DE68912731T3

DE68912731T3 - Kupplung für Gasbehälter.

Info

Publication number: DE68912731T3
Application number: DE68912731T
Authority: DE
Inventors: Goeran Berglund; Goesta Lyen; Torsten Westberg
Original assignee: Sandvik AB
Current assignee: Sandvik AB
Priority date: 1988-11-24
Filing date: 1989-11-23
Publication date: 2000-02-10
Anticipated expiration: 2009-11-24
Also published as: DE68912731D1; EP0370986B2; SE8804247L; EP0370986A2; ATE100915T1; EP0370986A3; SE8804247D0; DE68912731T2; EP0370986B1; US5082243A; JPH02217697A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Kupplung für einen Gasbehälter. Die Kupplung ist zwischen dem Gasbehälter und einem Ventil angeordnet, welches eine Schraubenmutter und zusammenwirkende Flanschflächen aufweist. Der Behälter ist so ausgelegt, daß er reine Gase unter hohem Druck enthält und einen oberen Teil, einen Bodenteil und einen Mantel aufweist. Der obere Teil ist mit einem Hals mit Außengewinde versehen.
Bei bestimmten Gasanwendungen in der Medizin, der Elektronik und der pharmazeutischen Industrie bestehen extrem hohe Anforderungen an die Reinheit von Gasen. Aufgrund der Reinheitsanforderungen müssen die Oberflächen von Einzelteilen oder Material, welches mit den Gasen in Kontakt kommt, so vorbereitet bzw. bearbeitet werden, daß das Risiko einer Verunreinigung, unter anderem durch lose Teilchen auf den inneren Oberflächen der Ausrüstung, beseitigt ist.
Die traditionelle Technik der Herstellung von Gasbehältern beinhaltet das sogenannte "Wickeln" oder Drehen (spinning) der Enden von nahtlosen Rohren in heißem Zustand. Dadurch wird der gesamte Behälter einstückig hergestellt. Üblicherweise werden niedrig legierte Cr-Mo-Stähle hoher Festigkeit verwendet mit dem Erfordernis, daß eine Wärmebehandlung nach dem Verformungsvorgang stattfindet, um die gewünschten Festigkeitseigenschaften zu erhalten. Der Auslegungsdruck dieser Art von Behältern kann bei einigen 100 bar liegen.
Das Problem dieser bekannten Behälter liegt darin, daß es sich als sehr schwierig herausgestellt hat, die außerordentlich feinen Oberflächen herzustellen, welche die Anwendungen von Reingas erfordern. Weiterhin beinhalten die Kohlenstoffstähle für sich ein potentielles Verunreinigungsrisiko, da das Material nicht korrosionsbeständig ist. Deshalb können bestimmte Gase mit der Stahlfläche bei der Anwesenheit von Feuchtigkeit reagieren und bilden Korrosionsprodukte, die unter dem Gesichtspunkt der Reinheit unannehmbar sind.
Bisher hat es sich als unmöglich herausgestellt, das obige Problem unter Verwendung der konventionellen Technik zu lösen, wegen der Risiken der Bildung von Trichterlunken in dem Boden während des Schweißens und wegen der rauhen Oberfläche, die in dem Bereich gebildet wird, wo der Behälter in Richtung der Ventilöffnung an der Oberseite des Behälters enger wird.
Konventionelle Ventilverbindungen für Gasbehälter sind üblicherweise mit konischen Gewinden versehen, die mit irgendeiner Art von Packungsmaterial, wie Teflon® oder ähnlichem, stramm gemacht werden. Diese Art von Gewinden erfordert eine hohe Sorgfalt während der Verbindung des Ventils, um eine ordnungsgemäße Abdichtung zu erzielen, und der direkte Kontakt zwischen Gas, Packung und Gewindekern bedeutet eine potentielle Verunreinigungsquelle sowohl während des Evakuierens des Behälters bei höheren Temperaturen als auch während des Gebrauches.
