DE2223852C3

DE2223852C3 -

Info

Publication number: DE2223852C3
Application number: DE19722223852
Authority: DE
Priority date: 1971-05-17
Filing date: 1972-05-16
Publication date: 1976-06-10

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Druckgefäß zum Aufnehmen von Fluiden, mit einer Innenwand aus Metall, die wenigstens einen gewölbten Endabschnitt aufweist, welcher mit einer Metallkappe verbunden ist, und mit einer faserbewehrten, die Innenwand umgebenden und mit dieser verbundenen Kunststoffaußenwand.

auszugestalten, daß eine Faltenbildung im Bereich des Überganges zwischen Metallkappe und Endabschnitt auf einfache Weise vermieden wird

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine sich von der Metallkappe bis über den Verbindungsbereich zwischen Metallkappe und Endabschnitt erstreckende, elastische Zwischenschicht vorgesehen ist, die einerseits mit der Metallkappe bzw. dem Endabschnitt und andererseits mit der Außenwand fest

ίο verbunden ist.

Wie sich in der Praxis gezeigt hat. baut eine den Verbindungsbereich zwischen Metallkappe und Endabschnitt überdeckende und fest mit der Außen- und der Innenwand verbundene, elastische Zwischenschichi die Kerbspannungen im Verbindungsbereich ab. Offensichtlich werden auf diese Weise die Belastungen gleichmäßig auf dem gesamten Endabschnitt bzw. die Metallkappe verteilt, so daß eventuelle plastische Deformationen nicht zu einem Faltenwurf führen. Die elastische Zwischenschicht ermöglicht es der Außenwand auch, sich nach der elastischen Dehnung stärker zusammenzuziehen als die Innenwand. Die sich zusammenziehende Außenwand nimmt in diesem Fall also den Übergangsbereich zwischen Metallkappe und gewölbtem Endabschnitt nicht wieder ganz zurück in die Ausgangslage, was ebenfalls zu einer Vermeidung der Faltenbildung beiträgt. Dieses Ergebnis wird mit äußerst einfachen Mitteln erreicht, ohne daß zusätzlich Druckkammern zu füllen und zu entleeren wären.

Ein besonders einfacher Aufbau ergibt sich, wenn die Zwischenschicht einheitlich aus einem elastomeren oder kautschukartigen polymeren Werkstoff besteht.

Vorteilhafterweise ist vorgesehen, daß die Zwischenschicht aus einer ersten, mit der Außenwand verbundenen Schicht aus einem elastomeren oder kautschukartigen polymeren Werkstoff und aus einer mit der ersten Schicht und der Metallkappe bzw. dem Endabschnitt fest verbundenen zweiten Schicht besteht, die als Lastverteilungsschicht ausgebildet äst. Letztere kann aus kunststoffgebundenen Fasern oder Fäden aus Glas, Metall, Kohlenstoff, Graphit, Bor oder Kunststoff bestehen. Diese Lastverteilungsschicht gewährleistet eine besonders gleichmäßige und zuverlässige Verteilung der Beanspruchung auf den durch Kerbspannungen

Bei einem bekannten Druckgefäß dieser Art (GB-PS
11 59 972) stehen die Außen- und die Innenwand über 45 gefährdeten Bereich und trägt damit zur Verhinderung

ihre gesamten, benachbarten Oberflächen bis unmittelbar zur Metallkappe hin in direkter Verbindung. Da das Material der Außenwand eine wesentlich höhere Streckgrenze als dasjenige der Innenwand aufweist, wird bei einer Belastung der Außenwand bis in die Nähe ihrer Streckgrenze die Innenwand plastisch überdehnt. Wird der Druck im Inneren des Druckgefäßes dann aufgehoben, wirft die Innenwand Falten. Diese Falten treten in erster Linie im Bereich des Überganges von der Metallkappe zum gewölbten Endabschnitt auf. Der Grund hierfür liegt darin, daß an dieser Übergangsstelle Kerbspannungen unvermeidlich sind.

