DE3633333A1 - Druckbehaelter fuer lagerung, herstellung oder transport verdichteter gase sowie verfahren zu seiner herstellung - Google Patents

Druckbehaelter fuer lagerung, herstellung oder transport verdichteter gase sowie verfahren zu seiner herstellung

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DE3633333A1
DE3633333A1 DE19863633333 DE3633333A DE3633333A1 DE 3633333 A1 DE3633333 A1 DE 3633333A1 DE 19863633333 DE19863633333 DE 19863633333 DE 3633333 A DE3633333 A DE 3633333A DE 3633333 A1 DE3633333 A1 DE 3633333A1
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Description

Die Erfindung betrifft einen Druckbehälter gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Behälters.
Gase werden zur Lagerung und zum Transport oft durch Druck bis zur Verflüssigung verdichtet, wie z.B. LPG, gegebenenfalls auch noch zusätzlich gekühlt, wie z.B. Äthylen, wenn Druck allein nicht ausreicht, um den für die Lagerung oder den Transport dieser Gase erforderlichen Raum möglichst gering zu halten. Damit ist aber ein hohes Gefahrenpotential verbunden. Bei einem Versagen der Umschließung wird Gas frei; dabei können zündfähige Gas-Luft-Gemische entstehen und als deren Folge Explosionen und Flächenbrände in der näheren und weiteren Umgebung. Hinzu kommt die toxische Wirkung bestimmter Gase. So kann sich aus einem einfachen Störfall, beispielsweise einem Leck in einer Rohrleitung, eine Katastrophe entwickeln, wenn die Behälter selbst versagen.
Typisch für solche Katastrophen bei geschweißten Stahltanks ist die "Boiling Liquid Expanding Vapour Explosion", kurz BLEVE genannt. Typisch für den Ablauf einer solchen Katastrophe ist die Aufeinanderfolge der Vorgänge Leck-Gaswolke-Zündung-Explosion-Feuer-BLEVE. Die BLEVE kann ausgelöst werden durch einen Überdruck im Tank, die Erhitzung des Tankmantels, vor allem im Gasbereich über der Flüssigkeit mit einem Überdruck als Folge oder auch durch mechanische Perforation des Tankmantels. Der Tank "zerknallt" dann durch schlagartige Rißausbreitung. Jede BLEVE kann Ursache für eine Folge-BLEVE bei einem benachbarten Tank sein und so fort. Auf diese Weise kann eine Anlage durch diesen Dominoeffekt vollständig zerstört werden.
Druckbehälter aus Stahl, wie sie heute ausschließlich gebaut werden sind also wie vor allem die Katastrophe in Mexico City im Jahr 1984 gezeigt hat nicht BLEVE-sicher. Solche Katastrophen zwingen dazu, die Sicherheitsziele und -kriterien zu überdenken und zu erweitern. Das Begrenzen des Risikos (= Eintrittswahrscheinlichkeit × Schadensausmaß) genügt nicht mehr, wenn trotz kleinen Risikos das Ausmaß eines Schadens groß oder gar verheerend groß ist. Dies bedeutet, daß zur Begrenzung des Risikos als gleichberechtigtes Sicherheitsziel die Begrenzung des Schadens treten muß. Erst dann - und nur dann - ist das noch immer verbleibende Risiko als Restrisiko akzeptierbar.
Das sicherste Mittel, einen Schaden zu begrenzen, sind Maßnahmen im baulichen Bereich, also an der Konstruktion des Behälters selbst. Dadurch entstehen passive Sicherheitssysteme, die im Gegensatz zu aktiven Systemen ohne aufwendige Regeltechnik auskommen und vor allem von der "Fehlerquelle Mensch" unabhängig sind. Dies gilt ganz besonders in weniger entwickelten Ländern, wo das Fehlverhalten der Menschen noch wahrscheinlicher ist und eine noch schlechtere Sicherheitssituation besteht.
Unter diesen Voraussetzungen sind für die Auslegung und Prüfung derartiger Druckbehälter vor allem vier Ziele bestimmend:
  • - Sicherer Betrieb;
  • - ausreichende Sicherheit bei Störfällen, wobei unter allen Unfallbedingungen die Umschließung gewährleistet bleiben muß, wenn auch nicht die absolute Dichtheit;
  • - hohe Verfügbarkeit auch nach Störfällen;
  • - Reparierbarkeit nach schweren Störfällen.
