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Verfahren zum Befestigen eines Rohrstutzens in einem zylindrischen,
mehrlagigen Hochdruckbehälter.
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Befestigen eines Rohrstutzens
in einem zylindrischen, mehrlagigen Hochdruckbehälter, bei dem der Rohrstutzen in
ein in die Behälterwand eingebrachtes Loch eingesetzt und in ihm verschweisst wird.
Derartige Behälter werden beispielsweise bei Reaktionsapparaten für hochverdichtetes
Gas benützt. Mehrlagige Hochdruckbehälter sind wesentlich sicherer als einlagige
Behälter grosser Wandstärke aus gleichem Werkstoff und mit gleichen Abmessungen.
Ausserdem ist die HeräBllung von Behältern mit grossem Durchmesser möglich, ohne
daß es auf die Grösse des zur Herstellung benutzten Stahlblockes sowie auf die Kapazität
der Schmiedemaschine ankommt. Aus diesem Grunde steigt die Nachfrage nach mehrlagigen
Hochdruckbehältern.
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Wenn an mehrlagigen Hochdruckbehältern ein Rohrstutzen befestigt werden
soll, ist es nicht möglich, diesen durch eine Platte zu verstärken, der das im Behälter
angebrachte Loch umgibt, da sowohl die äusseren, als auch die inneren Behälterschichten
aus dünnen Blechen hergestellt sind.
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Unter diesen Umständen wird es allgemein für besser gehalten, den
Aussendurchmesser des Rohrstutzens zu vergrössern und damit auch dessen Querschnitt,
diesen in den Behälter einzusetzen und sorgfältig festzuschweissen, so daß der Rand
des darin gebildeten Loches verstärkt wird.
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Man hat sich im allgemeinen vorgestellt, daß ein Glühvorgang nach
dem Schweissen des Rohrstutzens unnötig iöt, da er mit jeder dünnen Plattenschicht
nacheinander verschweisst wird, und daß ein solcher Glühvorgang nach dem Schweissen
des Rohrstutzens nachteilig für die
Abdichtung der Schichten des
mehrlagigen Behälters ist, wodurch sich bei der Benutzung unerwünschte Nebenwirkungen@ergeben
können.
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Zur Ermittlung der Widerstandsfähigkeit des festen Teiles des Rohrstutzens
in einem mehrlagigen Behälter wurden jedoch Zerstörungstests ausgeführt und dabei
festgestellt, daß der Durchmesser über seinen gesamten Umfang gleichmässig ausgedehnt
wurde, dar diese Ausdehnung sich jedoch in der Nähe des festen Teiles jedes Rohrstutzens
solange verzögerte, bis er konkav wurde, eine äusserliche Verformung zeigte und
ringförmige Anrisse rund um den festen Teil des Rohrstutzens im inneren Zylinder
erschienen, ehe dieser völlig zerstört wurde. Der für die Zerstörungsversuche verwendete
mehrlagige Behälter hatte zwischen den Schichten keine senkrechten Schweissungen,
so daß mit wachsendem Innendruck die Fliessgrenze und eine gleichmässige Ausdehnung
entlang des gesamten Behälters erreicht wurde. Dabei wurden die Schichten um den
festen Teil des Rohrstutzens herum durch die Schweissung gehärtet, wodurch die Ausdehnung
geringer wurde. Gleicnzeitig wurden diese Schichten an ihrer Ausdehnung gehindert,
weil ihre Verformung unter der Wirkung des Rohrstutzens schwierig zu kontrollieren
war, der ebenso wie das Material der Schweissnaht gegebenenfalls eine hohe Streckgrenze
besitzt. So wurde der Behälterkörper lediglich um den Rand des befestigten Teiies
des Stutzens herum verformt und ausgebaucht. Soweit es Behälter dieser Form betrifft,
wird angenommen, daß eine grössere Spannung arn Rande des befestigten Teiles des
Rohrstutzens auftritt als an anderen Stellen, soweit es sich uni dynamische
Beanspruchungen handelt.
