DE102006038713A1

DE102006038713A1 - Druckfester fluidbeaufschlagter Körper

Info

Publication number: DE102006038713A1
Application number: DE102006038713A
Authority: DE
Inventors: Karl Prof. Dr.-Ing. Maile; Karl Dr.-Ing. Berreth; Abram Prof. Dr.-Ing. Lyutovich; Roland Dr. Weiss; Thorsten Scheibel; Marco Ebert; Martin Dr. Henrich; Andreas Lauer
Original assignee: Schunk Kohlenstofftechnik GmbH
Current assignee: Schunk Kohlenstofftechnik GmbH
Priority date: 2006-05-10
Filing date: 2006-08-18
Publication date: 2007-11-29
Also published as: EP2015935A1; WO2007128837A1; JP5249924B2; CA2651100A1; CA2651100C; CN101448636B; JP2009536297A; US20090101658A1; CN101448636A; KR20090019823A

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf einen druckfesten fluidbeaufschlagbaren Körper (10) wie Druckrohr oder Druckbehälter, bestehend aus einem Grundkörper (12) aus Stahl, einer den Grundkörper außenseitig umschließenden ersten Schicht (14) aus keramischem Faserverbundwerkstoff und zumindest einer auf der ersten Schicht angeordneten zweiten Schicht (16) aus faserverstärktem Kunststoff und/oder faserverstärkter Keramik.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen druckfesten fluidbeaufschlagten Körper wie Druckrohr oder Druckbehälter.
Bei Dampfturbinenprozessen hängt der Wirkungsgrad von der Prozesstemperatur ab. Daher ist man bestrebt, die Prozesstemperatur so hoch wie möglich einzustellen. Nach dem Stand der Technik werden für für Dampfturbinenprozesse benötigte druckfeste Körper wie Druckrohre oder Druckbehälter aus martensitischen Stählen oder hochlegierten Nickel-Basislegierungen hergestellt. Mit diesen Materialien lassen sich Prozesstemperaturen bis 650 bzw. 700° erzielen. Allerdings wird bei martensitischen Stählen aus Sicherheitsgründen üblicherweise eine Temperatur von mehr als 620° nicht überschritten.
Die zum Einsatz gelangenden Körper aus zuvor genannten Stählen halten Drücke bis 300 bar aus. Höhere Temperaturen und Drücke sind nicht realisierbar, wegen der erforderlichen Beständigkeit gegen das Werkstoffkriechverhalten, wegen der Sicherheit und wegen der Wirtschaftlichkeit.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen druckfesten fluidbeaufschlagten Körper wie Druckrohr oder Druckbehälter derart weiterzubilden, dass eine Erhöhung der Prozesstemperaturen im Vergleich zu Körpern, die aus Stählen bestehen, erreicht wird. Auch sollen die Körper mit Drücken beaufschlagbar sein, die größer als die bisher üblicherweise zum Einsatz gelangenden sind.
Zur Lösung der Aufgabe schlägt die Erfindung im Wesentlichen vor einen druckfesten fluidbeaufschlagten Körper wie Druckrohr oder Druckbehälter bestehend aus einem Grundkörper aus Stahl, einer den Grundkörper außenseitig umschließenden ersten Schicht aus keramischem Faserverbundwerkstoff und einer oder mehreren auf der ersten Schicht angeordneten zweiten Schichten aus faserverstärkter Keramik und/oder faserverstärktem Kunststoff.
Erfindungsgemäße fluidbeaufschlagte Körper wie Druckrohre oder Druckbehälter ermöglichen eine Erhöhung der Prozesstemperaturen im Vergleich zu Körpern, die allein aus Stählen bestehen. Auch ist die Möglichkeit einer Druckbeaufschlagung gegeben, die größer als bisher üblich ist. Dies erfolgt erfindungsgemäß durch die Funktionstrennung Dichtheit und Notfalleigenschaft des Strahlrohres einerseits und der Hochtemperatur-Kriechbeständigkeit des Faserverbundwerkstoffs andererseits.
Erfindungsgemäß wird ein Mehrschichtkörper zur Verfügung gestellt, der insbesondere bei Dampfturbinenprozessen die Möglichkeit bietet, die Prozesstemperatur im Vergleich zu den bisher zum Einsatz gelangenden Materialien um zumindest 200 °C zu erhöhen, wodurch der thermische Wirkungsgrad bei Kraftwerken um ca. 7 % gesteigert werden kann. Ein entsprechendes Verbundrohr zeigt gute Druck- und Zugbeanspruchung in axialer und radialer Richtung und eine Temperaturbeständigkeit bis im Bereich zwischen 900 °C und 1000 °C. Die aus Faserverbundwerkstoff bestehende erste Schicht wirkt insoweit thermoisolierend, d.h. erzeugt einen Temperaturgradient von dem Stahlrohr in die äußere Schicht, so dass diese nicht oxidiert. Auch ist eine wirtschaftliche Herstellung möglich.
Zwar ist es bekannt, keramische Faserverbundwerkstoffe (Ceramic Matrix Composits (CMC)) bei hohen Temperaturen einzusetzen. So werden CMC-Werkstoffe für Gasturbi nen im Bereich der heißen Gase, also der Turbinenbrennkammer, den statischen, den Gasstrom lenkenden Leitschaufeln und den eigentlichen Turbinenschaufeln, die den Verdichter der Gasturbine antreiben, eingesetzt. Allerdings bestehen die entsprechenden Komponenten ausschließlich aus CMC-Werkstoffen und weisen nicht den erfindungsgemäßen Schichtaufbau auf. Dieser stellt jedoch sicher, dass ein Einsatz bei hohen Temperaturen bis 1000 °C und Drücken von 300 bar und mehr problemlos erfolgen kann, wobei gleichzeitig eine Kriechbeständigkeit des Körpers von zumindest 30 Jahren gewährleistet ist.
Die thermischen Faserverbundwerkstoffe sind charakterisiert durch eine zwischen keramischen Fasern, insbesondere Langfasern, eingebettete Matrix aus Keramik, die durch die keramischen Fasern verstärkt wird. Daher spricht man von faserverstärkter Keramik, Verbundkeramik oder auch einfach Faserkeramik. Matrix und Faser können dabei im Prinzip aus allen bekannten keramischen Werkstoffen bestehen, wobei in diesem Zusammenhang auch Kohlenstoff als keramischer Werkstoff behandelt wird.
Insbesondere ist vorgesehen, dass die Fasern des keramischen Verbundwerkstoffes Aluminiumoxid-, Mullit-, Siliziumcarbid-, Zirkonoxid- und/oder Kohlenstoff-Fasern sind. Mullit besteht dabei aus Mischkristallen aus Aluminiumoxid und Siliziumoxid.
Bevorzugterweise wird als keramischer Faserverbundwerkstoff SiC/SiC, C/C, C/SiC, Al₂O₃/Al₂O₃ und/oder Mullit/Mullit eingesetzt. Dabei bezeichnet das Material vor dem Schrägstrich den Fasertyp und das Material nach dem Schrägstrich den Matrixtyp. Als Matrixsystem für die keramische Faserverbundstruktur können auch Siloxane, Si-Precursoren und unterschiedlichste Oxide, wie zum Beispiel auch Zirkonoxid, eingesetzt werden.
Bevorzugterweise weist die erste Schicht eine Dicke D₁ mit 1 mm ≤ D₁ ≤ 20 mm und/oder die zweite Schicht bzw. Schichten insgesamt eine Dicke D₂ mit 0 mm < D₂ ≤ 50 mm auf.
Um eine gewünschte Armierung durch die zumindest eine zweite Schicht zu erzielen, können die Fasern des faserverstärkten Kohlenstoffs radial umlaufend und/oder sich kreuzend auf der ersten Schicht angeordnet sein. Die Fasern der ersten Schicht können gleichfalls radial umlaufend und/oder sich kreuzend auf dem Grundkörper abgelegt sein.
Der Grundkörper besteht bevorzugterweise aus martensitischem Stahl oder hochlegiertem Nickel-Basislegierungsmaterial. Dabei sind Wandstärken D₃ mit 2 mm ≤ D₃ ≤ 50 mm als bevorzugte Werte anzugeben, ohne dass hierdurch eine Einschränkung der erfindungsgemäßen Lehre erfolgt.
Das Faservolumen der ersten Schicht sollte betragen 30 % ≤ F_V ≤ 70 %. Bevorzugterweise beträgt die Porosität P der ersten Schicht 5 % ≤ P ≤ 50 %.
Der keramische Faserverbundwerkstoff kann durch CVI (Chemical Vapow Infiltration)-Verfahren, Pyrolyse, insbesondere LPI (Liquid Polymer Infiltration)-Verfahren oder durch chemische Reaktion wie LSI (Liquid Silicon Infiltration)-Verfahren hergestellt werden.
Bevorzugterweise wird als Matrixmaterial ein Precursor auf Si-Basis benutzt, um sodann mittels Pyrolyse in SiC umgewandelt zu werden. Precursor auf Si-Basis zeigen den Vorteil, dass diese leicht härt- und pyrolisierbar sind, so dass eine problemlose Herstellung gegeben ist.
Die Erfindung zeichnet sich ganz allgemein auch durch einen druckfesten fluidbeaufschlagten Körper wie Druckrohr oder Druckbehälter bestehend aus Stahl und einer den Grundkörper umgebenden Schicht bestehend aus oder enthaltend Fasern, die bei einer Temperatur T mit T ≥ 500 °C keine oder minimale Kriechdehnung zeigen.
Es gelangen kriechbeständige Fasern zum Einsatz, d. h. Fasern, die im Kriechbereich – im Temperaturbereich oberhalb 550 °C – keine oder minimale zeitliche Zunahme der bleibenden Verformung, also der Kriechdehnung zeigen, wodurch das Kriechen des innenliegenden Stahlrohres aufgehalten wird. Chemisch sind die Fasern durch eine hohe Zeitstandfestigkeit dahingehend zu charakterisieren, dass die Festigkeit insbesondere unter atmosphärischer Luft bei hohen Betriebstemperaturen gewährleistet ist.
Als Fasern kommen Verstärkungsfasern in Frage, die in die Klassen oxidische, carbidische, nitridische Fasern bzw. C-Fasern und SiBCN-Fasern fallen. Kunststofffasern wie PAN-Fasern oder Polyacrylnitril-Fasern sind auch als Verstärkungsfasern zu bezeichnen.
Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich nicht nur aus den Ansprüchen, den diesen zu entnehmenden Merkmalen -für sich und/oder in Kombination-, sondern auch aus der nachfolgenden Beschreibung von der Zeichnung zu entnehmendem Ausführungsbeispiel.
Es zeigen:
1 eine Prinzipdarstellung eines Druckrohres,
2 eine Prinzipdarstellung eines Behälters.
In 1 ist ein Druckrohr in Schnittdarstellung wiedergegeben, das insbesondere im Kraftwerksbereich für Dampfturbinenprozesse zum Einsatz gelangt. Um das Druckrohr 10 von Fluiden unter Drücken bis 300 bar oder mehr bei Temperaturen von 800°, insbesondere 850° oder mehr durchströmen zu lassen, ist das Rohr 10 als Verbundrohr ausgebildet. Das Rohr 10 besteht aus einem Grundkörper 12 aus Stahl, auf dem zumindest zwei Schichten 14, 16 aufgebracht sind. Dabei besteht die auf dem Grundkörper 12 angeordnete Schicht 14, die als erste Schicht bezeichnet wird, aus einem keramischen Faserverbundwerkstoff und die zumindest eine die erste Schicht 14 abdeckende zweite Schicht 16 aus faserverstärktem Kunststoff und/oder faserverstärkter Keramik. Der Kunststoffanteil dient zur Steigerung der Dehnungsverträglichkeit.
Der keramische Faserverbundwerkstoff aus der ersten Schicht 14 kann aus bekannten keramischen Werkstoffen bestehen, wobei bevorzugterweise SiC/SiC, Al₂O₃/Al₂O₃ oder Mullit/Mullit zu nennen sind. Die erste Schicht 14 aus dem keramischen Faserverbundwerkstoff stellt sicher, dass eine thermische Isolierung zwischen dem Grundkörper 12 und der zumindest einen zweiten Schicht 16 aus dem faserverstärkten Kunststoff, sei es kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff, sei es glasfaserverstärkter Kunststoff, in einem Umfang aufgebaut wird, dass eine Oxidation der zumindest einen zweiten Schicht 16 unterbleibt. Hierdurch ist sichergestellt, dass die zumindest eine zweite Schicht 16 die gewünschte Armierung bietet, so dass das Verbundrohr 10 mit den gewünschten hohen Drücken beaufschlagbar ist. Die zweite Schicht ist auch für die Erzeugung der Vorspannung auf dem Druckrohr bzw. Druckbehälter verantwortlich, wobei diese mit zunehmenden Anwendungstemperaturen steigt.
Zur Vorspannung ist anzumerken, dass diese beim Anfahren mit steigendem Druck und Temperatur in der Faserummantelung entsteht und mit der Zeit teilweise durch das Kriechverhalten des innenliegenden Strahlrohres zeitabhängig abgebaut wird.
Die erste Schicht 14 ermöglicht, dass das Verbundrohr 10 zur Steigerung des Wirkungsgrades mit den erforderlichen hohen Temperaturen von zumindest 800 °C–850 °C, gegebenenfalls bis 1000 °C beaufschlagt werden kann.
Die Fasern der ersten Schicht 14 können den Anforderungen entsprechend abgelegt sein. So können die Fasern sich kreuzend und/oder radial umlaufend den Grundkörper 12 umgeben. Gleiches gilt bezüglich der Fasern der zumindest einen zweiten Schicht 16.
In 2 ist rein prinzipiell ein Druckbehälter 18 dargestellt, der ebenfalls aus einem Grundkörper 20 aus Stahl und auf dem Grundkörper 20 angeordneten ersten und zweiten Schichten 24, 26 aufgebaut ist, wobei die erste Schicht 24 aus einem keramischen Faserverbundwerkstoff und die zumindest eine zweite Schicht 26 aus faserverstärktem Kunststoff und/oder faserverstärkter Keramik besteht. Dabei können Herstellungsverfahren und Materialien zum Einsatz gelangen, wie diese zuvor erläutert worden sind. Rein beispielhaft sind der 2 Fasern 28, 30 der ersten Schicht 24 zu entnehmen, die radial umlaufend (Langfasern 28) oder sich kreuzend (Langfasern 30) auf dem Grundkörper 22 abgelegt sind. Andere aus dem Stand der Technik bekannte Faserverläufe sind gleichfalls möglich.
Bei dem Ausführungsbeispiel der 1 weist der Grundkörper 12 zum Beispiel einen lichten Durchmesser von 500 mm und eine Wandstärke von 40 mm auf. Die aus dem keramischen Faserverbundwerkstoff bestehende erste Schicht 14 weist eine Dicke D₁ ≈ 10 mm und die zweite aus faserverstärktem Kohlenstoff bestehende Schicht 16 eine Dicke D₂ ≈ 10 mm auf.
Bei dem Druckbehälter 20 nach der 2 kann der Grundkörper 22 einen Durchmesser von 300 mm und eine Länge von 500 mm sowie eine Wandstärke von 30 mm aufweisen. Die Dicke D₁ der ersten Schicht 24 kann betragen D₁ ≈ 15 mm und die der zweiten Schicht 26 D₂ ≈ 10 mm, um rein beispielhaft Zahlen zu nennen.
Erfindungsgemäß soll die Dicke D der Faserummantelung sich zu der Wanddicke d des Stahlrohres verlaufen wie 0,4 d < D < 0,6, insbesondere d/2 = D.
Entsprechende Verbundrohre 10 bzw. Verbundbehälter 20 können mit Fluiden einer Temperatur von in etwa 850° beaufschlagt werden, so dass ein Hochtemperatureinsatz, insbesondere bei Dampfturbinenprozessen erfolgen kann, wodurch im Vergleich zu Druckrohren bzw. Druckkörpern üblichen Aufbaus der thermische Wirkungsgrad erheblich erhöht werden kann. Gleichzeitig zeigen entsprechende Verbundkörper ein schadenstolerantes gutmütiges Bruchversagen und eine Kriechbeständigkeit. Druck- und Zugbeanspruchung in sowohl axialer als auch radialer Richtung sind möglich, ohne dass der Körper beschädigt wird. Auch ist eine wirtschaftliche Herstellung möglich.
