DE1650214A1 - Dickwandiger Druckkessel und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents

Description

atentanwälte Dipl.-Ing. F. Weickmann, Dr. Ing. A. Wkιc'kmanν

Dipl.-Ing. H. Weickmann, Dipl.-Phys. Dr. K. Fincke Dipl.-Ing. F. A.Weιckmann, Dipl.-Chem. B. Huber

8 MÜNCHEN 27, DEN ' ®'P U 4 | V

MÖHLSTRASSE 22, RUFNUMMER 48 3921/22

LOBM

Struthers Scientific and International Corporation, International Building, 630 Pifth Avenue, Hew Xork,

Η.Ϊ., 10020, V.St.A.

Dickwandiger Druckkessel und Verfahren, zu seiner Herstellung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf dickwandige Druckkessel, welche mit hohen Drücken belastbar sind, und ein Verfahren zu deren Herstellung.

Es ist bekannt, daß bei einem normalerweise unverspannten dickwandigen Zylinder, welcher einem hohen Außenoder Innendruck ausgesetzt wird, die ümfangsspannung an der Innenseite der Wand um den Betrag des aufgebrachten Druckes größer als die an der Außenseite ist. Bei dr Herstellung von derartigen Zylindern, welche

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mit einem hohen Druck belastet werden sollen.,= der einen ■beträchtlichen Teil der zulässigen Spannung ausmachtest es daher gebräuchlicn, die Wand einer Vorspannung zu unterwerfen, welche die Spannungsdifferenz zwischen Außenseite und Innenseite mehr oder weniger ausgleicht. Durch diese Maßnahme ist eine höhere mittlere Spannung möglich. Die Erzeugung der Vorspannung kann auf mehrere Arten erfolgen. Es können beispielsweise ein oder mehrere Zylinder zusammengeschrumpft werden, v/'eiterhin kann der Zylinder mit Draht oder Band unter Spannung umwunden werden. Es ist auch möglich, dem Zylinder einen Druck aufzuprägen, so daß ein Teil der Wand über die Fließgrenze hinaus vorgespannt wird. Schließlich kann auch ein kontrolliertes Abschrecken von der Yerformungstemperatur des Metalls vorgenommen werden.

Die vorgenannten Möglichkeiten sind zwar "bei mit Innendrucken belasteten Kesseln anwendbar; sie führen jedoch noch zu keinem zufriedenstellenden Ergebnis. Bei mit Außendrücken belasteten Kesseln sind die ersten beiden Möglichkeiten nicht anwendbar, während die letztgenannten oft unpraktisch sind.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei dickwandigen Druckkesseln, mit hohen Drücken, die vorgenannten lachteile zu vermelden.

_ 3 —

!: ' 00 98 3 4/0644

Ein dickwandiger Druckkessel, welcher mit hohen Drücken "belastbar ist, ist zur lösung dieser Aufgabe gemäß der üirfindung durch eine gekrümmte VJand aus einstückigem Haterial, weiche durch Biegung vorgespannt ist, gekennzeichnet, um ümfangsspannungsdifferentiale über der Wanddicke zu erzeugen, so daß durch die resultierende Spannung aus Biegevorspannung und durch die durch Druck hervorgerufene Spannung ihre Druckfestigkeit erhöht wird.

Im lalle von Kesseln, welche mit Außendruck belastet sind, sind bestimmt angeordnete innere Schnitte vorgesehen, wobei gegenüberliegende'Flächen zwischen axialen Rektoren, durch den Außendruck zusammengefügt werden, um die gewünschte Vorspannung zu erzeugen, boll der Kessel einem Innendruck standhalten, so wird er durch Biegung zur Lrhöhung seiner Krümmung an der Innenseite auf Druck undan der Außenseite auf Zug vorgespannt. Soll der Kessel einen Atffendruck aushalten, so wird er durch Biegung zur Abnahme seiner 'Jandkrümmung an der Innenseite auf Zug ( und an der Außenseite auf Druck vorgespannt. Der ^rfindung liegt dabei die Erkenntnis zugrunde, daß die Spannungsverteilung über einer Rohrwand durch die I'lieorie eines gekrümmten Balkens, welcher Biegemomenten unterworfen ist, an die Drucktheorie dickwandiger Zylinder sehr gut angenähert ist.

Mir einen auf Innendruck- belasteten s;,^rlindrisehen Druck-

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— L. —

kessel, bei dem eine axiale ..schweißnaht, abgesehen von der kritischen Schweißtechnik die Torteile der Biegevorspannung aufheben könnte, führt eine sprialförmige Schweißnaht zu einem geringen Verlust an·Vorspannung, wenn die Verschweißung so durchgeführt wird, daß das Material einem - vorberechneten und kontrollierten Drehmoment unterworfen ist.

