DE1650057A1

DE1650057A1 - Behaelter zur Aufnahme von unter Druck stehenden stroemungsfaehigen Medien und Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE1650057A1
Application number: DE19671650057
Authority: DE
Inventors: Ponemon Warren E
Original assignee: Koppers Co Inc
Current assignee: Beazer East Inc
Priority date: 1966-08-05
Filing date: 1967-08-01
Publication date: 1970-08-27
Also published as: US3446385A

Description

dr. w. Schalk · dipl-ing. peter Wirth

DIPL-ING. G. E.M. DANNENBERG · DR. V. SCHMIED-KOWARZIK

6 FRANKFURT AM MAIN

CR. ESCHENHEIMER STR. 39

PW/Lu/ki Gase 64:5430

-31. Juli 1967

KOPPERS COMPANY, IHO. Pittsburgh, Pa. / USA

Behälter zur Aufnahme von unter Druck stehenden strömungsfähigen Medien und Verfahren zu seiner Herstellung.

Die Erfindung bezieht sich auf Druckgefäße bzw. Druckbehälter und betrifft insbesondere mit Metall ausgekleidete Druckgefäße aus gewickeltem Fasermaterial*

In der vorveröffentlichten USA Patentschrift 2 988 240 (Hardesty) ist ein Druckgefäß aus gewickelten Glasfasern beschrieben, dessen Innenwandung aus Metall besteht und leicht gewellt ist. Diese Wellungen besitzen in den meisten Fällen eine sehr kleine Amplitude, so daß sie praktisch nicht wahrnehmbar sind. Eine Außenwandung aus Kunststoff, die aus mit Harz überzogenen Fasern bzw. Fäden besteht, wird derart um die gewellte Innenwandung herum gewickelt, daß das verstärkende Fasermaterial die Wellentäler zwischen benachbarten Wellenkämmen überspannt bzw. überbrückt. Während des Aushärtens des Harzes wird die metallische Innenauskleidung von dem in dem Gefäß herrschenden Innendruck so weit ausgedehnt, daß die kaum wahrnehmbaren Wellungen verschwinden und die Außenwandung mit der glatten

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metallischen Innenwandung verklebt bzw. verbunden wird. Daraus" wird iin. der USA"Patentschrift der Schluß gezogen, daß das von den Fasern getragene Harz die Wellentäler, wenn solche vorhanden sind, vollständig ausfüllt, und daß die gesamte Oberfläche der Außenwandung vollständig mit der Innenwandung verklebt bzw. verbunden ist.

Wenn darauf nun der Innendruck verringert wird, versucht die Innenwandung ihre normale gewellte Gestalt wieder anzunehmen, ist jedoch wegen ihrer Verbindung mit der Außenwandung daran gehindert. Folglich befindet sich die Außenwandung in einem vorgespannten Zustand, wie der USA Patentschrift entnommen werden kann.

In der Regel besitzt das Fasermaterial der Außenwandung eines gewickelten Druckgefäßes einen niedrigeren Elastizitätsmodul als das Metall der Innenwandung. Das bedeutet,, daß das Fasermaterial in der Außenwandung sich innerhalb seiner elastischen Grenze viel stärker ausdehnt bzw. verlängert als das Metall der Innenwandung, dessen Elastizitätsmodul kleiner ist* Wenn also die Außenwandung eines solchen Druckgefäßes bis zur elastischen Grenze gespannt wird, wird dabei die metallene Innenwandung weit über ihre elastische Grenze hinaus gespannt und wird daher bleibend verformt.

Es ist im allgemeinen erwünscht, ein Druckgefäß bis zu einem maximalen sicheren Druck zu belasten. Wenn die elastische Grenze

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der metallenen Innenwandung !bei der Berechnung des Behälters als Grundgröße "bzw. Bezugsgröße gewählt wird, dann nimmt die äußere mit Glasfasern verstärkte Wandung «aseisfckeinen angemessenen Anteil der Belastung bzw. der Spannung auf, so daß die physikalischen Eigenschaften des Materials der Außenwandung nicht voll" ausgenutzt werden. Falls die elastische Grenze der Außenwandung bei der Berechnung des Behälters als Bezugsgroße zugrunde gelegt wird, erleidet die Innenwanäung eine bleibende Verformung, bevor die Außenwandung ihre Fenniaelastung aufnimmt.

Erfindungsgemäß wird nun ein Druckbehälter geschaffen, der in wirksamer Weise die Festigkeitseigensehaften des Materials sowohl der Innenwandung als auch der Außenwandung ausnutzt.

