EP1033329A1 - Druckbehälter mit Stirnring - Google Patents

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EP1033329A1
EP1033329A1 EP99120546A EP99120546A EP1033329A1 EP 1033329 A1 EP1033329 A1 EP 1033329A1 EP 99120546 A EP99120546 A EP 99120546A EP 99120546 A EP99120546 A EP 99120546A EP 1033329 A1 EP1033329 A1 EP 1033329A1
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EP
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ring
pressure vessel
welded
container
tank
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Gerhard Till
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Gb Engineering & Co KG GmbH
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B65—CONVEYING; PACKING; STORING; HANDLING THIN OR FILAMENTARY MATERIAL
    • B65D—CONTAINERS FOR STORAGE OR TRANSPORT OF ARTICLES OR MATERIALS, e.g. BAGS, BARRELS, BOTTLES, BOXES, CANS, CARTONS, CRATES, DRUMS, JARS, TANKS, HOPPERS, FORWARDING CONTAINERS; ACCESSORIES, CLOSURES, OR FITTINGS THEREFOR; PACKAGING ELEMENTS; PACKAGES
    • B65D88/00—Large containers
    • B65D88/02—Large containers rigid
    • B65D88/12—Large containers rigid specially adapted for transport
    • B65D88/128—Large containers rigid specially adapted for transport tank containers, i.e. containers provided with supporting devices for handling

Definitions

  • Another tank container is from DE 29 705 851 U1 the features specified in the preamble of claim 1 known who works with an angular saddle ring, the after external radial flange both with the cross bars and can also be welded to the corner supports of the front frame can.
  • the cylinder formed by the axial flange is on his Tank-side end at the radially inside or outside Edges welded to the bottom of the container. Even there the ring has the task of static and dynamic loads to be transferred between the container and the container frame.
  • tank bottoms are used to cylindrical tank bodies at the ends to pressure vessels seal or this cylindrical tank body in chambers to divide.
  • the tank bottoms used should be one available container length should be as pressure-resistant as possible and a offer good use of space.
  • Hemispherical bottoms are particularly pressure-resistant, which, however, because of their poor use of space are little common.
  • Rotationally symmetrical floors with different are common curved three-dimensional surfaces.
  • All of these floors are formed by a surface that, weakly arranged perpendicular to the tank axis curved area starting out, stronger in its edge zone curved into the cylindrical shell of the container.
  • Two radii of curvature can merge into each other tangentially (spherical bottoms), or the radius of curvature can following an ellipse starting from the center of the container taper towards the outside (elliptical floors).
  • the wall thicknesses of pressure vessels and thus the the bottoms are usually from the internal pressure of the container dependent.
  • the wall thicknesses are determined according to calculation instructions, that in national pressure vessel regulations are included (e.g. AD leaflets, ASME, CODAP, British Standard 5500). In principle, all of these regulations Stresses in the component are determined, which then a certain one Minimum wall thickness depending on the strength of the assigned tank material is assigned.
  • the invention has for its object the maximum voltages in the edge zone of the soil that an inventive floor with the same wall thickness higher pressures or equally high with reduced wall thickness Endures pressures like conventionally manufactured floors.
  • the achievement of this task is in Claim 1 described.
  • the floor assembly includes a floor and a ring in the area of the maximum meridian tensions, by a concave-side overpressure (Pressure inside the container) in the bottom wall with which Tank bottom is welded.
  • the ring reduces the for the determination of the minimum wall thickness relevant meridian tension so much so that that used to make the floor Starting material can be much thinner and so considerable weight and material cost advantages arise, which predominate despite the additional attachment of the ring.
  • the ring is made of a base metal than the floor itself.
  • the above-mentioned meridian stress denotes a tensile stress on the concave surface of the floor, it is tangential to the surface of the floor and diagonally radially to the tank axis. Your maximum amount is decisive for the interpretation of a container bottom.
  • a frustoconical design of the ring after Claim 5 can be used as an intermediate floor when using the floor be advantageous, but it is also a saddle element advantageous, for example, when assembling small containers in relatively large frames.
  • the front ring does not need a closed To be ring; the invention is also applicable when the end ring interrupted in sections or according to claim 9 is composed of individual segments.
  • At the bottom Area is an interruption in horizontally arranged containers often useful due to the fittings provided here. In these areas, however, there must be free marginal zones of the soil can be reinforced in other ways (Duplications, particularly reinforced cutouts).
  • the claim 11 relates in particular to embodiments of the rings, where in addition to the reinforcement and Saddle function there are further design requirements, such as. Isolation of a tank against its frame, elastic Suspension of a tank in the frame.
  • the pressure vessel 10 with the outer diameter Da consists of a cylindrical jacket 13 and two opposite end plates 12, each with a ring 11 with an average diameter D r in the region of the maximum meridian tension on the outer and inner edges 14a, 14b of the Tronges 11 are welded.
  • Fig. 2 From Fig. 2 is the definition of torispherical floor surfaces 20, 21 can be seen.
  • the convex (outer) 20 and the concave (inner) 21 surface of the floor is covered by the Rotation of the bottom contour described about the container axis 30. The distance between the two surfaces determines the wall thickness S of the soil.
  • the bottom contour is made up of three different ones curved areas together: namely that of the floor cap defining area 22 with the dome radius R, which the Area brim forming area 23 with the brim radius r and the area 24 forming the cylindrical rim of the floor.
  • the convex outer surface 20 and the concave Inner surface 21 of the bottom 12 is also by a Rotation of the contour defined around the container axis 30.
  • the Bottom contour of an elliptical bottom is composed of one another an elliptical part 25 which is the three-dimensionally curved Area of the floor and an area 24 that like the cylindrical rim on the spherical bottom describes.
  • the distance between the two floor surfaces is defined by the wall thickness S.
  • the two semiaxes A and a are in a relationship of 2: 1 to each other.
  • the ring 11 forms a further pressure chamber 40, which is arranged between two pressure vessels 10.
  • the ring 11 lies the ring 11 between the two container end bottoms 12 and is with them in the range of their maximum meridian tensions welded to its inner and outer edges 14a and 14b.
  • the reinforcing end ring forms an L-shaped one Ring 11 'which is welded to the bottom 12.
  • the Ring 11 ' consists of a leg 17, one to the tank axis parallel cylinder forms, and a leg 18 ', which points perpendicular to it radially inwards.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Filling Or Discharging Of Gas Storage Vessels (AREA)
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Abstract

Bei einem Druckbehälter (10), der aus einem zylindrischen Mantel (13) und auf- oder eingesetzten Böden (12) besteht, ist im Bereich der maximalen Meridianspannungen in der äußeren Bodenrandzone ein Ring (11) angeschweißt, der die Spannungen in diesem Bereich so stark herabsetzt, daß für eine bestimmten Behälterinnendruck die erforderlichen Wandstärken in diesem Bereich und damit im Bereich des ganzen Bodens gegenüber einem Boden ohne einen solchen Ring erheblich niedriger ausfallen können. Dieser Ring (11) dient entweder nur zur Spannungsreduzierung im Randzonenbereich, oder er dient zusätzlich als Sattelelement bei vertikal oder horizontal angeordneten Druckbehältern (10), insbesondere Tankcontainern, oder er bildet einen weiteren Druckraum (40) zwischen zwei Druckbehältern (10), die koaxial mit den jeweils konvexen Seiten ihrer Böden zueinander angeordnet sind. <IMAGE>

Description

Ein Tankcontainer mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Eigenschaften aus DE 32 12 696 C2 bekannt. Dort ist ein zu einer Sattelstruktur gehörender Stirnring mit seinen radial äußeren und inneren Kanten an den von der Krempenzone umgebenen Teil des Tankbodens angeschweißt. Die Hauptaufgabe des dort beschriebenen Sattelrings besteht darin, auftretende statische und dynamische Transportlasten möglichst spannungsarm zwischen Tank und Rahmen zu übertragen.
Aus DE 29 705 851 U1 ist ein weiterer Tankcontainer mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen bekannt, der mit einem Winkelsattelring arbeitet, dessen nach außen weisender Radialflansch sowohl mit den Querholmen als auch mit den Eckstützen des Stirnrahmens verschweißt werden kann. Der vom Axialflansch gebildete Zylinder ist an seinem tankseitigen Ende an den jeweils radial innen oder außen liegenden Kanten mit dem Behälterboden verschweißt. Auch dort hat der Ring die Aufgabe, statische und dynamische Lasten zwischen Behälter und Containerrahmen zu übertragen.