Hinzu kommen Abwehrmaßnahmen bei terroristischen Angriffen und die Möglichkeit des Bauens in seismisch hochgefährdeten Gebieten, ohne die Sicherheitsziele aufzugeben.
Vor dem Hintergrund dieser Sicherheitsprobleme liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Druckbehälter der eingangs angegebenen Art zu schaffen, der nach menschlichem Ermessen BLEVE-sicher ist.
Diese Aufgabe wird nach der Erfindung durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Der wesentliche Vorteil der Erfindung wird in folgenden, vor allem bei einem Druckbehälter mit einem Behältermantel aus Beton zusammentreffenden konstruktionsbedingten Eigenschaften gesehen, die einen solchen Behälter fast deterministisch zuverlässig BLEVE-sicher machen:
  • - Die diskontinuierliche Aufnahme der Zugkräfte im Behältermantel durch einzelne Spannglieder wirkt dem bei Stahltanks beobachteten reißverschlußartigen Aufreißen und Bersten des Behälters entgegen; der Behälter entlastet sich vielmehr mit steigendem Innendruck, weil der Beton des Mantels infolge Rißbildung durchlässig wird, ohne zu bersten.
  • - Der dicke und stark bewehrte Behältermantel hindert stoßende Körper, z.B. Trümmer aus Explosionen am Eindringen und Durchschlagen.
  • - Ein Wärmestrom z.B. aus einem benachbarten Feuer dringt nur langsam in den Behältermantel ein, weil dieser die Wärme stark speichert und nur gebremst weitergibt.
Bei hohen Innendrücken ist der Behältermantel zweckmäßig eine Kugelschale mit konstanter oder stetig veränderlicher Wanddicke aus Beton; denkbar wäre aber auch ein anderes in eine entsprechende Form bringbares und darin erstarrendes Material, wie z.B. Gußeisen. Dabei kann die Innenfläche z.B. durch einen faserbewehrten dünnen Liner zusätzlich gedichtet werden. Infolge der in sich geschlossenen Spannglieder sind Innenfläche und Außenfläche des Behältermantels glatt, besitzen also weder Lisenen, noch Aussparungen, wie sie sonst zum Verankern der Spannglieder erforderlich sind. Infolge der glatten Flächen bleibt der Spannungszustand des Behältermantels auch bei Störfällen genügend gleichmäßig.
Ein Betonbehälter braucht dank seines dicken und deshalb biegesteifen Mantels keinen eigenen Gründungskörper, vielmehr reicht die Behälterschale selbst hierzu aus. Sie ist über eine viskose Schicht, die gewisse Verformungen erlaubt, und ein entsprechend gekrümmtes Fundament direkt in den tragfähigen Boden gebettet. Die Lasten werden dabei sehr gleichmäßig auf den Boden verteilt. Steht tragfähiger Boden erst in tieferen Bodenschichten an, kann auch auf Pfählen flächig gegründet werden. Beide Gründungsarten sind störfallfreundlich und störfallsicher, verglichen mit Stahlbehältern, die auf Stützen über dem Boden stehen.
Im Gegensatz zu Stahlbehältern, bei denen Schweißen und Nachbehandeln der Schweißnähte deren Inhalt scharf nach oben begrenzen, lassen sich mit einem Behältermantel aus Spannbeton wesentlich größere Rauminhalte bewältigen. Soweit Grenzen bestehen, sind sie im wesentlichen wirtschaftlicher Natur und damit einem Optimierungsprozeß zugänglich.
Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigt
Fig. 1 einen entlang eines Großkreises geführten Vertikalschnitt durch einen kugelförmigen Druckbehälter aus Spannbeton nach der Erfindung,
Fig. 2 einen der Fig. 1 entsprechenden Schnitt mit Darstellung der Spannbewehrung,
Fig. 3 einen vergrößerten Schnitt durch die Behälterwand gemäß Detail III in Fig. 1 und
Fig. 4 einen vergrößerten Schnitt durch die Behälterwand gemäß Detail IV in Fig. 1.
Der Mantel (2) des erfindungsgemäßen Druckbehälters (1) besteht aus mehreren Teilen (2′), die zunächst durch Raumfugen (3) voneinander getrennt sind. Im gezeigten Ausführungsbeispiel verlaufen die Raumfugen in Großkreisen durch den kugelförmigen Behältermantel (2), die in Richtung der Koordinaten (X, Y und Z) jeweils rechtwinklig aufeinander stehen. Die Koordinaten (X) und (Y) sind in Fig. 2 angegeben; (Z) verläuft rechtwinklig zur Zeichenebene. Die Teile (2′) sind somit jeweils einem Viertelkreis entsprechende Kugelsegmente.
