DE102019007938A1

DE102019007938A1 - Übergangsbauteil und Verfahren zur Herstellung des Übergangsbauteils

Info

Publication number: DE102019007938A1
Application number: DE102019007938.8A
Authority: DE
Inventors: Thomas Englert; Reinhold Hölzl
Original assignee: Linde GmbH
Current assignee: Linde GmbH
Priority date: 2019-11-15
Filing date: 2019-11-15
Publication date: 2021-05-20

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Übergangsbauteil (1, 1a, 1b) zur Verbindung von Bauteilen einer chemischen oder verfahrenstechnischen Anlage, wobei das Übergangsbauteil (1, 1a, 1b) ein erstes Materialstück (10) aus einem ersten Material und ein zweites Materialstück (20) aus einem zweiten Material aufweist, wobei das erste Material und das zweite Material nicht durch Schmelzschweißen miteinander verbindbar sind, wobei zur Verbindung des ersten Materialstücks (10) mit dem zweiten Materialstück (20) mindestens ein Halteelement (30) verwendet wird, wobei das mindestens eine Halteelement (30) aus dem ersten Material besteht und sich ausgehend vom ersten Materialstück (10) in das zweite Materialstück (20) formschlüssig erstreckt und/oder das mindestens eine Halteelement (30) aus dem zweiten Material besteht und sich ausgehend vom zweiten Materialstück (20) in das erste Materialstück (10) formschlüssig erstreckt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Übergangsbauteil zur Verbindung von Bauteilen einer chemischen oder verfahrenstechnischen Anlage, wobei das Übergangsbauteil ein erstes Materialstück aus einem ersten Material und ein zweites Materialstück aus einem zweiten Material aufweist, wobei das erste Material und das zweite Material nicht durch Schmelzschweißen miteinander verbindbar sind, und ein Verfahren zur Herstellung des Übergangsbauteils.
Stand der Technik
In zahlreichen Anwendungen, insbesondere kryogenen Anlagen, beispielsweise kryogenen Wärmetauschern zur Verflüssigung von Gasen, oder kryogenen Behältern oder Kryopumpen ist es notwendig, z.B. zur Bereitstellung von Fluiddichtigkeit Bauteile, wie etwa Rohre, insbesondere aus unterschiedlichen Werkstoffen, miteinander zu verbinden, insbesondere zu verschweißen.
Beispielsweise wird zur Verbindung eines Aluminiumrohres mit einem Stahlrohr ein Übergangsbauteil (engl. Transition Joint) verwendet, welches einen Aluminiumabschnitt, an dem das Aluminiumrohr befestigt, insbesondere verschweißt, werden kann, und einen Stahlabschnitt, an dem das Stahlrohr befestigt, insbesondere verschweißt, werden kann, aufweist. Um den Aluminiumabschnitt des Übergangsbauteils mit dem Stahlabschnitt des Übergangsbauteils fluiddicht zu verbinden, werden beispielsweise verschiedene Übergangsschichten aus Metall, beispielsweise aus Titan oder aus einer Titanlegierung, aus Kupfer, aus Nickel oder aus einer Kupfer-Nickel-Legierung, in mehreren Schritten mittels Sprengplattieren zwischen dem Aluminiumabschnitt und dem Stahlabschnitt angeordnet. Dieses Herstellungsverfahren ist einerseits sehr aufwendig. Andererseits werden die Übergangsschichten aus Metall durch das Sprengplattieren physisch sehr beansprucht, wodurch die Übergangsschichten spröde oder brüchig werden können.
Insbesondere bei kryogenen Anlagen, bei denen das Übergangsbauteil von kryogenem Fluid durchströmt wird, kühlt das kryogene Fluid das Übergangsbauteil ab. Die Übergangsschichten werden somit ebenfalls abgekühlt und ziehen sich durch die Abkühlung zusammen. Diese zusätzlichen Kräfte können dazu führen, dass die spröden Übergangsschichten beschädigt oder zerstört werden, wodurch das Übergangsbauteil undicht wird.
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein stabiles und fluiddichtes Übergangsbauteil, das ohne Sprengplattieren hergestellt werden kann, sowie ein Verfahren zur Herstellung des Übergangsbauteils bereitzustellen.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird ein Übergangsbauteil mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie ein Verfahren zur Herstellung des Übergangsbauteils mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10 vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
Das erfindungsgemäße Übergangsbauteil zur Verbindung von Bauteilen einer chemischen oder verfahrenstechnischen Anlage, insbesondere kryogene Anlage, weist ein erstes Materialstück aus einem ersten Material und ein zweites Materialstück aus einem zweiten Material, wobei das erste Material und das zweite Material nicht durch Schmelzschweißen miteinander verbindbar sind, auf.
Das Übergangsbauteil bzw. das erste Materialstück und das zweite Materialstück weisen eine Form eines Hohlkörpers, insbesondere eine Torusform, Ringform oder Kreiszylinderform, mit einer radial innenliegenden Innenseite und einer radial außenliegenden Außenseite auf. Das Übergangsbauteil ist geeignet, mit Rohren der chemischen oder verfahrenstechnischen Anlage verbunden zu werden, wobei die Form des Übergangsbauteils bevorzugt an die Form der Rohre angepasst ist.
Zur Verbindung des ersten Materialstücks mit dem zweiten Materialstück wird mindestens ein Halteelement verwendet. Das mindestens eine Halteelement besteht aus dem ersten Material und erstreckt sich formschlüssig ausgehend vom ersten Material in das zweite Materialstück und/oder besteht aus dem zweiten Material und erstreckt sich formschlüssig ausgehend vom zweiten Material in das erste Materialstück.
