<Desc/Clms Page number 1>
Druckgefäss od. dgl. Apparaturen
Die rasche Entwicklung der Technik, insbesondere in den neuesten Fachgebieten, wozu auch ein
Teil der chemischen Industrie, namentlich das Hochdruck-und Hochtemperaturgebiet, die Verwertung der Kernenergie usw. gehören, stellt immer höhere Anforderungen an die entsprechenden Einrichtungen, die unter verschiedenen, aber immer schwereren Arbeitsbedingungen, d. h. bei hohen oder niedrigen Drücken und Temperaturen, bei zyklischen Belastungen, sehr oft mit korrosiven Lösungen und Gasen, eventuell unter Kernbestrahlung usw., gebrauchsfähig bleiben sollen.
Dazu kommen, zum Teil durch die neuen Konstruktionen gegebene, zum Teil durch die geforderten erhöhten Leistungen bedingte, ausser- ordentlich grosse Dimensionen, die namentlich bei klassisch ausgeführten Konstruktionen zu abnormal dicken Wänden schon bei den einfachsten Teilen und auf jeden Fall zu übergrossen Materialanhäufungen an jenen Stellen führen, an denen sich Flansche, Abzweigungen, verschiedene Ab- und Zuführungen usw. befinden. Sowohl diese grossen Wandstärken als auch insbesondere die vorgenannten Materialanhäufungen bedingen ein unerwünschtes Zusammentreffen der Endspannungen und ein Ansammeln der Restenergie.
In
Verbindung mit Materialinhomogenitäten, Verunreinigungen und Ansammlungen von Einschlüssen, wel- che Erscheinungen als zwangsläufige Folge des ungünstigen Erstarrung-un Segregationsverlaufes beim
Abkühlen der dazu nötigen grossen Metallingots auftritt, zeigt das Material eine starke Neigung zum Sprödbruch..
Besonders kritisch gestaltet sich dieses Problem bei Schweisskonstruktionen aus Stahl von höherer Fe- stigkeit und bei grösseren Dicken der Konstruktionsteile. Dafür spricht eine ganze Reihe von Sprödbrüchen, die sowohl bei Brücken- und Schiffskonstruktionen als auch bei Maschinenteilen auftreten und häufig überaus schwere Havarien und Katastrophen verursachen. Grundsätzlich nehmen die Sprödbrüche an Stel- len der Konzentration von Spannungen und des dreiachsigen Spannungszustandes ihren Anfang. Am häu - figsten treten Sprödbrüche in grossen geschweissten Konstruktionen auf, wobei die Neigung zum Bruch mit zunehmender Stärke der bei den Konstruktionen verwendeten Bleche anwächst.
Die Sprödbrüche treten sowohl in den statisch als auch vor allem in den dynamisch belasteten Teilen auf und gehen am häufig- sten von Kerbstellen, Einsenkungen, Verunreinigungen, Einschlüssen usw. aus. Der Bruch erweitert sich dabei mit grosser Geschwindigkeit quer zur Richtung der höchsten Zugspannung, wobei der Werkstoff in solchen fehlerhaften, z. B. gesprungenen, gerissenen oder geplatzten Konstruktionen eine geringe und dabei stark streuende Kerbschlagfestigkeit aufweist. Am häufigsten treten die Brüche an Schweissnähten oder in deren unmittelbarer Nähe, an Knotenpunkten sowie an andern Stellen auf, die örtliche'Beschä- digungen des Materials, wie Einsenkungen, lokale Härtungsstellen, Einschlüsse, Verunreinigungen usw. aufweisen.
Es ist klar, dass man für die Zwecke der neuen Arbeitsgebiete der Technik, eben wegen der neuen und erschwerten Arbeitsbedingungen bei neuen oder weiter entwickelten Erzeugungsverfahren usw., die entsprechenden Konstruktionen und Einrichtungen komplex und im ganzen Umfang lösen muss. Das be" deutet, dass man nicht nur die Materialqualität berücksichtigen, sondern auch das Konstruktionsprinzip und die praktische Ausführung so anlegen muss, dass man die Ursachen der Sprödbrüche im gesamten
Umfang dieses Komplexes eliminieren und damit zu einer wirklich vollständigen und sicheren Problem- lösung gelangen kann.