Die Teile (2′) sind mit - nicht dargestellten - z.B. aus einbetonierten Hüllrohren bestehenden Kanälen zur Aufnahme von Spanngliedern (15) versehen, die, wie vor allem Fig. 2 zeigt, in drei einander rechtwinklig kreuzenden Scharen von in Parallelkreisen angeordneten, jeweils in sich geschlossenen Ringen vorgesehen sind. Dabei verläuft eine Schar (4) parallel zu der durch die X-Z-Achse gebildeten horizontalen Ebene, eine Schar (5) parallel zu der durch die X-Y-Achse gebildeten vertikalen Ebene und eine Schar (6) parallel zu der durch die Y-Z-Achse gebildeten vertikalen, um 90 Grad gegen die Schar (5) gedrehten Ebene. Die Spannglieder (15), die in drei, den drei Scharen entsprechenden Ebenen in der Behälterschale verlaufen (Fig. 3 und 4), schneiden so die Raumfugen (3) jeweils rechtwinklig.
Die unteren Kugelsegmente (2′) sind unter Zwischenschaltung einer viskosen Schicht (7), z.B. Bitumen, auf einer Gründungskalotte (8), z.B. aus Stahlbeton, gebettet. Im Bereich dieser Gründungskalotte (8) befindet sich ein kreuzförmiger Gang (9), um die Raumfugen (3) im Sohlbereich zugänglich zu halten.
Zur Herstellung des erfindungsgemäßen Behälters werden zunächst die einzelnen Kugelsektoren (2′) vorgefertigt und unter Einbau der Spannglieder (15) gemäß den Scharen (4, 5 und 6) unter Belassung der Raumfugen (3) zu dem Behältermantel (2) zusammengefügt. Nach vorläufiger Dichtung der Raumfugen (3) von der Innenseite her wird der Behältermantel (2) durch Aufblasen mit unter entsprechend hohem Druck komprimierter Luft aufgeweitet. Dabei werden die Spannglieder (15) gedehnt, wobei sich die Kugelsegmente (2′) radial nach außen verschieben und die Raumfugen (3) sich verbreitern. Die dabei auftretenden Relativverschiebungen der Segmente (2′) zueinander verlaufen sehr langsam und werden in der Sohlfuge durch die viskose Schicht (7) aufgenommen, die sich unter Last wie eine Newton′sche Flüssigkeit verhält. Der Druck, mit dem der Behälter aufgeblasen wird, liegt deutlich über dem Auslegungsdruck, z.B. 19 bar bei 14 bar Auslegungsdruck. Das Aufblasen des Behälters ist zugleich eine Belastungsprobe.
Durch Ausbetonieren der Raumfugen werden die Kugelsegmente (2′) zu einer monolithischen Schale verbunden. Dabei sind die Raumfugen auch im Gründungsbereich voll zugänglich und kontrollierbar; sie bleiben dies auch nach dem Ausbetonieren.
Nach dem Erhärten des die Raumfugen (3) ausfüllenden Füllbetons kann der Druck abgelassen werden. Die elastische Rückstellkraft der gespannten Spannglieder wirkt dabei als Vorspannung auf die Behälterschale. Danach kann noch eine Dichtheitsprobe angestellt werden, die ebenfalls pneumatisch oder auch hydraulisch durchgeführt werden kann und bei 14 bar Auslegungsdruck etwa bis zu einem Druck von 17,5 bar geführt werden sollte.
An der Innenfläche des Behältermantels (2) ist noch eine Dichtung (10), z.B. aus einem faserverstärkten Liner, aus Metallblechen oder dergleichen angeordnet. Die schlaffe Bewehrung befindet sich z.B. in Form von Bewehrungsmatten (11 bzw. 12) an der Innenseite und der Außenseite des Behältermantels (2).
Zur Wärmedämmung des Behältermantels (2) kann, wie in den Fig. 3 und 4 dargestellt ist, eine wärmedämmende Schicht (13) an der Außenseite des Behältermantels (2) angeordnet sein, die, bei entsprechender Druckfestigkeit, auch über den Sohlbereich durchgeht und in dem der Witterung ausgesetzten Bereich durch eine Abdeckung (14) geschützt ist. Bei Verwendung eines ausreichend druckfesten Materials könnte die Wärmedämmschicht auch an der Innenfläche des Behältermantels angeordnet sein.
