Verfahren zur Herstellung eines Druckgasbehälters aus austenitischen Stählen durch Kryoverformung

Abstract

 Die Herstellung hochfester Druckgasbehälter (1) aus austenitischen Stählen durch Kryoverformung erfolgt bevorzugt mit flüssigem Stickstoff als Kühlmittel und als Druckmittel. Neben manchen Vorteilen hat diese Methode auch einige Nachteile, u.a. sicherheitstechnischer Art. Die Verwendung eines vom Kühlmittel unterschiedlichen Druckmittels ist jedoch wegen der Gefahr des Auskonden­sierens von Bestandteilen oder des Einfrierens mit uner­wünschter Erwärmung des Druckgasbehälters ebenfalls sehr nachteilig. Zwecks Vermeidung dieser Nachteile wird als vom Kühlmittel unterschiedliches Druckmittel Trichlorfluor­methan (CFCl₃) verwendet.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Druckgasbehälters aus austenitischen Stählen durch Kryover­formung nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

[0002] Die Festigkeitseigenschaften metastabiler austenitischer Stähle können durch Kryoverformung verbessert werden, in­dem sie unterhalb ihrer jeweiligen Martensitumwandlungs­temperatur Md oder Ms verformt werden. Md ist dabei die Temperatur, oberhalb der auch bei Verformung keine mar­tensitische Umwandlung stattfindet, Ms ist dagegen die Temperatur, unterhalb der auch ohne Verformung die Mar­tensitbildung einsetzt. Ein derartiges Verfahren zur Ver­besserung der Festigkeitseigenschaften austenitischer Stähle ist aus der DE-PS 26 54 702 bekannt.

[0003] Da insbesondere die Ms-Temperaturen sehr niedrig liegen, verwendet man als Kühlmittel bevorzugt flüssigen Stick­stoff, mit dem die Stähle, falls gewüschnt, bis auf -196°C abgekühlt werden können.

[0004] Aus der DE-OS 1 452 533 ist ferner die Anwendung dieses Verfahrens zur Herstellung hochfester Druckbehälter be­kannt. Bevorzugt wird hierbei die gleichzeitige Verwen­dung von flüssigem Stickstoff als Kühlmittel und Druck­mittel. In diesem Fall wird der zu verformende Behälter mit flüssigem Stickstoff gefüllt und mit Hilfe einer entsprechenden Kryopumpe oder durch Aufdrücken eines Gases auf den für die Verformung erforderlichen hohen Druck gebracht. Die Verwendung eines vom Kühlmittel unterschiedlichen Druckmittels wird ebenfalls genannt, erscheint jedoch zu aufwendig, beispielsweise in Form von Explosionsverformung, oder es sind unerwünschte Kondensationen aus dem Druckmittel zu erwarten, ggf. Ein­frieren des Druckmittels mit übermäßigem Kälteentzug aus der Behälterwand.

[0005] In der Praxis hat sich jedoch bei der gleichzeitigen Verwendung von flüssigem Stickstoff als Kühl- und Druck­mittel eine Reihe von Nachteilen und Schwierigkeiten herausgestellt.

[0006] Wenn die Druckübertragung auf die Behälterwand über den flüssigen Stickstoff als Medium erfolgt, erfordert dies die Verwendung aufwendiger, wärmeisolierter Einrichtungen wie Kryopumpen, isolierten Rohrleitungen und Kryobehältern. Bewußt erzeugte oder unvermeidlich entstehende Gaspolster im Behälter oder seinen Zuleitungen erhöhen das Sicher­heitsrisiko bei einem eventuellen Versagen des Behälters während des Kryostreckprozesses. Dazu kommt, daß auch der flüssige Stickstoff bei den relativ hohen erforderlichen Streckdrücken (einige 100 bar) selbst eine merkliche Kompressibilität besitzt, was die bei einem Versagen freigesetzte Energie deutlich erhöht. Deswegen sind für das Kryostrecken aufwendige und die technische Anwendung des Verfahrens behindernde Sicherheitseinrichtungen er­forderlich.

[0007] Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, das Ver­fahren zur Herstellung von Druckgasbehältern aus auste­nitischen Stählen durch Kryoverformung so zu verbessern, daß es weder die bei gleichzeitiger Verwendung des Kühl­mittels als Druckmittel genannten Nachteile aufweist, noch die bei Verwendung eines eigenen Druckmittels be­schriebenen Schwierigkeiten auftreten.

[0008] Ausgehend von dem im Oberbegriff des Anspruches 1 be­rücksichtigten Stand der Technik ist diese Aufgabe er­findungsgemäß gelöst mit den im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 angegebenen Merkmalen.

[0009] Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung ist im Unteranspruch angegeben.

[0010] Das gemäß der Erfindung verwendete Trichlorfluormethan CFCl₃, welches als Kältemittel unter der Bezeichnung R11 bekannt ist, besitzt Eigenschaften, die seinen Ein­satz als separates, vom Kühlmittel unabhängiges Druck­mittel ermöglichen, obwohl dies aufgrund des Temperatur­bereiches, in dem es als Flüssigkeit vorliegt, eigentlich nicht zu erwarten ist.

