DE1650214C3 - Verfahren zur Herstellung eines dickwandigen Druckgefäßes aus einheitlichem metallischem Material für hohe Innen- oder Außendrücke - Google Patents

Description

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Es ist bekannt, daß bei einem Druckzylinder, der einem hohen Innen- oder Außendruck ausgesetzt wird, die Umfangsspannung an der Innenwandung um den Betrag des aufgebrachten Drucks größer ist als an der Außenwandung. Bei der Herstellung von solchen Druckzylindern, die mit Drücken belastet werden sollen, die einen beträchtlichen Teil der zulässigen Belastung ausmachen, ist es daher gebräuchlich, die Wandung des fertigen Druckzylinders einer Vorspannung auszusetzen, die die Spannungsdifferenz zwischen Außen- und v, Innenwandung mehr oder weniger auszugleichen vermag. Dadurch wird eine höhere mittlere Spannungsbelastung möglich.

Die Erzeugung einer solchen Vorspannung kann auf verschiedene Weise erfolgen: Es kann beispielsweise ein bo Zylinder über den Druckzylinder übergeschrumpft werden, oder es können auch mehrere Zylinder über den Druckzylinder und übereinander geschrumpft werden. Weiterhin kann der Druckzylinder mit einem Draht oder einem Band unter Spannung umwunden b^r> werden. Es ist auch möglich, dem Druckzylinder eine Vorspannung von solcher Höhe aufzuprägen, daß ein Teil der Wandung über die Streckgrenze hinaus vorbelastet wird. Schließlich kann auch ein von der Verformungstemperatur des Metalls ausgehendes kontrolliertes Abschrecken vorgenommen werden.

Alle diese Möglichkeiten sind zwar bei mit hohen Innendrücken zu belastenden Druckzylindern anwendbar. Die ersten beiden der vorstehend angegebenen Möglichkeiten sind aber bei mit hohen Außendrücken zu belastenden Druckzylindern grundsätzlich nicht anwendbar, während die beiden an letz.er Stelle genannten Möglichkeiten für diesen Belastungsfall praktisch nicht durchführbar sind. Vor allem aber sind alle diese bekannten Verfahren zur Bereitstellung einer der Betriebsbelastung entgegenwirkenden Vorspannung nicht anwendbar, wenn es sich um Druckgefäße von hoher Wandstärke handelt, bei denen also die Wandstärke einen erheblichen Teil des Innendurchmessers ausmacht

Gegenüber diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, das sowohl für hohe Innen- wie auch für hohe Außendrücke die Herstellung gegenüber dem Betriebsdruck vorgespannter Druckgefäße gestattet, und zwar insbesondere dann, wenn es sich um Druckgefäße aus einheitlichem metallischem Material handelt, deren Wandstärke mindestens 16% des Innendurchmessers beträgt.

Gelöst wird diese Aufgabe nacii der Erfindung dadurch, daß zunächst eine mit radiai verlaufenden Spalten versehene Vorform des Druckgefäßes hergestellt wird und sodann die Spalten unter äußerer Druckanwendur,g in der Weise geschlossen und verschweißt werden, daß sich durch Änderung der Wandkrümmung über die Wanddicke hinweg ein der Betriebsbeanspruchung entgegenwirkendes Vorspannungsgefälle ergibt.

Mit dem Ausdruck »Krümmung« ist hier eine Krümmung in Sinne der analytischen Geometrie gemeint, also eine Größe, die mit zunehmendem Krümmungsradius abnimmt.

Zum Stand der Technik ist nuch auf die deutsche Patentschrift 5 89 911 und die britische Patentschrift 9 00 201 hinzuweisen.

Dort indessen handelt es sich lediglich um ein besonderes schweißtechnisches Verfahren zur Verschweißung ausgesprochen dünnwandiger Rohre längs eines achsenparallel verlaufenden Schlitzes unter äußerer Druckanwendung. Irgend ein sich über die Wanddicke hinweg erstreckendes, der Betriebsbelastung entgegenwirkendes ausgesprochenes Vorspannungsgefälle tritt dabei nicht in Erscheinung.

Im einzelnen wird zur Herstellung eines Druckgefäßes für hohe Innendrücke nach der Erfindung die Krümmung der Gefäßwandung bei deren Zusammenschluß längs mindestens eines im wesentlichen in axialer Richtung verlaufenden Spaltes verkleinert. Vorteilhaft wird dabei mindestens ein nach innen divergierender Spalt durch äußere Druckanwendung geschlossen und sodann verschweißt.