φ Bei Außendruck, bei dem die Vorspannung an der Innenwand eine Umfangszugspannung und an der Außenwand eine Umfangsdruckspannung ist, wäre eine Umwicklung offensichtlich unpraktisch. Konzentrische Zylinder, welche anfänglich einen Zwischenraum besitzen, sind sehr knickanfällig. Bei der Biegung eines Zylinders sind Jedoch alle Spannungen Druckspannungen. Es kann gezeigt werden, daß bei richtiger Berechnung der Ebenen der sich gegenüberliegenden !lachen die Vorspannungen gleichzeitig mit dem

_ Druck eingeprägt -werden können * In der ^riat ergibt sich dabei für einen aus zwei halbzylindrischen Hälften zusammengesetzten Zylinder, bei dem die Hälften nur gering aneinander befestigt sind, das paradoxe Ergebnis, daß ein derartiger liessei höher belastet werden kann, als ein einstückiger zylindrischer Kessel der gleichen Abmessungen.

lieriancle und Einzelheiten der Erfindung ergeben sica aus der nachfolgenden Beschreibung von Aus-

ORIGINAL

führungsbeispielen anhand der Figuren.

lig. 1, 2 und. 3 zeigen einen dickwandigen Druckkessel mit gegebenem Innen- und.Außenradius, wobei die axialen Spannungen als i'unlction der Zylinderwanddicke aufgetragen sind.

i'ig. 4, 5, 6, 7, 8 und 9 zeigen Querschnitte durch einen

dickwandigen Zylinder und die aufeinanderfolgenden |

Schritte der Vorspannungserzeugung durch Biegung, damit dir Zylinder einem Innendruck standhalten, kann.

Mg.IO und 11 zeigen eine Endansicht bzw. eine Seitenansicht eines' Zylinders mit einem spiralförmigen Schnitt, bevor dieser Zylinder vorgespannt wird, damit er einem Innendruck standhalten.kann.

Fig. 12 und 13 zeigen eine iündansicht bzw. eine Seitenansicht des Zylinders nach den Pig. 10 und 11, nach dem der spiralförmige Schnitt durch Biegung geschlossen ist, um dem Zylinder eine Vorspannung aufzuprägen.

j/'ig. 14j 15, 17 und 20 zeigen ükidansichten von zwei Sektoren eines Zylinders, welche gegenüberliegende !'lachen besitzen, so daß der Zylinder durch Biegung vorgespannt wird, "wenn er einem Außendruck

'0 09834/054* _BAD OR₁GINAt.

ausgesetzt wird. "Weiterhin ist aus diesen !Figuren der Effekt eines fortschreitend zunehmenden Außen- drucks auf den Zylinder ersichtlich.

Pig.16, 18 und 19 zeigen Spannungen und Druckkräfte, welche auf eine Hälfte der Sektoren nach den lig. 15, 17 und 20 wirken.

um die gewünschte Formung eines dickwandigen Zylinders au erreichen, welcher einem Außen- oder Innendruck ausgesetzt ist, muß eine Auswahl hinsichtlich der verschiedenen Theorien von Rohrfehlern, wie maximale Spannung, Formänderungsarbeit, maximale Scherung, unsw., getroffen werden. Im Falle eines geschlossenen rohrförmigen Kessels, welcher lediglich unter Außendruck steht, sind keine Zugspannungen vorhanden. Die Fehler müssen an der Innenfläche auftreten, da dies die einzige freie Fläche ist. Da die vorkommenden Spannungen sowohl in Achs- als auch in Fmfangsrichtung Druckspannungen sind und Fehler durch direkte Kompression nicht zu erwarten sind, müssen die Fehler durch Scherung auftreten. Die besten Bedingungen sind dann gegeben, wenn die Scherspannungen in allen Richtungen oder der Axial- und ümfangsdruck an der Innenfläche gleich ist. Daraus ergibt sich eine resultierende Seherspannung, welche gleich der halben Druckspannung ist und unter 45° zu jedem Radius liegt.

. . ■ - 7 -00983A/0SA4
} * ~ - " iAD ORIGINAL

16502U

Die l^pormeln für Spannungen in einem dickwandigen Zylinder sind:

Innendruck

Außendruck

^ro -^ri

r ² r ²

r.

Darin "bedeuten:

s„ = die Umfangsfepannung s = die Hadialspannung s_ = die Axialspannung für den lall eines Kessels mit

cV ' _■

geschlossenen Enden ρ = der Druck r = der Iladius.

