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Die Erfindung bezieht sich in erster Linie auf ein Verfahren zum Herstellen
von mehrschaligen Druckbehältern, wie Hohlzylinder oder Hohlkugeln für Beanspruchung
mit Außendruck, bei dem zumindest eine innere und eine äußere Metallschale lose
ineinandergefügt werden und dann die äußere Schale durch plastisches Verformen an
die innere Schale angelegt wird. Sie bezieht sich ferner auf eine Vorrichtung zur
Durchführung des Herstellungsverfahrens. Produkte des neuen Verfahrens sind insbesondere
zylindrische oder kugelförmige Hohlkörper aus Stahl, die dauernd oder zuweilen einem
hohen Außendruck ausgesetzt werden, wie dies beispielsweise bei Unterseebooten oder
in Flüssigkeiten versenkten Spezialmaschinen, Kugeln oder Leitungen der Fall ist.
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Im allgemeinen hat man bisher Druckbehälter für größere Außendrücke
mit einschaligen Wänden aus Schmiedestahl oder aus gewalzten, gerollten oder getriebenen
und miteinander verschweißten dickwandigen Blechschüssen hergestellt; infolge der
hohen Drücke, denen diese Körper widerstehen müssen, ist es erforderlich, einer
einzigen, diese Körper bildenden Wand eine erhebliche Dicke zu geben. Dabei ist
die Herstellung teuer, und der Materialaufwand sowie das Gewicht sind unerwünscht
groß.
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Es ist auch nicht mehr neu, Druckbehälter in Mehrschalenbauweise herzustellen.
Die übereinanderliegenden Schichten oder Schalen können unterschiedliche Ausbildung
haben; es kann sich dabei entweder um zusammenhängende Schalen oder um eine oder
mehrere vollwandige Schalen in Verbindung mit weiteren, die Schalen abstützenden
Bauelementen, wie Bandagen aus Teilschalen, gewalzten Reifen, Rippen-Gitterwerkeinlagen
oder Drahtseilbandagen handeln.
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Alle auf diese Weise gebildeten Mehrschalen-Druckbehälter sind hauptsächlich
für hohe Innendrücke bestimmt; ihre übereinanderliegenden Schalen oder Verstärkungselemente
werden daher auf Zug beansprucht. Innen- oder Außenschalen können auch aus chemisch
beständigen bzw. korrosionsfesten oder verschleißfesten Baustoffen bestehen.
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Damit die Schalen sämtlich an der Aufnahme der durch die Drücke bedingten
Drücke bedingten Kräfte beteiligt sind, werden sie bei einem bekannten Verfahren
durch Aufweiten von innen, gegebenenfalls auch durch Verformung von außen, aneinandergelegt.
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Die Verwendung solcher Mehrschalen-Druckbehälter unter relativ hohen
Außendrücken ist problematisch, vor allem bei großen Abmessungen der Behälter. Unvermeidliche
Inhomogenitäten des Materials, geringe Wandstärkenunterschiede und vor allem Formabweichungen
begünstigen das Einknicken oder Einbeulen der Mehrschicht-Wände, die nicht durchweg
gleichmäßig aneinander anliegen. Das Verformen der Außenschale oder der äußeren
Schalen durch mechanische Mittel, wie z. B. Druckwalzen, bedingt die Beschaffung
sehr aufwendiger Vorrichtungen und ist bei Kugel-Druckbehältern kaum möglich. Verformen
durch einen äußeren Flüssigkeitsdruck führt wegen der oben bereits erwähnten Inhomogenitäten
und ungleichmäßiger Anlage der lose ineinandergefügten Schalen auf jeden Fall zu
begrenzten Einbeulungen, die eine spätere Außendruckbelastung des Druckbehälters
stark begrenzen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die oben geschilderten Nachteile
der bekannten Verfahren zur Herstellung von Mehrschalen-Druckbehältern zu beseitigen
und bei dem plastischen Verformen einer äußeren Schale diese gegen Formabweichungen
gegenüber der Sollform zu schützen und insbesondere Einbeulungen zu vermeiden.
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Das diese Aufgabe lösende Verfahren zum Herstellen mehrschaliger Druckbehälter,
wie Hohlzylinder oder Hohlkugeln für Beanspruchung durch Außendruck, bei dem zumindest
eine Innen- und eine Außenschale aus Metall lose ineinandergefügt und dann die äußere
Schale oder äußeren Schalen durch plastisches Verformen an die innere Schale angelegt
werden, ist dadurch gekennzeichnet, daß man die ineinandergefügten Schalen mit einem
auf die Außenschale wirkenden Flüssigkeitsdruck belastet und gleichzeitig in der
Innenschale einen Flüssigkeitsdruck erzeugt, der von dem äußeren Druck verschieden
oder ihm gleich ist.
