DE1752854C3 - Mehrlagige Kugelhaube für einen Druckkessel sowie Verfahren zu ihrer Herstellung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine mehrlagige Kugelhaube für einen Druckkessel, deren Lagen jeweils aus Segmenten bestehen, die mit ihren miteinander verschweißten Kanten auf Längen- und Breitenkreisen liegen und deren Anzahl je Kugelschicht zum größeren Durchmesser hin zunimmt, sowie ein Verfahren zu ihrer Herstellung.

Eine mehrlagige Kugelhaube der voranstehend beschriebenen Art ist aus der US-PS 30 52 021 bekannt. Bei dieser bekannten Konstruktion ist jedes Segment aus einer Mehrzahl dünner Metallplatten zusammengesetzt, die an ihren aufeinanderliegenden Oberflächen miteinander verklebt sind. Die einzelnen Segmente werden beim Herstellen der Kugelhaube an ihren aneinanderstoßenden Kanten miteinander verschweißt. Um ein Übereinanderliegen sämtlicher Schweißnähte zu verhindern, ist es bei der bekannten Konstruktion außerdem möglich, die miteinander zu verschweißenden Kanten der einzelnen Metallplatten jedes Segments gegeneinander zu versetzen.

Die aus der US-PS 30 52 021 bekannte mehrlagige Kugelhaube und das Verfahren zu ihrer Herstellung besitzen den Nachteil, daß trotz der aufwendigen Konstruktion bzw. Fertigung eine Vorspannung nicht erzeugt werden kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine mehrlagige Kugelhaube für einen Druckkessel sowie ein Verfahren zu deren Herstellung zu schaffen, welche die Erzeugung einer Vorspannung in der Kugelhaube mit einfacher, Mitteln ermöglichen, so daß die Kugelhaube bereits bei ihrer Herstellung an die während des Betriebes auftretenden Beanspruchungen angepaßt werden kann.

Die Lösung dieser Aufgabenstellung durch die Erfindung ist bezüglich der konstruktiven Gestaltung der Kugelhaube dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Segmente pro Kugelschicht so gewählt ist, daß die Schweißnähte eine gleichmäßige Verteilung des Schweißnahtvolumens auf der Oberfläche der Kugel haube ergeben und daß die Schweißnähte großvolumig und mit über die Schweißnahttiefe gleicher Breite ausgebildet sind.

Durch diese erfindungsgemäße Ausbildung der Kugelhaube wird erreicht, daß sich auf einfache Weise

ι S eine vorgespannte Kugelhaube für einen Druckkessel ergibt, deren Vorspannung gleichmäßig über die gesamte Kugelhaube verteilt ist. Durch die Verwendung großvolumiger Schweißnähte mit über die Schweißnahttiefe gleicher Breite wird beim Abkühlen des Schweißgutes ein Schrumpfen erzielt, welches durch Zusammenwirken mit der jeweils innenliegenden Lage der mehrlagigen Kugelhaube eine Vorspannung entstehen läßt Die Gleichmäßigkeit der Vorspannung in der gesamten Kugelhaube wird durch die erfindungsgemä ße Auswahl der Anzahl der Segmente pro Kugelschicht erreicht, die derart getroffen wird, daß die Schweißnähte eine gleichmäßige Verteilung des Schweißnahtvolumens auf der Oberfläche der Kugelhaube ergeben. Insgesamt wird somit durch die Erfindung eine vorgespannte Kugelhaube geschaffen, die durch die erfindungsgemäße Anzahl der Segmente und Ausbildung der Schweißnähte bei der Herstellung ihres mehrlagigen Aufbaus ohne großen apparativen und verfahrenstechnischen Aufwand eine gleichmäßige Vorspannung erhält.