Die Indizes i und ο geben die Innenseite "bzw. die Außenseite an. In fen Formeln sind Druck und Druckspannung positiv und die Zugspannung nega'tiv angenommen.

Weiterhin gilt:

00983U/Ö5U

/v · ■ ·

BAD ORIG(MAL

Innendruck Außendruclc

s_a = -V₁ . = ⁵O-J-

ro -ri r^ -3

2 2
r +r.

^ro ^ri

r.^2
Jco~ ~ Pi—π Tr ~ Po-

³R₀"⁵ P

s_p = O " - = SR₁ = O

I'ür Biegespannungen eines gekrümmten iJalkens wird die naherung nicht von "/inkier, sondern die genauere Pormel von Guest verwendet, (siehe= Case J. "Strength of Haterials", Longmans, C-reen, and Co., 1925j S.. 285 ff, für die Pormel von ',vinkler=, und S. 308 für die Formel von Guest).

s_R = 21)

geringe ilodixikation der iomel von Guest ergibt:

r ² r r_o ²7n Z₀-T-²InT₁- (ro²-^² )7nr-·^² -j- In —

2 2
^ro -*i

0 0 9 8 3 U I 0 5 U h BAD ORIGINAL

s_p = 2D

?_± ²Ίώ- r_o-r_i ²7nr_i-(r_o ²-r_i ²)(1+7nf)+ 7n ~-

^r 2 ^ro/ 2 2 2r. 7n 'r. - r_n + r.

ο ., ₌ 2D . 1 η i- 2 i_

Darin bedeuten:

Β-,, = die Radialspannung bei Biegung s = die lfinfangsspannung bei Biegung D = eine willkürliche Konstante.

den !'all eines Außendruclcs auf einen Kessel mit geschlossenen Enden ergibt sich-, wenn die jj'ormMegespan

nung	gleich	V	ist:	oder	3Pl =	ro -ri
Sci -'	■ 3Pi =

Die obigen Formeln für Biegespannungen in einem gekrümmten Balken können für D gelöst werden,-wobei die Kompensierenden Spannungen, welche bei der Biegung erhalten werden, berechnet werden können. In Pig. 1 ist ein Querschnitt durch einen Zylinder mit einem Innenradius r^ und einem Außenradius r_Q dargestellt, wobei ^Λ» gleich 2 ist. Auf dem horizontalen Radius T des Zylinders

- 10 009834/0B4* 8ad o_R1S1NAL

- ίο- 16502U

ist eine graphische Darstellung mit einer horizontalen Achse 0, T, einer positiven vertikalen Achse 0, P und einer negativen vertikalen Achse 0, -P aufgetragen.

In Pigi 1 gibt die Kurve 20 die unkondensierte Umfangsspannung augedrückt in einem gegebenen Außendruck ρ wieder, welcher auf der Achse 0, P über der auf der Achse 0, ΐ aufgetragenen Zylinderwanddicke aufgetragen ist. Die Kurve 24 ist eine entsprechende Darstellung der Umfangsspannung, welche sich in der Zylinderwand durch Biegung zur Verminderung ihrer Efclmmung ergibt. Die Kurve 21 stellt die kombinierten ümfangsspannungen dar, welche sich im Zylinder bei Vorspannung durch Biegung und einem Au-ßendruck ρ ergeben. Die Kurve 21 zeigt," daß der innere Umfangsdruck in einem durch Biegung vorgespannten Zylinder "etwa gleich der Hälfte der inneren Umfangsspannung eines nicht vorgespannten Zylinders ist. Da die Außenspannung eines vorgespannten Zylinders etwa gleich. 2,5 P₀ ist, kann das Metall nicht fließen. lüs sei bemerkt, daß ein axiales Fließen durch die Axialspannung verhindert wird, welche durch die Kurve 26 gegeben ist. '

Die Kurve 23 gibt die durch Biegung erzeugte Badialvorspannung an, während die Kurve 22 die durch einen Außendruck p₀ erzeugte Radialspannung wiedergibt. Die Kurve

- 11 -

, 0098:34/0544

7 BAD ORIGINAL

- - η - 16502H

"gibt die kombinierten Radialspannungen in errem vorgespannten Zylinder an, welcher einem Außendruck ρ ausgesetzt ist. Es ist in diesem Zusammenhang interessant, darauf hinzuweisen,- daß die in, der vvinkler-Slieorie vernachlässigte, durch Biegung erzeugte Radialspannuiig "bei einem vorgespannten Zylinder im Bereich des V/ertes r. reduziert ist. Diese Reduzierung der Ra dia !spannung vermindert die Möglichkeiten-von. Scherfehlern durch radial nach innen gerichtetes Fließen. {f

