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Verfahren zur Herstellung von zerreißbaren, kuppelförmigen Diaphraginen
für Überdrucksicherungen Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von
zerreißbaren, kuppelförmigen Diaphragmen: für Überdrucksicherungen für Druckgefäße.
Diese Diaphragmen werden vielfach so eingebaut, daß der Druck im Druckgefäß auf
die konkave Seite des Diaphragmas wirkt. Wenn er über einen gewissen vorbestimmten
Grenzwert ansteigt, so zerreißt das Diaphragma und bildet dann einen Auslaß für
die Flüssigkeit im Druckgefäß, so daß der Druck in diesem nachläßt.
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Die oben beschriebenen kuppelförmige n, zerbrech-oder zerreißbaren
Diaphragmen werden im allgemeinen aus einem dünnen, dehnfähigen Metall hergestellt,
und das positive Druckdifferential, unter dem sie zerreißen oder zerbrechen, wird
dann vor allem durch die Dicke des verwendeten Materials, dessen Zugfestigkeit,
den Durchmesser und die Wölbung des Diaphragmas bestimmt. Diaphragmen, die bei verhältnismäßig
niederen Druckdifferenzen zerbrechen sollen, werden daher aus dünnen, dehnfähigen
Metallen, wie Nickel, Silber, Kupfer, Aluminium, rostfreiem Stahl, und anderen Legierungen,
wie Monelmetall, hergestellt.
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Um zerreißbare Diaphragmen zu erhalten, die bei niedrigen Druckdifferentialen
zerbrechen, müssen die Diaphragmen aus sehr dünnen Metallfolien oder -blechen hergestellt
werden, und die geringste Dicke, die angewendet werden kann, ist lediglich durch
die Schwierigkeit der Herstellung gleichmäßig dünner Metallbleche bestimmt.
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Die Konturen von kuppelförmigen, zerbrechbaren Diaphragmen, die unter
der Wirkung eines Flüssigkeitsdruckes auf ein Blech hergestellt worden sind, entsprechen
etwa der Form von Kugelsegmenten. Wenn ein, kuppelförmiges Diaphragma durch die
Wirkung eines Druckes gebildet worden ist, der wesentlich unter dem Druck liegt,
bei welchem das hergestellte Diaphragma zerreißen würde, so entspricht dessen Kontur
dem Segment einer Kugel mit verhältnismäßig großem Radius. Wird der Verformungsdruck
erhöht, so entspricht die Kontur des erhaltenen Diaphragmas mehr dem Segment einer
Kugel mit kleinerem Radius.
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Es ist üblich, das zerbrechliche Diaphragma durch Vorformen in die
Form zu bringen, die es annehmen würde, wenn es einem Druck ausgesetzt wird, der
etwas über dem normalen Arbeitsdruck im Druckgefäß liegt, aber unter dem Druck,
bei welchem das Diaphragma zerbrechen oder zerreißen soll.
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Es hat sich jedoch gezeigt, daß aus dünnen, dehnfähigen Metallen hergestellte
Diaphragmen, selbst wenn die normalen Arbeitsdrücke im Druckgefäß nicht über den
Verformungsdruck hinausgehen, sondern unter diesem Druck bleiben, dazu neigen, sich
auszudehnen und ihre Form zu verändern und sogar zu zerbrechen, wenn sie längere
Zeit bei normalen Arbeitsdrücken benutzt werden. Durch diese Formveränderung oder
dieses »Kriechen.« des zerbrechbaren Diaphragmas wird jedenfalls seine Lebensdauer
beschränkt.
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Es wurde nun gefunden, daß das »Kriechen« wesentlich verringert werden
kann, indem das Diaphragma einem kurz wirkenden Druck ausgesetzt wird, der wesentlich
über dem normalen Druck im Druckgefäß liegt, und zwar wenigstens 901/o des Druckes
entspricht, bei welchem es zerreißen würde.
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Wenn der angewendete hohe Druck nicht kurz, sondern längere Zeit auf
das zerbrechbare Diaphragma zur Einwirkung kommt, so verändert letzteres langsam
seine Gestalt und kann gegebenenfalls zerreißen. Es ist klar, daß das Ausmaß dieser
weiteren Formveränderung des zerreißbaren Diaphragmas unter anderem auch von der
Art des dehnfähigen Metalles abhängt, aus welchem das Diaphragma hergestellt wird.
So neigt z. B. ein aus Silber hergestelltes zerreißbares Diaphragma unter dem Einfluß
eines Vorstreckungs-Druckes viel stärker zu einer Formveränderung als ein gleiches
aus Nickel hergestelltes Diaphragma, und daher kann ein Niekeldiaphragma einem erfindungsgemäßen
Vorstreckungs-Druckdifferential
längere Zeit ausgesetzt werden
als ein. gleiches Silberdiaphragma.-Das dem kurz wirkenden Druck gemäß dem Verfahren
vorliegender Erfindung zu unterwerfende zerreißbare Diaphragrna kann. zunächst in
irgendeiner geeigneten Weise, wie beispielsweise durch ein Zieh-oder Prägeverfahren
oder durch Einwirkung eines Flüssigkeits- oder Gasdruckes auf ein Blech aus einem
dehnfähigen Metall, aus welchem das Diaphragma hergestellt werden soll, angefertigt
werden.
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Die zerreißbaren Diaphragmen, die nach dieser Ausführungsform der
Erfindung gebildet werden, können hergestellt werden, indem eine Matrize verwendet
wird, die der Gestalt entspricht, die das Diaphragma unter der Wirkung des zur Vorbelastung
benutzten, kurzzeitig wirkenden Druckes annimmt.
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Die Zeit, die der zur Vorstreckung oder Vorbelastung benutzte Druck
auf das Diaphragma bei der obigen Ausführungsform der Erfindung zur Einwirkung gebracht
wird, ist dann nicht mehr entscheidend, da das Diaphragma seine Gestalt nicht ändern
kann, nachdem es die Gestalt der Hilfsform einmal angenommen hat.
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Der kurz wirkende positive Druck, welchem die zerreißbaren Diaphragmen
der vorliegenden Erfindung ausgesetzt werden, soll wenigstens 90% des Druckes betragen,
bei welchem das Diaphragma zerbrechen würde. Es wurde gefunden, daß, je mehr der
Vorbelastungs-Druck dem Druck angenähert wird, bei dem ein Zerreißen des Diaphragmas
eintritt, um so widerstandsfähiger das erhaltene zerreißbare Diaphragma ist, und
um so weniger ändert es seine Gestalt oder »kriecht« es bei der späteren Verwendung
bei niedrigeren Drücken.
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In der Praxis ist es jedoch schwierig, zerreißbare Diaphragmen hohen,
kurz wirkenden Vorbelastungs-Drücken, wie beispielsweise 99% des die Zerreißung
bewirkenden Druckes, auszusetzen; ohne Gefahr zu laufen, daß das Diaphragma infolge.
einer geringen Zunahme des Vo.rbelastungs-Druckes unbeabsichtigt zerreißt. Vorzugsweise
wird daher mit Vorstreckungs-oder Vorbelastungs-Drücken im Bereich von 90 bis '971/o
des die Zerreißung bewirkenden Druckes gearbeitet, und bei aus Silber bestehenden
zerreißbaren Diaphragmen wird im allgemeinen ein Vorstreckungs-Druck von 92,5% des
die Zerreißung bewirkenden Druckes angewendet.
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Der Druck, bei welchem das zerreißbare Diaphragma zerbrechen wird,
kann aus der Zugfestigkeit des Metallbleches, aus welchem das Diaphragma hergestellt
werden soll, berechnet werden. Es können aber auch einige zerreißbare Diaphragmen
einem schnell zunehmenden Druck bis zum Zerreißen ausgesetzt werden, in welcher
Weise der Zerreißungsdruck experimentell ermittelt werden. kann. Um auf diese Weise
genau reproduzierbare Resultate zu erhalten, ist es notwendig; einen schnell zunehmenden
Druck anzuwenden, und der normale, das Zerreißen bewirkende Druck wird dann als
der Druck festgelegt, bei dem das Diaphragma zerreißt, wenn der Druck, dem das Diaphragma
ausgesetzt wird, mit solcher Geschwindigkeit erhöht wird,-daß das Diaphragma in
etwa einer Minute von dem Zeitpunkt ab zerreißt, bei dem der Anfangsdruck angewendet
worden. ist.
