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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Berstscheibe aus einem Blech oder einer Folie, wobei die Berstscheibe einen Rand zum Einspannen der Berstscheibe in eine Einspannvorrichtung und einen mittleren vom Rand eingefassten Bereich aufweist. Die Erfindung umfasst ferner eine Berstscheibe.
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Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Berstscheiben bekannt. Eine Übersicht über Berstsicherungen gibt beispielsweise das „AD 2000-Merkblatt A1“, welches von der „Arbeitsgemeinschaft Druckbehälter“ herausgegeben wird. Das Merkblatt enthält sicherheitstechnische Anforderungen, die für Berstsicherungen einzuhalten sind. Nach dem Merkblatt bestehen Berstsicherungen aus einem Berstelement und erforderlichenfalls mit einer Einspannvorrichtung, welche das Berstelement aufnimmt. Zusätzlich können verschiedene weitere Elemente wie zum Beispiel Schneidvorrichtungen Bestandteil einer Berstsicherung sein.
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Als Berstelemente werden insbesondere verschiedenartig ausgeführte Berstscheiben verwendet. Besondere Bedeutung haben dabei gewölbte Berstscheiben und ebene Berstscheiben. Bei den gewölbten Berstscheiben unterscheidet man zwischen konkav gewölbten Berstscheiben, die in Druckrichtung als Segment einer Kugelmembran geformt sind. Eine konvex geformte Berstscheibe, die auch als Umkehrberstscheiben bezeichnet werden, haben eine Wölbung entgegen der Druckrichtung. Während die konkav gewölbten Berstscheiben bei Erreichen eines Ansprechdrucks durch das Überschreiten der Bruchspannung birst, versagen die Umkehrberstscheiben bei Erreichen des Ansprechdrucks infolge Überschreitung der Beulfestigkeit des Kugelsegments. Hierbei knickt die Wölbung ein und kehrt sich um. Sie schlägt dabei zum Beispiel auf eine Schneidvorrichtung oder es reißt die Vorkerbung auf, so dass die Scheibe zerstört wird und seine Entlastungsfläche freigibt.
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Berstscheiben beziehungsweise Berstsicherungen mit Berstscheiben haben sich in der Vergangenheit als zuverlässige Überdrucksicherheitseinrichtungen erwiesen. Allerdings gibt es Probleme zuverlässig arbeitende Berstscheiben für Leitungen mit kleinen lichten Querschnitten zu schaffen. Das Problem liegt hierbei darin, dass die Berstscheiben schon bei geringen Drücken bersten müssen, was sehr dünne Berstscheiben notwendig macht. Die für die Herstellung solcher dünnen Berstscheiben notwendigen Bleche oder Folien sind jedoch sowohl bei der Verarbeitung, aber auch nach der Herstellung der Berstscheibe empfindlich. So können kleine Beschädigungen oder geringe Krafteinwirkungen zu einer Veränderung des Berstverhaltens solcher Berstscheiben führen. Außerdem kann bei Berstscheiben mit sehr dünnen Membranen der Druckbereich, in welchem die Berstscheibe anspricht, nur sehr grob festgelegt werden. Die Toleranzen sind erfahrungsgemäß sehr groß.
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In der Druckschrift
US 2004/0189020 A1 ist eine Berstscheibe und ein Verfahren zur Herstellung der Berstscheibe offenbart, wobei bei der Herstellung der Berstscheibe eine Stelle im mittleren Bereich erzeugt wird, die durch plastische Verformung eine andere Struktur als das sie umgebende Blech erhalten hat. Dazu ist diese Stelle zweimal umgeformt worden, wobei die zweite Umformung die erste Umformung insoweit rückgängig macht, als die Berstscheibe einen mittleren Bereich mit einer gleichmäßig gewölbten Oberfläche hat.
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Die Berstscheibe mit der zweimal verformten Stelle hat einen kleineren Ansprechbereich als eine Berstscheibe ohne eine solche Stelle. Allerdings ist der Ansprechbereich immer noch so groß, dass eine präzise Vorhersage des Ansprechdrucks nicht vorgenommen werden kann.
