DE1290392B

DE1290392B - Rohranschlussstutzen zum Anschluss eines kreisrunden Rohres an einen zumindest im Anschlussbereich zylindrischen Druckbehaelter

Info

Publication number: DE1290392B
Application number: DEH53449A
Authority: DE
Inventors: Florin Bertil Gunnar; Soederberg Sture Martin Henry; Hiltscher; Dr-Ing Rudolf
Original assignee: RUDOLF DR ING
Current assignee: RUDOLF DR ING
Priority date: 1963-08-21
Filing date: 1964-08-04
Publication date: 1969-03-06
Also published as: NL6409640A; GB1042537A; BE652135A; US3342209A; CH451622A; SE306859B

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf einen Rohranschluß- Stellen in der Behälterwand fortzupflanzen vermögen, stutzen zum Anschluß eines kreisrunden Rohres an Dabei tritt zu der mechanischen Beanspruchung noch einen zumindest im Anschlußbereich zylindrischen eine chemisch bedingte Korrosion hinzu, welche der Druckbehälter mit einer Unterbrechung der zylindri- in dem Riß einmal erfolgten Verletzung der korroschen Behälterinnenwand um die Stutzenmündung, 5 sionsschützenden Magnetitschicht zuzuschreiben ist, die, in Richtung der Rohrachse betrachtet, abge- die früher oder später an dem Behältermaterial entrundet langgestreckt erscheint, wobei ihre große steht.

Achse in Richtung des Behälterumfanges weist. Man hat erkannt, daß die Rißbildung, die eines Der Druckbehälter kann beispielsweise eine Kessel- Tages zur Gefährdung des ganzen Druckbehälters und trommel eines Dampfkessels sein; ganz besondere Be- io damit seiner Umgebung führen kann, in erster Linie deutung kommt der Erfindung jedoch aus noch dar- auf die Wechselbeanspruchung zurückzuführen ist, gelegten Gründen in Verbindung mit einem Siede- welcher der Druckbehälter nicht nur bei Belastungswasserreaktor zu. änderungen, sondern auch — nicht zuletzt aus ther-Bei dem erfindungsgemäßen Stutzen handelt es mischen Gründen — bei jedem Anfahren und Außersich um einen sogenannten »unsymmetrischen« 15 betriebsetzen ausgesetzt ist.

Stutzen, d. h. einen solchen, der auf der Innenseite Bei dickwandigen Druckbehältern, bei denen die

des mit ihm versehenen Druckbehälters nicht oder Wandspannungen bekanntlich zur Innenwand hin

zumindest nicht wesentlich hervortritt. zunehmen, ist dieses Problem naturgemäß im Bereich

Es ist bekannt, daß in der Wand zylindrischer der Behälterinnenwand besonders akut, wo die oben

Druckbehälter in Axial- und Tangentialrichtung 20 angegebenen Spannungsspitzen noch überschritten

verschieden große Spannungen auftreten, die sich bei werden.

dünnwandigen Druckbehältern nach den sogenannten Man hat deshalb bisher häufig »quasisymmetrische«

Kesselformeln wie 1: 2 verhalten. Stutzen vorgesehen, indem man die in die Behälterwand eingesetzten Rohre auf der Innenseite des Be-

Genauer gesagt gilt: 25 hälters vorstehen ließ. Der an die Kesselwand außen

wie innen anschließende Rohrabschnitt bildete dabei

o_t = , eine Lochrandverstärkung, mit welcher sich die Span-

^s nungsspitzen abfangen ließen.

ρ . _r Es ist jedoch verständlich, daß die Rohrüberstände

o_a — γ ' 30 auf der Behälterinnenseite eine entsprechende Vergrößerung des Behälterdurchmessers erfordern, neben

mit a_t — Tangentialspannung in der Behälterwand, dem eine im wesentlichen gleiche Vergrößerung der

_A . , · _A „ tj^uxi+^^, _n„A Behälterwandstärke einhergehen muß. Die dadurch

o„ = Axialspannung in der Benalterwand, „ . , , J= . . ., . , . , ... .

" r e _in ]£_auf _zu nehmenden Nachteile sind ersichtlich.

