DE2341765C3 - Zylindrischer, in Mehrlagenbauweise hergestellter Druckbehälter - Google Patents
Zylindrischer, in Mehrlagenbauweise hergestellter DruckbehälterInfo
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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 Behälterboden
aufweist.
Bekanntlich werden großvolumige zylindrische Druckbehälter aus einem Vollwandmaterial hergestellt,
die mit den Behälterboden verschweißt werden. Mit zunehmenden
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 mehrlagigen 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 Mehrlagenbauweise
genauso berechnet wird wie das eines Vollwandmantels. 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 Biegesteifigkeit
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 Sekundärwirkung
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 ist.
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 VlI. 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 /ur Außenseile 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 Biege! nie auf der Nullinie einen Wendepunkt. In diesem I i 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
sinuskurvenähnlich verformten Mantels vorgesehen ist.
Dadurch, daß die Umfangsschweißung im Bereich des Biegelinienwendepunktes 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
verhindern (US-PS 19 25 118). Diese Umfangsschweißungen
sind jedoch willkürlich angeordnet, d. h. sie sind nicht an den erfindungsgemäß gefundenen, hinsichtlich
der Biegesteifigkeit vorteilhaften Stellen i.ngeordnet.
In vorteilhafter Weiterbildung des Druckbehälters
kann zumindest ein sich von der Verbindungsnaht mit dem Behälterboden zu einem Biegelinienwendepunkt
erstreckender Mantelabschnitt von einem Vollwaidabschnitt gebildet werden. Außerdem kann zumindest ein
Mantelabsciinitt 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 B!;gelinienwendepunklc;
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 Biegekräfte 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 On des ersten Biegelinienwendepunktes 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 11, 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 Endbereich des Mantels
vorherrschenden äußeren Kraft nimmt in einem gegebenen Abstand von diesem Bereich ab und verschwindet
ganz.
Der in F i g. 5 gezeigte Druckbehälter unterliegt einer Biegung in einer Richtung, so daß kein Biegeli
nienwendepunkt gegeben ist. F i g. 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 Druckbehälters.
Bei einem Druckbehälter mit einem VollwandmanteL 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 S, 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 5483 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 werden, verschwindet an dem vierten Punkt 8, wodurch auf
einen fünften Punkt verzichtet werden kann.
Wenn diese Maßnahmen zur Erhöhung der Biegesteifigkeit nicht getroffen werden und der Druckbehälter
somit eine kleine Biegesteifigkeit aufweist, liegt der Punkt, an welchem 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 Biegelinienwendepunlcten
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 Vollwandabschnitten 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)
1. Zylindrischer, in Mehrlagenbauweise hergestellter Druckbehälter, dessen Mantel wenigstens
eine die einzelnen Lagen verbindende Umfangssehweißung zusätzlich zu den Verbindungsnähten
zwischen dem Mantel und den Behälterboden 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
Mantelabschnitt (9) als Vollwandabschnitt ausgebildet ist.
3. Druckbehälter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Mantelabschnitt
zwischen zwei Biegelinienwendepunkten als Vollwandabschnitt ausgebildet ist.
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP8239572 | 1972-08-17 | ||
JP8239572A JPS545124B2 (de) | 1972-08-17 | 1972-08-17 |
Publications (3)
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DE2341765B2 DE2341765B2 (de) | 1976-02-05 |
DE2341765C3 true DE2341765C3 (de) | 1976-09-23 |
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