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.