Obwohl die erfindungsgemäße Kugelhaube sich äußerlich kaum von der bekannten Kugelhaube der US-PS 30 52 021 zu unterscheiden scheint, ist die letztere mit der erfindungsgemäßen Ausbildung nicht vergleichbar. Die einzelnen Lagen der Kugelhaube nach der L'S-PS 30 52 021 sind an ihren zusammenstoßenden Kanten mittels V-förmiger Schweißnähte miteinander verbunden, so daß wegen des unmittelbaren Aneinanderstoßens der miteinander zu verschweißenden Seg- mentschichten die Erzeugung einer Vorspannung infolge Schrumpfens des Schweißgutes nicht auftreten kann. Selbst ein Ersatz der bekannten V-förmigen Schweißnähte durch großvolumige Schweißnähte würde jedoch nicht zu einer erfindungsgemäßen Kugelhau- be führen, da sich bei der bekannten Kugelhaube trotz der zunehmenden Anzahl der Segmente je Kugelschicht zum größeren Durchmesser hin über die gesamte Kugelhaube unterschiedlich starke Vorspannungen ergeben würden, weil das Schweißnahtvolumen über die Oberfläche der Kugelhaube sehr ungleichmäßig verteilt ist.

Aus der US-PS 30 46 647 ist zwar eine mehrlagige Kugelhaube für einen Druckkessel bekannt, bei der das dichte Anliegen der einzelnen Lagen durch Recken mittels Aufbringen eines Innendruckes erzielt wird, wozu es erforderlich ist, zwei gleichartige Kugelhauben miteinander zu einer Kugel zu verschweißen. Eine Vorspannung wird auf diese Weise jedoch innerhalb der Kugelhaube nicht erzielt.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer mehrlagigen Kugelhaube gemäß der Erfindung mit einer einstückigen Innenlage ist gekennzeichnet durch die feilende,! Verfshrsnsschritts*

a) Aufsetzen eines Segments auf die Innenlage,

b) Anpressen des Segments bei gleichzeitigem Anheften an die Innenlage,

c) Aufsetzen der benachbarten Segmerüe in einem den großvolumigen Schweißnähten entsprechenden Abstand,

d) Anpressen und Anheften dieser Segmente,

e) Verschweißen der Segmente untereinander und mit der Innenlage,

f) Aufbau der folgenden Lagen in gleicher Weise bis zur Erzielung der gewünschten Wandstärke der Kugeihaube.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird auf einfache Weise und unter Benutzung einer einfachen Anpreßvorrichtung für die einzelnen Segmente eine vorgespannte Kugelhaube mit gleichmäßiger Verteilung der Spannung hergestellt In an sich bekannter Weise wird hierbei von einer einstückigen Innenlage ausgegangen, auf welche vorbereitete Segnente nacheinander aufgesetzt, angeheftet und durch Schweißen befestigt werden, wobei sich durch die erfindungsgemäße Ausbildung und Anordnung der Schweißnähte eine gleichmäßige Vorspannung ergibt.

Hierdurch unterscheidet sich das erfindungsgemäße Verfahren grundlegend von dem aus der DT-AS 11 63 763 bekannten Verfahren zur Herstellung mehrschichtiger Druckbehälter, da bei diesem nur für kugelförmige Druckbehälter großer Abmessungen offenbarten Verfahren die einzelnen Plattenteile lediglich angebogen und angeschweißt werden, ohne daß hierbei eine Vorspannung erzeugt wird. Die Anpressung der einzelnen Blechteile erfolgt beim bekannten Verfahren lediglich zur Erzielung der endgültigen Form. Das bekannte Verfahren enthält keinerlei Angaben oder Hinweise auf die Aufteilung der einzelnen miteinander zu verschweißenden Teile und auf die Ausbildung der Schweißnähte sowie die Verteilung des Schweißnahtvolumens bezüglich der Oberfläche.

Eine bevorzugte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß die einzelnen Segmente in erwärmtem Zustand aufgesetzt und verschweißt werden. Hierdurch wird eine zusätzliche Vorspannung in der Kugelhaube erzeugt, wenn die miteinander verschweißten Segmente abkühlen und hierbei schrumpfen.

