Wodurch zeichnen sich Hochdruckaufnehmer aus?

Der Messkörper bildet die Basis des Drucksensors und muss insbesondere im Hochdruckbereich großen Belastungen standhalten. Aus diesem Grund spielen gestalterische Besonderheiten und der verwendete Werkstoff eine maßgebliche Rolle für die Genauigkeit sowie die Verlässlichkeit und Lebensdauer des Messkörpers.

Die monolithische Form des Drucksensors im Hochdruckbereich

Hochdruckaufnehmer werden in der Regel als dickwandige Rohre gefertigt (s. Abbildung 1) und bestehen aus einem einzigen Stück Stahl. Man spricht deswegen auch von ihrer monolithischen Form; Der Begriff „monolithisch“ kommt aus dem Griechischen und bedeutet so viel wie „einheitlicher Stein“ (mono- = einzel-; lithos = Stein).

Das monolithische Messkörperdesign lässt sich besonders arm an Spannungsgradienten und Spannungsspitzen gestalten. Zudem besitzen diese Messkörper eine lange Lebensdauer, da keine Schweißnähte oder anderen Schwachstellen vorhanden sind. Abbildung 2 zeigt verschiedene Lochvarianten und den schematischen Aufbau, während Abbildung 3 eine Auswahl an Messkörpern darstellt.

Die Vorteile dieser Gestaltung

Am inneren Durchmesser Di ist die Spannung deutlich größer als am Außendurchmesser Da. Die Belastung aufgrund des dreiachsigen Spannungszustandes ist hier also am größten (siehe Abb. 4)

Um eine Einschätzung bezüglich der Haltbarkeit vornehmen zu können, muss aus den drei Spannungen σt (Tangentialspannung), σr (Radialspannung) und σn (Normalspannung) mit Hilfe einer Festigkeitshypothese die Vergleichsspannung σv gebildet werden. Diese wird dann mit den Materialkennwerten verglichen.

Für Aufnehmer im Ultra-Hochdruckbereich (> 10.000 bar) wird die Auslegung so vorgenommen, dass an der hochbelasteten Innenfaser die Streckgrenze des verwendeten Materials überschritten wird. Ein Reißen des Aufnehmers tritt jedoch nicht auf, da die äußeren Randschichten des Messkörpers die Belastungen „mittragen“. Bei einer weiteren Erhöhung des Drucks, wandert der Punkt, an dem die Streckgrenze erreicht wird, innerhalb der Wand immer weiter nach außen. Es würde erst dann zum Riss des Aufnehmers kommen,  wenn dieser Punkt die äußerste Randschicht erreicht.

Das Verhältnis von Außen- zu Innendurchmesser (Da/Di), und somit letztendlich die Wandstärke, muss so gewählt werden, dass die dynamischen Eigenschaften des Federstahls bestmöglich genutzt werden können und eine Maximierung der Lastwechselfähigkeit erreicht wird.

Der Vorteil dieser Gestaltungsform liegt also darin – bei geschickter Auslegung – das verwendete Material bestmöglich hinsichtlich der Festigkeitswerte auszunutzen.

Die Werkstoffauswahl als Kompromiss

Die Werkstoffauswahl ist ein Kompromiss zwischen der maximalen Lebensdauer bei dynamischen Belastungen und den zu erreichenden messtechnischen Eigenschaften des Federkörpers. Ein Stahl, der aufgrund seiner hohen Streckgrenze passend für die Hochdruckmessung erscheint, kann ungeeignete Federeigenschaften aufweisen, die zu einer großen Hysterese führen. Das bedeutet, dass das Material unterschiedliche Kennlinien bei Be- und Entlastung zeigt und es somit zu Messungenauigkeiten kommt. Federwerkstoffe mit geringer Hysterese besitzen eine Zugfestigkeit von > 1 GPa und sind wesentlich besser für den Einsatz im Hochdruckbereich geeignet.

Für Stähle, die üblicherweise im Druckaufnehmerbau verwendet werden, liegt die dynamische Belastbarkeit für die Dauerschwingfestigkeit bei ca. 600 MPa. Dies entspricht einer Druckbelastung von ~6.000 bar. Drucktragende Teile, die einer schwellenden Belastung von 6.000 bis 7.000 bar ausgesetzt sind, können keine Dauerfestigkeit besitzen. Abbildung 5 zeigt dies schematisch im Wöhlerdiagramm, in dem die Zugfestigkeit Rm in Abhängigkeit der Lastspiele sowie die Druckspannung σD dargestellt sind.

  • Kurzzeitfestigkeit: Spannungsamplituden bei denen nach N < 10³ Lastwechseln eine Schädigung (Bruch) auftritt

  • Zeitfestigkeit: Spannungsamplituden bei denen nach 10³ < N < 106 Lastwechseln eine Schädigung (Bruch) auftritt

  • Dauerfestigkeit: Spannungsamplituden bei denen beliebig viele Lastwechsel nicht zur Schädigung (Bruch) führen, 2 x 106 ≥ N ≥ 107

Neben den Materialeigenschaften gibt es noch weitere Einflussfaktoren auf die Lebensdauer. Außerdem lässt sich durch Nachbehandlung des Aufnehmers auch sicherstellen, dass Drücke oberhalb von 6.000 bar zuverlässig gemessen werden können.

*DMS = Dehnungsmessstreifen

 

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