ρ = im Behälter herrschender Druck, ₃₅ Besonders schwer wiegt jedoch eine solche erzwun-

r = Behälterradius S^ene Vergrößerung des Behälterdurchmessers bei den

eingangs bereits angeführten Siedewasserreaktoren, unds = Wandstärke des Behalters. _die bekanntlicli mit dem teuren schweren Wasser

gefüllt werden müssen. Verständlicherweise wird man

Bezeichnet man ^^- mit σ₀, so gilt: 40 gerade hier bestrebt sein, den Behälterdurchmesser so

^s knapp wie möglich zu bemessen.

_ Vielerlei Lösungsversuche zur Beherrschung der

' °' errechneten Spannungsspitzen an unsymmetrischen

_ Qq Rohranschlußstutzen sind daher in der Richtung

" 2 45 unternommen worden, den Rand der Behälteröffnung

zu verstärken. Die Verstärkung erfolgte beispielsweise

Infolge dieses Spannungszustandes tritt an einem durch Auftrag von Schweißmaterial oder auch durch in der Kesselwand vorgesehenen (bezüglich der ab- Aufsetzen geeigneter Formstücke. Eine solche Vergewickelten Kesselwand) kreisrunden Loch eines Stärkung brachte jedoch entweder, sofern sie auf der dünnwandigen Druckbehälter eine Randspannung 50 Behälterinnenseite vorgenommen wurde, wieder einen auf, die an in Behälterlängsrichtung einander gegen- unerwünschten Überstand oder, auf der Behälterüberliegenden Stellen des Lochrandes ihren Maximal- außenseite, keine nennenswerte Verbesserung, wowert mit 2,5 σ₀ und an in Tangentialrichtung einander möglich sogar eine Verschlechterung mit sich. Eine gegenüberliegenden Stellen ihren Minimalwert mit Verstärkung der Behälteröffnung auf der Behälter-0,5 a₀ erreicht. 55 außenseite führt nämlich dazu, daß zusätzliche Biege-Normalerweise muß nun die Stärke der Behälter- spannungen eingeführt werden, wobei sich der einwand so bemessen werden, daß diese die maximale wärts liegende Teil der Behälteröffnung unter dem Spannung von 2,5 σ₀ mit Sicherheit aufzunehmen Einfluß des in der Behälterwand herrschenden Spanvermag. Dabei ist zu beachten, daß man neuerdings nungszustandes nach innen zu aufzuweiten sucht,
von der Vorstellung abgekommen ist, daß die er- 60 Es ist bekannt, die in der Regel elliptischen Mannrechneten Spannungsspitzen in Behälterwänden nicht löcher in zylindrischen Behälterwänden so vorzusehen, die ihrer errechneten Größe zukommende Beachtung daß ihre größere Achse in Umfangsrichtung des Beverdienten, da sie sich durch Fließen des Materials hälters weist. Tatsächlich treten an einem so angeordabbauen würden. Bei Reihenuntersuchungen an neten elliptischen Loch in der Wand eines dünn-Druckbehältern hat sich gezeigt, daß in dem Bereich 65 wandigen Behälters und bei einem Achsenverhältnis von Rohranschlußstutzen oder sonstigen Behälter- der Ellipse von 1:2 an den großen und kleinen Öffnungen häufig Haarrisse auftreten, die sich unter Ellipsenscheiteln einander gleiche Randspannungen Umständen recht schnell zu anderen gefährdeten auf in der Größe von 1,5 a₀.

Man hat nun auch bereits versucht, sich diese Erkenntnis bei Rohranschlußstutzen dadurch zunutze zu machen, daß man das anzusetzende Rohrende elliptisch flach drückte und in ein entsprechendes elliptisches Loch der Behälterwand einschweißte. Auch hier wieder ging man indessen so vor, daß man das eingesetzte Rohr auf der Behälterinnenseite um ein geringes Stück überstehen ließ.

Bei einem abgewandelten Lösungsversuch in dieser Richtung kamen Gußstücke zur Anwendung, in die der Rohransatz bereits eingeformt war und die in eine größere kreisförmige öffnung der Behälterwand eingeschweißt wurden.

