DE1667168A1 - Mehrlagen-Druckbehaelter - Google Patents

Mehrlagen-Druckbehaelter

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DE1667168A1
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pressure vessel
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layer
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DE19671667168
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Toshikazu Shinkawa
Yoshimitsu Uto
Taizo Yamazaki
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Mitsubishi Heavy Industries Ltd
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Mitsubishi Heavy Industries Ltd
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Description

Dr.-lng. G. Eichenberq , _, _ .
a a 4 Dösseidorf, den 24.*. Februar.
Dipl.-lng. H. Sauerland cediienaiiee η
Patentanwälte
Bank-Konto: 1667168
Deutsche Bank AG., Filiale Düsseldorf
Postscheck-Konto: Essen 8734
Fernsprecher Nr. 432732
Verwenden Sie im Schriftverkehr auch unser Zeichen: //
Mitsubishi Jukogyo Kabushiki Kaisha, No. 10, Marunouehi 2-ohome, Ghiyoda-ku, Tokio, Japan
"Mehrlagen-Druekbehälter"
Die Erfindung bezieht sich auf einen Druckbehälter, insbesondere auf einen neuartigen Druckbehälter mit einer mehrlagigen Wandung, der gegen Haarrisse, Entkohlung, Versprödung und andere durch Wasserstoff verursachte Fehler bei Berührung mit Wasserstoff hohen Drucks und hoher Temperatur geschützt ist.
Druckbehälter, die für den Transport und die Lagerung von Wasserstoff hohen Drucks und hoher Temperatur vorgesehen sind, können gegen eine Wasserstoffversprödung geschützt werden, wenn der gesamte Behälter aus einer wasserstoff beständigen Legierung gefertigt ist, die unempfindlich gegen den Angriff von Wasserstoff bei hohen Temperaturen und hohem Druck ist. Derartige wasserstoffbeständige Legierungen sind jedoch teuer und erfordern einen beträchtlichen technischen Aufwand und eine spezielle Wärmebehandlung beim Herstellen und Schweißen, was zu einer Erhöhung
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Zum Schreiben vom ..2A.*l.nhr.*..lS6I an iJielxrl.ag.eii.-lirw.cJfclj.eMlt.e.r..1.! Blatt
der Herstellungskosten führt. Die Herstellungskosten derartiger Behälter können jedoch dadurch beträchtlich verringert werden, daß man sämtliche mit dem Wasserstoff in Berührung stehenden Flächen, beispielsweise die Innenwandung des Behälters, aus einem wasserstoffbeständigen Stahl herstellt. Weniger teure Stähle, beispielsweise Kohlenstoff-
^ stähle, können dann in mehreren Lagen die Innenwandung aus wasserstoffbeständigem Werkstoff umgeben. Das bleibt jedoch wirkungslos, weil bei einem von mehreren Lagen umgebenen Innenzylinder während des Betriebes Wasserstoff von der Oberfläche der freiliegenden und mit der Wasserstoffatmosphäre in Berührung stehenden Schweißnaht absorbiert wird und demzufolge in die die Behälterwandung bildenden Stahlbleche eindringt. Demnach besteht, wenn nicht sämtliche Lagen der Behälterwandung aus wasserstoffbeständigem Stahl bestehen, trots eines Innenzylinders aus wasserstoffbestän-
" digem Stahl die Gefahr einer Wasserstoffversprödung.
Die Erfindung basiert nun auf der Peststellung, daß die Gefahr einer Wasserstoffversprödung im wesentlichen vermieden werden kann, wenn wenigstens der mit dem Wasserstoff in Berührung stehende feil der Schweißnaht aus einem Stahl mit hohem Ohromgehalt oder einem wasserstoffbeständigen Stahl besteht. Auf diese Weise gelangt nur ein geringer Teil des von der mit dem Wasserstoff in Berührung stehenden Oberfläche der Schweißnaht absorbierten Wasserstoffs in die Lagen der Behälterwandung. Dabei wurde festgestellt, daß
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die Art und Dicke des betreffenden Sohweißwerkstoffs vom Partialdruok des Wasserstoffs und der Behältertemperatur abhängt» Des weiteren ergab sich, daß bei Verwendung eines Stahle mit einer gewissen Wasserstoffbeständigkeit mindestens für die der mit dem Wasserstoff in Berührung stehenden Wandung benachbarte lage zu einer weiteren Verringerung der G-efahr einer Wasserstoffversprödung führt.