Die US-PS 3137 405 schlägt eine Lösung dieses Problems vor. Diese besteht darin, zwischen den Außen- und der Innenwand einen durch Distanzhalter gesicherten Zwischenraum zu belassen und diesen Zwischenraum gleichzeitig mit dem Füllen des Druckgefäßes mit einem gasförmigen Druckmittel auszufüllen. Beim Entleeren des Druckgefäßes muß auch der Zwischenraum druckfrei gemacht werden. Dieses bekannte Druckgefäß ist aufwendig in Herstellung und Betrieb.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Druckgefäß der eingangs beschriebenen Gattung so von Faltenbildungen bei.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 einen Längsschnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Druckgefäßes,

Fig.2 einen Teillängsschnitt in im Vergleich zu F i g. 1 vergrößerten Maßstab,

Fig.3 eine der Fig.2 entsprechende Darstellung bei unter Druck stehendem Gefäß,

Fig.4 einen Querschnitt durch ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen DruckgefäBes,

Fig. 5 einen Längsschnitt durch ein Druckgefäß gemäß dem Stande der Technik,

Fig.6 einen Teillängsschnitt des Gefäßes nach F i g. 5 in gegenüber F i g. 5 vergrößertem Maßstab und

F i g. 7 einen Teillängsschnitt einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Druckgefäßes.

Ein erfindungsgemäßes Druckgefäß hat im allgemeinen eine zylindrische Form, wie in Fig. 1 dargestellt, oder eine Kugelform, wie in Fig.4 gezeigt. Ein Druckgefäß 1 weist eine Innenwand 3 aus Metall auf, die bei dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 1 und 2 einen

zylindrischen Abschnitt 4 und gewölbte Endabschnitte 5 besitzt Mit den gewölbten Abschnitten 5 fest, insbesondere einteilig, verbunden sind die Gefäßpole bildende Metallkappen 2 mit nach außen vorspringenden Ansätzen 29. Mindestens eine Kappe 2 weist eine öffnung 30 auf, wodurch ein Zugang zum Innenraum des Druckgefäßes geschaffen wird. Innerhalb der öffnung 30 können Einrichtungen (z. B. ein Schraubengewinde, nicht dargestellt) zur Befestigung anderer Metallteile (nicht dargestellt) vorgesehen sein. Die andere Kappe 2 kann, wie bei 31 dargestellt, massiv sein. Die Innenwand 3 kann aus verschiedenen Metallen, wie _z. B. einem rostfreien Stahl vom Typ 304, einem rostfreien Stahl vom Typ 321, einem rostfreien Stahl vom Typ 347, Aluminium, Aluminiumlegierungen, Nickel, Nickellegierungen, Titan, Titanlegierungen, Platin, hergestellt sein. Diese zur Herstellung der Innenwand verwendeten Metalle können außerdem dadurch charakterisiert sein, daß sie jeweils einen hohen Elasiizitäismodul, der im allgemeinen 0,7 χ )0^b kg/cm-I10⁷ psi) oder mehr beträgt, und eine niedrige Bruchdehnung, im allgemeinen innerhalb des Bereiches von 0,05 bis etwa 1 %, haben.

Das Auskleidungsverhältnis ist definiert durch den zylindrischen Durchmesser der Innenwand, geteilt durch die Dicke der Innenwand. Dieses Verhältnis kann je nach Verwendung des Druckgefäßes zwischen 20 und 500 variieren.

In der F i g. 2 ist die Verbindungsstelle zwischen dem gewölbten Endabschnitt 5 und dem zylindrischen Abschnitt 4 mit 5Λ bezeichnet. Eine verstärkende Lastverteilungsschicht 6 ist mittels eines Klebstoffes an den gewölbten Endabschnitt 5 gebunden. Sie überdeckt den Verbindungsabschnitt TA zwischen dem gewölbten Endabschnitt und der Metallkappe 2, erstreckt sich jedoch nicht bis zur Verbindungssteile 5Λ. Die Lastverteilungsschicht 6 kann z. B. aus den folgenden Werkstoffen bestehen: Fäden oder Fasern aus Glas, Metall, Kohlenstoff, Graphit, Bor, Kunststoffen. Sie kann in Form eines Gespinstes oder eines Gewebes vorliegen. Das Gespinst oder Gewebe kann mit Harzen, wie z. B. Epoxyden, Polyamiden, Polyimiden, Polyestern, Polyolefinen, Silicor.en, Polyurethanen, oder Kombinationen davon, imprägniert werden. Die Dicke der Lastverteilungsschicht 6 kann zwischen 0,0305 und 1,27 cm (0,012 bis 0,5 inches) liegen oder gev/ünschtenfalls kleiner oder größer sein. Die Lastverteilungsschicht 6 kann eine höhere Bruchdehnung aufweisen als das Innenwandmaterial. Diese Bruchdehnung liegt zwischen etwa 0,5 und etwa 3,5%, z. B. zwischen etwa 1 bis etwa 3%. Wenn die Innenwand 3 aus einem rostfreien Stahl mit einer Bruchdehnung von 0,2% besteht, kann die Lastverteilungsschicht 6 eine Bruchdehnung aufweisen, die etwa bei 1,5% liegen sollte. Es liegt im Rahmen der Aufgabenstellung, daß die Innenwand 3 einem solchen Innendruck unterworfen wird, daß die Innenwand ihre Streckgrenze überschreitet. Wenn dieser Druck weggenommen wird, kehrt die Innenwand nicht zu ihrer ursprünglichen Gestalt zurück.