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Durch den Innendruck wird die innere Schale zumindest elastisch gedehnt,
und gegebenenfalls vorhandene Konturabweichungen von der geometrisch genauen Kreis-
oder Kugelform werden dabei weitgehend ausgeglichen. Die durch den Innendruck abgestützte
innere Schale bildet eine steife Innenform, an die sich die plastisch verformten
äußeren Schalen beim Anlegen satt anpassen; während des Verformens etwa entstehende
kleinere Einbeulungen werden durch das Anpressen an die steife, weitgehend konturgenaue
innere Schale ausgeglichen. Man erhält also mit relativ einfachen Mitteln und einer
vielfach verwendbaren Druckkessel-Anlage einen Mehrschalen-Druckbehälter mit der
angestrebten, relativ genauen äußeren Kreis- oder Kugelkontur, der bei gleichem
Materialaufwand höheren Außendrücken unterworfen werden kann als ein in bisher üblicher
Weise hergestellter mehrschaliger Druckbehälter.
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Nach dem Wegnehmen der Drücke, welche die Schalen von außen und innen
zusammengepreßt haben, bildet sich zwischen der inneren Schale und der äußeren Schale
oder Schalengruppe ein Zwischenraum, der durch das elastische Zurückfedern der plastisch
verformten Schalen entsteht. Dieser Zwischenraum kann nachträglich mit druckfestem
Material ausgefüllt werden, wie dies bei der Herstellung von Mehrschichtrohren zur
Erzielung eines Verbunds zwischen ineinandergeschobenen Rohrschüssen bekannt ist.
Man kann auch Leitmaterial einfüllen, um die Schwimmfähigkeit der erfindungsgemäßen
Druckbehälter zu verbessern.
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Die Steigerung des Innendruckes auf einen Wert, bei dem auch eine
plastische Verformung der inneren Schale einsetzt, begünstigt den Ausgleich von
Formabweichungen dieser inneren Schale, ehe sich die äußere Schale an sie anlegt.
Die gesamte Kontur des Mehrschalen-Druckbehälters kann dadurch noch verbessert werden.
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Bei besonders hohen Ansprüchen an Konturgenauigkeit und damit Einbeulfestigkeit
ist es zweckmäßig, den Mehrschalen-Druckbehälter noch zusätzlich auf eine in ihn
eingebrachte steife Innenform unter Überschreiten der Elastizitätsgrenzen aller
seiner Schalen aufzupressen.
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Eine zur Durchführung des neuen Verfahrens geeignete Vorrichtung ist
gekennzeichnet durch die Kombination von einem zur Aufnahme der ineinandergefügten
Schalen geeigneten Druckgefäß mit einer Einrichtung zum Einführen einer Druckflüssigkeit
in das Druckgefäß; Vorrichtungen zum Abschließen der Räume zmr1-scheu
den
Schalen und einer Anschlußleitung an diese Räume; Vorrichtungen zum Abschließen
des Innenraumes der inneren Schale und zum Einführen von Druckflüssigkeit in diesen
Innenraum.
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Zur weiteren Erläuterung der Erfindung werden im folgenden einige
besondere Herstellungsbeispiele beschrieben, die in der Zeichnung veranschaulicht
sind.
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F i g. 1 stellt die Anwendung der Erfindung auf einen zylindrischen
Hohlkörper dar; F i g. 2 befaßt sich mit einer Abwandlung, die sich für mit kugelförmigen
Böden abgeschlossene zylindrische Hohlkörper eignet; F i g. 3 stellt eine weitere
Abwandlung der Erfindung dar, die für kugelförmige Körper geeignet ist; F i g. 4
bis 6 veranschaulichen Schnitte durch die Wand von Druckbehältern mit zwei oder
mehr Schalen, und F i g. 7 und 8 stellen Schnitte durch die Wände von Druckbehältern
dar, bei denen zwischen die Schalen ein Material eingefügt ist, dessen Dichte geringer
ist als die von Stahl.
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Die F i g. 1 zeigt, wie zwei rohrförmige Stahlschalen, die innere
1 und die äußere 2, des herzustellenden zylindrischen Druckbehälters in einen als
Druckgefäß dienenden Mantel 3 eingesetzt sind, der durch eine Wand 4 begrenzt wird,
wobei sich die Schalen 1 und 2 und die Wand 4 zwischen den Platten 5 und 6 einer
Presse befinden, welche die Platten 5 und 6 einander zu nähern sucht.
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In dem Mantel 3 wird ein hoher Druck durch Wasser ausgeübt, das durch
eine Leitung 7 zugeführt wird. Die Stirnenden der rohrförmigen Schalen 1 und 2 des
zylindrischen Druckbehälters stützen sich auf leicht konisch geneigte Abschnitte
8 der Platten 5 und 6 der Presse ab, wobei die Abdichtung durch Dichtungen 9 gewährleistet
wird.