Das mindestens eine Halteelement hält einerseits das erste Materialstück und das zweite Materialstück fluiddicht zusammen. Andererseits sorgt ein das Übergangsbauteil durchströmendes kryogenes Fluid dazu, dass das Übergangsbauteil sowie das mindestens eine Halteelement deutlich abgekühlt werden, wobei sich insbesondere das mindestens eine Halteelement zusammenzieht.
Wenn sich das mindestens eine Halteelement zusammenzieht, übt das mindestens eine Halteelement eine Zugkraft aus, wobei das erste Materialstück und das zweite Materialstück aufeinander zu bewegt werden. Während bei einem Übergangsbauteil im Stand der Technik durch die Abkühlung des Übergangsbauteils bzw. der Übergangsschichten das Risiko besteht, dass die Übergangsschichten beschädigt oder zerstört werden, sorgt eine Abkühlung bei dem erfindungsgemäßen Übergangsbauteil für eine zusätzliche Abdichtung zwischen dem ersten Materialstück und dem zweiten Materialstück.
Das mindestens eine Halteelement weist bevorzugt eine dreidimensionale Struktur auf. Die dreidimensionale Struktur sorgt einerseits dafür, dass das mindestens eine Halteelement besser in das erste Materialstück und/oder das zweite Materialstück eingreifen kann bzw. sich mit diesem verzahnt, da die dreidimensionale Struktur den Eingriff bzw. das Verzahnen zwischen dem mindestens einen Halteelement und dem ersten Materialstück und/oder dem zweiten Materialstück vergrößert. Andererseits führt die dreidimensionale Struktur dazu, dass das mindestens eine Halteelement eine ausreichende Dicke bzw. Materialstärke aufweist, so dass Kräfte, wie beispielsweise Zug- oder Scherkräfte, das mindestens eine Halteelement nicht beschädigen oder zerstören können.
Die dreidimensionale Struktur weist bevorzugt eine Wendelform, eine Tannenbaumform oder allgemeiner eine Form mit Sägezahnprofil, eine Rippenform, eine T-Profil-, eine Spiral- oder eine Helixform oder eine Schwalbenschwanzform (konkav oder konvex) auf. Aufgrund seiner Form, die beispielsweise eine verzweigte Struktur aufweist, greift das mindestens eine Halteelement formschlüssig sehr gut in das erste Materialstück und/oder das zweite Materialstück ein. Eine derartige Verbindung ist unlösbar und hält das erste Materialstück und das zweite Materialstück sehr gut zusammen, so dass ein sehr stabiles Übergangsbauteil entsteht.
Dieses stabile Übergangsbauteil zeichnet sich im Gegensatz zu einem Übergangsbauteil aus dem Stand der Technik dadurch aus, dass zur Verbindung des ersten Materialstücks mit dem zweiten Materialstück keine Übergangsschichten benötigt werden, die mittels Sprengplattieren zwischen den Materialstücken angeordnet werden. Diese Übergangsschichten können hier weggelassen werden und somit können Materialkosten eingespart werden. Ferner wird das mindestens eine Halteelement nicht mittels Sprengplattieren in das erste Materialstück und/oder das zweite Materialstück getrieben oder gedrückt. Das mindestens eine Halteelement wird im Gegensatz zu den Übergangsschichten nicht physikalisch beansprucht bzw. behandelt, so dass das mindestens eine Halteelement spröde oder brüchig werden könnte.
Es versteht sich, dass das mindestens eine Halteelement zusätzlich zur Wendelform oder Tannenbaumform weitere Formen aufweisen kann, wie beispielsweise Spiralform, Schraubenform, etc., die in der Lage sind, gut in das erste Materialstück und/oder das zweite Materialstück formschlüssig einzugreifen. Ferner kann das mindestens eine Halteelement eine punktsymmetrische Grundform, beispielsweise Wendelform, oder zylinderförmige Tannenbaumform, oder eine rechteckige Grundform, beispielsweise rechteckige Tannenbaumform, aufweisen. Auch kann das mindestens eine Halteelement beispielsweise einen Hohlkörper oder einen „gefüllten“ Körper aufweisen.
Bevorzugt ist das erste Material Stahl oder rostfreier Stahl und das zweite Material Aluminium oder eine Aluminiumlegierung. Insbesondere in kryogenen Anlagen, beispielsweise kryogenen Wärmetauschern zur Verflüssigung von Gasen, oder kryogenen Behältern oder Kryopumpen, werden häufig Stahlrohre und Aluminiumrohre verwendet. Aluminium und Stahl (bzw. deren Legierungen) lassen sich nicht verschweißen. Das Übergangsbauteil ist somit geeignet, einen Übergang zwischen einem Stahlrohr und einem Aluminiumrohr zu schaffen, wobei der Übergang durch das mindestens eine Halteelement fluiddicht gehalten wird.
Bevorzugt weist das Übergangsbauteil mindestens ein Messelement auf. Das mindestens eine Messelement kann eine Temperatur und/oder eine Längenveränderung des Übergangsbauteils messen. Auf Grund der Messung der Temperatur und/oder der Längenveränderung des Übergangsbauteils kann auf die Fluiddichtigkeit geschlossen werden.
Bevorzugt ist das mindestens eine Messelement an der Innenseite des Übergangsbauteils, an der Außenseite des Übergangsbauteils und/oder an dem mindestens einen Halteelement im Inneren des Übergangsbauteils angeordnet.
