Vakuumgerechte Behältergestaltung Hinweise zur Konstruktion von Vakuumbehältern Cornelius Martens KITE Engineering and Innovation Day Hamburg, 25.04.2017

Inhalt Beispiel: LOM 500 Einige Vakuumanforderungen/Dichtungssysteme Konstruktive Anforderungen und Fertigung Rechteckkammern Zylindrische Kammern Ebene und gekrümmte Böden Werkstoffauswahl Literatur und Richtlinien

Beispiel: LOM500 LOM500, P3 (2007) Offset: 490mm Tank: 3m, 3,9m kompl. 1170mm hoch Fahrweg des unteren Spiegels: 2400mm 8mm Wandstärke! Analyse: ANSYS! /Quelle: Ingenieurbüro Damker/

Beispiel: LOM500 /Quelle: Ingenieurbüro Damker/

Einige Vakuumanforderungen Allgemeine Anforderungen, siehe Spezifikationen Vakuum 005/2008 (bzw. XFEL-Vacuum 001/2009) Einsatzbereich klären: FV (<10−3), HV (<10−7), UHV (<10−10 …10−12), extrem hohes Vakuum XHV (<10−12) Lecks: Vermeiden von Rissen in Schweißnähten oder Lötflächen (He-Lecktest) Leckrate bis 10-10 mbar*l/s im UHV bei 2*10-8mbar …10-10mbar (allg. XFEL-Anforderungen) Virtuelle Lecks durch Einschlüsse und Cavitäten vermeiden (z.B. Schraubensacklöcher, Poren) Hohlräume nach außen belüften (Eindeutigkeit, z.B. Lötdepots) Hohe Oberflächengüte (Rz12 und besser)

Einige Vakuumanforderungen Werkstoffe (später) Keine Kohlenwasserstoffe oder flüchtige Stoffe, keine Stoffe mit hohem Dampfdruck (Zink im UHV-Bereich) Nur vakuumtaugliche Fette (HV), keine Flussmittel (Löten) (Klärung mit den Vakuum-Betriebsgruppen FS-BT, MVS) Fertigung und Montage: Saubere Arbeitsumgebung (Reinraum) Konstruktiv: keine Schmutzfallen Reinraum: Partikelfreiheit. ggf. Partikelreinigung (Beschleuniger Maschine) Handhabung, Reinigung und Prüfung, s. Vakuum 005/2008 Adsorption und Desorption (Anhang) Diffusion (Anhang)

Dichtungssysteme Permeation (Gasdurchlässigkeit): FKM (Fluor-Kautschuk, VITON-) Dichtungen kaum kleiner 10-8hPa erreichbar /Pfeiffer/ Ganzmetalldichtungen, CF-Dichtungen, VatSeal, Helicoflex

Konstruktive Anforderungen und Fertigung Mechanische Anforderungen -> Lasten durch das Vakuum: statische und Betriebsfestigkeit berücksichtigen (folgt!) Abgrenzung zu den Druckbehältern -> Druckgeräterichtlinie (DgRL2014-06): Abhängig vom Druck (i.A. < p=+0,5bar), Volumen, p*V, Stoff, Temperatur. Siehe AD2000-Merkblätter/Normstelle Falls Überdruck möglich: Sicherheitseinrichtung Fertigungsmöglichkeiten im Hause sind eingeschränkt (Kanten, Schweißen, Material, z.B. Rohre)

Konstruktive Anforderungen und Fertigung Schweißnähte innenliegend oder mit Gegennaht Nahtwurzel bei mech. Beanspruchung möglichst im Druckbereich Material möglichst durchschweißen! Kehlnähte für Versteifungen Verzug ist möglich! Richten ? Nahtwurzel nicht in Zugzone legen /Haberhauer-11/ Günstiger Kraftlinienverlauf bei a) Stumpf- und b) Kehlnähten /Haberhauer-11/

