständigkeit wurden die Probenrohre Lastwechseln unter öldruck zwischen einem Maximaldruck (Pmax) und einem Minimaldruck (Pmin) mit einer Lastwechselfrequenz von 6 Hz unterzogen. Pmin betrug jeweils 200 bar. Pmax wurde für verschiedene Proben auf 3.000 bar, 3.500 bar oder 4.000 bar eingestellt.

Die Ergebnisse des Tests auf dynamische Druckbeständigkeit sind in Figur 1 für den Werkstoff HP160 und in Figur 2 für den Werkstoff TP316L gezeigt. Auf der Ordinate ist jeweils der Maximaldruck aufgetragen, dem eine Probe unterzogen wurde. Auf der Abszisse sind jeweils die Lastwechsel bis zum Bruch bzw. Bersten einer Probe aufgetragen. Eine Probe wurde als "dauerfest" eingestuft, wenn sie 2 Mio. Lastwechsel zwischen Pmin und Pmax unbeschadet überstand. Der Test wurde für diese Probe dann nach 2 Mio. Lastwechseln abgebrochen.

Die lediglich kaltverfestigten Proben (ohne Nachbehandlung 1 ) HP160 und TP316L versagten bei Pmax von 3.000, 3.500 und 4.000 bar bereits nach wenigen tausend Lastwechseln.

Durch die herkömmliche Autofrettage (Nachbehandlung 2) konnte die dynamische Druckbeständigkeit der Probe des Werkstoffs TP316L bei einem Pmax von 3.500 bar nicht wesentlich gesteigert werden. Lediglich bei einem Pmax von nur 3.000 bar erreichte dieser herkömmlich autofrettierte Werkstoff eine Lebensdauer in der Größenordnung von etwa 700.000 Lastwechseln. Bei gleicher Nachbehandlung erreichte der Werkstoff HP160 bei einem Pmax von 4.000 bar eine Lebensdauer von etwa 750.000 Lastwechseln und war erst bei einem Pmax von 3.500 bar dauerfest mit einer Lebensdauer von über 2 Mio. Lastwechseln.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren konnte die dynamische Druckbeständigkeit der Proben beider Werkstoffe erheblich gesteigert werden. Mit bereits nur einem Durchlauf der erfindungsgemäßen Kugelautofrettage (Nachbehandlung 3) erreichte die Probe des Werkstoffs

TP316L bei einem Pmax von 3.500 bar eine Lebensdauer in der Größenordnung von etwa 1 ,9 Mio. Lastwechseln und war bei einem Pmax von 3.000 bar dauerfest mit über 2 Mio. Lastwechseln (Nachbehandlung 3 für Werkstoff HP160 nicht getestet). Bei Anwendung von 2 Durchläufen der erfindungsgemäßen Kugelautofrettage (Nachbehandlung 4) waren die Proben beider Werkstoffe bereits bei einem Pmax von 4.000 bar dauerfest.

Die Ergebnisse zeigen, daß durch das erfindungsgemäße Verfahren nochmals eine deutliche Erhöhung der dynamischen Druckbeständigkeit gegenüber der herkömmlichen Au- tofrettage erreicht wird.