Erfindungsgemäß besitzt der Druckbehälter eine gewellte Innenwandung aus Metall, eine glasfaserverstärkte Außenwandung, die um die Innenwandung herum gewickelt bzw. herum gelegt ist, sowie ein federndes (elastiscii verformbares) und inkompressibles Material, das die Wellentäler der gewellten Innenwandung ausfüllt und zwischen der metallischen Innenwandung und der Glasfaseraußenwandung liegt. Die Wellungen besitzen eine definierte Tiefe und ermöglichen demgemäß eine starke Ausdehnung der Innenwandung, ohne daß diese trotz des niedrigen Elastizitätsmoduls ihre elastische Grenze erreicht. Das federnde !immaterial überträgt einen angemessenen Anteil der Belastung auf die Außenwandung, die sich, daraufhin bis zu ihrer elastischen Grenze ausdehnt. .

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Danach kann das Material sowohl der Innenwandung als auch der Außenwandung jeweils bis zu der jeweiligen elastischen Grenze gespannt bzw. belastet werden.

Im folgenden ist eine Ausführungsform der Erfindung anhand der Zeichnungen beispielsweise näher erläutert, und zwar zeigt:

Mg. 1 teilweise im Schnitt eine schematisehe Darstellung eines typischen Druckgefäßes, das erfindungsgemäß ausgebildet ist;

Mg. 2a

und 2b im Schnitt Teile des in Mg. 1 dargestellten Druckbehälters unter verschiedenen Belastungs- bzw. Spantiungszuständerlj

Mg. 3

bis 7 schematisch verschiedene Muster und Anordnungen von Wellungen der Innenwandung des in Mg. 1 dargestellten Druckgefäßes; und

Mg. 8 eine schematische Darstellung eines Teil der gewellten metallischen Innenwandung, die einen Innendruck unterworfen ist.

In Mg. 1 ist ein typischer, erfindungsgemäß ausgestalteter Druckbehälter 11, dargestellt, der eine relativ dünne, in definierter Weise mit Wellungen versehene metallische Innenwandung 13» eine harzimprägnierte glasfaserverstärkte Außenwandung 15, die auf die Innenwandung 13 aufgewickelt 1st und

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SAD ORIGINAL

ein zwischen diesen Wandungen vorgesehenes Füllmaterial 31 aufweist. Das Druckgefäß 11 besitzt einen im allgemeinen zylindrisch ausgebildetes Hauptteil 17, das an einem Ende mittels eines halbkugelförmigen Endteils 19 verschlossen ist und das am anderen Ende in einen verjüngten Halsteil 21 übergeht. Der verjüngte Halsteil 21 besitzt ein mit Gewinde versehenes Übergangs- bzw. Paßstück 2J-, das einen üblichen stopfenartigen Verschluß oder irgendeinen anderen Druckverschluß aufnehmen kann (nicht gezeigt).

Die Innenwandung 13 kann aus einem geeigneten Metall, wie z. B. aus Aluminium und Aluminiumlegierungen, Kupfer und Kupferlegierungen, korrosionsbeständigen Stählen sowie aus spezial legierten Stählen, die besonders erwünschte hohe Festigkeitseigenschaften besitzen, bestehen. Das Wellungsmuster der Innenwandung 13 kann natürlich auf irgendeine geeignete Weise hergestellt werden, und zwar z. B. mit Hilfe des bekannten Explosionsformverfahrens.

Die metallische Innenwandung 13 ist mit Wellungen versehen und die Wellungen 25 (Fig· 2a, 2b) können in Form irgendeines geeigneten Musters angeordnet sein· Beispiele für derartige Muster sind in den Figuren 3 bis 7 dargestellt. Di© Wellungen 25a z. B₀, die in dem Muster gemäß Fig. 3 dargestellt sind» sind derart angeordnet, daß sich ihre Achsen parallel zur Längsachse des Druckgefäßes 11 erstrecken. Die Wellungen 25b In dem Muster gemäß Fig. 4 sind so angeordnet, daß ihre Achsen

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BAD

im allgemeinen senkrecht zur Längsachse des Druckgefäß e s 11 • liegen. Die Wellungen 25c in dem in -Pig, 5 dargestellten Muster liegen im allgemeinen schräg zu der Längsachse des Druckgefäßes 11, In dem Muster in Fig. 6 sind die Wellungen 25d eine Kombination der Muster der Fig. 3 und 4· Das in 3?ig. 7 abgebildete Muster von Wellungen 25e ist eine Kombination des Musters gemäß Pig. 5 mit einem anderen ähnlichen Diagonalmuster, das sich im allgemeinen rechtwinklig zu dem Muster der ia Fig. 5 erstreckt. Die Wellungen 25 eines jeden Musters besitzen eine merkliche, Jk vom Wellenkamm zum Wellental gemessene Tiefe.

