DE102020127779B3

DE102020127779B3 - Flanschverbindung

Info

Publication number: DE102020127779B3
Application number: DE102020127779.2A
Authority: DE
Inventors: Klaus Ehmann; Rainer Nowak; Hans-Jörg Schober
Original assignee: MAN Energy Solutions SE
Current assignee: MAN Energy Solutions SE
Priority date: 2020-10-22
Filing date: 2020-10-22
Publication date: 2022-01-27
Anticipated expiration: 2040-10-23
Also published as: CN114382888A; JP2022068870A

Abstract

Bei einer Flanschverbindung mit einer Schweißlippendichtung für zwei Behälterteile eines Druckbehälters, mit einem längs aufgeschnittenen Membranrohr, das zur Aufnahme des im Druckraum des Druckbehälters herrschenden Drucks ausgelegt ist und dessen einer Längsrand in diesem Druckraum mit der Innenseite eines ersten der Behälterteile fluiddicht verbindbar ist, einer ersten Schweißlippe, die sich an den anderen, zweiten Längsrand des Membranrohrs fluiddicht anschließt und die sich im montierten Zustand aus dem Druckraum durch die Trennfuge zwischen den Flanschen der beiden Behälterteile nach außen erstreckt, und mit einer zweiten Schweißlippe, die mit dem zweiten der Behälterteile fluiddicht verbindbar ist, wobei die beiden Schweißlippen an ihren einander zugewandten Flächen aneinander liegen und an ihren Stirnseiten fluiddicht miteinander verbunden sind, und wobei die Fläche der ersten Schweißlippe, die von der zweiten Schweißlippe abgewandt ist, eine Gleitebene zu dem ersten Behälterteil ausbildet, bildet im Querschnitt des Membranrohrs das Membranrohr an seinem zweiten Längsrand mit der ersten Schweißlippe einen von Null verschiedenen Anschlusswinkel α und liegt im Querschnitt des Membranrohrs der Krümmungsmittelpunkt des Membranrohrs auf der Seite des zweiten Längsrandes, die im montierten Zustand dem Behälterinnenraum zugewandt ist. Die Erfindung bezieht sich auch auf einen Druckbehälter mit einer solchen Flanschverbindung.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Flanschverbindung mit einer Schweißlippendichtung nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 und auf einen Druckbehälter mit einer solchen Flanschverbindung.
Eine Schweißlippendichtung dient dazu, eine Flanschverbindung hermetisch abzudichten und dabei radiale Relativbewegungen bei unterschiedlichen Wärmedehnungen der beiden Flansche zu ermöglichen. Sie ist lösbar durch Abtrennen einer leicht zugänglichen Dichtnaht.
Eine solche Schweißlippendichtung ist insbesondere für den Einsatz bei Druckbehältern aus der Patentschrift DE4407728C1 bekannt. Diese besteht aus einem längsseitig aufgetrennten Membranrohr mit einem eben ausgebildeten Rand. Das Membranrohr verläuft im Inneren des Druckraums etwa auf Höhe einer Flanschverbindung, welche zwei Behälterteile miteinander verbindet. Der eine Rand des Membranrohrs ist mit einem ersten Behälterteil durch eine Schweißverbindung verbunden. Der eben ausgebildete Rand tritt durch die Trennfuge nach außen hervor und ist dort mit dem zweiten Behälterteil verschweißt.
Die behälterinnenseitige Anordnung des Membranrohres erlaubt es, die Flanschverbindungsmittel dicht an der Behälterwand anzuordnen und dementsprechend die Flansche schmal zu halten. Dies führt zu einer Minimierung der Biegemomente im Flansch, wodurch dieser kleiner ausgeführt werden kann. Zudem wird der Bauraum außerhalb des Behälters minimiert. Der durch die Trennfuge hindurch nach außen hervortretende Rand des Membranrohres ermöglicht es, ihn von außen her zu verschweißen und ggf. auch wieder zu trennen.
Die bekannten Ausführungen stehen oft in Verbindung mit Gaseintrittshauben von Rohrbündelreaktoren. Eine weitere Anwendung bietet sich bei einer Rohrbündelreaktor-Nachkühler-Kombination gemäß EP1586370A2 an. Dort ist ein Nachkühler mit einer konventionellen Flanschverbindung direkt an einen Rohrbündelreaktor angeflanscht. Durch die unterschiedlichen Temperaturen von Reaktorteil und Nachkühler entstehen unterschiedliche Radialdehnungen, durch die konventionelle Pressdichtungen leicht undicht werden können. Das Problem von großen Differenzdehnungen tritt insbesondere bei zweiteiligen Behältern mit großen Durchmessern auf. Hier wirken sich die Differenzdehnungen zweier Behälterteile bei großen Temperaturdifferenzen in besonderem Maße aus. Wegen der aus den Reaktionsrohren strömenden oftmals giftigen oder brennbaren Reaktionsgasprodukte ist eine dauerhaft hermetisch dichte Flanschverbindung dringend geboten, jedoch ist es bisher noch nicht zu einem derartigen Einsatz gekommen.
