DE1926706C - Umkehrberstscheiben zum Schutz von Apparaten und Behaltern gegen Überdruck und Verfahren zur Herstel lung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieh! sich auf Umkehrberstscheiben, deren Wölbung dem Belriebsdruck enlgegengcrichtet ist, zum Schutz von Apparaten und Behältern gegen Überdruck, und auf ein Verfahren zur Herstellung.

Umkehrberstscheiben, deren Wölbung dem Betriebsdruck entgegengerichtet ist, sind bekannt. Weiterhin ist es bekannt, an Berstscheiben durch Ultraschallschweißnähte, Reihen von Bohrungen, durch Kerben oder durch Anfräsungen schwache Zonen vorzusehen, an denen das Aufreißen einsetzt. Weiterhin, ist es bekannt, durch schwache Ultraschallschweißnähte am

ίο Umfang der Scheibe oder durch Messer, die· in Strömungsrichtung hinter der Scheibe angeordnet sind, im Schadensfall eine sichere Freigabe des gesamten Scheibenqueiichnitts zu erreichen. Die Herstellung von Umkehrberstscheiben, deren Wölbung dem Betriebsdruck entgegengerichtet ist, ist aus der deutschen Patentschrift 964 823 bekannt.

Nach dieser Patentschrift werden die ebenen Blechscheiben zwischen zwei besonders geformten Halteringen eingespannt und hydraulisch auf einen festgelegten

Druck über der Fließgrenze und über eine festgesetzte Zeitspanne (z. B. V₂ Stunde) belastet. Nach der Auswölbung werden die Scheiben kontrolliert und nur solche Scheiben benutzt, deren bleibende Durchbiegung nach der Belastung bei ihrer Herstellung

zwischen festgelegten Grenzen liegt und die gleichmäßig rotationssymmetrisch geflossen sind. Die sich aus der verschiedenen Dicke und Härte der Blech scheiben ergebenden unterschiedlichen Festigkeiten sollen durch die Stärke der Wölbung bis zu einem gewissen Maße ausgeglichen werden. Die gewölbte Scheibe wird von ihrem Einspannrand befreit und dem Druck entgegen in einen Tragring eingelegt, auf den sich sie abstützt, und abdichtend befestigt. Bei Überschreiten eines bestimmten Ansprechdruckes schnappt sie membranartig um, die Lötstelle reißt auf und die Scheibe fällt heraus.

Nachteil dieses bekannten Verfahrens ist, daß unterschiedliche Dicken und Fließspannungen des Werkstoffs durch unterschiedliche Wölbungshöhen ausgeglichen werden sollen. Der Ansprechdruck einer Umkehrberstscheibe ist aber abhängig vom E-Modul und von den geometrischen Abmessungen und nicht von den Fließspannungen des Werkstoffs. Mit der Einhaltung eines feslgelegten Auswölbdruckes werden die Festigkeitsunterschiede des Bleches nicht ausgeglichen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, Umkehrberstscheiben zu entwickeln, bei denen der Ansprechdruck wesentlich genauer eingehalten werden kann als bisher und dieser Ansprechdruck auch nach langer Betriebszeit, beispielsweise 4 Jahren, und bei hohen Betriebstemperaturen, beispielsweise 600' C, eingehalten werden kann.
Weiterhin ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung dieser Umkehrberstscheiben zu finden. Die vorliegende Erfindung geht aus von der Erkenntnis, daß Umkehrberstscheiben, deren Wölbung dem Betriebsdruck entgegengerichtet ist, an einer einknickschwachen Stelle zuerst ein-

So knicken und damit der Ansprechdruck durch die in bezug auf das Einknicken schwächste Stelle begrenzt wird. Diese einknickschwächste Stelle wird bei kugeligen Umkehrberstscheiben durch zufällige Fehler im Material, durch Formfehler bei der Auswölbung oder durch Spannungen bei der Verbindung mil ihren Tragringen bestimmt.

Diese zufälligen Formfehler sind der Berechnung nicht zugänglich und gestatten eine annühernri/» h»

Stimmung des Ansprechdruckes nur durch Versuche Daher wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, in der Mitte der Umkehrberstscheiben eine einknickschwache Zone zu schaffen, wobei die Form der Umkehrberstscheibe von der Kugelform dergestalt abweicht, daß der Krümmungsradius von der Mitte zum Rande hin abnimmt. Bei dieser Form knickt die Umkehrberstscheibe zuerst im Bereich der Mitte ein, und der Ansprechdruck wird gegenüber der idealen Kalotte um einen bestimmten Betrag gesenkt.