Durch die erfindungsgemäße Ausbildung der mehrlagigen Kugelhaube und das erfindungsgemäße Verfahren zu ihrer Herstellung wird die Erzielung einer gleichmäßigen Vorspannung innerhalb der Kugelhaube möglich, ohne daß eine äußere, die Vorspannung erzeugende Kraft aufgewendet werden muß, wozu aufwendige Konstruktionen und umständliche Verfahrensschritte erforderlich wären, ohne daß gleichzeitig sichergestellt werden könnte, daß sich eine gleichmäßige Spannungsverteilung ergibt.

In der Zeichnung sind ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Kugelhaube und eine Mehrzahl von Verfahrensschritten zu deren Herstellung schematisch dargestellt. Es zeigen

F i g. 1 bis 8 eine Folge einzelner Verfahrensschritte _ft0 zur Herstellung einer Kugelhaube,

F i g. 9 eine Ansicht der Kugelhaube von innen, wobei ein Teil der Darstellung eine Ansicht von außen zeigt,

Fig. 10 eine Draufsicht auf die Kugelhaube von außen und _i)5

F i g. 11 einen Teilschnitt gemäß der Schnittlinie 11-11 in Fig. 10, der jedoch insoweit vereinfacht dargestellt ist. als er nur die Innenlage und eine zusätzliche Lage der Kugelhaube zeigt

Die Kugelhaube H besitzt mehrere Lagen, von denen die Innenlage L einstückig ausgebildet ist Diese Innenlage L wird auf übliche Weise, beispielsweise durch Schmieden oder Drücken hergestellt Sie kann z. B. aus rostfreiem oder Kohlenstoffstahl bestehen. Ihre Wandstärke hängt von der späteren Wanddicke des fertigen Druckkessels ab. Bei einem Aiüsführungsbeispiel beträgt die Wandstärke der Innenlage L 1,25 cm. Da die Kugelhaube üblicherweise als stirnseitiger Verschluß eines zylindrischen Druckkessels verwendet wird, besitzt die Innenlage L des Ausführungsbeispiels die Form einer Halbkugel. Selbstverständlich ist es auch möglich, die Haube mit einer von der Halbkugel abweichenden Form auszubilden.

Auf die Innenlage L der Kugelhaube H sind beim dargestellten Ausführungsbeispiel fünf Lagen A, B. C, D und £ aufgebracht, die jeweils aus einzelnen Segmenten 5 zusammengesetzt sind. Die Segmente 5 liegen mit ihren miteinander verschweißten Kanten auf Längen- und Breitenkreisen, wie dies in Fig. 10 zu erkennen ist Die Anzahl der Segmente S je Kugelschicht, d. h. je kugelringförmigem Abschnitt der Kugelhaube H, nimmt zum größeren Durchmesser hin zu.

Die Segmente S, aus denen jede der Lagen A bis E aufgebaut wird, werden aus üblichen Stahlblechen P (s. Fig. 1) mitteis eines Schweißbrenners od.dgl. als Rohausschnitt S ausgeschnitten. Anschließend wird jeder Rohausschnitt S durch Entfernen der gestrichelt angedeuteten Ränder 15 (s. F i g. 2) auf die erforderlichen Abmessungen gebracht, die das jeweilige Segment S ergeben, wenn der um die Ränder 15 verkleinerte Rohausschnitt 5" gemäß F i g. 3 schließlich die geeignete Krümmung erhält, wie dies in Fig.3 angedeutet ist Gemäß F i g. 4 wird anschließend jedes Segment S in eine Mehrzahl von Segmentplatten 10, 11 und 12 zerschnitten, und zwar derart, daß die Anzahl der Segmentplatten 10, U und 12 pro Kugelschicht eine gleichmäßige Verteilung des Schweißnahtvolumens der zwischen den Segmentplatten 10, 11 und 12 anzubringenden Schweißnähte auf der Oberfläche der Kugelhaube Hergibt Dies bedeutet nicht nur, daß die Anzahl der Segmentplatten i0, 11 und 12 je Kugelschicht zum größeren Durchmesser hin zunimmt, sondern daß das Volumen des Schweißgutes, welches zum Verbinden der Segmentplatten 10, U und 12 erforderlich ist, gleichmäßig über die Kugelhaube verteilt wird. Um das Anbringen ununterbrochener Schweißnähte zu ermöglichen, können die Ecken der Segmentplatten 10,11 und 12 abgerundet sein.