Demzufolge ist die Erfindung darauf gerichtet, einen wasserstoffbeständigen Mehrlagen-Druckbehälter zu schaffen, der aus einem inneren und einem äußeren Zylinder mit mehreren Zwischenlagen besteht, die mit dem inneren und dem äußeren Zylinder durch eine ringförmige Schweißnaht verbunden sind. Diese Schweißnaht besteht mindestens auf der mit dem Wasserstoff in Berührung stehenden Seite aus einem Stahl mit hohem Ohromgehalto
Weiterhin ist die Erfindung auf einen Mehrlagen-Druckbehälter gerichtet, bei dem mehrere ineinanderliegende Zylinder mit einem Innenzylinder und einem Außenzylinder über eine Schweißnaht aus einem gegen Wasserstoffversprödung beständigen Werkstoff verschweißt sind, wobei sich Beobachtungs- oder Druckausgleichsbohrungen von der sich an den mit dem Wasserstoff in Berührung stehenden Innenzylinder anschließenden Lage radial zu dem Zylinder erstrecken, der die Zwischenlagen auf der anderen Seite umgibt. Dabei bestehen die Zwischenlagen aus Kohlenstoffstahl und vorzugs-
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weise einer oder mehreren auf der Wasserstoffseite liegenden Lagen aus wasserstoffbeständigem Stahl, der mindestens 0,1?ί Chrom und/oder Molybdän enthält.
Weiterhin soll duroh die Erfindung ein Druckbehälter einfacher und robuster Konstruktion geschaffen werden, der auf wirtschaftliche Weise gefertigt werden kann.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen des näheren erläutert. In der Zeichnung zeigen:
fig. 1 einen axialen Längsschnitt durch einen herkömmlichen Druckbehälter für Wasserstoff,
Pig. 2 einen vergrößerten Wandungsquerschnitt des Behälters nach Pigο 1,
Fig» 3 einen vergrößerten Wandungsquerschnitt eines Druckbehälters nach der Erfindung,
Pig. 4 einen der Pig. 3 ähnlichen Wandungsquersohnitt,
Pig. 5 einen der Pig, 3 ähnlichen Wandungsquerschnitt durch ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung,
Pig« 6 eine Nelson-Tafel zur Auswahl eines wasserstoffbeständigen Werkstoffes,
Pig« 7 ein Diagramm, aus dem sich die Temperaturverteilung über die Behälterwandung eines Mehrlagen-Druckbehälters ergibt,
Pig» β einen der Pig. 3 ähnlichen Wandungsquerschnitt eines
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anderen Druckbehälters nach, der Erfindung und
Pig. 9 einen der Pig. 3 ähnlichen Wandungsquerschnitt eines weiteren Druckbehälter nach, der Erfindung.
Der in den Pig. 1 und 2 dargestellte herkömmliche Druckbehälter besteht aus einem Innenzylinder 1 und einem Außenzylinder 5, zwischen denen mehrere Zylinder 2a mit von innen nach außen zunehmender Wandungsdicke liegen und Zwischenlagen 2 bilden. Die Zwischenlagen 2 besitzen eine bestimmte Länge Ii und sind mit dem Innen- und dem Außenzylinder über Schweißnähte 3 verbunden, die im Abstand voneinander liegend über die Gesamtlänge des Behälters verteilt sind. Bei einem Hehrlagen-Druekbehälter gemäß Pig. 1, 2 sind der Innenzylinder 1 und die Zwischenlagen 2 zu einem Stück miteinander verschweißt. Demzufolge wird, auch wenn der Innenzylinder 1 aus einem wasserstoffbeständigen Stahl besteht, im Betriebszustand Wasserstoff von der mit dem Wasserstoff in Berührung stehenden Oberfläche der Schweißnaht absorbiert und gelangt in die die Zwischenlagen 2 bildenden Stahlzylinder. Somit besteht die Gefahr einer Wasserstoffversprödung, wenn nicht auch die Zwisohenlagen 2 aus einem wasserstoffbestäüdigen Stahl bestehen.
