Die konstruktive Behandlung der Heissdampfrohrleitungen mit Berücksichtigung der Materialfrage. Von A. Reichelt, dipl. Ing. in Halle a. Saale. (Schluss von S. 662 d. Bd.) Die konstruktive Behandlung der Heissdampfrohrleitungen mit Berücksichtigung der Materialfrage. b) Die gleitenden Ausgleicher. Die gleitenden Ausgleicher können nach der Art der Dichtung unterschieden werden in Stopfbüchsenausgleicher mit Packungsdichtung und Dreh- und Gelenkflanschenausgleicher mit eingeschliffenen Dichtungsflächen. Die Stopfbüchsenausgleicher haben bei grosser Aufnahmefähigkeit geringen Raumbedarf und gewähren den Vorteil, dass die Rohrachse nicht abgelenkt zu werden braucht. Es liegen jedoch ungünstige Betriebserfahrungen mit Stopfbüchsenausgleichern vor. Um einen dampfdichten Abschluss zu erzielen, wird es notwendig, die Stopfbüchsenpackung derart scharf anzuziehen, dass sie bremsend auf das Degenrohr wirkt, bei den hohen Ueberhitzungstemperaturen brennt die Packung nun auch noch auf dem Degenrohr fest, wodurch der Zweck der Einrichtung illusorisch wird, bis schliesslich unter grossen achsialen Beanspruchungen der Rohre der gewaltsame Vorschub erfolgt, dann leidet gewöhnlich die Dichtung Schaden und ein heftiges Blasen ist die Folge. Um dem zu begegnen, muss man dazu greifen, die Packung weniger scharf anzuziehen und dabei oft ein ständiges Blasen mit in Kauf nehmen. Die Stopfbüchse bedarf also einer ständigen Wartung und häufigen Erneuerung der Packung. Bessere Erfahrungen sind in der neuesten Zeit mit Drehflanschenkonstruktionen unter Verwendung eingeschliffener Dichtungsflächen gemacht worden. Die Dichtungsflächen können entweder eben sein (Drehflanschen) oder kugelförmig (Gelenkflanschen). Im ersteren Falle ist nur eine Drehung um die Rohrachse möglich, im zweiten Falle gestattet der Ausgleicher ausserdem beliebige Schrägstellungen der Rohrachse innerhalb eines durch die Konstruktion der Kugelgelenke bedingten Kegels. Handelt es sich um höhere Ueberhitzungsgrade, so muss die sonst übliche Bronzedichtung durch eine geeignete Nickellegierung ersetzt werden, da Bronze leicht festbrennt. Das Einschleifen der Dichtungsflächen muss möglichst bei der Betriebstemperatur erfolgen. Textabbildung Bd. 321, S. 677 Fig. 11. Fig. 11 zeigt einen Kugelgelenkausgleicher der bekannten Rohrleitungsfirma Franz Seiffert & Co., Berlin. Mit einem Krümmer oder einem geraden Stutzen, dessen einer Schenkel erweitert ist, ist ein hohlkugelartig ausgebildeter Stahlgussflansch starr verbunden. In die Hohlkugel ist ein Nickelbronzesegment eingeschliffen und dieses auf einem starkwandigen Rohr befestigt. Werden nun zwei solcher Kugelgelenkflanschen durch das bereits erwähnte starkwandige Rohr, das sogenannte Zwischenrohr, verbunden, so kann sich jeder Teil der Hauptleitung frei ausdehnen, wobei das Zwischenrohr in den Kugelflächen gleitend verschiedene Schrägstellungen innerhalb bestimmter, durch die Konstruktion bedingter Grenzlagen einnehmen wird. Die in Fig. 11 sichtbaren Federn haben den Zweck, ein Absaugen des Kugelkörpers aus seinem Sitz infolge des durch das Abstellen der Leitung eintretenden Vakuums zu verhindern. Die Gangbarkeit des Ausgleichers ist eine sehr leichte, weil die Längenausdehnung der Leitung und somit die Bewegung in den Kugeln bereits beim Anwärmen eintritt und die Endstellung bereits erreicht ist, wenn der volle Dampfdruck auf den gleitenden Flächen lastet. Diese Kugelgelenkausgleicher sind bereits in zahlreichen Ausführungen im Betriebe und sollen sich gut bewährt haben. Der bayrische Kesselrevisionsverein in München hat übrigens in diesem Jahre eingehende Versuche mit Kugelgelenkausgleichern angestellt, deren Ergebnissen mit Spannung entgegengesehen wird. Textabbildung Bd. 321, S. 