Der Grund dafür, dass eine Flanschverbindung gemäß DE4407728C1 bei einem Apparat gemäß EP1586370A2 nicht in Betracht gezogen wird, ist, dass die dortige Schweißlippendichtung insbesondere für den Einsatz bei einer Kombination einer Gaseintrittshaube mit einem Rohrbündelreaktor-Mittelteil geeignet ist. Hier wird die Befestigungsnaht vorzugsweise am Behältermantel vorgesehen. Der elastische Teil der Schweißlippendichtung erstreckt sich damit überwiegend in axialer Richtung. Bei einer Rohrbündelreaktor-Nachkühler-Kombination gemäß EP1586370A2 hingegen hat die Minimierung des Rohrbodenabstandes der beiden Apparate die oberste Priorität, um dort die Verweilzeit des aus den Reaktionsrohren des Rohrbündelreaktors tretenden Reaktionsgases zu minimieren und so Nebenreaktionen zu vermeiden. Dem steht die Verwendung von Schweißlippendichtungen, wie sie aus DE4407728C1 bekannt sind, wegen deren großen axialen Abmessungen entgegen.
Bei Reaktoren gemäß WO2004/067164A1 werden unter anderem Verdränger in der Gaseintrittshaube zur Volumenreduzierung vorgestellt. Schweißlippendichtungen werden hier außerhalb des Druckraums, d.h. außerhalb des von dem Verdränger gebildeten Gasraums, angeordnet. Neben dem Verdränger ist die Höhe des für den Einbau einer Schweißlippendichtung zur Verfügung stehenden Raums sehr viel weniger beschränkt als im Druckraum zwischen Verdränger und Rohrboden. Die Schweißlippendichtungen sind in verschiedenen einteiligen und mehrteiligen Ausführungen gezeigt. Bei den mehrteiligen Ausführungen ist der eben ausgeführte Rand der Schweißlippendichtung durch ein blockförmiges Verbindungselement ersetzt, welches durch die Trennfuge geführt ist und außerhalb des Reaktors mit dem zweiten Behälterteil entweder direkt oder indirekt an ein weiteres Blockelement durch eine Dichtnaht verbunden ist.
Aus DE 27 10 859 A1 , DE 28 28 973 A1 und DE 39 12 478 A1 ist jeweils ein Betondruckbehälter mit einer Verschlussvorrichtung für die Behälteröffnung bekannt, wobei die Verschlussvorrichtung mittels einer Schweißlippendichtung abgedichtet ist. Der Betondruckbehälter ist mit einem metallischen Liner ausgekleidet und die Verschlussvorrichtung weist auf ihrer der Behälteröffnung zugewandten Seite eine Metallplatte auf. Der Liner und die Metallplatte sind jeweils mit einem Flansch versehen, die einander gegenüberliegen und an denen die Schweißlippendichtung befestigt ist. Gemäß DE 27 10 859 A1 ist der elastische Teil der Schweißlippendichtung im Querschnitt ringförmig ausgebildet, außerhalb des Druckraums angeordnet, liegen die Flansche aneinander und erstrecken sich die Schweißlippen in die Anlagefläche hinein. Gemäß DE 28 28 973 A1 ist der elastische Teil im Querschnitt in etwa halbkreisförmig ausgebildet, ebenfalls außerhalb des Druckraums angeordnet, erstreckt sich die größere Längenausdehnung vertikal und sind die Schweißlippen an den Außenumfangsflächen der Flansche angeschweißt. Gemäß DE 39 12 478 A1 ist die Schweißlippendichtung als Omega-Dichtung ausgebildet, im Druckraum angeordnet und auch dort befestigt.
Die DD 1 42 818 A3 offenbart eine Schweißlippendichtung, die aus zwei aufeinander liegenden Blechringen gebildet und zwischen den Stirnflächen eines Standrohrs und eines Stutzens angeordnet ist. Auf jeder Stirnfläche ist jeweils ein Blechring an seinem Innenrand angeschweißt. Die Außenränder sind rechtwinklig zur selben Seite hin abgebogen und an ihren Kanten miteinander verschweißt.
Verschiedene handelsübliche Schweißlippendichtungen werden z.B. von der Fa. Kempchen, www.kempchen.de, in einem Prospekt in dem Kapitel „Schweißdichtungen“ beschrieben. Die Dichtungen sind entweder auf die Dichtungsfunktion mittels Schweißlippe oder auf den radialen Dehnungsausgleich optimiert. Je nach Wanddicke des Torus ist der radiale Bewegungsweg auf 5 mm begrenzt. Bei Auftrennen der Dichtnaht gibt es einen Trennverlust von 2 bis 3 mm. Schweißlippen sind bis zu 5 mal auftrennbar. Als maximale Nennweite ist DN3000 angegeben. Wegen der geringen Bewegungswege bei Differenzdehnungen, der kleinen maximalen Nennweiten und wegen der begrenzten Anzahl an möglichen Auftrennungen sind solche Dichtungen für die hier vorgesehenen Anwendungen nicht geeignet.
Derartige Schweißlippendichtungen sind auch aus FR 1352092 A oder EP1188970A2 bekannt.
Hier nun soll die Erfindung Abhilfe schaffen. Ihr liegt von daher die Aufgabe zugrunde, eine Flanschverbindung gemäß Gattungsbegriff derart auszubilden, dass sie bei beengten Platzverhältnissen zwischen den Behälterteilen in Längsrichtung des Druckbehälters einsetzbar ist und dabei große Relativbewegungen quer zu dessen Längsrichtung aufnehmen kann.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Flanschverbindung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Gegenstand der Erfindung ist auch ein Druckbehälter gemäß Anspruch 8.
Durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen ist es auf relativ einfache Weise möglich, zwei Behälterteile eines Druckbehälters, bei denen große Relativbewegungen quer zur Längsachse des Druckbehälters auftreten können, unter Einsatz einer Schweißlippendichtung miteinander zu verbinden, auch wenn der zur Verfügung stehende Platz im Druckraum in Längsrichtung des Druckbehälters gering ist. Insbesondere ist die erfindungsgemäße Flanschverbindung geeignet für Druckbehälter mit einem Durchmesser größer als 6 m.
Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, dass ein gekrümmtes Bauteil eine große Verformungsfähigkeit in Richtung seiner Sehne aufweist, d. h. in der Richtung der Verbindungslinie zwischen seinen Endpunkten, auch wenn die Scheitelhöhe über der Sehne relativ gering ist.
Dadurch, dass zum einen der Anschlusswinkel α zwischen dem Membranrohr und der ersten Schweißlippe von Null verschieden ist und zum anderen der Krümmungsmittelpunkt auf der Behälterinnenseite dieses Anschlusses liegt, erstreckt sich im Querschnitt des Membranrohrs dessen größere Längenausdehnung in das Behälterinnere hinein, d. h. bei einem zylindrischen Behälter radial zur Behälterachse hin, und dessen kleinere Längenausdehnung in Richtung der Behälterachse. Durch geeignete Wahl des Anschlusswinkels α kann die Scheitelhöhe des Membranrohrs und damit dessen Längenausdehnung in Richtung der Behälterachse auf einfache Weise den jeweiligen Anforderungen bezüglich des zwischen den Behälterteilen in Richtung der Behälterachse zur Verfügung stehenden Abstandes angepasst werden.
Als Membranrohr im Sinne dieser Erfindung wird ein torusförmiges Rohr verstanden mit einem Querschnitt, der sich als Sektor einer gekrümmten Membranrohrwand mit einem Sektorwinkel im Bereich von 0° bis 360° beschreiben lässt. Besonders bevorzugt sind Sektorwinkel im Bereich von etwa 120° bis 210° bzw. von 300° bis 360°. Der Querschnitt des Membranrohrs ist bevorzugt kreisförmig, jedoch nicht darauf beschränkt. So kann er ebenso ellipsenförmige oder andere gebogene Formen beschreiben. Ein 360°-Bogen kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass die Kontur des Membranrohrs nicht einem Kreis, sondern einer Spirale folgt.
Vorzugsweise ist das Membranrohr mit der ersten Schweißlippe durch eine Schweißverbindung verbunden. Eine Schweißverbindung ist eine stoffschlüssige Verbindung und daher fluiddicht. Sie ist kostengünstig herstellbar und kann hohen Belastungen standhalten. Es sind jedoch auch Anwendungsfälle denkbar, bei denen andere Verbindungsarten geeigneter sind, beispielsweise eine Lötverbindung.
In einer günstigen Weiterbildung der Erfindung sind das Membranrohr und die erste Schweißlippe einstückig als Biegeteil ausgeführt. Bei dieser Lösung können Fehler in den Verbindungsnähten und deren Ausbessern vermieden werden. Zudem ist die mechanische Güte eines solchen Übergangs vom Membranrohr zur ersten Schweißlippe deutlich erhöht.
Bevorzugt erstreckt sich das Membranrohr im Querschnitt über mindestens 180°. Mit dieser Maßnahme wird eine sehr große Verformungsfähigkeit des Membranrohrs quer zur Behälterachse erreicht.
Vorteilhafterweise ist der Querschnitt des Membranrohrs ein Kreisbogenabschnitt. Dies ermöglicht eine kostengünstige Fertigung.
Bevorzugt liegt die Größe des Anschlusswinkels α im Bereich von 45° bis 135°, besonders bevorzugt im Bereich von 60° bis 120° und ganz besonders bevorzugt im Bereich von 70° bis 100°. Mit diesen Größenbereichen für den Anschlusswinkel α werden gute bis sehr gute Verformungsfähigkeiten senkrecht zur Behälterachse bei relativ geringen Abmessungen in Richtung der Behälterachse erreicht.
Der erste Längsrand des Membranrohrs wird mit einem Winkel β an den Rohrboden fluiddicht angeschlossen. Der Winkel β ist nicht besonders beschränkt. Die bevorzugten Winkelbereiche sind identisch mit denen des Winkels α.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung schließt sich an den ersten Längsrand ein weiteres längs aufgeschnittenes Membranrohr an. Hierdurch kann bei Beibehaltung der Längenausdehnung in Richtung der Behälterachse die Verformungsfähigkeit quer zur Behälterachse verdoppelt werden.
Bei einem erfindungsgemäßen Behälter weisen die Behälterteile unterschiedliche Temperaturen auf und ist der erste Längsrand vorzugsweise im Druckbereich mit dem kälteren Behälterteil verbunden. Der zweite Längsrand ist somit über die erste Schweißlippe und die mit dieser verbundenen zweiten Schweißlippe mit dem wärmeren Behälterteil verbunden ist. Der zweite Längsrand verschiebt sich deshalb gegenüber dem ersten Längsrand nach außen, wodurch Zug auf das Membranrohr ausgeübt wird und sich dessen Längenausdehnung in Richtung der Behälterachse verringert. Es besteht daher keine Gefahr, dass das Membranrohr bei Relativbewegungen zwischen den Behälterteilen an einen der Behälterteile anstößt und unkontrollierte Belastungszustände auftreten.
Vorteilhafterweise ist zwischen mindestens einer Schweißlippe und dem ihr gegenüberliegenden Flansch mindestens ein Distanzstück angeordnet. Mit dieser Maßnahme wird auf einfache Weise Raum geschaffen für das Membranrohr.
Dabei ist bevorzugt die Gleitebene zwischen der ersten Schweißlippe und einem Distanzstück ausgebildet. Hierdurch kann die Lage der Gleitebene innerhalb der Trennfuge variiert und dorthin gelegt werden, wo es unter den jeweiligen Bedingungen am günstigsten ist.
In einer bevorzugten Weiterentwicklung der Erfindung sind die Schweißlippen zu einer Mittelebene zwischen den Flanschen in Längsrichtung des Behälters außermittig angeordnet und ist das Membranrohr zu der Seite mit dem größeren Abstand zwischen Schweißlippen und Flansch hin gewölbt. Mit diesen Maßnahmen kann der Raumbedarf für das Membranrohr in Richtung der Behälterachse weiter reduziert werden, da Abstand zwischen den Behälterteilen auf die Scheitelhöhe des Membranrohrs reduziert sein kann.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnungen beispielshalber noch näher erläutert.
Die 1 bis 7 zeigen jeweils in einer Teil-Querschnittsansicht Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen Druckbehälters mit einer erfindungsgemäßen Flanschverbindung zwischen zwei Rohrböden (1-5,7) oder zwischen Rohrboden und Gaseintrittshaube (6).
Die in 1 im Schnitt gezeigte Flanschverbindung 1 dient der Verbindung von einem ersten Behälterteil 2 und einem zweiten Behälterteil 3, die beide einen Rohrboden aufweisen. Der erste Behälterteil 2 wird von einem ersten Flansch 4 begrenzt, der hier in Verlängerung eines ersten Rohrbodens 5 steht. An dem radialen Ende dieses Rohrbodens 5 befinden sich Flanschbohrungen 6. An diesen ersten Rohrboden 5 schließt sich eine erste Behälterwand 7 an. Eine Vielzahl von Rohren 8 sind durch den Rohrboden 5 geführt und mit diesem fluiddicht verbunden. In analoger Weise wird der zweite Behälterteil 3 mit einem zweiten Flansch 9 und einem zweiten Rohrboden 10 in dessen Verlängerung begrenzt. An dem radialen Ende des Rohrbodens 10 befinden sich Flanschbohrungen 11, die mit den Flanschbohrungen 6 fluchten. Hier nicht gezeigte Befestigungsmittel sind durch die Flanschbohrungen 6 und 11 geführt und verbinden die Flansche 4 und 9. An den zweiten Rohrboden 10 schließt sich eine zweite Behälterwand 12 an. Eine Vielzahl von Rohren 13 sind durch den Rohrboden 10 geführt und mit diesem fluiddicht verbunden. Zwischen den Flanschen 4 und 9 befindet sich ein Distanzstück 14.
Das in 1 gezeigte Ausführungsbeispiel kann z.B. angewendet werden bei einem Rohrbündelreaktor mit direkt angeschlossenem Quenchkühler zur Herstellung von Acrolein, bei dem das Reaktionsgas von oben nach unten durch den Reaktor geführt wird. Eine solche Zusammenstellung ist z.B. in der EP1586370A2 gezeigt. Für diesen Fall bildet der Rohrboden 10 den unteren Rohrboden des Rohrbündelreaktors als zweiten Behälterteil 3 und der Rohrboden 5 den oberen Rohrboden eines als Quenchkühler ausgebildeten Rohrbündelwärmeübertragers als ersten Behälterteil 2. Bei dieser Behälterkombination hat der Rohrbündelreaktor im Betrieb durch die in diesen stattfindenden exothermen Gasphasenreaktionen eine deutlich höhere Temperatur als der direkt daran angeschlossene Quenchkühler. Dies führt dazu, dass der Rohrboden 10 eine insbesondere in radialer Richtung größere Längenausdehnung erfährt als der Rohrboden 5 des Quenchkühlers.
Eine hermetische Abdichtung der Flanschverbindung wird durch eine Schweißlippendichtung 15 erreicht, die durch ein gebogenes und längs aufgeschnittenes Membranrohr 16, hier mit halbkreisförmigem Querschnitt, und eine erste Schweißlippe 17 gebildet wird. Das Membranrohr 16 hat die Funktion eines radial zur Behälterachse wirkenden Dehnungskompensators. Dabei ist der erste Längsrand 18 des Membranrohrs 16 an der Innenseite des ersten Behälterteils, hier an dem Rohrboden 5, fluiddicht befestigt, bevorzugt durch eine Schweißverbindung, wie in der 1 dargestellt. Diese erste Schweißnaht wird auch als Befestigungsnaht bezeichnet. Der zweite Längsrand 19 des Membranrohrs 16 ist an die erste Schweißlippe 17 mit einem von Null verschiedenen Winkel α angeschlossen, wobei hier der Anschluss durch eine Schweißnaht hergestellt ist. Im Querschnitt des Membranrohrs 16 liegt der Krümmungsmittelpunkt 20 des Membranrohrs 16 auf der Seite des zweiten Längsrandes, die im montierten Zustand dem Behälterinnenraum zugewandt ist.
Die erste Schweißlippe 17 erstreckt sich im montierten Zustand durch die Trennfuge 21 zwischen den Flanschen 4 und 9 radial nach außen. Dabei bildet die erste Schweißlippe 17 auf der dem ersten Behälterteil zugewandten Seite eine Gleitebene 22 aus. An der dem zweiten Behälter 3 zugewandten Seite der ersten Schweißlippe 17 liegt diese an einer zweiten Schweißlippe 23 an und ist mit dieser fluiddicht befestigt, bevorzugt durch eine radial außenliegende stirnseitige Schweißverbindung 24. Diese zweite Schweißnaht wird auch als Dichtnaht bezeichnet. Die zweite Schweißlippe 23 ist mit einem Distanzstück 14 verbunden und dieses mit dem Rohrboden 10 des zweiten Behälterteils 3. Im Betrieb dehnt sich der Rohrboden 10 stärker aus als der Rohrboden 5. Der Rohrboden 10 kann sich entlang der Gleitebene 22 frei radial nach außen bewegen. Dabei wird das Membranrohr 16 elastisch in radialer Richtung auseinandergezogen und gewährleistet auch in diesem Zustand die hermetische Dichtigkeit der Flanschverbindung 1. Die Zugänglichkeit zur stirnseitigen Schweißverbindung 24 kann verbessert werden, indem mehr Freiraum geschaffen wird, z.B. durch eine Abschrägung 25 einer Flanschaußenseite. Durch die radiale Ausrichtung des Membranrohrs 16 wird das Volumen des Zwischenraums 26 minimiert. Dabei wird der Rohrbodenabstand 27 zwischen den Rohrböden 5 und 10 so groß gewählt, dass ein vorgegebener Mindestabstand 28 vom Membranrohr 16 zum nächstliegenden Rohrboden, hier also zum Rohrboden 10, eingehalten wird.
Die 2 zeigt eine Variante des Ausführungsbeispiels von 1. Dabei wird hier nur auf die wesentlichen Unterschiede eingegangen. Die Schweißlippendichtung 15 ist hier einstückig als Biegeteil ausgeführt mit den Funktionsbereichen eines Membranrohrs 16 und einer ersten Schweißlippe 17. Der Anschlusswinkel α ist in diesem Fall definiert durch die Tangente am Wendepunkt 29 und durch die Achsnormale des Behälters. Als Rohmaterial kommt hier beispielsweise ein Blechstück in der Form eines Kreisringsektors in Frage, bei dem der dem Membranrohr 16 entsprechende gebogene Teil durch stufenweises Biegen in einer Biegemaschine mit etwa kugelförmigen Walzen hergestellt wird. Die Herstellung mit einer Presse ist ebenso möglich. Dieses Verfahren erfordert einmalig höhere Investitionskosten. Es hat jedoch den Vorteil, dass Schweißnahtfehler am Übergang von Membranrohr 16 zur ersten Schweißlippe 17 vermieden werden und so die mechanische Güte dieses Übergangs deutlich besser als eine Schweißnaht ist. Die erste Schweißlippe 17 liegt in diesem Fall auf einem separaten Schweißlippenauflager 30 auf, welches fluiddicht mit dem Flansch 5 verbunden ist. Als Maßnahme zur weiteren Reduzierung des Rohrbodenabstandes 27 wird eine Einbuchtung 31 an dem Rohrboden der konvexen Seite des Membranrohrs 16 vorgesehen, in die das Membranrohr 16 ein Stück hineinragt. Das Membranrohr 16 wird so angeordnet, dass ein vorgegebener Mindestabstand 32 in radialer Richtung zum Distanzstück 14 eingehalten wird. Zur Dichtigkeitsüberwachung der Schweißlippendichtung 15 wird ein äußerer Sondierungsgang 33 in den ersten Flansch 4 gebohrt. Eine Verbindung mit dem der Druckseite abgewandten Gasraum wird durch einen inneren Sondierungsgang 34 geschaffen, der sich mit dem äußeren Sondierungsgang 33 kreuzt. Am Eingang des äußeren Sondierungsgangs 33 befindet sich ein geeigneter Anschluss 35, an den ein Druckmessgerät und/oder ein Gasanalysegerät angeschlossen werden kann.
In 3 sind weitere Ausführungsmöglichkeiten der 1 und 2 gezeigt. Hierbei ist der erste Längsrand 18 des Membranrohrs 16 an der Innenseite des ersten Behälterteils, hier an dem Rohrboden 5, fluiddicht befestigt. Der zweite Längsrand 19 des Membranrohrs 16 ist an einem Zwischenblock 36 befestigt. Hierbei ist die radial nach außen führende Schweißlippe 17 ein integraler Teil des Zwischenblocks 36. Dieser Zwischenblock 36 liegt auf einem Schweißlippenauflager 30 auf und bildet an der Kontaktfläche zu diesem eine Gleitebene 22 aus. Die erste Schweißlippe 17 liegt an der dem zweiten Behälter zugewandten Seite an einer zweiten Schweißlippe 23 an und ist mit dieser durch eine stirnseitige Schweißverbindung 24 verbunden. Die zweite Schweißlippe 23 ist mit einem Distanzstück 14 verbunden und dieses mit einem Auflager 37, welches seinerseits mit dem Rohrboden 10 des zweiten Behälterteils 3 verbunden ist. Die radiale Relativbewegung der beiden Flansche 4 und 9 wird erleichtert durch einen Gleitwerkstoffbelag 38 in der Trennfuge 21. Ein Probelauf des Behälters unter Druck noch ohne Herstellung der Schweißnaht wird durch eine in einer Nut gelegene konventionelle Dichtung 39 möglich. Eine weitere Verringerung des Abstandes 27 wird ermöglicht durch eine Einbuchtung 31 an der Rohrbodenseite, die der konvexen Seite des Membranrohrs gegenüberliegt.
4 zeigt eine Ausführungsform, bei der das Membranrohr 16 an seinem ersten Längsrand 18 an einen ersten Zwischenblock 36.1 fluiddicht angeschlossen ist, der seinerseits an ein erstes Distanzstück 14.1 angeschlossen ist und dieses schließlich an den Rohrboden 5, wobei alle Verbindungen fluiddicht sind. Auf die Darstellung weiterer Behältermerkmale wie die Behälterwände oder Flanschdetails wird aus Vereinfachungsgründen im Folgenden verzichtet. Das Membranrohr 16 führt ab seinem ersten Längsrand 18 zunächst radial nach innen und wird mit gleicher Krümmung wieder zur Flanschseite nach außen zurückgeführt, wo es mit seinem zweiten Längsrand 19 mit einem von Null verschiedenen Winkel α an einen zweiten Zwischenblock 36.2 angeschlossen ist. Hierbei ist die radial nach außen führende Schweißlippe 17 ein integraler Teil des zweiten Zwischenblocks 36.2. Im Querschnitt des Membranrohrs 16 liegt dessen Krümmungsmittelpunkt 20 auf der Seite des zweiten Längsrandes, die im montierten Zustand dem Behälterinnenraum zugewandt ist. Die weitere konstruktive Ausbildung ist vergleichbar mit der aus 1. An der dem zweiten Behälter zugewandten Seite der ersten Schweißlippe 17 liegt diese an einer zweiten Schweißlippe 23 an und ist mit dieser fluiddicht befestigt. Die zweite Schweißlippe 23 ist in diesem Fall ein integraler Teil des zweiten Distanzstücks 14.2. Die Gleitebene 22 der Schweißlippendichtung wird ausgebildet durch die Kontaktfläche von erstem Zwischenblock 36.1 und zweitem Zwischenblock 36.2. Die Ausführung des Membranrohrs mit einem fast vollständigen kreisringförmigen Querschnitt mit Anschlüssen an einen ersten Zwischenblock 36.1 und an einen zweiten Zwischenblock 36.2 bietet den Vorteil eine Minimierung der radialen Ausdehnung nach innen, wenn dies aus konstruktiven Gründen wünschenswert ist. Bei gleicher flexibler Umfangslänge eines Membranrohrs mit halbkreisförmigem Querschnitt kann durch diese Ausführung der Membranrohrdurchmesser verkleinert werden. Zudem noch kann der Rohrbodenabstand weiter verringert werden durch eine Einbuchtung 31 an einem oder an beiden Rohrböden. Diese Ausführung bietet zudem den Vorteil, dass die Funktionsteile 36.1, 16 und 36.2 mittels Schweißnähten 18 und 19 außerhalb des Behälters vorgefertigt werden können und anschließend mit dem Behälter verbunden werden können, ohne dass das empfindliche Membranrohr 16 bearbeitet werden müsste.
Die 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem die konkave Seite des Membranrohrs 16 zur Druckseite des Zwischenraums 26 zwischen den beiden Rohrböden 5 und 10 zeigt. Auch hier ist der erste Längsrand 18 des Membranrohrs 16 an der Innenseite des ersten Behälterteils, hier an dem Rohrboden 5, fluiddicht befestigt. Der zweite Längsrand 19 des Membranrohrs 16 ist an einem Zwischenblock 36 befestigt. Bedingt durch die spezielle Anordnung des Membranrohrs ist der Anschlusswinkel α des Membranrohrs an den Zwischenblock hier größer als 90°. Entsprechend liegt hier der Anschlusswinkel β des Membranrohrs an den Rohrboden hier größer als 180°. Die radial nach außen führende Schweißlippe 17 ist hier ein integraler Teil des Zwischenblocks 36. Dieser Zwischenblock 36 liegt auf einem Schweißlippenauflager 30 auf, welches hier die Funktion eines Distanzstücks hat. Der Zwischenblock 36 bildet an der Kontaktfläche zu dem Schweißlippenauflager 30 eine Gleitebene 22 aus. Die erste Schweißlippe 17 liegt an der dem zweiten Behälter zugewandten Seite an einer zweiten Schweißlippe 23 an und ist mit dieser durch eine stirnseitige Schweißverbindung 24 verbunden. Die zweite Schweißlippe 23 ist integraler Teil eines Distanzstücks 14, welches mit dem Rohrboden 10 des zweiten Behälterteils 3 verbunden ist. Eine weitere Verringerung des Abstandes 27 wird ermöglicht durch eine Einbuchtung 31 an der Rohrbodenseite, die der konvexen Seite des Membranrohrs gegenüberliegt.
Bei 6 ist eine Flanschverbindung 1 zwischen einem Rohrboden 5 als ersten Behälterteil 2 und einer Gaseintrittshaube 40 als Teil eines zweiten Behälterteils 3 gezeigt. Die Gaseintrittshaube 40 besteht im Wesentlichen aus einem gewölbten Boden 41, einem Blockflansch 42, einem konusförmigen Verdränger 43, Verbindungsmitteln 44 und einem hier nicht gezeigten Gaseintritt. Das durch den Gaseintritt eingetretene Gas strömt in den Zwischenraum 26 zwischen Rohrboden 5 und Verdränger 43 ein, von wo es in die Reaktionsrohre 8 abströmt. Im Falle von explosiblen Gasen ist man bestrebt, das Volumen des Zwischenraums 26 zu minimieren, um die Auswirkungen einer eventuellen Explosion zu begrenzen. Auch in diesem Falle treten größere Differenzdehnungen zwischen dem heißen Rohrboden 5 des Rohrbündelreaktors und der von relativ kaltem Reaktionsgas durchströmten Gaseintrittshaube 40 mit Blockflansch 42 auf. Diese Differenzdehnungen werden kompensiert durch eine Schweißlippendichtung 15, deren Membranrohr 16 an seinem ersten Längsrand 18 an den Verdränger 43 angeschweißt wird. In diesem Falle wird das Membranrohr 16 erst an ein Zwischenblech 45 geschweißt und dieses Zwischenblech 45 dann an den Verdränger 43. Der Grund für das Anordnen eines solchen Zwischenblechs 45 liegt darin, dass die Gaseintrittshaube 40 einen Druckbehälter darstellt. Solche Druckbehälter dürfen nach der Endabnahme einer Prüfstelle nicht mehr verändert werden. Sollte es einmal notwendig werden, das Membranrohr 16 ganz oder teilweise auszutauschen, so wird dabei nur die Schweißnaht zum Zwischenblech aufgetrennt, welches funktionell nicht zum eigentlichen Druckbehälter gehört.
Der Anschluss der Schweißlippendichtung an den Flansch erfolgt analog zu vorgehend beschriebenen Ausführungsbeispielen. Zur Verwendung kommen eine erste Schweißlippe 17, die mit einer stirnseitigen Schweißverbindung 24 mit einer zweiten Schweißlippe 23 verbunden wird. Die zweite Schweißlippe 23 ist hier wieder ein integrales Teil eines Distanzstücks 14.
Ein Ausführungsbeispiel mit besonders großem radialen Ausgleichsvermögen und kleinem Rohrbodenabstand zeigt 7. Das Dehnungselement besteht hier aus einem zweiwelligen Membranrohr 46, dessen konvexe Abschnitte jeweils in Einbuchtungen 31 der gegenüberliegenden Rohrböden hineinragen. Dabei schließt sich an den ersten Längsrand 18 des ersten Membranrohrs 16 ein zweites Membranrohr 47 an, welches fluiddicht mit dem Rohrboden 5 verbunden ist. Die übrigen Funktionsteile ergeben sich aus den Beschreibungen der vorgenannten Figuren. Ein in radialer Richtung mehrteiliges Membranrohr bietet sich an, wenn der zusätzliche Raumbedarf in radialer Richtung gegenüber den Dehnungsaspekten eine nur untergeordnete Rolle spielt. Grundsätzlich sind Ausführungen mit mehr als zwei Membranrohrabschnitten möglich, die hier jedoch nicht weiter dargestellt sind.
Das radial außenliegende Ende des Membranrohrs wird bevorzugt mit demjenigen Flansch verbunden, welches sich im Betrieb stärker ausdehnt als der andere Flansch. Ein Anschluss an den sich weniger ausdehnenden Flansch ist ebenfalls möglich. Hierbei wird allerdings das Membranrohr gestaucht und es ist bei den Rohrböden ausreichender axialer Bewegungsraum für das Membranrohr vorzusehen.
Den in den 1 bis 7 dargestellten Ausführungsbeispielen ist zu entnehmen, dass die Lage des Membranrohrs unterschiedlich sein kann. Daher wird zunächst die Lage des Membranrohrs festgelegt und in Abhängigkeit davon dann dessen Durchmesser und Wandstärke ermittelt. Grundlage für die Berechnung sind die maximal zu erwartenden Temperaturdifferenzen der Rohrböden 5 und 10 zueinander und entsprechend der Werkstoffeigenschaften die maximal zu erwartenden Differenzausdehnungen. Bezüglich des Ausgleichs der Differenzausdehnungen der Rohrböden 5 und 10 ist eine möglichst elastische Ausführung wünschenswert, die durch einen möglichst großen Durchmesser und eine möglichst kleine Wandstärke des Membranrohrs 16 erreicht werden kann. Dem entgegen steht die Forderung nach ausreichender Festigkeit gegen den Gasdruck des Zwischenraums 26, der sich durch einen möglichst kleinen Durchmesser und eine möglichst große Wandstärke des Membranrohrs 16 erreichen lässt. Außerdem ist die Wechselfestigkeit zu berücksichtigen und ein Mindestabstand 27 des Membranrohrs 16 zum nächstliegenden Rohrboden. Die Abmessungen des Membranrohrs werden daher durch Optimierungsrechnungen unter Berücksichtigung aller Randbedingungen festgelegt.
Die Schweißlippendichtung wird bei allen Ausführungen bevorzugt aus einem durchgängigen Teil gefertigt. Bei sehr großen Flanschdurchmessern jedoch, oder wenn eine Schweißlippendichtung ausgetauscht werden soll, kann diese auch in mehreren transportablen Kreisringabschnitten vorgefertigt werden. Am Montageort werden diese dann zu einem kompletten Ring zusammengefügt und anschließend in den Behälter eingebaut.
Im Rahmen der Erfindung können einzelne Merkmale der gezeigten Ausführungsbeispiele verschiedenartig miteinander kombiniert werden.