Die Frage des besten oder am meisten entsprechenden Materials, die dabei eine wichtige Rolle spielt, darf man nicht nur mit hochfestem Material als gelöst ansehen, sondern mit einem
Material, das zugleich mit hoher Festigkeit auch hohe Plastizität, grösste Reinheit und Homogenität auf- weist. Das gilt sowohl für bei den neuen Erzeugungsverfahren im Gebiet der chemischen und hüttenmän-
<Desc/Clms Page number 2>
nischen Industrie erforderliche Konstruktionen, als auch namentlich für alle andern neuen Fachgebiete, wozu unter anderem auch die Kernenergieverwertung gehört.
In allen diesen Fällen muss man solche Konstruktionsprinzipien anwenden, bei welchen es zu keinen Materialanhäufungen kommen kann, die dann als zwangsläufige Folge die Konzentration der Spannungen und auch das Auftreten des dreiachsigen Spannungszustandes mit sich bringt. Da es sich hiebei um grosse Konstruktionen und grosse Einrichtungen handelt, kommt zu den angeführten, in der Praxis sehr unerwünschten Folgen hinzu, dass besonders bei der Anwendung von Schweissnähten und Schweissverbindungen, sehr oft verschiedene"Kerbstellen", Einschlüsse usw. vorliegen, die als Anlass und Ausgangspunkt von Sprödbrüchen wirken können.
Die Auswahl von hochfesten und legierten Spezialstählen ist dabei ziem- lich begrenzt, weil es sich um grosse Konstruktionen und Einrichtungen handelt, die unbedingt die Anwendung von Schweissverbindungen für die einzelnen Teile, die eben noch technisch und wirtschaftlich erzeugt werden können, erforderlich machen. Gerade dies ist bei manchen legierten Stählen eine sehr schwierige Frage, weil dafür sehr oft eine ziemlich komplizierte Temperaturnachbehandlung notwendig wäre. In der Kerntechnik kommt dazu noch die Frage der Kernbestrahlung und des Entstehens der Induk- tionsaktivität, wobei legierte Stähle, besonders im Hinblick auf bestimmte Legierungszusätze, eine wichtige und manchmal sehr unangenehme Rolle spielen können.
Dass die Reinheit und Homogenität des Materials sowie auch das passende Erzeugungsverfahren weitere wichtige Faktoren darstellen, braucht wohl nicht weiter hervorgehoben zu werden.
Die Erfindung strebt die Beseitigung aller dieser Nachteile an, sowohl vom Gesichtspunkt des konstruktiven Aufbaues, als auch der bestmöglichen Anpassung an die Anforderungen. Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, durch eine geeignete Kombination von kugelförmigen od. dgl. Konstruktionstei-
EMI2.1
hohen Anforderungen zu entsprechen vermag.
Kleine Druckgefässe bzw. Druckflasche, die aus einem Stück bestehen und durch Umformen (zonenförmiges Einschnüren bzw. Aufblähen) von zylindrischen Hohlkörpern oder durch einen direkten Giessvorgang in Form eines Kugelstabes erhalten werden können, sind in der deutschen Patentschrift Nr. 576 315 beschrieben. Druckgefässe sehr grossen Inhaltes, wie sie von der Erfindung für die angeführten Sonderzwecke ins Auge gefasst werden und die in der Regel einen Durchmesser von 2, m aufwärts besitzen, lassen sich aber nicht in Form einstückiger Gebilde anfertigen ; beim üblichen Zusammenbau aus mehreren Teilen würden sie die bereits erwähnten, sehr ungünstigen Längsschweissnehte aufweisen.
Beim Aufbau eines Kugelzonenbehälters nach der deutschen Patentschrift Nr. 705 439 ist die Anbringung sowohl von ringförmigen Verstärkungen an den Stossstellen der Kugelzonen als auch von äusseren rippenartigen Ver- stärkungen notwendig, die in der Ebene der Behälterachse liegen. Auch diese Anordnung ermöglicht nicht die Herstellung von Behältern grossen Inhaltes, die die nachteiligen Materialanhäufungen an Schweissstellen vermeiden lassen.
