Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Simulation der Betriebsbeanspruchungen einer Bauteilverbindung mit einem als kreisförmige Scheibe ausgebildeten Testkörper, der in seinem zentralen Innenbereich von mehreren Hohlzylindern durchsetzt ist, die im Bereich der Scheibendicke mit Hülsen oder Hohlstopfen verbunden sind, wobei durch eine im Außenbereich des Testkörpers eingeleitete Kraft ein den Betriebsbeanspruchungen entsprechender Spannungszustand im Innenbereich entsteht.

Bei einem derartigen Verfahren wird der Spannungszustand durch sechs am Umfang gleichmäßig verteilte und an der Umfangsfläche angreifende Hydraulikzylinder mit entsprechend großem apparativen Aufwand erzeugt. Neben dem großen apparativen Aufwand weist dieses Verfahren den großen Nachteil auf, daß der Verzerrungszustand des Testkörpers zu ungleichmäßig wird, da die Kräfte nicht gleichmäßig am Umfang, sondern nur in sechs diskreten Punkten eingeleitet werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, mit dem auf einfache Weise eine gleichmäßige Krafteinleitung vom Umfang des Testkörpers her erfolgt.

Gelöst wird die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch, daß die Scheibe des Testkörpers im Außenbereich durch gleichmäßigen Wärmeeintrag beheizt wird, während der Innenbereich gekühlt wird.

Durch die behinderte Wärmedehnung zwischen dem beheizten Außenbereich und dem gekühlten Innenbereich der Scheibe wird im gelochten Innenbereich ein Zugspannungszustand erzeugt.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind in den das Verfahren betreffenden Unteransprüchen angegeben.

Eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, daß dem Außenbereich des Testkörpers eine elektrische Widerstandsheizung und eine Wärmeisolierung zugeordnet ist, und daß der Innenbereich vom Außenbereich durch als Kühlkanäle dienende Hohlzylinder abgegrenzt ist.

Damit läßt sich die Wärme des Außenbereichs zuverlässig gegen den auf einer niedrigen Temperatur zu haltenden Innenbreich abgrenzen.

Vorzugsweise wird ein gleichmäßiger Wärmeeintrag durch die Anordnung der elektrischen Widerstandsheizung an der Umfangsfläche des Außenbereiches erzielt.

Zur Ermittlung der Tangentialdehnung wird vorgesehen, daß der Innenumfangsfläche des Hohlstopfens oder der Hülse im Bereich ihrer Verbindung mit dem Hohlzylinder ein Dehnungsmeßstreifen zugeordnet ist.

Damit macht man sich die Tatsache zu Nutzen, daß die an der Hohlstopfen- bzw. Hülseninnenseite gemessenen Tangentialdehnungswerte mit den bekannten Spannungs- und Dehnungsbeziehungen eindeutig auf die entsprechenden Dehnungen in der Kontaktzone zwischen Hohlzylinder und Scheibe bzw. zwischen Hohlzylinder und Hohlstopfen oder Hülse umgerechnet werden können.

Um die Reproduzierbarkeit der Dehnungswerte bei verschiedenen Simulationsvorgängen sicherzustellen, soll der Dehnungsmeßstreifen bei allen Hohlstopfen stets die gleiche Position einnehmen.

Anhand eines Ausführungsbeispiels wird die Simulation der Betriebsbeanspruchungen für den Rohrboden eines Dampferzeugers beschrieben.

Dabei zeigt:

• Figur 1 einen Testkörper in einem Halbschnitt entlang der Linie I-I der Figur 2 und
• Figur 2 eine Ansicht in Pfeilrichtung II der Figur 1.

Das Verfahren und die Einrichtung wird nach dem Ausführungsbeispiel zur Simulation der Betriebsbeanspruchungen eingesetzt, die in Betriebs-, Prüf- und ggf. auch Störfällen auf die bei Dampferzeuger-Reparaturen im Rohrbodenbereich ausgeführten Walzverbindungen wirken. Defekte Dampferzeugerrohre werden hier häufig durch Einwalzen eines Hohlstopfens verschlossen oder die schadhafte Stelle wird durch Einwalzen einer Hülse überbrückt. Die Verbindung zwischen der Hülse bzw. dem Hohlstopfen und dem Dampferzeugerrohr kann neben Walzen, Schrumpfen oder sonstigen federnden Verspannungen auch durch Schweißen, Löten, Kleben oder dergleichen hergestellt sein. Die bestehende Verbindung zwischen einer Hülse bzw. einem Hohlstopfen und einem Dampferzeugerrohr muß z. B. bei einer Temperatur von mehr als 300 °C einem primärseitigen Druck von 228 bar und einem sekundärseitigen Druck von 106 bar ohne Leckageverluste standhalten. Diese Druckdifferenz führt beim Betrieb des Dampferzeugers an der Unterseite des Dampferzeuger-Rohrbodens, also im Einwalzbereich der Hohlstopfen bzw. der Hülsen, zu Druck- bzw. Zugspannungen. Da beim jungfräulich eingewalzten Hohlstopfen bzw. der Hülse oder des Damperzeugerrohres die durch das Einwalzen aufgebauten tangentialen Eigendruckspannungen erfahrungsgemäß nur knapp unterhalb der Fließgrenze des Materials liegen, bewirken Druckspannungen im Rohrboden und die damit verbundene Erhöhung der Druckspannungen im Stopfen eine plastische Verformung der Stopfenwand, die sich nach Entlastung als plastische Rückstauchung der Walzverbindung und damit als Verringerung der Gesamtverspannung äußert.