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Andererseits ist es wahrscheinlich, daß der konkave Teil am Rande
der Befestigung des Rohrstutzens bereits verformt wird, bevor der Behälter von innen
her druckbelastet wird, und zwar während der Zeit, in der das Loch für den Rohrstutzen
angebracht oder dieser mit dein Behälter verschweisst wird.
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Die Charakteristik eines mehrlagigen Behälters ergibt, daß bei Druckbeaufschlagung
von innen eine Druckvorspannung in Kreisrichtung aufgebracht wird, damit die. Zugspannung
der inneren Schichten nicht ansteigt. Gleichzeitig sind die äusseren Schichten so
angeordnet, daß sie die Zugspannungen aufnehmen. Wenn jedoch ein Loch zum
Einsetzen
eines Rohrstutzens in den Behälter eingebracht wird, verlieren die aneinanderstossenden
Sc=hichten am Rande des Loches alle Vorspannungen, insbesondere erhalten die inneren
Schichten eine Zug-Vorspannung, die entr),egengesetzt zur Schrumpfung ist, die während
des Anschweissens des Rohrstutzens entsteht. Ausserdem wird der dichte Anschluss
zwischen einzelnen Schichten sovaeit verschlechtert, daß die Eigenschaft des mehrlagigen
Behälters, hochdruckfbst zu sein, verlorengeht, so daß dieser Bereich zuerst beschädigt
wird, während die anderen Bereiche noch genügend dicht sind. Im Gegensatz dazu fehlt
einem cinlagigen Behälter grosser Wandstärke diese Fähigkeit; bei einem einlagigen
Behälter gleicher Grössenordnung wird angenommen, daß dieser nur 7 bis 8 ,% der
Druckfestigkeit eines mehrlagigen Behälters besitzt. Nach dem Befestigen des Rohrstutzens
wird der gesamte Behälter geglüht, so daß die Festigkeiz zurückgewonnen werden kann
und an demjenigen Tcil, der gut beobachtet werden kann, keine örtlichen Zerstörungen
auftreten werden.
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Der für die Versuche benutzte Behälter bestand aus ausserordentlich
festem Material. Demzufolge wurden die Spannungen um den festen Teil herum zentralisiert
und es trat an diesem Teil bereits in einem frühen Stadium in besonders deutlicher
Weise eine örtliche Zerstörung auf. Dies gilt jedoch ebenso für mehrlagige Behälter
bei üblichen Gebrauch, d.h. bei solchen, bei denen konzentrisch geschweisste Kreise
mit einer Vielzahl von senkrechten Schweißstellen zwischen den einzelnen Schichten
überlappt sind. Obgleich die beiden Fälle etwas voneinander abweichen, ergäben sich
bei Zerstörungsversuchen an mit Rohrstutzen versehenen Behältern etwa die gleichen
Resultate. Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, einen Rohrstutzen in die Wandung
eines mehrlagigen Druckbehälters derart-einzuschweissen, daß die vor der Vornahme
der Lochbohrung in der Behälterwandung bestehende Spannungsverteilung (Druckspannungen
in den inneren und Zugspannungen in den äusseren Lagen) wiederherstellbar sind,
wobei auch die geometrischen Bedinungen derart zu wählen sind, daß selbst bei überhöhtem
Innendruck keine unzulässig hohen Spannungen in der Umgebung des Rohreinsatzes auftreten
können.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird mit der Erfindung vorgeschlagen, das
in der Behälterwand vorgesehene Loch durchgehend grösser als
den'Aussendurchmesser
des Rohrstutzens zu wählen und zwischen diesem Loch und dem Rohrstutzen eine Zwischenschicht
aus Metall, die mit allen Schichten der mehrlagigen Behälterwand verschweisst wird,
einzubringen und wenigstens die Zwischenschicht aus der Mantelfläche des Hochdruckbehälters
derart herauszudrücken, daß sich in der Umgebung des Rohrstutzens ein kleinerer
Krümmungsradius als beim übrigen Hochdruckbehälter ergibt. Erfindungsgemäss wird
empfohlen, beim Einsetzen des Rohrstutzens in das Loch des mehrlagigen Behälters
ein weiches Matexhl zur Bildung einer Schweißschicht wenigstens in der Nähe des
inneren Umfanges des Behälterloches zu benutzen, wobei unter einem weichen Metall
