DE3103646A1 - Druckbehaelter zur lagerung sowie zum transport hochgespannter gase und gasgemische sowie verfahren zu seiner herstellung - Google Patents

Druckbehaelter zur lagerung sowie zum transport hochgespannter gase und gasgemische sowie verfahren zu seiner herstellung

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DE3103646A1 DE19813103646 DE3103646A DE3103646A1 DE 3103646 A1 DE3103646 A1 DE 3103646A1 DE 19813103646 DE19813103646 DE 19813103646 DE 3103646 A DE3103646 A DE 3103646A DE 3103646 A1 DE3103646 A1 DE 3103646A1
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Description

  • Druckbehälter zur Lagerung sowie zum Transport hochgespannter Gase und Casgemische sowie Verfahren zu seiner Herstellung Die Erfindung betrifft einen Druckbehälter zur Lagerung sowie zum Transport hochgespannter Gase und Gasgemische mit einem rohrartigen Metallkörper, der wenigstens an einem Ende zu einer kalottenartigen Abschlußkappe verformt ist.
  • Darüber hinaus zielt die Erfindung auf ein Verfahren zu dessen Herstellung aus einem rohrartigen Hohlprofil unter Vorformung wenigstens eines Profilendes zu einer kalottenn:tigcn Kappe durch Rollformen.
  • Zur Lagerung und zum Transport hochgespannte Gase und Gasgemische werden üblicherweise Druckgasbehält r verwendet, die aus nahtlosen Stahlrohren mit durch Rollformen verschlossenen Leiden bestehen und so ein zigarr nartiges !\ussthen haben. Diese Behälter werden -- sowohl einzeln als airch zu größeren Einheiten oder Batterien zusammengefaßtortsfest als Gasvorratsbehälter oder aber ortsveränderlich als Transportbehälter auf Straßen- und Schienenfahrzeugen verwendet.
  • Aufgrund der durch die Füllung erzeugten hohen Innendrücke bis über 200 bar und infolge bestehender Sicherheitsvorschriften insbesondere für ortsveränderliche Druckgasbehälter ergeben sich im Hinblick auf das hohc Eigengewicht von Stahlflaschen erhebliche Nachteile; Straßentransportfahrzeuge für Flüssiggas, sogenannte tube-trailer, haben bei einer Ausrüstung mit Stahl flaschen lediglich eine Nutzlast von etwa 10 %.
  • Für Behälter, in denen keine oder nur geringe Innendrücke herrschen, beispielsweise für Sahnebehälter zum Hausgebrauch, werden durch Fließpressen erzeugte Aluminiumflaschen verwendet, die ebenfalls durch Rollformen an einem Ende kappenartig verschlossen sind, während das andere Ende einer üblichen flachen Boden aufweist. Diese Flaschen haben eine gleichmäßige Wandstärke, welche durch die im kalottenartig gewölbten Teil der Flasche erforderliche Wanddicke bestimmt ist.
  • Angesichts dieser Gegebenheiten hat sich der Erfinder das Ziel E¢esetzt, Druckbehälter der eingangs erwähnten Art für den beschriebenen Verwendungszweck zu entwickeln, welche ein möglichst geringes Gewicht aufweisen und damit insgesamt zu einer höheren Nu tzlast fiihren. Darüber hinau soll ein derartiger Behälter besonders kostengünstir hergestellt werden.
  • Zur Lösung dieser Aufgabe führt, daß die Wandstärke des rohrartigen Abschnittes des aus Aluminium oder e ,r Aluminiumlegierung bestehenden Metallkörpers -- des für beliebige Gase in beliebigem Aggregatzustand verwend -baren Druckbehälters -- gegenüber der Wandstärke der kalottenartigen Kappe/n vermindert und von einem Man 21 aus faserverstärktem Kunststoff umgeben ist. Dabei sollen nach einem weiteren Merkmal der Erfindung die Fa@@rn des Mantels -- insbesondere Glas-Kohlenstoff-, Arami(l- R Borfasern -- um den Aluminiumkörper gewickelt sein und auf diesem zumindest teilweise Schraubenlinien erzeugen.
  • Die Vcrminderurlg der Wandstärke des zylinderförmigen Metallkörpers führt zu einer erheblichen Cewichtsminderung, wobei die Druckfestigkeit des Metallkörpers durch die Glasfaserwicklung den vorgesehenen Innendrücken angepaßt ist.
  • Im Rahmen der Erfindung ist es zwar denkbar, die Glasfaserwicklung gürtelartig um den Metallzylinder zu legen und dadurch radial nach außen gerichtete Drücke zu kompensieren, dabei muß jedoch für die dazu geneigten Druckomponenten, insbesondere für den Axialdruck, ein zusätzliches Zugorgan in Längsrichtung vorgesehen werden, das erfindungsgemäß beispielsweise aus einer in der Längsachse verlaufenden Kunstfasertrosse besteht, die beidends verankert ist.
  • Von besonderer Bedeutung jedoch ist die erwähnte diagonale Wicklung, also das Erzeugen einer Schraubenlinie durch die Glasfasern, die also dann -- in Draufsicht gesehenmit der Längsachse einen Winkel einschließen, der bevorzugtermaßen 600 beträgt; dank dieser Maßgabe können durch die Glasfaserwicklung auch geneigt zum Zylinderquerschnitt verlaufende Drudkomponenten kompensiert werden.
  • Um das kappenförmige Behälterende mit seiner verhältnismäßig starken WandunduSch Glas fasern am rohrförmigen Behälterteil besser halten zu können, hat es sich als günstig erwiesen, an der Außenfläche des rohrartigen Abschnittes und/oder im Bereich von dessen übergang in die Kappe/n widerlagerartige Anformungen für die Wicklung der Glasfasern anzubringen, und zwar -- nach einem weiteren Merkmal der Erfindung -- so, daß die Anformungen als Wülste ausgebildet sind, deren dem benachbarten Behälterende zugeordnete Flanke die Glasfasern angelegt sind;diese Glasfasern wirken also mit den Widerlagern zusammen als Haltestränge, welche den dickwandigen Behälterteil besonders im übergangsbereich am dünnwandigen Behälterteil halten. Gerade in diesem kritischen Übergangsbereich tritt so eine erhebliche Verstärkung des gesamten Behälters ein. Die Wicklungen brauchen also nicht aber die gesamte, lPegebenenfalls über 10 m betragende Behälterlänge schrMaubenlinienförmig gelegt sein; es genügt, wenn diese Form der Wicklung auf die beiden Endbereiche des Mantels beschränkt bleibt.
  • Bevorzugtermaßen bildet die innere Flanke des dem rohrartigen Abschnitt nächstliegenden Wulstes eine ringartige Wandung für eine durch die Wandstärkenminderung von der kalottenartigen Kappe zum rohrartigen Abschnitt an dessen Umfang entstehenden Ein formung. Diese nimmt im wesentlichen den Kunststoffmantel auf, der allerdings beidends über den rohrartigen Abschnitt hinaus auf die Kappe greift und bevorzugtermaßen an den beiden endwärtigen Übergangs bereichen besonders stark ist - dies nicht zuletzt wegen der dort bevorzugt auftretenden Diagonalwicklung.
  • Ebenfalls hat es sich gezeigt, daß eine sich vev ingende Wandstärke des Metallkörpers im übergangsbereich zwischen Kappe und rohrförmigem Abschnitt zu letzterem hin günstig ist, wobei der an den Wulst anschli hende Abschnitt des Bodens der Einformung vom Wulst ab zur Längsachse in einem spitzen Winkel geneigt verläuft.
  • Der erfindungsgemäße Druckbehälter weist also in seinen Kopfbereichen jeweils einen dickwandigen Boden auf, so daß ohne zusätzliche Verstärkung die auftretenden Spannungen kompensiert zu werden vermögen. Am Übergang des Bodens bzw. der Kappe zum zylindrischen oder rohr förmigen Abschnitt sind bevorzugt ringförmige Wülste oder Nocken eingeformt, damit eine Angriffsfläche für die Wicklung entsteht; diese entlastet den zylindrischen Teil des Aluminiumkörpers von Axialkräften.
  • Eine im Vergleich zu den dickwandigen Böden oder Kappen erheblich verminderte Wandstärke -- erfindungsgemäß beispielsweise ein Fünftel der Bodenwandung -- des zylindrischen Abschnittes führt zu einer beachtlichen Gewichtsminderung, die durch die aufgewickelte Glasfaserverstärkung nicht stark zunimmt. Diese Glasfaserverstärkung bedingt andererseits eine ausreichende Festigkeit des gesamten Druckbehälters und eine Aufnahme der auftretenden Spannungen bzw. Tangential-, Axial- und Radialkräfte. Da aufgrund der ausreichenden Wandstärke des Aluminium-Innenbehälters im Bereich der Kappen oder Böden eine zusätzliche Verstärkung entfällt, ergibt sich eine verhältnismäßig einfache Wicklung.
  • Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung umgibt noch den Mantel aus glasfaserverstärktem Kunststoff ein Schutzrohr, welches möglicherweise auftretende Schläge vom Kunststoffmantel abhält und gegebenenfalls mit Umfangsrippen versehen ist; diese verbessern beispielsweise die Rollbarkeit und Stapelfähigkeit des Behälters und bilden zusätzliche Stoßleisten.
  • Als besonders günstig hat es sich erwiesen, zwischen dem -- etwa von einem Aluminiumrohr gebildeten -- Schutzrohr und dem Kunststoffmantel wenigstens eine Schicht aus Schaumstoff anzuordnen, bevorzugt aus schwer entflammbarem Schaumstoff. Diese schützt die Glasfaserwicklungen in einem Brandfall und erhöht darüber hinaus die Sicherheit gegen Stoßeinwirkungen.
  • In dem im Rahmen der Erfindung liegenden Fall eines Zusammenbaus mehrerer Rohre zu einem Behälter-Modul kann die Einschäumung des gesamten Behälters entfallen.
  • Eine solche Zusammenfassung zu einem Modul wird auch durch das bereits beschriebene Schutzrohr vereinfacht.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen des Druckbehälters aus einem rohrartigen Hohlprofil unter Verformung der Profilenden zu einer kalottenartigen Kappe durch Rollformen, zeichnet sich dadurch aus, daß bei einem -- von einem stranggepreßten Aluminiumrohr abgelängten -- Rohrstück vor dem Rollformen die Wand stärke von dessen Mittelabschnitt durch Abstrecken vermindert und im Ubergangsbereich zumindest eine ringartige Nut zur Bildung eines Wulstes eingeformt und nach einem anschließenden Lösungsglühen und Warmauslagern des verformten Aluminiumrohres zumindest teilweise eine Diagonalwicklung aus Glasfasern aufgebracht wird; vor den konischen Übergangsabschnitten zwischen Kappe und rohrartigem Teil werden an beiden Rohrenden jene Wülste beim Abstrecken des Mittelteiles in einem Arbeitsgang eingeformt.
  • Nach dem Fertigdrehen der bei den Druckbehältern üblichen Behälterverschlüsse und dem Lösungsglühen wird die Glasfaserverstärkung bis über die beschriebenen Wülste hinaus aufgebracht und anschließend -- gegebenenfalls nach dem Aufschäumen eines Schaumstoffmantelsein Aluminiumschutzrohr geringer Wandstärke aufgeschrumpft.
  • Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung; diese zeigt in Fig. 1 den teilweise wiedergegebenen Längsschnitt durch einen Druckbehälter; Fig. 2 den Querschnitt durch den Druckbehälter der Fig. 1 entsprechend deren Linie II - II; Fig. 3 einen Teil des Längsschnittes durch einen anderen Druckbehälter; Fig. 4 eine schematische Darstellung der einzelnen Verfahrensstufen zur Herstellung des Druckbehälters.
  • Ein Druckbehälter 1 weist gemäß Fig. 1 einen aus Aluminium bestehenden zylindrischen Rohrkörper 2 einer Länge a von beispielsweise 10 m auf, den beidends kalottenförmige Kappen 3 einer Wandstärke b verschließen. Der Innenradius e der Kappe 3 beträgt im gewählten Beispiel 15 cm.
  • Jede der Kappen 3 ist in der Längsachse M des Druckbehälters 1 mit einer Zenitbohrung 4 versehen, die von einem -- auf einen an die Kappenaußenseite 5 angeformten Kragen 6 aufgelegten -- Deckel 7 überspannt wird. Beide Deckel 7 sind miteinander durch ein Zugorgan 8 verbunden, das in jener Längsachse M verläuft.
  • In einem Übergangsbereich i am Ende des Rohrkörpers 2 vermindert sich dessen Wandstärke -- im Anschluß an die Kappenstärke b -- auf ein in der Zeichnung mit z verdetlichtes Maß, das im mittleren Zylinderbereich k konstant ist und etwa einem Fünftel der Kappenstärke b entspricht.
  • Da die Innenfläche 9 des Rohrkörpers 2 zylindrisch ist, entsteht in jenem Bereich k verminderter Wandstärke z an der Außenseite 10 des Druckbehälters 1 eine Einformung 11 ringartigen Querschnittes (s. Fig. 2), welche zu den Kappen 3 hin durch geschwungene Schulterflächen 12 begrenzt ist.
  • Die Einformung 11 nimmt einen glasfaserverstärkten Kunststoffmantel 13 auf, dessen Stärke v zumindest der Sylinder-:andstärke z entspricht. Dieser Kunststoffmantel 13 verstärkt als Druckmanschette den Zylinderbereich k gegen radialen Innendruck. Dem durch eine eingebrachte Gasfüllung entstehenden Innendruck wirkt bezüglich der axialen Komponente die beschriebene Zugeinheit 7, 8 entgegen.
  • Auf den Rohrkörper 2 ist ein Hüllrohr 20 der Wandstärke n -- in Fig. 1 überhöht dargestellt -- aufgeschoben, das die Druckmanschette 13 gegen Stoß und damit auch eingebettete Glasfasern gegen Kerbschläge schützt sowie durch Ringrippen 21 die Pollbarkeit des Druckbehälters 1 begünstigt.
  • Der Rohrkörper 2 eines in Fig. 3 wiedergegebenen Druckbehälters 1 zeigt einen verhältnismäßig langen Übergangsbereich i mit einer nur geringfügig in einem flachen Winkel t zur Längsachse .! geneigten Schulterfläche die in der Nähe der Kappe 3 in einen ringartigen Wulst 15 übergeht; ein weiterer Wulst 15a in der Kappenaußenseite 5 schließt an den Wulst 15 des Rohrkiirpers 2 an.
  • Diese Ringwulste 15, 15a erlauben eine zur Längsachse M in einem Winkel w von beispielsweise 600 geneigte Wicklung der Glasfasern 14 des Kunststoffmantels 13 , der so in der Lage ist, sowohl die radialen als auch alle dazu geneigten Druckkomponenten aufzunehmen.
  • Die Stärke v des Kunststoffmantels 13 nimmt etwa entsprechend dem Wandquerschnitt des Rohrkörpers 2 im Übergangsbereich i zum mittleren Zylinderbereich k hin ab.
  • Auch hier umgibt den Rohrkörper 2 eine hüllrohr 20 und erzeugt einen Hohlraum 19, der anderseits von der Oberfläche 17 des Kunststoffmantels 13 begrenzt wird und eine Füllung 18 aus schwerentflammbarem Schaum aufnimmt.
  • Letzterer deckt die gesamte Oberfläche 17 des Kunststoffmantels 13 als Wärmeschild ab und gewährleistet zudem einen festen Sitz des Füllrohres 20.
  • Zur Herstellung eines derartigen Druckbehälters 1 wird in einer I.Verfahrensstufe von einem stranggepreßten Aluminiumrhr 30 der Wandstärke b ein Abschnitt 31 abgetrennt, en man in einer Verfahrensstufe II in seinem Mittelbereich k auf einer Rollformmaschine abstreckt.
  • Hierbei werden auch die Wulstringe 15 -- zur ableitung der Zuakräfte auf die Glasfasern 14 -- angedr-Jckt.
  • Dann werden in der Verfahrensstufe III die Enden des entstandenen Rohres unterschiedlicher Wandstärke b, z, auf einer Rollformmaschine zu den Kappen 3 verformt.
  • Nach Lösungsglühen, Reinigen und Warmlagern der Rohkörper wird auf diese in Verfahrensstufe IV der Kunststoffmantel 13 bzw. die Glasfaserverstärkung und auf (Diese der Schaum;toff 18 aufgebracht.
  • In Verfahrensstufe V schrumpft man das sluminiumrohr 20 mit seinen nach außen weisenden Pingrippen 21 auf Dieses ist ebenfalls durch Strangpressen eines dickwandigen Rohres erzeugt worden, dessen Wandstärke von der gewünschten Stärke des Schutzrohres und der Höhe der Ringrippen 21 bestimmt ist.
  • Dieser Rohrabuchnitt wird dann auf einer Rollformmaschine zu einem dünnwandigen Rohr mit den Verstärkungsringen 21 verformt.
  • Statt des Aluminiumrohres kann als Hüll- oer Schutzrohr 20 auch ein sehr dünnes Stahlrohr oder aber ein hartes Kunststoffrohr geringen Gewichtes Verwendung firlden.
  • Der so hereestellte Druckbehälter 1 ist zur Lagerung und zum Transport hochgespannter Gase und Gasgemische, welche Innendrücke über 200 bar erzeugen, bei einem sehr niedrigen Leergewicht besonders geeignet.

Claims (20)

  1. PATENTANSPRÜCHE = = = = = = = = 1. Druckbehälter zur Lagerung sowie zum Transport hochgespannter Gase und Gasgemische mt einem rohrartigen Metallkörper, der wenigstens an einem Ende zu einer kalottenartigen Abschlußkappe verformt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandstärke (z) des rohrartigen Abschnittes (k) des aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung bestehenden Metallkörpers (2) gegenüber der Wandstärke (b) der kalottenartigen Kappe/n (3) vermindert und von einem Mantel (13) aus faserverstärktem, insbesondere glasfaserverstärktem Kunststoff umgeben ist.