677 Fig. 12. a Hauptleitung; b zu entlastender Turbinenstutzen; c Ausdehnung des Rohres in Pfeilrichtung 9 mm; d Bewegung der Turbine in Pfeilrichtung 11 mm; e Bewegung der Hauptleitung in Pfeilrichtung 90 mm. Besonders geeignet sind die leicht beweglichen Kugelgelenkausgleicher für den Anschluss von Dampfleitungen an Dampfturbinen, weil von den Konstrukteuren der Dampfturbinen die Forderung gestellt wird, dass die Anschlüsse der Turbinen selbst in keiner Weise belastet werden dürfen, vielmehr die Möglichkeit der freien Ausdehnung der Turbine gewahrt bleiben muss. Fig. 12 zeigt einen solchen Anschluss wie er von Seiffert & Co. für das Elektrizitätswerk Köln-Bonntor zur Ausführung gebracht wurde. Es war hier einmal darauf zu achten, dass die Bewegung der Hauptsammelleitung, aus welcher der Dampf entnommen wird, keinen schädlichen Einfluss auf den Turbinenanschluss ausüben konnte, ferner, dass der Turbine selbst eine freie Bewegung von 11 mm senkrecht zur Achse der Hauptleitung gestattet war. Erfüllt werden diese beiden Forderungen durch den Einbau von drei Kugelgelenkausgleichern, deren Anordnung aus Fig. 12 hervorgeht. Es war ferner darauf zu achten, dass die Ausdehnung des unmittelbar an den Turbinenstutzen anschliessenden senkrechten Rohres von beträchtlicher Länge frei nach unten erfolgen konnte, damit keine schädliche Belastung des Stutzens in dieser Richtung stattfand, was dadurch erreicht wird, dass das an das Rohr anschliessende Gelenk durch eine Hebelkonstruktion mit Gewicht ausbalanciert wurde. Die Anordnung ist so gewählt, dass diese Unterstützung die Verschiebung der gesamten Anschlussleitung in der Richtung der Turbinenbewegung noch begünstigt. Um endlich die, wenn auch geringe Reibung, welche durch die Bewegung der Gelenke entsteht, bezw. die hierzu erforderliche Kraft unwirksam auf das senkrechte Anschlussrohr zu machen, wurde für dieses die Anbringung einer Führung nötig. Eine Führungsschelle läuft in einem an dem Fundament befestigten Schlitten, der so konstruiert ist, dass das Rohr mit der Schelle weder in der Richtung der Wand angezogen, noch gegen dieselbe gedrückt werden kann, dagegen hat der Fuss der Schelle den für die Bewegung der Turbine nötigen Spielraum im Schlitten, wie die Schelle auch der senkrechten Ausdehnung des Rohres ohne weiteres zu folgen vermag. Als Material für die Rohrleitungen kommen beim Betriebe mit gesättigtem Dampf: Schweisseisen, Flusseisen, Gusseisen, Stahlguss, Kupfer und dessen Legierungen vor. Geht man zum Heissdampf über, so scheiden verschiedene Materialien aus, weil sie den erhöhten Temperaturen nicht gewachsen sind. In folgendem soll das Verhalten der in Frage kommenden Materialien bei der Beanspruchung unter höheren Wärmegraden kurz besprochen werden. Am meisten Verwendung findet Flusseisen, nachdem das Aufschweissen der Stutzen und sonstige Schweissarbeiten erfahrenen Werken längst keine Schwierigkeiten mehr verursacht. Die Zugfestigkeit des Flusseisens erleidet bis zu 300° keine Einbusse, sie steigt sogar bis 300° etwas, um allerdings von da ab ziemlich rasch zu fallen, beträgt aber bei 400° immer noch 80 v. H. von der Festigkeit bei gewöhnlicher Temperatur. Anders verhält es sich mit der Zähigkeit, die in recht erheblichem Masse von der Temperatur abhängig ist. Bei der Verwendung von Schmiedeeisen bezw. Stahl für die Ausgleicher ist zu beachten, dass wir bei einer Temperatur von 300° in den Bereich der sogenannten Blaubrüchigkeit eintrefen, das Material also unter Verhältnissen verminderter Widerstandsfähigkeit beanspruchen. Es ist eine bekannte Tatsache, die schon mancher Kesselschmied beim Umbördeln zu seinem Verdruss erfahren hat, dass ihm das Blech einriss, wenn es zu weit abgekühlt war. Das Einreissen tritt