in diesem Falle ein Metall verstanden wird, das weicher als das Metall des Behälters
ist. Man kann auch den festen Teil des Rohrstutzens örtlich glühen, so daß die innere
Spannung nachlässt und wenigstens derjenige Teil des Behälters nahe des inneren
Randes ringförmig weich wird. Der feste Teil des Rohrstutzens wird durch Druck aufgeweitet
oder ,der Rand des festen Teiles des Rohrstutzens durch Druck nach aussen konvex
gemacht. Auf diese Weise gibt der geschweisste Teil@des-Rohrstutzens zur Verhütung
von Spannungskonzentration nach, weil dieser Bereich, wie oben erwähnt, weich ist,
wenn der mehrlagige Behälter einem übermässigen Innendrucx ausgesetzt ist, und zwar
solange, bis der Behälter sich selbst ausdehnt. Wenn in diesem Falle ein abgeschrägter
Bereich des Behälters und des Rohrstutzens zum Schweissen mit einem Entlastungsteil
aus einem weichen Metall versehen sind, wird die Schicht des weichen Ma-. terials
genügend stark, damit eine Spannungskonzentration vermieden wird. Nach einem Weichglühen
des Rohrstutzens erhält man die gleichen Ergebnisse; falls die-Wärme vom Innenrand
des Rohrstutzens ausgeht, ist es möglich, den Rand des festen Teiles des Rohrstutzens
auszuglühen, ohne die inneren und äusseren Schichten zu überhitzen.
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Wenn der feste Teil des Rohrstutzens von seinem Innenrand aus durch
eine Rolle oder eine andere Vorrichtung zwecks Aufweitung seines Randes unter Druck
gesetzt wird, wird eine Druckvorspannung
aufgegeben, so daß der
absolute Wert der Zugfestigkeit bei Belastung entsteht. Der Innendruck auf den Behälter
kann abgesenkt werden, um auf diese Weise Beschädigungen auszuschliessen, die sonst
auftreten känrIen. Ferner wird nach Herstellung eines Loches zum Einsetzen eines
Rohrstutzens im mehrlagigen Behälter ein Kontaktmetall im Loch angebracht. Wenn
dieses dann nach aussen gedrückt wird, kann.der Lochrand mit verhältnismässig geringer
Kraft konkav nach aussen gedrückt werden. Hierbei gleiten die Schichten aneinander
entlang, wodurch sie in befriedigender Weise aneinanderhaften und der Behälter im
Bereich des Innenrandes eine Druckvorspannung enthält, während der Bereich des Aussenumfanges
eine Zug-Vorspannungbesitzt. Wenn der Behälter in der Zeit, innerhalb der der Rohrstutzen
eingesetzt und festgeschweisst wird, unter Innendruck steht, steigt die Spannung
am Rand des festen Teiles des Rohrstutzens deshalb nicht übermässig an, weil dieser
Teil in eine konvexe Form ausgezogen worden ist, und zwar unter der auf diesen wirkenden
Vorspannung. Umc'bn Rand des Loches im Behälterkörper für das Einsetzen eines Rohrstutzens
nach aussen zu drücken, ist das Loch mit einem Kontaktmetall und einer Dichtung
ausgepresst, damit der Behälter unter Innendruck gesetzt und mit Hilfe eines Hebebockes
nach aussen gedrückt oder aber auch von der anderen Seite nach aussen gezogen werden
kann, wozu auch ein Explosionsverfahren anwendbar ist. Wenn die Kraft des Hebeboukes
gering ist, kann der innere Lochrand erhitzt werden, wodurch das Verbiegen infolge
der Erweichung des Werkstoffes erleichtert wird und sich die Innenspannung durch
die Wärmeausdehnung erhöht. Wenn der Innenrand des Loches mit einem Entlastungsteil
eines oben erwähnten weichen Metalles versehen ist, ist es möglich, eine Überhitzung
und ein Oxydieren der Schichten selbst dann zu vermeiden, wenn die Erwärmung durch
Brenner vorgenommen wird. Falls der obenerwähnte Vorgang entweder allein oder in
Verbindung mit irgendeiner anderen Methode zur Befestigung eines Rohrstutzens in
einem mehrla:gigen Behälter ausgeführt wird, sind derartige Behälter viel sicherer
im Gebrauch als geschweisste, die aus einer einlagigen dicken Platte bestehen oder
geschmiedete Behälter aus einer Schicht grosser Stärke üblicher Bauart. Sie ,sind
darüberhinaus sicherer,als mehrlagige Druckbehälter, bei denen der Rohrstutzen.