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Das folgende Beispiel -veranschaulicht einen Vergleich des »Kriech«-Widerstandes
von zwei gleichen zerbrechbaren Diaphragmen, die aus demselben Blech eines dehnfähigen
Metal-les hergestellt worden sind und von denen das eine einem Vorstreckungs- oder
Vorbelastun,-s-Druckdifferential gemäß dem Verfahren nach vorliegender Erfindung
ausgesetzt worden ist. Die Dehnung oder Ausweitung des zerreißbaren Diaphragmas
ist als empirischer Wert angegeben worden und gibt die Volumenveränderung der ursprünglich
flachen Diaphragmen an, wenn sie sich in eine etwa sphärische Form ausdehnen.
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Aus einem Silberblech einer Dicke von 0,01 cm wurde ein kuppelförmiges,
zerreißbares Diaphragma eines Durchmessers von 2,54 cm hergestellt, indem das Blech
in eine geeignete kreisförmige Haltevorrichtung eingeklemmt und auf dessen eine
Seite dann ein Druck von 16,8 kg/cm2 angewendet wurde. Dieser Verformungs-Druck
entsprach 72,5°/a des Druckes (23,1 kg/cm2), bei welchem dieses Silberdiaphragma
zerreißen würde. Die ursprüngliche Dehnung des Diaphragmas betrug 50 Einheiten,
und diese Dehnung nahm innerhalb 24 Stunden, während welcher Zeit das Diaphragma
unter einem Druckdifferential von 16,8 kg/cm2 gelassen wurde, auf 56,4 Einheiten
zu, woraus hervorgeht, daß ein weiteres »Kriechen« oder Dehnen des Diaphragmas stattfand.
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Ein gleiches kuppelförmiges, zerreißbares Diaphragma wurde nach dem
Verfahren der vorliegenden Erfindung aus demselben Silberblech hergestellt, indem
das Blech in derselben Haltevorrichtung einem Druckdifferential von 21,4 kg/cm2
(d. h. 92,5 % des normalen Zerreißdruckes) 2 Sekunden ausgesetzt wurde. Die Dehnung
dieses vorbelasteten Diaphragmas betrug 72 Einheiten. Dieses Diaphragma wurde ds.nn
24 Stunden unter einem positiven Druckdifferential von 16,8 kg/cm2 gehalten, wobei
keine weitere Dehnung des Diaphragmas eintrat und womit die Widerstandsfähigkeit
des vorbelasteten Diaphragmas gegen weiteres Dehnen oder »Kriechen« veranschaulicht
ist.
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Um derartige dünne zerreißbare Diaphragrnen gegen Beschädigungen zu
schützen, die hervorgerufen werden, wenn der Druck auf die konvexe Seite des Diaphragmas
größer ist als der auf dessen konkave Seite, ist es üblich, auf der konkaven Seite
des Diaphragmas einen Vakuumträger oder eine Vakuumstütze anzuordnen. Eine derartige
Vakuumstütze besteht im wesentlichen aus einer kuppelförmgen Scheibe, deren konvexe
Fläche sich an die konkave Fläche des zerbrechlichen Diaphragmas genau passend anlegt,
wenn letzteres seine Gestalt unter dem Ein.-fluß des Druckes angenommen hat, der
normalerweise zwischen dem Arbeitsdruck im Druckgefäß und dem Zerreißdruck des Diaphragmas
liegt. Daß sich die Form des Diaphragmas unter den normalen Arbeitsdrücken im Druckgefäß,
an dem es angebracht ist, nicht verändert, ist von besonderer Wichtigkeit, wenn
das Diaphragma mit einer Vakuumstütze ausgestattet wird, da, sobald einmal seine
Kontur durch Kriechen geändert worden ist, es nicht mehr über die ganze Fläche durch
die Vakuumstütze abgestützt wird.