DE1450373C - Verfahren zum Befestigen eines Rohrstutzens in der Wand eines zylindrischen, mehrlagigen Hochdruckbehälters - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Befestigen eines Rohrstutzens in der Wand eines zylindrischen, mehrlagigen Hochdruckbehälters, bei dem der Rohrstutzen in eine in die Behälterwand eingebrachte Bohrung, deren Innendurchmesser größer als der Außendurchmesser des Rohrstutzens ist, eingesetzt und in ihr mittels Schweißguts verschweißt wird. Derartige Behälter werden beispielsweise bei Reaktionsapparaten für hochverdichtetes Gas benutzt.

Mehrlagige Hochdruckbehälter sind wesentlich sicherer als einlagige Behälter großer Wandstärke aus gleichem Werkstoff und mit gleichen Abmessungen. Außerdem ist die Herstellung 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.

Wenn an mehrlagigen Hochdruckbehältern ein Rohrstutzen befestigt werden soll, ist es nicht möglich, diesen durch eine Platte zu verstärken, die das im Behälter angebrachte Loch umgibt, da sowohl die äußeren als auch die inneren Behälterschichten aus dünnen Blechen hergestellt sind.

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.

Man hat sich im allgemeinen vorgestellt, daß ein Glühvorgang nach dem Schweißen des Rohrstutzens unnötig ist, da er mit jeder dünnen Plattenschicht miteinander 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.

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, daß diese Ausdehnung sich jedoch in der Nähe des festen Teiles jedes Rohrstutzens so lange 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.

Es ist 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 dem Behälter verschweißt wird.

Es sind bereits Mehrlagenhohlkörper bekannt, die seitliche Rohranschlüsse aufweisen, bei denen eine ein- oder mehrteilige Büchse als Schutz- und Führungsrohr für das seitlich eingeführte Anschlußrohr vorgesehen ist. Hierbei wird die Büchse sowohl gegen das Kernrohr und gegebenenfalls die einzelnen Lagen einerseits als auch das seitlich eingeführte Rohr andererseits verspannt oder verschweißt. Die Büchse kann auch aus Schweißgut bestehen, das die einzelnen Lagen miteinander und außerdem das seitlich eingeführte Rohr mit dem Kernrohr und den Wickellagen verbindet (deutsche Patentschrift 864 488). Der Erfindung liegt demgegenüber 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 Bedingungen derart zu wählen sind, daß selbst bei überhöhtem Innendruck keine unzulässig hohen Spannungen in der Umgebung des Rohreinsatzes auftreten können.

Die gewünschten Druckvorspannungen der Innenschichten der Behälterwand können auf zwei Wegen erfolgen, nämlich einerseits durch Aufweiten des Rohrstutzens (z.B. mittels einer Rohrwalze), wobei der betreffende Bereich der Behälterwand in Wandebene gestaucht wird und andererseits durch Aufweiten der Behälterwand in der Umgebung des Rohrstutzens (z. B. durch Ansetzen eines Hebebocks im Behälterinneren), wobei die einzelnen Lagen der Behälterwand eine unterschiedliche Streckung erfahren, so daß bei Wegnahme der Kraft die inneren Lagen durch die noch erhalten gebliebene Elastizität der äußeren Lagen gestaucht werden. Demzufolge ist die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Rohrstutzen im Bereich der Behälterwand und/oder die Behälterwand in der Umgebung des Rohrstutzens zur Erzielung einer Druckvorspannung der Innenschichten der Behälterwand bei eingeschweißtem Rohrstutzen aufgeweitet wird.

Zweckmäßigerweise wird der innere Rand des Rohrstutzens mit einem Expander, insbesondere einer Rohrwalze aufgeweitet. Wird der feste Teil des Rohrstutzens von seinem Innenrand aus durch eine Rohrwalze oder eine andere Vorrichtung zwecks

Aufweitung seines Randbereiches unter Druck gesetzt, so wird eine Druck-Vorspannung aufgegeben, so daß der absolute Wert der Zugfestigkeit bei Belastung, die durch den Innendruck auf den Behälter entsteht, abgesenkt werden kann, um auf diese Weise Beschädigungen auszuschließen, die sonst auftreten könnten.

Die Aufweitung der Behälterwand kann mittels eines vom Behälterinneren wirkenden Hebebocks od. dgl. ausgeführt werden.

In der Zeichnung ist ein Rohrstutzen dargestellt, der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren in einen mehrlagigen Behälter eingeschweißt ist, der für eine mit hochkomprimiertem Gas arbeitende Reaktionsvorrichtung bestimmt ist.

Der Zeichnung ist entnehmbar, daß ein zylindrisches Loch für die Befestigung des Rohrstutzens 2 im Behälter 1 vorgesehen ist und daß die Schichten, die den Lochrand umgeben, mit einem weichen Werkstoff zusammengeschweißt sind. Ein abgeschrägter Teil 3 wird aus Entlastungsmaterial gebildet und vom inneren Rand aus erwärmt, so daß die Innenspannung der Schicht und des abgeschrägten Teils 3 abgebaut und das Material dann weichgemacht werden kann. Gleichzeitig wird ein Entlastungsteil um den Außenrand des Rohrstutzens 2 mit 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 Ausgleichsnähte 7 zum Glätten verbunden.

Diese Ausbildung verursacht keine übermäßige Spannung am festen Teil des Rohrstutzens 2, wenn der Behälter 1 unter Innendruck gesetzt wird. Wenn darüber hinaus der Innenrand des Rohrstutzens 2 durch eine Flamme oder elektrisch erwärmt wird, können die abgeschrägten Teile 3 und 4 sowie die Schweißnähte 5 und 6 gleichzeitig ausgeglüht werden. Wenn der Rand des festen Teiles des Rohrstutzens 2 durch Aufweiten des inneren Lochrandes durch Rollen od. dgl. unter Druckvorspannung gesetzt worden ist, entsteht keine übermäßige Spannung am Rande des festen Teils des Rohrstutzens 2, selbst dann nicht, wenn der Behälter 1 unter Innendruck gesetzt wird. Es wird eine vorteilhafte Druckvorspannung durch das Verfahren des Aufweitens aufgebracht. Durch die Verwendung von weichem Schweißmaterials wird das Aufbringen der Druckvorspannung durch das Aufweiten erleichtert. Durch das dichte Anhaften der Lagen des Behälters aneinander ist es

ίο möglich, den inneren Lagen eine Druckvorspannung

zu geben und den äußeren Lagen eine Zugspannung.

Zur Erleichterung des Aufweitens kann wenigstens

der Schweiß- oder Füllwerkstoff in der Nähe des Innenumfanges der Bohrung aus einem weicheren Metall als dem des übrigen Behälters hergestellt werden. Hierbei wirkt das im Vergleich zu dem übrigen Material weichere Metall als Entlastungsteil, welches es ermöglicht, die Randbereiche mit verhältnismäßig geringer Kraft konkav nach außen zu drücken. Hierbei gleiten die Schichten aneinander entlang, wodurch sie in befriedigender Weise aneinander haften und der Behälter im Bereich des Innenrandes eine Druckvorspannung erhält, während der Bereich des Außenumfanges eine Zugvorspannung besitzt. Wenn der Behälter unter Innendruck steht, steigt die Spannung am Rand des festen Teiles des Rohrstutzens aufgrund der konvexen Form nicht übermäßig an, da hier die Vorspannung zum Tragen kommt.

Zur Verringerung der zur Aufweitung aufzubringenden Kräfte kann der innere Lochrand erhitzt werden, wodurch die Aufweitung durch die Erweichung des Werkstoffes erleichtert wird.

Die Erfindung beinhaltet ein Verfahren zum Befestigen eines Rohrstutzens in der Wand eines zylindrischen mehrlagigen Hochdruckbehälters, bei dem nach dem Verschweißen des eingesetzten Rohrstutzens mit dem Behälter ein Aufweitvorgang durchgeführt wird. Hierdurch wird eine Spannungsverteilung bewirkt, die die Verbindung zwischen Behälter und Rohrstutzen sicherer gestaltet und die Zerstörungsgefahr im Falle einer Druckbelastung durch hohen Innendruck im Behälter verringert.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Befestigen eines Rohrstutzens in der Wand eines zylindrischen, mehrlagigen Hochdruckbehälters, bei dem der Rohrstutzen in eine in die Behälterwand eingebrachte Bohrung, deren Innendurchmesser größer als der Außendurchmesser des Rohrstutzens ist, eingesetzt und in ihr mittels Schweißguts verschweißt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Rohrstutzen (2) im Bereich der Behälterwand (1) und/oder die Behälterwand (1) in der Umgebung des Rohrstutzens zur Erzielung einer Druckvorspannung der Innenschichten der Behälterwand bei eingeschweißtem Rohrstutzen aufgeweitet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der innere Rand des Rohrstutzens (2) mit einem Expander, insbesondere einer Rohrwalze, aufgeweitet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufweitung der Behälterwand (1) mittels eines vom Behälterinneren wirkenden Hebebocks ausseführt wird.