Ist es erwünscht, eine konstante Druckspannung über der Rohrwand aufrecht zu erhalten, wie es durch die Kaximalspannungs-rehlertheorie gefordert wird, so ergibt sich diese Spannung zu:

= P₀

^ro"^ri

Diese SOrmeln können ebenfalls für D gelöst werden, v/oraus die spannungen berechnet werden können.

rig. 2 sei^t einen Sylinder und eine graphische-Dar-■ stellung entsprechend Pi.£ 1. Die Eurve 20 z.-eiü"^ wieder-

00983Λ/054Α _&Äp

GRIGfNAL

um die sich, auseinem Außendruek ρ ergebende Ümfangs- · spannung. Die Kurve 27 zeigt die Ümfangsspannung im Zylinder, welche sicli aus einer 13iegung ergibt, so daß die kombinierten Ümfangsspannungen in einem dem Außendruek ρ ausgesetzten Zylinder über seine Dicke etwa, konstant sind. Die Kurve 28 zeigt die kombinierten Um- fangsspannungen im Zylinder, welcher vorgespannt werden kann, um bei einem Außendrück p_Q etwa eine Eonstante Druckspannung Überseiner Wand zu erhalten*

Ist in einem zylindrischen Druckkessel ein innendruck vorhanden, so können _ F ekler durch Bruch auftreten. Mir maximale lestigkeit ist es wünschenswert, daß die Umfangsspannung über die Mvan&dieke konstant ist. In diesem i'alle gelten folgende Pörmeln:

fljci = "Pi = ^sei ^{+ s}pi

Si " ^i-

]?igi 3 zeigt einen Zylinder und eine- graphische Darstellung entsprechend Pig* Ii D.le Kurve 30 zeigt die durch einen Innendrück p^ erzeugte Eädialsparmung. Die Kurve 31 zel^t äie durch Biegung erzeugte Imdial-

— 13 — OÖÖ834/05M

IAD ORSGiMAL

spannung, während die Kurve 32 die kombinierten Radialspannungen wiedergibt. Die Kurve 33 zeigt die durch Biegung erzeugte Umfangsvorspannung. Die Kurve 34 gibt die durch einen Innendruck p. erzeugte Umfangsvorspannung wieder, während, die Kurve 35 die resultierenden· Umfangsspannungen zeigt, welche durch Biegung und durch den Innendruck p. hervorgerufen werden. Aus der Kurve 35 ist zu ersehen, daß die resultierende Umfangsspannung angenähert über der Dicke der Zylinderwand konstant ist.

Zur Analyse von longitudinalen Yerbindungspunkten eines unter hydrostatischem Außendruck stehenden Zylinders sei angenommen, daß der Zylinder unendliche Länge besitzt und nur durch Biegung vorgesapannt ist. Die Spannungsverteilung ist in jedem Kadialschnitt die gleiche, da das Biegemoment über einem derartigen Schnitt konstant und unabhängig vom zentralen Winkel ist. Der Außendruck ist konstant, gegen das Zentrum gerichtet, und unabhängig vom zentralen Vinkel. In radialen Ebenen ergibt sich&her keine Scherung. Bei vollem Druck ergibt sich daher lediglich "eine Zugspannung in radialen Ebenen.

Würde ein Diametralschnitt bei Aufrechterhaltung des Außendrucks durchgeführt, so ergäbe sich keine Änderung in der Porm oder der Spannungsverteilung, da eine derartige Änderung sieh infolge yon Spannung (Trennung der Schnittflächen), Scheren (Ofleiten einer Schnittfläche auf

009834/0544

BAD

der anderen) oder einer Formänderung der Schnittflächen ohne i'renhung ergeben müßte. Dies könnte lediglich durch isolierte Irregularitäten in der Spannungsverteilung hervorgerufen v/erden. Diese sind jedoch dem Spannungszustand und dein spannungslosen Zustand gleich überlagert,., so daß sie für diese Betrachtung vernachlässigt v/erden können. Bei fehlendem Außendruck trennen sich die beiden Hälften längs des Schnitts, v/obei die Vorspannung infolge der Biegung verschwinden, so daß die beiden Hälften spannungsfrei sind. Wurde die Vorspannung durch ein Biegenioment erzeugt, das die beiden Hälften bis zu einem Winkelmaß von ρ oder 180° zu öffnen sucht, so haben die Hälften in der spannungslosen Stellung ein wenig größeres .Winkelmaß von beispielsweise Tf+ E.