Konstruktive Anforderungen und Fertigung Beschaffung ist frühzeitig zu klären (Material, Durchmesser, Böden) Gerne Rücksprache mit ZM1, ZM2 und Schweißfachingenieuren, z.B.: Manon Föse (ZM1), Lothar Klein (ZM), Helmut Hirsemann (CFEL) Werkstoffe nach Spezifikation für Allgemeine Anf. Vakuum 005/200 (keine porösen Werkstoffe, Sintermaterialien/Gleitlagern) Aluminium: gute Zerspanbarkeit, aber i.A. schlechte Fügeeigenschaften Gegenüber Stahl: Temperaturstabilität >120°C und mechanische Eigenschaften nachteilig Kupfer: Schwierige Festigkeitseigenschaften gelöteten Kupfers Werkstoffe im Anhang

Rechteckkammern Die Flächenlast unter Vakuum beträgt 0,1MPa (Bsp. Tür 670x625mm: 42kN!) Biegemomentverlauf über der hohen und breiten Wand Eckmomente -> Schweißausführung beachten! Momente/Durchbiegungen in den Plattenmitten beachten

Rechteckkammern siehe Praxisempfehlung /PE1002/

Rechteckkammern Relativ große Wandstärken große Durchbiegungen, Rippen sind erforderlich Hoher Konstruktionsaufwand! Materialwahl beachten Sicherheitsfaktor 1,6… 2 (Vakuumanforderungen) B H tb th MPa f 250 160 5 96 0,9 400 8 95 1,4 630 12 105 2,6 1000 20 3,6 1600 32 5,7 Spannungen u. Durchbiegungen rechteckiger Querschnitte. Hier Sicherheit S=2 Bsp. CFEL-Targetkammer (700x560mm): 15mm (Wand) bzw. 20mm (Boden), 1.4404

Beispiel: IRX-HRM-Tank 25mm 15mm 25mm 12mm, Rippen 8mm /Quelle: Martin Lemke, ZM1, F. U. Dill/

Beispiel: IRX-HRM-Tank /Quelle: Martin Lemke, ZM1/

Zylindrische Kammern Kesselformel für zylindrische/sphärische Formen dünne, biegeschlaffe Wand (unter Innendruck) Kesselgleichung /Dubbel-23/ Problem: Beulen!

Zylindrische Kammern Stabilitätsgrenze: Kritischer Beuldruck Auslegung z.B. nach AD-Merkblatt B6 Sicherheitsbeiwerte S >3 für Stahl/Al! Anzahl der Beulen. Abschätzung für n: /AD-Merkblatt B6/

Zylindrische Kammern Wandstärke s gegen Beule für zylindrische Behälter Berechnung gegen plastische Überschreitung ist ebenfalls erfolgt Rohr /AD-Merkblatt B6/: Behälter der Länge L Rohr D L sBehälter n σ srohr 160 250 1 5 80 2 40 400 4 63 3 42 630 67 50 1000 79 7 45 1600 6 83 10 2500 8 100 16 D: Durchmesser, L: Behälterlänge, σ: Umfangspannung. Sicherheit Sk= 4 sRohr: unendlich langes Rohr Fazit: Selbst für Rohre sind erheblich kleinere Wandstärken als bei rechteckigen Querschnitten erforderlich!

Beispiel: Ti-Bedampfungsaufbau Durchmesser Da= 610mm 5mm Wandstärke Hochvakuum Werkstoff: 1.4404

Ebene Böden Kein Beulen, sondern Berechnung gegen plast. Verformung (symmetrisches Problem) /Dubbel-23, PE1009/ Berechnung n. AD-2000 Merkblatt B5 nach erforderlicher Plattendicke s: /AD-Merkblatt B5, PE1009/

Berechnungsbeiwerte für ebene Böden Spannungen und Randmomente nach Praxisempfehlung PE1009 Ausführungsbeispiele und Berechnung nach AD2000-Merkblatt B5 und im Anhang!

Berechnungsbeiwerte ebene Böden /AD2000-Merkblatt B5/

Gekrümmte Böden Beulproblematik, d.h. Durchschlagen des Bodens in eine stabile „benachbarte“ Form Kesselgleichung Kritischer Beuldruck Sicherheitsbeiwerte Sk >3 für Stahl/Al Verschiedene Bodenformen: Klöpperböden, Korbböden, Tellerböden, Kugelböden Auslegung z.B. nach Praxisempfehlung PE1012 oder AD-Merkblatt B3

Werkstoffauswahl Zähe und gut schweißbare Werkstoffe wählen (AD2000-Merkblatt, DIN EN 10217-7) Austenitische Stähle: 1.4404, 1.4571, 1.4435, (1.4301) Streckgrenze zwischen Rp0,2= 190…210MPa (295Mpa nur beim 1.4429) (auch: Rp1,0) Bruchdehnung Edelstahl liegt oberhalb 40%, die des Aluminiums oberhalb 14%! Einsatztemperatur i.A. bis 550°C unter starker Abnahme der Streckgrenze und des E-Modules: Rp0,2(550°C) < 100MPa Nach dem Schweißen: Aus mechanischer Sicht werden austenitische Stähle nach dem Schweißen i.A. nicht noch einmal geglüht, aber zwischen 1000 und 1100°C möglich (DIN EN 10028-7) Aluminium: Al-Knetlegierungen (nicht auslagernd), weichgeglüht oder gering kaltverfestigt (O oder H111, s. AD2000-MerkblattW6/1). Einsatztemperatur bis max. 150°C. Mindestbruchdehnung: Streckgrenze: Bei 5000´er Reihe: 80…125MPa

Vielen Dank CLR-Tank /T. Boese, A. Bühner/ CFEL-Targetkammer

Literatur und Richtlinien Dubbel-23 Grothe, K.H., Feldhusen, J.: Dubbel-Taschenbuch für den Maschinenbau. 23. neu bearb. U. erw. Aufl. Springer, Berlin Heidelberg, 2011 Haberhauer-11 Haberhauer, H.; Bodenstein, F.: Maschinenelemente. Gestaltung, Berechnung, Anwendung. 16. bearb. Aufl. Springer, Berlin, Heidelberg, New-York, 2011 Wutz-04 Jousten, K. (Hrsg.): Wutz. Handbuch Vakuumtechnik. Theorie und Praxis. 8. vollst. überarb. u. erw. Aufl. Vieweg, Wiesbaden, 2004 PE1002 Berechnung von Rechteckprofilen unter Außendruck PE1009 Ebene Kreisplatte unter gleichmäßiger Aussenlast PE1012 Berechnung von Klöpperböden unter gleichmäßiger äußerer Last Vakuum 005/2008 Allgemeine DESY UHV Richtlinien für Vakuumkomponenten. DESY 2018 Vakuum 006/2009 Allgemeine Spezifikation zu Material für Rohre und Bälge. DESY 2009 Vakuum 007/2013 Techn. Spezifikation Edelstahlrohre f. UHV-Anwendungen. DESY 2013 Vakuum 009/2013 Techn. Spezifikation Kupfer für UHV-Anwendungen. DESY 2013