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Der Erfindung liegt vor dem Hintergrund der angesprochenen Probleme die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung von Berstscheiben vorzuschlagen, bei welchen das Ansprechverhalten präziser vorbestimmt werden kann.
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Insbesondere sollen die Toleranzbereiche verkleinert werden, so dass Berstscheiben für kleinere lichte Durchmesser trotz der geringen Drücke aus Blechen oder Folien mit höherer Stärke hergestellt werden können.
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Diese Aufgabe wird durch das erfindungsgemäße Verfahren nach Anspruch 1 und durch eine Berstscheibe durch Anspruch 12 gelöst.
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Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung einer Berstscheibe aus Blech oder Folie wird eine Berstscheibe hergestellt, die einen Rand zum Einspannen der Berstscheibe in einer Einspannvorrichtung und einen mittleren von dem Rand eingefassten Bereich aufweist. Der Rand wird aus einem ersten Abschnitt des Blechs oder der Folie hergestellt, während der mittlere Bereich aus einem zweiten Abschnitt hergestellt wird. Innerhalb des zweiten Bereichs wird ein dritter Abschnitt bestimmt. Ein den dritten Abschnitt umrahmender Teil des zweiten Abschnitts wird mittels eines Klemmbackenpaares oder eines Matrizenpaares vollständig eingespannt. Anschließend wird das Blech oder die Folie in dritten Abschnitt ein erstes Mal verformt. Außerdem wird das Blech oder die Folie in dem zweiten Abschnitt verformt. Ferner wird das Blech oder die Folie in dem dritten Abschnitt ein weiteres Mal verformt, um das Ergebnis der ersten Verformung in diesem Abschnitt für die Augen eines Betrachters rückgängig zu machen. Durch diese weitere Verformung wird der dritte Abschnitt der dem umgebenden Bereich wieder angepasst, wodurch sich die Form, insbesondere eine Wölbung des umgebenden Bereichs in dem ersten Abschnitt fortsetzt.
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Insbesondere durch das erste Verformen des dritten Abschnitts, der von dem eingespannten Teils des zweiten Abschnitts umrahmt ist, kommt es an der Grenze des dritten Abschnitts zu einer abrupten Änderung der Struktur des Blechs bzw. der Folie. Bei der weiteren Verformung des dritten Abschnitts bleiben diese Unterschiede der Struktur, insbesondere des Gefügen zwischen dem Blech bzw. der Folie des zweiten Abschnitts und des dritten Abschnitts erhalten.
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Durch die zumindest zweimalige Verformung in dem dritten Abschnitt des Blechs bzw. der Folie ist im Ergebnis die Form des ersten Abschnitts gegenüber der Umgebung nicht oder zumindest nicht wesentlich verändert. Jedoch ist die Struktur des Blechs bzw. der Folie in dem ersten Abschnitt so verändert, dass eine lokal genau definierte Fehlstelle geschaffen wird, so dass die so hergestellte Berstscheibe in einem engeren Toleranzbereich anspricht. Der Ansprechdruck der Berstscheibe kann daher genauer festgelegt werden. Durch diese genauere Festlegung des Ansprechdrucks können dickere Bleche oder Folien zur Herstellung und die sicherere Handhabung der Berstscheiben verwendet werden, was sich insbesondere für die Herstellung von Berstscheiben für kleine lichte Durchmesser und niedrigere Berstdrücke als vorteilhaft erweist.
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Im Gegensatz dazu ist die Stelle, an welcher das Material der Berstscheibe gemäß der Druckschrift
US 2004/0189020 A1 zweifach umgeformt ist, gegenüber dem umgebenden Bereich der Berstscheibe nicht genau abgegrenzt. Insbesondere die erste Verformung, wie sie beispielsweise in den
4 und
13 der Druckschrift
US 2004/0189020 A1 erkennbar ist, wirkt über den Angriffpunkt der Verformungskräfte bzw. über den dritten Abschnitt hinaus und führt u. a. durch Nachfließen von Material auch zu Strukturveränderungen in den an die Stelle angrenzenden Bereiche. Ein abrupter Wechsel der Eigenschaften des Materials ist, anders als in der
11 der Druckschrift
US 2004/0189020 A1 dargestellt ist, mit dem Herstellungsverfahren, wie es in der Druckschrift dargestellt ist, nicht erreichbar. Die erste Verformung nach dem in der Druckschrift
US 2004/0189020 A1 beschriebenen Verfahren ist nicht auf den Bereich beschränkt, in dem die Verformungskräfte angreifen.