  2. 2. Druckbehälter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Glasfasern (14) des Mantels (13) um den Aluminiumkörper (2) gewickelt sind und auf diesem zumindest teilweise Schraubenlinien erzeugen.
  3. 3. Druckbehälter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Glasfasern (14) des Mantels (13) in Draufsicht auf den Druckbehälter (l) mit dessen Längsachse (q) einen Winkel (w) von bevorzugt 600 einschließen.
  4. 4. Druckbehälter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß an der Außenfläche des rohrartigen Abschnittes und/oder im Bereich (i) von dessen Übergang in die Kappe/n (3) widerlagerartige Anformungen (15) für die Wicklung der Glasfasern (14) angebracht sind.
  5. 5. Druckbehälter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Anformungen als Wülste (15) ausgehildet sind, deren der benachbarten Behälterkappe (3) zugeordnete Flanke die Glasfasern (14) angelegt sind.
  6. 6. Druckbehälter nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die innere Flanke des dem rohrartigen Abschnitt (k) nächstliegenden Wulstes (15) eine ringartige Wandung für eine durch die Wandstärkenminderung am Umfang des rohrartigen Abschnittes entstehende Einformung (11) ergibt.
  7. 7. Druckbehälter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Einformung (11) den glasfEserverstärkten Kunststoffmantel (13) aufnimmt.
  8. 8. Druckbehälter nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der an den Wulst (15) an:chließende Abschnitt (12s) des Bodens der Einforrung (11) vom Wulst ab zur Längsachse (M) in einem spitzen Winkel (t) geneigt verläuft und eine sich ver@üngende Wandstärke des Metallkörpers (2) im Übergargsbereich (i) bedingt.
  9. 9. Druckbehälter nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Stärke (v) des glasfaserverstärkten Kunststoffmantels (13) im Übergangsbereich (i) zur Kappe (3) hin zunimmt.
  10. 10. Druckbehälter nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß dem glasfaserverstärkten Kunststoffmantel (13) ein Schutzrohr (20) umgibt.
  11. 11. Druckbehälter nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Schutzrohr (20) ringartige Umfangsrippen (21) und/oder Längsrippen vorgesehen sind.
  12. 12. Druckbehälter nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Schutzrohr (20) aus einem stranggepreßtn. Aluminiumrohr gefertigt ist.
  13. 13. Druckbehälter nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Schutzrohr (20) und Mantel (13) wenigstens eine Schicht (18) aus Schaumstoff angeordnet ist.
  14. 14. Druckbehälter nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht aus schwer entflammbarem Schaumstoff besteht.
  15. 15. Druckbehälter nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Schutzrohr (20) aus einem Stahlrohr sehr geringer Wandstärke () oder einem Kunststoffrohr geringen Gewicht gefertigt ist.
  16. 16.Druckbehälter nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Wandstärke (z) des rohrartigen Abschnittes (k) zur Wandstärke (b) der Kappe (3) etwa 0,15 bis 0,25 beträgt (z = 0,15 b bis 0,25 b, bevorzugt 0,2 b).
  17. 17. Druckbehälter nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Wandstärke (v) des glasfaserverstärkten Kunststoff-'... mantels (18) zur Wandstärke (z) des rohrartigen Abschnittes (k) des Aluminiumkörpers (2) etwa 0,5 bis 1,5 (bevorzugt 1,0) beträgt.
  18. 18. Verfahren zum Herstellen eines Druckbehälters nach wenigstens einem der voraufgehenden Ansprüche aus einem rohrartigen Hohlprofil unter Verformung wenigstens eines Profilendes zu einer kalottenartigen Kappe durch Rollformen, dadurch gekennzeichnet, daP bei einem von einem stranggepreßten Aluminiumrohr (3C) abgelängten Rohrstück (31) vor dem Rollformen die Wandstärke (z) von dessen Mittelabschnitt (k) durch Abstrecken vermindert und im übergangsbereich (i) zumindest eine ringartige Nut zur Bildung eines Wulstes (15) eingeformt und daß auf das verformte Aluminiumrohr zumindest teilweise eine Diagonalwicklung aus Fasern,insbesondere Glasfasern od. dgl., aufgebracht wird.
  19. 19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß auf die Wicklung aus Glasfasern ei Schutzrohr aufgeschrumpft wird.
  20. 20. Verfahren nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Aufschrumpfen des Schutzrohres auf die Wicklung ein Schaumstoffmantel aufgetragen wird.
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