Sind die Ausführungsbeispiele anhand eines Grundkörpers mit auf diesen aufgebrachter ersten und zweiten Schicht erläutert worden, so wird die Erfindung auch dann nicht verlassen, wenn auf den Grundkörper nur eine Schicht aus Verstärkungsfasern aufgebracht wird, die im Temperaturbereich oberhalb 550 °C keine oder minimale zeitliche Zunahme der bleibenden Verformung, also der Kriechdehnung zeigen, wodurch das Kriechen des innenliegenden Grundkörpers aufgehalten wird. Die entsprechenden Fasern weisen auch eine hohe Zeitstandfestigkeit auf, wobei die Festigkeit insbesondere unter atmosphärischer Luft bei hohen Betriebstemperaturen gewährleistet wird. Entsprechende Fasern können in die Klassen oxidische, carbidische, nitridische Fasern oder C-Fasern oder SiBCN-Fasern klassifiziert werden. Auch Kunststofffasern wie PAN- oder Polyacrylnitril-Fasern kommen in Frage.
Insbesondere sind nachstehende Fasern zu nennen: C-Fasern, Nextel-Fasern, 3M-fasern, Hi-Nicalon-Fasern, oxidische Fasern, SiO₂-, Al₂O₃-, SiC-, SiBCN-, PAN- und Si₃N₄-Fasern.

Claims

Druckfester fluidbeaufschlagter Körper (10, 20) wie Druckrohr oder Druckbehälter bestehend aus einem Grundkörper (12, 22) aus Stahl, einer den Grundkörper außenseitig umschließenden ersten Schicht (14, 24) aus keramischem Faserverbundwerkstoff und zumindest einer auf der ersten Schicht angeordneten zweiten Schicht (16, 26) aus faserverstärktem Kunststoff und/oder faserverstärkter Keramik.
Körper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Fasern des keramischen Verbundwerkstoffs Aluminiumoxid-, Mullit-, Siliziumcarbid-, Zirkonoxid- und/oder Kohlenstoff-Fasern sind.
Körper nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der keramische Faserverbundwerkstoff aus SiC/SiC, C/C, C/SiC, Al₂O₃/Al₂O₃, C/Siloxan, SiC/Siloxan und/oder Mullit/Mullit besteht.
Körper nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Schicht (14) eine Dicke D₁ mit 1 mm ≤ D₁ ≤ 20 mm aufweist.
Körper nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine zweite Schicht (16, 26) bzw. die zweiten Schichten insgesamt eine Dicke D₂ mit 0 mm < D₂ ≤ 50 mm aufweist.
Körper nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern (28, 30) der ersten Schicht (14, 24) radial umlaufend und/oder sich kreuzend auf dem Grundkörper (12, 22) abgelegt sind.
Körper nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern der zumindest einen zweiten Schicht (16, 26) in Bezug auf den Grundkörper (12, 22) radial umlaufend und/oder sich kreuzend auf der ersten Schicht angeordnet sind.
Körper nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (12, 22) aus martensitischem Stahl besteht.
Körper nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (12, 22) aus hochlegierter Nickel-Basislegierung besteht.
Körper nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (12, 22) eine Wandstärke D mit 1 mm ≤ D ≤ 50 mm aufweist.
Druckfester fluidbeaufschlagter Körper wie Druckrohr oder Druckbehälter bestehend aus einem Grundkörper aus Stahl und zumindest einer den Grundkörper umgebenden Schicht bestehend aus oder enthaltend Fasern, die bei einer Temperatur mit T mit T ≥ 500 °C keine oder minimale Kriechdehnung zeigen.
Körper nach zumindest Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern Verstärkungsfasern sind.
Körper nach zumindest Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass oxidische, karbidische, nitridische Fasern, C-Fasern, SiBCN-Fasern, PAN-Fasern und/oder Polyacrylnitril-Fasern die Verstärkungsfasern sind.
Körper nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserschicht bzw. Faserschichten eine Dicke D und der Behälter eine Materialdicke d mit 0,4 d ≤ D ≤ 0,6 d, vorzugsweise d/2 = D aufweisen.