Bei dem in Pig. 2 dargestellten Wandungequersohnitt erstreckt sich eine Beobaehtungs- oder Druckausgleiohsbohrung 4 durch den Außenzylinder 5 und durch sämtliche Zylinder der Zwisohenlagen 2 bis zum Innenzylinder 1.
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Pur den Pall, daß der Innenzylinder 1 beschädigt wird, gestattet die Beobachtungsbohrung 4 der Bedienung diese Beschädigung durch das Austreten eines Wasserstoffstrahls aus der Bohrung 4 festzustellen. Befindet sich Wasserstoff hohen Drucks und hoher Temperatur in dem Behälter, so wird ein Teil des Wasserstoffs an der Oberfläche des Innenzylinders absorbiert und diffundiert in den Werkstoff hinein. Der an der Oberfläche des Innenzylinders 1 absorbierte Was-
^ serstoff durchdringt die Wandung des Zylinders 1 in Richtung der in Figo 2 eingezeichneten Pfeile. Alsdann scheidet sich der Wasserstoff im Ringspalt zwischen dem Innenzylinder 1 und den Zwischenlagen 2 aus und gelangt über diesen zur Druokausgleichsbohrung 4, über die er die Behälterwandung verläßt. Da der Innendruck des Ringspaltes wegen der Druckausgleichsbohrung 4 den Atmosphärendruck nicht übersteigt, sind die die Zwischenlagen 2 bildenden Zylinder in einem gewissen Abstand von der Schweißnaht 3 gegen Wasserst offversprödung gesohützt. Der von der freien Oberfläche
W der Schweißnaht 3 absorbierte Wasserstoff diffundiert nur zum Teil durch die Schweißnaht 3 in die Atmosphäre, während ein Teil des in die Schweißnaht 3 diffundierenden Wasserstoffes gemäß den in Pig„ 2 eingezeichneten Pfeilen in die die Zwischenlagen 2 bildenden einzelnen Zylinder eindiffundiert. Demzufolge muß nicht nur für den Innenzylinder 1 sondern auch für die die Zwisohenlagen 2 bildenden Stahlzylinder ein wasserstoffbeständiger Stahl verwendet werden, um
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eine WasserBtoffversprödung im Bereich der Schweißnaht zu vermeiden. Dies führt jedoch zu einer unerwünschten Erhöhung der Herstellungskosten des Druckbehälter.
Erfindungsgemäß besteht nun der in Fig. 3 dargestellte Druckbehälter 20 aus einem Innenzylinder 11 aus einem Stahl mit 0,556 Molybdän. Zwischenlagen 12 aus mehreren Zylindern liegen zwischen dem Innenzylinder 11 und einem Außenzylinder 16 und sind mit den beiden Zylindern 11, 16 über eine ringförmige Schweißnaht 31 verbunden, die in ihrem dem Behälterinnern zugekehrten feil 13 aus einem Stahl mit 18Jt Chrom imd 8$ Nickel besteht. Eine Beobachtungsbohrung 15 erstreckt m*m vom Außenzylinder 16 nach innen dureh die Zwischenlagen 12 bis zum Innenzylinder 11.
Bei an einem erfindungsgemäßen Druckbehälter dur<ihiTAf'"lhrten Versuchen wurde festgestellt, daß die Diffusionsgeschwindigkeit des Wasserstoffs umgekehrt proportional dem Ghromgehalt des Stahls ist und die Diffusionsgeschwindigkeit eines austenitisohen Stahls beträchtlich geringer als die Diffusionsgeschwindigkeit eines ferritischen Stahls ist, wie sich aus der nachfolgenden Tabelle I ergibt«
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Tabelle I
Wasserstoffmenge, die durch Proben bei einem Druck Ton 100 kg/cm und einer Temperatur von 340 C hindurchgeht.
