-
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
-
1. Gebiet der Erfindung
-
Die
vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen Berstscheibenvorrichtungen
sowie Herstellungsverfahren und insbesondere Berstscheiben, Baugruppen
und Herstellungsverfahren, bei denen die Berstscheiben einen abgeschwächten Bereich oder
abgeschwächte
Bereiche haben, um das Öffnen der
Scheibe zu erleichtern.
-
2. Beschreibung des Stands
der Technik
-
Eine
Druckverringerungsplatte, die eine Berstscheibe ersetzen soll, ist
aus
GB 2 126 281 bekannt.
Diese Druckverringerungsplatte, die vorzugsweise in der Wand einer
Brennkammer verwendet wird, um zu starken Druck zu verringern, hat
einen flachen Mittelabschnitt.
-
Eine
weitere Druckverringerungsvorrichtung ist aus
GB 2 080 436 bekannt. Diese Druckverringerungsvorrichtung
ist integral mit der Wand eines Druckbehälters ausgebildet, um Fluid
aus dem Behälter
freizusetzen, wenn eine Überdrucksituation auftritt.
-
Viele
Druckverringerungsvorrichtungen vom Berstscheibentyp sind entwickelt
und eingesetzt worden. Im Allgemeinen enthalten derartige Vorrichtungen
eine Berstscheibe, die zwischen einem Paar Trageelemente oder Flansche
getragen wird, die ihrerseits mit einer Ablassverbindung in einem
Behälter oder
System verbunden sind, das Druckfluid enthält. Wenn das Druckfluid in
dem Behälter
oder System den Auslegungs-Berstdruck der Berstscheibe übersteigt,
birst die Scheibe, so dass Druckfluid aus dem Behälter oder
System abgelassen werden kann.
-
Berstscheiben
gehören
zu zwei allgemeinen Kategorien, d.h. nach vorn wirkenden Scheiben
und nach hinten wirkenden Scheiben. Es sind bestimmte nach vorn
wirkende Spannscheiben entwickelt worden, bei denen eine Kerblinie
in der Oberfläche
der Scheibe eingesetzt wird, um Öffnen
in einem bestimmten Bereich zu gewährleisten. In jüngster Zeit weisen
auch zurückwölbende Berstscheiben
Kerblinien auf, die an einer Oberfläche ausgebildet sind, um einen
abgeschwächten
Bereich oder abgeschwächte
Bereiche zu bilden, so dass bei Rückwölbung die Scheibe in diesem
abgeschwächten
Bereich bzw. abgeschwächten
Bereichen aufreißt.
Verfahren zum Herstellen von eingekerbten zurückwölbenden Berstscheiben sind
im US-Patent Nr. 4,441,350 von Short et al. am 10. April 1984 sowie
im US-Patent Nr. 4,458,516, erteilt Naumann am 10. Juli 1984, beschrieben.
-
Obwohl
eingekerbte zurückwölbende Berstscheiben
erfolgreich eingesetzt worden sind und bei einer Reihe von Einsatzzwecken
Messerklingen überflüssig gemacht
haben, kann Zertrümmerung und/oder
das Abreißen
von Teilen der Scheibe nach wie vor ein Problem sein. Das heißt, beim
Zurückwölben und
Bersten der eingekerbten zurückwölbenden Berstscheibe
in dem abgeschwächten
Bereich bzw. den abgeschwächten
Bereichen, der/die durch die Einkerbungen gebildet wird/werden,
kann es zu Zertrümmerung
und Abreißen
von Teilen der Scheibe kommen. Diese Probleme aufgrund von Zertrümmerung
und Abreißen
können
auch bei bekannten Berstscheiben auftreten.
-
Um
die Gefahr der Zertrümmerung
beim Bersten zu verringern, sind C-Einkerbungsverfahren entwickelt
worden. Derartige Scheiben enthalten einen bzw. mehrere abgeschwächte Bereiche,
die durch eine oder mehrere Einkerbungen gebildet werden, die einen
kreisförmigen
oder ähnlichen
Ausbruchsabschnitt bilden, der durch einen nicht abgeschwächten Gelenkbereich
gelenkig mit dem Rest der Scheibe verbunden ist, sind jedoch nicht
darauf beschränkt.
Des Weiteren sind, was rückwärts wirkende
Berstscheiben angeht, Berstscheibenanordnungen entwickelt worden,
die ein Stützelement
enthalten, das mit der Scheibe in Kontakt kommt, wenn sie sich zurückwölbt, und
so die Gefahr des Abreißens
verringert. So beschreibt beispielsweise US-Patent Nr. 5,167,337,
das den am nächsten
kommenden Stand der Technik darstellt, eine C-eingekerbte rückwärtswölbende Berstscheibenanordnung, die
ein sich nach innen erstreckendes Stützelement enthält, das
verhindert, dass der Ausbruchsabschnitt der Scheibe an dem Gelenk
zertrümmert
wird oder abreißt,
wenn es zum Bersten kommt.