Weil die physikalischen Eigenschaften der metallischen Innenwandung von denen der faserverstärkten Außenwandung beträchtlich abweichen, insbesondere hinsichtlich der jeweiligen Elastizitätsmoduli und der entsprechenden Dehnungen (Elongation), ist es wünschenswert, die metallische Auskleidung so auszubilden bzw. auszugestalten, daß sie sich zusammen mit der ausdehnungsfähigeren Außenwandung ausdehnen kann, aber dennoch nicht über ihren elastischen Wert hinaus beansprucht und somit nicht bleibend verformt wird. Eine mit Wellungen versehene metallische Innenwandung 13 stellt eine Möglichkeit dar, die es der Innenwandung gestattet, sich im Zusammenwirken mit einer faserverstärkten Außenwandung so weit auszudehnen, daß die Innenwandung nicht über ihre elastische Grenze hinaus gespannt und somit nicht bleibend verformt wird.

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In Fig. 8 ist schematise]! ein £eil der gewellten metallischen Innenwandung 13 dargestellt· Die ausgezogenen TJmrißlinien sollen die Wandung im unbelasteten bzw. im ungespannten Zustand und die strichpunktierten linien die Gestalt der Wellung darstellen, die diese unter der Wirkung innerer Druckkräfte 26 annimmt. * Der Fachmann erkennt, daß, "wenn man einen Knoten- bzw. Bezugspunkt 28 auf dem Kamm der Wellung annimmt, die metallene Innenwandung sieh ausdehnt, wobei die Wellungen sich abzuflachen versuchen» Das bedeutet, daß ein typischer Bezugspunkt 30 in der ungespannten Innenwandung bestrebt ist, sich entlang ei- " ner Kurve bzw. eines Bogeng 32 zu einem Punkt 30a zu bewegen, wenn die Aüßenwandung gespannt wird. Die in der gewellten metallischen Innenwandung auftretenden Spannungen äußern sich hauptsächlich als Biegespannungen. Dabei wird eine Biegung um den angenommenen Bezugspiankt 28 hervorgerufen.

Eine gewellte metallische Innenwandung kann sich somit unter der Wirkung innerer Kräfte, die innerhalb ihrer elastischen Grenze liegende Spannungen hervorrufen, im Zusammenwirken jj mit einer faserverstärkten Außenwandung ausdehnen, die auf die Innenwandung aufgewickelt bzw. um diese herum gelegt ist und die sich unter denselben Innenkräften wesentlich mehr ausdehnt. Die Innenkräfte rufen dabei in der Außenwandung Spannungen hervor, die innerhalb ihrer elastischen Grenze liegen. ' .

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Die Außenwandung 15 besteht aus einer Ti el zahl von Schichten bzw.. Lagen aus ftarzimprägni er ten (jlasfaserrovings, die schraubenförmig in bekannter ¥eise auf die Innenwandung aufgewickelt sind. Bei diesem Aufwickeln wird die Innenwandung um ihre Längsachse gedreht und durch eine Zuführöse, die im wesentlichen in Richtung der Längsachse der gedrehten Innenwandung hin und her bewegt wird, werden die harzimpragnierten Glasrovings hindurchgeführt und auf den Kern aufgewickelt.

Der Winkel, unter dem die Rovings schraubenförmig aufgewickelt werden, bestimmt im allgemeinen das gewünschte Muster der Wellungen 25 in der Innenwandung. Es ist bekannt, daß beim schraubenförmigen Aufwickeln von Fasern bzw. Fäden unter einem Winkel von 54° 45' mit einer iDoleranz von einem Grad in den Glasfasern eine Verlängerung hervorgerufen wird, die nur in einer Richtung orientiert ist. Das bedeutet, daß wenn der Wickelwinkel größer als 54° 45* ist., die Verlängerung der Glasfasern nur in Längsrichtung der Achse des Gefäßes vorhanden ist, während, wenn der Wickelwinkel kleiner als 54° 45* * die Verlängerung der Glasfasern W in Querrichtung "bzw. in Umfangsrichtung des Befäßes auftritt.

Es ist im allgemeinen erwünscht, daß die metallische Innenwandung 13 sich in derselben Richtung wie die Außenwandung ausdehnt· Daher sollten die Wellungen 25 der metallischen Innenwandung entsprechend dem in Fig. 4 gezeigten Muster angeordnet werden, wenn der Wickelwinkel der schraubenförmig aufgewickelten Rovings der Außenwandung größer ist als 54° 45^f und die Verlängerung

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"bzw. Dehnung der Glasfasern somit in Längsrichtung auftritt, Das heißt, die Achsen der Wellungen 25 sind quer zur Längsachse des Druckgefäßes 11 angeordnet.

