DE1475957B1

DE1475957B1 - Berstscheibensicherheitsvorrichtung fuer DruckkesseL

Info

Publication number: DE1475957B1
Application number: DE19651475957
Authority: DE
Inventors: Loren Edwin Wood
Original assignee: Black Sivalls and Bryson Inc
Current assignee: BS&B Safety Systems LLC
Priority date: 1964-10-26
Filing date: 1965-10-19
Publication date: 1970-05-14
Also published as: JPS526489B1; FR1454642A; US3294277A; GB1112482A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Berstscheibensicherheitsvorrichtung für Druckkessel mit einer zwischen getrennten einlaßseitigen und auslaßseitigen Einspannringen eingespannten konkav-konvexen Scheibe, deren konvexe Seite dem Kesseldruck unterworfen ist und die einen durch eine schmale radial gekrümmte Ubergangsverbindung mit dem konkavkonvexen Bereich verbundenen ringförmigen Rand aufweist.

Eine solche Vorrichtung ist aus der USA.-Patentschrift 2 225 220 bekannt. Auf Grund dieser bekannten Ausgestaltung unterliegt die dort verwendete Berstscheibe bereits nach relativ kurzer Betriebsdauer in hohem Maße der Materialwanderung und der Materialermüdung, so daß die Vorrichtung nur etwa im Bereich zwischen 50 und 60% des vorgegebenen Ansprechdrucks der Berstscheibe betrieben werden konnte.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß gerade die Übergangszone gewölbter Berstscheiben bei den bekannten Ausgestaltungen den höchsten Beanspruchungen und dementsprechend den größten Ermüdungserscheinungen ausgesetzt ist und dieser Bereich der Berstscheibe durch die Abmessung, Form und gegenseitige Anordnung der Halterungsorgane der Berstscheibe besonders abgestützt werden muß, um die Aufgabe zu lösen, daß die Sicherheitsvorrichtung bei 90% des vorgegebenen Berstdrucks und bei wesentlich höherer Lebensdauer betrieben werden kann.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt, ausgehend von einer Sicherheitsvorrichtung der eingangs genannten Art, erfindungsgemäß dadurch, daß die Einspannringe in an sich bekannter Weise mit den ringförmigen Rand haltenden, ebenen oder komplementär kegelstumpfförmigen Bereichen versehen sind, daß der ebene oder kegelstumpfförmige Bereich des einlaßseitigen Einspannrings innen in einer abgerundeten Ringschulter endet, welche die radiale Übergangsverbindung bei umgekehrtem Druck unterstützt, daß der ebene oder kegelstumpfförmige Bereich des auslaßseitigen Einspannrings innen in einer abgerundeten Ringschulter endet, deren Abrundungsradius mindestens gleich der zweifachen Scheibendicke ist, und daß der Rand der Ringschulter des auslaßseitigen Einspannrings einen mindestens um den zweifachen Abrundungsradius kleineren Durchmesser hat als die radiale Übergangsverbindung der Scheibe und der Rand der Ringschulter des einlaßseitigen Einspannrings.

Bei der erfindungsgemäßen Ausgestaltung unterstützt und verstärkt die nach innen vorspringende Schulter am auslaßseitigen Einspannring den hinsichtlich Materialermüdung am meisten gefährdeten Übergangsbereich der konkav-konvexen Scheibe, so daß dieser Bereich nicht von seiner normalen zur Einlaßseite hin gerichteten Krümmung in eine Gegenkrümmung umschlagen kann.

Die infolge Materialermüdung oder Kriecheffekts bisher auftretenden instabilen Wirkungen werden dadurch vermieden, und die Berstscheibe geht nur auf Grund der vorgesehenen elastischen Instabilität zu Bruch, so daß die Gesamtvorrichtung ständig bis sehr nahe an den Berstdruck heran betrieben werden kann.

Bei einer aus der USA.-Patentschrift 2440462 bekannten Sicherheitsvorrichtung ist die Berstscheibe an einem einteiligen, etwa topfförmig ausgeführten Halterungsorgan befestigt, dessen Rand in Art einer Lippe mit über den Scheibenrand umgeschlagenen Endbereichen ausgeführt ist. Der Scheibenrand ist dabei mit der umgeschlagenen Kante des die Scheibe haltenden Topfes verlötet. Obwohl dabei die Gegenschulter zur Scheibenachse hin über die umgeschlagene Kante des Topfes vorsteht, kann sie nicht zur Abstützung des Übergangsbereichs der Berstscheibe dienen, da der Übergangsbereich der Berstscheibe

ίο durch eine zur Verbindung der Berstscheibe mit dem Halterungsorgan dienende Lötraupe erst hinter der Stützschulter beginnt.

Gemäß einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß das Verhältnis des Radius der Übergangsverbindung zur Dicke der Scheibe geringer als 40 ist.

Andere Weiterbildungen und Ausgestaltungen der

Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Im folgenden wird die Erfindung an Hand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 eine teilweise geschnittene Seitenansicht einer Sicherheitsvorrichtung gemäß der Erfindung, die mit einem Druckkessel in Verbindung steht,

F i g. 2 eine teilweise geschnittene Seitenansicht der Vorrichtung gemäß Fig. 1, die das Ausbeulen und Zerschneiden der Scheibe bei Berstdruck darstellt,

F i g. 3 eine Draufsicht auf den auslaßseitigen Einspannring, die eine Anordnung mit umkehrbaren Schneidmessem zeigt,

Fig. 4 eine Schnittansicht entlang der Linie 4-4 der F i g. 3,

F i g. 5 eine Draufsicht auf eine Seite eines anderen auslaßseitigen Einspannrings und eine Mehrzahl von an der Rohrachse zusammenstoßenden Schneidmessern, die zum Zerschneiden von dünnen Umkehrscheiben besonders geeignet sind,
F i g. 6 eine Schnittansicht entlang der Linie 6-6 der F i g. 5,

F i g. 7 eine vergrößerte Schnittansicht der die Scheibe haltenden Einspannringe in gegeneinander ausgerichteter und befestigter Stellung und

F i g. 8 einen Teilschnitt entlang der Linie 9-9 der Fig. 8.

In F i g. 1 ist die neue Sicherheitsvorrichtung 10 gezeigt, die zweckmäßig an einem Druckkessel 12 Verwendung finden kann, um den Kessel zu schützen und zu verhindern, daß im Kessel ein Überdruck auftritt. Die Sicherheitsvorrichtung 10 weist Halterungen auf, zwischen denen eine Sicherheitsscheibe 24 eingespannt ist. Die Halterungen können aus Rohrflanschen 14 und 16 und einem zwischen diesen angeordneten Bauteil 18 bestehen. Der Bauteil 18 weist ein Paar von die Scheibe 24 einspannenden Ringen 20 und 22 und Messer 26 auf, welche die Scheibe 24 zerschneiden, wenn sie sich unter Überdruck zur Auslaßseite hin ausbeult.
Der Rohrflansch 14 ist mit einem Hals 28 versehen, der an dem Druckkessel 12 beispielsweise durch eine Schweißverbindung befestigt sein kann. An jedem der Rohrflansche 14 und 16 können mehrere Bohrungen vorgesehen sein, so daß die Rohrflansche 14 und 16 z. B. mittels Bolzen 30 fest miteinander verbunden werden können, um den Bauteil 18 in einer genau ausgerichteten Stellung zu halten, wobei die Umkehrscheibe 24 dem Druck im Kessel 12 ausgesetzt wird. Jeder der Rohrflansche 14 und 16

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weist eine flache, senkrecht zum Fluß durch die psi (1 psi = 0,0703 kg/cm²) mal dem Innendurch-Vorrichtung 10 verlaufende Oberfläche 32 bzw. 35 messer 55 des Einspannrings 20 in Zoll geringer ist auf, um den Bauteil 18 geeignet auszurichten und als 500, der Radius r der Verbindung 38 von größerer dicht aufzunehmen. Bedeutung ist als dann, wenn dies Produkt größer ist

Die Umkehrscheibe 24 kann verschieden geformt 5 und in einem höheren Bereich liegt, dessen Maximum sein; sie besteht aus einem gewölbten Teilbereich 34, derzeitig 6000 ist. Ist t die Dicke der Berstscheibe dessen konvexe Seite dem Kesseldruck ausgesetzt ist. 24, so sollte das Verhältnis r zu t nicht größer als 40 Die Scheibe wird als Umkehrscheibe bezeichnet, da sein, wobei das optimale Verhältnis im Bereich von der Druck auf die konvexe Seite anstatt auf die kon- 1 bis 8 liegt, besonders dann, wenn das Produkt aus kave Seite einwirkt. Die Vorrichtung ist besonders io Berstdruck mal Innendurchmesser 55 des Einspannzweckmäßig bei niederen Drücken anwendbar, sie ist rings 20 bei 500 oder tiefer liegt. Wenn das Verjedoch nicht hierauf beschränkt. Zum Beispiel würde hältnis r zu t größer als 8 ist, muß die Halteschulter bei einer Scheibe von einer Dicke von 0,0025 cm 57 und die Innenkante 51 (Strecke 53 in F i g, 7) und einem Durchmesser von 2,54 cm ein Bruch auf größer als 3 r+R sein, um die Übergangsverbindung der konkaven Seite bei nicht weniger als 14,1 kg/cm² 15 38 hinreichend abzustützen.

auftreten. Benutzt man jedoch dieselbe Scheibe und Der eine Einspannring, z. B. 20, weist eine ringeine Schneidkante, so würde der Bruch bei förmige Ausnehmung 44 zur Aufnahme des Randes 1,05 kg/cm² auftreten. Die Scheibe 24 weist auch 36 und zum Zentrieren der Scheibe 24 auf. Der einen ringförmigen, flachen Rand auf, der mit dem zweite oder auslaßseitige Einspannring 22 kann einen gewölbten Teil 34 über eine Übergangsverbindung 20 ringförmigen Vorsprung 46 aufweisen, der in die 38 von geringem Radius verbunden ist. Die Scheibe Ausnehmung 44 eingreift, um den Rand 36 sicher zu 24 ist aus blattförmigem Material gebildet, dessen fassen, einzuspannen und abzudichten, wenn der Bau-Zugfestigkeit proportional zum Durchmesser und der teil 18 durch die Flansche 14 und 16 eingespannt ist. - Dicke ist, so daß die Scheibe bei Normaldrücken In den Fig. 1, 2 und 7 ist der ringförmige Rand

selbsttragend und bei Auftreten höherer Drücke auf 25 36 in einer Ebene senkrecht zur Achse der Einspannder konvexen Seite nachgiebig ist. ringe 20 und 22 gezeigt. Das heißt, daß der Rand 36

Die Einspannringe 20 und 22 werden durch die senkrecht zur Achse der Sicherheitsscheibe 24 ange-Rohrflansche 14 und 16 zusammengedrückt und in ordnet ist. Der ringförmige Rand 36 kann auch in ihrer Stellung gehalten. Sie spannen die Scheibe 24 einem anderen Winkel zur Scheibenachse angeordnet ein, richten sie aus und halten sie. Es ist notwendig, 30 werden.

daß die Paßflächen auf den Einspannringen geeignete Es ist zweckmäßig, daß die Scheibe 24 in den

Formen und Abmessungen besitzen, um mit der Einspannringen 20 und 22 geeignet ausgerichtet ist, Scheibe zusammenzuwirken. Der einlaßseitige Ein- damit der ringförmige Rand 36 fest eingespannt ist spannring 20 hat eine Innenkante 50 mit einer ge- und die radiale Schulter 50 des Einspannrings 20 mit ringen Krümmung, die im wesentlichen gleich der- 35 der Übergangsverbindung 38 der Scheibe 24 zusamjenigen der Ubergangsverbindung 38 an der Scheibe menwirken kann. Wie aus den Fig. 1, 8 und 8 24 ist, so daß er sich dann, wenn die Scheibe 24 ersichtlich, können Begrenzungsmittel, wie Platten einem umgekehrten Druck unterworfen ist, der Über- 52 und Schrauben 54, vorgesehen sein, um die gangsverbindung 38 in umgekehrter Richtung anpaßt Scheibe 24 im Bauteil 18 zu befestigen und auszu- und sie stützt. Der ringförmige Rand 36 der Scheibe 4° richten, bevor sie zwischen die Flansche 14 und 16 ist entlang seines gesamten Umfanges an beiden eingesetzt und dabei in ihrer geeigneten Stellung Seiten fest eingespannt. Wie am deutlichsten aus relativ zu den Einspannringen 20 und 22 genau aus-F i g. 7 ersichtlich, weist der auslaßseitige Einspann- gerichtet wird.