-
Ein
allgemeines Problem bei der Herstellung eingekerbter Berstscheiben,
das nach wie vor besteht, ist dass die Werkzeuge, die zum Ausbilden
der Einkerbungen verwendet werden, beschädigt werden können, wenn
das Scheibenmaterial zu tief eingekerbt wird, wobei dies häufig auch
geschieht. So können
Kerbwerkzeuge des in den US-Patenten Ni. 4,441,350 sowie 4,458,516
beschriebenen Typs zusammenstoßen,
wodurch die Kerbklingen abgestumpft werden oder brechen, so dass
sie instandgesetzt oder ausgetauscht werden müssen, wobei dies häufig geschieht.
Ein weiteres Problem bei herkömmlichen
Einkerbverfahren besteht darin, dass das Material direkt unter der
Einkerbklinge kaltverfestigt wird, so dass es schwierig sein kann,
die Scheibe auf eine gewünschte
Stärke
einzukerben.
-
Ein
weiteres Problem, das bei eingekerbten Berstscheiben vor der vorliegenden
Erfindung aufgetreten ist, ist der vorzeitige Ausfall der Scheiben
aufgrund von zyklischer Druckeinwirkung. Zyklische Druckeinwirkung
tritt auf vielen Einsatzgebieten von Berstscheiben auf und schließt Überdruckänderungen
sowie Änderungen
von Über-
zu Unterdruck ein. Schwankungen des Drucks des Druckfluids, die
auf die Berstscheiben wirken, können
dazu führen,
dass sie sich biegen, wodurch wiederum das Material, das die Scheiben
bildet, ermüdet
und an der Einkerbung bzw. den Einkerbungen in den Scheiben bricht.
Dies wiederum führt
zur Entstehung von Undichtigkeiten und/oder zum vorzeitigen Ausfall
der Scheiben. Die Industrie hat versucht, dieses Ermüdungsproblem auf
ein Minimum zu verringern, indem der eingekerbte Bereich beispielsweise
mit dem Berstscheibenkopf gestützt
wird. Mit diesem Verfahren ist jedoch das Problem nicht vollständig gelöst worden.
-
Daher
besteht nach wie vor Bedarf nach verbesserten Berstscheiben, Anordnungen
und Verfahren, mit denen die oben aufgeführten Probleme gelöst werden.
-
Die
vorliegende Erfindung löst
die oben beschriebenen Probleme des Standes der Technik mit einer
zurückwölbenden
Berstscheiben nach Anspruch 1, sowie einem Verfahren zum Herstellen
einer derartigen Berstscheibe nach Anspruch 8.
-
Es
werden verbesserte Berstscheiben und Herstellungsverfahren geschaffen,
die die oben beschriebenen Bedürfnisse
erfüllen
und die Mängel
des Standes der Technik überwinden.
Die verbesserten Berstscheiben der vorliegenden Erfindung haben
einen abgeschwächten
Bereich bzw. abgeschwächte Bereiche,
an denen die Scheibe birst bzw. sich öffnet. Die Erfindung besteht
aus einem Berstelement, das aus einem vorzugsweise verformbaren
Material ausgebildet ist und so eingerichtet ist, dass es dichtend in
einen Durchlass für
unter Druck stehendes Fluid eingreift. Die Scheibe enthält wenigstens
einen abgeschwächten
Bereich, der aus Material besteht, das durch eine teilweise Scherbewegung
verschoben ist, um so einen Querschnitt zu bilden, der dünner ist
als der Rest der Scheibe, da Material in einer Scherrichtung verschoben
ist. Der abgeschwächte
Abschnitt ist in dem Berstelement oder daran angrenzend so ausgebildet,
dass er einen abgeschwächten
Abschnitt zum Öffnen
bildet, jedoch keinen Abstand erzeugt, der anfällig für Ermüdungsbruch ist. Dabei kann
der Flansch der Scheibe den abgeschwächten Abschnitt stützen und
den Einsatz eines separaten Stützelementes überflüssig machen.
-
Die
Berstscheibe der vorliegenden Erfindung kann einen Flansch mit einer
inneren und einer äußeren Umfangskante
enthalten, wobei der Flansch gegenüber dem Berstelement der Scheibe
so versetzt ist, dass die Umfangskante des Berstelementes und die
Innenumfangskante des Flansches freigelegt werden. Die Umfangskante
des Berstelementes und die Innenumfangskante des Flansches werden
an einander gegenüberliegenden
Seiten des Fluiddurchlasses freigelegt, d.h. an der Einlassseite
der Scheibe und an der Auslassseite der Scheibe. Der abgeschwächte Bereich
enthält
einen dünneren Querschnitt
als den des Flansches und des Berstelementes.
-
Gemäß Anspruch
8 wird des Weiteren ein Verfahren zum Herstellen verbesserter Berstscheiben
geschaffen, die einen abgeschwächten
Bereich oder abgeschwächte
Bereiche aufweisen, an denen die Scheibe birst. Das Verfahren umfasst
die Schritte des Ausbildens eines Berstelementes, vorzugsweise aus
verformbarem Material, das so eingerichtet ist, dass es dichtend
in einen Durchlass für
unter Druck stehendes Fluid eingreift, sowie das Ausbilden eines abgeschwächten Bereiches
bzw. abgeschwächter Bereiche
in dem Berstelement oder daran angrenzend, indem Material mit einer
Teil-Scherbewegung verschoben
wird. Der abgeschwächte
Bereich bzw. die abgeschwächten
Bereiche wird/werden vorzugsweise unter Verwendung von Werkzeugen
ausgebildet, die versetzt sind und nicht aufeinanderschlagen können. Der
abgeschwächte
Bereich kann so ausgebildet werden, dass der Flansch der Berstscheibe
als eine Stütze
für den
abgeschwächten
Bereich dient. Dadurch wird die Lebensdauer der Scheibe verbessert,
wenn sie Druckschwankungen in dem Fluiddurchlass ausgesetzt ist.