Das mindestens eine Messelement dient im Allgemeinen dazu, das Übergangsbauteil zu überwachen und beispielsweise eine Fehlfunktion des Übergangsbauteils zu erkennen oder eine maximale Lebensdauer des Übergangsbauteils zu bestimmen.
Fließt beispielsweise ein kryogenes Fluid durch das Übergangsbauteil, kühlt sich die Innenseite des Übergangsbauteils ab. Es besteht somit ein Temperaturunterschied zwischen der Innenseite und der Außenseite des Übergangsbauteils. Sollte ein Temperaturmesselement, das beispielsweise an der Außenseite des Übergangsbauteils, angeordnet ist, eine Temperatur messen, die annähernd oder gleich der Temperatur des kryogenen Fluids ist, könnte dies darauf schließen lassen, dass das Übergangsbauteil undicht ist und kryogenes Fluid austritt.
Ferner könnte ein Messelement, das die Längenveränderung messen kann und das beispielsweise an dem mindestens einen Halteelement angeordnet ist, feststellen, dass das mindestens eine Halteelement eine Längenzunahme erfährt. Diese Längenzunahme könnte darauf schließen lassen, dass das Halteelement durch Zugkräfte auseinandergezogen bzw. gedehnt wird, oder das Halteelement in zwei Teile zerbrochen ist, wobei sich die beiden Teile voneinander entfernen. Beides würde dazu führen, dass das Übergangsbauteil undicht ist und kryogenes Fluid austritt.
Es versteht sich, dass das mindestens eine Messelement nur in bzw. an dem ersten Materialstück, nur in bzw. an dem zweiten Materialstück, oder zum Teil in bzw. an dem ersten Materialstück und zum Teil in bzw. an dem zweiten Materialstück angeordnet sein kann. Es versteht sich ferner, dass auch weitere Messelemente verwendet werden können, wobei das Messelement entsprechend der bestimmten Anwendung des Übergangsbauteils gewählt werden kann.
Bevorzugt weist das Übergangsbauteil ein Abdichtungsbauteil, insbesondere eine Stahldichtleiste, auf. Das Abdichtungsbauteil ist an der Außenseite des Übergangsbauteils angeordnet, wobei das Abdichtungsbauteil derart angeordnet ist, dass es einen Grenzbereich überdeckt. Der Grenzbereich stellt einen Bereich dar, in dem das erste Materialstück an das zweite Materialstück angrenzt.
Das Abdichtungsbauteil dichtet den Grenzbereich zusätzlich gegen ein Austreten des kryogenen Fluids ab. Das Abdichtungsbauteil kann beispielsweise durch Verschrauben, Verkleben, etc., an der Außenseite des Übergangsbauteils befestigt werden.
Bevorzugt ist an der Innenseite des Übergangsbauteils und/oder an der Außenseite des Übergangsbauteils eine thermische Isolierung angebracht.
Beispielsweise führt die thermische Isolierung an der Außenseite des Übergangsbauteils dazu, dass das Übergangsbauteil gegen die das Übergangsbauteil umgebende Außentemperatur isoliert ist. Eine Erwärmung des Übergangsbauteils von außen könnte beispielsweise das mindestens eine Halteelement erwärmen, wodurch sich das mindestens eine Halteelement ausdehnen könnte, wodurch die Verbindung zwischen dem ersten Materialstück und dem zweiten Materialstück zumindest zum Teil weniger dicht werden könnte.
Wird beispielsweise das Übergangsbauteil in einer kryogenen Anlage montiert, wobei das Übergangsbauteil nahezu eine Außentemperatur aufweist, und fließt zum ersten Mal ein kryogenes Fluid durch das Übergangsbauteil, wird die Innenseite des Übergangsbauteils schockartig abgekühlt. Dies kann zu mechanischen Spannungen zwischen der Innenseite und der Außenseite des Übergangsbauteils führen, wobei das Übergangsbauteil durch die Spannungen beschädigt werden könnte. Eine zusätzliche thermische Isolierung an der Innenseite des Übergangsbauteils reduziert somit die schockartige Abkühlung und die dadurch hervorgerufenen Beschädigungen, wie beispielsweise Risse oder Brüche.
Bevorzugt weist die thermische Isolierung eine Struktur mit isolierenden Hohlräumen auf, beispielsweise eine Wabenstruktur. Die Wabenstruktur weist insbesondere eine Vielzahl von hexagonalen Hohlräumen auf, die räumlich eng zueinander liegend angeordnet werden können, so dass eine gute Isolierung bereitgestellt werden kann. Es ist jedoch auch denkbar, dass die Hohlräume der Struktur eine andere, bspw. rechteckige, quadratische, runde oder ovale Grundform aufweisen, wobei auch eine Mischung der Formen innerhalb einer Struktur denkbar ist. In Abhängigkeit der Anwendung können die Hohlräume beispielsweise in einer Ausführungsform mit verschiedenen Gasen, beispielsweise Luft oder Luftgase, wie Stickstoff, Sauerstoff, Argon und Kohlenstoffdioxid, oder Methan oder Erdgasgefüllt sein. Dies hat beispielsweise den Vorteil, dass diese Gase günstig und leicht zu handhaben sind. Ferner sind die meisten dieser Gase beim Einatmen ungiftig und/oder inert, so dass im Falle einer Beschädigung der Hohlräume keine Gefahr besteht. Insbesondere wird hier bevorzugt, dass die isolierende Struktur zumindest zum Teil flexibel oder elastisch ist, um sich einer Volumenänderung der Gase anzupassen.
In einer alternativen Ausführungsform können die Hohlräume der (Waben-) Struktur ein Vakuum aufweisen. Dies hat den Vorteil, dass kein zusätzliches Gas benötigt wird, um die (Waben-) Struktur zu füllen.
In einer weiteren alternativen Ausführungsform kann die (Waben-) Struktur mit verschiedenen tieftemperaturbeständigen Kunststoffen, z.B. Teflon, gefüllt werden. Alternativ kann die (Waben-) Struktur direkt aus dem gewünschten Kunststoff gebildet und als „gefüllte“ (Waben-) Struktur hergestellt werden.
Ferner wird ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Übergangsbauteils offenbart.
In einem ersten Schritt wird das erste Materialstück aus einem ersten Material durch ein additives Fertigungsverfahren, insbesondere selektives Laserschmelzen, gedruckt, wobei mindestens eine hohlraumbildende dreidimensionale Struktur in dem ersten Materialstück bereitgestellt wird.
Das selektive Laserschmelzen ermöglicht es, das erste Materialstück schichtweise zu drucken bzw. aufzubauen, wobei das erste Material durch den Laser geschmolzen wird. Insbesondere wird als erstes Material das Material verwendet, das den höheren Schmelzpunkt aufweist. In der vorliegenden Erfindung wird als erstes Material Stahl oder rostfreier Stahl mit einem Schmelzpunkt im Bereich von 1400°C bis 1600°C verwendet.
Nachdem das erste Materialstück mit der hohlraumbildenden dreidimensionalen Struktur vollständig gedruckt wurde, wird in einem zweiten Schritt das erste Materialstück auf eine Temperatur abgekühlt, die gleich oder kleiner als die Schmelztemperatur des zweiten Materials ist. Einerseits führt dies dazu, dass das erste Material bei dieser (niedrigeren) Temperatur in einem festen Zustand vorliegt und nicht bei dieser Temperatur erneut geschmolzen wird, was dazu führen würde, dass die Form des ersten Materialstücks und/oder die hohlraumbildende Struktur negativ verändert werden würde. Andererseits führt dies dazu, dass bei dieser Temperatur keine porösen oder brüchigen intermetallischen Phasen zwischen dem ersten Material und dem zweiten Material gebildet werden, wodurch das mindestens eine Halteelement eine geringere Stabilität aufweisen könnte.
In einem dritten Schritt wird das zweite Material in die mindestens eine dreidimensionale Struktur eingebracht. In der vorliegenden Erfindung wird als zweites Material Aluminium oder eine Aluminiumlegierung verwendet.
In einem vierten Schritt wird das mindestens eine Halteelement aus dem zweiten Material in der mindestens einen hohlraumbildenden dreidimensionalen Struktur in dem ersten Materialstück ausgebildet. Das mindestens eine Halteelement wird dabei formschlüssig mit dem ersten Materialstück verbunden bzw. verzahnt, so dass das erste Halteelement nicht mehr aus dem ersten Materialstück entfernt werden kann.
Die hohlraumbildende dreidimensionale Struktur entspricht der „Negativstruktur“ der dreidimensionalen Struktur des mindestens einen Halteelementes, da der Hohlraum der hohlraumbildenden dreidimensionalen Struktur durch das zweite Material vollständig ausgefüllt wird, d.h. die „Negativstruktur“ gibt die Struktur des Halteelementes vor.
In einem fünften Schritt wird das zweite Materialstück aus dem zweiten Material auf das erste Materialstück gedruckt. Dabei verbindet sich das zweite Materialstück beim Drucken auf das erste Materialstück mit dem mindestens einen Halteelement in dem ersten Materialstück stoffschlüssig. Da das mindestens eine Halteelement formschlüssig mit dem ersten Materialstück verbunden ist, wird somit über das mindestens eine Halteelement das erste Materialstück mit dem zweiten Materialstück unlösbar verbunden.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird das zweite Material als Pulver in die dreidimensionale Struktur eingebracht und dort geschmolzen. Durch Schmelzen des Pulvers bei einer Temperatur von 640°C bis 680°C wird das zweite Material flüssig und füllt die hohlraumbildende dreidimensionale Struktur vollständig aus. Dies gewährleistet eine fehlerfreie Ausbildung des mindestens einen Halteelementes.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird das zweite Material als Schmelze in die dreidimensionale Struktur eingebracht. Auch hier füllt das schon flüssige zweite Material den Hohlraum vollständig aus und das mindestens eine Halteelement wird fehlerfrei ausgebildet.
Es versteht sich, dass ferner weitere Alternativen verwendet werden können, um das zweite Material in den Hohlraum des ersten Materialstücks einzubringen. Sofern beispielsweise das zweite Material eine deutlich geringere Härte als das erste Material aufweist, wäre es möglich, das zweite Material als Feststoff in den Hohlraum des ersten Materialstücks zu pressen, ohne das es notwendig ist, das zweite Material zu schmelzen oder als schmelzbares Pulver bereitzustellen.
Bevorzugt wird mindestens ein Messelement an der Innenseite des Übergangsbauteils, an der Außenseite des Übergangsbauteils und/oder an dem mindestens einen Halteelement im Inneren des Übergangsbauteils angeordnet, insbesondere eingedruckt, wobei das Messelement eine Temperatur und/oder eine Längenveränderung des Übergangsbauteils misst.
Unter eingedruckt wird hier verstanden, dass das mindestens eine Messelement während des Druckens des ersten Materialstücks und/oder des zweiten Materialstücks an der jeweils gewünschten Stelle positioniert, von dem geschmolzenen Material zumindest teilweise umgeben und bei Abkühlen des geschmolzenen Materials in der Schicht unlösbar befestigt wird. Bei Ausbilden des mindestens einen Halteelementes kann das mindestens eine Messelement zusammen mit dem zweiten Material (als Pulver oder als Schmelze) in den Hohlraum eingebracht und dort bei Aushärten des geschmolzenen zweiten Materials unlösbar mit dem mindestens einen Halteelement verbunden werden.
Bevorzugt wird ein Abdichtungsbauteil, insbesondere eine Stahldichtleiste, an der Außenseite des Übergangsbauteils angeordnet, wobei das Abdichtungsbauteil derart angeordnet ist, dass es einen Grenzbereich überdeckt. Der Grenzbereich stellt einen Bereich dar, in dem das erste Materialstück an das zweite Materialstück angrenzt.
Das Abdichtungsbauteil dichtet den Grenzbereich zusätzlich gegen ein Austreten des kryogenen Fluids ab. Das Abdichtungsbauteil kann beispielsweise durch Verschrauben, Verkleben, etc., an der Außenseite des Übergangsbauteils befestigt werden.
Bevorzugt wird eine thermische Isolierung an der Innenseite des Übergangsbauteils und/oder an der Außenseite des Übergangsbauteils angeordnet.
Die thermische Isolierung, beispielsweise die isolierende Struktur mit Hohlräumen, ist mit der Innenseite und/oder mit der Außenseite des Übergangsbauteils stoffschlüssig verbunden. Einerseits kann die thermische Isolierung beispielsweise durch Kleben mit dem Übergangsbauteil verbunden werden. Andererseits kann die thermische Isolierung an die Innenseite und/oder an die Außenseite angedruckt werden.
Alternativ kann die thermische Isolierung mittels des additiven Fertigungsverfahrens einstückig mit dem Übergangsbauteil gedruckt werden. Dazu wird das Material der thermischen Isolierung an der gewünschten Stelle positioniert, und zusammen mit dem ersten Materialstück und/oder dem zweiten Materialstück geschmolzen und schichtweise aufgebaut, so dass die Struktur der thermischen Isolierung präzise ausgebildet werden kann. Ferner wird dadurch die thermische Isolierung mit dem Übergangsbauteil stoffschlüssig verbunden und einstückig mit diesem ausgebildet.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
Figurenliste

1 zeigt schematisch eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Übergangsbauteils in einer Längsschnittansicht.
2 zeigt schematisch eine weitere bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Übergangsbauteils in einer Längsschnittansicht.
3 zeigt schematisch eine weitere bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Übergangsbauteils mit Isolierung in einer Längsschnittansicht.

Identische Bezugszeichen in den Figuren bezeichnen gleiche oder baugleiche Elemente und werden nicht jedes Mal gesondert erläutert.
In 1 ist eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Übergangsbauteils in einer Längsschnittansicht gezeigt und mit 1 bezeichnet.
Das Übergangsbauteil 1 weist ein erstes Materialstück 10 und ein zweites Materialstück 20 auf. Das erste Materialstück 10 besteht aus Stahl und das zweite Materialstück 20 besteht aus Aluminium. Das Übergangsbauteil 1 bzw. das erste Materialstück 10 und das zweite Materialstück 20 weisen eine Hohlzylinderform mit einer radial innenliegenden Innenseite 2 und einer radial außenliegenden Außenseite 3 auf. Ferner weist das zweite Materialstück 20 zwei Halteelemente 30 auf, wobei sich jedes der Halteelemente 30 von dem zweiten Materialstück 20 in das erste Materialstück 10 formschlüssig erstreckt. Es wäre auch denkbar, dass ein Halteelement 30 von dem ersten Materialstück 10 und ein anderes Halteelement 30 von dem zweiten Materialstück 20 ausgeht.
Die Halteelemente 30 bestehen hier ebenfalls aus Aluminium. Die Halteelemente 30 weisen eine dreidimensionale Tannenbaumstruktur auf, wobei die Tannenbaumstruktur eine Vielzahl von Verzahnungen 35 aufweist. Mit den Verzahnungen 35 der Tannenbaumstruktur greifen die Halteelemente 30 in das erste Materialstück 10 ein und sind mit diesem derart verzahnt, dass die Halteelemente 30 unlösbar mit dem ersten Materialstück 10 verbunden sind.
Das Übergangsbauteil 1 dient dazu, beispielsweise in einer kryogenen Anlage ein Stahlrohr mit einem Aluminiumrohr zu verbinden. Dazu wird das Stahlrohr mit dem aus Stahl bestehenden ersten Materialstück 10 und das Aluminiumrohr mit dem aus Aluminium bestehenden zweiten Materialstück 20 verbunden, insbesondere verschweißt. Das Übergangsbauteil 1 ist dabei in der Lage, das kryogene Fluid von dem einen Rohr, z.B. Stahlrohr, in das andere Rohr, z.B. Aluminiumrohr, zu leiten. Auf Grund der formschlüssigen Verbindung der Halteelemente 30 mit dem ersten Materialstück 10 ist die Verbindung des ersten Materialstücks 10 mit dem zweiten Materialstück 20 unlösbar und dicht, so dass kein kryogenes Fluid auslaufen kann.