dann viel leichter ein, als wenn die Bearbeitung in kaltem Zustande vorgenommen wird. Gleichsam als Warnung für den Arbeiter kann das Auftreten der blauen Anlauffarbe gelten, die bei etwa 300° erscheint, vorausgesetzt natürlich, dass sie nicht durch eine Glühspahnschicht verdeckt ist. In diesem Stadium hat dann zweckmässiger Weise jede Bearbeitung zu unterbleiben. Der Einfluss der Wärme auf die Festigkeitseigenschaften des Flusseisens ist von A. Martens (Mitteilungen aus den königlichen technischen Versuchsanstalten zu Berlin, 1890) genauer erforscht worden. Die Untersuchung erstreckte sich auf drei verschiedene Härtestufen, deren Festigkeitseigenschaften bei gewöhnlicher Temperatur durch die folgende Tabelle gekennzeichnet werden: Zugfestigkeitin k/qcm Dehnung in v. H.der Messlänge(Messlänge = 10 mm) Querschnittsver-minderung in v. H.d. urspr. Querschn. Anlie-ferungs-zustand geglüht Anlie-ferungs-zustand geglüht Anlie-ferungs-zustand geglüht Härte-stufe IIIIII 410048005280 384043704700 26,926,428,6 30,428,928,6 48,349,053,3 58,648,761,5 In Anwendung kamen folgende Wärmestufen; – 20° + 20° 100° 200° 300° 400° 500° 600°. Höhere Wärmegrade als 400° dürften in der Praxis für Konstruktionsteile, die Kräfte aufzunehmen haben, kaum in Frage kommen. Die Versuchsergebnisse sind in Fig. 13 zu Schaulinien aufgetragen und zwar die Festigkeitseigenschaften als Funktion der Wärmegrade. Den am meisten charakteristischen Verlauf zeigt die Linie q der Querschnittsverminderungen. Textabbildung Bd. 321, S. 678 Fig. 13. Sofern der Grad der Einschnürung beim Bruch des Probestabes ein Mass für die Zähigkeit darstellt, zeigt das Schaubild, dass die Zähigkeit mit zunehmender Temperatur ausserordentlich rasch fällt, bis zu 300° um von da ab ebenso rasch wieder anzusteigen. Wir stehen also bei 300° einem Zustande sehr verminderter Zähigkeit gegenüber, den man eben in der Praxis als Blaubrüchigkeit bezeichnet. Die Linie δ der Dehnungen bestätigt den Verlauf der Kurve q, wenn auch nicht in so ausgesprochener Weise, immerhin ist eine Zone verminderter Dehnbarkeit von 100° bis 300° deutlich erkennbar. Die Kurve σ der Zugfestigkeiten zeigt den entgegengesetzten Verlauf, mit abnehmender Zähigkeit und Dehnbarkeit nimmt die Zugfestigkeit zu, woraus hervorgeht, dass bei der Beurteilung der Güte eines Materiales nicht die Zugfestigkeit allein zugrunde gelegt werden darf. Die Blaubrüchigkeit ist nicht bei allen Flusseisensorten gleich stark ausgeprägt. Daher erscheint es geboten, Rohrmaterial für höhere Wärmegrade bei der Abnahme auch auf Blaubrüchigkeit zu prüfen, um solches Material, welches in besonderem Masse zur Blaubrüchigkeit neigt, von der Verwendung auszuschliessen. Die Prüfung hätte sich vornehmlich auf Schlagbiegeproben zu erstrecken, die meines Erachtens viel geeigneter sind, die Sprödigkeit erkennen zu lassen, als Zugversuche, (vergl. A. Reichelt, Beurteilung der Homogenität und Zähigkeit von Metallen, Giessereizeitung 1905.) Gusseisen kommt für Heissdampfleitungen kaum noch in Frage, auch nicht für Ventilgehäuse und dergleichen, weshalb auf das Verhalten des Gusseisens bei höheren Wärmegraden hier nicht weiter eingegangen zu werden braucht. Eine ausgedehnte Verwendung findet dagegen Stahlguss für komplizierte Teile, die sich nicht in Schmiedeeisen herstellen lassen, wie Gehäuse für Absperrorgane, Gusstücke für Kompensatoren, auch wohl Fassonstücke für die Rohrleitung, wie Stücke, Krümmer und dergleichen, obwohl man im allgemeinen bestrebt sein wird, den Einbau solcher Stücke zu vermeiden und Abzweigungen mit Hilfe von aufgeschweissten Stutzen herzustellen, wodurch die Zahl der Flanschen vermindert, die Betriebssicherheit also erhöht wird. Ueber das Verhalten des Stahlgusses bei höheren