Literatur und Richtlinien AD 2000-Merkblatt B3 Gewölbte Böden unter innerem und äußerem Überdruck. Beuth, Berlin, 05.2011 AD 2000-Merkblatt B5 Ebene Böden und Platten nebst Verankerungen. Beuth, Berlin, 09.2016 AD 2000-Merkblatt B6 Zylinderschalen unter äußerem Überdruck. Beuth, Berlin, 10.2006 AD 2000-Merkblatt W2 Austenitische und austenitisch-ferritische Stähle. Beuth, Berlin, 09.2016 AD 2000-Merkblatt W6/1 Aluminium und Aluminiumlegierungen; Knetwerkstoffe. Beuth, Berlin, 05.2016 AD 2000-Merkblatt W6/2 Kupfer und Kupfer-Knetlegierungen. Beuth, Berlin, 03.2009 DIN EN 10028-7: Flacherzeugnisse für Druckbeanspruchungen- Teil 7: Rohre aus nichtrostenden Stählen. Beuth, Berlin, 02.2008 DIN EN 10088-2 Nichtrostende Stähle- Teil2: Technische Lieferbedingungen für Blech und Bang aus korrosionsbeständigen Stählen für allgemeine Verwendung. Beuth, Berlin, 09.2005 DIN EN 10272 Stäbe Rohre aus nichtrostenden Stählen für Druckbehälter. Beuth, Berlin, 01.2008 DIN EN 10216-5 Nahtlose Stahlrohre für Druckbeanspruchungen- Technische Lieferbedingungen. Teil 5: Rohre aus nichtrostenden Stählen. Beuth, Berlin, 05.2014 DIN EN 10217-7 Geschweißte Stahlrohre für Druckbeanspruchungen- Technische Lieferbedingungen. Teil 7: Rohre aus nichtrostenden Stählen. Beuth, Berlin, 01.2015

Anhang

A1: Vakuumanforderungen: Diffusion Diffusion von Wasserstoff (Sauerstoff) wirkt als Restgasquelle im UHV Blechdicke geht quadratisch in die Ausgasungszeitkonstante ein Höhere Temperaturen sind beim Ausgasen extrem wirksam (Exponent des Diffusionskoeffizienten) /Wutz Wasserstofffreiglühen oberhalb 1000 bis 1100°C bei Edelstählen Bei Kupfer bis 950°C längeres Halten bei Temperaturen zwischen 600°C und 900°C bei Edelstählen vermeiden -> Bildung σ-Phase, auch: IK-Korrosion bei Kohlenstoffarmen austenitischen Stählen

A2: Vakuumanforderungen: Adsorption und Desorption Alle Flächen werden instantan mit Gasmolekülen belegt tmono(Luft)=3,6*10-6s bei 1mbar (!) Vermeiden im Hochvakuum: Pumpen, im UHV-Vakuum (<10-7 mbar): Ausheizen, z.B. bei 250°C (250…350°C Edelstahl). Bei Al-Leg Werkstoffabhängig. I.A. nicht höher als 120°C bei nicht ausgelagerten Al-Leg.! Vakuumspezifikationen beachten: Vakuum 005/2008 ff.

A3: Ausheizen und Wärmebehandlung Ausheizen der Bauteile: Edelstahl bei 350°C (zwischen 250°C …400°C) Aluminium: max. 100...150°C (!) Wasserstofffreiglühen: Bei Austenitische Stähle zwischen 1000 und 1100°C möglich. Achtung: Temperatur hoch wählen, schnelles Abkühlen (Bildung σ-Phase, auch: IK-Korrosion) Nach dem Schweißen: Aus mechanischer Sicht werden austenitische Stähle nach dem Schweißen i.A. nicht noch einmal geglüht, aber zwischen 1000 und 1100°C möglich (DIN EN 10028-7) Nichtrostende ferritische Stähle werden nach dem Schweißen geglüht (700 bis 900°C, DIN EN 10028-7). Martensitische Stähle werden erneut angelassen (560 bis 650°C)

A4: Partikelfreiheit Partikelfreiheit -> In der Beschleunigertechnologie Supraleitende Cavities: Elektronen werden durch beschleunigte Partikel in hochfrequenten elektromagnetischen Feldern aus den leitenden Oberflächen geschlagen Lawinenartige Zunahme der freien Ladungsträger durch „Impacts“ und Zusammenbruch des elektrischen Feldes (Multipacting)

A5: Werkstoffauswahl: Edelstähle /DIN EN 10217-7/

A6: Werkstoffauswahl: Aluminium /DIN EN 10217-7/

A7: Werkstoffauswahl: Aluminium /DIN EN 10217-7/

A8: Studie Behälterformen