Soweit es sich um die Herstellung von Druckgefäßen für hohe Außendrücke handelt, wird nach der Erfindung die Krümmung der Gefäßwandung bei deren Zusammenschluß längs mindestens eines im wesentlichen in axialer Richtung verlaufenden Spaltes vergrößert. Insbesondere kann dabei die Vergrößerung der Wandkrümmung durch das unter radial nach innnen wirkendem Außendruck erfolgende Verschweißen mindestens eines im wesentlichen in axialer Richtung verlaufenden Spaltes öewirkt werden. In geeigneten

Fällen erweist es sieh als besonders zweckmäßig, wenn dabei der im wesentlichen in axialer Richtung verlaufende Spalt die Gestalt einer Wendel hat.

Anschließend wird nun die Erfindung anhand der Zeichnung an besonders vorteilhaften Ausführungsbeispielen des näheren erläutert. In den Figuren ist im einzelnen folgendes dargestellt:

F i g. 1 und 2 zeigen die Druckverhältnisse bei einem dickwandigen Druckzylinder für hohen Außen- bzw. für hohen Innendruck;

Fig.3 bis 8 zeigen Querschnitte durch einen dickwandigen Druckzylinder für hohen Außendruck und die aufeinanderfolgenden Schritte der erfindungsgemäßen Vorspannungserzeugung;

Fig.9 bis 12 zeigen in End- bzw. Seitenansichten die ti Verhältnisse bei einem dickwandigen Druckzylinder für hohen Außendruck mit wendeiförmigem Spalt;

Fig. 13 bis 19 zeigen in Endansichten die Verhältnisse bei einem dickwandigen Druckzylinder für hohen Innendruck.

Fig. 1 zeigt in graphischer Darstellung einen dickwandigen Druckzylinder für hohen Außendruck mit dem Innenradius r, und dem Außenradius T₀. Ober der radialen Achse Tsind die jeweiligen Druckspannungen aufgetragen. Dabei zeigt die Kurve 20 die sich bei einem Außendruck P₁, ergebenden Umfangsspannungen. Die Kurve 27 zeigt die Umfangs-Vorspannung, die sich nach dem erfindungsgemäßen Verfahren einstellt, und die Kurve 28 zeigt den resultierenden Verlauf der Umfangsspannung. Man erkennt ohne weiteres, daß w dieser Spannungsverlauf wesentlich günstiger ist als der nach der Kurve 20; denn zunächst einmal ist die kritische Druckspannung an der Innenwandung verringert, und außerdem ist das radiale Druckspannungsgefälle verringert, was den Wegfall gefährlicher Scher- y, spannungen bedeutet.

Fig. 2 zeigt in entsprechender Darstellung die Verhältnisse an einem dickwandigen Druckzylinder für hohen Innendruck. Hier zeigt die Kurve 34 sie sich bei einem Innendruck P, ergebende Umfangsspannung. Die Kurve 33 zeigt die Umfangs-Vorspannung, die sich nach dem erfindungsgemäßen Verfahren einstellt, und die Kurve 35 zeigt wiederum den resultierenden Verlauf der Umfangsspannung. Auch dieser resultierende Spannungsverlauf nach der Kurve 35 ist wesentlich günstiger als der nach der Kurve 34; denn auch hier ist die als Zugspannung in Erscheinung tretende kritische Inanspruchnahme an der Innenwandung erheblich verringert und der radiale Verlauf der Zugspannung vergleichmäßigt. w

Die Fig. 3 bis 8 zeigen einen dickwandigen Druckzylinder 40 für hohen Außendruck mit einem Verhältnis von Außendurchmesser zu Innendurchmesser von 4 :3. Dieser Zylinder erfährt zur Einprägung der gewünschten Vorspannung eine Änderung der Krümmung um 5%. Diese starke Krümmungsänderung ist jedoch lediglich zum Zwecke der Erläuterung so gewählt. In der Praxis sind die Krümmungsäriderungen bei der erfindungsgemäßen Einprägung einer Vorspannung durch das Verhältnis zwischen zulässiger Span- m> nung und Elastizitätsmodul gegeben, wobei sich für Stahl ein Wert in der Größenordnung von 0.5% ergibt.

Wie F i g. 3 zeigt, hat der Druckzylinder 40 einen axialen Spalt 41. Fig. 4 zeigt, daß der Zylinder 40 auf Lagern 42 ruht, und daß hydraulische Stoßvorrichtun- (,■> gen 43 von beiden Seiten des Spaltes 41 her einen Druck ausüben, unter dessen Wirkung der Spalt 41 geschlossen wird und im Druckzyliiider 40 eine Biegevorspannung entsteht. Ist der Spalt 4t geschlossen, so verbleibt ein Schweißgraben 44, der an seinem unteren Ende durch eine erste Schweißnaht 45 dicht verschlossen wird, wie F i g. 5 zeigt Nach den F i g. 6 und 7 ist an der Unterseite der Schweißnaht eine Kühlschiene 46 angeordnet, während weitere Verschweißungen 47 und 48 vorgenommen werden. Die Kühlschiene 46 hält die Schweißnaht 45 kalt, während die nachfolgenden Verschweißungen 47 und 48 erstarren. Dabei ergibt sich beim Kühlen von der Erstarrungstemperatur bis herunter auf die Umgebungstemperatur eine Zugspannung in den Verschweißungen 47 und 48, durch die eine ausgleichende Druckspannung in der Schweißnaht 45 erzeugt wird. Fig.8 zeigt den fertiggestellten Zylinder 40, wobei die Formungselemente 42 und 43 entfernt sind. Der Zylinder 40 ist nunmehr vorgespannt, so daß er große Außendrücke aushalten kann.

Es ist wünschenswert, daß das Biegemoment während des Schweißens so gleichförmig wie möglich über den Umfang des Zylinders verteilt wird, wenngleich sich Ungleichmäßigkeiten beim Entfer. .n der Biegeelemente weitgehend verteilen.

Die Fig. 9 und 10 zeigen einen dickwandigen Druckzylinder 50 mit einem wendeiförmigen Schlitz 51 in seiner Wandung. Ein solcher Zylinder kann durch Verwinden eines Materialstreifens von geeigneter Breite und durch Wärmebehandlung zum Ausgleich von Spannungen oder durch Einschneiden des Schlitzes in ein Rohr hergestellt werden. Die F i g. 11 und 12 zeigen den Druckzylinder, nachdem er an seinen Enden im Sinne einer Rechtsdrehung verdrillt wurde, so daß der Schlitz geschlossen wurde und die sich berührenden Flächen durch Schweißen verbunden werden können. Es ist zu beachten, daß in dem durch das Schweißen beeinflußten Bereich die aufgeprägte Vorspannung verlorengeht. In bestimmten Fällen kann man daher gezwungen sein, die Spannung in der Schweißnaht auf 80% der Spannung im Grundmaterial zu begrenzen. Man muß daher unter der Voraussetzung ein.?r guten Schweißtechnik die Schweißzone auf eine Breite begrenzen, die nicht mehr als doppelt so groß ist als die Wandstärke. In den Figuren ist die Ganghöhe der Wende: I4mal so groß wie die Wandstärke, so daß sich für einen Streifen normal zur Wendel gegenüber der Wandstärke eine etwa lOmal so große Breite ergibt. Bei jedem Axialschnitt durch die Wandung ergibt sich daher eine um ein Sechstel reduzierte Widerstandsfähigkeit gegen Umfangsspannungen; d. h. es ergibt sich lediglich ein Verlust von einem Sechstel des Gewinns, der durch die Vorspannung hervorgerufen wird. Das Gesamtresultat liegt also immer noch wesentlich über dem Gewinn, der sich beispielsweise beim Aufschrumpfen von zwei oder sogar drsi Rohren ergeben würde.

Pie Fig. 13 bis 19 zeigen zv/ei Sektoren oder Hälften 61 und 62 eines zylindrischen Druckzylinders 60 für hohen Innendruck, die bei 63 miteinanuer verbunden sind. Die Außenwandung der beiden Sektoren umfaSt einen Winkelbcreich, der um 5% mehr als 180° beträgt, wie die Figur im einzelnen zeigt. Fig. 13 zeigt dabei den Druckzylinder 6o ohne Einwirkung eines Außendrucks, während Fig, 14 die Wirkung eines ausreichend hohen Außendrucks darstellt, der eine Reduzierung des Überschußwinkels auf die Hälfte herbeiführt.

Fig. 15 zeigt die auf eine Hälfte des oberen Sektors wirkenden Spannungen und Kräfte. Der abwärts gerichteten Komponente des Drucks wirk; eine aufwärts gerichtete Kraft entgegen. Diese Kraft ist mehr oder weniger auf die Kante 63 konzentriert. Die

Horizontalkomponente des Drucks zuzüglich des ÜberschuBmoments der vertikalen Kraft wird durch eine unsymmetrische Spannungsverteilung über dem vertikalen Querschnitt ausgeglichen. Diese Spannungsverteilung liegt in einem Bereich von hoher Druckspannung an der Außenwandung bis zu einer geringen Zugspannung an der Innenwandung.

In F i g. 16 hat der Außendruck so weit zugenommen, daß die sich gegenüberliegenden Flächen vollständig ineinanderliegen. Bei diesem Außendruck ist dann die Unifangsspannung an der Innenwandung gleich Null, so daß also dort keine Beanspruchung vorliegt. Da jedoch das gesamte Winkelmaß um 5% abgenommen hat, hat sich der Innenradius um 5% vergrößert. Vernachlässigt man nun radiale Belastungen, die ganz gering sind, so hat sich die Wanddicke nicht geändert. Da sich aber der Außenradius um den gleichen Betrag vergrößert hat und die Abnahme im Winkelmaß insgesamt gleich ist. ergibt sich eine entsprechende Verkürzung und zusätzliche Druckbelastung am AuUcnumfang von l'/V'/o.

1 i g. 17 zeigt die Spannungs- und Druckverteilung für diesen Zustand. Es kann gezeigt werden, daß die äußere Spannung gleich dem maximalen Hersteilungsdruck ist und daß der Druck, der zur Erzeugung dieser Spannung erforderlich ist. gleich (r„- r,)l2r„ mal diesem Herstellungdruckist.

F i g. 19 zeigt den Druckzyliner 60 unter der Wirkung des maximalen Herstellungsdruckcs. der eine gleichförmige maximale Spannung über der Wandung erzeugt. Es ist festzuhalten, daß zwischen den Fig. 16 und 19 der Radius r, auf seinen IJrsprungswert komprimiert ist, was zu einer Umfangsbelastung von 5% führt. Der Radius r„ hat ebenfalls wieder seinen Ursprungswert angenommen, so daß sich eine zusätzliche Belastung von JVs¹Vh ergibt, was bei Addition zu der gemäß Fig. 17 schon vorhandenen Belastungen dazu führt, daß die äußere gleich der inneren Belastung ist.

Wie ohne weiteres ersichtlich, können longitudinal Sektoren eines Druckgefäßes, die lediglich an ihren äußeren Kontaktpumpen dicht verbunden sind, größere Außendrücke aushalten, als ein vollzylindrisches Druckgefäß der gleichen Wandstärke. Die einander gegenüberliegenden Flächen der Sektoren eines derartigen Druckgefäßes können durch Biegen zusammengepreßt und dann verschweißt werden, um das Druckgefäß vorzuspannen, damit es größere Außendrücke aushält. In den meisten Anwendungsfällen, wie z. B bei Druckgefäßes für die Tiefseeforschung, kann die Biegung und die Vorspannung durch äußere Drücke herbeigeführt werden, denen das Druckgefäß standhalten soll.

Die erfindiingsgemäße Verfahrensweise kann auch auf sphärische Druckkessel übertragen werden, wobei dann ein dickwandiges kugcifiii Yüiges ßrüirkgcfil" in Sektoren unterteilt wird, deren Basen reguläre Vielecke sind. Die Schnitte werden durchgeführt, während die Kugel einem Druck ausgesetzt ist. Beim Entfernen des Drucks können dann die Sektoren, die Kugelschalenkegel sind, nicht ohne die erfindungsgemäße Verformung genau dicht aneinander angepaßt werden.

Es können jedoch bei gleichen Innen und Anßenradicn feste unvorgespannlc kuirelschalcnförmige Endstücke .„■;, einem zylindrischen Druckrohr verwendet werden, da die Spannungen in den unvorgespannten linden unter den Spannungen in dem vorgespannten zylindrischen Teil lirgen.

Die erfindungsgemäßen Maßnahmen können schließlich auch auf Druckkessel mit anderen Formen, wie beispielsweise auf ovale Druckkessel, angewandt werden.

Hier/u 5 Blatt

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung eines dickwandigen Druckgefäßes aus einheitlichem metallischem Material für hohe Innen- oder Außendrücke, dessen ' Wandstärke mindestens 16% des Innendurchmessers beträgt, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst eine mit radial verlaufenden Spalten versehene Vorform des Druckgefäßes hergestellt wird und sodann die Spalten unter äußerer Druckanwendung in der Weise geschlossen und verschweißt werden, daß sich durch Änderung der Wandkrümmung über die Wanddicke hinweg ein der Betriebsbeanspruchung entgegenwirkendes Vorspannungsgefälle ergibt (5

2. Verfahren nach Anspruch 1 zur Herstellung eines Druckgefäßes für hohen Innendruck, dadurch gekennzeichnet, daß die Krümmung der Gefäßwandung bei deren Zusammenschluß längs mindestens eines im wesentlichen in axialer Richtung verlaufenden Spahes verkleinert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, d _ß mindestens ein nach innen divergierender Spalt durch äußere Druckanwendung geschlossen und anschließend verschweißt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 zur Herstellung eines Druckgefäßes für hohe/i Außendruck, dadurch gekennzeichnet, daß die Krümmung der Gefäßwandung bei deren Zusammenschluß längs mindestens eines im wesentlichen in axialer Richtung verlaufen- 1« den Spaltes vergrößert wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die VergröC .rung der Wandkrümmung durch das unter radial nach innen wirkendem Außendruck erfolgende Ver.-" ^hweißen mindestens π eines im wesentlichen in axialer Richtung verlaufenden Spaltes bewirkt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der im wesentlichen in axialer Richtung verlaufende Spalt die Gestalt einer Wendel 41: hat.