Analog sollten die Wellungen 25 der Innenwandung 15 entsprechend dem in Pig. 3 gezeigten Muster angeordnet werden, wenn der Wickelwinkel der schraubenförmig aufgewickelten !Fasern kleiner als 54° 45' und die Verlängerung der Glasfasern somit in Querbzw, ümfangsrichtung auftritt. Das heißt, die Achsen der Wellungen sind parallel zur Längsachse des Druckgefäßes angeordnet.

Wenn die lasern bzw. Fäden der Außenwandung 15 so auf die Wandung aufgewickelt werden, daß die Dehnung bzw. Verlängerung der Glasfasern sowohl in Längsrichtung als auch in Ümfangsrichtung auftritt, dann können die Wellungen 25 der Innen-

/es wandung 13 so angeordnet werden, wie^das,Muster in Fig. 5 zeigt. In einigen besonderen Fällen kann es vorteilhaft sein, die Wellungen 25 entsprechend den in den Fig. 6 oder 7 gezeigten Mustern anzuordnen.

Obwohl die Erfindung vorstehend in Verbindung mit harzimprägnierten Glasfasern beschrieben worden ist, so ist sie doch nicht in dieser Hinsicht beschränkt. Für die Außenwandung kann irgendein geeignetes Material, so z. B. Metall oder anderes organisches Material, benutzt werden, das zur Verstärkung eines geeigneten härtbaren Harzes verwendet wird.

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Als Harz zum Überziehen des 3?asermaterialskann irgendein • ' bekanntes Bindemittelharz verwendet werden; diese Harze und " ihre Verwendung sind in der einschlägigen !Eechnlk "bekannt. Die Harze vom Epoxyd-Syp werden als härtbare "bzw. wärmehärtbare Bindemittelharze bevorzugt. Ein besonders brauchbares Epoxydharz ist das Reaktionsprodukt eines Epiphalogenhydrins und eines Polyphenols, z. B. eines Bisphenolepichlorhydrins. Geeignete Epoxydharze sind auch die Reaktionsprodukte von Epiphalogenhydrinen und einem Polyalkohole wie z. B. Äthylenfe glykol, Propylenglykol, Irimethylenglykol und dergleichen. Andere gleichwertige Epoxydharze sind dem ffachmarnn bekannt und können ebenso gut verwendet werden. Diese Harze sind mittels geeigneter Katalysatoren und Vernetzungsmittel, wie z* B, Aminen, Anhydrinen und dergleichen, härtbar.

Andere geeignete wärmehärtbare Harze sind Polyesterharze, insbesondere Alkydharze, die Reaktionsprodukte von Copolymerisaten, von Polyalkoholen und zweibasisehen Säuren umfassen. Typische Vertreter der vielen Polyesterharze sind Copolymerisate von Phtalsäureanhydrid und einem Polyalkohol (wie z. B. Ithylenglykol, Diäthylenglykol oder Glyzerin), ferner solche aus Maleinsäureanhydrid und einem Polyalkohol aus Sebacinsäure und einem Polyalkohol sowie aus Diäthylenglykol und Bisalylkarbonat. Vorzugsweise werden diese und gleichwertige Polyesterharze teilweise polymerisiert, bevor sie in das Kunststoffpräparat eingebracht werden. Sie können in der bekannten Weise durch

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Hinzumischen von Modifizierungsmitteln, ζ. Β* epoxydierten Ölen und ungesättigten fettsäuren, modifiziert werden. Palis erwünscht, können dem Kunststoff präparat auch geeignete bekannte Polyester-Polymerisations-Kätalysatoren zugesetzt werden.

Andere wärmehärtbare in dem Präparat verwendbare Polymerisate sind z» B. Acryl verbindungen und Phenolf ormaldehydharze, die Furfuralformaldehydharze und die Resorcinformaldehydharze. Das wärmehärtbare Material muß nicht in jedem Pail ein Stoff sein, der gemeinhin und ziemlieh ungenau als "resin" (Harz) bezeichnet wird. Als wärmehärtbares Material können z. B. auch Substanzen wie Phtalsäureanhydrid und Diallylphtalat in dem Kunststoffpräparat verwendet werden. ■ ..