Wärmegraden hat Rudeloff bereits im Jahre 1900 Versuche angestellt. (Siehe Mitteilungen aus den königlichen technischen Versuchsanstalten 1900, Heft 6.) Von Bach liegen Versuche aus den Jahren 1903 und 1904 vor (siehe Zeitschrift des Vereins deutscher Ingenieure, Jahrgang 1903, S. 1762 und Jahrgang 1904, S. 385), deren Ergebnisse zum Teil im Schaubild Fig. 14 graphisch dargestellt sind. Textabbildung Bd. 321, S. 679 Fig. 14. Danach verhalten sich die Festigkeitseigenschaften des Stahlgusses ähnlich wie die des Flusseisens bei höheren Wärmegraden, nur dass die Maxima bezw. Minima bereits bei 200° C eintreten. Sehr lehrreich ist die Gegenüberstellung zweier verschiedener Stahlgussorten, die im Anlieferungszustande beinahe die gleichen Festigkeitseigenschaften zeigen, bei höherer Temperatur jedoch sehr bedeutend von einander abweichen. Betrachtet man wieder wie oben die Querschnittsverminderung als Mass für die Zähigkeit, so beträgt die Verminderung der Zähigkeit bei 200° C beim Material I 28,8 v. H., während die Zähigkeit des Materials II um 68,5 v. H. herabgeht. Das Material II dürfte den Betriebsanforderungen keineswegs genügen. Die Ergebnisse zeigen recht deutlich, wie wenig Aufschluss die im Anlieferungszustande ausgeführten Versuche über das Verhalten und die Zuverlässigkeit des Materials im Betriebe geben, wie falsch es im vorliegenden Falle gewesen wäre, die Auswahl auf Grund der Abnahmeversuche zu treffen, da ein unerfahrener Beurteiler womöglich das Material II gewählt haben würde auf Grund der etwas höheren Zugfestigkeit. Obwohl guter zäher Stahlguss als durchaus zuverlässig im Betriebe bezeichnet werden muss, so sollte doch bei der Auswahl sehr sorgfältig vorgegangen und möglichst auf Grund einwandfreier Warmversuche entschieden werden. Kupfer wurde früher vielfach für Rohrschleifen verwendet, wobei man die hervorragende Fähigkeit des Kupfers bleibende Formänderungen zu ertragen im Auge hatte. Konstruktiv richtiger ist es, den Ausgleicher nicht bis zu bleibenden Formänderungen zu belasten, sondern ihn so zu bemessen, dass die Bewegungen innerhalb des Bereiches der elastischen Federung vor sich gehen, was allerdings zu grösseren Abmessungen führt. Der Betrag der elastischen Federung ist für eine Rohrschleife von gegebenen Abmessungen für Kupfer viel geringer als für Stahl, denn die Proportionalitätsgrenze liegt beim Kupfer viel tiefer als bei Flusseisen. Nach den Ausführungen auf Seite 661 ist die Zusammenbiegung der Schleife (die gesamte Leistungsfähigkeit) 2\,\delta=\frac{4\,\sigma_P\,T\,\alpha}{d\cdot l}, wobei σP diejenige Höchstspannung bedeutet, die noch keine praktisch bedeutsamen bleibenden Formänderungen hervorruft. Material Dehnungszahlα Spannung an derProp.-Grenze σP a . σ Flusstahl \frac{1}{2200000} ∞ 2500 \frac{1}{880} Kupfer(ausgeglüht) \frac{1}{1200000} ∞ 400 \frac{1}{3300} Danach würde bei der kupfernen Schleife nur etwa ⅓ der grössten elastischen Federung einer gleich bemessenen Stahlschleife als elastisch zu betrachten sein, während die übrigen zwei Drittel bleibende Formänderungen zur Folge haben müssen. Hs fragt sich nun inwieweit diese frühzeitig eintretenden (oft wiederholten) bleibenden Formänderungen in der Lage sind, das an und für sich grosse Arbeitsvermögen des Kupfers allmählich zu erschöpfen, und das ursprünglich weiche und schmiegsame Material allmählich hart und spröde zu machen, so dass öfteres Ausglühen des Kompensators erforderlich würde, wenn nicht Betriebsunfälle gezeitigt werden sollen. Es bleibt allerdings dahingestellt, in welchem Masse dem Hartwerden durch die schwache Glühwirkung vorgebeugt wird, die bereits zwischen 200 und 300° eintritt. Jedenfalls wird die Stahlschleife wegen ihrer rein elastischen Formänderungsarbeit