Ferner wird das Übergangsbauteil 1 bzw. die Halteelemente 30 beispielsweise von dem das Übergangsbauteil 1 durchfließenden kryogenen Fluid abgekühlt, wodurch sich die Halteelemente 30 zusammenziehen und das erste Materialstück 10 und das zweite Materialstück 20 aufeinander zu bewegen. Dies sorgt für eine zusätzliche Abdichtung zwischen dem ersten Materialstück 10 und dem zweiten Materialstück 20.
Das Übergangsbauteil 1 weist zudem ein Messelement 100 auf, das in der Lage ist, die Temperatur zu messen. Das Temperaturmesselement 100 ist in dem zweiten Materialstück 20 derart angeordnet, dass es in der Nähe der Außenseite 3 positioniert ist. Ferner ist das Temperaturmesselement 100 relativ nah an einem Grenzbereich angeordnet, wobei der Grenzbereich einen Bereich darstellt, in dem das erste Materialstück 10 an das zweite Materialstück 20 angrenzt.
Fließt beispielsweise ein kryogenes Fluid durch das Übergangsbauteil 1, kühlt sich die Innenseite 2 des Übergangsbauteils 1 ab. Es besteht somit ein Temperaturunterschied zwischen der Innenseite 2 und der Außenseite 3 des Übergangsbauteils. Sollte das Temperaturmesselement 100 eine Temperatur messen, die annähernd oder gleich der Temperatur des kryogenen Fluids ist, könnte dies darauf schließen lassen, dass das Übergangsbauteil 1 undicht ist und kryogenes Fluid austritt.
In 2 ist eine weitere bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Übergangsbauteils 1a in einer Längsschnittansicht gezeigt. Das Übergangsbauteil 1a unterscheidet sich von dem Übergangsbauteil 1 dadurch, dass der Innendurchmesser des zweiten Materialstücks 20 größer als der Innendurchmesser des ersten Materialstücks 10 ist, wobei das erste Materialstück 10 im Grenzbereich zunächst einen größeren Innendurchmesser aufweist und sich anschließend konisch verjüngt. Dieses Übergangsbauteil 1a dient zur Verbindung eines Aluminiumrohres mit einem Stahlrohr, wobei der Innendurchmesser des Aluminiumrohres größer ist als der Innendurchmesser des Stahlrohres.
Die Halteelemente 30 erstrecken sich in das erste Materialstück 10, wobei die dreidimensionale Struktur der Halteelemente 30 an die Verjüngung des ersten Materialstücks 10 angepasst ist.
Ferner weist das Übergangsbauteil 1a ein Abdichtungsbauteil 40 in Form einer Stahldichtleiste auf. Die Abdichtungsbauteil 40 ist an der Außenseite 3 des Übergangsbauteils 1a derart angeordnet, dass es den Grenzbereich, in dem das erste Materialstück 10 an das zweite Materialstück 20 angrenzt, überdeckt. Das Abdichtungsbauteil 40 dichtet beispielsweise den Grenzbereich zusätzlich gegen ein Austreten des kryogenen Fluids ab. Das Abdichtungsbauteil 40 ist in dieser Ausführungsform mit dem Übergangsbauteil 1a verklebt. Es kann jedoch beispielsweise auch durch Verschrauben an dem Übergangsbauteil 1a befestigt werden.
Sowohl das Übergangsbauteil 1 als auch das Übergangsbauteil 1a können durch ein additives Fertigungsverfahren, insbesondere selektives Laserschmelzen, gefertigt werden. Dabei wird zunächst das erste Materialstück 10 schichtweise gedruckt bzw. aufgebaut, wobei das erste Material, hier Stahl, durch den Laser bei 1400°C bis 1600°C geschmolzen wird. Das erste Materialstück 10 wird derart gedruckt, dass eine hohlraumbildende dreidimensionale Struktur im ersten Materialstück 10 bereitgestellt wird.
Dann wird das erste Materialstück 10 auf eine Temperatur, beispielsweise unter 600°C, abgekühlt, die gleich oder kleiner als die Schmelztemperatur des zweiten Materials, hier Aluminium, ist. Einerseits führt dies dazu, dass der Stahl bei dieser (niedrigeren) Temperatur in einem festen Zustand vorliegt und nicht erneut geschmolzen wird, was dazu führen würde, dass die Form des ersten Materialstücks 10 und/oder die hohlraumbildende Struktur negativ verändert werden würde. Andererseits führt dies dazu, dass bei dieser Temperatur keine porösen oder brüchigen intermetallischen Phasen zwischen Stahl und Aluminium gebildet werden, wodurch das mindestens eine Halteelement 30 eine geringere Stabilität aufweisen könnte.
Anschließend wird Aluminium in die mindestens eine dreidimensionale Struktur eingebracht, entweder als Pulver oder als Schmelze, und das mindestens eine Halteelement 30 aus Aluminium in der mindestens einen hohlraumbildenden dreidimensionalen Struktur in dem ersten Materialstück 10 ausgebildet. Das mindestens eine Halteelement 30 wird dabei formschlüssig mit dem ersten Materialstück 10 verbunden bzw. verzahnt, so dass das erste Halteelement 30 nicht mehr aus dem ersten Materialstück 10 entfernt werden kann.
Die hohlraumbildende dreidimensionale Struktur entspricht der „Negativstruktur“ der dreidimensionalen Struktur des mindestens einen Halteelementes 30, da der Hohlraum der hohlraumbildenden dreidimensionalen Struktur durch Aluminium vollständig ausgefüllt wird, d.h. die „Negativstruktur“ gibt die Struktur des Halteelementes 30 vor.