Es ist für den Fachmann klar, daß die Festigkeit der Außenwandung in hohem Maße von dem Verhältnis zwischen Verstärkungsmaterial und Harz abhängt. In einem typischen Pail, bei dem Glasfasern mit einer Zugfestigkeit von mehr als 14 000 kp/cm (200 000 psi) zur Verstärkung von gehärtetem Epoxydharz verwendet werden, das eine Zugfestigkeit von nur 700 kp/cm (10 000 psi) besitzt, ist es klar, daß der Epoxydharzgehalt des ausgehärteten Erzeugnisses, wie z. B. der Außenwandung des erfindungsgemäßen Druckgefäßes, so klein wie möglich sein sollte. Andererseits muß aber so viel Harz vorhanden sein, daß die Glasfasern vollständig benetzt bzw. umhüllt werden. In einem solchen Pail würde ein Harzgehalt von ungefähr 30 i> angemessen sein.

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Im Gegensatz zu einem D:nickgefäß aus harzimprägniertem gewickeltem IPasermateriar mit einer gewELlten metallischen Innenwandung, bei dem die Wellungen mit Bindemittelharz angefüllt s-ind, wird bei der Erfindung zum Ausfüllen der Wellungen eine Substanz 31 verwendet, die federnd (elastisch verformbar) und praktisch nicht zusammendrückbar ist. Ein derartiges !Füllmittel erleidet - zwar Formänderungen, wenn das Gefäß einem Innendruck ausgesetzt wird, füllt jedoch die von den Wellungen, zwischen der Innenwand und der Außenwand gebildeten Hohlräume immer aus.

Als !füllmittel ist z. B. ein Harz geeignet, das zum plastischen Zustand' ausgehärtet ist und Durömeterwerte von 40 bis 60 liefert. Ein solches !füllmittel hat folgende Zusammensetzung:

Epon 828 (flüssiges Epoxydharz) 40 Teile

Epon Z71 (plastifiziertes Epoxydharz) 60 Teile

DIA (Diäthylentriamin) 7 Teile

Cabosil (kolloidales Si0₂«Thixotropiemittel) 5 Teile

Dieses Harz hat wegen des großen Anteils von plastifiziertem

^w Epoxydharz nur eine geringe Klebewirkung. Somit kann sich die Innenwandung 13 relativ zu der Außenwandung 15 bewegen.

Die Harz-Füllsubstanz 31 wird in fließfähigem Zustand auf die metallische Innenwandung aufgetragen und füllt die Vfellungen vollständig aus. Danach werden die Innenwandung 13 und das Harz eine Stunde lang auf 66° C (150° E) erwärmt* um das Harz zum plastischen Zustand auszuhärten» Ein derartiges Harz-Füllmittel ·

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zeigt Durometerwerte zwischen 4ö und 60 und ist federnd und praktisch nicht zusammendrücklDar, jedoch verformbar, so daß es die Wellungen selbst dann vollständig ausfüllt, wenn das Druckgefäß unter Innendruck und Spannung steht. Ein solches Harz-Füllmittel widersteht auch dem Bestreben der Wellungen der Innenwandung, sich abzuflachen, während die Innenwandung sich streckt und die am Umfang gemessene Entfernung zwischen benachbarten Wellenkämmen vergrößert wird.

Als federndes !fällmittel können auch andere Stoffe, ζ. B. Butadienverbindungen und synthetische Grummisorten, Verwendung finden, die für den betreffenden Anwendungsfall geeignete Temp eratuB-Widerstands eigenschaften auf we is en.

Dem Stand der Technik ist zu entnehmen, daß ein Druckgefäß mit einer mit Wellungen versehenen Innenwandung und einer faserverstärkten Harz-Außenwandung, das während des Aushärtens des Harzes unter Innendruck gesetzt wird, sich in radialer Richtung derart ausdehnt, daß einerseits das Harz und das Fasermaterial verdichtet bzw. zusammengedrückt und andererseits das Fasermaterial in der Außenwandung vorgespannt wird. Diese dem Stand der Technik zu entnehmende technische Anweisung ist der erfindungsgemäßen Lehre diametral entgegengesetzt; denn erfindungsgemäß wird das Fasermaterial der Außenwandung nicht vorgespannt. Die Tatsache, daß nur ein Minimum von Vorspannung auftritt, ist besonders vorteilhaft Im Hinblick auf die bekannte Eigäschaft der Harz©, die als

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/Eriechen bzw. Entspannimg bzw. Kaltfließen ( creep or relaxation • or eoldflow ) bekannt ist.

Wenn Kunststoff bis zu einem Wert vorgespannt wird, wie es z. B, bei dem hier erwähnten vorgespannten Zustand der Sail ist, und wenn die sich dabei ergebende Formänderung eine bestimmte Zeitlang aufrecht erhalten- wird, dann tritt ein Phänomen ein, das als Kaltfließen oder Kriechen bezeichnet wird,und mit der Zeit verringert sich die Vorspannung all-P mählich und kann sogar ganz verschwinden. Wenn die Torspannung verschwindet^ dann ist die.Festigkeit eines vorgespannten Gefäßes beträchtlich geschwächt bzw. verschlechtert.

