DE3001756A1

DE3001756A1 - Korrosionsfeste verbindungsanordnung

Info

Publication number: DE3001756A1
Application number: DE19803001756
Authority: DE
Inventors: Claude Eugene Ellis
Original assignee: Sterling Drug Inc
Current assignee: STWB Inc
Priority date: 1979-01-19
Filing date: 1980-01-17
Publication date: 1980-07-24
Also published as: JPS5597893A; NL8000181A; FR2446984A1; FR2446984B1; KR830002185A; GB2042117B; CA1133465A; BE881193A; US4288109A; GB2042117A

Description

Korrosionsfeste Verbindungsanordnung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine gegen Korrosion widerstandsfähige Verbindung sowie ein Verfahren zum Herstellen derselben.

Bei Wärmeaustauschern mit einer Vielzahl von Rohren und einem Mantel dienen Rotirbleche zum Trennen der Kanalabschnitte ("Channel sections") vom Mantelabschnitt ("shell section"). Die Rohre sind in Löcher in den Rohrblechen eingesetzt, durch die ein normalerweise heißes Strömungsmittel vom Einlaß-Kanalbschnitt zum Auslaß-Kanalabschnitt strömt, während sie dieses Strömungsmittel vom die Wärme aufnehmenden Strömungsmittel trennen, daß durch den Mantelraum strömt. Typischerweise sind die Rohre mit den Rohrblechen durch Rollen ("rolling") und Hartlöten oder Schweißen verbunden. Derartige Wärmeaustauscher sind vielfach im Einsatz.

Da die Rohrbleche mit sowohl dem heißen als auch dem Wärme aufnehmenden Strömungsmittel in Berührung stehen, müssen sie aus einem oder mehreren Materialien bestehen, die für beide Strömungsmittel verträglich sind. Wenn das heiße Strömungsmittel korrodierend wirkt, belegt man die Rohrbleche oft mit einem widerstandsfähigen Werkstoff wie Titan; die Rohre bestehen aus dem gleichen Material. Das Grundmetall - üblicherweise Kohlenstoffstahl - erteilt

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den Rohrblechen die erforderliche Festigkeit, während Titan, das bei erhöhten Temperaturen eine niedrige zulässige Spannung besitzt, den erforderlichen Korrosionswiderstand beisteuert. Um eine Beeinträchtigung des Rohrblechs zu verhindern, darf das korrodierende Strömungsmittel das Grundmetall nicht berühren. Aus diesem Grund schweißt man die Rohre unmittelbar am Belagmaterial auf der Kanalseite des Rohrblechs fest.

Infolge des erforderlichen geringen Abstands der Rohre auf der Mantelseite der Rohrbleche ist es nicht möglich, die Rohre auf die mantelseitige Beschichtung aufzuschweißen. Wo also auf beiden Seiten des Rohrblechs für Korrosionsbeständigkeit gesorgt werden muß, war es bisher nö-"tig, das Rohrblech aus einem massiven Stück Titan zu fertigen. Bei erhöhten Temperaturen (120 - 300⁰C) hat Titan eine sehr niedrige zulässige Spannung, so daß man eine extrem dicke, schwere und teure Rohrplatte braucht, die den hohen Drücken von 2,1 bis 21 MPa überdruck (300 - 3000 psig) widerstehen kann. Eine Rohrplatte ausreichender Dicke, um diesen Drücken zu widerstehen, ist gewöhnlich unpraktisch, da die Materialkosten hoch sind und es nur unter Schwierigkeiten möglich ist, genau tolerierte Bohrungen in dicke Metallplatten einzubringen.

Bei einem Wärmeaustauscher, der Rohre und einen Mantel aus Titan erfordert, muß man Titan-Rohrplatten vorsehen. Bei hohen Temperaturen wird das Titan schwach; liegt dann ein hoher Druckunterschied über der Rohrplatte, muß die Platte unter Umständen sehr dick ausgeführt werden. Eine Rohrplatte mit einem Durchmesser von 457 mm (18 in„), die bei einer Temperatur von 29O⁰C bei einer Solldruckdifferenz

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von 13,8 MPa (2000 psig) eingesetzt werden soll, müßte daher dicker als 254 mm (10 in.) sein.

