DE2341765B2 - Zylindrischer, in mehrlagenbauweise hergestellter druckbehaelter - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen zylindrischen, in Mehrlagenbauweise hergestellten Druckbehälter, dessen Mantel wenigstens eine die einzelnen Lagen verbindende Umfangsschweißung zusätzlich zu den Verbindungsnähten zwischen dem Mantel und den Behälterböden aufweist.

Bekanntlich werden großvolumige zylindrische Druckbehälter aus einem Vollwandmaterial hergestellt, tue mit den Behälterböden verschweißt werden. Mit zutiehmenden Abmessungen haben solche Druckbehälter jedoch den Nachteil, daß sie herstellungstechnisch sehr Aufwendig sind und infolge von möglichen Materialfehlern in dem Vollwandmaterial den Sicherheitsansprüchen nicht genügen.

Man ist deshalb dazu übergegangen, einen mehrlagieen Mantel zu verwenden. Druckbehälter mit solchen Mänteln haben sich auch bei sehr hohen Innendrücken (als äußerst betriebssicher erwiesen, obwohl man noch keinen Weg gefunden hat, die Festigkeit eines solchen Behälters theoretisch genau zu berechnen.

Man geht davon aus, daß das Spannungsverhalten eines unter Druck stehenden Mantels der Mehrlagen-Ibauweise genauso berechnet wird wie das eines Voll-'wandmantels. Die Untersuchung des Spannungsverhaltens hat gezeigt, daß unabhängig von der Bauweise des !Mantels das sekundäre örtliche Biegeverhalten einen erheblich größeren Einfluß hat als die durch den Innendruck verursachte primäre Spannung. Die Biegesteifig-Ikeit des Endbereiches des Mantels angrenzend an die Schweißverbindung mit dem Behälterboden wird ausgehend von der Annahme berechnet, daß der zylindrische Vollwandbehälter als Biegebalken behandelt werden kann.

Bei einem Druckbehälter mit einem mehrlagigen Mantel kann die Berechnung der Biegesteifigkeit im Mantelendbereich auf ähnliche Weise wie bei einem Vollwandmantel vorgenommen werden. Da die einzelnen Lagen jedoch voneinander getrennt sind, ist die Biegesteifigkeit verglichen mit einem Vollwandmantel kleiner, wenn man von den bekannten Berechnungsmethoden ausgeht. Die Biegekraft, die auf Grund der Se-765

kundärwirkung im Endbereich angrenzend an die Schweißnaht zwischen dem Mantel und dem Behälterboden hervorgerufen wird, ist der Biegesteifigkeit in diesem Bereich zugeordnet, d. h. die Biegekraft ist umso kleiner, je kleiner die Biegesteifigkeit isi.

Diese kleinere Biegesteifigkeit muß nicht zwangsweise zu einer großen Biegespannung führen. In der Praxis wird bei den bekannten Berechnungsmethoden jedoch eine sehr große Biegespannung vorausgesetzt. Das führt dazu, daß die Festigkeit des Mantels in Mehrlagenbauweise kleiner ist als die des Vollwandmantels.

Man hat überlegt, daß die dem Biegebalken zugrunde liegende Berechnungsmethode das tatsächliche Spannungsverhalten eines mehrlagigen Mantels nicht gut wiedergibt, andere Berechnungsmethoden wurden jedoch bisher nicht gefunden.

Bekannt ist eine Methode zum Berechnen der Biegesteifigkeit eines zylindrischen Mantels (Timoschenko: Theory of Plates and Shells, ASME, Code Section VII, Div. 2). Bei dieser Methode wird die Biegesteifigkeit eines Balkens vorgegebener Stärke und Krümmung eines entlang der neutralen Biegelinie verlaufenden Radius durch Integrieren der Steifigkeit einzelner Längsabschnitte und Lagen erhalten, die sich in dem Balken von der Innenseite zur Außenseite erstrecken. Wenn die übereinanderliegenden Lagen ihre relative Position zueinander beibehalten, d. h. sich nicht relativ zueinander verschieben, ergibt sich für einen Druckbehälter mit einem Vollwandmantel und einem Mehrlagenmantel die gleiche Biegesteifigkeit. Für einen mehrlagigen Mantel unter einer Biegedeformation kann deshalb die vorstehende Beziehung auch dann angesetzt werden, wenn sich der Mantel zweier verschiedener Krümmungsradien biegt, wobei sich diese Krümmungsradien dann nur auf der gleichen Seite der Biegungsnullinie befinden müssen.

Wenn die Krümmungsradien so verlaufen, daß sie auf der Oberseite und der Unterseite der Biegungsnullinie liegen, hat die Biegelinie auf der Nullinie einen Wendepunkt. In diesem Fall tritt eine Änderung der relativen Stellung der einzelnen Lagen des Mantels zueinander ein, d. h. die einzelnen Lagen verschieben sich zueinander, wodurch die Biegesteifigkeit des Mantels verringert wird.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, den Druckbehälter der eingangs beschriebenen Art so auszubilden, daß sein Mantel die gleiche Biegesteifigkeit wie ein Vollwandmantel hat.

Diese Aufgabe wird bei dem zylindrischen, in Mehrlagenbauweise hergestellten Druckbehälter der eingangs beschriebenen Art dadurch gelöst, daß die Umfangsschweißung an zumindest dem ersten Biegelinienwendepunkt, ausgehend von der Verbindungsnaht zwischen Mantel und Behälterboden, des unter Innendruck sinuskut venähnlich verformten Mantels vorgesehen ist.

Dadurch, daß die Umfangsschweißung im Bereich des Biegelinienwendepunktcs in dem Mantel ausgeführt wird, wird erreicht, daß die relative Stellung der einzelnen Lagen beibehalten wird, d. h. der Mantel verhält sich hinsichtlich der Biegesteifigkeit wie ein Vollwandmantel. Dabei wird vorausgesetzt, daß der Mantel der Mehrlagenbauweise nicht ausbeult, nicht knickt oder andere Instabilitäten aufweist. Derartige Instabilitäten können jedoch dadurch verhindert werden, daß die innerste Lage eine größere Stärke hat.

Es ist zwar bereits bekannt, bei einem zylindrischen Mehrlagendruckbehälter Umfangsschweißungen vorzunehmen, um ein Verschieben der einzelnen Lagen zu

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verhindern (US-PS 19 25 118). Diese Umfangsschweißungen sind jedoch willkürlieh angeordnet, d. h. sie sind nicht an den ei findungsgemäC gefundenen, hinsichtlich der Biegesteifigkeit vorteilhaften Stellen angeordnet.

In vorteilhafter Weiterbildung des Druckbehälters kann zumindest ein sich von der Vcrbinduiigsnaht mit dem Behälterboden zu einem Biegclinienwendepunkt erstreckender Mantelabschnitt von einem Vollwandabschnitt gebildet werden. Außerdem kann zumindest ein Mantelabschnitt zwischen zwei Biegelinienwendepunkten von einem Vollwandabschnitt gebildet werden.

An Hand der Zeichnungen wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert.

F i g. 1 zeigt schematisch im Axialabschnitt einen Mehrlagendruckbehälter mit einer sinusförmigen Biegelinie:

F i g. 2 zeigt im Axialschnitt einen Druckbehälter mit Umfangsschweißungen im Bereich der Biegelinienwendepunkte:

F i g. 3 und 4 zeigen im Axialschnitt zwischen zwei Umfangsschweißungen in Biegelinienwendepunkten eingesetzte Vollwandabschnitte;

F i g. 5 und 6 zeigen schematisch mögliche Biegekurven eines Mehrlagenmantels eines Druckbehälters.

In F i g. 1 ist ein zylindrischer Druckbehälter mit einem Mantel gezeigt, der einer sekundären Biegung ausgesetzt ist, die beispielsweise durch Biegikräfte und Scherkräfte an der Schweißverbindung zwischen dem Mantel und dem Behälterboden oder in der Nähe dieser Schweißverbindung verursacht werden. Die gezeigte Biegelinie verläuft sinusförmig um die Nullinie, so daß die Biegelinie an den Schnittpunkten mit der Nullinie Wendepunkte 1, 2, 3 und 4 hat. Der Ort des ersten Biegelinienwendcpunktes ergibt sich aus der Korrelation zu den Verbindungsnähten mit den Behälterboden an den gegenüberliegenden Endbereichen des Mantels. Die Orte der Wendepunkte, ausgehend von dem zweiten Wendepunkt 1, sind um die Abstände II, 12 und 13 voneinander entfernt, die sich mit dem Durchmesser, der Wandstärke, der Biegesteifigkeit usw. eines Zylinders unabhängig von äußeren Kräften berechnen lassen.

Die Größe der Verformung nimmt, ausgehend vom Endbereich des Mantels, zu seinem Mittelteil hin ab und geht nahezu auf Null im Bereich des Endes des Mantels. Der Einfluß der an dem Endbercich des Mantels vorherrschenden äußeren Kraft nimmt in einem gegebenen Abstand von diesem Bereich ab und verschwindet ganz.

Der in Fig. 5 gezeigte Druckbehälter unterliegt einer Biegung in einer Richtung, so daß kein Bicgelinienwendepunkt gegeben ist. Fig.6 zeigt schematisch einen Druckbehälter, dessen Biegelinie einen Wendepunkt aufweist.

Bei einem Hochtemperatur-Hochdruck-Reaktorzylinder mit einem Durchmesser von 3800 mm und einer Wandstärke von 200 mm ergeben sich im Mantel drei Biegelinienwendepunkte in einem Abstand von 315,850 und 1310 mm von der Verbindungsnaht zwischen dem Mantel und dem einen Behälterboden des Druckbehälter:». Bei einem Druckbehälter mit einem VolKvandmantel mit den gleichen Abmessungen ergibt sich ein weiterer Biegelinienwendepunkt in einem Abstand von 1500 mm von der Verbindungsnaht oder dem Randbereich des Mantels.

An den vier Punkten 5, 6, 7 und 8, wie sie in F i g. 2 gezeigt sind, werden Umfangsschweißungen ausgeführt, wodurch die Biegesteifigkeit des mehrlagigen Druckbehälters erhöht wird. Der Grund für die ungleichen Abstände der ersten drei Punkte besteht darin, daß der zweite Punkt ausgehend davon bestimmt wird, daß der erste Punkt ein Punkt hoher Steifigkeit ist, also eine Stelle, an der sich über der Wandstärke des Mantels eine Umfangsschweißung erstreckt. Das heißt mit anderen Worten, daß der Abstand als Vollwandstück angesehen wird. Die Stelle des dritten Punktes wird in gleicher Weise bestimmt, was zur Folge hat. daß sich ein Abstand ergibt, der sich von dem der ersten beiden Punkte unterscheidet. Der Grund für die Ausführung der Umfangsschweißung an dem 1500 mm von der Umfangsschweißung im Endbereich des Mantels entfernten Punkt 8 besteht darin, daß die von der Umfangsschweißung der Punkte 5, 6 und 7 überdeckte Spannweite jetzt als Vollwand angesehen wird. Unter dieser Voraussetzung ergibt sich ein weiterer Biegelinienwendepunkt 8, wie dies oben beschrieben wurde. Wenn in den vier Punkten 5, 6, 7 und 8 Umfangsschweißungen ausgeführt werden, die sich über die Wandstärke des Mantels erstrecken, verschwindet der Einfluß der an einem solchen als Vollwand anzusehenden Mantel ausgeübten äußeren Kräfte an einem Punkt, der einen Abstand von 1483 mm von dem Endbereich des Mantels aufweist. Der Einfluß der Scherkraft und der Biegekraft, die an der Verbindungsnaht zwischen dem Behälterboden und dem Mantel hervorgerufen weiden, verschwindet an dem vierten Punkt 8. wodurch aiii einen fünften Punkt verzichtet werden kann.

Wenn diese Maßnahmen zur Erhöhung der Biege steifigkeit nicht getroffen werden und der Druckbehälter somit eine kleine Biegesteifigkeit aufweist, liegt der Punkt, an weichem die äußere Kraft verschwindet, an einer Stelle in einem Abstand von 907 mm von dem Endbereich des Mantels.

Obwohl bei der vorstehend beschriebenen Ausführungsform Umfangsschweißungen an den Biegelinienwcndepunkten vorgesehen sind, können alternativ Vollwandabschnitte an Stelle der Umfangsschweißungen benutzt werden, wie dies durch den Vollwandabschnitt 9 in F i g. 3 veranschaulicht ist. Wenn zwei oder mehrere solche Vollwandabschnitte sich aneinander anschließen, braucht die Umfangsschweißung zwischen den Vollwandabschnittcn nicht zu erfolgen, so daß ein wesentlich längerer Abschnitt des Mantels als Vollwand ausgebildet werden kann, wie dies durch den Abschnitt 10 in F i g. 4 veranschaulicht ist.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche: 2341

1. Zylindrischer, in Mehrlagcr.bauvveise hergestellter Druckbehälter, dessen Mantel wenigstens eine die einzelnen Lagen verbindende Umfangsschweißung zusätzlich zu den Verbindungsnähten zwischen dem Mantel und den Behälterböden aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Umfangsschweißung (5, 6, 7. 8) an zumindest dem ersten Biegelinienwendepunkt (1, 2, 3, 4), ausgehend von der Verbindungsnaht zwischen dem Mantel und dem Behälterboden, des unter Innendruck sinuskurvenähnlich verformten Mantels vorgesehen ist.

2. Druckbehälter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein von der Verbindungsnaht zu einem Biegelinienwendepunkt (2) erstreckender Manielabschnilt (9) als Vollwandabschnitt ausgebildet ist.

3. Druckbehälter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Mantelabschnitt zwischen zwei Biegelinienwendepunkten als Vollwandabschnitt ausgebildet ist.