Eine Kupplung, deren Zweck sich von dem Ziel der vorliegenden Erfindung beträchtlich unterscheidet und welche dafür ausgelegt ist, daß sie an einen Behälter für Flüssigkeiten angeschweißt werden kann, ist in der US-A-4 316 624 beschrieben. Die bekannte Kupplung weist einen Verbindungsteil, einen Adapter und eine Mutter auf. Der Adapter trägt ein Rohr, welches an einem Teil mit einem Gewinde versehen ist, wodurch ein unvermeidbares Spiel zwischen den Enden des Adapters und dem Rohr gebildet wird, in welchem Verunreinigungen enthalten sein können. Der Verbindungsteil ist an ein Rohr oder dergleichen angeschweißt, in welchem eine Flüssigkeit strömt. Die Kupplungen sind im allgemeinen Biegebelastungen ausgesetzt, und die Position der Schweißung bzw. Schweißstelle an dem direkten Anschluß der Kupplung ist deshalb unvorteilhaft. Die erwähnte Schweißung ist auch wegen einer schlechten Zugangsmöglichkeit schwierig herzustellen.
Zweck der vorliegenden Erfindung ist es, eine Kupplung für einen Gasbehälter so auszulegen, daß sie einer Verunreinigung von Reingasen entgegenwirkt.
Die US-A-4 316 624 offenbart eine Behälterkupplung einschließlich von konvex gekrümmten Kontaktflächen, die dazwischen sandwichartig einen Dichtring aufnehmen.
Die EP-A-0 308 840 offenbart eine Behälterkupplung und einen Behälter für den Einschluß von Reingas unter hohem Druck, wobei der Behälter aus einem hochlegierten Chromnickelstahl hergestellt ist.
Die Erfindung ist in dem anhängenden Anspruch definiert.
Die Erfindung wird im einzelnen unter Bezug auf die anhängenden Zeichnungen beschrieben.
Fig. 1 zeigt eine in Einzelteile aufgespaltene Ansicht einer Kupplung gemäß der vorliegenden Erfindung.
Fig. 2 zeigt die Kupplung im Querschnitt.
Fig. 3 zeigt den Hals eines Gasbehälters im Querschnitt.
Fig. 4 zeigt einen Adapter im Querschnitt.
Fig. 5 zeigt einen Dichtring im Querschnitt.
Fig. 6 zeigt den Gasbehälter im Querschnitt.
In den Fig. 1 bis 5 ist eine bevorzugte Ausführungsform einer Kupplung gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt. Die Kupplung 10 weist einen Gasbehälter 11, einen Dichtring 19, einen Adapter 12, eine Mutter 13 und ein Ventil 14 auf, die teilweise dargestellt sind.
Der Gasbehälter 11, der in Verbindung mit Fig. 6 genauer beschrieben wird, hat einen Hals 15 mit Außengewinde. Die innere Oberfläche 16 des Halses 15 ist vollständig glatt und schließt an eine erste Kontaktfläche 17 an. Diese Fläche 17 schließt ihrerseits an eine ebene, kreisringförmige Stirnfläche 18 an. Da außerordentliche Anforderungen an die Dichtigkeit gestellt werden, wird eine Ausgestaltung verwendet, bei welcher der Übergang zwischen der inneren Oberfläche 16 und der Stirnfläche 18 aus einem sanft gerundeten Teil besteht, welcher zweckmäßigerweise einen (Krümmungs-)Radius von etwa 2 bis 4 mm hat. An dem Behälter ist eine Schweißung bzw. Schweißnaht 43 unter einem Abstand von der Stirnfläche 18 des Halses 15 angeordnet, das heißt dort, wo der Behälter seinen größten Durchmesser hat, für die maximale Festigkeit gegen Biegespannungen. Der Behälter hat eine Wandstärke t von etwa 1 bis 10% des größten Durchmessers D des Behälters.