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Dagegen ist die erste Verformung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren auf den dritten Abschnitt beschränkt, da das Einspannen des den dritten Abschnitt umrahmenden Teils des zweiten Abschnitts eine Verformung des zweiten Abschnitts verhindert. Ein Nachfließen von Material des Blechs oder der Folie aus dem zweiten Abschnitt in den dritten Abschnitt ist nicht oder nur in einem schmalen Grenzbereich zwischen den Abschnitten möglich.
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Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren verändert sich vorzugsweise durch die erste Verformung des dritten Abschnitts das Volumen des Blechs oder der Folie im dritten Abschnitt nicht. Dagegen ändert sich vorzugsweise die Dicke des Materials des dritten Abschnitts des Blechs oder der Folie während der ersten Verformung des dritten Abschnitts, d. h. sie nimmt ab, während die Dicke des Materials im umgebenden zweiten Abschnitt unverändert bleibt. Bei der ersten Verformung des dritten Abschnitts wird das Blech oder die Folie im dritten Abschnitt vorzugsweise gestreckt.
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Gemäß der Erfindung kann die erste Verformung des dritten Abschnitts vor der Verformung des zweiten Abschnitts erfolgen. Es ist ebenso denkbar, dass die Verformung des zweiten Abschnitts zugleich mit der weiteren Verformung des dritten Abschnitts erfolgt.
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Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren kann die erste Verformung des dritten Abschnitts durch Drücken oder Tiefziehen, insbesondere durch hydromechanisches Tiefziehen erfolgen. Die Verformung des zweiten Abschnitts und/oder die weitere Verformung des dritten Abschnitts kann durch Tiefziehen, insbesondere durch hydromechanisches Tiefziehen erfolgen. Grundsätzlich ist jedoch jede bekannte und geeignete Methode zum Verformen von Blechen geeignet um das Blech bzw. die Folie in dem dritten Abschnitt oder in dem zweiten Abschnitt zu verformen.
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Das Ergebnis der ersten Verformung des dritten Abschnitts kann eine Wölbung sein. Die Wölbung kann die Form einer Kugelkalotte haben. Das Ergebnis der Verformung des zweiten Abschnitts und/oder der weiteren Verformung des dritten Abschnitts kann ebenfalls eine Wölbung sein.
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Eine erfindungsgemäße Berstscheibe, die nach einem vor beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist, weist innerhalb des mittleren Bereichs einen dritten Abschnitt auf, in welchem sich einerseits die Form des umgebenen mittleren Bereichs zumindest für das Auge eines Betrachters fortsetzt und in welchem andererseits die Struktur des Blechs bzw. der Folie gegenüber dem umgebenden mittleren Bereichs verändert ist. Die Struktur des ersten Abschnitts unterscheidet sich beispielsweise durch das Gefüge von der Struktur des umgebenen mittleren Bereichs, wobei sich die Struktur des Materials der Berstscheibe am Übergang vom dritten Abschnitt des mittleren Bereichs zum umgebenden mittleren Bereich abrupt ändert
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Der dritte Abschnitt ist vorteilhaft 1/3 bis 2/3, vorzugsweise jedoch nur 1115 des Abstands vom Mittelpunkt des mittleren Bereichs zum Rand vom Mittelpunkt des mittleren Bereichs entfernt.
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Die Berstscheibe kann im mittleren Bereich gewölbt sein. Der Rand ist vorzugsweise ringförmig und der mittlere Bereich kalottenförmig ausgebildet. Bei der Berstscheibe kann es sich um einen konvex gewölbte oder aber eine konkav gewölbte Berstscheibe handeln.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Berstscheibe und eine erfindungsgemäße Berstscheibe, hergestellt nach diesem Verfahren, werden anhand der Zeichnungen näher beschrieben.