-
Schließlich wird
ein Verfahren geschaffen, mit dem gewährleistet wird, dass eine zurückwölbende Berstscheibe,
die einen abgeschwächten
Bereich oder abgeschwächte
Bereiche hat, der/die darin ausgebildet ist/sind, nach Zurückwölben birst.
Das Verfahren umfasst das Anordnen eines Sicherheitselementes an
die Berstscheibe angrenzend an der Auslassseite der Berstscheibe,
wobei das Sicherheitselement wenigstens einen berstauslösenden,
spannungskonzentrierenden Punkt hat, der so angeordnet ist, dass
er mit der Berstscheibe an dem abgeschwächten Bereich in Kontakt kommt,
wenn sich die Berstscheibe zurückwölbt.
-
Eine
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen verbesserten
abgeschwächten Abschnitt
in einer Berstscheibe zu schaffen, um das Öffnen der Berstscheibe bei
dem vorgegebenen Nenndruck zu erleichtern, wobei die Verbesserung darin
besteht, dass der abgeschwächte
Bereich eine längere
Lebensdauer hat und kein separates Stützelement benötigt.
-
Einen
weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Berstscheibenanordnung zu
schaffen, die Öffnen
einer zurückwölbenden Berstscheibe
bei Zurückwölben gewährleistet.
-
Eine
weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren
zum Ausbilden eines abgeschwächten
Bereiches in einer Berstscheibe zu schaffen, das zuverlässig ist,
nicht anfällig
für Beschädigung von
Werkzeugen ist, und herkömmlichen
Einkerbverfahren überlegen
ist.
-
Andere
und weitere Objekte, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung
werden für
den Fachmann beim Lesen der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungen
im Zusammenhang mit den beigefügten
Zeichnungen ersichtlich.
-
KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
-
1 ist
eine Schnittansicht einer zurückwölbenden
Berstscheibenanordnung der vorliegenden Erfindung, die zwischen
einem Paar herkömmlicher
Rohrflansche eingeklemmt ist.
-
2 ist
eine Teilansicht entlang der Linie 2-2 in 1.
-
3 ist
eine Teilansicht entlang der Linie 3-3 in 1.
-
4 ist
eine als Schnitt ausgeführte
Seitenansicht der Anordnung in 1, die die
Berstscheibe darstellt, nachdem sich die Berstscheibe zurückgewölbt hat
und geborsten ist.
-
5(a) ist eine Schnittansicht einer Berstscheibe
der vorliegenden Erfindung, die einen Querschnitt der Scheibe in
dem abgeschwächten
Bereich darstellt.
-
5(b) ist eine Schnittansicht einer Berstscheibe,
bevor ein abgeschwächter
Bereich in der Scheibe ausgebildet wird.
-
5(c) ist eine Schnittansicht einer Berstscheibe,
die einen abgeschwächten
Bereich nach dem Stand der Technik hat.
-
6(a) ist eine Schnittansicht einer Berstscheibe
der vorliegenden Erfindung, die darstellt, wie der abgeschwächte Bereich
durch den Flansch gestützt
wird.
-
6(b) ist eine Schnittansicht einer Berstscheibe
nach dem Stand der Technik, die den ungestützten abgeschwächten Bereich
darstellt.
-
6(c) ist eine Schnittansicht einer Berstscheibe
nach dem Stand der Technik, die einen Biegevorgang darstellt, der
häufig
an dem abgeschwächten
Bereich auftritt.
-
7 ist
eine als Schnitt ausgeführte
Seitenansicht der verbesserten rückwärtswölbenden
Berstscheibe der vorliegenden Erfindung einschließlich der
Bearbeitungswerkzeuge, die zum Ausbilden des abgeschwächten Bereiches
eingesetzt werden.
-
8 ist
eine Draufsicht entlang der Linie 8-8 in 7.
-
9 ist
eine Unteransicht entlang der Linie 9-9 in 7.
-
In
den Zeichnungen und insbesondere in 1–4 ist
eine Berstscheibenanordnung der vorliegenden Erfindung, die eine
zurückwölbende Berstscheibe
enthält,
die einen darin ausgebildeten abgeschwächten Bereich aufweist, dargestellt
und allgemein mit dem Bezugszeichen 10 gekennzeichnet.
In dieser Ausführung
hat der abgeschwächte
Bereich, wie in 7 dargestellt, die Form einer
durchgehenden C-förmigen
Kurve. Die Anordnung 10 besteht aus einem Einlass-Berstscheiben-Stützelement 12 und
einem Auslass-Berstscheiben-Stützelement 14.
Eine Baugruppe aus zurückwölbender
Berstscheibe und Sicherheitselement, die allgemein mit den Bezugszeichen 11 gekennzeichnet
ist, ist zwischen den Stützelementen 12 und 14 mit
einer Vielzahl von Bolzen 16 eingeklemmt dargestellt. Das Stützelement 12 ist
dichtend mit einer Leitung 18 verbunden, die ihrerseits
mit einem Behälter
oder System (nicht dargestellt) verbunden ist, der/das zu schützendes
Druckfluid enthält.
Das Stützelement 14 ist
dichtend mit einer Leitung 20 verbunden, die über die
Berstscheibenanordnung 11 abgelassenes Druckfluid zu einem
Punkt leitet, an dem es abgeleitet, gespeichert wird oder dergleichen.
Die Stützelemente 12 und 14 können, obwohl
nicht dargestellt, mit entsprechenden Rohrflanschen verbunden sein. Die
Baugruppe aus Berstscheibe und Sicherheitselement 11 ist
zwischen den Stützelementen 12 und 14 eingeklemmt.
Ein Paar Dichtungen 24 und 26 können eingesetzt
werden, obwohl in vielen Fällen
derartige Dichtungen nicht notwendig sind.
-
Die
Berstscheibenanordnung 11 der vorliegenden Erfindung besteht
aus einer Berstscheibe 28 wie der dargestellten zurückwölbenden
Berstscheibe und einem ringförmigen
Sicherheitselement 36. Die Berstscheibe 28 besteht
vorzugsweise aus verformbarem Material und weist einen darin ausgebildeten abgeschwächten Bereich 30 auf,
der durch einen Bereich oder Bereiche von Material gebildet wird,
die durch eine Teil-Scherbewegung
verschoben sind. Diese Teil-Scherbewegung bewirkt, wie in 5(a) dargestellt und weiter unten ausführlicher
beschrieben, Materialverschiebung, durchtrennt die Scheibe jedoch
nicht. Der abgeschwächte
Bereich 30, der in 1–4 dargestellt
ist, erzeugt eine durchgehende gekrümmte abgeschwächte Linie,
entlang der die Scheibe bricht, wenn sie einer vorgegebenen Druckdifferenz
ausgesetzt wird. Die Berstscheibe 28 ist an die Dichtung 24 angrenzend
angeordnet, die ihrerseits an das Einlass-Stützelement 12 angrenzend angeordnet
ist. Das Sicherheitselement 36 ist an die Berstscheibe 28 angrenzend
angeordnet, und die Dichtung 26 ist zwischen dem Sicherheitselement 36 und
dem Auslass-Stützelement 14 angeordnet. Wenn
Dichtungen 24 und 26 in der Baugruppe in 1 weggelassen
werden, kommt die Berstscheibe 28 mit dem Einlass-Stützelement
in Kontakt, und das Sicherheitselement 36 kommt mit dem
Auslass-Stützelement
in Kontakt.
-
Die
Berstscheibe 28 enthält,
wie am besten in 1 und 2 dargestellt,
einen konvexkonkaven Abschnitt 25, der mit einem ringförmigen Flanschabschnitt 27 erbunden
ist. Der konvex-konkave Abschnitt bildet eine konvexe Fläche an der
Seite der Berstscheibe 28 an das Einlass-Stützelement 12 angrenzend
und eine entsprechende konkave Fläche an der Seite, die das Auslass-Stützelement 14 angrenzt.
Der abgeschwächte
Bereich 30, der durch einen Bereich oder Bereiche aus Material
gebildet wird, die durch eine Teil-Scherbewegung in der zurückwölbenden
Berstscheibe 28 gebildet werden, bildet einen im Wesentlichen
kreisförmigen
Ausbruchsabschnitt 48, der mit der Berstscheibe 28 durch
einen nicht abgeschwächten
Gelenkbereich 50 zwischen den einander gegenüberliegenden
Enden der Linie der Abschwächung 30 verbunden
ist, d.h., der Gelenkbereich 50 entspricht so einer Sehne
eines im Wesentlichen kreisförmigen
Ausbruchsabschnitts 48.
-
Das
Sicherheitselement 36 besteht, wie in 3 dargestellt,
aus einem Ring 40. In der bevorzugten Ausführungsform
ist dieser Ring in direktem Flächenkontakt
mit dem Flanschabschnitt 27 der Berstscheibe. Der Innendurchmesser
des Rings 40 hat vorzugsweise einen Durchmesser, der etwas
kleiner ist als der Durchmesser der C-förmigen gekrümmten Linie bzw. des abgeschwächten Bereiches 30,
so dass die Scheibe sich beim Bersten ungehindert öffnen kann.
-
In
der gegenwärtig
bevorzugten Ausführung sind
drei berstauslösende,
spannungskonzentrierende Punkte 44 an der Innenkante des
Rings 40 vorhanden, um mit der Berst scheibe 28 in
Kontakt zu kommen, wenn sie sich zurückwölbt, jedoch nicht birst. Die
Punkte 44 werden durch Paare aneinandergrenzender bogenförmiger Ausschnitte 46 in
dem Ring 40 gebildet. Zumindest die zurückwölbende Berstscheibe 28 und
das Sicherheitselement 36 sind, wie in 2 und 3 dargestellt,
vorzugsweise aneinander angebracht, so beispielsweise durch Punktverschweißungen 38.