Stahltyp Wasserstoff (Gur/owr/h)
Kohlenstoff-Stahl 0,41
0,5^-Molybdän-Stahl 0,39
^ 6?6-Chromstahl 0,24
13^-Chromstahl 0,15
18/8-rostfreier Stahl 0,01
Da die Wasserstoffversprödung des Schweißwerkstoffs 14 und der Zwischenlagen 12 von der Wasserstoff menge abhängt, die an der Oberfläche des Schweißwerkstoffes absorbiert wird und anschließend durch den Schweißwerkstoff diffundiert, wurde festgestellt, daß dann, wenn der Schweißwerkstoff 13 aus einem hochlegierten Stahl mit hohem Chrom- W gehalt und hohem Diffusionswiderstand gegen Wasserstoff besteht, dieser Werkstoff als Sperre gegen das Eindringen von Wasserstoff fungiert und sich ein ausgezeichneter Schutz gegen eine Wasserstoffversprödung ergibt. Ein gemäß !ig. konstruierter Druckbehälter ist zur Aufnahme von wasserstoffhaltigem Gas mit einem Waaserstoffpartialdruok von 100 kg/cm bei einer Temperatur von 3400C geeignet. Der Schweißwerkstoff 13 besteht aus einem 18/8 rostfreien Stahl,
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der als Sperrschicht gegen das Eindringen von Wasserstoff dient, so daß die in den Schweißwerkstoff 14 und die Zwischenlagen 12 eindiffundierende Wasserstoffmenge nur etwa 39& derjenigen Menge beträgt, die sich ergaben würde, wenn die gesamte Schweißnaht aus dem Werkstoff des Schweißnahtteiles 14 bestünde. Aus diesem Grunde kann für die Zwischenlagen 12 ein Kohlenstoffstahl benutzt werden, ohne daß die Gefahr einer Wasserstoffversprödung besteht, so daß sich eine beträchtliche Verringerung der Herstellungskosten des Druckbehälters ergibt. Die Dicke des Schweißnahtteiles 13 kann den jeweiligen Gegebenheiten angepaßt sein. Beispielsweise kann seine Dicke geringer sein als die Dicke des Innenzylinders 11, wie bei dem Ausführungebeispiel nach Pig.8.
In der Tafel nach Pig. 6 sind die Grenzlinien für die Auswahl eines wasserstoffbeständigen Stahls je nach Wasserstoffpartialdruck und Temperatur gemäß dem Vorschlag von Nelson aufgezeichnet. Während die Wasserstoffversprödung eines Stahls von der Wasserstoffkonzentration und Temperatür abhängig ist, liegt in einer Behälterwandung in der Nachbarschaft der Schweißnaht eines Mehrlagen-Hochdruckbehälters nur derjenige Wasserstoff vor, der an der freien Oberfläche des Schweißwerkstoffes absorbiert worden ist. Demnach ist die Menge des Wasserstoffes, die in die einzelnen, die Lagen des Behälters bildenden Stahlbleche eindiffundiert, eine Punktion des Abstandes von der Innenwandung des Behälters. Je näher sich eine bestimmte Lage an der In-
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nenwandung des Behälters befindet, desto größer ist ihre Wasserstoffkonzentration.
In Figo 7 ist beispielsweise die Temperaturverteilung über die Wandung eines Mehrlagen-Hochdruckbehälters aufgezeichnet. Wie sieh aus diesem Diagramm ergibt, fällt die Wandungstemperatur proportional mit dem Abstand von der Innenoberfläche des Behälters. Demzufolge kann, wenn die Sperrwirkung gegen den im Zusammenhang mit Fig. 3 beschriebenen Durchgang des Wasserstoffes unzureichend ist, eine Wasserstoffversprödung der Lagen 12 durch die Verwendung eines wasserstoffbeständigen Stahls für die dem mit dem Wasserstoff in Berührung stehenden Zylinder 11 benachbarte Lage völlig vermieden werden. Die Anzahl der einzelnen Lagen aus Wasserstoff be ständigem Werkstoff hängt von der Konzentration und Temperatur des in die Lagen 12 eindiffundierenden Wasserstoffes ab.
