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Die Erfindung betrifft einen Druckkörper mit Anbauten, der eine Innen- und eine die Innenschale umschliessende Aussenschale aufweist, und der auf Innen-oder Aussendruck beansprucht ist, wie z. B. Druckgefäss oder Abzweigrohr von Druckrohrleitungen, wobei beide Schalen dicht und druckaufnehmend ausgebildet und örtlich, insbesondere an den Knickstellen der einzelnen Schalen, durch Stege miteinander verbunden sind.
Gefässe und Rohrleitungen bestehen meist aus zylindrischen Schalen, die an einzelnen Stellen miteinander verschnitten sind. Im Apparatebau sind diese Verschneidungsstellen die an den Gefässen notwendigen Anbauten, im Rohrbau die Rohrabzweigungen. Derartige Verschneidungen stellen festigkeitsmässig ein schwer zu beherrschendes Element dar. Normale zylindrische oder schwach kegelige Rohrschalen sind zufolge der geometrisch-statischen Bedingungen in der Lage, auch höchste Innendrücke aufzunehmen und dabei als Membran auf Zug beansprucht zu werden. Die Verschneidung derartiger Rohre oder Gefässe wirft schwierige statische Probleme auf, zu deren Beherrschung verschiedene Versteifungskonstruktionen bekannt wurden.
Bei Verschneidungen von Körpern mit gleichem oder fast gleichem Durchmesser haben sich Konstruktionen herausgebildet, die starke Versteifungen unmittelbar in den Verschneidungen vorsehen, deren Aufgabe es ist, unter Innendruck und der durch ihn bedingten Verformung solche Kräfte auf die Schale abzugeben, dass in ihr wenigstens annähernd der Membranzustand erhalten bleibt. Hiebei wird gegebenenfalls die dichte innere Schale durch eine dichte äussere Schale verstärkt, wobei schottartige Rippen vorgesehen sind und die äussere Schale die innere Schale ganz umschliessen kann. Dieser Membranzustand wird ihr gleichsam aufgezwungen. Umgekehrt müssen diese Nahtträger, die innerhalb und/oder ausserhalb des Rohres angeordnet sein können, die sich ergebenden Druckkräfte aufnehmen, die eine ganz bedeutende Kraftkonzentration auf die Nahtträger ergeben.
Bekannt sind bei Hochdruckrohrleitungen Konstruktionen, die an der Aussenseite der Rohrwand einen Zangenträger im Hauptverschnitt und zu seiner Entlastung und/oder zur Aussteifung in den Nebenverschnitten Ringträger unterschiedlicher Ausbildung aufweisen. Dieser Ringträger wird manchmal ersetzt oder verstärkt durch einen an den Spitzen des Zangenträgers angreifenden, im Rohrinneren angeordneten Zuganker. Nachteilig ist, dass in erster Linie der Zangenträger und meistens auch die Ringträger reine Biegeträger sind, die, bedingt durch die starke Krümmung in den Scheitelpunkten, hohe Spannungsspitzen aufweisen, während an der entsprechenden Aussenfaser nur niedrige Beanspruchungen auftreten.
Die Materialausnutzung ist also sehr schlecht, die zur Beherrschung der Spannungsspitzen nötigen Dimensionen werden sehr gross, was Herstellung, Transport, Montage und Einbau erschwert, wenn nicht gar in Extremfällen unmöglich macht. Ausserdem gelingt es trotz diesem Aufwand nicht, die Verformungen von Versteifungen und Rohrwand gut aufeinander abzustimmen, so dass in letzterer immer noch zusätzlich zum Membranspannungszustand Störbeanspruchungen in oft bedeutendem Masse auftreten.
Es war daher das Bestreben, den Zangenträger immer mehr in das Rohrinnere zu legen, um damit für diesen extrem beanspruchten Teil günstigere Bedingungen zu schaffen. Dies wurde so weit getrieben, bis nur eine innere sichelförmige Scheibe in der Hauptverschneidung angeordnet wurde, die im wesentlichen nur auf Zug beansprucht ist und die die Anordnung eines Ringträgers als Entlastungsträger, zumindest im Normalfall. überflüssig macht. Eine derartige, ins Innere ragende Versteifung führt bei Druckrohrleitungen zu strömungstechnisch ungünstigen Verhältnissen, insbesondere bei einseitigen Beaufschlagungen. Bei Druckgefässen ist die ins Innere ragende Scheibe verfahrenstechnisch unerwünscht.
Zum Ausgleich wird daher bei diesen Konstruktionen der Querschnitt im Verzweigungspunkt vergrössert, was im Verein mit den dann erforderlichen starken Konen in den Abzweigschenkeln eine Verkleinerung der sichelförmigen Scheibe und eine Herausverlegung aus dem Grundquerschnitt bewirkt. Diese Massnahme bewirkt jedoch eine Vergrösserung der Rohrwandung.