Die erfindungsgemäß ausgebildeten Gefäße werden im allgemeinen nicht vorgespannt. Deshalb widersteht ein derartiges Gefäß den Belastungen und Spannungen, die im Betrieb auftreten, in einem wesentlich größeren Ausmaß als ein in bekannter Weise vorgespanntes Gefäß, an dem das Phänomen des Kaltfließens zu beobachten ist.

Bei der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform sind die Wellungen 25 in der in Fig. 3 gezeigten Art und Weise angeordnet; d.h. die Achsen der Wellungen verlaufen parallel zur Längsachse des Druckgefäßes 11. Wenn nun das Gefäß 11 unter Innendruck gesetzt wird und die glasfaserverstärkte Außenwandung 15 sich in Umfangsrichtung ausdehnt (unter der Annahme eines schraubenförmigen Wicklungswinkels, der etwas kleiner ist als 54° 45')*

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— ίο —

dann dehnt sieh die metallene Innenwandung 15 ebenfalls in Umfangsrichtung aus und die Wellungen 25 versuchen sich abzuflachen, Das federnde plastifiziert^ Epoxyd-Füllmlttel 31, das praktisch nicht zusanmenäruckbar ist, wird dadurch deformiert, füllt jedoch immer die Zwischenräume aus, die Ton den Wellungen zwischen der Inenwandung und der Außenwandung gebildet werden.

Ein gemäß der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ausgebildetes Druckgefäß 11 ist durch eine ein geringes Gewicht besitzende, hochfeste, faserverstärkte Außenwandung gekennzeichnet, die schraubenföumig auf eine in definierter Weise mit Wellungen versehene, dünne, undurchlässige metallische Innenwand und eine plastifizierte Epoxydsubstanz, welche in den Zwischenräumen zwischen der Innenwandung und der Außenwandung angeordnet ist und diese vollständig ausfüllt, aufgewickelt ist. Die physikalischen Eigenschaften des Materials der einen Wandung ergänasnsomit diejenigen des Materials der analeren Wandung und beide Materialien bilden zusammen ein Druckgefäß, das die erwünschte festigkeit, das ervninsehte Gewicht und die erwünschten Eigenschaften zur Aufnahme von strömungsfähigen Medien "besitzt.

Wenn« ein derartiges Gefäß infolge Innendrucks unter Spannung steht, dehnt sich, die faserverstärkte Außenwandung aus, wobei die Richtung der Ausdehnung von dem Wicklungswinkel der schraubenförmig aufgewickelten Pasern bzw. Fäden abhängt. Nimmt man an,

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daß der schraubenförmige Wicklungswinkel 57° 4-5' "beträgt, dann dehirfc sich die Außenwandung 15 vollständig in Längsrichtung aus. In diesem Fall sollte das in Fig. 4- gezeigte Wellenmuster mit den Wellungen 25b verwendet werden, so daß sich die metallische Innenwandung 13~ infolge der Abflachung der Wellungen 25b in der Längsrichtung ausdehnt. Das Füllmaterial 31 wird natürlich deformiert, weil die Wellungen 25b sich abzuflachen bestrebt sind, und setzt dem Zusammenfallen der Wellungen Widerstand entgegen. Spannungen der metallischen Innenwandung 13 werden durch das ' P Füllmaterial 31 auf die Fasern bzw. Fäden der Außenwandung 15 übertragen und die zusammengesetzte Wandung (Fig. 2a, 2b) wirkt bei der Aufnahme der Innendruckkräfte 26 als Einheit. Demgegenüber wirkt ein Harzmaterial, das sowohl die Wellungen ausfüllt als auch die Faserverstärkungen verbindet, nicht in der gleichen Weise, weil die Eigenschaften eines Bindeharzes nicht für ein Füllharz geeignet sind.

Es gehört somit zu den Merkmalen der .Erfindung, daß die Innenk wandung und die Außenwandung jede für sich bis zu der jeweiligen

elastischen Grenze gespannt bzw. belastet werden können, wenn die .neue, erfindungsgemäß zusammengesetzte Wandung in einem hohlen Druckgefäß Verwendung findet. In einem solchen Gefäß nehmen die Innenwandung und die Außenwandung im wesentlichen gleiche Beträge der Innendruckbelastung auf, so daß ein derartiges Gefäß eine höhere Bruchfestigkeit aufweist als die in bekannter Weise ausgebildeten Behälter.

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Fig. 2a zeigt einen typischen Schnitt durch die.Wandung eines nicht "unter Druck stehenden Gefäßes 11. Fig. 2b zeigt denselben Schnitt durch die Wandung des Gefäßes 11, wobei dieses jedoch unter Druck steht und gespannt ist. Wenn das Gefäß unter Druck steht,.sind die Wellungen 25 etwas flacher als im drucklosen Zustand. Die Wellungen 25 zeigen jedoch sowohl im drucklosen als auch im Druckzustand eine merkliche Tiefe und sind in der Innenwandung 13 immer vorhanden. Die metallische Innenwandung 13 nimmt niemals eine Gestalt an,.in der die Wandungen bzw. Oberflächen glatt werden und die Wellungen verschwinden. Dieses Merkmal steht im Gegensatz zum Stand der Technik.

/-in
Wie'£*« Fig. 2a und 2b dargestellt, ist die Außenwandung 15 auf die Innenwandung 13 derart aufgewickelt, daß die am weitesten innen liegende Wicklungslage 27 nur die Kämme bzw. Scheitel 29 der Viellungen 25 .berührt, wodurch in den Wellentälern zwischen der Innenwandung 13 und der Außenwandung 15 Zwischenräume bzw. Hohlräume gebildet werden. Das Füllmittel 31 füllt diese Zwischen- bzw. Hohlräume vollständig aus. In praxi wird das Füllmittel 31, nachdem die Wellungen 25 in der Innenwandung 13 gebildet worden sind, auf die Innenwandung derart aufgetragen, daß es die Wellungen ausfüllt, dann wird das Füllmittel, wie vorstehend beschrieben, ausgehärtet, und anschließend werden die harzüberzogenen Fasern bzw. Fäden, die die Außenwandung bilden, sowohl über das Füllmittel als auch über die Kämme bzw. Scheitel der Innenwandung 13 aufgewickelt. Dabei sind

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zwischen der Imenwandung 13 "und der Außenwandung 15 keine • Hohl- oder Zwischenräume vorhanden.

Obwohl Torstehend eine Ausführungsform der Erfindung "beschrieben worden ist, bei der die Wellungen in einem Muster angeordnet sind, das mit einem schraubenförmigen Wicklungswinkel verträglich ist bzw. auf einen derartigen Winkel abgestimmt ist und bei der die Dehnung bzw. Elongation der Glasfaserverstärkungseinlagen in einer einzigen Richtung stattfindet, so stellt diese Aus- £ führungsform lediglich ein Anwendungsbeispiel der Erfindung dar, auf das diese nicht beschränkt ist. Im allgemeinen dehnt sich ein aus Fasermaterial gewickeltes Druckgefäß sowohl in Umfangsrichtung als auch in Längsrichtung aus. Aus diesem Grunde kann es daher wünschenswerter sein, die Wellungen so anzuordnen, wie es in den Pig«, 6 oder 7 dargestellt ist.

Die Erfindung ist somit keineswegs auf das dargestellte Ausführungsbeispiel beschränkt; vielmehr sind im Rahmen des Erfindungsgedankens verschiedene Änderungen und₌ Ausführungsbeispiele möglich.

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Claims

py/Lu/gk Case 64:543 C

1967 "^ Koppers Company, Inc.

Pittsburgh, Pa. / USA

Patentansprüche

1. Behälter zur Aufnahme von unter Druck stehenden strö'mungs-■ fähigen Medien mit mindestens einer ^intrittsöffnung für die Medien, ferner mit einer mindestens teilweise aus härtbarem Harz bestehenden, vorzugsweise verstärkten Außenwandung und mit einer mindestens teilweise aus Metall bestehenden bzw. mindestens teilweise mit Metall verkleideten Innenwandung» dadurch gekennzeichnet, daß das Metall der Innenwandung (13) mindestens teilweise mit Teilungen (25, 25a bis 25e) versehen ist, daß die Außenwandung (15) an den Wellenkämmen der Innenwandung anliegt, und daß die zwischen den an der Außenseite der innenwandung gelegenen Wellungen und der Innenseite der Außenwandung gebildeten Räume mit einem nicht-zusammendrückbar en., federnden !Füllmittel (31) gefüllt sind.

2. Behälter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, diaß die Wellungen (25, 25a bis 25e) deutlich ausgeprägt sind, eine bestimmte liefe besi-fczen und auch an dem unter Innendruck: stehenden Behälter (It) vorhanden sind.

3. Behälter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenwandung (15) zur Verstärkung in an sich bekannter Weise mit einem Harz überzogenea?s bzw* durehtränktes faserartiges Material enthält, das in Form von einzelnen Schichten

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lagen, welche miteinander zu einem praktisch einstückigen Gebilde verbunden bzw. verklebt sind, um die Innenwandung (13) herumgewickelt ist.