Diese Gußstücke wiesen zwar auf der Behälterinnenseite keinen Überstand auf, jedoch zeigten sie ebenfalls einen nur recht allmählichen Querschnittsübergang von der elliptischen Stutzenmündung bis zu dem kreisförmigen Querschnitt des angesetzten Rohres. Zur Mündung hin besaß auch dieser Stutzen in Richtung der kurzen Ellipsenachse eine Einschnürung, womit der Stutzen an der Mündung seinen engsten Querschnitt erhielt.

Es ist ebenfalls bekannt, in eine kreisförmige Behälteröffnung ein zylindrisches Rohr einzusetzen, das im Bereich seines Durchtrittes durch die Behälterwand zu einem massiven Bund erweitert ist. Innerhalb dieses Bundes ist in Höhe der Behälterwand eine Ausformung mit elliptischem Querschnitt vorgesehen, die im Scheitelbereich der großen Ellipsenachse in das Material des Bundes eingreift, während die kleine Ellipsenachse mit dem Rohrdurchmesser identisch ist. Der Bund selbst zeigt auch hier wieder einen sogar beträchtlichen Überstand auf der Behälterinnenseite im Sinne der vorausgehend angegebenen Verstärkung.

Den zuletzt angegebenen Lösungsversuchen ist der Nachteil gemeinsam, daß sie einen sehr unorganischen Anschluß an die zylindrische Behälterwand ergeben, mit dem zum einen schlechte Einlaufbedingungen, zum anderen ein unstetiger Spannungsverlauf in dem besonders kritischen Bereich der Stutzenmündung geschaffen werden. Hinzu tritt bei den meisten dieser Lösungsversuche, daß gerade in diesem kritischen Bereich Schweißungen auftreten, die, wie allgemein bekannt, das Materialgefüge verschlechtern. Teilweise treten überdies beträchtliche Wandstärkesprünge auf, die wiederum ungünstige Wärmespannungen zur Folge haben. Auch macht sich der im allgemeinen nur sehr allmähliche Übergang des elliptischen zu dem kreisförmigen Querschnitt dadurch nachteilig bemerkbar, daß die außerhalb des Stützbereiches der Behälterwand liegende Abflachung in dem betreffenden Stutzenbereich, um Ausbeulungskräften widerstehen zu können, ein Mehrfaches der Wandstärke bedingt, die für das angesetzte Rohr an sich erforderlich wäre.

Aufgabe der Erfindung ist es, all diesen Nachteilen durch eine praktikable Lösung zu begegnen, die nicht nur geeignet ist, die rechnerischen Spannungskonzentrationen herabzusetzen, sondern darüber hinaus einen organischen Spannungsverlauf zu schaffen, Wärmespannungen auf ein Mindestmaß herabzusetzen, das Material und den Behälterraum bestmöglich auszunutzen und schließlich auch noch günstige Einlaufverhältnisse zu erreichen. Weiterhin soll es die Erfindung vermeiden, Schweißungen dort vorsehen zu müssen, wo sie auf Grund des kritischen Spannungszustandes am wenigsten erwünscht sind.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß bei einem unsymmetrischen Rohranschlußstutzen der eingangs genannten Art der an der Stutzenmündung abgerundet langgestreckte Stutzeninnenquerschnitt auf der kürzestmöglichen Länge, spätestens aber nach einer solchen, die, gerechnet

von der ununterbrochen gedachten Behälterinnenwand, drei Vierteln des Rohrinnendurchmessers entspricht, knickfrei stetig in den Kreisquerschnitt übergeführt ist und daß die Länge der kleinen Achse des Stutzeninnenquerschnitts an der Mündung mindestens

ίο gleich dem Rohrinnendurchmesser ist.

Eine solche Stutzenausbildung, die leicht durch Auspressen aus der Behälterwand herstellbar ist, bietet den Vorteil, daß die Behälterwand stetig in die Wand des anschließenden Rohres übergeführt werden kann und eine Schweißung allenfalls dort erforderlich ist, wo die Spannungen bereits im wesentlichen auf ihren normalen Wert abgeklungen sind.

Das Auspressen von Rohranschlußstutzen mittels eines Domes ist in Verbindung mit von Anfang an

kreisrunden Stutzen bekannt und bereitet dem Fachmann keine Schwierigkeiten.