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In dem Innenraum 10 der Schale 1 kann ein dem in dem Behälter 3 herrschenden
Druck gleicher oder davon verschiedener Wasserdruck erzeugt werden, wobei das Wasser
durch eine Leitung 11 zugeführt wird.
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Der Raum 12 zwischen den Schalen 1 und 2 läßt sich über eine Leitung
13 mit der Atmosphäre in Verbindung bringen.
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Unter der Einwirkung des Druckes in dem Mantel 3 wird die äußere Schale
2 zusammengedrückt und legt sich nach Überschreiten der Elastizitätsgrenze ihres
Metalls an die Schale 1 an, bis die gewünschte Vorspannung oder Verbindung erreicht
ist. Während der Deformation der Schale 2 verlängert sie sich in Längsrichtung,
und ihre Enden verschieben sich längs der geneigten Abschnitte 8 der Platten 5 und
6. Gleichzeitig mit dem Druck im Mantel 3 wird auch über die Leitung 11 Druckwasser
zum Stützen und Dehnen der inneren Schale 1 zugeführt.
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Bei dem in der F i g. 2 dargestellten Ausführungs-@eispiel sind die
Platten 5 und 6 der Presse durch -egelförmige Böden 14 und 15 ersetzt, und die ge-;amte
Schalen-Anordnung befindet sich in einem Druckgefäß von gleicher Form.
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Die F i g. 3 veranschaulicht den Fall der Herstelung eines kugelförmigen
Körpers, der eine innere ,lugelschale 16 und eine äußere Kugelschale 17 aufveist,
wobei sich die letztere in einem kugelförmigen i Sehälter 18 befindet, dem durch
eine Leitung 19 Druckwasser zugeführt wird. Durch eine Öffnung 20 jermag die Luft
zwischen den Schalen 16 und 17 in die innere Kugelschale 16 zu entweichen, in der
Stützdruck erzeugt wird.
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Die erzeugten zylindrischen oder kugelförmigen Druckbehälter zeigen
gegenüber äußeren Drücken ein sehr günstiges Widerstandsverhalten, was teils auf
den Aufbau der Hohlkörper aus zwei oder mehr weitgehend konturgenauen Schalen, teils
auf die in dem Körper herrschende Vorspannung zurückgeht.
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Die F i g. 4 zeigt einen Schnitt durch die Wand eines Druckbehälters,
dessen Innenschale 1 aus mehreren miteinander verschweißten Teilen und dessen Außenschale
2 aus mehreren voneinander getrennten Teilen besteht. Die Außenwandteile 2 versteifen
die Innenschale gegen Einknicken bei Außendruck.
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Die F i g. 5 zeigt einen Schnitt durch die Wand eines Druckbehälters,
der aus zwei Schalen 1 und 2 besteht, die jeweils aus mehreren miteinander verschweißten
Teilen zusammengesetzt sind.
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Die F i g. 6 schließlich zeigt einen Schnitt durch die Wand eines
Druckbehälters, der aus zwei Schalen 21 und 22 aus miteinander verschweißten Bauelementen
und aus zwei weiteren Schalen 23 und 24 besteht.
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Die F i g. 7 und 8 veranschaulichen zwei Schalen 1 und 2, die zur
Erzielung einer besseren Widerstandsfähigkeit des Gesamtaufbaues gegen ein Ausknicken
oder ein Verbiegen und zur Erzielung einer besseren Schwimmfähigkeit durch Vergrößerung
des Volumens und Verringerung des Gewichtes einen Abstand voneinander aufweisen.
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Der Zwischenraum zwischen den Schalen 1 und 2 kann mit einem Material
von geringerer Dichte als der von Stahl, beispielsweise mit druckfestem Material,
wie Beton oder Mörtel, aber auch mit Kunststoffen oder Schaumstoffen gefüllt sein.
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Der Zwischenraum zwischen den Schalen 1 und 2 läßt sich entweder durch
vorheriges Einbringen des druckfesten Materials 25 mit geringer Dichte und anschließendes
Zusammendrücken der Außenschale 2 oder durch Einschieben von Keilen 26 in diesen
Zwischenraum und späteres Einfüllen des Materials 25 erhalten.
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Im letzteren Fall kann das Material 25 unter Druck in den Zwischenraum
eingespritzt werden und gegebenenfalls zur Erzielung einer Vorspannung zwischen
den Schalen Verwendung finden.
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Die durch das Überschreiten der Elastizitätsgrenze bei der Druckeinwirkung
erzielte Kaltverformung des Stahls verbessert die mechanische Widerstandsfähigkeit
der Schale.