DE2648613A1

DE2648613A1 - Druckgefaess

Info

Publication number: DE2648613A1
Application number: DE19762648613
Authority: DE
Inventors: Hugh Prof Ford; George Mraz; Jean-Noel Simier
Original assignee: CHARBONNAGES PAR ABREVATION CD; National Forge Co
Current assignee: CHARBONNAGES PAR ABREVATION CD; National Forge Co
Priority date: 1975-10-28
Filing date: 1976-10-27
Publication date: 1977-05-12
Also published as: BR7607138A; DK145833B; ATA779476A; IE43327B1; JPS5936145B2; AT348494B; DK145833C; AR212817A1; SE428151B; CA1056317A; FR2329912B1; IT1104630B; PT65733B; NL7611982A; FR2329912A1; SU841575A3; JPS5286516A; EG12308A; GB1514606A; DK485976A

Description

PATENTANWALT DR. HANS-GUNTHER EGGERT₁ DIPLOMCHEMIKER

5 KÖLN 51, OBERLÄNDER UFER 90

Köln, den 24.9.1976 Nr. 171

SOCIETE CHIMIQUE DES CHARBONNAGES, Tour Aurore, Cedex 5 92o8o Paris La Defense /Frankreich

NATIONAL FORGE COMPANY, Irvine (Warren Country) Pennsylvania 16 329 /USA

Druckgefäß

Viele Druckgefäße oder druckbeaufschlagte Reaktorgefäße, die bei chemischen Verfahren verwendet werden, erfordern, daß Mittel entweder zum Heizen oder Kühlen des Gefäßes vorgesehen werden. Zu diesem Zweck ist es üblich, einen Mantel zur Temperatursteuerung an dem Reaktorgefäß anzuschweißen, um einen ringförmigen Raum um das Gefäß zu bilden, durch den ein Wärmeübertragungsfluid strömen kann.

Druck gefäße, die bei relativ niedrigem Druck arbeiten -, werden gewöhnlich aus verschweißten Stahlplatten hergestellt. Im allgemeinen bereitet das Anschweißen eines Mantels zur Temperatursteuerung an ein derartiges Gefäß keine Schwierigkeiten, da das Gefäß aus einem Stahl hergestellt ist, der zum Schweißen geeignet ist.

Im Falle von Gefäßen und Reaktoren jedoch, die hohe Drücke aufzunehmen haben, werden verschiedene Konstruktionen verwendet, damit sie sicher die hohen Betriebsdrücke aushalten. Druckgefäße beispielsweise, die Drücke größer als etwa 350 kg/cm aufzunehmen haben, besitzen im allgemeinen Wandungen von beträchtlicher Stärke, beispielsweise

709819/0267

stärker als 7,6 cm, wobei das Material, aus dem die Gefäßwandung besteht, hochfeste Stahllegierungen anstelle von einfachen Kohlenstoffstellen sind. Hiermit verbunden ist aber die Tatsache, daß das zur Herstellung derartiger Druckgefäße verwendete" Material zum Schweißen nicht gut geeignet ist.

Gefäße, die bei hohen Drücken, beispielsweise Drücken größer

als 350 kg/cm arbeiten^werden zudem durch Schmieden des gesamten Gefäßkörpers aus einem einzelnen Block aus einer hochfesten Stahllegierung herstellt, wodurch die Notwendigkeit eines Schweißens des Gefäßaufbaus ausgeschaltet wird. Jedoch besteht noch die Notwendigkeit der Anbringung eines Mantels zur Temperatursteuerung, wobei es bisher üblich ist, geeignete Ansätze an der Außenseite des Gefäßkörpers durch Bearbeitung herzustellen und dann einen Mantel an diesen Ansätzen anzuschweißen. Jedoch ist mit einer derartigen Herstellungsart und dem sich daraus ergebenden Erzeugnis eine Anzahl von Problemen verbunden. Da das Gefäßmaterial nicht optimal zum Schweißen geeignet ist, ist beispielsweise eine umfangreiche Vorschweißbehandlung erforderlich, wie etwa ein stumpfes Aneinanderfügen ebenso wie ein sorgfältig gesteuertes Vorwärmen, um sicherzustellen, daß das Schweißen bei einer bestimmten erhöhten Temperatur vorgenommen wird. Nachdem das Schweißen ausgeführt ist, ist eine ebenfalls umfangreiche Wärmenachbehandlung notwendig. Trotz all dieser Vorkehrungen besteht eine beträchtliche Gefahr, daß die Schweißnähte brechen, wobei derartige Brüche, obwohl sie scheinbar nur lokale Fehler in den Mantelschweißnähten darstellen, sich vergrößern und in den Gefäßkörper ausbreiten können, wodurch ein vorzeitiger Ausfall bewirkt wird.

709819/0267

Die vorliegende Erfindung schafft eine wirksame Lösung des Problems des Anschweißens eines Mantels zur Temperatursteuerung an ein Hochdruckreaktorgefäß, wobei das Gefäß aus einem Material hergestellt ist, das zum Schweißen nicht gut geeignet ist.

Gegenstand der Erfindung ist daher ein Druckgefäß mit einem Mantel zur Temperatursteuerung, das gekennzeichnet ist durch wenigstens einen Ring, der um das Gefäß herum angeordnet und mit dem der Mantel verschweißt ist, wobei um den Ring herum Mittel zum radialen Zusammenpressen des Rings vorgesehen sind. Das radiale Zusammenpressen kann durch einen zweiten Ring, der auf den ersten Ring aufgeschrumpft ist, oder einen Gurt oder Draht, die um den ersten Ring gelegt sind, vorgenommen werden.

Der erste Ring kann um das Druckgefäß herum verschiebbar oder hierauf aufgeschrumpft sein. In jedem Falle ist das Material, aus dem der Ring gebildet wird, ein schweißbares Material.

Die Wandung des Druckgefäßes ist im allgemeinen einstückig ausgebildet und kann mit wenigstens einem sich nach außen erstreckenden Flansch versehen sein, um den der erste Ring angeordnet wird. Ferner wird die Wand des Druckgefäßes im allgemeinen aus einem hochfesten Legierungsmetall bestehen, das zum Schweißen nicht optimal geeignet ist. In dem Fall, in dem ein zweiter Ring verwendet wird, um den ersten Ring radial zusammenzupressen, wird der zweite Ring im allgemeinen aus einem hochfesten Material, beispielsweise einer hochfesten Stahllegierung ähnlich zu dem-jenigen Material, das zur Herstellung der Wandung des Druckgefäßes verwendet wird, bestehen.

709819/0267 .

Auf diese Weise kann ein Mantel zur Temperatursteuerung ohne weiteres auf dem ersten Ring aufgeschweißt werden. Ferner werden sich irgendwelche Bruchstellen, die sich als Ergebnis des Anschweißens des Mantels an den ersten Ring ergeben,nicht in die Wandung des Druckgefäßes fortsetzen. Da ferner der erste Ring anfänglich keiner wesentlichen Zugbeanspruchung unterworfen wird, wird diese Konstruktion sogar dann nicht versagen, wenn der Druck in dem Gefäß wesentlich über den normalen maximalen Arbeitsdruck erhöht wird. Auf diese Weise können die schweißbaren Ringe und der Mantel auf dem Gefäß angeordnet und das Gefäß anschließend bei Drücken getestet werden, die wesentlich größer als der normale maximale Arbeitsdruck des Gefäßes sind.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der in den beigefügten Abbildungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Fig. 1 zeigt eine Teilansicht einer Ausführungsform der Erfindung im Schnitt.

Fig. 2 ist ein Schnitt längs der Linie 2-2 von Fig. 1.

Fig. 3 bis 5 zeigen Ausschnitte weiterer Ausführungsformen der Erfindung im Schnitt.

In Fig. 1 ist ein Ausschnitt 10 der Wand eines Hochdruckreaktors oder -gefäßes gezeigt. Druckgefäße des Typs, den die Erfindung betrifft, werden im allgemeinen bei Drücken größer als 350 kg/cm betrieben und besitzen eine Wandstärke in der Größenordnung von 7,6 cm oder mehr. Wie vorher ausgeführt wurde, ist zur sicheren Aufnahme deraxtig hoher Drücke die Wandung eines solchen Gefäßes

709819/0267

oft einstückig, d.h. daß das Druckgefäß häufig aus einem einzigen Block aus einer hochfesten Stahllegierung geschmiedet ist. Während ein derartiges Material die genügende Festigkeit liefert, um den hohen inneren Drücken —im—Gefäß—zu—widerstehen·,—ist- es , -wie- bereits - ausgeführt wurde, im allgemeinen schwierig, irgendein Material, beispielsweise einen Mantel zur Temperatursteuerung, direkt hieran anzuschweißen. Obwohl derartige Schweißungen durchgeführt werden können, sind umfängliche Behandlungen vor und nach dem Schweißen notwendig. Wie ferner ausgeführt wurde, können sich Bruchstellen, die sich als Ergebnis des Schweißens entwickeln, in die Gefäßwandung fortsetzen und einen vorzeitigen Ausfall herbeiführen, wenn ein Mantel direkt an den Gefäßkörper angeschweißt wird.

Wie in Fig. 1 gezeigt, werden diese Probleme durch die vorliegende Erfindung dadurch gelöst, daß ein Ring 12 aus schweißbarem Stahl um die Gefäßwandung 10 herum und vorzugsweise um einen sich nach auswärts erstreckenden Flansch 14 herum angeordnet wird. Stähle oder andere Materialien, die als schweißbar bezeichnet werden, sind Ma-. terialien, die ohne wesentliche Vor- oder Nachbehandlungen geschweißt werden können. Im allgemeinen sind solche Materialien einfache Kohlenstoffstähle, die einen Kohlenstoffgehalt nicht größer als etwa 0,35 % aufweisen.

Wie in den Fig. 1 und 2 gezeigt ist, ist der schweißbare Kohlenstoffstahlring 12 um den Flansch 14 angeordnet und ein Mantel 18 zur Temperatursteuerung an dem Ring 12 wie bei 20 angeschweißt.

709819/0267

Vorzugsweise ist der Ring 12 anfänglich verschiebbar um den Flansch 14 herum angeordnet. Danach wird entsprechend der Ausführungsformen der Fig. 1 und 2 ein zweiter Ring 16 um den ersten Ring 12 herum aufgeschrumpft. Der zweite Ring 16 ist aus einem hochfesten Material, beispielsweise einer hochfesten Stahllegierung eines Typs/ wie sie für die Herstellung der Wandung 10 des Druckgefäßes verwendet wird. Da der zweite Ring 16 um den ersten Ring 12 herum aufgeschrumpft ist, dient der zweite Ring 16 zum radialen Zusammenpressen des ersten Rings 12. Als Ergebnis hiervon wird der Ring 12 gegen die äußere Oberfläche des Flansches gepreßt, wodurch eine flüssigkeitsdichte Abdichtung zwischen dem Flansch 14 und dem Ring 12 hervorgerufen wird. Bei dieser Konstruktion werden der Flansch 14 und der erste Ring 12 auf Druck und der zweite Ring 16 auf Zug beansprucht. Dies ist von Bedeutung in bezug auf die Beanspruchungen, die auf den ersten Ring 12 ausgeübt werden, wenn das Gefäß betrieben oder getestet wird. Wenn der Druck im Gefäß hoch ist, neigt das Gefäß dazu, sich radial auszudehnen. Einer derartigen radialen Ausdehnung wirkt im Bereich des Flansches 14 der aufgeschrumpfte Ring 16 entgegen. Da der aufgeschrumpfte Ring 16 aus hochfestem Legierungsmaterial besteht, ist er gut dazu geeignet, den Beanspruchungen zu widerstehen, die durch eine Ausdehnung des Druckgefäßes hervorgerufen werden. Wichtiger ist jedoch die Tatsache, daß der schweißbare Kohlenstoffstahlring 12 keinen wesentlichen Zugbeanspruchungen als Ergebnis der radialen Ausdehnung des Gefäßes ausgesetzt wird, da eine derartige Ausdehnung durch den aufgeschrumpften äußeren Ring 16 verhindert wird. Der erste Ring 12 wird daher primär Stauchbeanspruchungen unterworfen. Eine derartige Verteilung der Beanspruchungen ist wichtig im Vergleich zu der Situation, die auftreten würde, wenn der zweite Ring 16 nicht vorhanden und der erste Ring 12