Gemäß F i g. 5 wird eine Mehrzahl von Löchern 10a bzw. 11a und 12a (s. Fig. 10) in etwa gleichmäßigem Abstand voneinander in die Segmentplatto 10 bzw. 11 und 12 gebohrt. Nunmehr wird die Dicke jeder Segmentplatte 10, 11 und 12 mit einem Mikrometer M gemessen, um festzustellen, ob die Plattendicke innerhalb des zulässigen Toleranzbereiches liegt Zur Herstellung der Kugelhaube H sind weder besonders genau geformte, noch maschinell bearbeitete Segmentplatten 10, U und 12 erforderlich, so daß gewalzte Stahlbleche üblicher Toleranzen zur Herstellung der Segmente S verwendet werden können.

Die mit den Löchern 10a, 11a und 12a versehenen Segmentplatten 10, U und 12 werden nunmehr in geeigneter Weise erwärmt. In Fig.6 ist dies schematisch durch die Flamme Fangedeutet. Die Erwärmung kann beispielsweise auf eine Temperatur von etwa 260⁰C erfolgen. Auch Hie !nnenlage /- kann erhitzt und

auf einer Temperatur von etwa 100 bis 110⁰C gehalten werden. Die angegebenen Temperaturen stellen lediglich die Werte eines bevorzugten Ausführungsbeispiels dar. Wichtig ist, daß die Segmentplatten 10, 11 und 12 auf eine Temperatur erwärmt werden, die über der Temperatur der Innenlage L liegt.

Zum Aufbau der Lage A auf der Außenfläche der Innenlage L wird nunmehr als erstes eine Segmentplatte 10 aufgesetzt, wie dies die F i g. 7 und 8 anhand eines Ausführungsbeispiels zeigen. Das Ansetzen und Befestigen der Segmentplatte 10 erfolgt mit Hilfe einer Andrückvorrichtung X, die in vereinfachter Form als Ausführungsbeispiel in F i g. 7 dargestellt ist.

Diese vereinfacht dargestellte Andrückvorrichtung X hat einen gebogenen Rahmen 20. der auf einem Drehbolzen 21 gelagert ist. Dieser Drehbolzen 21 ist mit einer Grundplatte 22 verbunden, die ihrerseits vorübergehend auf das obere Ende der Innenlage L geschweißt oder anderweitig vorübergehend befestigt ist. Das untere Ende des Rahmens 20 weist einen Haken 25 auf, der mit der Innenfläche der Innenlage L oder einem anderen Vorsprung am unteren Rand in Eingriff steht. Ein Hydraulikzylinder 26, der durch eine Zuflußleitung 27 versorgt wird, ist zur Betätigung eines mit einem beweglichen Druckstück 28 versehenen Kolbens bestimmt. Dieses Druckstück 28 kann an verschiedenen Abschnitten der Segmentplatte 10, wie dies durch die gestrichelten Linien in F i g. 8 angedeutet ist, angesetzt werden. Durch die Ausbildung des Rahmens 20 ist es weiterhin möglich, auch die benachbarten Segmentplatten 10 sowie die Segmentplatten U und 12 mittels des Druckstückes 28 an die Oberfläche der Innenlage L an verschiedenen Punkten anzudrücken.