Da der "Winkel, unter dem" der Schnitt durchgeführt wird, in die Betrachtung nicht eingeht, so würde ein zweiter, unter einem Winkel zum ersten geführter Diametralschnitt keine weitere Wirkung haben, außer daß bei fehlendem. Druck vier läpannungslosen Sektoren vorhanden sind. Jedes benachbarte Paar besitzt dann ein gesamtes Winkelmaß von TT" + E. Im spannungslosen Zustand müssen benachbarte Paare weiterhin dicht aneinander sitzen, da jede Trennung einen Spannungszustand vor dem Schnittanzeigen würde, was der ursprünglichen Annahme zuwiederlaufen vrärde* Die unter Druck vorgenommenen ebenen Schnitte bleiben

- 15 -

0 0 9834/05 A4

^'■"^: '^ λ ■"'■: · BAD ORSGlNAL

τ is - 16502U

dalier aucli im druckfreien Zustand eben. -Diese Aussage gilt ebenfalls umgekehrt.

Im Vorstehenden wurden drei Verfahren zur Konstruktion von zylindrischen Druekkesseln, welche hohe Drucke aushalten, beschrieben. Dabei handelt es sich um zwei Verfahren für den 3?all eines Außendrucks und eines für den EaIl eines Innendrucks. Im folgenden werden nun Verfahren zur Herstellung und Aufprägen von Biegevorspannungen be-. schrieben.

Me Pig« 4-9 zeigen einen Zylinder 40 mit einem Verhältnis von Auc.endruchmesser zu Innendurchmesser von 4:5. Dieser Zylinder erfährt zur Einprägung der gewünschten Vorspannung eine Krümmungsänderung von 5 ;i. Diese große Krümmungsänderung ist jedoch lediglich zu Erläuterungszwecken gewählt. In der Praxis ist die Ejrümmungsänderung bei der Einprägung der Vorspannung ä

durch Biegung dureh das Verhältnis zwischen zulässiger Spannung un-dBlastizitätsmödul gegeben, wobei sich für Stahl ein Wert in der Größenordnung von 0,5 ρ ergibt.

^Tiie Mg. 4 zeigt, besitzt der Zylinder einen axialen Spalt 41. Pig. 5 zeigt, daß der Zylinder auf Lagern 42 ruht, und daß hydraulische Stoßvorriehtungen 43 auf beide Seiten des Spaltes 41 einen Druck ausüben$ um diesen

. . - - ..- 16 OÖ0S34/Ö5U W

_ 16- 1SB02U

zu schließen, und eine Biege vorspannung, im-. Zylinder 40 zu erzeugen. 1st der Spalt 41 geschlossen, so verbleibt •ein Schweißgraben 4.4» welcher an seinem unteren Ende durch einen ersten Schweißschritt 45 dicht verschlossen wird, wie I'ig. 6 zeigt. Gemäß den Fig. 7 und 8 ist an der Unterseite der Schweißnaht 45 eine Kühlschiene 46 angeordnet , während weitere Verschweißungen 47 und 48 vorgenom-⁼ men werden. Die Kühlschiaae 46 hält die Schweißnaht 45 kalt, während die nachfolgenden Verschweißungen 47 und 48 erstarren. Dabei gibt sich beim Kühlen von der Sr-. starrungstemperatür auf die Umgebungstemperatur eine Zugspannung in den Versehweißungen 47 .und 48, wodurch eine ausgleichende Druckspannung in der Schweißnaht. 45 erzeugt wird. i'ig. 9 zeigt den fertiggestellten Zylinder 40, wobei die iormungselemente 42 und 43 entfernt sind. Der Zylinder 40 Ist· nunmehr vorgespannt, "so daß er große Innendrüete aushalten kann, \ ·

Ss ist festzustellen, daß es wünschenswert ist, daß das Biegemoment während des Schweißens so gleichförmig wie möglich um den Umfang des Zylinders verteilt Ist* Irregularitäten gleichen .sich beim Entfernen der Biegeelemente weitgehend aus, wenn die Yerschweißung richtig durchgeführt ist. Dies ist jedoch, wie ausgeführt wurde, eine Schwierigkeit. Die"Schweißwärme und eine Anzahl von Schweiß Vorgängen, die Grabenform und die l/ärmekapazitäx der i&jhls-ehiene sind dabei wichtige Parameter.

BAD ORIGINAL

Die Fig. 10 und 11 zeigen.ein zjriindrisches Gehäuse 50, mit einem spiralförmigen Schlitz 51 in seiner Wand. Ein derartiges Gehäuse kann durch spiralförmige Verbindung eines Materialstreifens geeigneter Breite und Wärmebehandlung zum Ausgleich von Spannungen oder durch Einschneiden des Schlitzes in ein Rohr eingestellt werden.