Die erwähnten Konstruktionen leiten die in den Verschneidungen auftretenden Kräfte hauptsächlich in der Ebene dieser Verschneidung ab, was besonders deutlich bei der zuletzt genannten Konstruktion erfolgt, die nur in der Ebene der Hauptverschneidung eine Versteifung aufweist. Man ist daher bemüht, die Hauptverschneidung möglichst kurz zu halten, was grosse Abzweigwinkel und meist auch stark konische Abzweigrohre ergibt. Bei Druckrohrleitungen bedeutet dies in jedem Fall einen relativ hohen Strömungsverlust, insbesondere bei einem Sammelrohr.
Die bekannten Konstruktionen werden in erster Linie nach statischen Erfordernissen festgelegt und sind so strömungstechnisch bzw. verfahrenstechnisch nicht vorteilhaft. In den Verschneidungen ergeben sich Kraftkonzentrationen, die zu grossen Blechdicken in den Versteifungen führen und damit verarbeitungstechnische Schwierigkeiten bringen können. Weiters ist nachteilig, dass die Rohrwanddicken bzw. die Gefässwanddicken teils zur Aufnahme von Störspannungen und örtlichen Spannungsspitzen, teils wegen der notwendigen Durchmesservergrösserungen bei hohen Drücken und grossen Durchmessern sehr gross werden, so dass sie die Herstellungsmöglichkeiten der Walzwerke und auch die wirtschaftlichen Bearbeitungsmöglichkeiten übersteigen.
Es ist ferner eine Rohrabzweigung bekanntgeworden, bei der an der Abzweigstelle ein kugelmantelähnlicher Verstärkungsring vorgesehen ist, der die Festigkeit der Abzweigeinrichtung bestimmt. Im Inneren dieser kugelartigen Einrichtung befindet sich die Abzweigkonstruktion, die jedoch nur nach strömungstechnischen Gesichtspunkten auszulegen ist. Damit sie festigkeitsmässig nicht beansprucht werden kann, weist sie Öffnungen auf, so dass der Druck beidseitig dieser Leiteinrichtung konstant ist. Bei dieser Konstruktion wurde für spezielle Fälle ferner vorgeschlagen, in den Hohlraum zwischen dem Kugelmantel und der Leiteinrichtung einen
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Betonmantel zur Verstärkung des Kugelmantels anzuordnen.
Bei dieser Konstruktion wird jedoch nicht die auftretende Kraft auf die Innen- und Aussenschale gleichmässig verteilt, so dass diese Konstruktion keine optimale Ausführung darstellt. Insbesondere bei Rohrleitungen mit grossem Durchmesser ergeben sich nach dieser Konstruktion etwa doppelt so grosse Versteifungskugeln, so dass auch raummässig diese Konstruktion bei grossen Durchmessern wirtschaftlich untragbar ist.
Die Erfindung vermeidet die erwähnten Nachteile und ist dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den beiden Schalen, wie an sich bekannt, ein Füllmedium, wie z. B. eine Flüssigkeit, ein elastoplastischer Stoff oder in bekannter Weise ein Füllbeton angeordnet ist, welches einen Teil des aufzunehmenden Druckes an die Aussenoder Innenschale überträgt. Vorzugsweise ist der Druck im Füllmedium ohne äussere Druckaufgabe durch die unterschiedliche Verformung der Innen- und Aussenschale bestimmt. Gemäss einem weiteren Erfindungsmerkmal sind zur Erzeugung und/oder Steuerung des Druckes im Füllmedium zwischen den beiden Schalen Druckerhöhungseinrichtungen, wie z. B. Hydraulikzylinder oder Pumpen, ausserhalb des Druckkörpers angeordnet.
Vorzugsweise ist der Raum zwischen den Schalen in mehrere Kammern unterteilt, und sind in diesen Kammern Füllmedien unterschiedlicher Drücke angeordnet.
Die Erfindung ist in den Fig. l bis 6 beispielsweise und schematisch dargestellt. Fig. l zeigt ein Abzweigrohr einer Druckrohrleitung im Schnitt. Fig. 2 zeigt hiezu einen Querschnitt. Fig. 3 zeigt ein Abzweigrohr ähnlicher Konstruktion im Schnitt. Fig. 4 zeigt zu Fig. 3 einen Querschnitt und Fig. 5 zeigt zu Fig. 3 einen Längsschnitt durch die Hauptverschneidung. In Fig. 6 ist ein Druckgefäss im Schnitt dargestellt.
Fig. l zeigt ein Abzweigrohr. Die Innenschale des Abzweigrohres besteht aus dem Hauptrohr dem grösseren Abzweigrohr--3--und dem kleineren Abzweigrohr--2--, das strömungsgünstig an das Hauptrohr --l-- angeschlossen ist, was eine lange Hauptverschneidung--4--und mehrere Nebenverschneidungen - erforderlich macht. Diese Nebenverschneidungen--5--weisen untereinander im allgemeinen wesentlich kleinere Knickwinkel auf als bei den herkömmlichen Bauarten, was neben der sanften Strömungsumleitung auch bessere Festigkeitsbedingungen schafft. Der Abzweigwinkel--6--kann bei der Erfindung ohne statische Schwierigkeiten wesentlich kleiner als mit den herkömmlichen Methoden gehalten werden.
Die Aussenschale--9--umschliesst das Füllmedium --10-- nach aussen und ist mit den Innenschalen--l, 2, 3--an den Rändern verschweisst. Die Aussenschale --9-- hat nur tragende Funktion, wobei sie weitgehend auch die Aufgabe der bisherigen Aussenversteifung übernimmt. Sie kann ohne Rücksicht auf strömungstechnische, verfahrenstechnische oder sonstige Belange nach den statischen Gegebenheiten geformt werden. Die Innenschale--l, 2, 3--kann in ihrer Formgebung vor allem diese Belange berücksichtigen, da sie einen Teil ihrer tragenden Funktion an die Aussenschale abgibt. Die Einzelwanddicken dieser beiden Schalen - l, 2,3, 9--sind dabei wesentlich geringer als die Gesamtwandstärke der bisherigen Konstruktion.
Zwischen den beiden Schalen ist ein Medium --10-- angeordnet, das den Innendruck, soweit er nicht von der Innenschale bereits aufgenommen wurde, an die Aussenschale weiterleitet. Dieses Medium kann sowohl eine Flüssigkeit als auch eine elasto-plastische Füllung, wie z. B. Beton, sein.
Nimmt man als Füllung eine Flüssigkeit, so ergibt diese nach den Gesetzen der Hydromechanik allseits den gleichen Druck auf beide Schalen. Dieser Druck kann sich durch die Formänderung der einzelnen Schalen unter der Belastung ergeben. Er kann aber auch von aussen durch entsprechende Druckerhöhungseinrichtungen, wie z. B. Pumpen oder hydraulische Zylinder, erreicht und gesteuert werden. Ausserdem ist es möglich, durch Teilung des Raumes zwischen den Schalen in einzelne Kammern örtlich verschiedene Drücke und damit eine bessere Kraftverteilung zu erzielen.
Bei einer elasto-plastischen Füllung, die unter Druck eingebracht werden kann, ist eine solche Steuerung des Druckes von aussen und/oder durch Kammerbildung praktisch nicht möglich. Doch nimmt eine solche Füllung infolge ihrer mechanischen Eigenschaften örtlich verschiedene Drücke auf und gibt diese auch örtlich in verschiedenen Grössen weiter, wobei Spannungsspitzen durch Schubspannungen in der Füllung stark gemildert werden.
In Fig. 2 ist ein Schnitt durch das Abzweigrohr nach der Schnittlinie II-II in Fig. l dargestellt. Der auf die Innenschalen--l, 2, 3-wirkende Innendruck wird teilweise durch diese als Umfangszug aufgenommen und teilweise durch das Füllmedium--10--direkt und ebenfalls flächenhaft an die Aussenschale--9-- weitergegeben, die diesen Teildruck ihrerseits als Umfangszug aufnimmt. Bedingt durch die geometrischen Formen und durch die mechanischen Eigenschaften des Füllmediums--10--, insbesondere des Betons, wird dabei der Umfangszug in der Innenschale an den Kämpfern am grössten sein, während er zum Knick in der Hauptverschneidung--4--hin abnimmt ; der Umfangszug in der Aussenschale --9-- zeigt annähernd umgekehrte Tendenz.
Es ergibt sich somit im Querschnitt ein Gleichgewichtszustand ohne unzulässige Spannungen, der die Schalen--l, 2,3, 9--auf Zug, das Füllmedium auf Druck beansprucht und eine Versteifung mit Kraftableitung in Richtung der Hauptverschneidung weitgehend unnötig macht.
In den Fig. 3 bis 5 ist eine Rohrabzweigung in verschiedenen Schnitten dargestellt, wobei die beiden Schalen--l, 2,3, 9--durch einen Drucksteg--l l--a. n einer oder mehreren Stellen verbunden sind. Bei grösseren Drücken einerseits und/oder bei einem flüssigen Füllmedium --10--, wie z. B. Wasser, anderseits kann zur Vergleichmässigung der Zugspannungen und damit zur besseren Ausnutzung der Schalenwand die
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Aussenschale--9--, wie in den Zeichnungen dargestellt, mehrteilig ausgeführt werden.