Der Dichtring 19 hat eine Kreisringform und ist aus Silber oder einem anderen weichen metallischen Material, z. B. Nickel, hergestellt. Der Innendurchmesser des Ringes ist kleiner als der Innendurchmesser der Kontaktfläche 17. Die äußere Fläche des Ringes übersteigt den äußeren Durchmesser der Kontaktfläche 17. Der äußere Durchmesser des Ringes ist kleiner als oder gleich wie der äußere Durchmesser des weiter unten beschriebenen Adapters. Der Adapter 12 hat eine kreisförmige Grundform, und seine Frontfläche weist eine teilweise kugelförmige, zweite Kontaktfläche 20 auf, die radial innenliegend an eine Kantenfläche 44 und radial außenliegend an eine Kantenfläche 22 anschließt. Die Kantenfläche 44 zentriert den Dichtring 19 bezüglich der Kontaktfläche 20. Die Fläche 20 wird durch einen Radius R definiert. Die Kantenfläche 22 begrenzt eine kreisförmige Flanschfläche 23, welche sich senkrecht zu einer zentralen Achse CL des Adapters erstreckt, die auch die zentrale Achse der Kupplung 10 ist. Eine Bohrung 24 mit konischem Gewinde ist bezüglich der zentralen Achse konzentrisch angeordnet, wobei sich die Bohrung zwischen einer ebenen, kreisringförmigen Fläche 21 und einer Stirnfläche 25 des Adapters erstreckt. Der Konuswinkel der Bohrung beträgt zweckmäßigerweise 25 bis 45º. Die Oberflächen 21 und 25 sind planparallel. Das Zentrum des Radius R liegt auf der Zentrallinie CL in einem gewissen Abstand von der Stirnfläche 25.
Die Mutter 13 ist von einem konventionellen Typ und weist eine Flanschfläche 26 auf, die sich senkrecht zu der Zentrallinie CL erstreckt. Der minimale Durchmesser der Mutter ist kleiner als der maximale Durchmesser der Kontaktfläche 17. Die Mutter weist auch eine Stoppschraube 27 auf.
Das Ventil 14 hat eine hohle Welle 28, deren eines Ende mit einem konischen Gewinde versehen ist. Ein Ventilanschluß und eine Meßeinrichtung können an dem anderen Ende der Welle angeordnet werden. Die Kupplung wird auf die folgende Art und Weise montiert. Die Welle des Ventils 14 wird durch die Mutter 13 hindurchgebracht und mit der Bohrung 24 des Adapters 12 ausgerichtet und verschraubt. Daraufhin werden die Gewinde bzw. Gewindegänge an einem Ende der Welle und der vorderen Fläche 21 durch eine Schweißung 42 oder eine Klebeverbindung abgedichet. Das Verschweißen des Adapters und des Ventils bedeutet, daß diese Elemente als nichttrennbare Einheit betrachtet werden können. Die Elemente können auch wahlweise als eine Einheit gegossen werden. Dann wird der ebene Dichtungsring 19 unterlegt und auf die ebene Stirnfläche 18 des Behälterhalses 15 aufgelegt, woraufhin der Adapter auf den Ring 19 aufgebracht wird und die Mutter in Richtung des Halses bewegt wird. Die Mutter wird mit Hilfe eines geeigneten Werkzeuges, z. B. eines Schraubenschlüssels, auf den Hals aufgeschraubt, so daß die Kontaktfläche 26 der Mutter in Eingriff mit der Flanschfläche 23 des Adapters steht, wo die teilweise kugelförmige Kontaktfläche 20 des Adapters den Ring 19 gegen die bzw. an der Kontaktfläche 17 des Halses elastisch oder plastisch deformiert. Der Ring formt sich im wesentlichen selbst nach den Flächen 20 und 17 und dichtet zwischen diesen Flächen ab. Die Ausgestaltung der Flächen 17 und 20 bedeutet einen kreisförmigen, linearen Anstieg von Druckkräften in der Kupplung. Deshalb wird das Material des Ringes in Richtung des inneren und äußeren Durchmessers verschoben, was eine sichere Abdichtung ergibt. Der Anstieg der Druckspannungen ist unabhängig davon, wie sorgfältig der Adapter auf den Hals aufgebracht wird. Der Grund liegt in der abgerundeten bzw. teilweise kugelförmigen Ausgestaltung der Flächen 17 und 20. Die Stirnfläche 25 des Adapters liegt im wesentlichen in der gleichen Ebene wie eine obere End- bzw. Stirnfläche 29 der Mutter.
