Autofrettage

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Als Autofrettage (frz.: Selbst beringt) bezeichnet man ein Verfahren zur Festigkeitssteigerung von Rohrleitungen für den Einsatz bei hohen und pulsierenden Innendrücken. Dabei wird das Rohr bereits nach seiner Herstellung einem über dem späteren Betriebsdruck und über der Streckgrenze liegenden Innendruck ausgesetzt, so dass die Bereiche an der Innenwand plastifizieren. Nach dem Entspannen entstehen in diesem Bereich Druckeigenspannungen, die einer Rissbildung im späteren Einsatz vorbeugen und somit die Zeitfestigkeit bis hin zur Dauerfestigkeit steigern. Die Rohre können mit dieser Behandlung entweder bei einem höheren Betriebsdruck oder/und längere Zeit betrieben werden als ohne Autofrettage-Behandlung.

Geschichte[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die Autofrettage hat ihren Ursprung in der Waffenentwicklung. Das Ziel bei der Konstruktion von Waffenrohren war, immer höhere Gasdrücke zu erreichen, um so schwerere Geschosse oder diese mit höherer Mündungsgeschwindigkeit abfeuern zu können. Zunächst wurde versucht, homogene Rohre durch größere Wanddicken zu verstärken, was aber nur begrenzt wirkt, denn irgendwann hat die Materialstärke des Rohres kaum Einfluss auf die Belastung der Rohrinnenwand. In der Mitte des 19. Jahrhundert erkannte man, dass äußerer Druck auf das Rohr dem Expansionsdruck der Pulvergase entgegenwirkt. Auf diesem Prinzip entwickelte Daniel Treadwell in den 1840er-Jahren die ersten Mehrlagenrohre. Hier wurden Stahlmäntel (Mantelrohr), Stahlringe (Ringrohr), bzw. Kombinationen von beiden (Mantelringrohr) oder Stahldraht bzw. -band (Drahtrohr) auf das Seelenrohr aufgeschrumpft. Thomas Jackson Rodman wählte ab 1847 parallel einen anderen Weg. Er erzeugte die Eigenspannung beim Gießprozess der Geschützrohre. Während die äußere Schicht erhitzt wurde, sorgte eine Wasserkühlung für niedrigere Temperaturen im Inneren. In den frühen 1900er-Jahren machte der französische Artillerieoffizier L. Jacob Versuche mit Geschützrohren, bei denen die Eigenspannung mittels hohem Druck von innen erzeugt wurde. Der Prozess wurde bereits 1909 von L. B. Turner am King’s College mathematisch beschrieben. Zuerst wurde die Autofrettage bei der Geschützfabrikation 1923 in Frankreich eingesetzt und die Methode fand rasch eine weite Verbreitung.[1]

Autofrettage-Effekt[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

a: Rohr im homogenen Ausgangszustand
b: pulsierender Druck wird auf die Innenseite bis zur Verformung ausgeübt
c: nach dem Druckabbau bleibt Eigenspannung im Material

Der Effekt der Autofrettage beruht auf der wechselseitigen Beziehung der plastifizierten inneren und der elastisch verformten äußeren Zone. Diese wird von der inneren plastisch verformten Zone daran gehindert, wieder ihre ursprüngliche Form einzunehmen, sie bleibt gedehnt. Dies erklärt die auftretenden Zugspannungen in der äußeren Schicht. Die innere plastisch verformte Schicht wiederum wird von der zurückfedernden äußeren Schicht zusammengedrückt oder auch -gepresst. Dies erklärt die hier auftretenden Druckspannungen. Einer der Vorteile bei späterem Betrieb mit Innendruck ist nun der, dass die durch den im Betrieb aufgebrachten Innendruck an der Randfaser (= innerste Schicht des Rohres) auftretenden Spannungsspitzen durch die bereits vorhandenen Druckspannungen aus der Autofrettage kompensiert werden.[2]

Verfahren[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Beim Autofrettage-Verfahren wird das Rohr mit einer Flüssigkeit gefüllt, anschließend werden die Rohrenden dicht verschlossen. Meist geschieht dies mit hochfesten aufgeschraubten Kappen und speziellen Hydraulikflüssigkeiten. Wasser wird wegen Korrosionsproblemen nur vereinzelt verwendet.

Nun bringen Pumpen meist über Druckübersetzer den benötigten Druck auf. Nach kurzer Haltezeit kann wieder entlastet werden. Der Prozess stellt hohe Anforderungen an die Pumpen-, Druckübersetzer- und Messtechnik, da im Einzelfall Drücke bis 15.000 bar sicher erzeugt werden müssen. Weiterhin ist eine genaue Kenntnis des plastischen Verhaltens des Rohrwerkstoffes erforderlich, um einerseits den gewünschten Effekt auszureizen, aber andererseits eine Überbeanspruchung oder gar ein Bersten der Leitung zu verhindern.

Anwendungsgebiete[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die Autofrettage wurde bereits sehr früh zur Zeitfestigkeitssteigerung von Geschützen verwendet, später unter anderem von der Firma Rheinmetall für die 120-mm-Glattrohrkanone des Leopard-2-Kampfpanzers.

Weitere Anwendungsgebiete sind:

Siehe auch[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Kugelstrahlen

Literatur[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Weblinks[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Einzelnachweise[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  1. Uday S Dixit, Seikh Mustafa Kamal, Rajkumar Shufen: Autofrettage Processes: Technology and Modelling. CRC Press, 2019, ISBN 9780429757983, S. 15–16. [1]
  2. Rheinmetall Waffentechnisches Taschenbuch 1977. S. 295–297 (online, „Vollrohre mit Autofrettage“).