Die Aussenschale --9-- ist dabei im Bereich des Hauptrohres--l--aus mehreren gewölbten Flächen zusammengesetzt, so dass sie eine durchgehende Hauptverschneidung erhält, die man zweckmässigerweise nahe an die oder direkt in die Ebene der Hauptverschneidung --4-- der Innenschale --1, 2, 3--legt. Der Querschnitt in Fig. 4 zeigt dabei in der Aussenschale --9-- einen ausspringenden Knick, der dem einspringenden Knick der Innenschale - l, 2, 3--etwa entspricht. Diese Formgebung vergleichmässigt die Zugspannungen in den Schalen und kann durch die Anordnung des Drucksteges --11-- unterstützt werden. Der Drucksteg --11-- kann durchgehend oder in einzelne Teile aufgelöst sein.
Seine Aufgabe ist, das Füllmedium bei der Kraftübertragung zwischen den beiden Schalenknicken zu unterstützen.
Fig. 5 zeigt den Längsschnitt durch die Hauptverschneidung der Aussenschale --9-- nach der Schnittlinie V-V in Fig. 3. Im Vergleich zu den bekannten Konstruktionen ergibt sich eine grössere Länge der Verschneidung, die statisch beherrschbar ist, wenn die auftretenden Kräfte grössenteils und möglichst flächenhaft in Umfangsrichtung, also quer zur Ebene der Hauptverschneidung, abgeleitet werden. Der Drucksteg--l l-- verbindet die Innenschale--l, 2, 3--mit der Aussenschale --9-- und kann in seinem Scheitelbereich durch Anschweissen von Lamellen --12-- verstärkt werden. Dies ist bei hohen Innendrücken durch den dort vorhandenen Spannungszustand notwendig.
So übernimmt der Drucksteg--11--neben seiner radialen Kraftübertragung auch eine Kraftableitung in gleicher Weise wie der Zangenträger der bekannten Konstruktion, jedoch in wesentlich verringertem Masse. Ähnliche Stege --11-- können auch an andern Stellen im Zwischenraum zwischen den beiden Schalen-l, 2,3, 9-angeordnet werden, wenn dies aus konstruktiven, statischen oder sonstigen Gründen zweckmässig erscheint, oder sie zur Bildung einzelner Kammern benötigt werden.
Die Erfindung beschränkt sich keineswegs nur auf spitzwinkelige Verschneidungen, wie sie bei Abzweigrohren auftreten, sondern kann auch bei rechtwinkeligen Verschneidungen in Anwendung kommen, wie sie vor allem an Druckgefässen erforderlich sind. So zeigt Fig. 6 im Längsschnitt einen Behälter, der einen Dom von beispielsweise kleinerem Durchmesser besitzt. An der Innenseite bzw. dem Innenmantel--l-des Behälters ist ein Dom--2--angeschlossen, der auf der linken Bildhälfte mit scharfer Kehle, rechts mit
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nur ein mit zwei Lamellen verstärkter Steg vorgesehen ist.
Im allgemeinen wird die erfindungsgemässe Konstruktion zur Beherrschung hoher Innendrücke herangezogen. Sie kann aber ebenfalls zur Beherrschung grosser Aussendrücke verwendet werden. Ebenso kann das Füllmedium neben dem Zweck der Kraftüberleitung auch noch zur Kühlung oder Erwärmung des im Druckkörper befindlichen Mediums bzw. zur Isolierung oder Abschirmung herangezogen werden, wobei die letzte Funktion, insbesondere in der Reaktortechnik, einen zusätzlichen erwünschten Effekt darstellt.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Druckkörper mit Anbauten, der eine Innen- und eine die Innenschale umschliessende Aussenschale aufweist, und der auf Innen- oder Aussendruck beansprucht ist, wie z. B. Druckgefäss oder Abzweigrohr von Druckrohrleitungen, wobei beide Schalen dicht und druckaufnehmend ausgebildet sind und örtlich, insbesondere an den Knickstellen der einzelnen Schalen, durch Stege miteinander verbunden sind, dadurch gekenn. zeichnet, dass zwischen den beiden Schalen (1, 2,3, 9), wie an sich bekannt, ein Füllmedium (10), wie z. B. eine Flüssigkeit, ein elastoplastischer Stoff oder in bekannter Weise ein Füllbeton angeordnet ist, welches einen Teil des aufzunehmenden Druckes an die Aussen- oder Innenschale überträgt.
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