Die so erhaltene Kupplung wirkt der Verunreinigung von reinen Gasen wegen des Fehlens von Aussparungen entgegen. Sie ist stabil und nicht empfindlich bezüglich der Sorgfalt bei der Montage. In Fig. 6 ist ein Behälter 11 so dargestellt, daß er reines Gas unter hohem Druck enthält. Aus Gründen der Klarheit zeigt die Figur den Behälter sowohl vor als auch nach dem Verschweißen. Der Behälter ist aus einem rostfreien Material hergestellt, welches eine gute Schweißfähigkeit und ausgezeichnete Festigkeit hat, wie zum Beispiel aus einem rostfreien, austhenitischen Ferritstahl, einem rostfreien, martensitischen Ferritstahl oder ähnlichem. Ferrit-austhenitische Stähle und Ferrit-martensitische Stähle haben eine beträchtlich bessere Festigkeit als austhenitische Stähle und sind deshalb sehr gut geeignet als Materialien für Hochdruckbehälter. Je besser geeignet der Stahl ist, desto schlanker ist die Konstruktion des Gasbehälters, was bedeutet, daß die Handhabung einfacher ist und Material gespart wird. Diese Arten von Stählen sind auch vorteilhaft im Vergleich zu austhenitischen Stählen bezüglich des Gesichtspunktes der Korrosion, wegen einer beträchtlich besseren Widerstandsfähigkeit gegen Spaltkorrosion. Als ein Beispiel geeigneter Ferrit-austhenitischer Stähle kann man SAF 2205 erwähnen mit einer nominellen Analyse bzw. Zusammensetzung von maximal 0,03% C, 0,4% Si, 1,6% Mn, 22% Cr, 5,5% Ni, 3% Mo und 0,14% N. Als weiteres Beispiel kann man SAF 2304 erwähnen mit einer analysierten Zusammensetzung, die in Gewichtsprozenten aufweist: 0,06% C, 21 bis 24,5% Cr, 2 bis 5, 5% Ni, 0,05 bis 0,3% N, maximal 1,5% Si, maximal 2% Mn, 0,01 bis 1,0% Mo, 0,01 bis 1,0% Cu, mit dem Rest als Eisen Fe und normalen Verunreinigungen, wobei die Mengen der Komponenten so optimiert werden, daß der Gehalt an Ferrit bei 35 bis 65% liegt. Als ein weiteres Beispiel eines Ferrit-austhenitischen Materials kann man SAF 2507 erwähnen, mit einer analytischen Zusammensetzung von maximal 0,05% C, 23 bis 27% Cr, 5,5 bis 9% Ni, 0,25 bis 0,40% N, maximal 0,8% Si, maximal 1,2% Mn, 0,5% V, Ce bis zu 0,18%, die Rest Fe und übliche Verunreinigungen, wobei die Mengen so eingestellt werden, daß der Gehalt des Ferrits nach einer Lösungswärmebehandlung bei 1075ºC 30 bis 55% beträgt.
Als ein Beispiel eines geeigneten Ferrit-martensitischen Stahles kann man eine Stahllegierung erwähnen, die in der schwedischen Patentanmeldung Nr. 87 04 155-4 beschrieben ist und in Gewichtsprozenten enthält: 0,1% C, 0,1 bis 1,5% Si, 1,0 bis 5,0% Mn, 17 bis 22% Cr, 2,0 bis 5,0% Ni, maximal 1,0% Mo, maximal 0,2% N und mit dem Rest in Form von Eisen und normalerweise vorhandenen Verunreinigungen.
Andere Arten von Stählen, die für Hochdruckbehälter geeignet sind, sind austhenitische, rostfreie Stähle mit einem erhöhten Gehalt an Stickstoff. Der Stickstofverbessert die Festigkeit beträchtlich und hat einen vorteilhaften Einfluß auf die Korrosionsbeständigkeit.
Um einen erheblichen Unterschied von der Festigkeit von gewöhnlichen austhenitischen Stählen und die angestrebten Gewichtsreduktionen zu erhalten, ist es notwendig, daß die Stähle eine Festigkeit von zumindest 400 n/mm² und gleichzeitig eine Bruchdehnung von zumindest 12% haben. Dies wird durch alle bevorzugten Typen von Stählen erfüllt, und diese werden in diesem Zusammenhang als "hochfeste, rostfreie Stähle" bezeichnet. Der Behälter 11 weist einen oberen Teil 30, einen Mantel 31 und einen Bodenteil 32 auf. Die Verschweißung zwischen dem oberen Teil und dem Mantel ist mit 43 bezeichnet. Der Abschnitt des oberen Teils 30, der zwischen dem Hals 15 und dem Mantel liegt, ist im wesentlichen von kugelförmiger Gestalt.
Der obere Teil ist mit dem obenerwähnten Hals 15 versehen und hat in dem dargestellten Querschnitt gekrümmte Schultern 33, die in gerade Teile 34 überwechseln. Die Teile 34 enden unverschweißt in einer Basis 35. Der Abstand I zwischen der Stirnfläche 18 und der Basis beträgt etwa 50 bis 150% des Durchmessers D des Behälters. Der Mantel 31 besteht aus einem zylindrischen, nahtlosen Rohr, das heißt einem Rohr, welches keine in Axialrichtung verlaufende Schweißnaht hat. Der Bodenteil 32 besteht aus einer geschmiedeten oder heißgepreßten Gabel, die eine obere Kante 36 hat. Nach der Herstellung des Anschlusses folgt eine Bearbeitung der inneren Oberflächen der Teile 30 bis 32, das heißt, die inneren Oberflächen werden poliert oder auf eine Oberflächenebenheit von höchstens 3 um geätzt, vorzugsweise auf weniger als 0,3 um und besonders bevorzugt auf noch weniger als 0,1 zum, woraufhin die Teile zusammengeschweißt werden. Der obenerwähnte Behälter wirkt der Verunreinigung von reinen Gasen wegen seiner ausgezeichneten Oberflächenendbearbeitung entgegen und hat eine sehr gute Festigkeit.

Claims

Kupplung zwischen einer Ventileinrichtung (14) und einem Behälter (1) für den Einschluß von Reingas unter hohem Druck bei einem Widerstand gegen Verunreinigung desselben, wobei der Behälter einen Hals (15) hat, der eine Längszentralachse (CL) definiert, wobei der Hals und die Ventileinrichtung miteinander zusammenwirkende Kontakflächen (17, 20) einschließen, wobei zumindest eine der Kontakflächen, gesehen im Längsschnitt, eine konvex gekrümmte Form hat, ein Dichtring (19) zwischen den Kontaktflächen angeordnet ist und eine Mutter (13) für das Befestigen der Ventileinrichtung an dem Behälterhals vorgesehen ist, wobei der Dichtring zwischen den Kontaktflächen zusammengepreßt wird, wobei der Behälter aus einem bruchfesten, rostfreien Stahlmaterial besteht, welches Ferrit enthält und eine minimale Festigkeit von zumindest etwa 400 n/mm² und eine Bruchdehnung von zumindest 12% hat, eine innere Fläche des Behälters eine Gas enthaltende Kammer definiert, die innere Oberfläche eine Oberflächenebenheit derart hat, daß Unregelmäßigkeiten in der inneren Fläche in ihrer Höhe 3 um nicht übersteigen, eine der Kontakflächen teilweise kugelige Form, im Längsschnitt gesehen, hat und die andere der Kontaktflächen aus einem abgerundeten Teil, im Längsschnitt gesehen, besteht.