[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Gehäuses mit angeschweißten
Stutzen, insbesondere eines Verdichtergehäuses, aus austenitischem Stahl.
[0002] Unter der Sammelbezeichnung "Strömungsmaschinen" werden Wasserturbinen, Dampf- und
Gasturbinen, Windräder, Kreiselpumpen und Kreiselverdichter sowie Propeller zusammengefasst.
Allen diesen Maschinen ist gemeinsam, dass sie dem Zweck dienen einem Fluid Energie
zu entziehen, um damit eine andere Maschine anzutreiben oder umgekehrt, einem Fluid
Energie zuzuführen, um dessen Druck zu erhöhen.
[0003] Die Gehäuse von Verdichtern müssen so ausgelegt werden, dass sie einem hohen Innendruck
standhalten. Unter Verdichter wird hierbei eine Arbeitsmaschine zum Verdichten von
Gasen, Dämpfen oder Ähnlichem verstanden. Verdichter werden zum Teil bei sehr niedrigen
Betriebstemperaturen eingesetzt. Es kann dabei vorkommen, dass die Betriebstemperaturen
bei weniger als minus 120°C liegen. Bei diesen tiefen Betriebstemperaturen werden
als Material für die Gehäuse der Verdichter kaltzähe Stähle mit einer austenitischen
Kristallstruktur eingesetzt. Allerdings besitzen solche kaltzähe Stähle mit austenitischer
Kristallstruktur lediglich eine geringe Festigkeit. Unter Zähigkeit wird bei festen
Körpern die Eigenschaft verstanden, sich unter mechanischer Beanspruchung makroskopisch
messbar plastisch verformen zu können. Zähigkeit kann auch als die Stärke des Widerstands,
den ein Körper einer plastischen Formänderung entgegensetzt, d. h. für die Größe der
mechanischen Spannung und/oder Energie, die für eine Verformung aufgebracht werden
müssen, verstanden werden. Das Gegenteil von Zähigkeit kann als Sprödigkeit bezeichnet
werden. Unter der Festigkeit wird die Widerstandsfähigkeit eines Bauteils oder Materials
gegenüber einer Formänderung oder bruchführenden Beanspruchung verstanden, wobei entsprechend
zwischen Druck-, Zug-, Biege-, Scher- oder Schub- und Torsions- oder Verdrehfestigkeit
unterschieden wird.
[0005] Damit ein sicherer Betrieb eines Verdichters bei tiefen Betriebstemperaturen gewährleistet
ist, werden die Gehäuse der Verdichter für Tieftemperaturanwendungen mit großen Wandstärken
ausgebildet, um bei niedriger Festigkeit des Werkstoffs dem Innendruck standhalten
zu können. Da die austenitischen Stähle außerdem eine geringe Wärmeleitfähigkeit und
einen hohen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweisen, besteht die Gefahr von
großen Temperaturtransienten innerhalb des Gehäuses und damit die Gefahr thermischer
Spannungen bis hin zu bleibenden plastischen Verformungen.
[0006] An dieser Stelle setzt die Erfindung ein, deren Aufgabe es ist, ein Verfahren zur
Erhöhung der Festigkeit von Gehäusen anzugeben, für welche Stähle verwendet werden
können, die bei tiefen Temperaturen eingesetzbar sind.
[0007] Diese Aufgabe wird gelöst durch ein verfahren nach Anspruch 1. Die rückbezogenen
Unteransprüche beinhalten vorteilhafte Weiterbildungen.
[0008] Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, dass die Festigkeit austenitischer Stähle
sich erheblich steigern lässt, indem sie vor einer Spannungsarmglühung plastisch verformt
werden, ohne dass die Tieftemperaturzähigkeit dabei wesentlich abnimmt.
[0009] Versuche haben gezeigt, dass hierbei durch eine plastische Vorverformung die Festigkeit
auf das Dreifache erhöht werden kann.
[0010] In einer vorteilhaften Weiterbildung wird in Schritt 1) die plastische Verformung
durch mechanisches Dehnen erwirkt.
[0011] Dadurch ist ein sehr einfacher Verfahrensschritt angegeben, um eine plastische Verformung
zu realisieren. Andere Verfahrensschritte zur plastischen Verformung sind denkbar,
z. B. hydraulisches oder pneumatisches Dehnen unter Innendruck oder auch Kaltwalzen.