Die Metallinnenwand ist von einer fa.serbewehrten Außenwand, z. B. aus mit Harz imprägnierten Glasfa sern, umhüllt. Liegen Außen- und Innenwand im Bereich der gewölbten Endabschnitte unmittelbar aneinander an, tritt an der Verbindungsstelle TA, wie in den F i g. und 6 dargestellt, eine Ausbeulung bzw. Faltenbildung der Innenwand auf. Dies ist darauf zurückzuführen, daß bei TA ein Bereich mit drastischer Dickenverringerung vorliest, wodurch dieser Ort der schwächste Punkt oder der Punkt mit der höchsten Kerbspannungsbeiastung ist. Die Lastverteilungsschicht 6 setzt die Spannungskonzentrationen bei TA herab und verteilt die Belastung über einen größeren Teil der Wölbung bei 5.

In erster Linie obliegt der Spannungsabbau aber einer elastischen Zwischenschicht 8 aus einem elastomeren oder einem kautschukartigen Polymerisat aus /.. B. Chlorbutylkautschuk, SBR, Neopren, Siliconkautschuk, Polyvinylchlorid, Polyvinylalkohol. Die Zwischenschicht 8 ist durch eine Bruchdehnung von mehr als 10% und einen niedrigen Elastizitätsmodul von weniger als 21 100 kg/cm² (300 000 psi) und vorzugsweise einen solchen von 35,2 bis 352 kg/cm² (500 bis 5000 psi) charakterisiert. Für kryogene Anwendungszwecke kann die Zwischenschicht aus einem Material mit einer geringen Reibung, wie z. B. Polytctralfluoräthylen, Tetrafluoräthylen/Hexafluorpropylen-Misehpolymerisate, bestehen. Die Dicke der Zwischenschicht ist eine Funktion des verwendeten Materials und der Größe und des Verwendungszweckes des Druckgefäßes.

Der übrige freiliegende Teil der Innenwand 3 und die Zwischenschicht 8 werden mit einem Harzklebstoff 20 überzogen und dann mit einer Vielzahl von mit Harz imprägnierten Wickelfadenschichten 11 umwickelt. Diese Schichten 11 sind untereinander verbunden und bilden eine gehäuseförmige Außenwand 10, die mit der Innenwand 3 und der Zwischenschicht 8 verbunden ist. Die Außenwand liefert den Hauptteil der Festigkeit des Druckgefäßes. Sie kann gewünschtenfalls jede beliebige Anzahl von Schichten 11 umfassen. Alternativ können im Rahmen der Erfindung die Fadenwickelschichten 11 durch ein mit Harz imprägniertes Faser- oder Fauengewebe ersetzt werden oder es kann eine Kombination von mit Harz imprägnierten Fadenwickelschichten und Gewebeschichten verwendet werden. In dem Bereich der Verbindungsstelle SA können Gleitebenen oder Ebenen 12 mit einer geringen Reibung zwischen einer oder mehreren vorher ausgewählten Außenwandschichten 11 verwendet werden, um eine übermäßige Dehnung der inneren und äußeren Schichten durch wiederholte Expansion und Kontraktion des Druckgefäßes bei der cyclischen Unterdrucksetzung und Entspannung zu verhindern. Diese Gleitebenen 12 sind auf den Bereich der Verbindungsstelle 5A von zylindrischem Teil 4 mit gewölbtem Endabschnitt 5 begrenzt.

Die Zwischenschicht 8 erlaubt die Ausdehnung der Außenwand 10, wenn das Druckgefäß 1 unter Druck gesetzt wird bei gleichzeitiger Beibehaltung der verbundenen Einheit der Gesamtstruktur. Ein Teil des Druckgefäßes 1 ist in Fi g. 3 im unter Druck gesetzten Zustand dargestellt. Die Zwischenschicht 8 ist im extremen Scherzustand und die Außenwand 10 in einem gedehnten Zustand dargestellt. Die Schalenform ist dabei abgeflacht, was durch einen Doppelpfeil angedeutet ist. Die gehäuseförmige Außenwand 10 übt eine innere Druck- oder Widerstandskraft auf den gewölbten Endabschnitt 5 und die Lastverteilungsschicht 6, übertragen durch die Zwischenschicht 8, aus. Auf diese Weise wird eme ausreichende Stützkraft auf die gewölbten Endabschnitte 5/4 ausgeübt, so daß auch dann kein Bruch, keine Ausbeulung und keine Faltenbildung auftritt, wenn das Innenwandmaterial seine Streckgrenze überschreitet.

Die Fadenwickelschichten 11 (oder das Gewebe) können aus verschiedenen Materialien, wie z. B. Fäden oder Fasern aus Glas, Metall, Kohlenstoff, Graphit, Bor, Kunststoffen, hergestellt sein und sie können in Form

eines Gespinstes oder eines Gewebes vorliegen. Die Schichten U können mit dem gleichen oder einem ähnlichen Harzmaterial wie die Lastverteilungsschicht 6 imprägniert werden, so daß beide praktisch die gleichen oder kompatible physikalische Eigenschaften, z. B. Streckgrenzen, haben.

Bei der Ausführungsform der Erfindung nach F i g. 7 ist die Lastverteilungsschicht 6 weggelassen. Die bei diesem Ausführungsbeispiel vorgesehene Metallkappe 52 ist durch eine präzise Maschinenbearbeitung sehr _]0 sorgfältig und allmählich verjüngt, so daß sie genau mit dem gewölbten Endabschnitt 55 zusammenpaßt. Dadurch ist die Kerbspannungsbelastung soweit gemindert, daß eine den gewölbten Endabschnitt 55 verstärkende Lastverteilungsschicht nicht erforderlich ist. Die Zwischenschicht 58 ist direkt mit dem gewölbten Endabschnitt 55 und der Außenwand 50 verbunden.

Die Zwischenschicht 8 bzw. 58 erstreckt sich nicht über die gesamte Gefäßhöhe; sie muß vielmehr zwischen den gewölbten Endabschnitten 5 bzw. 55 unterbrochen sein.

Als Imprägnierharze für die Lastverteilungsschichtfäden und/oder -gewebe und für die Außenwandschichtfäden und/oder -gewebe können die verschiedensten Materialien verwendet werden, wie z. B. Epoxydc, Polyamide, Polyimide, Polyester, Polyolefine, Silicone, Polyurethane und Kombinationen davon. Die zum Verbinden der jeweiligen Teile des Druckgefäßes verwendeten Klebstoffe können aus den gleichen Materialien bestehen.

Nachdem vorstehend der Aufbau des Druckgefäßes beschrieben wurde, soll nachfolgend seine Herstellung erläutert werden.

Bevorzugt wird die Innenwand aus drei vorgefertigten Teilen zusammengesetzt, nämlich zwei gewölbten Abschnitten und einem zylindrischen Zentralabschnitt. Die folgenden Schritte erläutern ein Verfahren zur Herstellung des Druckgefäßes:

a) Die Metallkappen werden durch Schweißen oder auf andere Art und Weise an den gewölbten Abschnitten befestigt:

b) die gewölbten Abschnitte werden dann wiederum durch Schweißen oder auf andere Art und Weise an dem Zcntralabschnitt befestigt unter Bildung einer einheitlichen dünnen Metallinnenwand;

c) die Metallinncnwand wird dann einer vollständigen Reinigung unterzogen und gleichzeitig wird eine platte, halbpolierte äußere Oberfläche erzeugt;

■ die Innenwand wird mit Gasen und Flüssigkeiten sowohl innerhalb als auch außerhalb einer Vakuumkammer unter Druck getestet;

e) die äußere Oberfläche der Innenwand wird mit einer Grundierversiegelung, beispielsweise aus modifizierten Epoxyden, Polyamiden, Polyimiden. Polyestern. Polyolefinen. Siliconen und Polyurethanen, überzogen; dann wird die Versiegelungsschicht in einem Ofen etwa 1¹Aj Stunden lang bei etwa 160° C (320° F) gehärtet;

f) die äußere Oberfläche wird mit einem Harzklebestoff der Stufe A in einem Ofen bei etwa 66⁰C (150° F) etwa 1 bis etwa 2 Stunden lang üLjrzogen, gleichzeitig eine Vernetzung des Harzes praktiscl verhindert wird;

g) die gewölbten Abschnitte werden mit einen Harzüberzug versehen und die La.stvertcilungsschichten, die mit dem gleichen Harz imprägniert sind, werden auf die gewölbten Teile gelegt (zi diesem Zeitpunkt kann die gesamte äußere Oberfläche der Innenwand gcwünschtenfalls mil einem Harz beschichtet werden);
h) die Innenwand mit den gewölbten Lastverteilungs schichten wird unter Verwendung von Heizlam pcnbatterien etwa 16 Stunden lang bei etwa 57°C (135° F) in die ß-Stufe überrührt;
i) die gewölbten Lastverteilungsschichten werder mit einem Klebeharzüberzug versehen und die elastomere Zwischenschicht wird über die gewölbten Lastverteilungsschichten gelegt;
j) die gesamte äußere Oberfläche der Innenwand und der Zwischenschicht werden mit einem Har? beschichtet und anschließend mit einer ersten Umwicklung aus einem mit Harz imprägnierter Gespinst versehen. Das Gespinst wird sowohl longitudinal als auch um den Umfang gewickelt Alternativ kann der erste Überzug ein mit Harz imprägniertes Gewebe sein und die folgender Überzüge können ebenfalls aus einem mit Har/ imprägnierten Gewebe bestehen. Diese Verfahren sind an sich bekannt (vgl. z. B. die US-Patentschrift 35 08 677, in der ein derartiges Verfahren beschrieben ist):

k) der Gesamtaufbau wird in einen Ofen gebracht, ir die ß-Stufe überführt, dann bei einer Temperatur von etwa 143 bis etwa 163°C (290 bis 325° F) etwa 15 bis 18 Stunden lang im Ofen gehärtet;
1) für große Kessel wird, wenn die Innenwand zurr Tragen von schweren Umwicklungen zu schwach ist, das Druckgefäß zuerst unter Druck gesetzt und dann die resiiiehen. mit Harz imprägnierter Schichten auf die Innenwand aufgebracht. Die Anzahl und Dicke der Schichten bestimmt sich. nach der gewünschten Endform;
m) die Gleitebcncn odi.·- Reibungsebenen werder zwischen den gewünschten Schichten während dei Fadenaufwicklung aufgelegt (in einigen Fällen ist c· erwünscht, sie in die ß-Stufe zu überführen und progressiv zu härten, wenn die Außcnwandsehichten zugegeben werden, wobei es erforderlich ist daß der Aufbau etwa 15 bis etwa 18 Stunden lang ir einen Ofen einer Temperatur von etwa 143 bis ctw;i lb3°C (290 bis 325^C F) gebracht wird, um da; gewünschte Ergebnis zu erzielen);
n) nach Fertigstellung des Druckgefäßes wird es schließlich in die ß-Stufe überführt und in einen-Ofen etwa 18 Stunden lang bei etwa 157°C(315^rF; gehärtet.

Bei bestimmten Ausführungsformen der Erfindung kann eine Zwischenschicht mit niedriger Reibung, wie z. B. aus Polytetrafluorethylen, die Elastomer- odet Kautschukpolymerisat-Zwischenschicht der Stufe (Ϊ ersetzen. Es ist jedoch nicht erforderlich, die PTFE-Zwischenschicht mit der Lastverteilungsschicht zu verbin

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Druckgefäß zum Aufnehmen von Fluiden, mit einer Innenwand aus Metall, die wenigstens einen gewölbten Endabschnitt aufweist, welcher mit einer Metallkappe verbunden ist, und mit einer faserbewehrten, die Innenwand umgebenden und mit dieser verbundenen Kunststoffaußenwand, dadurch gekennzeichnet, daß eine sich von der Metallkappe (30 bzw. 31) bis über den Verbindungsbereich (7A) zwischen Metallkappe und Endabschnitt (5) erstreckende, elastische Zwischenschicht (8, 6; 58) vorgesehen ist, die einerseits mit der Metallkappe bzw. dem Endabschnitt und andererseits mit der Außenwand (10) fest verbunden ist.

2. Druckgefäß nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschicht (58) einheitlich aus einem elastomeren oder kautschukartigen polymeren Werkstoff besteht.

3. Druckgefäß nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschicht (8, 6) aus einer ersten, mit der Außenwand (10) verbundenen Schicht (8) aus einem elastomeren oder kautschukartigen polymeren Werkstoff und aus einer mit der ersten Schicht und der Metallkappe (29) bzw. dem Endabschnitt (5) fest verbundenen zweiten Schicht (6) besteht, die als Lastverteilungsschicht ausgebildet ist.

4. Druckgefäß nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Lastverteilungsschicht (6) aus kunststoffgebundenen Fasern oder Fäden aus Glas, Metall, Kohlenstoff, Graphit, Bor oder Kunststoff besteht.