ring 22 eine vorspringende Schulter 57 auf, die die Eine Messeranordnung 26 ist an der konkaven

Scheibe 24 hält. Die Schulter 57 besitzt eine Innen- 45 Seite der Scheibe 24 vorgesehen und zerschneidet kante 51, die unter einem Radius R abgerundet ist, und öffnet die Scheibe, um den Druck im Kessel 12 so daß ein Abscheren der Scheibe 24 verhindert wird dann freizugeben, wenn der Druck den Maximal- und keine Scheibenteile in Abströmrichtung mitge- druck im Kessel oder im System übersteigt. Die in rissen werden können. F i g. 1 gezeigte Anordnung 26 ist mit einer Mehr-

Es ist wichtig, daß die Schulter 57 im Vergleich 50 zahl von Messern 56 versehen, und mit einer in beizur Innenkante des Randes 36 weiter nach innen den Richtungen wirksamen Sicherungseinrichtung steht, um eine vollständige Stütze für die Übergangs- 58 zur Erhöhung der Lebensdauer der Messer. Wenn oder Radialverbindung 38 der Scheibe 24 während die Messer und die Sicherungseinrichtung an der des Berstens der Scheibe 24 zu schaffen. Dies be- einen Seite stumpf werden, kann die am auslaßwirkt, daß die Scheibe 24 durch elastische Instabilität 55 seitigen Einspannring 22 befestigte Anordnung um- und nicht durch Spannung oder Ermüdung zu Bruch gekehrt und die neue und schärfere Messerseite einkommt. Das heißt, die vorspringende Schulter 57 gesetzt werden. Diese umkehrbare Anordnung ist muß die Ubergangsverbindung 38 stützen, um vor- insbesondere bei verschiedenen Materialdicken und zeitiges Bersten durch Spannung oder Ermüdung zu Berstpunkten bei höheren Drücken zweckmäßig,
verhindern. Die Strecke 53, um die die Schulter 57 60 In dem in F i g. 5 und 6 gezeigten auslaßseitigen und ihre Innenkante 51 weiter nach innen oder in Einspannring 70 ist eine Messeranordnung 72 vor-Richtung auf die Achse der Scheibe 24 gegenüber gesehen, die eine Mehrzahl von an der Durchlaßachse der Innenkante des ringförmigen Randes 36 versetzt zusammenstoßenden Schneidmessern 74 aufweist, ist, ist wenigstens r+R, wobei r der Radius der Diese Messeranordnung 72 ist für bei niedrigeren Übergangsverbindung und R der Abrundungsradius 65 Drücken berstende dünnere Scheiben vorgesehen, der Innenkante 51 ist. Jedoch ist die axiale Anordnung der Messer in bei-

Ferner wurde festgestellt, daß dann, wenn das den Ausführungen gemäß den F i g. 1 bis 4 und den Produkt von Berstdruck der Scheibe 24 gemessen ist F i g. 5 und 6 wichtig. Die geeignete Stellung für die

Messer ist dann erreicht, wenn die Vorderkante der Trenn- oder Scbneidanordnung nahe der Berührungsebene der Einspannringe 20 und 22 liegt. Die Schneidkanten oder Messer müssen von der konkaven Seite der in Normalstellung stehenden Scheibe 24 weit genug entfernt sein, damit dann, wenn die Scheibe bersten soll, ein genügendes Moment aufgebracht werden kann, damit die Scheibe von den Schneidkanten durchstoßen wird.

Bei Gebrauch wird eine Scheibe 24 zunächst in den Kanten 18 eingesetzt, wie am besten in F i g. 7 ersichtlich, und zwar durch Einsetzen des ringförmigen Randes 36 in die Ausnehmung 44 des Einspannrings 20. Der auslaßseitige Einspannring 22 wird dann aufgesetzt, so daß der ringförmige Vorsprung 46 mit der Ausnehmung 44 beim Einspannen des ringförmigen Randes 36 an dessen gesamten Umfang zusammenwirkt. Danach können die Spannplatte 52 und die Schraube 54 befestigt werden, um die Einstellringe 20 und 22 in einer Stellung fest auszurichten, in der sie die Scheibe 24 tragen und einspannen. Der Bauteil 18 kann danach zwischen die Flansche 14 und 16 zwischen Dichtungen 80 und 82 eingesetzt werden. Danach werden die Schrauben 30 eingesetzt und angezogen. Die konvexe Seite der Scheibe 24 ist dabei dem Kessel 14 zugewendet.