Dann wird das zweite Materialstück 20 aus Aluminium auf das erste Materialstück 10 gedruckt. Dabei verbindet sich das zweite Materialstück 20 beim Drucken auf das erste Materialstück 10 mit dem mindestens einen Halteelement 30 in dem ersten Materialstück 10 stoffschlüssig. Da das mindestens eine Halteelement 30 formschlüssig mit dem ersten Materialstück 10 verbunden ist, wird somit über das mindestens eine Halteelement 30 das erste Materialstück 10 mit dem zweiten Materialstück 20 unlösbar verbunden.
Zusätzlich kann durch das Verfahren beispielsweise das Messelement 100, wie in 1 gezeigt, im inneren des zweiten Materialstücks 20 eingedruckt werden. Dabei wird das Messelement 100 während des Druckens des zweiten Materialstücks 20 an der gewünschten Stelle positioniert, von dem geschmolzenen Aluminium zumindest teilweise umgeben und bei Abkühlen des Aluminiums in der Schicht unlösbar befestigt.
In 3 ist schematisch eine weitere bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Übergangsbauteils 1b in einer Längsschnittansicht gezeigt. Das Übergangsbauteil 1b unterscheidet sich von den Übergangsbauteilen 1 und 1a dadurch, dass die Struktur der Halteelemente 30 eine Rippenform aufweist.
Das Übergangsbauteil 1b weist an der Innenseite 2 eine innere thermische Isolierung 50 auf, die derart an der Innenseite 2 angeordnet ist, dass sie den Grenzbereich, in dem das erste Materialstück 10 an das zweite Materialstück 20 angrenzt, überdeckt. Zudem weist das Übergangsbauteil 1b auf der Außenseite 3 eine äußere thermische Isolierung 60 auf, die ebenfalls derart angeordnet ist, dass sie den Grenzbereich überdeckt. Die innere Isolierung 50 sowie die äußere Isolierung 60 sind hier aus Teflon, einem tieftemperaturbeständigen Kunststoff, gebildet.
Sowohl die innere Isolierung 50 als auch die äußere Isolierung 60 weisen eine Wabenstruktur 70 mit einer Vielzahl von hexagonalen Hohlräumen 55 und 65 auf. In dieser Ausführungsform sind die Hohlräume 55 der inneren Isolierung 50 kleiner als die Hohlräume 65 der äußeren Isolierung, jedoch ist auch möglich, die Hohlräume 55 der inneren Isolierung 50 größer als die Hohlräume 65 der äußeren Isolierung oder in der gleichen Größe auszubilden. Die Hohlräume 55 und 65 weisen in dieser Ausführungsform ein Vakuum auf. Alternativ könnten die Hohlräume 55 der inneren Isolierung 50 und/oder die Hohlräume 65 der äußeren Isolierung 60 mit Luft oder Luftgasen, wie Stickstoff, Sauerstoff, Argon und Kohlenstoffdioxid, oder mit Methan oder Erdgas gefüllt sein. Die Hohlräume 55, 65 der Wabenstruktur sind ferner zumindest zum Teil elastisch, so dass sie sich einer Volumenänderung des Vakuums bzw. der Gase anpassen können.
Die innere Isolierung 50 isoliert die Innenseite 2 des Übergangsbauteils 1b gegen das das Übergangsbauteil 1b durchströmdende kryogene Fluid, wodurch insbesondere mechanische Spannungen zwischen der Innenseite 2 und der Außenseite 3 des Übergangsbauteils 1b reduziert werden.
Die äußere Isolierung 60 isoliert die Außenseite 3 des Übergangsbauteils 1b gegen die umgebende Außentemperatur. Eine Erwärmung des Übergangsbauteils 1b von außen könnte beispielsweise das mindestens eine Halteelement 30 erwärmen, wodurch sich das mindestens eine Halteelement 30 ausdehnen könnte. Dadurch könnte die Verbindung zwischen dem ersten Materialstück 10 und dem zweiten Materialstück 20 zumindest zum Teil weniger dicht werden.
Alternativ kann die innere Isolierung 50 und/oder die äußere Isolierung 60 mittels des additiven Fertigungsverfahrens einstückig mit dem Übergangsbauteil 1b gedruckt werden. Dazu wird das Material der inneren Isolierung 50 und/oder der äußeren Isolierung 60 an der gewünschten Stelle positioniert, und zusammen mit dem ersten Materialstück 10 und/oder dem zweiten Materialstück 20 geschmolzen und schichtweise aufgebaut, so dass die Struktur der inneren Isolierung 50 und/oder der äußeren Isolierung 60 präzise ausgebildet werden kann. Ferner wird dadurch die innere Isolierung 50 und/oder die äußere Isolierung 60 mit dem Übergangsbauteil 1b stoffschlüssig verbunden und einstückig mit diesem ausgebildet.
Es versteht sich, dass die bevorzugten Ausführungsformen gemäß 1,2 und/oder 3 auch kombiniert werden können. Beispielsweise können das erste Materialstück 10 und das zweite Materialstück 20 gleiche Innendurchmesser aufweisen, wobei ein Abdichtungsbauteil 40 an der Außenseite 3 des Übergangsbauteils 1 angeordnet ist. In einem weiteren Beispiel könnte ein Übergangsbauteil 1 ein Abdichtungsbauteil 40 an der Außenseite 3 des Übergangsbauteils 1 und eine innere Isolierung 50 an der Innenseite 2 des Übergangsbauteils 1 aufweisen.