Weiterhin wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß der Raumwinkel der Scheibenkuppe größer ist als

«» U ■

Aus Kärman und Hsue Shen T s i e n, »The Buckling of Spherical Shells by External Pressure« California Institute of Technology, 1939, ist bekannt', daß bei Überschreitung dieses Mindest-Raumwinkels der !-Cuppe in der mittleren Zone keine Versteifung von: Rand her mehr wirksam ist. Damit gelten für die Un kehrberstscheiben die Rinknickgesetze der Hohlkui.:I. die einer Berechnung eher zugänglich sind. Die zii'älügen, vom Rande oder der Einspannung herrü!ü-nden Formfehler und die daraus entstehenden einixnickschwachen Zonen haben für den Ansprechdn.k keine Bedeutung mehr gegenüber der bewußt in der Mitte hervorgerufenen Einknickzone. Damit die,e erfindungsgemäße Form nicht nur mit einer Matrize, sondern auch durch hydraulischen oder pneumatischen Druck erzeugt werden kann, wird ernndungsgemäß vorgeschlagen, daß ein Material verwendet wird, das nach der zur Aufwölbung erforderlichen Dehnung noch eine positive Spannungs-

dehnungskurve aufweist, deren Steigung ■—■ größer

<*<■· "

ist als etwa 100—^, . Wenn diese Bedingung erfüllt

wird, bilden sich bei der freien Auswölbimg (ohne Matrize) die gewünschten systematischen Kugelformabweichungen durch die unterschiedlichen Verformungsgrade des Kuppenblechs am Rand (etwa einachsige Dehnung) und in der Mitte (etwa gleichförmige ebene Dehnung). Für jeden Raumwinkel dip gilt in einem Augenblick der Auswölbphase:

2-S₀

const;

⁵°

dabei ist:

ρ — augenblicklicher Auswölbdruck. χ - Ort,
R = Kuppenradius,
σ = Fließspannung,
S₀ = Ausgangsblechdicke.

Vorzugsweise für lange Standzeiten und hohe Betriebstemperaturen werden eriindimgsgemäß hochkriechbeständige Nickel-Basis-Legieriingen vorgeschlagen, die vor dem Aufwölben im lösimgsgegliihten Zustand vorliegen. Diese Materialien besitzen einen vergleichsweise kleinen Elastizitätsmodul bei einer hohen Kriechbeständigkeit und werden erfind ungsgemäß nach dem Auswölben durch Wärmebehandlung aussscheidungsgehärtet.

Weiterhin wird ein Verfahren zur Herstellung von Umkehrberstscheiben vorgeschlagen, die in bekannter Weise aus ebenen Blechen hergestellt werden, die zwischen zwei kreisrunden Halteringen eingespannt werden und wobei die Wölbung durch hydraulischen oder pneumatischen Druck erzeugt wird. Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, daß die Dicke jedes unverformten Bleches genau gemessen und daraus die zur Einhaltung eines bestimmten Ansprechdruckes notwendige Höhe der Wölbung sowie der zur Erreichung dieser Höhe unter Berücksichtigung der elastischen Rückfederung notwendige Druck berechnet wird und mit Hilfe einer einstellbaren Tastvorrichtung beim Erreichen der gewünschten Höhe eine weitere Druckerhöhung sofort beendet wird. Nach diesem Verfahren werden die Dickenunterschiede der einzelnen Blechscheiben durch die berechnete Wölbungshöhenkorrektur optimal eliminiert, und die Festigkeitsunterschiede, die keinen Einfluß auf den für das Einknicken entscheidenden Elastizitätsmodul ausüben, bleiben ohne Einfluß. Als zusätzliche Kontrollmöglichkeit wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß der zur Erreichung der Höhe aufgebrachte hydraulische Druck aufgezeichnet und mit dem berechneten Druck verglichen wird.

Die verformten Umkehrberstscheiben werden zur Einspannung mit einem Tragring dicht verbunden. Diese Verbindung kann durch Schweißen oder durch Hochtemperaturlöten erfolgen. Wenn die Scheiben durch Hochtemperaturlöten mit ihrem Tragring verbunden werden sollen, wird in weiterer Ausgestaltung der Erfindung vorgeschlagen, die oben bereits beschriebene Wärmebehandlung zur Ausscheidungshärtung der Scheiben zusammen mit dem Hochtemperaturlöten vorzunehmen.

Die erfindungsgemäße Umkehrberstscheibe und das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung von Umkehrberstscheiben gestatten es, den Ansprechdruck der Umkehrberstscheiben auch nach langer Betriebszeit und bei hohen Betriebstemperaturen wesentlich genauer einzuhalten als bisher.