Ein solches Metallstück wäre sehr teuer; zusätzlich ist es sehr schwierig, völlig gradlinig verlaufende Bohrungen in eine derart dicke Metallplatte einzubringen.

Weiterhin kann es infolge der geringen Rohrabstände unmöglich sein, die Rohre an der Mantelseite der Rohrplatte (ob am Belag einer Auskleidung oder dem Grundmetall) anzuschweißen; außerdem ist dieses Anschweißen unerwünscht, da es dann schwierig wird, ein oder mehrere Rohre später zur Reparatur oder zum Austausch zu entfernen.

Es ist das Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Verbindung für beispielsweise Wärmeaustauscher-Rohrbleche bzw. -platten anzugeben, die sowohl auf der Mantel- als auch auf der Kanalseite korrosionsfest ist und verhindert, daß korrodierendes Strömungsmittel mit nicht widerstandsfähigen Materialien in Berührung gerät.

Insbesondere ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung, die Menge an teurem korrosionsfestem Metall zu verringern, die für derartige Verbindungen erforderlich ist, indem man dünne Beläge auf beiden Seiten des Grundmetalls der Rohrplatte, widerstandsfähige Hülsen sowie widerstandsfähige Rohre in den Hülsen verwendet.

Die Erfindung schafft also eine gegen Korrosion widerstandsfähige Verbindung aus einem Blech bzw. einer Platte aus korrosionsanfälligem Metall mit einer Bohrung und einem Belag

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aus korrosionsfestem Material auf beiden Seiten sowie einem korrosionsfestem Rohr, das durch die Bohrung verläuft. Weiterhin ist in der Bohrung eine korrosionsfeste Hülse vorgesehen und mit dem korrosionsfesten Material auf beiden Seiten der Platte verschweißt, so daß sich korrosionsfestes Material zwischen der Bohrung und den sie umgebenden Blechbereichen befindet. Das Rohr ist in der Hülse angeordnet und an ihr befestigt.

Die Erfindung schafft weiterhin ein Verfahren zur Ausbildung einer gegen Korrosion widerstandsfähigen Verbindung an einem Blech bzw. einer Platte aus korrosionsanfälligem Metall, das bzw. die beiderseits mit gegen Korrosion widerstandsfähigem Material belegt ist. Nach diesem Verfahren bringt man eine Bohrung in die Platte ein, durch die ein korrosionsfestes Rohr paßt, setzt eine korrosionsfeste Hülse in die Bohrung ein, bevor man das Rohr einführt, verschweißt die Hülse mit dem korrosionsfesten Material auf beiden Seiten der Platte so, daß die Hülse vollständig durch die Platte hindurch verläuft und mit dem korrosionsfesten Material auf ihr verschweißt ist, setzt dann das Rohr in die Hülse ein und verbindet das Rohr mit der Hülse.

Ein Rohrblech bzw. eine Rohrplatte besteht aus einer Platte aus einem Grundmetall wie Stahl, die beiderseits mit korrosionsfestem Material belegt ist und übergroße Bohrungen enthält. Korrosionsfeste Hülsen werden in jede Bohrung eingedrückt und mit dem Belag auf beiden Seiten der Rohrplatte verschweißt. Die Hülsen können dann auf die erforderliche Innenabmessung zum Einsetzen der Rohre aufgebohrt werden.

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Eine solche Rohrplatte ersetzt eine wesentlich dickere Rohrplatte, die vollständig aus dem korrosionsfesten Material besteht. Die korrosionsfesten Rohre werden in die Bohrungen durch die Hülsen hindurch eingesetzt und eingerollt ("rolled") und dann wahlweise nur auf die Kanalseite der Platte mit der Hülse verschweißt. Alternativ kann man schweißen, ohne zu rollen. Falls Strömungsmittel von der Mantelseite zwischen den Rohren und den Hülseneinsätzen in der Rohrplatte hindurchsickert, kann keine Korrosion auftreten, da das Grundmetall (bzw. Kohlenstoffstahl} durch die Einsatzhülsen vor dem Strömungsmittel geschützt ist.

Dieses Verfahren ergibt einen Wärmeaustauscher geringer Erstellungskosten in Anwendungen, bei denen hohe Temperaturen und Drücke vorliegen und sowohl das Rohr- als auch das Mantelströmungsmittel den Einsatz von Werkstoffen wie Titan erfordern.

Die US-PS 3 216 749 zeigt eine dem Gegenstand der vorliegenden Erfindung ähnliche Anordnung aus Rohren und Rohrplatten und zeigt, wie der geringe Rohrabstand ein Verschweißen auf der Mantelseite unpraktisch macht.

Wie die Zeichnung dieser Patentschrift zeigt, ist ein sogenanntes Laderohr ("charge tube") 4 in den Nippel eingesetzt, wobei die druckfeste Hülse 11 locker sitzt, so daß sie sich unter Druck usw. bezüglich des letzteren verschieben kann; andererseits kann die druckfeste Hülse 11 so angeordnet werden, daß sie vollständig durch den Nippel 5 hindurch verläuft, und man kann das Laderohr 4 dann in ihn einsetzen.

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Es liegt also mindestens im Mittelteil der Fig. 2 dieser Patentschrift das Laderohr 4 vom Nippel 5 und auch von der Stahlplatte 1 getrennt.

Andere verwandte Patentschriften sind die US-PSn 2 368 391, 3 257 710, 3 367 414, 3 628 923, 3 717 925 und 4 071 083.

Die beigefügte Zeichnung zeigt spezielle Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.

Fig. 1 zeigt in einer Schnittdarstellung den ersten Schritt bei der Herstellung einer Verbindung nach der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 zeigt in einer ähnlichen Darstellung das Hinzufügen der widerstandsfähigen Einsatzhülse;

Fig. 3 zeigt das Hinzufügen des widerstandsfähigen Rohrs zur Hülse;

Fig. 4 ist eine Draufsicht in Richtung des Pfeils 4 in Fig. 3; und

Fig. 5 zeigt entsprechend der Fig. 3 eine modifizierte Verbindung.

Das Bezugszeichen 10 bezeichnet eine Grundplatte aus festem Werkstoff bzw. Kohlenstoffstahl. Dünne korrosionsfeste Beläge 12, 14 sind auf die beiden Seiten der Grundplatte aufgetragen, und die relative Dicke der Teile 10, 12, 14 läßt sich als beispielhaft für die Rohrplatte eines Wärmeaustauschers nehmen. Die Kanal- bzw. ungestörte Seite der Platte trägt dabei den Belag 12, die Mantel- bzw. gestörte Seite den Belag 14.

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In bestimmten Bereichen enthält die Anordnung 10, 12, 14 eine Vielzahl von Bohrungen 16.

Zur Erläuterung der vorliegenden Erfindung ist nur die Darstellung einer einzelnen Bohrung erforderlich; die Lochanordnung kann aber so vorliegen, wie es die US-PS 3 216 749 zeigt.

Die Bohrung wird mit Übermaß zur Aufnahme einer korrosionsfesten Hülse 18 gebohrt, die in das Loch eingedrückt und an beiden Enden mit den umgebenden Belägen 12, 14 beiderseits der Grundplatte wie bei 20, 22 rundherum verschweißt. Nachdem die Hülse 18 in die Bohrung 16 eingesetzt worden ist, kann man gegebenenfalls die Hülse so weit aufbohren, daß sie ein Rohr 24 aufnehmen kann. Wie gezeigt, steht die Hülse auf beiden Seiten der Grundplatte über diese hinaus vor und ist mit einer Kehlnaht angeschweißt, um das Rohr 24 aufzunehmen, das über die Hülse 18 und den widerstandsfähigen Belag 12 hinaus vorsteht, so daß das Rohr 24 an der Hülse 18 mit einer Kehlnaht 26 festgelegt werden kann. Das Rohr verläuft natürlich, wie aus dem Stand der Technik bekannt, zur gegenüberliegenden Rohrplatte; dort kann der Aufbau genauso getroffen sein, wie hier gezeigt.

Das Rohr 24 wird wie bei 26 an die Hülse 18 auf der Kanalseite der Platte, nicht aber auf der Mantelseite rundherum angerollt und/oder angeschweißt. Die Schweißnähte 20, 22, 26 legen die korrosionsfesten Beläge 12, 14 auf der Grundplatte 10 und auch das Rohr in der Sollage fest. Muß ein Rohr 24 entfernt werden, läßt sich die zugängliche Schweißung 26 leicht öffnen und das Rohr herausziehen - was nicht möglich wäre, wenn man das Rohr mit dem inneren Belag 14 ver-

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schweißen würde. Dennoch ist der Aufbau sehr fest und mechanisch dauerhaft und ergibt beispielsweise in einem Wärmeaustauscher eine Anordnung, die gegenüber der Verwendung von massivem korrosionsfestem Material für die Rohrplatte wesentlich billiger ist.

In der in Fig. 5 gezeigten Anordnung enden die Hülse 18' und das Rohr 24' bündig mit dem Belag 12'. Die aneinandergrenzenden Kanten des Rohrs 24, und der Hülse 18 sowie der Hülse 18 und der Beläge 12'., 14' sind zu V-förmigen Nuten geschrägt,, in denen man die Kehlnähte 28, 30 allgemein bündig mit den Außenflächen der Beläge 12',14' herstellt. Wo eine geringe Leckage von der Mantel- zur Kanalseite oder umgekehrt zulässig ist, kann man das Rohr 24' fest einrollen, ohne dann auch zu schweißen. Diese Möglichkeit besteht bei sowohl dem vorstehenden Rohr (Fig. 3) als auch dem bündigen Rohrabschluß nach Fig. 5.

Die dünnen korrosionsfesten Beläge 12, 14 können auf der Grundplatte 10 festgelegt bzw. auch "aufplattiert" oder in der Sollage festgespannt werden, bis die Anordnung fertiggestellt ist. Im letzteren Fall halten die Schweißnähte die Teile in der Sollanordnung fest.

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Leerseite

Claims

30Ü1756

DT.'hj. HAfJS RU5CHKE

Dip1.-Ir.fl. OLAF RUSCHKE NACHGEReCHTl

Dipi.-Ing. HANS E. RUSCHKE j? *— -¹

DIpL-In₀. HANS E. RUSCHKE

Pionzsrmuerstreßa 2
⁰OOO MÖNCHEN 80

17. Jan. 1980

S 1787

STERLING DRUG INC. ,

90 Park Avenue, New York, N.Y., V. St. A.

Patentansprüche

M.l Korrosionsfeste Verbindung mit einem Blech bzw. einer Platte aus einem korrosionsanfälligen Metall, die eine Bohrung enthält und beidseitig mit einem korrosionsfesten Material versehen ist, und einem korrosionsfesten Rohr, das durch die Bohrung verläuft, gekennzeichnet durch eine korrosionsfeste Hülse (18; 18') in der Bohrung, die mit dem korrosionsfesten Material auf beiden Seiten der Platte verschweißt (20; 28) ist, so daß korrosionsfestes Material zwischen der Bohrung und dem umgebenden Bereich der Platte vorliegt, wobei das Rohr in der Hülse angeordnet und mit ihr verschweißt (26; 30) ist.

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2. Verbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet/ daß die Platte aus Stahlblech besteht.

3. Verbindung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülse (18) über die Außenflächen des korrosionsfesten Materials auf beiden Seiten der Platte vorsteht und an dem auf beiden Seiten der Platte befindlichen korrosionsfesten Material mit Kehlschweißnähten (20) befestigt ist.

4. Verbindung nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr mit einem Ende über ein Ende der Hülse hinaus vorsteht.

5. Verbindung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das andere Rohrende über die angrenzende Plattenfläche hinaus vorsteht.

6. Verbindung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das andere Rohrende nicht mit der Hülse verschweißt ist.

7. Verbindung nach Anspruch 6₄ dadurch gekennzeichnet, daß diejenige Fläche der Platte, auf der das Rohr und die Hülse verschweißt sind, die Kanalseite eines Wärmeaustauschers und diejenige Seite der Platte, auf der das Rohr nicht mit der Hülse verschweißt ist, die Mantelseite des Wärmeaustauschers sind.

8. Verbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülse (18') an der Außenfläche des korrosionsfesten Materials (12') endet, das eine oder beide Seiten der Platte bedeckt.

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9. Verbindung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die aneinandergrenzenden Kanten der Hülse und des korrosionsfesten Materials auf der einen oder beiden Seiten der Platte zur Bildung von V-Nuten zwischen sich geschrägt sind, die Schweißnähte aufnehmen können.

10. Verbindung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß das korrosionsfeste Rohr in die Hülse eingerollt ("rolled") ist.

11. Verfahren zur Herstellung einer korrosionsfesten Verbindung mit einer Platte aus einem korrosionsanfälligen Material, auf deren beiden Seiten sich korrosionsfestes Material befindet, bei dem man eine Bohrung in die Platte einbringt und ein korrosionsfestes Rohr durch das Loch führt, dadurch gekennzeichnet, daß man eine korrosionsfeste Hülse in die Bohrung einsetzt, bevor man das Rohr einführt, die Hülse mit dem korrosionsfesten Material auf beiden Seiten der Platte verschweißt, so daß die Hülse vollständig durch die Platte hindurch verläuft und mit dem korrosionsfesten Material auf deren beiden Seiten verschweißt wird und daß man danach das Rohr in die Hülse einsetzt und das Rohr mit der Hülse verbindet.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekenn ze ichnet, daß die Platte aus Stahlblech besteht.

13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülse über das korrosionsfeste Material auf den beiden Plattenseiten vorsteht und mit diesem durch Kehlschweißnähte verbunden wird.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß man,nachdem man die Hülse in die Boh-

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rung eingesetzt hat, ihren Innendurchmesser so weit vergrößert, daß sie das Rohr aufnehmen kann.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr nach außen über die Hülse auf einer Seite der Platte vorsteht.

16. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß man das Rohr mit der Hülse nur auf einer Plattenseite verbindet.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 11, 12 oder 16, dadurch gekenn ze ichnet, daß man die offenliegenden aneinandergrenzenden Kanten der Hülse und des korrosionsfesten Materials auf einer oder beiden Plattenseiten jeweils zu einer V-Nut schrägt, die eine Schweißnaht aufnehmen kann.

18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß man die geschrägten aneinandergrenzenden Kanten der Hülse und des korrosionsfesten Materials zu einer allgemein bündigen Oberfläche miteinander verschweißt.

19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekenn ze ichnet, daß man das Rohr mit der Hülse an einem äußeren Rohrende verbindet, so daß dieses eine Rohrende bündig mit dem angrenzenden Hülsenende abschließt.

20. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß man das Rohr an der Hülse durch Rollen und/oder Schweißen befestigt.

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21. Wärmeaustauscher mit einer Vielzahl von Rohren und einem Mantel, der mindestens eine Verbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 10 oder mindestens eine nach dem Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 20 hergestellte Verbindung aufweist.

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