Mit dem nachfolgend beschriebenen Verfahren und der dazu vorgesehenen Einrichtung werden derartige Belastungsfälle simuliert um die Zuverlässigkeit der Verbindungen im praktischen Betrieb zu gewährleisten.

Ein Testkörper 1 besteht aus einer kreisförmigen Scheibe 2, deren Zentrum von neunzehn Bohrungen 3 durchsetzt ist. In jede Bohrung ist ein Hohlzylinder 4, 4a über die Scheibendicke, die ca. 50 mm beträgt, eingewalzt. In die sieben inneren Hohlzylinder 4 ist jeweils ein Hohlstopfen 5 mit einem vorgebbaren Einwalzbereich 6 eingewalzt. Die geometrische Anordnung der Bohrungen 3 sowie die Abmessungen der Hohlzylinder 4, 4a bzw. der Hohlstopfen 5 und die Einwalztechnik entspricht den Bedingungen bei den zu simulierenden Walzverbindungen im Dampferzeuger-Rohrboden, wobei die Hohlzylinder 4, 4a den Damperzeugerrohren gleichzusetzen sind. Die sieben mit Hohlstopfen 5 bestückten Hohlzylinder 4 bilden einen Innenbereich 7 des Testkörpers 1, der von dem Außenbereich 8 des Testkörpers 1 durch die äußeren nicht mit Hohlstopfen bestückten Hohlzylinder 4a getrennt ist. Einer Umfangsfläche 9 der ca. 300 mm im Durchmesser aufweisenden Scheibe 2 ist eine elektrische Widerstandsheizung 10 zugeordnet. Die Widerstandsheizung und der restliche Teil des Außenbereiches 8 sind mit einer Isolierung 11 zur Vermeidung von Wärmeverlusten versehen.

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird der Außenbereich 8 erwärmt, während der Innenbereich 7 mittels durch die äußeren Hohlzylinder 4a strömenden Kühlwassers (Pfeilrichtung 12) gekühlt wird. Der Einsatz von Hohlzylindern 4a als Kühlkanäle ist nicht zwingend erforderlich. Stattdessen können unmittelbar in die Bohrungen 3 nicht dargestellte Fittinge eingeschraubt werden, an die sich eine Kühlwasserversorgung anschließen läßt. Durch die behinderte Wärmedehnung zwischen dem beheizten, von einer Isolierung 11 umgebenen Außenbereich 8 und dem gekühlten Innenbereich 7 der Scheibe 2 wird im gelochten Innenbereich 7 ein Zugspannungszustand erzeugt, der sich durch Regelung der Beheizung feinfühlig an die jeweiligen Sollbelastungszustände anpassen läßt. Je nach dem zu simulierenden Spannungszuständ im Innenbereich 7 treten Temperaturdifferenzen bis zu ca. 300 °C zwischen dem Innenbereich 7 und dem Außenbereich 8 auf, deren Verlauf durch mehrere in radialer Richtung im Testkörper 1 angeordnete Temperaturfühler 13 überwacht wird. Mit der vorübergehenden Erzeugung eines Zugspannungszustandes im Innenbereich 7 des Testkörpers 1 erfolte eine elastische Aufweitung der Bohrungen 3 des Innenbereiches 7, sodaß sich die eingangs erwähnte bleibende plastische Rückstauchung des Hohlstopfens 5 an der Unterseite des Rohrbodens eindeutig simulieren läßt.

Da die Lochgeometrie des Innenbereiches 7 mit der des wirklichen Dampferzeuger-Rohrbodens übereinstimmt, stellt sich die Spannungs- und Dehnungsverteilung im Stegbereich zwischen den Bohrungen, insbesondere die Spannungs- und Dehnungsüberhöhung am Bohrungsrand, zwangsläufig richtig ein.

Zur überwachung des Dehnungszustandes des Innenbereiches 7 ist in jeden Hohlstopfen 5, jeweils in der mitte des Einwalzbereiches 6 in Umfangsrichtung ein Dehnungsmeßstreifen 14 eingeklebt, wobei die azimutale Position im Hinblick auf Reproduzierbarkeit der Meßwerte gegenüber einer Nachbarbohrung gewählt wird. Die an dieser leicht zugängigen Stelle ermittelten tangentialen Dehnungsmeßwerte lassen sich unter Verwendung der bekannten Spannungs- und Dehnungsbeziehungen eindeutig auf die entsprechenden Dehnungen in den Kontaktzonen umrechnen.

Sobald der entsprechende Sollwert der Betriebsbelastung mit der Simulation stationär erreicht ist, können die für die Qualifikation der Walzverbindung erforderlichen Untersuchungen, wie Dichtheitsuntersuchung durch Heliumlecktest oder hydraulische Auspreßversuche des Hohlstopfens, durchgeführt werden. Die dazu erforderlichen Anschlußverbindungen und Aggregate sind aus Gründen der vereinfachten Darstellung ebensowenig dargestellt wie die Anschlüsse für die Kühlwasserversorgung.

• 1 Testkörper
• 2 Scheibe
• 3 Bohrung
• 4, 4a Hohlzylinder
• 5 Hohlstopfen
• 6 Einwalzbereich
• 7 Innenbereich
• 8 Außenbereich
• 9 Umfangsfläche
• 10 Widerstandsheizung
• 11 Isolierung
• 12 Pfeilrichtung
• 13 Temperaturfühler
• 14 Dehnungsstreifen