Das erfindungsgemässe Druckgefäss, das aus zu einem geschlossenen Druckmantel verbundenen sphä- rischen, torusartigen oder auch walzenförmigen Rotationskörpern bzw. Rotationskörperteilen besteht, ist nun dadurch gekennzeichnet, dass der Druckmantel eines Druckgefässes grossen Inhaltes, insbesondere eines für die Kernenergietechnik bestimmten Druckgefässes, an den Verbindungsstellen mit äusseren und/oder inneren, gegebenenfalls aus mehreren Teilen zusammengesetzten Rippen, die in die Gefässachse schneidenden Ebenen liegen, versehen ist.
Bei dem erfindungsgemäss aufgebauten Druckgefäss od. dgl. Einrichtungen kommt man, im Vergleich zu Hochdruckgefässen üblicher Konstruktion, unter gleichen Arbeitsbedingungen (hohe Drücke, hohe Temperaturen usw.) und bei gleichen Grunddimensionen nicht nur zu wesentlich kleineren Wandstärken, son- dern-gleichzeitig auch zu einer besseren Verteilung der Innenspannungen.
Die neue Lösung gemäss der Erfindung ist scheinbar etwas komplizierter als die gebräuchlicheBauart, sie bringt aber viele Vorteile mit sich. Das Prinzip, Rotationskörper bzw. Rotationskörperteile in passender Weise miteinander zu kombinieren, ermöglicht einen einfachen Aufbau, z. B. eines Hochdruckgefässes aus Kugel-, Torus- oder Zylinderteilen. Das Gefäss wird dabei gemäss der Erfindung mit einer entsprechenden Zahl von äusseren oder inneren Verstärkungsrippen ausgeführt.
Durch den erfindungsgemässen Aufbau kommt man zu einer sehr bedeutenden Erniedrigung der Wandstärke, die im allgemeinen nur noch 40 - 60go der früheren Konstruktion ausmacht, zu einer grundsätzlichen Vereinfachung des Erzeugungsverfahrens, wobei der Materialverbrauch, auf die gesamte Einrichtung bezogen, im wesentlichen unver- ändert bleibt. Die angeführte Erniedrigung der Wandstärke, bei gleichzeitig unveränderten Grunddimensionen, erlaubt die Anwendung kleinerer Ingotgrössen, was wieder eine leichtere Erzeugung der Konstruktionsteile, bessere Homogenität des Werkstoffes sowohl hinsichtlich der Struktur als auch der Eigenschaf-
<Desc/Clms Page number 3>
ten, einfachere Verformungsverfahren, günstigere wärmetechnische Behandlungen und bessere Schweissmöglichkeiten ermöglicht.
Dadurch wird auch eine höhere Sicherheit der ganzen Konstruktion erreicht. Anderseits kann man auch nach der erfindungsgemässen Bauweise bei Anwendung des bisher gebräuchlichen hochwertigen Materials zu höheren Arbeitsdrücken und gegebenenfalls auch zu höheren Temperaturen, oder auch zu noch grösseren Grunddimensionen ohne Erniedrigung der Gesamtbetriebssicherheit übergehen.
Die erfindungsgemässe Konstruktion ergibt den weiteren Vorteil, dass man die z. B. für einen Reaktor nötigen Zu- und Ableitungen, die Kontroll- und Regulationsöffnungen usw. in besonders vorteilhafter Weise beinahe ohne örtliche Verstärkung der betreffenden Wandungsstellen anbringen kann. Zu diesem Zweck wird das Druckgefäss in der Weise ausgebildet, dass die Achsen von in den Wänden der Rotationskörper vorgesehenen Öffnungen, z. B. für Zu- und Ableitungen bzw. für Mess-und Kontrollzwecke, senkrecht zu den entsprechenden Krümmungsflächen liegen. Weitere Mess- und Kontrolleinrichtungen können an den Verstärkungsrippen angebracht werden.