Die Erfindung wird an Hand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert:

Fig. 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Rohranas schlußstutzen in einem zu der Längsachse des Druckbehälters normalen Teilschnitt;

F i g. 2 zeigt denselben Stutzen, von der Behälterinnenseite her betrachtet;

Fig. 3 zeigt einen Teilschnitt durch denselben Stutzen in einer die Behälterlängsachse enthaltenden Ebene.

Mit 1 ist die Behälterwand, mit 2 das angeschlossene Rohr und mit 3 eine Schweißnaht an der Verbindungsstelle bezeichnet. Die Figuren lassen die Form des Stutzens erkennen. Dabei ist beachtlich, daß der Stutzen zwar einen elliptischen Innenquerschnitt hat, beispielsweise in Höhe der in F i g. 1 eingezeichneten Linie I-I. Dieser Querschnitt ist, obgleich in Wirklichkeit nicht als solcher sichtbar, in F i g. 2 gestrichelt eingezeichnet und hat die Scheitel A, B, C und D. Indessen ist die gewölbte Mündungsfläche, welche die Scheitel E, F, C und D hat, naturgemäß nicht elliptisch. Je größer der Behälterradius im Vergleich zu dem Durchmesser des angeschlossenen Rohres 2 ist, um so mehr nähert sich die Form des Mündungsquerschnittes der Ellipsenform.

Selbstverständlich ist die Ellipsenform für den Stutzenquerschnitt nicht zwingend. Beispielsweise können auch mit einer Form, die durch zwei Geradenabschnitte mit daran stetig anschließenden Halbkreisbögen gebildet ist, ähnliche Vorteile wie mit der Ellipsenform erzielt werden.

Jedenfalls wird spätestens nach einer Länge von drei Vierteln des Rohrinnendurchmessers, gerechnet von der ununterbrochen gedachten Behälterinnenwand, also der Höhe des Punktes (C in F i g. 1, der Kreisquerschnitt des angesetzten Rohres 2 erreicht. Somit bleibt der abgeflachte Teil des Stutzens stets kraftmäßig von der Behälterwand umspannt und kann sich nicht ausbeulen, auch wenn die Wandstärke des Rohres lediglich der errechneten für kreiszylindrische Rohre entspricht.

Die Behälterwand geht, wie gezeigt, in stetigem Verlauf in die Wand des angesetzten Rohres über, wobei auch die Wandstärke stetig abnimmt.

Der somit erhaltene Stutzen ist, beispielsweise durch einen Preßvorgang, leicht herstellbar. Er ergibt einen stetigen organischen Spannungsverlauf und

vermeidet infolge Fehlens jeder Materialanhäufung einen Wärmestau, der seinerseits wieder zu Materialspannungen führen könnte.

Die Schweißnaht 3 tritt an einer Stelle auf, wo die Spannungsspitzen infolge der Behälterwandunterbrechung bereits weitgehend auf die normalerweise in Behälterwand und Rohr auftretende Spannung abgeklungen sind.

Es ist zu beachten, daß an den Scheiteln C und D keinesfalls viel Material abgetragen werden sollte, da gerade dort, d. h. wenn man von einer kreiszylindrischen Behälterwandunterbrechung ausgeht, der Größtwert der Spannung zu erwarten ist, die bekanntlich zum Lochrand stets tangential auftritt. In der in Fig. 3 dargestellten Ebene wird sich daher der Stutzen allenfalls nur schwach erweitern, um die Einführung und anschließende Entnahme des Preßwerkzeugs zu begünstigen.

Dort, wo geeignete Preßwerkzeuge nicht zur Verfügung stehen oder es aus einem sonstigen Grund untunlich erscheint, den angegebenen Stutzen durch einen Preßvorgang herzustellen, ist es auch möglich, ihn in an sich bekannter Weise als vorgebildeten Teil in eine entsprechend große, dann womöglich kreisrunde Behälterwandöffnung einzusetzen und mit der Behälterwand zu verschweißen. Die Behälterwandöffnung wird dann so groß gewählt, daß die Schweißstelle hinreichend weit von dem kritischen Bereich entfernt ist, an welchem die höchsten Spannungskonzentrationen zu erwarten sind. Im übrigen besitzt der eingesetzte Stutzen die gleiche Form wie der vorausgehend angegebene, wobei er in eine Platte mündet, die als Ausschnitt der Behälterwand aufzufassen ist, mit der sie nach dem Einschweißen eine Einheit bildet.

Allgemein gesprochen nimmt der Höchstwert der Spannung an der Stutzenmündung mit wachsender Abflachung des Ellipsenquerschnittes ab. Gleichzeitig nimmt indessen der Höchstwert der Spannung am Stutzenaustritt in das anschließende Rohr zu. Da an der letztgenannten Stelle normalerweise die Schweißnaht vorgesehen ist, wird man bestrebt sein, die Spannung dort etwas geringer zu halten als im Bereich der Stutzenmündung. Achsenverhältnisse der (gekrümmten) Mündungsfläche an der Behälterinnenwand zwischen 1,5 und 2,5 haben sich für normale Fälle als geeignet erwiesen, d. h. solche, bei denen der Rohrdurchmesser sich noch nicht dem Behälterdurchmesser nähert. Sehr große Rohrdurchmesser erfordern eine verhältnismäßig gedrungene g₀ Mündungsfigur. Bei einem Öffnungswinkel von etwa 135° für die in Umfangsrichtung des Behälters einander gegenüberliegenden Scheitel der Mündungsfigur und bezogen auf die Behältermittelachse findet die Erfindung ohnehin ihre Grenzen.

Es ist noch anzumerken, daß auch jede normale Einmündung eines zylindrischen Rohres in einen zylindrischen Behälter eine in Tangentialrichtung desselben langgestreckte Mündungsfläche besitzt, jedoch erscheint in diesem Fall die an der Einmündung auftretende Unterbrechung der Behälterinnenwand, aus der Richtung der Rohrachse betrachtet, selbstverständlich nicht langgestreckt, wie auch an keiner Stelle des Stutzens ein abgerundet langgestreckter Querschnitt auftritt.

Claims

Patentansprüche:

1. Rohranschlußstutzen zum Anschluß eines kreisrunden Rohres an einen zumindest im Anschlußbereich zylindrischen Druckbehälter mit einer Unterbrechung der zylindrischen Behälterinnenwand um die Stutzenmündung, die, in Richtung der Rohrachse betrachtet, abgerundet langgestreckt erscheint, wobei ihre große Achse in Richtung des Behälterumfanges weist, dadurch gekennzeichnet, daß der an der Stutzenmündung abgerundet langgestreckte Stutzeninnenquerschnitt auf der kürzestmöglichen Länge, spätestens aber nach einer solchen, die, gerechnet von der ununterbrochen gedachten Behälterinnenwand, drei Vierteln des Rohrinnendurchmessers entspricht, knickfrei stetig in den Kreisquerschnitt übergeführt ist und daß die Länge der kleinen Achse des Stutzeninnenquerschnitts an der Mündung mindestens gleich dem Rohrinnendurchmesser ist.

2. Stutzen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die kleine Achse der Unterbrechung der zylindrischen Behälterinnenwand nicht wesentlich größer als der Rohrinnendurchmesser ist.

3. Stutzen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sein Innenquerschnitt in Höhe des Durchstoßpunktes seiner Mittelachse durch die ununterbrochen gedachte Behälterinnenwand zumindest annähernd elliptisch ist.

4. Stutzen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Achsenverhältnis seiner Mündungsfläche in der Behälterinnenwand zwischen 1,5 und 2,5 beträgt.

5. Stutzen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Wandstärke von derjenigen des Druckbehälters (2) bis zu derjenigen am angesetzten Rohr (3) stetig verringert.

6. Stutzen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß er aus der Behälterwand (2) ausgepreßt ist und eine Schweißung allenfalls an der Anschlußstelle des kreiszylindrischen Rohres (3) auftritt.

7. Stutzen nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß er in an sich bekannter Weise als vorgeformter Stutzen in die Behälterwand eingeschweißt ist und daß die Schweißnaht von der eigentlichen Stutzenmündung einen solchen Abstand einnimmt, daß die aus dem Behälterdruck resultierenden Spannungen an der Schweißstelle praktisch auf die normalerweise in der Behälterwand herrschenden Spannungen abgeklungen sind.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen