DE1551606C - Hochtemperatur und Hochdruck Mehrla genbehalter zur Aufnahme von Wasserstoff bei hoher Temperatur und hohem Druck - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen zur Aufnahme von Wasserstoff bei hoher Temperatur und hohem Druck geeigneten Hochtemperatur- und Hochdruck-Mehrlagenbehälter, der aus mehreren Innenzylindern aus einem wasserstoffbeständigen Werkstoff, die jeweils von mehreren Außenlagen konzentrisch umgeben sind, und aus zwei Flanschen aus wasserstoffbeständigem Werkstoff besteht, wobei die Innenzylinder und die Außenlagen sowohl untereinander als auch mit den Flanschen über ringförmige Schweißnähte verbunden sind'und sich eine Belüftungsbohrung in den Außenlagen befindet.

Um die Gefahr einer Wasserstoffversprödung zu vermeiden, können als Werkstoff für Hochtemperatur- und Hochdruck-Mehrlagenbehälter zur Aufnahme von Wasserstoff bei hoher Temperatur und hohem Druck wasserstoffbeständige Stähle verwendet werden, die bestimmten Betriebsbedingungen genügen. Da aber wasserstoffbeständige Stähle nicht nur teuer sind, sondern insbesondere auch mit großer Vorsicht wärmebehandelt und geschweißt werden müssen, sind die Herstellungskosten solcher aus wasserstoffbeständigem Stahl bestehenden Hochdruckbehälter sehr hoch. Um die Herstellungskosten derartiger Behälter niedriger zu halten, ist man schon dazu übergegangen, nur für die innere Behälterwand einen gegen Wasserstoff beständigen Stahl zu verwenden und für die die Innenwandung umgebenden äußeren Lagen einen billigen Stahl, beispielsweise einen Kohlenstoffstahl zu verwenden. Die zur Verbindung der Innenzylinder und der Außenlagen untereinander und mit den Flanschen erforderlichen ringförmigen Schweißnähte sind in der Regel durchgehend angeordnet, d. h. sie erstrecken sich von den aus wasserstoffbeständigem Werkstoff hergestellten Innenzylindern in radialer Richtung bis in die äußerste der Außenlagen.

Durch die Zeitschrift ».Chemie-Ingenieur-Technik«, 24. Jahrgang, 1952, Nr. 4, ist es auch schon bekanntgeworden, die einzelnen ringförmigen Schweißnähte versetzt zueinander anzuordnen, so daß jeweils in einer radialen Ebene nur eine Schicht mit einer benachbarten Schicht bzw. Zylinder verbunden ist. Sowohl bei durchgehenden als auch versetzten Schweißnähten besteht nun aber die Gefahr, daß im Betriebszustand Wasserstoff über die freiliegende innere Behältcroberfläche vom Schweißwerkstoff aufgenommen wird, von dort über die Schweißnähte hin in die äußjren Lagen des Behälters gelangt und auf diese Weise zu einer Wasserstoffversprödung innerhalb der beispielsweise aus einem Kohlenstoffstahl bestehenden Außenlagen führt.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht nun darin, die vorerwähnten Nachteile zu vermeiden und insbesondere einen billigen, gegen eine Wasserstoffvjrsprödung beständigen Hochtemperatur- und Hochdruck-Mehrlagcnbeliälter zur Aufnahme von Wasserstoff bei hoher Temperatur und hohem Druck zu schaffen.

D!e Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Schweißnähte /wischen den Innenzylindern bzw. zwischen den Innenzylindern und den Flanschen in an sich bekannter Weise versetzt zu den Schweißnähten zwischen üt:n Auüenlagen bzw. zwischen den Außenlagen und den Flanschen angeordnet sind und daß jeweils zwei Bulüftungsbohriingen /u beiden der Schweißnähte in deren Nähe die Außen- bzw. .die Außenlagen und die Flansche durchdringen und eine weitere Belüftungsbohrung mindestens die dem Innenzylinder benachbarte Außenlage an einer Stelle durchdringt, die, bezogen auf die Schweißnaht, zwischen den Innenzylindern der zwisehen den Schweißnähten angeordneten Belüftungsbohrung gegenüberliegt..:-. ; :.■..■',■ '

Durch die versetzte Anordnung der Schweißnähte der Innenzyiinder einerseits und der Schweißnähte der Außenlagen bzw. zwischen den Außenlagen und

ίο den Flanschen andererseits sowie die jeweils zu beiden Seiten der Schweißnähte in deren Nähe die Außenlagen bzw. die Außenlagen und die Flansche durchdringenden Belüftungsbohrungen wird sichergestellt, daß kein unter hohem Druck und hoher Temp^ratur im Inneren des Behälters befindlicher Wasserstoff in den Schweißwerkstoff der die einzelnen Außenlagen untereinander oder die Außenlagen und die Flansche miteinander verbindenden Schweißraupen gelangen kann. Vielmehr wird der durch die die Innenzylinder miteinander verbindenden Schweißnähte diffundierte Wasserstoff über die beiden Belüftungsbohrungen in die Atmosphäre abgeleitet: Demzufolge sind auch die Außenlagen und die Flansche völlig gegen Wasserstoffehler geschützt.

Die sich nur durch mindestens die dem Innenzylinder benachbarte Außenlage erstreckende weitere Belüftungsbohrung kommt dann zur Wirkung, wenn das Verschweißen der beiden Innenzylinder nach dem Verbinden der Außenlagen erfolgt. Kommt es nämlieh in diesem Falle zwischen den Innenzylindern und der benachbarten Schicht der Außenlage zu einem Verschweißen, so wird der im Bereich dieser Schweißnaht absorbierte Wasserstoff über die zusätzliche Belüftungsbohrung sowie den Zwischenraum zwischen der innersten und der folgenden Lage sowie über die andere Belüftungsbohrung in die Atmosphäre abgeleitet, so daß es auch in diesem Fall in den Außenlagenaus Kohlenstoffstahl zu keiner Wasserstoffversprödung kommen kann. Durch die Erfindung wird es so möglich, nur die Innenzylinder und die Flansche aus wasserstoffbeständigem Stahl herzustellen, während die Außenlagen aus einem üblichen Stahl gefertigt sein können, wobei dennoch ein Hochtemperatur- und Hochdruck-Mehrlagenbehälter entsteht, dessen Herstellungskosten verhältnismäßig gering sind. Mehrere Ausführungsbeispiele nach der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 einen axialen Längsschnitt durch einen herkömmlichen Mehrlagen-Hochdruckbehälter,

F i g. 2 eine vergrößerte Darstellung einer Umfangsschweißnaht des in Fig. 1 dargestellten Mehr-Iagenbehälters,

F i g. 3 und 4 die Umfangsschweißnähte eines Mehrlagen-Hochdruck- und Hochtemperaturbehälters nach der Erfindung und

F i g. 5 einen Querschnitt durch die Wandung eines erfindungsgemäßen Mehrlagenbehälters im Bereich der Verbindung der Lagen mit einem Flansch.

Der in F i g. 1 und 2 dargestellte herkömmliche Mehrlagenbehälter besteht aus mehreren, jeweils einen inneren Zylinder 1 und letzteren umgebende Außenlagen 2 aufweisenden Zylinderteilen der Länge L, die durch ringförmige Schweißnähte 3 und 5 untereinander und an ihren außenliegenden Stirnseiten mit Flanschen 4 verbunden sind. Demzufolge besteht, selbst wenn die Innenzyiinder 1 oder die Flansche 4 aus einem wasserstoffbeständigen

Stahl bestehen und ein ebenfalls wasserstoffbeständiger Schweißdraht beim Schweißen benutzt wird, die Möglichkeit, daß im Betriebszustand Wasserstoff über die freiliegende innere Behälteroberfläche vom Schweißwerkstoff aufgenommen wird, von dort in die Außenlagen des Behälters gelangt und auf diese Weise zu einer Wasserstoffversprödung führt, wenn nicht auch die Außenlagen des Behälters aus einem wasserstoffbeständigen Stahl bestehen. Im einzelnen soll das an Hand des Wandungsquerschnittes der F i g. 2 erläutert werden, der aus einem Innenzylinder 1 aus wasserstoffbeständigem Stahl, mehreren aus Kohlenstoffstahl bestehenden Außenlagen 2 und einer ringförmigen Schweißnaht 3 sowie einer Beobachtungs- und Belüftungsbohrung 6 besteht. In diesem Fall wird ein Teil des Wasserstoffs von der Behälteroberfläche absorbiert, der somit als atomarer Wasserstoff in den Stahl hineindiffundiert. Das heißt, der an der Oberfläche des Innenzylinders 1 absorbierte Wasserstoff diffundiert durch diesen hindurch und tritt im Zwischenraum zwischen dem Innenzylinder 1 und den Außenlagen 2 aus, von wo er in die Belüftungsbohrung 6 gelangt. Da somit der Zwischenraum zwischen dem Innenzylinder 1 und den Außenlagen 2 mit der Atmosphäre in Verbindung steht, übersteigt der Druck im Zwischenraum den Atmosphärendruck nicht, so daß es in den von der Schweißnaht 3 entfernten Bereichen der Außenlagen 2 nicht zu Wasserstoffehlern kommen kann. Der an der Oberfläche des Schweißwerkstoffs der Schweißnaht 3 aufgenommene Wasserstoff durchdringt zum Teil die gesamte Schweißnaht 3 und gelangt in die freie Atmosphäre. Doch diffundiert auch ein gewisser Anteil Wasserstoff seitlich in die Außenlagen 2; demzufolge muß für die Schweißnaht 3 und die Außenlagen 2 ebenfalls ein wasserstoffbeständiger Stahl verwendet werden, um Wasserstoffehler im Bereich der Schweißnaht 3 zu verhindern. Das führt jedoch zu einer beträchtlichen Erhöhung der Herstellungskosten.

In Fig. 3 ist im Querschnitt die Wandung mit den Schweißverbindungen der Außenlagen und der Innenzylinder eines nach der Erfindung hergestellten Mehrlagen - Hochdruckbehälters dargestellt. Der Mehrlagenbehälter besteht aus den beiden Innenzylindern 11, 12 aus wasserstoffbeständigem Stahl, mehreren Außenlagen 13 aus Kohlenstoffstahl, einer die Innenzylinder 11, 12 verbindenden Schweißnaht 14 aus wasserstoffbeständigem Schweißwerkstoff und einer die Außenlagen 13 miteinander verbindenden ringförmigen Schweißnaht 15. Durch die Außenlagen

13 erstrecken sich Beobachtungs- und Belüftungsbohrungen 16 und 17.

Eine weitere Belüftungsbohrung 18 erstreckt sich nur durch die innerste der Außenlagen 13. Befindet sich im Inneren des Behälters Wasserstoff unter hohem Druck und hoher Temperatur, dann wird dieser atomar von den Innenzylindern 11 und 12 aus wasserstoffbeständigem Stahl und dem Schweißwerkstoff

14 absorbiert, durch die er hindurchdiffundiert. Alsdann scheidet sich der Wasserstoff als molekularer Wasserstoff im Zwischenraum zwischen den Innenzylindern 11, 12 und den Außenlagen 13 ab. Der Druck im Zwischenraum entspricht dem Atmosphärendruck, da über die Belüftungsbohrungen 16, 17 eine Verbindung mit der freien Atmosphäre besteht, so daß der Wasserstoff nicht in den Schweißwerkstoff der Schweißnaht 15 diffundiert. Demzufolge sind auch die Außenlagen 13 völlig gegen Wasserstofffehler geschützt. Die Belüftungsbohrungen 16, 17 für den Wasserstoff können irgendwo im Bereich der Schweißnaht 15, gegebenenfalls auch in der Schweißnaht selbst liegen.

Da die ringförmige Schweißnaht 14 zwischen den Innenzylindern 11 und 12 nicht in der Radialebcne der die Außenlagen 13 miteinander verbindenden Schweißnaht 15 liegt, kann das Verschweißen der

ίο beiden Innenzylinder nach dem Verbinden der Außenlagen 13 vorgenommen werden. In diesem Falle kommt es zu einem Verschweißen der Innenzylinder mit der innersten der Außenlagen 13, so daß der Wasserstoff im Bereich der Schweißnaht 14 absorbiert wird, in die Außenlagen 13 aus Kohlenstoffstahl gelangen und dort eine Wasserstoffversprödung hervorrufen könnte, wenn nicht die zusätzliche Belüftungsbohrung 18 vorgesehen wäre. Diese nur durch die innerste der Außenlagen 13 verlaufende Belüftungsbohrung 18 ermöglicht nämlich einen Austritt des Wasserstoffs in die Atmosphäre, und zwar über den Zwischenraum zwischen der innersten und der benachbarten Außenlage 13 und die Belüftungsbohrung 16.

Die Außenlagen 13 müssen so miteinander verschweißt werden, daß sie beim Schweißen nicht mit dem Innenzylinder 11 verschweißen. Zu diesem Zweck kann an der inneren Stirnseite der Schweißnaht 15 ein Polstermetall 19 angeordnet werden, dessen Dicke größer ist als die Tiefe der Schweißeinwirkung im Bereich des dem Innenzylinder der F i g. 4 benachbarten Teils.

