DE3633333C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Druckbehälter gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

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 durch eine Umschließung zu bildenden 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.

Druckbehälter für Lagerung und Transport solcher Gase bestehen meist aus geschweißten Stahltanks. Bei diesen ist typisch für solche Katastrophen die "Boiling Liquid Expanding Vapour Explosion", kurz BLEVE genannt. Charakteristisch 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. So kommt ein Dominoeffekt zustande, durch den eine Anlage vollständig zerstört werden kann.

Druckbehälter aus Stahl sind somit, wie vor allem die Katastrophe in Mexico City im Jahr 1984 gezeigt hat, nicht BLEVE-sicher. Solche Katastrophen zwingen daher dazu, die Sicherheitsziele und -kriterien zu überdenken und zu erweitern. Die Begrenzung des Risikos (= Eintrittswahrscheinlichkeit x Schadensausmaß) genügt dann nicht mehr, wenn trotz geringen Risikos das Ausmaß eines Schadens groß oder gar verheerend groß ist. Dies bedeutet, daß zu der 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 ungünstigere 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.

Für die Lagerung von Flüssigkeiten und Gasen sowie zur Aufnahme von Innendrücken bei Umwandlungsprozessen, wie z. B. bei Kernreaktoren, ist schon ein Behälter mit einem zylindrischen Behältermantel aus Stahlbeton bekannt, der durch normale Schnitte in fünf bzw. acht Teile geteilt ist (DE-OS 23 52 741). Dieser Behälter ist sowohl mit in der Zylindermantelfläche längsverlaufenden, als auch in den Endplatten gekrümmt verlaufenden Spanngliedern sowie mit außen um den Behältermantel herumgelegten Ringspanngliedern versehen, die durch Aufweiten des Behältermantels gespannt und durch Ausbetonieren der aufgeweiteten Raumfugen zwischen den Mantelteilen in gespanntem Zustand fixiert werden.

Bei einem zylindrischen Behältermantel entstehen im Bereich der Verbindung der Bodenplatte und der Deckplatte mit der Zylinderwandung Unstetigkeiten mit der Folge von Spannungskonzentrationen. Wenn man versucht, die Spannglieder so anzuordnen, daß sie die Raumfugen etwa rechtwinklig kreuzen, folgt daraus eine komplizierte und ebenfalls zu Unstimmigkeiten neigende Bewehrungsführung. Dies birgt die Gefahr in sich, daß, selbst wenn der Behälter im Bereich der Bodenplatte über Gleitlager auf eine Grundplatte abgestützt wird, die Vorspannung durch Aufweitung des Behältermantels ungleichmäßig eingetragen wird.

Weiterhin ist es bekannt, einen kugelförmigen Druckbehälter aus Stahl zur Speicherung von Gasen auf einer Auflagefläche zu lagern, die in eine zentrale Mulde aus einem starren Material, z. B. eine Bitumenmischung, und in eine daran anschließende nachgiebige Ringzone aus ungebundenem körnigem Schüttgut, z. B. einem Sandbett, unterteilt ist (AT 2 78 725). Auf diese Weise sollen im Bereich der nachgiebigen Bettung die elastischen Verformungen des Behälters bei unterschiedlichen Füllungszuständen aufgefangen werden, ohne daß Spannungsspitzen entstehen.

Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Druckbehälter zu schaffen, der im Hinblick auf die oben geschilderten Sicherheitsprobleme nach menschlichem Ermessen BLEVE-sicher ist und bei dem die aus der Formgebung resultierenden Unverträglichkeiten des bekannten Behälters vermieden werden.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Der wesentliche Vorteil der Erfindung folgt aus der Kugelform des Behälters in Verbindung mit dem Baustoff Stahlbeton, der eine im Verhältnis zu Stahl vergleichsweise dicke Behälterwandung bedingt. Dadurch wird es möglich, alle Spannglieder in gleicher Weise in konzentrischen, in sich geschlossenen Ringen vollständig innerhalb der Behälterwandung anzuordnen, die mit konstanter oder stetig veränderlicher Wanddicke ausgeführt sein kann. Somit bleiben die Innen- und die Außenfläche des Behältermantels glatt, besitzen also weder Umwicklungen, noch Lisenen oder Ausnehmungen für die Verankerung der Spannglieder. Infolge der glatten, gleichmäßig gekrümmten Fläche bleibt der Spannungszustand des Behältermantels auch bei Störfällen genügend gleichmäßig.

Ein kugelförmiger 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 gegründet werden; beide Gründungsarten sind in gleicher Weise störfallsicher.

Infolge der Lagerung des kugelförmigen Behältermantels unter Zwischenschaltung einer viskosen Schicht, die sich unter Last wie eine Newton′sche Flüssigkeit verhält, werden die Reibungskräfte gering gehalten, die durch die beim Aufweiten des Behältermantels auftretenden Relativverschiebungen geweckt werden. Dadurch werden die Spannglieder sehr gleichmäßig gedehnt und die Vorspannung in die einzelnen Segmente der Kugelschale gleichmäßig eingetragen. Im Bereich des in der Gründungskalotte angeordneten kreuzförmigen Ganges werden die Raumfugen im Sohlbereich zugänglich gehalten, wodurch die Sicherheit der Eintragung und Fixierung der Vorspannung zusätzlich kontrolliert werden kann.

Mit einem Behältermantel aus Spannbeton lassen sich praktisch beliebig große Rauminhalte bewältigen; soweit Grenzen bestehen, sind sie im wesentlichen wirtschaftlicher Natur und damit einem Optimierungsprozeß zugänglich.

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 in der Zeichnung dargestellte Druckbehälter 1 besitzt einen Behältermantel 2, der in Form einer Kugelschale ausgebildet ist. Der Mantel 2 besteht aus mehreren Teilen 2′, die durch Raumfugen 3 voneinander getrennt sind. Im gezeigten Ausführungsbeispiel verlaufen die Raumfugen 3 in Großkreisen durch den Behältermantel 2, die in Richtung der Koordinatenachsen X, Y und Z jeweils rechtwinklig aufeinander stehen. Die Achsen X und Y sind in Fig. 2 angegeben; die Achse 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 Spannkanälen 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 erste Schar 4 parallel zu der durch die X-Z-Achse gebildeten horizontalen Ebene, eine zweite Schar 5 parallel zu der durch die X-Y-Achse gebildeten vertikalen Ebene und eine dritte 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 Kugelsegmente 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 an der Außenseite des Behältermantels 2 eine wärmedämmende Schicht 13 angeordnet sein; sie kann bei entsprechender Druckfestigkeit auch über den Sohlbereich durchgehen und in dem der Witterung ausgesetzten Bereich durch eine Abdeckung 14 geschützt sein. 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 (5)

1. Druckbehälter für die Lagerung, die Herstellung oder den Transport von gegebenenfalls bis zur Verflüssigung verdichteten oder kalten Gasen, mit einem aus mehreren, durch Raumfugen voneinander getrennten Teilen bestehenden Behältermantel aus Stahlbeton, wobei die Raumfugen in drei jeweils rechtwinklig zueinander verlaufenden Ebenen angeordnet sind, und mit die Raumfugen im wesentlichen rechtwinklig kreuzenden Spanngliedern, die durch Aufweiten des Behältermantels spannbar und durch Schließen der infolge der Aufweitung verbreiterten Raumfugen in gespanntem Zustand fixierbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Behältermantel (2) als Hohlkugel ausgebildet ist, daß die Raumfugen (3) in durch den Mittelpunkt der Kugel verlaufenden Ebenen und die Spannglieder (15) in jeweils in sich geschlossenen Ringen in parallel zu den die Raumfugen (3) enthaltenden Ebenen verlaufenden Parallelkreisen innerhalb des Behältermantels (2) angeordnet sind, 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 und daß sich im Bereich der Raumfugen (3) im Gründungsbereich ein kreuzförmiger Gang (9) befindet.

2. Druckbehälter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Behältermantel (2) mehrschichtig aufgebaut ist.

3. Druckbehälter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß an der Innenseite des Behältermantels (2) eine gasundurchlässige Schicht (10) angeordnet ist.

4. Druckbehälter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Behältermantel (2) mit einer wärmedämmenden Schicht (13) versehen ist.

5. Druckbehälter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die wärmedämmende Schicht (13) an der Außenseite des Behältermantels (2) angeordnet ist.