Der Ring 40, die spannungskonzentrierenden Punkte und die
bogenförmigen Ausschnitte 46 sind
zusammen so ausgeführt,
dass die spannungskonzentrierenden Punkte 44 mit einem
Abschnitt des abgeschwächten
Bereiches 30 in Kontakt kommen, wenn sich die Scheiben
zurückwölben, jedoch
nicht sofort aufreißen
sollte. Wenn sich die zurückwölbende Scheibe 28 beispielsweise
zurückwölbt, jedoch
nicht sofort an den abgeschwächten
Bereichen 30 aufreißt,
und die Scheibe steigendem Druck ausgesetzt ist, bewegt bzw. verformt
sich die Scheibe an die Konzentrationspunkte 44 angrenzend
in die bogenförmigen
ausgeschnittenen Bereiche 46 und drückt den Mittelabschnitt in
Kontakt mit den Punkten, wodurch das Reißen entlang des abgeschwächten Bereiches 30 ausgelöst wird.
-
Vorzugsweise
enthält
das Sicherheitselement 36 ein Element, das beim Zurückwölben mit
der Scheibe in Kontakt kommt. In der gegenwärtig bevorzugten Ausführung ist
Auffangleiste 42 an den Gelenkbereich 50 angrenzend
angeordnet und erstreckt sich wenigstens teilweise über den
offenen Innenraum des Auslass-Stützelementes 14.
Beim Zurückwölben und
Bersten wird der Gelenkbereich 50 der Berstscheibe 28 gestützt, und
der Ausbruchsabschnitt 48 desselben kommt in Kontakt und
wird abgebremst, wenn er und der Ausbruchsabschnitt 48 sich
in den offenen Innenraum des Stützelementes 14 hineinbiegen,
wie dies in 4 dargestellt ist. Das Abstützen des
Gelenkbereiches 50 und das Abbremsen des Ausbruchsabschnittes 48 der
Berstscheibe 28 durch die Auffangleiste 42 verhindern,
dass der Ausbruchsabschnitt 48 zertrümmert oder von dem restlichen
Abschnitt der Berstscheibe 28 weggerissen wird.
-
5 zeigt einen Vergleich des Standes der Technik
mit der vorliegenden Erfindung. 5(b) stellt
eine Berstscheibe mit einem Berstelement 200 und einem
Flansch 202 dar. 5(a) stellt
eine Scheibe dar, die gemäß der vorliegenden
Erfindung ausgebildet ist. 5(c) stellt
eine Scheibe dar, die mit Einkerbverfahren nach dem Stand der Technik hergestellt
wurde.
-
In
der verbesserten zurückwölbenden
Berstscheibe der vorliegenden Erfindung ist/sind ein abgeschwächter/abgeschwächte Bereich/e
durch einen Bereich bzw. Bereiche aus Material ausgebildet, das in
einer Scherrichtung verschoben ist. Der Bereich wird vorzugsweise
durch zwei Werkzeugelemente hergestellt, die geringfügig zueinander
versetzt sind, die jedoch zwei Kanten haben, die nahezu fluchtend miteinander
sind, wie dies in 7 dargestellt und im Folgenden
ausführlicher
beschrieben ist. Die Berstscheibe der vorliegenden Erfindung kann,
wie in 5(a) dargestellt, ein mittiges
Berstelement 200 enthalten, das bei einem vorgegebenen
Druck vom Rest der Scheibe abreißt, wobei das Berstelement eine
Umfangskante 201 hat. Die Scheibe enthält des Weiteren einen Flansch 202 mit
einer inneren und einer äußeren Umfangskante 204 bzw. 203.
Der Flansch ist gegenüber
dem Berstelement so versetzt, dass die Umfangskante des Berstelementes
und die Innenumfangskante des Flansches frei liegen. Diese Versetzung
bewirkt, dass ein abgeschwächter
Bereich 205 zwischen diesen zwei Umfangsrändern ausgebildet
ist, der eine Dicke hat, die geringer ist als die Dicke des Flansches
und des Berstelementes. Je nach dem eingesetzten Werkzeug können die
Kanten des Flansches und des Berstelementes abgerundet sein. Aufgrund
der Materialverschiebung können, wie
in 7 dargestellt, Wölbungen in Bereichen an den
abgeschwächten
Bereich angrenzend ausgebildet sein.
-
In
bestimmten Fällen
ist der Umfangsrand des Berstelementes im Wesentlichen parallel
zu der inneren Umfangskante des Flansches und im Wesentlichen fluchtend
mit ihr. Die innere Umfangskante des Flansches 204 und
die Umfangskante des Berstelementes 201 sind, wie in 5(a) dargestellt, an einander gegenüberliegenden
Seiten des Fluiddurchlasses ausgebildet und im Wesentlichen fluchtend.
Die Umfangskante des Berstelementes kann an der Einlassseite ausgebildet
sein, und die Innenumfangskante des Flansches ist an der Auslassseite ausgebildet.
Als Alternative dazu kann die Umfangskante des Berstelementes an
der Auslassseite ausgebildet sein, und die Innenumfangskante des
Flansches kann an der Einlassseite ausgebildet sein.
-
Wenn
eine zurückwölbende Berstscheibe
in Betrieb genommen wird, d.h. zwischen Stützelementen eingeklemmt wird,
und der Druck von Druckfluid auf die Einlassseite und atmosphärischer
oder niedrigerer Druckfluid-Druck auf die Auslassseite ausgeübt werden,
wird die Berstscheibe unter Druck gesetzt. Da der abgeschwächte Bereich 205 in
der Berstscheibe das Material nach oben bewegt hat, wie dies in 6(a) dargestellt ist, werden die Druckkräfte auf
den Umfangsflanschabschnitt 202 der Scheibe übertragen,
so dass die Scherspannung, die auf den Bereich bzw. die Bereiche
aus Material ausgeübt wird,
das durch die Teil-Scherbewegung verschoben ist, relativ gering
ist. So ist, obwohl das Material des abgeschwächten Bereiches 205 dünner ist
als der Rest der Scheibe und daher den Bereich bildet, in dem sich
die Scheibe öffnet,
der abgeschwächte
Bereich dennoch in der Lage, Druckschwankungen zu widerstehen. Es
ist daher nicht notwendig, den abgeschwächten Bereich der Berstscheibe
der vorliegenden Erfindung abzustützen.
-
Im
Unterschied zu der vorliegenden Erfindung ist die herkömmliche
eingekerbte Berstscheibe nach dem Stand der Technik, bei der eine
V-förmige Einkerbung
in die Scheibe geschnitten ist, in 5(c), 6(b) und 6(c) dargestellt.
Der Begriff "Einkerbung" wird hier zur Bezeichnung
einer Nut bzw. Kerbe verwendet, die in einer Seite einer Berstscheibe
mit einer Messerklinge oder einem ähnlichen Werkzeug ausgebildet
wird, um eine abgeschwächte
Linie in der Berstscheibe zu erzeugen, so dass die Berstscheibe
bei Beschädigung
entlang der abgeschwächten
Linie aufreißt.
Wie unter Bezugnahme auf 5(c) zu
sehen ist, enthält
die zurückwölbende Berstscheibe 52 nach
dem Stand der Technik eine Einkerbung 54, die im Wesentlichen
eine Nut ist, die in einer Seite der Scheibe ausgebildet ist. Der verbleibende
dünne Abschnitt 56 des
Scheibenmaterials unter der Einkerbung 54 verbindet den
mittigen Ausbruchsabschnitt 58 der Scheibe mit dem Umfangsflanschabschnitt 60.
Die Einkerbung 54 bildet so eine abgeschwächte Linie
in der Scheibe, und bisher sind eine oder mehrere derartige Einkerbungen eingesetzt
worden, um kreisförmige
oder anders geformte Ausbruchsabschnitte auszubilden, die in zurückwölbenden
Berstscheiben durch nicht geschwächte
Gelenkabschnitte verbunden werden.
-
Wenn
derartige Scheiben nach dem Stand der Technik Druckzyklen ausgesetzt
sind, werden die Scheiben, wie erwähnt, häufig aufgrund von Spannung
beschädigt,
die auf den dünnen
Abschnitt 56 des Scheibenmaterials unter der Einkerbung 54 wirkt.
Daher ist der eingekerbte Bereich derartiger Scheiben nach dem Stand
der Technik vorzugsweise abgestützt
worden. Selbst mit dieser Abstützung
jedoch können
die Kräfte
von der Scheibe eine Biegewirkung an der Kerblinie verursachen,
die zu Ermüdungsbruch
führt.
Die Kräfte,
die von dem Ausbruchsabschnitt 58 übertragen werden, sind, wie
am besten in 6(b) und 6(c) zu
sehen, mit Pfeil 59 dargestellt. Diese Kräfte verursachen,
wie in 6(c) dargestellt, eine Biegewirkung,
wenn der Druck auf die Scheibe variiert.
-
Mit
der vorliegenden Erfindung wird die Biegewirkung, die bei Scheiben
nach dem Stand der Technik aufgrund des Kerbverfahrens auftritt,
im wesentlichen minimiert oder vermieden. Gemäß der vorliegenden Erfindung
ist/sind ein oder mehrere abgeschwächte/r Bereich/e in einer zurückwölbenden Berstscheibe
durch einen Bereich bzw. Bereiche von Material ausgebildet, das
durch eine Teil-Scherbewegung verschoben ist. Der/die abgeschwächte/n Bereiche
können
am Umfang des Berstelementes oder im Hauptkörper des Elementes auf ähnliche
Weise wie beim Kreuzkerben (cross scoring) ausgebildet werden. Diese
Bereiche können
lineare Druckkräfte aufnehmen
und die Kräfte
bzw. Kraftvektoren direkt entlang einer Linie von dem Berstelement
zu dem Stützband
der Scheibe leiten.
-
Das
Verfahren und die Werkzeuge, die zum Ausbilden eines Bereiches bzw.
von Bereichen von Material, das durch die Teil-Scherbewegung verschoben
wird, bei einer Berstscheibe der vorliegenden Erfindung eingesetzt
werden, sind in 7–9 dargestellt. 7 stellt
das Werkzeug 66 beim Vorgang des Erzeugens des abgeschwächten Bereiches
dar. Der abgeschwächte
Bereich enthält
einen dünneren Querschnitt
als der Rest der Scheibe, da Material in einer Scherrichtung verschoben
wird. Der Grad der Verschiebung kann je nach dem gewünschten
Querschnitt in dem abgeschwächten
Bereich variieren. Es wird davon ausgegangen, dass das Verfahren
der vorliegenden Erfindung einen abgeschwächten Bereich mit dünnerem Querschnitt
als herkömmliche Kerbverfahren
erzeugen kann, da es nicht das Problem von kaltverfestigtem Material
aufweist, das sich unter der Kerbklinge bildet.
-
Ein
abgeschwächter
Bereich, der allgemein mit dem Bezugszeichen 64 gekennzeichnet
ist, kann, wie in 7–9 dargestellt,
in einer Berstscheibe 62 durch ein Paar Werkzeuge 66 und 68 ausgebildet werden,
die mit geeigneten Werkzeugen (nicht dargestellt) verbunden sind.
In der gegenwärtig
bevorzugten Ausführung
ist das Werkzeug 66 ein Ring, der verwendet wird, um den
Bereich bzw. Bereiche von Material, das durch die Teil-Scherbewegung
verschoben wird, in die Berstscheibe 62 zu stanzen. Das Werkzeug 68 ist
ein zweiter Ring mit einem Innendurchmesser, der geringfügig größer ist
als der Außendurchmesser
von Werkzeug 66. In dieser Ausführung sind die Stirnseiten
der Werkzeuge parallel und nahezu fluchtend miteinander. Das Werkzeug 68 hält die Berstscheibe
während
des Stanzvorgangs fest. Die Werkzeuge 66 und 68 sind,
wie dargestellt, vorzugsweise versetzt, so dass sie nicht miteinander kollidieren,
wenn der abgeschwächte
Bereich 64 zu tief ausgeformt wird. So stellt das Verfahren
der vorliegenden Erfindung zum Ausbilden eines bzw. mehrerer abgeschwächter Bereiche
in einer Berstscheibe, entlang derer die Scheibe birst, eine Verbesserung
gegenüber
Verfahren nach dem Stand der Technik dar, bei denen die eingesetzten
Werkzeuge kollidieren können
und dies tun. So enthält
das Werkzeug, das zum Ausbilden der Einkerbung 54 in der
in 5(c) dargestellten Berstscheibe 52 eingesetzt wird,
Werkzeuge, die einander auf ähnliche
Weise wie die Werkzeuge gegenüberliegen,
die in den oben erwähnten
US-Patenten Nr.
4,441,350 und 4,458,516 dargestellt sind. Wenn die Einkerbung 54 zu
tief ausgeformt wird, schlagen die Werkzeuge aufeinander, wodurch
die Werkzeuge und mitunter die mit dem Werkzeug verbundenen Ausrüstungen
beschädigt
werden.
-
Im
Betrieb der Berstscheibenanordnung 10 wird, wie unter Bezugnahme
auf 1–4 zu
sehen ist, Druckfluid aus einem Behälter oder System, der/das geschützt wird,
durch das Einlass-Stützelement 12 zu
der Berstscheibe 28 geleitet, wird jedoch durch die Berstscheibe 28 zurückgehalten
und daran gehindert, in den offenen Innenraum des Auslass-Stützelementes 14 einzutreten,
so lange der Druck den Auslegungs-Berstdruck der Berstscheibe 28 nicht übersteigt.
Der Begriff "Auslegungs-Berstdruck", der hier verwendet
wird, bezeichnet den Fluiddruck, der auf die konvexe Seite der Berstscheibe ausgeübt wird
und bei dem die Berstscheibe 28 sich zurückwölben und
bersten soll.
-
Wenn
der auf die Berstscheibe ausgeübte Fluiddruck
den Auslegungs-Berstdruck der Berstscheibe 28 übersteigt,
wölbt sich
die Scheibe zurück und
reißt
dann in dem/den abgeschwächten
Bereich/en 30 auf, der/die durch den/die Bereich/e von Material
gebildet wird/werden, das in einer Scherrichtung verschoben ist.
Wenn sich der Ausbruchsabschnitt 48 aufgrund des Berstens
der Scheibe 28 öffnet,
wird er durch das Druckfluid, das über die Scheibe 28 abgelassen
wird, in Kontakt mit der Auffangleiste 42 des Sicherheitselementes 36 nach
unten gedrückt.
Die Auffangleiste verstärkt,
wie in 4 dargestellt, den Gelenkbereich 50,
so dass, wenn sich der Gelenkbereich 50 biegt, der Ausbruchsabschnitt 48 an
dem Gelenkbereich nicht abreißt.
Des Weiteren kommt der verlängerte
Abschnitt der Auffangleiste 42 mit dem Ausbruchsabschnitt
in Kontakt und "fängt" ihn auf, so dass
seine Bewegung nach unten abgebremst wird und es nicht zur Zertrümmerung
des Ausbruchsabschnitts 50 kommt. Es ist vorgesehen, dass
andere Elemente als die Auffangleiste einen Teil des Sicherheitselementes 36 bilden
können,
um die gleiche Funktion zu erfüllen.
-
Da
der Bereich von Material, der in einer Scherrichtung verschoben
wird, bei zyklischer Druckänderung,
wie oben erwähnt,
nicht unter nennenswerter Spannung steht, hat die Berstscheibe 28 eine
längere
Lebensdauer als vergleichbare zurückwölbende Berstscheiben nach dem
Stand der Technik.
-
Das
Bersten der Scheibe 28 wird durch das Sicherheitselement 36 gewährleistet.
Das heißt,
die Berstauslösungs-Spannungskonzentrationspunkte 44,
die an der Innenkante des Sicherheitselementes 36 vorhanden
sind, kommen mit einem Abschnitt des abgeschwächten Bereiches 36 in
Kontakt und bewirken, dass die Berstscheibe 28 in dem/den
abgeschwächten
Bereich/en birst, wenn sich der konkav-konvexe Abschnitt der Scheibe 28 zurückwölbt und
durch Fluiddruck über
die Punkte 44 gebogen wird.
-
Der
Fachmann weiß,
dass, wenn sich eine zurückwölbende Berstscheibe
zurückwölbt, ohne
zu bersten, sie dem Bersten bis zu gefährlich hohen Fluiddrücken aufgrund
einer hohen Zugfestigkeit widerstehen kann. Im Allgemeinen muss
eine zurückwölbende Berstscheibe
so ausgelegt sein, dass sie unter Zugspannung nach Zurückwölben bei
einem Fluiddruck von nicht mehr als dem 1,5-fachen des Auslegungs-Berstdrucks
der Scheibe birst, um sichere Funktion der Scheibe zu gewährleisten.
Das Sicherheitselement 36 ist mit seinen Ausschnitten und Spannungskonzentrationspunkten
so ausgelegt, dass gewährleistet
ist, dass die Berstscheibe 28 auf einem derartigen sicheren
Druckpegel unter Zugspannung birst, wenn sie sich zurückwölbt, ohne
zu bersten.
-
Der/die
abgeschwächte/n
Bereich/e, der/die durch einen Bereich bzw. Bereiche von Material
gebildet wird/werden, das in der Berstscheibe der vorliegenden Erfindung
in einer Scherrichtung verschoben ist, können, wie sich versteht, Ausbruchsabschnitte
verschiedener Formen bilden, wie sie durch konstruktive Kriterien
vorgegeben werden.
-
Das
Verfahren zum Herstellen einer Berstscheibe der vorliegenden Erfindung,
die einen oder mehrere abgeschwächte
Bereiche enthält,
entlang derer die Berstscheibe birst, umfasst den Schritt des Ausbildens
eines Berstelementes aus verformbaren Material mit einer Druckfluid-Einlassseite
und einer Auslassseite, das so eingerichtet ist, dass es dichtend
in einen Durchlass für
unter Druck stehendes Fluid eingreift. Wenigstens ein Bereich von
Material, das durch eine Teil-Scherbewegung verschoben wird, wird
ausgebildet, um einen abgeschwächten Bereich
in dem Berstelement zu erzeugen. In einer gegenwärtig bevorzugten Ausführung wird
eine Patrize/Matrize-Werkzeuggruppe verwendet, um den Bereich aus
verschobenem Material auszubilden. Ein Werkzeugblock wird bei einem
Stanz- oder einem äquivalenten
Vorgang in Kontakt mit der Scheibe bewegt. Die Verschiebung von
Material durch den Werkzeugblock 66 wird in einer Teil-Scherbewegung bewerkstelligt,
die, wie in 7 dargestellt, durch die Bewegung
der Berstscheibenwölbung
relativ zu dem Scheibenflansch bewirkt wird. Der entstehende Bereich
enthält
einen dünneren
Querschnittsbereich, der das Öffnen
der Scheibe erleichtert. Bei einer gewölbten Bestscheibe, wie der
in 7 dargestellten, kann der verdünnte Bereich Druckschwankungen aufgrund
einer bogenartigen Verbindung der Wölbung, des abgeschwächten Bereiches
und des Flansches widerstehen.
-
Der
Bereich bzw. die Bereiche von Material, das durch die Teil-Scherbewegung
verschoben wird, ist in der Berstscheibe in einer Form ausgebildet,
die einen bzw. mehrere abgeschwächte
Bereiche bildet, die einen Ausbruchsabschnitt in der Berstscheibe
erzeugen. Die Berstscheibe enthält
vorzugsweise des Weiteren einen nicht abgeschwächten Gelenkbereich, der mit
dem Ausbruchsabschnitt verbunden ist. Der Ausbruchsabschnitt, der
durch den abgeschwächten
Bereich gebildet wird, kann, wie oben erwähnt, verschiedene Formen haben,
ist jedoch vorzugsweise kreisförmig.
-
Das
Verfahren der vorliegenden Erfindung, mit dem gewährleistet
wird, dass eine zurückwölbende Berstscheibe,
in der ein oder mehrere abgeschwächte
Bereiche ausgebildet sind, nach Zurückwölben birst, umfasst das Anordnen
eines ringförmigen
Sicherheitselementes an die Berstscheibe angrenzend an der Auslassseite
derselben, das wenigstens einen berstauslösenden spannungskonzentrierenden
Punkt hat, der so angeordnet ist, dass er mit der Berstscheibe an
dem abgeschwächten
Bereich in Kontakt kommt.