^09819/0267

_₇-

um den Flansch 14 herum aufgeschrumpft wäre. Bei einer solchen Konstruktion würde die radiale Ausdehnung des Gefäßes wesentliche Zugbeanspruchungen in dem Ring 12 hervorrufen. Während der Ring 12 derartig ausgeführt sein kann, daß er solchen Beanspruchungen bei normalen Arbeitsdrücken ausreichend widersteht, ergeben sich Schwierigkeiten, wenn das Gefäß bei einem Druck geprüft werden soll, der beispielsweise das 1,5-fache des normalen maximalen Arbeitsdruckes beträgt. Wenn daher ein Druckgefäß bei einem Druck weit oberhalb seines normalen maximalen Arbeitsdruckes geprüft würde und der erste Ring 12 nicht mit einem zweiten Ring umgeben wäre, könnten die Beanspruchungen im Ring 12 den Fließpunkt des Materials, aus dem der Ring 12 hergestellt ist, überschreiten. Dieses Ergebnis ist besonders wahrscheinlich aufgrund der Tatsache, daß der Ring 12 aus einem schweißbaren Material (im allgemeinen ein einfacher Kohlenstoffstahl) hergestellt ist, so daß der Ring 12 nicht dieselbe Festigkeitseigenschaft wie der hochfeste legierte Stahl besitzt, der zur Herstellung des Gefäßkörpers verwendet wird.

Bei der in den Fig. 1 und 2 dargestellten Ausführungsform liefert daher der Ring 12 ein schweißbares Material, an dem der Mantel befestigt werden kann, während der Ring 16 den Ring 12 an seinem Platz hält und die gewünschte Abdichtung zwischen dem Ring 12 und dem Flansch 14 liefert. Zusätzlich nimmt der zweite Ring 16 Beanspruchungen auf, die von der radialen Ausdehnung des Druckgefäßes herrühren, und stellt sicher, daß der Ring 12 im wesentlichen nur Stauchbeanspruchungen unterworfen wird.

Obwohl die Aufteilung der Beanspruchungen wesentlich ist, besteht der wichtigste Aspekt dieser und weiterer Ausführungsformen der Erfindung darin, daß sich Schweißnahtbrüche

709819/Ό287

nicht in die Gefäßwandung hinein fortsetzen können. Wenn sich daher irgendwelche Schweißnahtbrüche bilden sollten, wenn der Mantel an den Ring 12 angeschweißt wird, wird ein—Anwachsen- dieser he—-nich-t—d-e ersehüftheifc—der Gefäßwandung beeinträchtigen. Schlimmstenfalls kann ein Leck in dem Niederdruckbereich für das Fluid zur Temperatursteuerung auftreten. Die Erfindung liefert daher ein verbessertes Verfahren zur Herstellung eines Hochdruckreaktors mit Mantel, wobei sich als Ergebnis der Durchführung dieses Verfahrens ein mit einem Mantel versehener Hochdruckreaktor mit vergrößerter Lebensdauer ergibt.

In Fig. 3 ist eine weitere Ausführungsform dargestellt, bei der der mittlere Randbereich des Flansches 14 unterschnitten ist, um einen Ringraum 24 zu liefern. Der Abstützflächenbereich zwischen dem Flansch 14 und dem Ring wird auf diese Weise verringert, während der Auflagerdruck zwischen dem Ring 12 und den verbleibenden Teilen des Flansches 14 vergrößert wird. Hierbei können ohne weiteres höhere Abdichtdrücke zwischen dem Ring 12 und dem Flansch erzielt werden. Im allgemeinen ist es wünschenswert, das eine Hochdruckdichtung irgendeines Typs zwischem dem Flansch 14, dem. Ring 12 und dem Ring 16 besteht, da es notwendig sein kann, eine Öffnung durch diese Teile vorzusehen. Eine derartige öffnung kann erforderlich sein, um Mittel zum Transportieren einer Arbeitsflüssigkeit in oder aus dem Reaktor zu liefern. Da der Druck der Arbeitsflüssigkeit

2 hoch sein wird, beispielsweise größer als 350 kg/cm , wird eine positive Hochdruckabdichtung gefordert, um sicherzustellen, daß die Arbeitsflüssigkeit nicht leckt.