Weiterhin gestattet es das beschriebene Verfahren, den Ausschuß zu verringern, was insbesondere bei hochwertigen Materialien von Vorteil ist.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß die ausgewölbten Scheiben mit Hilfe des an sich bekannten Elekironenstrahlschweißens und nur auf einem geringen Teil ihrer Wandstärke, und zwar auf der dem Betriebsdruck entgegengerichteten Seite mit ihrem Tragring verschweißt werden und die Scheibe oder der Tragring im Bereich der Schweißnaht einen geringen Vorsprung in radialer Richtung erhält. Die an der dem Betriebsdruck entgegengerichteten Seite der Umkehrberstscheibe angebrachte Schweißnaht von geringer Stärke hat den Vorteil, daß die Scheibe, insbesondere bei hydraulischer Belastung, beim Erreichen des Ansprechdruckes nicht nur einknickt und membranartig iimschnappt, sondern auch mit Sicherheit auf ihrem ganzen Umfang abreißt. Der kleine Vorsprung in radialer Richtung an der Umkehrberslscheibe oder am Tragring hat den Vorteil, daß die nach dem Schweißen auftretenden Schrumpfspannungen keine Risse im Bereich der Schweißnaht verursachen können. Die F i g. 1 und 2 zeigen ein mögliches Ausführungsbeispiel der Erfindung. Dabei ist in beiden Figuren zur besseren Verdeutlichung die Wandstärke der Umkehrberstscheibe übertrieben groß dargestellt.

In F i g. 1 ist Teil 1 ein Tragring, der in nicht näher beschriebener Weise in einer Rohrleitung befestigt wird, während Teil 2 die in den Tragring 1 eingelötete oder eingeschweißte Umkehrberstscheibe darstellt. D ist der Nenndurchmesser der Scheibe, der um einen

geringen Betrag von dem tatsächlichen Scheibendurchmesser abweicht. R ist der Krümmungshalbmesser der Umkehrberstscheibe, der, wie aus der Zeichnung nicht hervorgeht, vom Rande zur Mitte hin zunimmt. R_x ist der vom Ort χ abhängige Krümmungshalbmesser der Scheibe. 5 ist die Blechdicke der Scheibe, die im nicht ausgewölbten Zustand als Ausgangsblechdicke S₀ bezeichnet wird. Der Rauinwinkcl der ausgewölbten Scheibe wird mit 2φ bezeichnet.

F i g. 2 zeigt mit denselben Bezeichnungen wie in F i g. 1 die erh'ndungsgemäße Schweißverbindung 3 zwischen der Scheibe 2 und dem Tragring 1.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Umkehrberstscheibe, deren Wölbung dem Betriebsdruck entgegengerichtet ist, zum Schutz von Apparaten und Behältern gegen Überdruck, wobei die Scheibe sich auf einen Tragring abstützt und mit diesem Tragring dicht verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß in der Mitte eine einknickschwache Zone vorhanden ist, wobei ihre Form von der Kugelform dergestalt abweicht, daß der Krümmungsradius von der Mitte zum Rande hin abnimmt und daß der Raumwinkel der Scheibenkuppe größer ist als

3,82 |/~ und daß ein Material verwendet wird,

das nach der zur Aufwölbung erforderlichen Dehnung noch eine positive Spannungsdehnungs-

kurve aufweist, deren Steigung " größer ist als

etwa 100 ——, .
mm·*

2. Umkehrberstscheibe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus hochkriechbeständigen Nickel-Basis-Legierungen besteht, die vor dem Aufwölben im lösungsgeglühten Zustand vorliegen.

3. Verfahren zur Herstellung von Umkehrberstscheiben nach Anspruch 1 aus ebenen Blechen, die zwischen zwei kreisrunden Halteringen eingespannt werden und wobei die Wölbung durch hydraulischen oder pneumatischen Druck erzeugt wird und die Scheiben nach dem Aufwölben von ihrem Einspannrand befreit und dicht in ihrem Tragring befestigt werden, daduich gekennzeichnet, daß die Dicke jedes unverformten Bleches genau gemessen und daraus die zur Einhaltung eines bestimmten Ansprechdruckes notwendige Höhe der Wölbung sowie der zur Erreichung dieser Höhe unter Berücksichtigung der elastischen Rückfederung notwendige Druck berechnet wird und mit Hilfe einer einstellbaren Tastvorrichtiing beim Erreichen der gewünschten Höhe die weitere Druckerhöhung sofort beendet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die verformten Umkehrberstscheiben durch Wärmebehandlung ausscheidungsgehärlet werden.

5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Umkehrberstscheiben mit ihren Tragringen durch Hochtemperaturlöten verbunden werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmebehandlung zusammen mit dem Hochtemperaturlöten vorgenommen wird.

6. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die aufgewölblen Scheiben mit ihren Tragringen mit Hilfe des an sich bekannten Elektronenstrahlschweißens nur auf einem geringen Teil ihrer Wandstärke, und zw;ir auf der dem Betriebsdruck enlgegengcrichteten Seite verbunden werden und der Tragring oder die Umkehrberstscheibe im Bereich der Schweißnaht einen kleinen Vorsprung in radialer Richtung erhält.