Bezugszeichenliste

1: Flanschverbindung
2: erster Behälterteil
3: zweiter Behälterteil
4: erster Flansch
5: erster Rohrboden
6: Flanschbohrungen im ersten Flansch
7: erste Behälterwand
8: Rohre in erstem Rohrboden
9: zweiter Flansch
10: zweiter Rohrboden
11: Flanschbohrungen im zweiten Flansch
12: zweite Behälterwand
13: Rohre in zweitem Rohrboden
14: Distanzstück
14.1: erstes Distanzstück
14.2: zweites Distanzstück
15: Schweißlippendichtung
16: Membranrohr
17: erste Schweißlippe
18: erster Längsrand des Membranrohrs
19: zweiter Längsrand des Membranrohrs
20: Krümmungsmittelpunkt
21: Trennfuge
22: Gleitebene
23: zweite Schweißlippe
24: stirnseitige Schweißverbindung
25: Abschrägung an Flanschseite
26: Zwischenraum
27: Rohrbodenabstand
28: Mindestabstand von Membranrohr zum nächstliegenden Rohrboden
29: Wendepunkt
30: Schweißlippenauflager
31: Einbuchtung
32: Mindestabstand zum Distanzstück
33: äußerer Sondierungsgang
34: innerer Sondierungsgang
35: Anschluss an Sondierungsgang
36: Zwischenblock
36.1: erster Zwischenblock
36.2: zweiter Zwischenblock
37: Auflager
38: Gleitwerkstoffbelag
39: Dichtung
40: Gaseintrittshaube
41: gewölbter Boden
42: Blockflansch
43: Verdränger
44: Verbindungsmittel
45: Zwischenblech
46: zweiwelliges Membranrohr
47: weiteres Membranrohr
α: Anschlusswinkel des Membranrohrs an erste Schweißlippe
β: Anschlusswinkel des Membranrohrs an ersten Behälter

Claims

Flanschverbindung (1) mit einer Schweißlippendichtung (15) für zwei Behälterteile (2, 3) eines Druckbehälters, mit einem längs aufgeschnittenen Membranrohr (16), das zur Aufnahme des im Druckraum des Druckbehälters herrschenden Drucks ausgelegt ist und dessen einer Längsrand (18) in diesem Druckraum mit der Innenseite eines ersten der Behälterteile (2) fluiddicht verbindbar ist, einer ersten Schweißlippe (17), die sich an den anderen, zweiten Längsrand (19) des Membranrohrs (16) fluiddicht anschließt und die sich im montierten Zustand aus dem Druckraum durch die Trennfuge (21) zwischen den Flanschen (4, 9) der beiden Behälterteile (2, 3) nach außen erstreckt, und mit einer zweiten Schweißlippe (23), die mit dem zweiten der Behälterteile (3) fluiddicht verbindbar ist, wobei die beiden Schweißlippen (17, 23) an ihren einander zugewandten Flächen aneinander liegen und an ihren Stirnseiten fluiddicht miteinander verbunden sind, und wobei die Fläche der ersten Schweißlippe (17), die von der zweiten Schweißlippe (23) abgewandt ist, eine Gleitebene (22) zu dem ersten Behälterteil (2) ausbildet, dadurch gekennzeichnet, dass im Querschnitt des Membranrohrs (16) - das Membranrohr (16) an seinem zweiten Längsrand (19) mit der ersten Schweißlippe (17) einen von Null verschiedenen Anschlusswinkel α bildet und - der Krümmungsmittelpunkt (20) des Membranrohrs (16) auf der Seite des zweiten Längsrandes (19) liegt, die im montierten Zustand dem Behälterinnenraum zugewandt ist.
Flanschverbindung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Membranrohr (16) mit der ersten Schweißlippe (17) durch eine Schweißverbindung verbunden ist.
Flanschverbindung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Membranrohr (16) und die erste Schweißlippe (17) einstückig als Biegeteil ausgeführt sind.
Flanschverbindung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Membranrohr (16) sich im Querschnitt über mindestens 180° erstreckt.
Flanschverbindung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt des Membranrohrs (16) ein Kreisbogenabschnitt ist.
Flanschverbindung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Größe des Anschlusswinkels α im Bereich von 45° bis 135°, bevorzugt im Bereich von 60° bis 120° und besonders bevorzugt im Bereich von 70° bis 100° liegt.
Flanschverbindung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass sich an den ersten Längsrand (18) ein weiteres längs aufgeschnittenes Membranrohr (47) anschließt.
Druckbehälter mit mindestens zwei Behälterteilen (2, 3), die jeweils einen Flansch (4, 9) aufweisen, wobei die Flansche (4, 9) im Druckraum des Druckbehälters einander gegenüberliegen und mit einer Flanschverbindung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 miteinander verbunden sind.
Druckbehälter nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Behälterteile (2, 3) unterschiedliche Temperaturen aufweisen und der erste Längsrand (18) im Druckraum mit dem kälteren Behälterteil verbunden ist.
Druckbehälter nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen mindestens einer Schweißlippe (17, 23) und dem ihr gegenüberliegenden Flansch mindestens ein Distanzstück (14, 14.1, 14.2) angeordnet ist.
Druckbehälter nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleitebene (22) zwischen der ersten Schweißlippe (17) und einem Distanzstück (14.1) ausgebildet ist.
Druckbehälter nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Schweißlippen (17, 23) zu einer Mittelebene zwischen den Flanschen in Längsrichtung des Druckbehälters außermittig angeordnet sind und das Membranrohr (16) zu der Seite mit dem größeren Abstand zwischen Schweißlippen (17, 23) und Flansch (4, 9) hin gewölbt ist.