den Vorzug verdienen. Die Kupferschleife hat höchstens den Vorteil einer schwächeren achsialen Belastung des Rohrstranges wegen des kleineren Wertes der Kraft P. Nach Versuchen von Rudeloff verminderte sich die Festigkeit bei 300° um 30 v. H. und bei 400° um 52 v. H. Das Franklin-Institut ermittelt eine Abnahme der Festigkeit um 34,3 v. H. bei 367° C. Eine wesentliche Herabsetzung der Betriebssicherheit tritt ferner durch die Lötnaht ein. Die Unzuverlässigkeit des Kupfers bei höheren Temperaturen hat leider vielfach durch Unglücksfälle die Bestätigung der Praxis erfahren. Es sei an die verhängnisvollen Rohrbrüche auf der „Brandenburg“ und der „Elbe“ erinnert, die den Tod vieler Menschen durch Verbrühung zur Folge hatten. Die Kaiserliche Marine hat sich infolgedessen veranlasst gesehen, besondere Sicherheitsmassregeln zu ergreifen, die in folgenden Bestimmungen zum Ausdruck gelangten. Gelötete Röhren sind für höhere Dampfspannungen auszuschliessen (die Haltbarkeit solcher Röhren hängt vollständig von der Güte der Lötung, also in hohem Masse von der Zuverlässigkeit der Kupferschmiede ab: Bei ungeschickter Behandlung der zu lötenden Röhren im Feuer wird das neben der Naht liegende Blech zu hoch erhitzt und dann die Widerstandsfähigkeit bedeutend vermindert, namentlich nimmt die Dehnbarkeit des Materials ausserordentlich ab). Zu den Leitungen für hochgespannte Dämpfe sind entweder auf die gewöhnliche Weise gezogene oder aus Kupferblech hergestellte, mit Doppellaschen zusammengenietete Röhren zur Verwendung zu bringen. Sobald die gezogenen Rohre eine Lichtweite von 120 mm und darüber erhalten sowie Dampf von 7 kg/qcm Ueberdruck und mehr Spannung zu leiten haben, sind dieselben mit Stahldrahttauwerk von folgenden Abmessungen zu umwickeln: Lichtweite des Rohres in mm 120/150 155/200 205/250 255/303 305/350 355/400 Umfang des Stahldrahtseilesin mm 7,5 10 12,5 15 17,5 20 Die Materialbeanspruchung des Kupferrohres soll in keinem Falle 200 kg/qcm überschreiten. Bei den umwickelten Rohren ist die Festigkeit der Umwicklung ausser Rechnung zu lassen. Die Stärke solcher Rohre muss demnach mindestens sein in cm: \frac{p\cdot D}{400} wo D die Lichtweite und p die Fressung bedeutet, doch soll sie nicht unter 4 mm betragen, damit eine sichere Befestigung der Flanschen möglich wird. Nicht umwickelte Kupferröhren sollen eine Wandstärke von wenigstens \frac{p\cdot D}{400}+0,15\mbox{ cm} erhalten. Alle kupfernen Dampfzuleitungsröhren von 120 mm innerem Durchmesser und darüber, welche Dampf von 7 kg/qcm Ueberdruck und mehr Spannung zu führen haben, sind mit aufgenieteten, nicht aufgelöteten Flanschen zu versehen. Für Wärmegrade über 200° kann Kupfer nicht mehr in Frage kommen. Dagegen haben sich einige Legierungen des Kupfers z.B. Duranabronze gut bewährt, worüber auf die Arbeiten Stribecks in der Zeitschrift des V. D. I. verwiesen sei. Nach den bisher vorliegenden Versuchswerten und Beobachtungen aus der Praxis gelangt man zu dem Schlusse, dass das am meisten geeignete Material für Heissdampfrohrleitungen, einschliesslich Krümmern und Federrohren, das Flusseisen ist. Bei der Leistungsfähigkeit der modernen Schweissverfahren kann die Forderung gestellt werden, dass auch die komplizierteren Teile, wie Sammelrohre mit vielen Stutzen und dergleichen, soweit wie irgend möglich, in Flusseisen hergestellt werden. Für alle notwendigen Gusstücke ist Stahlguss zu verwenden, dessen Qualität nach obigen Gesichtspunkten zu beurteilen ist. Die Dichtungsteile der Armaturen, Kompensatoren und dergleichen sind in neuester Zeit mit gutem Erfolge in Nickelbronze ausgeführt worden. Was den Punkt 3 Dichtungsschwierigkeiten anbelangt, so wird derselbe Gegenstand einer späteren Erörterung an dieser Stelle sein.