Diese können ausserdem nach relativ einfacher Ergänzung zurAusbildung zusätzlicher Räume oder abgetrennter Kammern dienen, was besonders in der Kerntechnik zur Unterbringung weiterer Moderatoren, Reflektoren, Schutzschichten usw. von Bedeutung ist.
Im Rahmen der Erfindung ist es auch möglich, den Innenraum des aus mehreren Rotationskörpern zusammengesetzten Druckgefässes durch mehrere, einander in der Achse des Druckmantels kreuzende Schei-
EMI3.1
geordnete Scheidewände bewirkt werden, wobei die Scheidewände jeder Schar untereinander im wesentlichen parallel sein können. Bei den so unterteilten Kammern werden dann im Betrieb jeweils nur die Aussenwandteile mit dem vollen Druck belastet, wogegen die Zwischenwände jeweils nur einer Druckbelastung ausgesetzt sind, die durch die Differenz der zu beiden Seiten des betreffenden Wandteiles herrschenden Drücke bestimmt ist.
Die Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf ein in der Zeichnung schematisch dargestelltes Ausführungsbeispiel näher erläutert, das ein-aus mehreren sphärischen Rotationskörpern zusammengesetztes Druckgefäss mit Aussen- und Innenrippen im Axialschnitt zeigt.
Bei dieser bevorzugten Ausführungsform des Druckgefässes besteht der eigentliche Druckmantel 1 aus sphärischen Teilen, wobei die Verbindungsstellen dieser sphärischen Teile mit äusseren Verstärkungsrippen 2 und inneren Verstärkungsrippen 2a ausgestattet sind. Das Rippenmaterial, insbesondere für die äusseren Rippen, braucht dabei nicht ein Material von gleicher Qualität wie das Wandmaterial zu sein. Zur Erleichterung der Erzeugung können die Aussenrippen über Zwischenringe 3 mit dem eigentlichen Druckmantel 1 in Verbindung gebracht werden. Die im dargestellten Beispiel vorgesehenen inneren Rippen 2a können mit ihrem Aussenrand gleichzeitig die Verbindung zwischen den benachbarten Kugelteilen herstellen. Es genügt aber auch, wenn das Druckgefäss nur mit den äusseren Rippen 2 oder nur mit den inneren Rippen 2a ausgeführt wird.
Sowohl die äusseren als auch die inneren Rippen können, wenigstens teilweise, mit Durchgangsöffnungen 8 versehen sein, um so eine Verbindung zwischen einzelnen Räumen oder Kammern, z. B. ein Durchströmen von Flüssigkeiten oder Gasen, zu ermöglichen.
In den sphärischen Teilen können, vorteilhaft in einer Meridianebene derselben liegend, Öffnungen 4,5, z. B. für Zu- und Ableitungen bzw. zu Mess- und Kontrollzwecken in senkrechter Richtung zur sphärischen Fläche, vorhanden sein. Dadurch wird die Berechnung erleichtert und gleichzeitig die Spannungsbeanspruchung des Materials erniedrigt. Zusätzlich zu den bereits angeführten äusseren Verstärkungsrippen 2 kann ein weiterer koaxialer Mantel 7 vorgesehen sein, der ebenfalls als Druckmantel aus-
EMI3.2
als der Druck p. im Raum innerhalb des eigentlichen Druckmantels 1 sein. Der zusätzliche Mantelraum 10 zwischen den Druckmänteln 1 und 7 kann für verschiedene Zwecke ausgenutzt werden, z. B. für weitere Moderatoren, Reflektoren, biologische Schutzschichten usw.
Ausserdem kann man diesen Raum noch mit weiteren koaxialen Hilfsmänteln in mehrere Hilfsräume teilen. Auch den Raum 6 in den gekrümmten Teilen des Hauptdruckgefässes kann man in verschiedener Weise ausnutzen. So können gewünschtenfalls Scheidewände 9 in den Druckmantel zur weiteren Abteilung eingesetzt werden.
Diese Scheidewände können zweckmässig an den Verschneidungslinien benachbarter Rotationskörper bzw.
Rotationskörperteile anliegen.