Auf Grund der Abstützung des ringförmigen Randes 36 mit der schmalen Übergangsverbindung 38 und der vorspringenden Stützschulter 57 wurde gefunden, daß die Scheibe 24 erfolgreich, und ohne eingedrückt zu werden, bei 90% ihres vorher bestimmten Berstdruckes arbeitet, da diese Art der Abstützung die Ermüdungs- und Kriechprobleme vermeidet und ein Bersten nur durch elastische Instabilität hervorgerufen wird, also einer relativ beständigen vom Elastizitätsmodul des Materials abhängenden Eigenschaft. Wenn der Druck denjenigen Wert übersteigt, für den der Kessel ausgelegt ist, verwölbt sich die Scheibe24 (Fig. 2) und wird auf die Messeranordnung 26 aufgedrückt, wo sie zur Freigabe des Kesseldrucks durchgestoßen, zerschnitten und geöffnet wird.

Claims

Patentansprüche: 45

1. Berstscheibensicherheitsvorrichtung für Druckkessel mit einer zwischen getrennten einlaßseitigen und auslaßseitigen Einspannringen eingespannten konkav-konvexen Scheibe, deren konvexe Seite dem Kesseldruck unterworfen ist und die einen durch eine schmale radial gekrümmte Übergangsverbindung mit dem konkavkonvexen Bereich verbundenen ringförmigen Rand aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Einspannringe (20, 22) in an sich bekannter Weise mit den ringförmigen Rand (36) haltenden, ebenen oder komplementär kegelstumpfförmigen Bereichen versehen sind, daß der ebene oder kegelstumpfförmige Bereich des einlaßseitigen Einspannrings (20) innen in einer abgerundeten Ringschulter (50) endet, welche die radiale Übergangsverbindung (38) bei umgekehrtem Druck unterstützt, daß der ebene oder kegelstumpfförmige Bereich des ausgangsseitigen Einspannrings (22) innen in einer abgerundeten Ringschulter (51) endet, deren Abrundungsradius (R) mindestens gleich der zweifachen Scheibendicke ist, und daß der Rand der Ringschulter des auslaßseitigen Einspannrings einen mindestens um den zweifachen Abrundungsradius (R) kleineren Durchmesser hat als die radiale Übergangsverbindung (38) der Scheibe (24) und der Rand der Ringschulter (50) des einlaßseitigen Einspannrings (20).

2. Sicherheitsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis des Radius (r) der Übergangsverbindung (38) zur Dicke (t) der Scheibe (24) geringer als 40 ist.

3. Sicherheitsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Produkt von Berstdruck der Scheibe (24), gemessen in Einheiten von 0,0703 kg/cm² mal dem Innendurchmesser (55) der Scheibe, gemessen in Einheiten von 2,54 cm, kleiner als 500 ist und daß das Verhältnis des Radius (r) der Übergangsverbindung (38) zur Dicke (t) der Scheibe (24) im Bereich von 1 bis 8 liegt.

4. Sicherheitsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der einlaßseitige Einspannring (20) eine ringförmige Ausnehmung (44) zur Aufnahme und zur Zentrierung des ringförmigen Randes (36) der Scheibe (24) aufweist und daß der auslaßseitige Einspanmring (22) mit einem ringförmigen Vorsprung (46) versehen ist, wobei der ringförmige Rand der Scheibe zwischen der ringförmigen Ausnehmung (44) und dem ringförmigen Vorsprung (46) eingespannt ist.

5. Sicherheitsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand, um welchen die Sdhulter (51) des auslaßseitigen Einspannrings nach innen über die Schulter (50) des einlaßseitigen Einspannrings vorsteht, wenigstens gleich 3r + R ist.

6. Sicherheitsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Schneidvorrichtung (26) mit axial nach beiden Seiten gerichteten Senneidkanten (58) am auslaßseitigen Einspannring (22) lösbar befestigt ist, wobei die jeweils der konkaven Seite der Scheibe (24) zugerichtete Schneidkante nahe der Trennebene der Einspannringe (20, 22) angeordnet ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen