Vakuumgerechte Behältergestaltung

Präsentation zum Thema: "Vakuumgerechte Behältergestaltung"—  Präsentation transkript:

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

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

3 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/

4 Beispiel: LOM500 /Quelle: Ingenieurbüro Damker/

5 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 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)

6 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)

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

8 Konstruktive Anforderungen und Fertigung
Mechanische Anforderungen -> Lasten durch das Vakuum: statische und Betriebsfestigkeit berücksichtigen (folgt!) Abgrenzung zu den Druckbehältern -> Druckgeräterichtlinie (DgRL ): 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)

9 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/

10 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

11 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

12 Rechteckkammern siehe Praxisempfehlung /PE1002/

13 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),

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

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

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

17 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/

18 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!

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

20 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/

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

22 Berechnungsbeiwerte ebene Böden
/AD2000-Merkblatt B5/

23 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

24 Werkstoffauswahl Zähe und gut schweißbare Werkstoffe wählen (AD2000-Merkblatt, DIN EN ) Austenitische Stähle: , , , (1.4301) Streckgrenze zwischen Rp0,2= 190…210MPa (295Mpa nur beim ) (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 ) 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

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

26 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

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

28 Anhang

29 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

30 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.

31 A3: Ausheizen und Wärmebehandlung
Ausheizen der Bauteile: Edelstahl bei 350°C (zwischen 250°C …400°C) Aluminium: max °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 ) Nichtrostende ferritische Stähle werden nach dem Schweißen geglüht (700 bis 900°C, DIN EN ). Martensitische Stähle werden erneut angelassen (560 bis 650°C)

32 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)

33 A5: Werkstoffauswahl: Edelstähle
/DIN EN /

34 A6: Werkstoffauswahl: Aluminium
/DIN EN /

35 A7: Werkstoffauswahl: Aluminium
/DIN EN /

36 A8: Studie Behälterformen