Im Behälter- und Apparatebau dienen Tankböden dazu, zylindrische Tankkörper an den Enden zu Druckbehältern zu verschließen oder diese zylindrischen Tankkörper in Kammern zu unterteilen. Die verwendeten Tankböden sollen bei einer verfügbaren Behälterlänge möglichst druckfest sein und eine gute Raumausnutzung bieten. Besonders druckfest sind Halbkugelböden, die allerdings wegen ihrer schlechten Raumausnutzung wenig verbreitet sind.
Üblich sind rotationssymmetrische Böden mit unterschiedlich gekrümmten dreidimensionalen Flächen. Insbesondere sind Böden mit torisphärischen oder elliptischen Oberflächen für Druckbehälter geeignet. Bei den toriaphärischen Böden finden insbesondere Klöpper- oder Korbbogenböden Verwendung. Bei den elliptischen Böden ist ein Halbachsenverhältnis von 2:1 am weitesten verbreitet.
Alle diese Böden werden von einer Fläche gebildet, die, von einem senkrecht zur Tankachse angeordneten schwach gekrümmten Bereich ausgehend, in ihrer Randzone stärker gekrümmt in den zylindrischen Mantel des Behälter übergeht. Dabei können zwei Krümmungsradien tangential ineinander übergehen (torisphärische Böden), oder der Krümmungsradius kann sich einer Ellipse folgend von der Behältermitte ausgehend nach außen hin verjüngen (elliptische Böden).
Die Wandstärken von Druckbehältern und damit auch die der Böden sind in der Regel vom Innendruck des Behälters abhängig. Die Bestimmung der Wandstärken erfolgt nach Berechnungsvorschriften, die in nationalen Druckbehälterregelwerken enthalten sind (z.B. AD Merkblätter, ASME, CODAP, British Standard 5500). Im Prinzip werden bei all diesen Vorschriften Spannungen im Bauteil ermittelt, denen dann eine bestimmte Mindestwanddicke in Abhängigkeit von der Festigkeit des eingesetzten Tankwerkstoffes zugeordnet wird.
Insbesondere in Behälterböden gibt es bei Innendruckbeanspruchung keinen gleichförmigen Spannungszustand. Während die Spannungen im mittleren schwachgekrümmten Bereich relativ niedrig sind, wachsen sie im Bereich der Randzone stark an, um dann wieder auf das niedrigere Niveau des zylindrischen Teils abzusinken. Da Behälterböden normalerweise bis zu Abmessungen von drei Metern Durchmesser aus einem Blech oder mehreren gleich starken Blechen gefertigt werden, bestimmen die hohen Spannungen in der Randzone die Mindestwanddicke des gesamten Bodens.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Maximalspannungen im Randzonenbereich des Bodens so herabzusetzen, daß ein erfindungsgemäßer Boden bei gleicher Wandstärke höhere Drücke oder bei verringerter Wandstärke gleich hohe Drücke wie herkömmlich hergestellte Böden erträgt.
Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist in Anspruch 1 beschrieben. Die Bodenanordnung umfaßt einen Boden und einen Ring, der im Bereich der maximalen Meridianspannungen, die durch einen konkavseitigen Überdruck (Behälterinnendruck) in der Bodenwand entstehen, mit dem Behälterboden verschweißt ist. Der Ring verringert die für die Bestimmung der Mindestwanddicke maßgebliche Meridianspannung so sehr, daß das für die Herstellung des Bodens verwendete Ausgangsmaterial wesentlich dünner sein kann und so erhebliche Gewichts- und Materialkostenvorteile entstehen, die trotz des zusätzlichen Anbringen des Ringes überwiegen. Insbesondere dann, wenn der Ring aus einem unedleren Metall als der Boden selbst besteht.
Die oben genannte Meridianspannung bezeichnet eine Zugspannung an der konkaven Fläche des Bodens, sie verläuft tangential zur Oberfläche des Bodens und schräg radial zur Tankachse. Ihr maximaler Betrag ist maßgeblich für die Auslegung eines Behälterbodens.