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Es zeigen
- 1a eine Blechronde bzw. Folienronde nach einem ersten Schritt des Herstellungsverfahrens in der Draufsicht,
- 1b die Blechronde bzw. Folienronde nach 1a in der Seitenansicht,
- 2a die durch das Herstellungsverfahren aus der Blechronde bzw. Folienronde hergestellt Berstscheibe in der Draufsicht und
- 2b die Berstscheibe nach 2a in der Seitenansicht.
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Als Ausgangsmaterial für die Herstellung einer erfindungsgemäßen Berstscheibe wird die Blechronde oder Folienronde B verwendet.
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Man unterscheidet einen ersten Abschnitt der Blechronde oder Folienronde B, die später einen Rand der Berstscheibe bildet, einen zweiten Abschnitt der Blechronde oder Folienronde B innerhalb des ersten Abschnitts und einen dritten Abschnitt 4 innerhalb des zweiten Abschnitts.
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In einem ersten Herstellungsschritt wird in die Blechronde oder Folienronde in einem Abstand von ca. 11/20 des Radius der Blechronde oder Folienronde in dem dritten Abschnitt eine kalottenartige Wölbung eingebracht. Dazu wird der den dritten Abschnitt umrahmende Teil des zweiten Abschnitt fest und den dritten Abschnitt vollständig umschließend eingespannt und vorzugsweise ein Tiefziehwerkzeug verwendet, mit welchem die Blechronde oder Folienronde in dem dritten Abschnitt eindrückt bzw. tiefgezogen, wodurch die in den 1a und 1b dargestellte Blechronde oder Folienronde erhalten wird.
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Ausgehend von der nach 1a beziehungsweise 1b verformten Blechronde oder Folienronde wird der zweite Herstellungsschritt vollzogen. Dazu wird die Blechronde oder Folienronde ein weiteres Mal verformt. In einem zweiten Abschnitt 3 wird durch Tiefziehen eine Kugelkalotte eingeformt. Die sich dabei ergebende Wölbung ist zur anderen Seite ausgerichtet als die Verformung im ersten Abschnitt 4. Mit der Verformung der Blechronde oder Folienronde B in dem zweiten Abschnitt 3 wird zugleich die Verformung im dritten Abschnitt 4 rückgängig gemacht. Die Form der Blechronde bzw. Folienronde im ersten Abschnitt 4 setzt die Form des umgebenden zweiten Abschnitts 3 fort. Dass in dem ersten Abschnitt 4 zunächst eine andere Verformung vorlag, ist für den Betrachter mit bloßem Auge an einer anderen Form des Blechs bzw. der Folie nicht mehr erkennbar. Allenfalls mit Messmitteln, anhand von Verfärbungen der Oberfläche des Blechs oder der Folie oder von Strukturuntersuchungen ist die vorherige Verformung noch erkennbar.
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Durch diesen zweiten Herstellungsschritt erhält man schließlich die Berstscheibe 1, wie sie in 2a und 2b dargestellt ist. Die Berstscheibe hat einen durch Verformung des zweiten Abschnitts 3 hergestellten mittleren Bereich 3 einschließlich des dritten Abschnitts 4, der von einem ringförmigen Rand 2, dem ersten Abschnitt umgeben ist. Der ringförmige Rand wird zum Einspannen der Berstscheibe in Einspannmitteln, zum Beispiel zwischen zwei Flanschen benötigt.
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Der zweifach verformte dritte Abschnitt 4 bildet innerhalb des mittleren Bereichs 3 der Berstscheibe eine bewusst herbeigeführte Fehlstelle, in welcher das Blech oder die Folie, aus dem die Berstscheibe hergestellt ist, in seiner Struktur verändert ist. Durch diese Strukturveränderung ist die Berstscheibe in diesem Bereich so geschwächt, dass sie eine Sollbruchstelle oder Sollreißstelle oder Stelle der Berstscheibe bildet, in welcher die Beulfestigkeit am geringsten ist und das Umschlagen der Berstscheibe seinen Ursprung hat. Wird beim Einsatz der Berstscheibe der Druck über ein vorbestimmtes Maß erhöht, beginnt die Berstscheibe an der Stelle der doppelten Verformung des dritten Abschnitts 4 zu reißen beziehungsweise bei einer Verwendung als konvex gewölbter Berstscheibe, d. h. als Umkehrberstscheibe umzuschlagen.