Die I¹Xg. 12 und 13 zeigen das gleiche Gehäuse, nachdem es I

an seinen Enden im Sinne einer Rechtsdrehung verdrillt wurde, so daß der Schlitz geschlossen wird und die sich "berührenden !'lachen durch Schweißen verbunden werden können. Ss trifft zu, daß in dem durch Schweißen beeinflußten !Bereich die aufgeprägte Torspannung verloren geht; unter bestimmten Bedingungen kann man daher gezwungen s_vein, die Spannung in der Schweißnaht auf 80 ja der Spannung im Grundmaterial zu begrenzen. Man muß daher unter der Voraussetzung einer guten Schweißtechnik die Schweiß- i

zone auf eine,Breite begrenzen, die nicht mehr als doppelt so groß als die Metalldiclce ist. In den Figuren ist die Ganghöhe der Spirale 14 mal größer als die Metalldicke, so daß'sich für einen Streifen normal zur Spirale gegenüber der Metalldieke eine 12 mal größere Breite ergibt. Bei jedem Axialschnitt der Wand ergibt sich daher die reduzierte Wxederstandsfähigkeit gegen ümfangsspannungen lediglich auf einem Sechstel des Bereiches. Maximal er-

[ - 18 -

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gibt-sich, daher lediglich ein.,Sechstel Verlust .des Gewinns, der durch die Vorspannung hervorgerufen wird. Dieser Viert liegt immer noch über dem Gewinn, der sich bei Aufschrumpfen von zwei oder sogar drei Rohren ergibt. Bei Betrachtung der Spannung in der Schweißnaht ergibt sich bei den gegebenen Proportionen ein Steigungswinkel der Spirale von ,\ _n ~,29° und \. ~,37° auf der Innenseite. Mit diesen "Werten ergibt sich unter der Annahme der Ausbildung für einen Innendruck p. und für eine konstante ümfangsspannung s^ über der "./and in der vorgespannten Zone aus der oben angegebenen Formel:

^sk = "Pi—

Die Spannung normal zur 'Schweißnaht an der Innenfläche ergibt sich zu:

Dies führt unter Vervrendung der schon angegebenen 'formeIn

_n = -p

χ .8^ + ^ro ^+ri χ .

°oW V-? j

-19 -

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_ 16502U

Dieser ¥ert ist etwas kleiner als die Spännung sV. Die spiralförmige Schweißnäht verringert daher die Vorteile, die sich aus.derVorspannung ergeben, nur wenig. ' -■-■·■-.■ ■'..·.: . . ■ ·.-

■■ ■■ ■■■■;<■ ■ ■ ■ ■ ■■ : I

Die I^(>ig» 14 - 20 zeigen zwei-.Sektoren öder Hälften 61 und 62 eines zylindrischen Gehäuses 60,' die bei · 63 verbunden sind» Die Außenwand der Sektoren ist um 5 i'j meto als 180° gekrümmt, wie die Zeichnung zeigt.

Dies liegt in der Größenordnung Von 5 Ja für ein Stahlgehiuse 60. Pig* 14 zeigt das Gehäuse 60" ohne eine Einwirkung eines Außendrucks. S¹Ig* 15 zeigt die Wirkung eines ausreichend hohen Außendrucks, welcher zu einer Reduzierung des tiberschußwinkels E um die Hälfte des | ursprünglichen Wlnkel-s führt»

I¹Ig, 16 zeigt die auf eine Hälfte des oberen Sektors wirkenden,Spannungen und Kräfte. Die abwärts gerichtete Sfeponente des Drude bs |> wird durch eine aufwärts gerichtete P -P^r _o ausgeglichen. Diese Kraft P Ist mehr oder weniger auf die äußere Eeke 63 konzentriert. Die HorizontakompO.nente des Drucks plus dem Oberschußmoaent der

- .20 -

16502H

vertikalen Kraft H=Fr₀ wird durch "eine-'unsymmetrische Spannungsverteilung über dem vertikalen Querschnitt ausgeglichen. Diese -Spannungsverteilung liegt in einem ■^ereich von einer hohen Druckspannung an der Außenseite "bis zu einer geringen Zugspannung an der Innenseite. Gemäß i'ig. 17 hat der Außendruck so weit zugenommen, daß die sich gegenüberstehenden !'lachen vollständig aneinander liegen. Bei diesem Außendruck ist die Spannug am Innenradius um den Umfang ITuIl. Da an dieser Stelle die Spannung gleich Hull ist, ergibt sich auch keine Belastung, so daß der Innenumfang der gleiche wie im spannungsloseo. Zustand ist. Da jedoch das gesamte ¥inkelmaß um 5 '/> abgenommen hat, hat sieh der Innenradius um 5 .'/> vergrößert. Vernachlässigt man radiale Belastungen, welche gering sind, so hat sich die Wanddicke nicht geändert. Da sich der Außenradius um den gleichen Betrag vergrößert hat, ist er lediglich um 3/4 als etwa 1 -'größer geworden. Da die Abnahme im Winkelmaß insgesamt gleich ist, ergibt sich eine Verkürzung oder eine Druckbelastung des Außenumfanga um 1 1/4 '/&« Fig. 18 zeigt die Spannungs- und Druckverteilung.für diesen Zustand. Es kann gezeigt werden, daß die äußere Spannung gleich dem maximalen Herstellungsdruck ist und daß der Druck, der zur Urzeugung dieser Spannung erforderlich ist, gleich (r_o-v^)/2r_Q mal diesem Herstellungsdruck ist. B¹Ig. 20 zeigt den Zylinder 60 unter der wirkung des maximalen Herstel-

- 21 BAD ORIGINAL

■- 21

lungsdruckes,-welches eine gleichförmige maximale Spannung über der ¥and gemäß dem oben angegebenen Formeln erzeugt. Is ist festzuhalten, daß der Radius r. auf seinen Originalwert komprimiert ist, was zu einer Umfangsbelastung von 5 ^c/° führt. Der Radius r hat ebenfalls seinen Originalwert angenommen, so daß sich eine zusätzliche Belastung von 3 3/4 i<* ergibt, welche bei Addition zur schon vorhandenen Belastung gemäß Fig. 18 dazu führt,

daß die äußere Belastung gleich der inneren Belastung I

ist*. ·

Ersichtlich können longitudinale Sektoren eines Druckkessels, welche lediglich an ihren, äußeren Kontaktpunkten dicht verbunden sind, größere äUfere Drücke als ein voller zylindrischer Druckkessel der gleichen ¥andstärke aushalten. Die einander gegenüberliegenden Flächen der Sektoren eines derartigen Druckkessels können durch Biegen zusammengepreßt und dann verschweißt werden, um

den Kessel vorzuspannen, damit er größere Außendrücke "

aushält. In den meisten Anwendungsfällen, wie,-beispielsweise bei Torrichtungen für Eiefseeforschung, kann die Biegung und die Vorspannung durch äußere Drücke erzeugt werden, denen der Kessel standhalten soll.

Die erfindungsgemäßen Prinzipien können ebenfalls auf sphärische Druckkessel übertragen v/erden, indem Schnitte

- 22 -

009834/05 AV

BAD ORiGIMAi

in einer Dickwand-Kugel' vorgenommen v/erden, um diese • in Sektoren zu -feilen, deren Basen regulären Vielecken entsprechen. Die Schnitte werden durchgeführt, während die Kugel-einem Druck ausgesetzt ist. Bei Entfernen des Drucks können die Sektoren, welche konkave Kegel sind, nicht ohne Verformung genau dicht aneinander angepaßt werden.

^w Bs können jedoch bei gleichen Innen- undAußenradien volle unvorgespannte kugelförmige Enden auf einem zylindrischen Kessel verwendet werden, da die Spannungen in dem vorgespannten Ende unter den Spannungen in dem vorgespannten Zylinderteil liegen.

Die erfindungsgemäßen Maßnahmen können schließlich auch auf Kessel mit anderen !Formen., wie beispielsweise Kessel mit ovaler "wand, angewendet werden.

- Patentansprüche -

- 22 009834/0644

' BAD

Claims (18)

16502U PA 5D E Ii T-A ISP RÜ Ö HE ί .

1. Dickwandiger Drückkessel _f welcher mit hohen Drücken "belastbar ist, gekennzeichnet durch eine gekrümmte Wand aus einstückigem 'Material,, welche durch Biegung vorgespannt ist, um Umfangsspannungsdifferentiale über der

«
Wanddicke zu erzeugen, so daß durch die resultierende ■ Spannung aus Biegespannung und der durch den Eelastungsdruclc hervorgerufenen Spannung ihre Druckfestigkeit erhöht wird.

2. Druckkessel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ¥andzylindrisch ausgebildet ist.

3. Druckkessel nach Anspruch 1 zur Belastung durch einen Innendruck, dadurch gekennzeichnet, daß die Wand durch Biegung derart vorgespannt ist, daß ihre Krümmung redu- I ziert wird und sieh an ihrer Innenfläche eine Fmfangszugspannung und an ihrer Außenfläche eine Ifinfangsdruckspannung einstellt und daß durch die Vorspannung die Umfängsdruckspannung an der Innenfläche reduziert v/ird, wenn der Außendruck einwirkt.