Wie vorstehend im Zusammenhang mit Fig. 1 ausgeführt wurde, ist der Ring 12 im allgemeinen von Mitteln zum radialen

13/D 281

Zusammenpressen des Rings 12 umgeben. Fig. 4 und 5 zeigen weitere Ausführungsformen, um das gewünschte radiale Zusammenpressen des Rings 12 zu erzielen. Wie bei 28 in Fig. 4 gezeigt ist, kann der Ring mit hochfestem, gespanntem Stahldraht umgeben sein. In diesem Fall kann eine Abstützwandung 30 für den Draht vorgesehen sein.

Wie bei 32 in Fig. 5 gezeigt ist, kann der Ring 12 mit hochfesten, gespannten Stahlbändern umgeben sein, die die gewünschte Zugbeanspruchung liefern, um den Ring 12 radial zusammenzupressen.

Wie gestrichelt bei 38 in den Fig. 4 und 5 dargestellt ist, kann ein Teil des Flansches 14 ausgedreht sein, um den Auflagerdruck zwischen dem Flansch 14 und dem Ring 12 zu vergrößern. Der erste Ring 12 kann auch leicht aufgeschrumpft werden, um ihn an seinem Platz zu halten, bis er von den Mitteln zum radialen Zusammenpressen umgeben ist. Unter leichtem Aufschrumpfen wird hierbei ein Aufschrumpfen verstanden, das ausreichend ist, um den ersten Ring an seinem Platz zu halten, das jedoch nicht ausreicht, daß der erste Ring Zugbeanspruchungen einer solchen Größe unterworfen wird, daß der Fließpunkt des Materials des ersten Rings während des Prüfens oder der Verwendung des Gefäßes überschritten würde.

709813/0267

Leerse ite

Claims

Patentansprüche

,ly-D-rtiGkgefäß—mtel·—zur peratuuerung, gekennzeichnet durch

a) wenigstens einen Ring (12) , der um das Gefäß herum angeordnet und mit dem der Mantel (18) verschweißt ist,

b) Mittel zum radialen Zusammenpressen des Rings (12).
2. Druckgefäß nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandung (10) des Gefäßes einstückig ist.
3. Druckgefäß nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Mittel zum radialen Zusammenpressen aus Draht (28) besteht, der um den Ring (12) gewickelt ist.
4. Druckgefäß nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Mittel zum radialen Zusammenpressen aus einem Band oder Gurt (32) besteht, der um den Ring (12) gelegt ist.
5. Druckgefäß nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandung (10) des Gefäßes einen einteilig damit ausgebildeten Flansch (14) aufweist, wobei der Ring (12) um den Flansch (14) angeordnet ist.
6. Druckgefäß nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der mittlere Teil des Flansches (14) am Umfang hinterschnitten ist.

709819/0267

-yi-
7. Druckgefäß nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Ring (12) auf den Flansch (14) aufgeschrumpft ist.
8. Druckgefäß nach einem der Ansprüche 1, 2, 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweiter Ring (16) um den ersten Ring (12) aufgeschrumpft ist.
9. Verfahren zur Herstellung eines Hochdruckreaktorgefäßes mit Mantel und mit einer einstückigen Wandung aus einer Stahllegierung, dadurch gekennzeichnet, daß

a) um die Wandung des Gefäßes wenigstens ein Ring aus schweißbarem Stahl angeordnet,

b) der Ring mit Mitteln zum radialen Zusammenpressen des Rings versehen und

c) der Mantel an den Ring angeschweißt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweiter Ring.um den-ersten Ring herum aufgeschrumpft wird.

709819/0267