Wie in F i g. 8 dargestellt ist, wird das Druckstück 28 zuerst an einer Seite der Segmentplatte 10 angesetzt. An denjenigen Stellen, an denen die Ränder der Segmentplatte 10 dicht an der Oberfläche der Innenlage L anliegen, wird die Segmentplatte 10 nunmehr angeheftet. In F i g. 8 sind mehrere derartige Herstellen 30 angedeutet. Um eine vollständige Heilung der Segmentplatte 10 zu erzielen, wird der Hydraulikzylinder 26 mit dem Druckstück 28 in verschiedene Stellungen bewegt, so daß eine gleichmäßige Anlage der Segmentplatte 10 auf der Oberfläche der Innenlage L erzielt wird.

Nacheinander werden nunmehr die weiteren Segmentplatten 10 und anschließend die darunterliegenden Segmentplatten U und 12 auf der Oberfläche der Innenlage L angeheftet, nachdem diese Segmentplatten 10,11 und 12 zuvor in der voranstehend beschriebenen Weise hergestellt und erwärmt worden sind. Die Anordnung der einzelnen Segmentplatten 10,11 und 12 der Lage A entspricht der Darstellung in F i g. 10. Diese Darstellung läßt erkennen, daß die zwischen den Segmentplatten 10,11 und 12 anzuordnenden Schweißnähte eine gleichmäßige Verteilung des Schweißnahtvolumens auf der Oberfläche der Kugelhaube H ergeben. Beim Ansetzen und Anheften der Segmentplatten 10,11 und 12 ist darauf geachtet worden, daß die anzubringenden Schweißnähte großvolumig und mit über die Schweißnahttiefe gleicher Breite ausgebildet sind, wie dies in Fig. 11 dargestellt ist. Die dort in vergrößertem Maßstab dargestellte Schweißnaht 40 zeigt diese großvolumige Ausbildung mit einer Breite, die sich über die Schweißnahttiefe nicht verändert In der in F i g. 11 dargestellten Weise werden sämtliche Schweißnähte zwischen den Segmentplatten 10,11 und 12 ausgeführt, sobald einige oder alle der Segmentplatten 10,11 und 12 auf der Innenlage L angeheftet worden sind. Nach Herstellung der letzten Schweißnähte 40 werden diese abgeschliffen, so daß ihre Oberflächen mit denen der Oberflächen der Segmentplatten 10,11 und 12 fluchten, wodurch die nunmehr fertiggestellte Lage A als glatte Schicht erscheint.

Durch das Schrumpfen des Schweißgutes beim Abkühlen der großvolumigen Schweißnähte 40 erzeugt die aus miteinander und mit der Innenlage L verschweißten Segmentplatten 10, 11 und 12 bestehende Lage A eine Vorspannung sowohl in der Innenlage L als auch in der Lage A. Diese Vorspannung wird durch das Schrumpfen der über die Temperatur der Innenlage L erwärmten Segmentplatten 10, U und 12 bei deren Abkühlung erhöht. Die gleichmäßige Verteilung des Schweißnahtvolumens auf der Oberfläche der Lage A bewirkt eine gleichmäßige Verteilung der Schrumpfkraft und damit eine gleichmäßige Vorspannung.

Nachdem die Lage A auf der Innenlage L in der voranstehend beschriebenen Weise gebildet worden ist, wi-rden die weiteren Lagen B, C, D und ffauf die jeweils darunterliegende Lage in der voranstehend beschriebenen Weise aufgebracht, bis die gewünschte Stärke der Kugelhaube H erzielt worden ist.

Die Größe der in der voranstehend beschriebenen Weise erzielbaren Vorspannung kann durch Messung des Durchmessers der Innenlage L vor dem Aufbringen der äußeren Lagen A bis E und durch Messung des Durchmessers der fertigen Kugelhaube H nach dem Abkühlen auf Raum- oder Betriebstemperatur bestimmi werden. Die Verminderung des Innendurchmessers der Innenlage L ist ein direktes Maß für die vorhandene Vorspannung. In einigen Fällen werden neben der Innenlage L auch einige der äußeren Lagen A, B, C, L und E unter Vorspannung stehen. Die Vorspannung wird in allen Fällen in der voranstehend beschriebener Weise, d. h. ohne Anwendung äußerer Kräfte erzeugt.