Da die Verbindung über eine ringförmige Schweißnaht erfolgt und bei einem bestimmten Innendruck die axialen Spannungen halb so groß wie die Umfangsspannungen sind, ist bei sehr gutem Schweißen die halbe Dicke ausreichend, so daß sich hinsichtlich der Festigkeit keine Schwierigkeiten bei der Verwendung des vorerwähnten Polstermetalls ergeben.

In F i g. 5 ist die Verbindung der Behälterwaiidung mit einem Flansch im Querschnitt dargestellt. Der Hochdruckbehälter besitzt in diesem Fall einen Innsnzylinder 21. aus wasserstoffbeständigem Stahl, mehrere aus Kohlenstoffstahl bestehende Außenlagen 22, einen Flansch 23 aus wasserstoffbeständigem Stahl, eine Schweißnaht 24 aus Kohlenstoffstahl, eine den Innenzylinder 21 mit dem Flansch 23 verbindende Schweißnaht 25 aus wasserstoffbeständigem Stahl, eine durch die Außenlagen 22 gehende Belüftungsbohrung 26 sowie eine Belüftungsbohrung 27 durch den Flansch 23. Auch bei dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 5 gelangt, wie bereits im Zusammenhang mit Fig. 3 erläutert, der durch den InnLMizylinder 21 diffundierende Wasserstoff über den schmalen Zwischenraum zwischen ihm und den Außenlagen 22 und die Belüftungsbohrung 26 in die Atmosphäre, so daß für die Außenlagen 22 aus Kohlenstoffstahl keine Gefahr einer Wasserstoffversprödung besteht.

Der durch den Flansch 23 oder den diesen überlappenden Teil des Innenzylinders 21 diffundierende Wasserstoff gelangt über die Belüftungsbohiung 27 im Flansch 23 in die Atmosphäre, ehe er mit der Schweißnaht 24 aus Kohlenstoffstahl in Berührung kommt.

Um ein Verschweißen des Schweißwerkstoffs der Schweißnaht 24 mit dem Innenzylinder 21 zu ur meiden, kann, wie bereits im Zusammenhang mit

Fig. 3 erläutert, ein Metallpolster verwendet · werden.

Bei den in den F i g. 1 bis 5 dargestellten- Ausführungsformen wurde einfachheitshalber als Werkstoff für die Außenlagen Kohlenstoffstahl oder üblicher Stahl angenommen; statt dessen kann jedoch auch niedriglegierter Stahl oder ein hochfester Stahl mit geringerer Wasserstoffbeständigkeit verwendet werden.

Unter wasserstoflbeständigem Stahl ist ein Stahl zu verstehen, der infolge seines Chrom- und/oder Molybdänzusatzes und anderer Legierungselemente, wie Wolfram, Titan, Vanadin, Zirkonium, Niob usw., nicht oder nur wenig empfindlich gegen durch Wasserstoff verursachte Fehler bei hohem Druck und hoher Temperatur ist.

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Hochtemperatur- und Hochdruck-Mehrlagenbehälter zur Aufnahme von Wasserstoff bei hoher Temperatur und hohem Druck, bestehend aus mehreren Innenzylindern aus wasserstoffbeständigem Werkstoff, welche jeweils von mehreren Außenlagen konzentrisch umgeben sind, und aus zwei Flanschen aus wasserstoffbeständigem Werkstoff, wobei die Innenzylinder und die Außenlagen sowohl untereinander als auch mit den Flanschen über ringförmige Schweißnähte verbunden sind und eine Belüftungsbohrung in den Außenlagen vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Schweißnähte (14; 25) zwischen den Innenzylindern (11, 12) bzw. zwischen den Innenzylindern (21) und den Flanschen (23) in an sich bekannter Weise versetzt zu den Schweißnähten (15; 24) zwischen den Außenlagen (13) bzw. zwischen den Außenlagen (22) und den Flanschen (23) angeordnet sind und daß jeweils zwei Belüftungsbohrungen (16, 17; 26, 27) zu beiden Seiten der Schweißnähte (15; 24) in deren Nähe die Außenlagen (13) bzw. die Außenlagen (22) und die Flansche (23) durchdringen und eine weitere Belüftungsbohrung (18) mindestens die dem Innenzylinder (12) benachbarte Außenlage (13) an einer Stelle durchdringt, wejche, bezogen auf die Schweißnaht (14), zwischen den Innenzylindern (11, 12) der zwischen den Schweißnähten (14, 15) angeordneten Belüftungsbohrung (16) gegenüberliegt.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen