SE541132C2 - Stödanordning inuti trycksatt tank - Google Patents

Abstract

Uppfinningen avser en stödanordning anordnad inuti tank (70) för att göra tanken mer trycktålig vid oförändrad godstjocklek. Tanken innefattar en cylindrisk del (72) med en första och en andra ände, och en gaveldel (74, 75) i varje ände. Det finns anordnat ett stöd (78; 85) invändigt i respektive ände av den cylindriska delen. Dessa stöd har en utsträckning längs hela cylinderns omkrets, vilka stöd är infästa mot den cylindriska delens inre mantelyta. Gaveldelarna är anordnade i omedelbar anslutning till respektive stöd och infästa i den cylindriska delen.

Description

STÖDANORDNING INUTI TRYCKSATT TANK Föreliggande uppfinning hänför sig till tankar i vilka ett inre övertryck råder och är ämnad att möjliggöra en avsevärd reduktion av kostnaden för och vikten hos sådana tankar.

Uppfinningen riktar sig dessutom huvudsakligen mot sådana tankar där tryckskillnaden på grund av tyngdkraften mellan tankens övre och undre volymer inte utgör mer än en bråkdel av det totala övertrycket i tanken. Inte heller riktar sig uppfinningen mot att förstärka tanken mot de krafter som eventuellt kan uppstå vid dess infästningar eller upplag, vilka även dessa förutsätts vara relativt försumbara relativt de spänningar i tankhöljet som har sin direkta orsak i det inre övertrycket.

Bakgrund Höljet i en tank utsatt för inre övertryck måste kunna stå emot de krafter och spänningar som kan uppstå inom det tryckområde tanken är klassad för.

En tank för till exempel varmvattenberedare måste tåla de högsta tryck som kan påräknas i det vattensystem som tanken är ansluten till. För säkerhets skull har man i dessa installationer också fört in en säkerhetsventil (omfattas inte av denna uppfinning) som omedelbart släpper ut vatten ur tanken för det fall att trycket skulle komma att överstiga systemspecifikationerna.

Den trycksatta tanken måste utformas så att varje delkomponent av dess hölje (vanligen gavel respektive mantel) var och en för sig tål de högsta spänningar i plåten som kan uppstå på grund av trycket. Detta är dock inte alltid tillräckligt för att tanken i sin helhet ska tåla trycket utan dessutom måste konstruktionen tas till så att även de tillkommande krafter/spänningar som uppstår i skarven/gränsen/övergången mellan delkomponenterna (gavel respektive mantel) inte riskerar att deformera tanken med åtföljande risk för bristningar i den sålunda uppkomna deformationszonen.

Det gängse sättet att förstärka konstruktionen mot sådana deformationer i skarvar och övergångar är att man övergår till så pass grov dimension på plåtmaterialet i höljet att detta i sig själv förmår motstå den sammanlagda högsta spänning som någonstans kan uppstå. Därmed riskerar tankplåten att överallt utom just i närområdet till skarven bli kraftigt överdimensionerad, vilket i sin tur medför att såväl materialdimension, vikt och tillverkningskostnad för mantel respektive gavel mångfaldigas i förhållande till om dessa komponenter enbart skulle behöva dimensioneras för att motstå den direkta egna spänningen på grund av det inre övertrycket.

Sammanfattning av uppfinningen I ljuset av problemen och nackdelarna med känd teknik har uppfinnaren nu hittat en lösning, vilken definieras i de bifogade patentkraven.

Närmare bestämt avser uppfinningen en anordning vid en tank, företrädesvis en tank som skall tåla förhöjda tryck, vilken tank innefattar en cylindrisk del med en första och en andra ände, och en gaveldel i varje ände. I tanken finns det enligt uppfinningen anordnat ett invändigt stödelement längs hela omkretsen i respektive ände av den cylindriska delen, vilka stödelement är placerade i anliggning mot den cylindriska delens inre mantelyta i så pass omedelbar anslutning till den kommande gränsen mellan mantelyta och gaveldel att höljet längs hela sin omkrets ges ett fullgott stöd mot kontra ktion.

Denna uppfinning avser således en ny komponent, ett stödelement, som när den monterats i tanken innanför respektive skarv stöder skarven inifrån och därmed tar upp alla de deformerande krafterna i gränsen. På så sätt onödiggör komponenten att delkomponenterna i tankhöljet behöver dimensioneras grövre än vad som motiveras av de egna spänningar som direkt orsakats av själva övertrycket i tanken. Därmed reduceras kostnad och vikt för tankhöljet till en bråkdel av nu gällande. Tillkommer i stället kostnad och vikt för den nya komponenten, men dessa torde som högst uppgå till mindre än 30% av besparingarna på själva höljet.

Inget krav finns på att stödelementet ska vara infäst i höljet på annat sätt än att det ska vara instängt innanför detsamma, inte på något sätt kunna förskjutas axiellt samt dessutom hålla sig kvar i skarvens plan. Detta kan åstadkommas på ett flertal olika sätt, såsom att utföra stödelementet med visst övermått och placera det i ett invändigt spår i höljet med motsvarande övermått, förse höljets insida med rillor eller stoppklackar eller kanske helt enkelt fästa stödelementet med ett antal svetspunkter.

I vissa fall är gavelstycket utformat så att det även inkluderar en kort cylindrisk del. Därvid ska stödelementet placeras inne i gavelstycket i omedelbar anslutning till dess övergång från cylindrisk till sfä risk form.

Efter det att stödelementet satts på plats, fogas höljesdelarna ihop på gängse sätt, vanligen genom svetsning, så att en tät och trycksäker tank erhålls.

Stödelementet kan vara utformat på ett flertal olika sätt, men ska i varje enskild utformning ge ett likformigt och fullgott stöd längs hela cylinderytans omkrets. Speciellt skall det vara så dimensionerat att det förmår förhindra varje form av deformation gränsområdet mellan mantelyta och gavelstycke. Bland annat kan olika utformningar av stödringar tänkas, men också cirkulära skott kan uppfylla kraven. Skotten ska då vara så pass "otäta", exempelvis perforerade, att ingen risk föreligger för tryckskillnader över skottet.

I en utföringsform utgörs stödelementet av en solid ring i företrädesvis samma material som själva tanken. Ringen kan utgöras av en cirkelböjd stav med cirkulärt, rektangulärt eller annat lämpligt tvärsnitt och vars ändar förenats i en skarv med så pass god hållfasthet ändarna inte riskerar att förskjutas visavi varandra.

I ytterligare en utföringsform utgörs stödelementet av ett cirkulärt metallskott av erforderlig tjocklek, företrädesvis av samma material som i tanken.

Kort beskrivning av ritningarna Fig. 1a illustrerar en sfärisk tank Fig. 1b visar samma sfäriska tank som i Fig. 1a delad i två lika halvor och med krafterna i skarven utritade.

Fig. 2 en cylindrisk tank med halvsfäriska gavlar och med de krafter utritad som gäller i övergången mellan cylinder och halvsfär; Fig. 3 illustrerar spänningsförhållanden i övergången mellan cylinder och sfärisk kalottgavel, sfärens krökningsradie lika cylinderns diameter; Fig. 4 visar hur en tank med kalottgavlar kan deformeras då den utsätts för ett alltför kraftigt övertrycktryck; Fig. 5 illustrerar hur det föreslagna stödelementet, infört i tanken enligt fig. 3 tar över lasten från de radiella krafter från gaveln som annars skulle kunna orsaka att manteln deformeras.

Fig. 6 visar dels de radiella spänningsförhållanden i infästningen av en gaveldel, dels hur stödringen tar upp den radiella spänning som annars skulle orsaka kraftig påkänning på den cylindriska delen; Fig. 7 visar en cylindrisk tank med två olika typer av stöd, dels en stödring i den ena änden, dels ett stödskott i den andra, placerade i omedelbar anslutning till svetsfogarna till de kalottformade gaveldelarna; och Fig. 8 visar en alternativ utformning av en gaveldel, dess infästning och tillhörande stödring.

Fig. 9 visar en alternativ utformning där stöd ringen lagts in i gaveldelens cylindriska krage som sedan pressats ihop för att kunna föras in inuti manteln inför hopsvetsningen med denna.

Detaljerad beskrivning Först kommer en diskussion om bakgrunden till den problemställning som uppfinningen handlar om.

Själva den geometriska utformningen av en tank har en mycket kraftig inverkan på de spänningar i materialet som uppstår vid trycksättning. Allra mest trycktåliga är utformningar där materialspänningar och krafter, orsakade av övertrycket är riktade helt parallellt med ytan på tankhöljet. Möjliga sådana utformningar är dels den sfäriska tanken, fig. 1, som i exempelvis 750-liters-utförande för upp till 3 bar inte behöver grövre plåt än 0,85 mm, dels den cylindriska tanken med halvsfäriska gavlar, Fig. 2, som för samma volym och tryck som normala formfaktorer, h/D, kräver ca 0,6 mm i gavel respektive 1,2 mm i manteln. I bägge dessa tankformer saknas radiella spänningar/krafter och därmed kan denna uppfinning inte ge något positivt bidrag Tyvärr är sfä riska tankar respektive cylindrar med halvsfäriska gavlar svåra och därmed mycket dyra att tillverka. I tillägg är dessa tankar mycket ineffektiva vad gäller det volymmässiga utnyttjandet av de lokaler de placeras i. Inom branschen har därför utvecklats en standardform på tankar bestående av en mantelyta i form av en cylinder med valbar höjd och diameter som försetts med standardiserade gavlar i form av relativt svagt kupade sfä riska kalotter vars standardiserade krökningsradie överensstämmer med mantelytans diameter. Detta utförande är helt överlägset vad gäller tillverkningskostnad och volymutnyttjande.

Tyvärr medför denna gavelform den nackdelen att materialspänningarna i gränsen/övergången/skarven mellan mantel och gavel inte längre är riktade parallellt med höljesytan utan att där i stället uppstår avsevärda krafter vinkelrätt mot plåtytan. Detta framgår av Fig. 3., där ena tankgaveln skilts från manteln och där man i snittet ritat in de kraftpar som uppstår då tanken sätts under invändigt övertryck. I detta sammanhang är det de radiella krafterna som är av intresse och som måste tas om hand på något sätt. Dessa krafter uppkommer som en följd av att det inre övertrycket strävar att öka gavelns buktning, vilket i sin tur medför att gavelns periferi fås att dra ihop sig. Denna deformation motverkas av dels gavelns egen styvhet, dels de utåtriktade radiella krafter på gavel periferin som uppstår då manteln i fogen mot gaveln måste påverkas av motsvarande reaktionskrafter som tvingar fogen att följa med i den resulterande deformationen.

Om dessa komponenter inte är tillräckligt styva, exempelvis om de dimensionerats för att endast nätt och jämt i sig själva kunna stå emot övertrycket, så kommer de ofrånkomligen att deformeras likt Fig. 4, som visar , ett tvärsnitt av en tank 40 deformerad av inre övertryck (heldragen konturlinje med punktformade svetsfogar42) överlagrat på en odeformerad tank (streckad konturlinje med ringformade svetsfogar 44). Som framgår uppstår effekten att dels fogen/svetsskarven dras ihop och förskjuts, dels vinkeln mellan plåtytorna på dess respektive sidor ändras kraftigt. På så sätt uppkommer en allvarlig risk för kraftig överbelastning av materialet i fogen och eventuellt också att tanken brister.

Som tidigare nämnts är den i branschen gängse metoden att hantera problemet att man överdimensionerar komponenterna i höljet så pass mycket att de av egen kraft förmår hålla deformationstendenserna i gränsområdet inom acceptabla gränser. Tyvärr medför detta att man då tvingas till att mer än fördubbla materialtjockleken för samtliga tankens ytor. I sin tur drabbas man då också, utöver en fördubbling av tankvikt och materialförbrukning, av en väsentligt besvärligare tillverkningsprocess när man ska bearbeta dessa onödigt grova detaljer.

Det alternativa tillvägagångssätt som föreslås i denna uppfinning är att man, i stället för att överdimensionera hela tanken, tillför en komponent till varje skarvområde som avlastar manteln och skarven från de inåtriktade radiella krafterna från den utbuktande gaveln. Så länge denna komponent förmår stå emot, så kommer gaveln att kunna behålla sin ursprungliga form, skarven att kunna behålla sin omkrets, och vinkeln mellan mantelyta och gavelyta att kvarstå oförändrad. Denna nya komponent är helt enkelt ett stöd som placeras längs insidan av skarven och som förhindrar varje ansats till kontra ktion, detta genom att förmedla varje inåtriktad radieil delkraft tvärs över tanken till dess motriktade motsvarighet på andra sidan. På så sätt neutraliseras de skadliga radiella krafterna på skarven fullständigt. I och med införandet av denna komponent behöver man inte längre beakta krafterna i skarven när man beräknar plåttjockleken för tankhöljet.

Den nya komponenten ska ligga i samma plan som skarven och stödja denna inifrån längs hela dess omkrets. Därmed måste komponenten ha en cirkulär omkrets som överallt ansluter tätt till skarven. Dess utformning kan variera alltifrån ett perforerat cirkulärt skott till en stödring placerad innanför skarven. Komponenten utförs lämpligen i samma material som tankhöljet och dess tvärsnittsyta görs stor nog för att motstå kontra ktionskrafterna från gavelomkretsen.

Mantelytan i en "oändligt lång" cylindrisk tank 10 med 750 mm diameter och 2,5 mm godstjocklek kommer att visa sig tåla långt mer än 6 bars tryck, närmare 6,7 bar vid en säkerhetsfaktor om hela 2,0.

Skalet på en sfärisk tank 20 enligt Fig. la kommer att visa sig tåla närmare dubbelt så högt tryck som det cylindriska skalet, det vill säga ca 13 bar vid säkerhetsfaktor 2,0 Sfären i Fig. 1a kan ses som två halvsfärer 30, 32 sammanhållna av spänningen s i skalet, se Fig. 1b.

En tank med halvsfäriska gavlar, schematiskt visad i Fig. 2, skulle alltså kunna motstå de högre tryck man kan vilja uppnå, men till priset av att tanken blir mer skrymmande och dessutom relativt kostsam att tillverka.

Enligt uppfinningen används företrädesvis endast en "kalott" 50 enligt Fig. 5 med samma materialtjocklek som halvsfärerna ovan, och en diameter, lika stor som tankdiametern, exempelvis 750 mm. Kalottens krökningsradie är densamma som tankdiametern, 750 mm, vilket illustreras i Fig. 5. Krökningsradien följer förstås tankdiametern som kan variera inom vida gränser beroende på tankens storlek, men torde i de flesta fall ligga mellan 500 mm och 1500 mm. Med en krökningsradie på kalotten, lika tankdiametern, med samma material i mantel och gavel samt med samma materialtjocklek i bägge, så kommer gaveln och manteln att ha samma övre gräns för trycket.

Kalotten enligt ovan kommer därför av naturliga skäl även den att med marginal klara 6 bars tryck i sig, eftersom material och materialtjocklek är desamma. Spänningarna i kalotten ligger längs dess skal och kan ses som ett spänningspar enligt figuren med en axiell komponent, s, parallell med centrumlinjen C och en radieil komponent. Vid kalottens yttre gräns har kalottitan vinkeln 60 grader mot tankens axel. Därvid blir den radiella kraftkomponenten 1,732 gånger den axiella, dvs ca 1,732*s.

Om man sammanfogar en kalott med diameter 750 mm enligt ovan i vardera änden av och en cylinder med diameter 750 mm erhåller man en tank. Respektive komponent, kalotter och cylinder, klarar trycket 6 bar, var för sig.

Kalotten och cylindern kan förse varandra med erforderliga balanserande axiella krafter, s. Den radiella spänningskomponenten, 1,732*s, som kalotten behöver måste dock tillföras på annat sätt. Detta eftersom cylindern inte förmår leverera denna motkraft utan att deformeras.

I en första utföringsform av uppfinningen anordnas därför en stödring 60 av exempelvis rundstål inuti en cylinder 62 (endast en del visad) i respektive ände där en kalott 64 skall monteras, vilket tillhandahåller den erforderliga radiella kraftkomponenten längs kalottkanten, vilket visas i Fig. 6.

Detta motsvarar i praktiken att godstjockleken görs större i ändområdet intill skarven mellan cylinder och gavelkalott, och därigenom kan alltså materialet motstå dragkrafterna från gaveldelarna då dessa tenderar att bukta utåt.

En sådan stödring 60 utförd i 12 mm rundstål för en cylinder 62 med diameter 750 mm förmår med magnituders säkerhet stå emot den radiella kraften från kalotten. Om ringen 60 punktsvetsas fast inuti cylindern 62, kommer den också att vara fullständigt skyddad mot knäckning.

I Fig. 7 visas en komplett tank 70 innefattande en cylindrisk del 72, ett kalottformat gavelstycke 74, 75 i varje ände, en stödring 76 infäst inuti cylindern i dess ena ända, exempelvis medelst punktsvetsning, och där en kalott 75 svetsats fast i cylinderväggen i sitt läge mot stödringen 76 med en svetssöm 78 som löper runt hela periferin. Svetssömmen skall vara trycktät och hållfast nog för att motstå såväl de axiella som radiella spänningar som orsakas av det inre övertrycket i tanken. I cylinderns andra ände har i stället ett stödskott 85 på motsvarande sätt anbringats som stöd för skarven mot gavelstycket 74.

Naturligtvis kan tanken utformas med kombinationer av dessa varianter. Till exempel kan det föreligga stödringar i bägge ändar eller stödskott i bägge änder eller som i figuren ett stödskott i ena änden och en stödring i den andra änden.

Fig. 8 visar en alternativ utföringsform av stödringen 80. Här utgörs denna av en ring av plåt, i det visade utförandet ca 50 mm bred, vilket är avpassat för en tank enligt ovan med diameter ca 750 mm. Självklart skall ringens 80 dimensioner anpassas efter tankens storlek och geometri. Ringen monteras företrädesvis innan gaveln fästs. Infästningen utförs lämpligen medelst punktsvetsning, invändigt längs cylindermantelns kant. Eventuellt kan den sömsvetsas i skarven för maximal tålighet mot tryckbelastning. Ringens materialtjocklek anpassas så att den förmår stå emot kontra ktionen från gaveln vid det maximala tryck som själva svepet tål. I ett utföringsexempel enligt ovan torde 6 mm materialtjocklek räcka.

I denna utföringsform används i stället för en kalott enligt utföringsformen ovan en djupdragen gavel 82 som fästs utanpå cylindern genom svetsning 84 till ett trycktätt förband.

Vikten på tanken som konstruerats i enlighet med föreliggande uppfinning hamnar då på ursprungliga ca 120 kg med tillägg för de två stödringarna om vardera 6kg.

En tank som förstärks enligt gängse branschsed hamnar som jämförelse på en vikt om hela 240 kg. Uppfinningen medför således en avsevärd materialinbesparing och därmed en mer kostnadseffektiv tillverkning.

Förhållandet mellan trycknivå och godstjocklek i relativa tal kan uttryckas på följande sätt.

För en cylinder med diametern D och materialtjockleken d gäller följande.

Tryck P, Materialtjocklek d, cylinderdia D, tillåten materialspänning s (för aktuellt stål är s<1100 kp/cm2) => s>P*D/2*d =>P<s*2*d/D =>P<2*1100*d/D => Om D=750 mm och d=2 mm så blir P< 2200*2/750 = 5,86 bar. P<5,86 bar Sfär med diametern D och materialtjockleken d: P*?*D<2>/4<s*?*D*d => P<s*4*d/D Med samma värden som ovan blir P<11,72 bar I Fig. 9 visas en alternativ utföringsform där en stödring 90 lagts in i gaveldelens 92 cylindriska krage 94 som sedan pressats ihop för att kunna föras in inuti tankens mantel 96 inför hopsvetsningen med denna.

EXEMPEL Som exempel kan nämnas en vanligt förekommande beredartank på 750 liter och klassad till 3 bar. Denna har diametern 750 mm, höjden 1925 mm, plåt i stål med tjocklek 3 mm och vikt 130 kg. Med införda förstärkningskomponenter enligt denna uppfinning skulle plåttjockleken i höljet kunna minskas från nuvarande 3 mm till 1,13 mm. Och därmed skulle vikten på tankhöljet minska från nuvarande 130 kg till låga 49 kg. I gengäld tillkommer vikten för de två förstärkningskomponenterna, totalt dryga 8 kg. Sammantaget således en total viktreduktion från 130 kg till 57 kg, dvs dryga 55% viktreduktion.

Den andra sidan av detta mynt är att tanken med ursprungliga materialdimensioner enligt ovan, om den utrustades med adekvata komponenter enligt uppfinningen, skulle kunna klassas för 8 bars arbetstryck, nästan tre gånger så högt som den ursprungliga klassningen. Tankens totala vikt skulle samtidigt endast öka med marginella 22 kg från 130 kg till 152 kg.

Claims (5)

PATENTKRAV:

1. Anordning vid trycktank (70), vilken tank innefattar en cylindrisk del med en första och en andra ände, och en gaveldel (74, 75) i varje ände, vilka gaveldelar (74, 75) är trycktätt infästa i den cylindriska delen, företrädesvis medelst ett svetsförband, utgörande en skarv mellan den cylindriska delen och gaveldelen, vilken skarv spänner upp ett plan; kännetecknad av att att det i respektive ände av den cylindriska delen finns anordnat ett invändigt stödelement (76; 85), i form av en solid ring, företrädesvis i samma material som själva tanken, vilket stödelement företrädesvis utgörs av en cirkelböjd stav med cirkulärt, rektangulärt eller annat lämpligt tvärsnitt och vars ändar förenats i en skarv, och där stödelementet har en utsträckning längs hela den cylindriska delens inre omkrets, och att de invändigt anordnade stödelementen ligger innanför skarven, mellan den cylindriska delen och gaveldelen väsentligen i samma plan som denna skarv samt stödjer denna skarv inifrån längs hela skarvens omkrets.

2. Anordning enligt krav 1, där gaveldelarna är kalottformade, företrädesvis som sfäriska kalotter.

3. Anordning enligt krav 2, där de kalottformade gaveldelarnas krökningsradie är 500 - 1500 mm, för en tank med diametern 750 mm är lämpligen krökningsradien 750 mm.

4. Anordning enligt något av föregående krav, där stödelementet är infäst i den cylindriska delen medelst punktsvetsning.

5. Anordning enligt krav 4, där gaveldelen är en djupdragen del som fästs på utsidan av den cylindriska delen medelst svetsning i ett trycktätt förband, och där stödelementen är placerade omedelbart innanför cylinderns respektive ände.