Das größte Materialeinsparungspotential (oder die größte Festigkeitssteigerung) ermöglicht für die verschiedenen am weitesten verbreiteten Bodenformen eine Anordnung des Ringes nach Anspruch 2, 3 oder 4. Die folgende Tabelle gibt die optimalen Durchmesserbereiche in Abhängigkeit vom Außendurchmesser Da des Behälters:
Bodenform optimaler Durchmesser Dr
Klöpperform 0,92 - 0,95 Da
Korbbogenform 0,86 - 0,90 Da
elliptische Form (A:a = 2:1) 0,86 - 0,90 Da
Eine Ausführung des Ringes in zylindrischer Form ist besonders vorteilhaft, da der so gebildete Ring entweder zwischen zwei Böden von koaxialen Behältern angebracht ist und so eine weitere Kammer gemäß Anspruch 6 bildet, oder daß er als Sattelelement nach Anspruch 7 und 8 dienen kann.
Eine kegelstumpfförmige Ausführung des Ringes nach Anspruch 5 kann bei der Verwendung des Bodens als Zwischenboden vorteilhaft sein, sie ist aber auch als Sattelelement vorteilhaft, zum Beispiel, bei der Montage kleiner Behälter in relativ große Rahmen.
Nach Anspruch 10 braucht der Stirnring kein geschlossener Ring zu sein; die Erfindung ist auch dann anwendbar, wenn der Stirnring abschnittsweise unterbrochen oder nach Anspruch 9 aus einzelnen Segmenten zusammengesetzt ist. Im unteren Bereich ist bei horizontal angeordneten Behältern eine Unterbrechung wegen der hier vorgesehenen Armaturen häufig zweckmäßig. In diesen Bereichen müssen allerdings dann freie Randzonen des Bodens auf andere Art und Weise verstärkt werden (Aufdoppelungen, besonders verstärkte Ausschnitte).
Die Anspruch 11 bezieht sich insbesondere auf Ausführungsformen der Ringe, bei denen neben der Verstärkungs- und Sattelfunktion weitere konstruktive Anforderungen bestehen, wie z.B. Isolierung eines Tanks gegen seinen Rahmen, elastische Aufhängung eines Tanks im Rahmen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend anhand der Zeichnungen näher erläutert.
Darin zeigt:
Figur 1
den aufgebrochenen Ausschnitt eines Druckbehälters in einer Seitenansicht;
Figur 2
die flächendefinierende Kontur eines torisphärischen Bodens.
Figur 3
die flächendefinierende Kontur eines elliptischen Bodens.
Figur 4
eine Gestaltungsmöglichkeit für einen mehrkammengen Druckbehälter;
Figur 5 und 6
verschiedene Gestaltungsformen des Stirnrings, wenn dieser aus einem Winkelprofil besteht;
Nach Fig. 1 besteht der Druckbehälter 10 mit dem Außendurchmesser Da aus einem zylindrischen Mantel 13 und zwei gegenüberliegenden Endböden 12, die jeweils mit einem Ring 11 mit einem mittleren Durchmesser Dr im Bereich der maximalen Meridianspannung an den äußeren und inneren Kanten 14a, 14b des Rünges 11 verschweißt sind.
Aus Fig. 2 ist die Definition von torisphärischen Bodenflächen 20, 21 ersichtlich. Die konvexe (äußere) 20 und die konkave (innere) 21 Oberfläche des Bodens wird durch die Rotation der Bodenkontur um die Behälterachse 30 beschrieben. Den Abstand der beiden Flächen zueinander bestimmt die Wandstärke S des Bodens.
Die Bodenkontur setzt sich aus drei unterschiedlich gekrümmten Bereichen zusammen: nämlich dem die Bodenkalotte definierenden Bereich 22 mit dem Kalottenradius R, dem die Bodenkrempe bildenden Bereich 23 mit dem Krempenradius r und dem den zylindrischen Bord des Bodens bildende Bereich 24.
Die Krümmungsradien der unterschiedlichen Bereiche sind bei Klöpper- und Korbbogenböden in Abhängigkeit vom Außendurchmesser Da des zylindrischen Teils des Druckbehälters nach folgender Tabelle definiert:
Maßverhältnisse typischer torisphärischer Böden
Radien Klöpperform Korbbogenform
R (Kalotte) Da 0,8 Da
r (Krempe) 0,1 Da 0,154 Da
Aus Fig. 3 ist die Definition einer elliptischen Bodenfläche ersichtlich. Die konvexe Außenfläche 20 und die konkave Innenfläche 21 des Bodens 12 wird ebenfalls durch eine Rotation der Kontur um die Behälterachse 30 definiert. Die Bodenkontur eines elliptischen Bodens setzt sich zusammen aus einem elliptischen Teil 25, der den dreidimensional gekrümmten Bereich des Bodens beschreibt, und einem Bereich 24, der wie beim torisphärischen Boden den zylindrischen Bord beschreibt. Der Abstand der beiden Bodenflächen zueinander ist durch die Wandstärke S definiert.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform des elliptischen Bodens stehen die beiden Halbachsen A und a in einem Verhältnis von 2:1 zueinander.
Nach Fig. 4 bildet der Ring 11 einen weiteren Druckraum 40, der zwischen zwei Druckbehältern 10 angeordnet ist. Dabei liegt der Ring 11 zwischen den beiden Behälterendböden 12 und ist mit diesen im Bereich ihrer maximalen Meridianspannungen an seinen inneren und äußeren Kanten 14a und 14b verschweißt.
Nach Fig. 5 bildet den verstärkenden Stirnring ein L-förmiger Ring 11', der mit dem Boden 12 verschweißt ist. Der Ring 11' besteht aus einem Schenkel 17, der einen zur Tankachse parallel verlaufenden Zylinder bildet, und einem Schenkel 18', der dazu senkrecht radial nach innen weist.
Nach Fig. 6 weist der Radialflansch 18'' des Ringes 11'' nach außen.

Claims (11)

  1. Druckbehälter (10) mit einem torisphärischen oder elliptischen Boden (12), an dessen konvexer Fläche (20) ein zur Tanklängsachse (30) konzentrisch angeordneter Ring (11) angeschweißt ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Ring (11) im Bereich der durch einen konkavseitigen Überdruck an der Behälterinnenwand (21) entstehenden maximalen Meridianspannungen mit dem Behälterboden (12) verbunden ist.
  2. Druckbehälter nach Anspruch 1, wobei, der Ring (11) an einen torisphärischen Klöpperboden (12) angeschweißt ist und an seinem Anschweißende einen mittleren Durchmesser (Dr) von 0,92 - 0,95 x Da hat.
  3. Druckbehälter nach Anspruch 1, wobei der Ring (11) an einen torisphärischen Korbbogenboden (12) angeschweißt ist und an seinem Anschweißende einen mittleren Durchmesser (Dr) von 0,86 - 0,90 X Da hat.
  4. Druckbehälter nach Anspruch 1, wobei der Ring (11) an einen elliptischen Boden (12) mit einem Halbachsenverhältnis von 2:1 (A:a) angeschweißt ist und an seinem Anschweißende einen mittleren Durchmesser (Dr) von 0,86 - 0,90 x Da hat.
  5. Druckbehälter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Ring (11) einen rechteckigen Querschnitt aufweist, dessen Längsachse einen Winkel zur Tanklängsachse aufweist, so daß der entstehende Kegelstumpfmantel an seiner kleineren Öffnung mit dem Boden verschweißt ist.
  6. Druckbehälter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Ring (11) als Zylinder ausgebildet ist und zwischen den konvexen Seiten zweier Böden (12) angeordnet ist und so eine druckfeste Kammer (40) zwischen zwei koaxialen Druckbehältern (10) bildet.
  7. Druckbehälter (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Ring (11) als Sattelelement zur horizontalen oder vertikalen Montage des Behälters dient.
  8. Druckbehälter (10) nach Anspruch 7, wobei der Ring (11) ein Element der Stirnringsattelung eines Tankcontainers darstellt.
  9. Druckbehälter (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der Ring (11) aus einem oder mehreren Segmenten besteht.
  10. Druckbehälter (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei der Ring (11) abschnittsweise von in der Bodenrandzone angeordneteten Ein- oder Anbauten unterbrochen sein kann.
  11. Druckbehälter (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4 und 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Ring (11', 11'') einen L-förmigen Querschnitt aufweist, wobei ein Schenkel (17) parallel und konzentrisch zur Tankachse, einen Zylinder bildend, verläuft und der andere Schenkel (18', 18'') an dem vom Boden (12) entfernten Rand des Zylinders ansetzt und radial dazu verläuft.
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