So wird beispielsweise für einen Wasserstoff-Par-
tialdruok von 100 kg/cm und eine Temperatur von 3400C ein Behälter 20· gemäß Fig. 4 verwendet. Der Behälter 20« besteht aus einem Innenzylinder 21 und Zwischenlagen 30, die aus drei Innenlagen 22 und vier Außenlagen 23 bestehen. Bei diesem Ausführungsbeispiel können der Innenzylinder 21 und die Lagen 22 aus einem 0,5#-Molybdänstahl bestehen. Die vier Außenlagen 23 können dagegen aus einem Kohlenstoffstahl bestehen, sofern der Schweißnahtteil 24 aus einem
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13^-Chromstahl besteht. Pur den Schweißnahtteil 25 kann entweder ein Kohlenstoffstahl oder ein 0,2?C-Molybdän-Stahl verwendet werden. Bei diesem Ausfiihrungsbeispiel erstreckt sich eine Beobachtungsbohrung 26 vom Außenzylinder 27 durch die Lagen 23, 22 bis zum Innenzylinder 21.
In fig. 5 ist ein Behälter 20'* dargestellt, der eine Schweißnaht 34 besitzt, die ausschließlich aus einem wasserstoffbeständigen Werkstoff besteht, so daß eine Wasserstoff diffusion praktisch völlig unterbunden ist. Bei diesem Ausfiihrungsbeispiel bestehen die Wandungslagen 30' aus drei inneren Lagen 32 und vier Außenlagen 33» die zwischen einem Innenzylinder 31 und einem Außenzylinder 36 liegen. Die Innenlagen 32 bestehen vorteilhafterweise aus einem 0,596-Molybdänstahl und die Außenlagen 33 aus einem 0,2?6-Molybdänstahl.
Bei sämtlichen Ausführungsbeispielen besteht der Innenzylinder, der der Behälterwandung eine ausreichende Festigkeit verleiht, aus einem gegen Wasserstoffversprödung unempfindlichen Werkstoff. Aus diesem Grunde muß der Innenzylinder wärmebehandelt werden. Um diese Schwierigkeiten zu vermeiden, sollte für den Innenzylinder ein Stahl verwendet werden, der nach dem Schweißen keine Wärmebehandlung mehr erfordert. In diesem Falle sollte ein Sperrzylinder aus wasserstoffbeständigem Stahl im Innenzylinder angeordnet sein (Fig. 9). Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 9 verleiht ein Innenzylinder 41 der Behälterwandung eine ausreichend·
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Festigkeit, zwischen dem und einem Außenzylinder 46 die Zwischenlagen 42 angeordnet sind. Der äußere Teil der Schweißnaht ist mit 44 und eine Beobachtungsbohrung mit 45 bezeichnet. Im Innenzylinder 41 befindet sich ein Sperrzylinder 47 aus wasserstoffbeständigem Metall, beispielsweise aus einem austenitisehen rostfreien Stahl. Der mit dem Sperrzylinder 47 versehweißte Teil der Schweißnaht ist mit 43 bezeichnet. Der Tragzylinder 41 besteht aus Kohlenstoffstahl, der beim Schweißen gehärtet wird. Der Sperrzylinder 47 kann durch Aufschweißen oder Plattieren auf den Tragzylinder 41 aufgebracht werden. Die Dicke des Sperrzylinders richtet sich dabei nach den gegebenen Umständen des Einzelfalles.