Der Behältermantel (2) selbst kann auch mehrschichtig ausgebildet sein, wobei unterschiedliche Betonarten, wie z.B. Zement- und Polymerbeton zur Anwendung kommen können. Es ist auch möglich, faserbewehrte Schichten vorzusehen, die besonders stoßresistent sind, wie auch chemisch widerstandsfähige Schichten als Schutz gegen aggressive Medien. Schließlich kann auch hoch-feuerfester Beton zur Anwendung kommen, und zwar an der Außenseite als Schutz gegen Feuer von außen oder an der Innenseite, um den Behälter besonders widerstandsfähig gegen eine heiße und/oder aggressive Füllung zu machen.
Die Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebene Anwendung als Behälter für die Aufnahme eines gasförmigen oder flüssigen Mediums beschränkt; sie kann vielmehr auch auf einen Behältermantel angewendet werden, der nur eine Schutzfunktion für einen in seinem Inneren angeordneten eigentlichen Behälter ausübt.

Claims (15)

1. Druckbehälter für die Lagerung, die Herstellung oder den Transport von gegebenenfalls bis zur Verflüssigung verdichteten oder kalten Gasen mit einem in Form eines Rotationskörpers mit zumindest in Teilbereichen gekrümmter Erzeugender ausgebildeten Behältermantel, dadurch gekennzeichnet, daß der Behältermantel (2) aus mehreren durch Raumfugen (3) voneinander getrennten Teilen (2′) besteht und von jeweils in sich geschlossenen Ringen aus Spanngliedern umschlossen ist, die durch radiales Aufweiten des Behältermantels (2) spannbar und durch Schließen der infolge der Aufweitung verbreiterten Raumfugen (3) in gespanntem Zustand fixierbar sind.
2. Druckbehälter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Teile (2′) des Behältermantels zumindest gruppenweise gleiche Form aufweisen.
3. Druckbehälter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Raumfugen (3) so angeordnet sind, daß die Teile (2′) des Behältermantels (2) durch ebene Flächen begrenzt werden.
4. Druckbehälter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Behältermantel (2) als Hohlkugel ausgebildet ist.
5. Druckbehälter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Raumfugen (3) in drei jeweils rechtwinklig zueinander und durch den Mittelpunkt des Behälters verlaufenden Ebenen angeordnet sind.
6. Druckbehälter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannglieder (15) in parallel zu den die Raumfugen (3) enthaltenden Ebenen verlaufenden Parallelkreisen angeordnet sind und die Raumfugen (3) jeweils rechtwinklig kreuzen.
7. Druckbehälter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter (1) auf einem der Krümmung seines Sohlbereichs entsprechend gekrümmten Fundament (8) unter Zwischenschaltung einer viskosen Schicht (7), z.B. aus Bitumen, gelagert ist.
8. Druckbehälter nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Behältermantel (2) aus Beton besteht.
9. Druckbehälter nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Behältermantel (2) mehrschichtig aufgebaut ist.
10. Druckbehälter nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß an der Innenseite des Behältermantels (2) eine gasundurchlässige Schicht (10) angeordnet ist.
11. Druckbehälter nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Behältermantel (2) mit einer wärmedämmenden Schicht (13) versehen ist.
12. Druckbehälter nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die wärmedämmende Schicht (13) an der Außenseite des Behältermantels (2) angeordnet ist.
13. Verfahren zum Herstellen eines Druckbehälters nach den Ansprüchen 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß beim Zusammenfügen der Teile (2′) des Behältermantels die Spannglieder eingebaut werden und daß nach dem Spannen der Spannglieder durch radiales Aufweiten des Behältermantels die Raumfugen (3) mit einem erhärtenden Material ausgefüllt werden.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß zur Aufweitung des Behältermantels (2) nach zumindest vorläufiger Dichtung der Raumfugen (3) durch Aufblasen ein Innendruck erzeugt wird, der nach dem Erhärten des die Raumfugen ausfüllenden Materials wieder abgelassen wird.
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der zur Aufweitung erzeugte Innendruck größer ist als der spätere Betriebsdruck des Behälters.
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