Die Grundplatte 22 mit dem Drehbolzen 21 wird nach dem Aufbringen aller Lagen A bis E entfernt. In vielen Fällen wird in der Mitte der Kugelhaube H ein Flansch vorgesehen sein, um einen Stutzen oder Deckel aufzunehmen, so daß der mittlere Abschnitt, an dem die Grundplatte 22 befestigt war, entfernt werden wird. Soll jedoch die Mitte der Innenlage L ebenfalls mit weiterer Lagen bedeckt werden, kann dies durch kreisförmige Segmentplatten 50 geschehen, von denen eine ir Fig. 10 dargestellt ist. Diese kreisförmigen Segmentplatten 50 werden nach Entfernen der Andrückvorrichtung X entsprechend den Segmentplatten 10,11 und U der Lagen A, B₁ C, D und E aufgebracht, wobei nach Erzielung einer dichten Anlage, dem Anheften und derr Verschweißen der Segmentplatten 50 mit der jeweil; darunter liegenden Segmentplatte 50 und den benachbarten Segmentplatten 10 durch großvolumig« Schweißnähte auch im Mittelabschnitt eine Vorspan nung erzeugt wird.

Wie Fig. 10 erkennen läßt, sind auch die kreisförmi gen Segmentplatten 50 mit Löchern 50a versehen, di< ebenso wie die eingangs erwähnten Löcher 10a, 11a um 12a zur Messung eines eventuell vorhandenen Spalt! zwischen den Platten der einzelnen Lagen A, B, C, Dune E benutzt werden. Da es zur Erzeugung einei Vorspannung in der Innenlage L bzw. in den Lagen A bis E erforderlich ist, daß die Segmente 5 jeweils dicht ai der benachbarten Lage anliegen, kommt der Oberprü fung von eventuell vorhandenen Spalten besonder« Bedeutung zu. Die in den Segmentplatten 10,11,12 um 50 vorhandenen Löcher 10a, 11a, 12a ermöglichen eine

derartige Messung mit einfachen Meßinstrumenten. Wird hierbei festgestellt, daß ein Spalt zu groß ist, kann die Segmentplatte an der betreffenden Stelle durchbohrt oder aufgeschnitten und zur Verminderung des Spalts zusätzlich angeschweißt werden.
Nur der Vollständigkeit wegen soll erwähnt werden,

daß nicht nur die Segmentplatten U und 12 gegenüber den Segmentplatten 10 derselben Lage seitlich versetzt werden, wie dies in Fig. 10 dargestellt ist, sondern daß auch die Segmentplatten übereinanderliegender Schichten gegeneinander versetzt sind.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Mehrlagige Kugelhaube für einen Druckkessel, deren Lagen jeweils aus Segmenten bestehen, die mit ihren miteinander verschweißten Kanten auf Längen- und Breitenkreisen liegen und deren Anzahl je Kugelschicht zum größeren Durchmesser hin zunimmt, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Segmente pro Kugelschicht so gewählt ist, daß die Schweißnähte eine gleichmäßige Verteilung des Schweißnahtvolumens auf der Oberfläche der Kugelhaube ergeben und daß die Schweißnähte großvolumig und mit über die Schweißnahttiefe gleicher Breite ausgebildet sind.

2. Verfahren zur Herstellung einer mehrlagigen Kugelhaube nach Anspruch 1 mit einer einstöckigen Inneiilage, gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte:

a) Aufsetzen eines Segments auf die fnnenfage,

b) Anpressen des Segments bei gleichzeitigem Anheften an die Innenlage,

c) Aufsetzen der benachbarten Segmente in einem den großvolumigen Schweißnähten entsprechenden Abstand,

d) Anpressen und Anheften dieser Segmente,

e) Verschweißen der Segmente untereinander und mit der Innenlage,

f) Aufbau der folgenden Lagen in gleicher Weise bis zur Erzielung der gewünschten Wandstärke der Kugelhaube.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Segmente in erwärmtem Zustand aufgesetzt und verschweißt werden.