in irgendeiner bekannten Weise befestigt ist und die bisher als sicher angesehen
werden.
Auf der Zeichnung ist anhand eines Ausführungsbeispieles
das erfindungsgemässe Verfahren im einzelnen erläutert.
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Fig. 1 zeigt einen Rohrstutzen, der in einem mehrlagigen Behälter,
der für eine mit hochkomprimiertem Gas arbeitende Reaktionsvorrichtung bestimmt
ist, gemäss dem erfindungsgemässen Verfahren befestigt ist.
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Fig. 2 ist eine Ansicht zur Erläuterung einer Abänderung des erfindung@gemässen
Verfahrens zur Hertellung des Randes der Einsatzöffnung für den Rohrstutzen in dem
Behälter gemäss Fig. 1. In Fig. 1 ist ein zylindrisches Loch für die Befestigung
des Rohrstutzens 2 im Behälter 1 vorgesehen, und die Schichten, die den Lochrand
umgeben, sind mit einem weichen Werkstoff zuzammengeschweisst. Ein abgeschrägter
Teil 3 wird aus Entlastungsmaterial gebildet und vom inneren Rande aus erwärmt,
so daß die Innenspannung der Schicht und des abgeschrägten Teiles 3 abgebaut und
das Material dann weich gemacht werden kann. Gleichzeitig wird ein Entlastungsteil
um den Aussenrand des Rohrstutzens 2 miu einem abgeschrägten Teil 4 vorgesehen.
Nach dem örtlichen Glühen wird der Rohrstutzen 2 in die Öffnung des Behälters 1
eingesetzt und durch Schweissnähte 5 und 6 aus weichem Schweissmaterial sowie durch
zusätzliche Ausgleichnähte 7 zum Glätten verbunden.
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Diese Ausbildung veranlasst keine übermässige Spannung am festen Teil
des Rohrstuuzens 2, wenn der Behälter 1 unter Innendruck gewetzt wird. Wenn darüberhinaus
der Innenrand des Rohrstutzens 2 durch eine Flamme oder elektrisch erwärmt wird,
können die abgeschrägten Teile 3 und 4 sowie die Schweissnähte 5 und ö gleichzeitig
ausgeülüht@werden. Wenn der Rand des festen Teiles des Rohrstutzens 2 durch Auswaiten
der unteren Hälfte des inneren Lochrandes durch Rollen ouer dergleichen unter Druckvorspannung
gesetzt worden ist, entsteht dadurch keine übermässige Spannung am Rande des festen
Teiles des RohrstL:tzens 2, und zwar selbst dann nicht, wenn der Behälter 1 unter
Innendruck gesetzt wird. Dieses Verfahren dient ausserdem zum .Abbau der unangenehmen
Druck-Restspannungen, die auch durch einen Glühvorgang nicht vermieden werden können,
wenn
der Rand des festen Teiles des Rohrstutzms 2 durch örtliche Erhitzung ausgeglüht
wurde; auf diese Weise wird eine vorteilhafte Druckvorspannung aufgebracht.