[0012] Gemäß der Erfindung wird der austenitische Stahl als Zylinder-Gehäuse oder als Ring
vor und der Schritt 1) erfolgt dadurch, dass mit einer Verformungseinrichtung das
Zylinder-Gehäuse oder der Durchmesser des Zylinder-Gehäuses oder des Ringes geweitet
und die Dicke des Zylinder-Gehäuses oder des Ringes verringert wird.
[0013] Die Erfindung geht hierbei von dem Aspekt aus, dass, wenn der austenitische Stahl
als Zylinder-Gehäuse oder als Ring vorliegt, es eine sehr kostengünstige Möglichkeit
gibt, den Ring insgesamt plastisch zu verformen. Dabei wird eine Verformungseinrichtung
an das Zylinder-Gehäuse oder den Ring derart angebracht, dass durch eine gleichmäßige
Kraftübertragung diese gleichmäßig gedehnt werden.
[0014] In einer vorteilhaften Weiterbildung umfasst die Verformungseinrichtung einen konischen
Zylinder.
[0015] Dadurch wird eine besonders einfache Möglichkeit angeboten, die Verformungseinrichtung
derart zu gestalten, dass durch eine lineare Bewegung des konischen Zylinders eine
Kraft auf die Innenseite des Zylinder-Gehäuses oder des Ringes ausgeübt wird, wodurch
diese insgesamt geweitet werden. Andere Verformungseinrichtungen sind möglich. Die
Verformungseinrichtung kann auch hydraulische Mittel umfassen.
[0016] Gemäß der Erfindung wird ein Stutzen an einer äußeren Wand des Zylinder-Gehäuses
oder des Ringes angeordnet und in einem nächsten Schritt an das Zylinder-Gehäuse oder
den Ring angeschweißt, wobei in einem nächsten Schritt der Ring mit dem Stutzen lösungsgeglüht
und abgeschreckt wird und anschließend eine plastische Verformung erfolgt, wobei das
Zylinder-Gehäuse oder der Ring aufgeweitet werden, wobei in einem nächsten Schritt
der Ring mit dem Stutzen spannungsarm geglüht wird und anschließend Durchtritte durch
den Stutzen und den Ring gebohrt werden.
[0017] Die Erfindung geht hierbei von dem Aspekt aus, dass es vorteilhaft ist, wenn Stutzen
an dem Zylinder-Gehäuse oder dem Ring angebracht werden sollen, dass diese vor dem
Spannungsarmglühen angebracht werden.
[0018] Somit wird ein Verdichtergehäuse aus einem austenitischen Stahl hergestellt, wobei
das Verdichtergehäuse im wesentlichen ringförmig ausgebildet ist, wobei das Verdichtergehäuse
mit einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4 hergestellt wurde.
[0019] Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen
näher beschrieben. Dabei haben mit denselben Bezugszeichen versehene Komponenten die
gleiche Funktionsweise.
[0020] Dabei zeigen
- Figur 1
- eine schematische Darstellung der Herstellung eines Verdichtergehäuses mit Stutzen,
- Figur 2
- ein Diagramm zur Verdeutlichung eines Einflusses der Kaltverformung auf mechanische
Eigenschaften für den Werkstoff X5CrNiTi18-10,
- Figur 3
- ein Diagramm zur Verdeutlichung des Einflusses der Spannungsarmglühtemperatur auf
die mechanischen Eigenschaften auf den Werkstoff X5CrNiTi18-10.
[0021] In der Figur 1 werden 6 Teilschritte zur Herstellung des Verdichtergehäuses 1 dargestellt.
In der Figur 1 ist eine Schnittansicht des Gehäuses 1 zu sehen. Die Länge des Gehäuses
1 ist daher aus der Figur 1 nicht zu entnehmen.
In Figur 1 ist im Schritt 1) ein Verdichtergehäuse 1 als Ausführungsform eines Zylinder-Gehäuses
oder Ringes zumindest umfassend ein Gehäuse 2 und zwei Stutzen 4a und 4b dargestellt.
Das Gehäuse 2 besteht aus einem austenitischen Stahl und ist im wesentlichen ringförmig
ausgebildet. Das Gehäuse 2 ist ringförmig um eine Rotationsachse 3 ausgebildet.
In einem Schritt 1) werden zwei Stutzen 4a und 4b mit einer Bohrung 5a und 5b bereitgestellt.
[0022] In einem Schritt 2) werden die Stutzen 4a und 4b an eine äußere Wand 6 des Gehäuses
2 angeschweißt.
[0023] Im Schritt 3) wird das Gehäuse 2 mit den Stutzen 4a und 4b lösungsgeglüht und abgeschreckt.
Das Lösungsglühen erfolgt bei Temperaturen und über Zeitdauern hinweg, die von der
Wahl des Materials des Gehäuses abhängen. Das Abschrecken des Gehäuses und der Stutzen
erfolgt nach herkömmlichen Verfahren.
[0024] Im Schritt 4) wird das Gehäuse 2 über eine nicht näher dargestellte Verformungseinrichtung
plastisch verformt, wodurch sich die Dicke 7 des Gehäuses 2 verringert.
[0025] Die Verformungseinrichtung kann einen konischen Zylinder umfassen. In alternativen
Ausführungsformen kann die Verformungseinrichtung hydraulische Kraftantriebe umfassen.
Es sind aber ebenso andere Verformungseinrichtungen denkbar.
[0026] Im Schritt 5) werden das Gehäuse 2 und die Stutzen 4a und 4b spannungsarm geglüht.
Die Temperatur und die Dauer des Spannungsarmglühens erfolgt nach herkömmlichen Verfahrenswerten,
die von der Wahl des austenitischen Stahls abhängen.
[0027] Im Schritt 6) erfolgt ein Bohren von Durchtritten 8a und 8b durch das Gehäuse 2.
Anschließend erfolgt eine mechanische Bearbeitung.
[0028] In der Figur 2 ist der Einfluss der Kaltverformung auf mechanische Eigenschaften
des Werkstoffs X5CrNiTi18-10, 1.4541 dargestellt. Auf der linken Y-Achse 9 ist die
0,2%-Dehngrenze und auf der X-Achse 11 ist die Dehnung in Prozent aufgetragen. Auf
der rechten Y-Achse 10 ist die verbrauchte Schlagarbeit 18 im Kerbschlagbiegeversuch
nach Charpy bei minus 196°C aufgetragen. In der Kurve 12 ist ein deutliches Ansteigen
der 0,2%-Dehngrenze in Abhängigkeit der Dehnung zu sehen. Bei 5% Dehnung hat die 0,2%-Dehngrenze
einen Wert von 300 MPa. Bei einer Dehnung von annähernd 50% hat die 0,2%-Dehngrenze
einen dreifachen Wert, der bei ca. 900 MPa liegt. Die verbrauchte Schlagarbeit 18
hingegen sinkt bei 5% Dehnung von 100 Joule auf 60 Joule bei einer Dehnung von fast
50%.
[0029] Versuche haben gezeigt, dass die 0,2%-Dehngrenze des Standardstahls X6CrNiTi18-10
durch eine 25%ige Vorverformung von 200 MPa auf 600 MPa ansteigt.
[0030] In der Figur 3 ist der Einfluss der Temperatur beim Spannungsarmglühen auf mechanische
Eigenschaften des Werkstoffs X5CrNiTi18-10 bei einem Kaltverformungsgrad von 25% dargstellt.
[0031] In der Figur 3 ist auf der linken Y-Achse 9 die 0,2%-Dehngrenze und auf der rechten
Y-Achse 10 die verbrauchte Schlagarbeit aufgetragen. Auf der X-Achse 15 ist die Spannungsarmglühtemperatur
in Grad Celsius angegeben. Die Kurve 16 zeigt den Verlauf der verbrauchten Schlagarbeit
von 250°C bis 550°C. Die Kurve 17 zeigt den Verlauf der 0,2%-Dehngrenze von 250°C
bis 550°C. In diesem Diagramm ist zu sehen, dass die Eigenschaften des Stahles durch
ein Spannungsarmglühen kaum verändert werden.
[0032] Durch das in Figur 1 dargestellte Verfahren können Wanddicken für Verdichtergehäuse
1 verringert werden. Dadurch wäre deutlich weniger Material erforderlich. Ein weiterer
Vorteil wäre, dass Temperaturtransienten und Wärmespannungen sich verringern. Außerdem
wäre die Gefahr plastischer Verformungen durch Thermospannungen verringert.