Die Bezeichnung "Kohlenstoffstahl" bezieht sich ganz allgemein auf solche Stähle, die nur eine begrenzte Wasserstoffbeständigkeit besitzen. Unter diesen Begriff fallen nicht nur reine Kohlenstoffstähle, sondern auch niedrig legierte und hochfeste Stähle. Der Ausdruck "wasserstoffbe- W ständiger Stahl" umfaßt Stähle mit mindestens 0,1$ Chrom und/oder Molybdän und Zusätzen an Nickel, Wolfram, Titan, Vanadin, Zirkonium, Niob, Kobalt und anderen Elementen, die für eine Verbesserung der Wasserstoffbeständigkeit und Zähigkeit erforderlich sind. Obgleich in der Beschreibung nur solche Behälter behandelt worden sind, deren Inneres unter Wasserstoff hohen Drucks und hoher Temperatur steht, läßt sich die Erfindung in ähnlicher Weise selbstverständlich auch auf Behälter anwenden, bei denen Wasserstoff hohen Drucks und hoher Temperatur auf die Außenwandung wirkt.
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Claims (1)

  1. Mitsubishi Jukogyo Kabushiki Kaisha, Uo. 10, Marunouchi 2-chome, Ohiyoda-ku, Tokio, Japan
    ssssssssssssssss
    Patentansprüche;
    β Mehrlagen-Druckbehälter für Wasserstoff hoher Temperatur
    und hohen Drucks, der aus mehreren über eine duroh sämtli- M
    ehe Lagen verlaufende ringförmige Schweißnaht miteinander verbundenen Teilzylindern besteht, dadurch gekennzeichnet , daß der mit dem Wasserstoff in Berührung stehende Teil der Schweißnaht (13, 24, 34, 43) aus einem gegen Wasserstoffversprödung beständigen Stahl besteht.
    · Mehrlagen-Druokbehälter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß mindestens der mit dem Wasserstoff in Berührung stehende Teil der Schweißnaht (13, |
    24, 34, 43) aus einem chromhaltigen Stahl besteht.
    3. Mehrlagen-Druokbehälter naoh den Ansprüchen 1 und 2, gekennzeichnet durch einen Innenzylinder (11, 21, 31, 41) und einen Außenzylinder (16, 27, 36, 46), zwischen denen mehrlagige Teilzylinder (12, 30, 30', 42) stiraeeitig aneinanderliegen und mit dem Innen- und dem Außenzylinder an ihren Enden verschweißt sind.
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    4. Mehrlagen-Druckbehälter nach den Ansprüchen 1 und 2, g e kennzeichnet durch einen Innen- und einen Außenzylinder (11, 21, 311 41; 16, 27, 36, 46) und mehrere Zwischenlagen (12, 30, 301, 42), sowie eine Beobachtungebohrung (15, 26, 35» 45)ι die sich, ausgehend von dem mit dem Wasserstoff in Berührung stehenden Innenzylinder durch die übrigen lagen der Behälterwandung nach außen erstreckt.
    5. Mehrlagen-Druckbehälter nach den Ansprüchen 1 bis 4, d a -durch gekennzeichnet, daß einige der dem mit dem Waeserstoff in Berührung stehenden Innenzylinder (21, 31) benachbarten Lagen (22, 32) aus einem Stahl mit begrenzter Wasserstoffbeständigkeit bestehen.
    6ο Mehrlagen-Druckbehälter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil (22, 32) der Lagen aus einem 0,5Jf-Mo lybdänstahl besteht.
    ψ 7. Mehrlagen-Druckbehälter nach Anspruch 6, dadurch
    gekennzeichnet , daß ein Teil (23, 33) der Lagen aus einem 0,^-Molybdänstahl besteht.
    8. Mehrlagen-Druckbehälter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß die Schweißnaht (34) insgesamt aus einem wasserstoffbeständigen Stahl besteht.
    9· Mehrlagen-Druokbehälter nach den Ansprüchen 1 bis 8, d a -
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    durch. gekennzeichnet, daß der Innenzylinder (41) aus einem nach dem Schweißen keine Wärmebehandlung erforderlichen Stahl besteht und auf seiner Innenseite einen Sperrzylinder (47) aus einem wasserstoffbeständigen Werkstoff trägt.
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