Claims

Übergangsbauteil (1, 1a, 1b) zur Verbindung von Bauteilen einer chemischen oder verfahrenstechnischen Anlage, wobei das Übergangsbauteil (1, 1a, 1b) ein erstes Materialstück (10) aus einem ersten Material und ein zweites Materialstück (20) aus einem zweiten Material aufweist, wobei das erste Material und das zweite Material nicht durch Schmelzschweißen miteinander verbindbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass zur Verbindung des ersten Materialstücks (10) mit dem zweiten Materialstück (20) mindestens ein Halteelement (30) verwendet wird, wobei das mindestens eine Halteelement (30) aus dem ersten Material besteht und sich ausgehend vom ersten Materialstück (10) in das zweite Materialstück (20) formschlüssig erstreckt und/oder das mindestens eine Halteelement (30) aus dem zweiten Material besteht und sich ausgehend vom zweiten Materialstück (20) in das erste Materialstück (10) formschlüssig erstreckt.
Übergangsbauteil (1, 1a, 1b) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Haltelement (30) eine dreidimensionale Struktur aufweist.
Übergangsbauteil (1, 1a, 1b) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die dreidimensionale Struktur des mindestens einen Halteelements (30) eine Wendelform, eine Form mit zumindest einem Sägezahnprofil wie eine Tannenbaumform, eine Rippen-, eine T-Profil-, eine Spiral- oder eine Helixform oder eine Schwalbenschwanzform aufweist.
Übergangsbauteil (1, 1a, 1b) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Material Stahl oder rostfreier Stahl und das zweite Material Aluminium oder eine Aluminiumlegierung ist.
Übergangsbauteil (1, 1a, 1b) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Übergangsbauteil (1, 1a, 1b) mindestens ein Messelement (100) aufweist, wobei das mindestens eine Messelement (100) eine Temperatur und/oder eine Längenveränderung des Übergangsbauteils (1, 1a, 1b) misst.
Übergangsbauteil (1, 1a, 1b) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Messelement (100) an einer Innenseite (2) des Übergangsbauteils (1, 1a, 1b), an einer Außenseite (3) des Übergangsbauteils (1, 1a, 1b) oder an dem mindestens einen Halteelement (30) im Inneren des Übergangsbauteils (1, 1a, 1b) angeordnet ist.
Übergangsbauteil (1, 1a, 1b) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Übergangsbauteil (1, 1a, 1b) ein Abdichtungsbauteil (40), insbesondere eine Stahldichtleiste, aufweist, wobei das Abdichtungsbauteil (40) an der Außenseite (3) des Übergangsbauteils (1, 1a, 1b) angeordnet ist, wobei das Abdichtungsbauteil (40) derart angeordnet ist, dass es einen Grenzbereich überdeckt, wobei der Grenzbereich einen Bereich darstellt, in dem das erste Materialstück (10) an das zweite Materialstück (20) angrenzt.
Übergangsbauteil (1, 1a, 1b) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an der Innenseite (2) des Übergangsbauteils (1, 1a, 1b) und/oder an der Außenseite (3) des Übergangsbauteils (1, 1a, 1b) eine thermische Isolierung (55, 65) angebracht ist.
Übergangsbauteil (1, 1a, 1b) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Isolierung (55, 65) eine Struktur mit Hohlräumen, insbesondere eine Wabenstruktur aufweist.
Verfahren zur Herstellung eines Übergangsbauteils (1, 1a, 1b) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das Verfahren umfasst: - Drucken des ersten Materialstücks (10) aus einem ersten Material durch ein additives Fertigungsverfahren, wobei mindestens eine hohlraumbildende dreidimensionale Struktur in dem ersten Materialstück (10) bereitgestellt wird; - Abkühlen des ersten Materialstücks (10) auf eine Temperatur, die gleich oder kleiner als die Schmelztemperatur des zweiten Materials ist; - Einbringen eines zweiten Materials in die mindestens eine dreidimensionale Struktur; - Ausbilden mindestens eines Halteelements (30) aus dem zweiten Material in der mindestens einen hohlraumbildenden dreidimensionalen Struktur in dem ersten Materialstück (10); - Drucken des zweiten Materialstücks (20) aus dem zweiten Material auf das erste Materialstück (10).
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Material als Pulver in die dreidimensionale Struktur eingebracht und dort geschmolzen wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Material als Schmelze in die dreidimensionale Struktur eingebracht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Messelement (100) an der Innenseite (2) des Übergangsbauteils (1, 1a, 1b), an der Außenseite (3) des Übergangsbauteils (1, 1a, 1b) und/oder an dem mindestens einen Halteelement (30) im Inneren des Übergangsbauteils (1, 1a, 1b) angeordnet, insbesondere eingedruckt, wird, wobei das Messelement (100) eine Temperatur und/oder eine Längenveränderung des Übergangsbauteils (1, 1a, 1b) misst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abdichtungsbauteil (40), insbesondere eine Stahldichtleiste, an der Außenseite (3) des Übergangsbauteils (1, 1a, 1b) angeordnet wird, wobei das Abdichtungsbauteil (40) derart angeordnet ist, dass es einen Grenzbereich überdeckt, wobei der Grenzbereich einen Bereich darstellt, in dem das erste Materialstück (10) an das zweite Materialstück (20) angrenzt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass eine thermische Isolierung (50, 60) an der Innenseite (2) des Übergangsbauteils (1, 1a, 1b) und/oder an der Außenseite (3) des Übergangsbauteils (1, 1a, 1b) angeordnet wird.