1. Verfahren zur Herstellung Gehäuses mit angeschweißten Stutzen, insbesondere eines
Verdichtergehäuses, aus austenitischem Stahl,
gekennzeichnet durch folgende Schritte:
1) ein Stutzen (4a, 4b) wird an einer äußeren Wand (6) eines Gehäuses (2) angeordnet
und in einem
2) nächsten Schritt an das Gehäuse (2) angeschweißt wird,
3) wobei in einem nächsten Schritt das Gehäuse (2) mit dem Stutzen (4a, 4b) lösungsgeglüht
und abgeschreckt wird und anschließend
4) plastische Verformung des austenitischen Stahles erfolgt,
wobei das Gehäuse (2) aufgeweitet wird,
5) wobei in einem nächsten Schritt das Gehäuse (2) mit dem Stutzen (4a, 4b) spannungsarm
geglüht wird und
6) anschließend Durchtritte durch den Stutzen (4a, 4b) und das Gehäuse (2) gebohrt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
bei dem im Schritt 1) die plastische Verformung durch mechanisches Dehnen erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
bei dem der austenitische Stahl im Wesentlichen als ein Zylinder-Gehäuse (1) oder
Ring (1) vorliegt und der Schritt 1) dadurch erfolgt, dass mit einer Verformungseinrichtung der Durchmesser des Zylinder-Gehäuses
(1) oder des Ringes (1) geweitet und die Dicke des Zylinder-Gehäuses (1) oder des
Ringes (1) verringert wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3,
bei dem ein konischer Zylinder in der Verformungseinrichtung verwendet wird und das
Zylinder-Gehäuse (1) oder der Ring (1) dadurch geweitet werden, indem der konische Zylinder bewegt wird.
1. Method for producing a casing with a welded-on connection piece, in particular a compressor
casing, from austenitic steel,
characterized by the following steps:
1) a connection piece (4a, 4b) is arranged on an outer wall (6) of a casing (2), and,
in a
2) next step, is welded to the casing (2),
3) in a next step the casing (2), together with the connection piece (4a, 4b), being
solution-annealed and quenched, and subsequently
4) plastic deformation of the austenitic steel taking place, the casing (2) being
expanded,
5) in a next step, the casing (2), together with the connection piece (4a, 4b), being
stress-relief-annealed, and,
6) subsequently, passages being drilled through the connection piece (4a, 4b) and
the casing (2).
2. Method according to Claim 1, in which, in step 1), the plastic deformation takes place
by means of mechanical stretching.
3. Method according to Claim 1 or 2, in which the austenitic steel is essentially in
the form of a cylinder casing (1) or ring (1), and step 1) takes place in that, by
means of a deformation device, the diameter of the cylinder casing (1) or of the ring
(1) is expanded and the thickness of the cylinder casing (1) or of the ring (1) is
reduced.
4. Method according to Claim 3, in which a conical cylinder is used in the deformation
device and the cylinder casing (1) or the ring (1) is expanded by the conical cylinder
being moved.
1. Procédé de fabrication d'une enveloppe munie d'une tubulure soudée, en particulier
d'un carter de compresseur, en acier austénitique,
caractérisé par des étapes suivantes :
1) on dispose une tubulure (4a, 4b) sur une paroi (6) extérieure d'une enveloppe (2)
et,
2) dans l'étape suivante, on soude la tubulure à l'enveloppe (2),
3) dans une étape suivante, on soumet l'enveloppe (2) munie de la tubulure (4a, 4b)
à un recuit de mise en solution et à une trempe, puis
4) on produit une déformation plastique de l'acier austénitique, au cours de laquelle
l'enveloppe (2) est élargie,
5) dans une étape suivante, l'enveloppe (2) munie de la tubulure (4a, 4b) est soumise
à un recuit de détente, et
6) on perce ensuite des passages à travers la tubulure (4a, 4b) et l'enveloppe (2).
2. Procédé selon la revendication 1,
suivant lequel, à l'étape 1) la déformation plastique est obtenue par allongement
mécanique.
3. Procédé selon la revendication 1 ou 2,
suivant lequel l'acier austénitique est présent essentiellement sous la forme d'un
boîtier cylindrique (1) ou d'un anneau (1) et on réalise l'étape 1) en élargissant
le diamètre de l'enveloppe cylindrique (1) ou de l'anneau (1) au moyen d'un dispositif
de déformation et en réduisant l'épaisseur de l'enveloppe cylindrique (1) ou de l'anneau
(1).
4. Procédé selon la revendication 3,
suivant lequel on utilise un cylindre conique dans le dispositif de déformation et
on élargit l'enveloppe cylindrique (1) ou l'anneau (1) en déplaçant le cylindre conique.