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.