Behälter nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß die Außenwandung (15) glatt isto

5ο Behälter nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Verstärkungsmaterial aus Glasfasern, aus Metall P- oder aus organischen Stoffen besteht.

6. Behälter nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das faserartige Verstärkungsmaterial der Außenwandung (15) derart zu den Achsen der Wellungen (25} 25a bis 25e)der Innenwandung (13) angeordnet ist, daß die Innen- und die Außenwandung des unter Innendruck stehenden Behälters (11) bestrebt sind, sich in derselben Richtung zu dehnen.

7. Behälter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das faserartige Verstärkungsmaterial der Außenwandung (15) derart schraubenförmig auf die Innenwandung (13) aufgewickelt ist, daß, wenn die Außenwandung bei unter Innendruck stehendem Behälter (11) bestrebt ist, sich gleichzeitig in mehr als einer Richtung auszudehnen, auch der

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gewellte Teil der Innenwandung bzw. die gewellte Innenwandung sich in denselben Richtungen auszudehnen sucht.

8. Behälter nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, daß der Wicklungswinkel des faserartigen Verstärkungsinsterials der Außenwandung (15) kleiner als 54° 45'«ώ»* ist, und daß die -^chsen der Wellungen(25, 25a) parallel zueinander und zur Längsrichtung des Gefäßes (11) angeordnet sind.

9. Behälter nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß

der Wicklungswinkel des faserartigen Verstärkungsmaterials der Außenwandung (15) größer als 54° 45'3»&»* ist, und daß die Achsen der Wellungen (25, 25b) parallel zueinander und senkrecht zur Längsachse des Behälters (11) angeordnet sind.

10. Behälter nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenwandung (13) mindestens zwei sich schneidende Systeme von Wellungen (25, 25d) aufweist, und daß die Aohsen der Wellungen eines jeden Systems jeweils parallel zueinander und im wesentlichen senkrecht zu derjenigen Richtung angeordnet sind, in der sich das auf die Innenwandung aufgewickelte faserartige Verstärkungsmaterial auszudehnen sucht _f wenn der Behälter (11) von innen her unter Spannung steht«

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11. Behälter nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Füllmittel (31) die zwischen den

. an der Außenseite der Innenwandung (13) liegenden Wellungen (25» 25a bis 25e) und der Innenseite der Außenwandung (15) gebildeten Räume fortwährend und vollständig ausfüllt, so daß die Außenfläche der Innenwandung glatt ist.

12. Behälter nach"Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, da.ß das Füllmittel (31) sich eventuellen Formänderungen der

fc Wellungen (25, 25a bis 25e), wenn der Behälter (11> unter Innendruck steht, anpaßt, jedoch im Zusammenwirken mit der Außenwandung (15) ein vollständiges Abflachen der Wellungen verhindert.

13. Behälter"nach einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Füllmittel (31) eine nicht zusammendrückbare bzw. nicht wesentlich zusammendrückbare, federnde, plastifizierte Harzsxibstanz mit möglichst geringer IQebwlrkung ist.

14. Behälter nach Anspruch 13» dadurch gekennzeichnet,* daß die Harzsubstanz Durometer-Werte von 40 bis 60 aufweist.

15« Behälter nach einem der Ansprüche 13 oder 14» dadurch gekennzeichnet, daß als Harzsubstanz eine Mischung von

40 Teilen flüssigem Epoxydharz

60 Teilen plastifiziertem Epoxydharz

7 Teilen Diäthylentriamin

5 Teilen eines kolloidalen Siliziumdioxyd-Thixotropiemittels

besteht.

009835/0599

16ο Verfahren zur Herstellung eines Behälters nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß das 'Metall der Innenwandung (13) mit Wellungen (25, 25a "bis 25e) versehen wird, daß darauf die an der Außenseite der Innenwandung gelegenen Teilungen mit einem federnden, nicht ' zusammendrückbaren plastifizierten Epoxydharz gefüllt werden, und daß anschließend zur Herstellung der Außenwahdung (15) mit Harz überzogenes bzw. getränktes Fasermaterial auf die mit dem Epoxydharz versehene Innenwandung schraubenförmig aufgewickelt wird.

17. Abänderung des Verfahrens nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die an der Außenseite der Innenwandung (13) gelegenen Wellungen (25, 25a bis 25e) mit einem Epoxydharz gefüllt werden, und daß dieses Harz unmittelbar anschließend zu einem Zustand ausgehärtet wird, in dem es federnd und im wesentlichen nicht zusammendrückbar ist.

Der Patentanwalt

f i /

Q0933 5/0599

StH .

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