4. Druckkessel nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß durch Biegung erzeugte IMfangsvorspannung kombiiiert mit

8ADO_RIQ|_NAL

16502H

der sich aus dem Aufendruck ergebenden Umfangsspannung gleichförmige Umfangsspannungen über der Wanddicke ergibt. .

5. Druckkessel nach. Anspruch. 1, dadurch, gekennzeichnet, daß die ¥and innere Axialschnitte aufweist, welche sie in axiale Sektoren (61,62) teilt, daß die sida gegenüberliegenden flächen derSektoren an ihren Außenkanten

fe (65) abgedieiltet sind und daß die Sektoren unter der

¥irkung eines Außendrucks elastisch auf Biegungbeansprucht sind, wodurch sie und damit die Wand vorgespannt sind. - -

6. Druckkessel nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß die Sektoren (61,62) in spannungslosem Zustand insgesamt Krümmungen von mehr als 560° besitzen und daß die Sektoren zum Aneinanderfügen der der sich gegenüberliegenden. Flächen durch Außendruek einer elastischen Biegung unterworfen sind* so daß sich insgesamt Krümmungen von 560° ergeben.

7. Druckkessel nach Anspruch 1 zur Belastung durch dnen Innendruck, dadurch gekennzeichnet, daß die ¥_and durch Biegung vorgespannt ist, um ihre Krümmung zu vergrößern, so daß sich an ihrer Außenfläche eine Umfangszugspannung und an ihrer Innenfläche eine Ümfagsdruäc spannung ergibt ,wodurch die Umfangsspannungen über der ¥and bei

Innendruck konstant sind*

/Öl44

iAD ORIGINAL

■■.;- 24 ^-

8. Druckkessel· nacli Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß er durch einen -^ängs schnitt (41) in der"Wand Vorgespannt ist, daß die Wand zur Schließung des Schnitts einer Biegung unterworfen ist und daß der geschlosseneSchnitt abgedichtet -ist. ' -..-."■

9. Druckkessel nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der geschlossene Schnitt (41) durch eine Schweißnaht (45,47,48) abgedichtet ist.

10. Druckkessel nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß er durch einen spiralförmigen Schnitt (51) in der . ^TJaü vorgespannt ist, daß die Wand ar Schließung des Schnittes einer Biegung unterworfen ist und daß der geschlossene spiralförmige Schnitt durch eine Schweißnaht abgedichtet ist.

11. Verfahren zur Herstellung eines vorgespannten dickwandigen Druckkessels mit einer gekrümmten Wand aus einstückigem Material, dadurch gekennzeichnet, daß die viand zur Änderung ihrer Krümmung einer Biegespannung unterworfen wird, so daß sie eine Vorspannung erhält und damit höhere Drücke aushalten kann.

12. Verfahren nach Anspruch 11 zur Herstellung eines Kessels, der mit Außendrücken belastet werden soll, dadurch gekennzeichnet, daß die Wand zur Abnahme ihrer Krümmung einer

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8ADORiGlNAU

Biegung unterworfen ist.

13. Verfahren nachAnspruch 12, wobei die Wand in axiale Sektoren geteilt ist, die an ihren Außenkanten abgedichtet sind,· wodurch einander gegenüberliegende freie ϊlachen zwischen diesen=Dichtungsstellen verbleiben, dadurch 'gekennzeichnet, daß die axialen Sektoren durch einen Außendruck elastisch gebogen und vorgespannt wer- ^ den, wodurch die sich gegenüberliegenden freien üTlächen aneinander gefügt werden.

14· Verfahren nach Anspruch 13 zur Herstellung eines JQruckkessels, der mit einem Innendruck belastet werden soll, dadurch gekennzeichnet, daß die Wand zur-Vergrößerung ihrer Krümmung auf Biegung belastet wird.

15. Verfahren nach Anspruch 14» dadurch gekennzeichnet,daß

in der ^T.iand ein Schnitt durchgeführt wird, daß der Schnitt ™ durch Biegung der Wand geschlossen wird und daß der geschlossene Schnitt durch Schweißen abgedichtet wird.

16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß

in der Wand ein Längsschnitt vorgenommen, wird. _;

17. Verfahren nachAiisprach 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Schnitt zunächst an der Innenfläche der ¥and verschweißt wirä, daß die Verschweißung an der Innenfläche

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der Viand gekühlt wird, während die Schweißung an der Außenfläche vollendet wird, so daß die Verschweißung an der AtfiBnf lache erstarren, sich abkühlen und sich damit zusammenziehen kann, wodurch zusätzliche JJmfarigszugspannungen an der Außenfläche und zusätzliche Umfangsdruckspannungen an der Innenfläche der "and entstehen.

18. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß in der ϊ/and ein spiralförmiger Schnitt vorgenommen wird.