[0011] Trichlorfluormethan erstarrt bei einer Temperatur, die wegen der zweckmäßigen Verwendung von flüssigem Stick­stoff als Kühlmittel deutlich über der Temperatur liegt, bei der das Kryostrecken durchgeführt wird.

[0012] Bei Raumtemperatur ist es flüssig, so daß es mit einer normalen hydraulischen Pumpe in den zu verformenden Behälter gepreßt werden kann. Daß es diesen Aggregat­zustand während des Kryostreckvorganges beibehalten kann, obwohl der zu verformende Behälter von außen mit flüssigem Stickstoff gekühlt wird, verdankt es seiner, im Vergleich zum Stahl, geringen Wärmeleitfähigkeit und großen spezifischen Wärme. _{λ Stahl} (-196 °C) ∼ 6 [W/mK];λ _{CFCL₃(-120 °C)}<O.2 [W/mK]
cp _Stahl (-196 °C)=0.15 [J/gk];cp _{CFCl₃(-120 °C})=0.79[J/gK]

[0013] Durch diese Eigenschaften wird ein schneller Temperatur­ausgleich zwischen der von außen gekühlten Behälterwand und dem Druckmedium im Behälter verhindert.

[0014] Neben Trichlorfluormethan sind prinzipiell auch noch andere Fluorchlorkohlenwasserstoffe wie Dichlorfluor­methan (CCl₂F₂, R12) und Chlortrifluormethan (CClF₃, R 13) als Druckmedium zum Kryotrecken von Behältern geeignet. Allerdings haben diese den Nachteil, daß sie bei Raumtemperatur und normalem Umgebungsdruck nicht mehr als Flüssigkeit vorliegen, sondern unter erhöhtem Druck gehalten werden müssen.

[0015] Die Zeichnung veranschaulicht als Ausführungsbeispiel eine Einrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens in schematischer Form.

[0016] Der zu verformende Druckgasbehälter 1 befindet sich in einer isolierten Kühlkammer 2, in welcher er auf die für die Martensitbildung erforderliche Temperatur abgekühlt wird. Als Kühlmittel dient flüssiger Stickstoff, der durch die Leitung 3 und Düsen 4 in die Kühlkammer 2 eingesprüht wird, wo er verdampft. Die erreichte Tempe­ratur wird durch das Thermometer 5 angezeigt. Erfindungs­gemäß wird der erforderliche Verformungsdruck mit CFCl₃ als Druckmittel aufgebracht, welches einem Reservoir 6 entnommen und mittels der Pumpe 7 über die Leitung 8 in das Innere des Behälters 1 gedrückt wird. Der Druck wird durch das Manometer 9 angezeigt.

[0017] Der gefüllte Druckgasbehälter 1 ist mit einem lösbaren, druckdichten Verschluß 10 verschlossen und über eine bis in die Behältermitte ragendes Füllrohr 11 mit der Pumpe 7 und der Leitung 8 verbunden. Am Eintritt in den Druckgasbehälter 1 besitzt das Füllrohr 11 eine ther­mische Isolierung 12, die ein Einfrieren des Druckmittels verhindert. Die für die Durchführung des erfindungsge­mäßen Verfahrens erforderlichen Sicherheitsvorkehrungen gehen über das bei routinemäßig durchgeführten Wasser­druckprüfungen von Behältern übliche Maß nicht hinaus.

[0018] Da CFCl₃ eine deutlich geringere Wärmeleitfähigkeit als der Behälterstahl besitzt, kann während des Verformungs­prozesses nur eine mit der Behälterinnenoberfläche un­mittelbar in Berührung kommende Randschicht erstarren. Es ist daher auch möglich, die Kühlkammer 2 durch ein mit flüssigem Stickstoff gefülltes Dewargefäß zu er­setzen, in welches der Behälter 1 eintaucht. Das erfin­dungsgemäße Verfahren kann selbst unter diesen extremen Bedingungen durchgeführt werden, sofern man darauf achtet, daß der Behälter 1 nicht länger als während der für die Verformung erforderlichen Zeit in den flüssigen Stick­stoff eintaucht.

Ansprüche

1. Verfahren zur Herstellung eines Druckgasbehälters (1) aus austenitischen Stählen durch Kryoverformung, bei dem der Druckgasbehälter durch ein tiefkaltes Kühl­mittel unter die jeweilige Martensitumwandlungstempe­ratur (Md; Ms) abgekühlt und durch Einleiten eines Druckmittels in das Behälterinnere zur gewünschten Größe aufgeweitet wird,
dadurch gekennzeichnet,
daß als Druckmittel Trichlorfluormethan (CFCl₃) ver­wendet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Abkühlung durch Stickstoff erfolgt.

Zeichnung