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Fig. 2 zeigt die Ausbildung des Lochrandes für das Einsetzen eines
Rohrstuzzens in den Behälter 1, dessen Rand nach oben gebogen wurde. Diese Ausbildung
erhält man dadurch, daß der Behälter gemäss F-.'-g. 1 zunächst mit einem kreisrunden
Louh versehen wurde, dann ein Schweissmaterial am Lochrand aufgebracht wurde, um
eine Schicht 11 aus weichem Material vorzusehen. Dann wird ein Anschlußstück 12
von der Behälterinnenseite aus eingefügt, so daß der Lochrand mit Hilfe eines Hebebockes
13 nach oben gedrückt werden kann, um eine Ausbildung gemäss Fig. 2 zu erhalten.
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Die aurgebrachte Schicht 11 wird mit einer Flamme vom Innenrande her
erwärmt, um die einzelnen Behälterlagen weih zu machen una die inneren Druckspannungen
abzubauen, wodurch der genannte Arbeitsgang mit nur geringer Kraft ausgeführt werden
kann. Da jedoch wegen der Eigenschaften eines mehrlagigen Druckbehälters zwischen
cbn einzelnen Lagen eine Gleiubewegung stattfinde, ist weniger Andrückkraft erforderlich
als bei einem einlagigen Behälter. Ausserdem halten die Lagen sehr dicht aneinander,
so daß man den inneren Lagen eine Druckvorspannung geben kann unu den äusseren Lagen
ei-ne Zugvorspannung. Wenn der Behälter 1 na,-h dem Anbringen des Rohrstutzens 2
unter Druck gesetzt wird, so entsteht um den Rand des festen Teiles des Rohrstutzens
2 herum keine übermässige Spannung. Wenn. darüberhinaus gemäss der Theorie über
konvexe Oberflächen die Behälterlagen um den Rund des konvexen Bereiches herum zuerst
ervrärmt werden, so daß Maximalspannungen vermindert werden, wird die Spannung um
den Rand des fegen Teiles des Rohrstutzens 2 herum vorübergehend kleiner. Wenn das
Herausdrücken vor dem Befestigen des Rohrstutzens 2 erfolgen soll (siehe Fig. 2),
so ist es auch möglich, die gleiche Form dadurch zu erreichen, daß man eine Abdichtungsmasse
zwischen dem weichen Metall und dem Behälter 1 vorsieht und diesen unter Innendruck
setzt. Wenn das Ausbeulen nach dem Befestigen des Rohrstutzens 2 erfolgen soll,
kann dieser von seinem Innenrande her erwärmt werden, wodurch der Arbeitsang
ohne
die Vergrösserung der Kraft des Hebebockes 13
ausgeführt werden kann. Es ist
auch möglich, dadurch mehr Sicherheit als sonst zu erlangen, daß der Innenrand des
Rohrstutzens 2 zwecks Erreichung einer Druckvorspannung nach Beendigung der obigen
Verfahren gerollt wird. . -Die Erfindung beinhaltet ein fortschrittliches Verfahren
zum Befestigen eines Rohrstutzens in einem mehrlagigen Behälter, wobei das Material
um den Rand deb festen Teiles des Rohrstutzens im Behälter weichgemacht und leicht
gestreckt oder verformt wird wodurch die Spannung, die bei innerer Druckbelastung
des Beh2iters auf den Rand des festen Teiles des Rohrstutzens aufgebracht wird,
üblicherweise über de äusseren Schichten zwecks Spannungsabbau verteilt werden kann,
um eine Spannungskonzentration am Rande des festen Teiles des Rohrstutzens zu vermeiden,
und üm ausserdem diesen Rand vor örtlicher Zerstörung zu schützen.