DE10022741A1

DE10022741A1 - Sicherheitskerbe zur Anwendung an Druckbehältern

Info

Publication number: DE10022741A1
Application number: DE2000122741
Authority: DE
Inventors: Carlos Infanzon
Original assignee: Portinox SA
Current assignee: Portinox SA
Priority date: 1999-06-28
Filing date: 2000-05-10
Publication date: 2001-01-04
Also published as: FR2795482A1

Abstract

Sicherheitskerbe zur Anwendung an Druckbehältern, bestehend aus einer linearen Kerbe variabler Tiefe, sowohl für fest installierte Einrichtungen, an denen die Kerbe im zylindrischen Teil des Behälters erstellt wird, wie auch für transportable Geräte, bei denen die Kerbe soweit von der zylindrischen Zone beabstandet ausgebildet wird, dass der von der Tangente zum Boden und der Zylinderwand gebildete Winkel mindestens 60 DEG , d. h. der Resistenzwinkel maximal 30 DEG beträgt. Die Kerben können einen beliebigen Querschnitt aufweisen und mit Hilfe verschiedener Werkzeuge erstellt werden, z. B. mit Hilfe von Kegelfräser oder Lasergeräten geschnitten werden. Der Behälter kann mit einem Material überzogen sein, wobei an der Stelle geringster Tiefe poröses Material oder dgl. ohne Druckresistenz eingebracht wird.

Description

Genstand der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Sicherheitskerbe zur Anwendung bei Druckbehältern, z. B. für die Aufnahme von Erfrischungsgetränken, Druckluft, Flüssiggas und dergl., wobei die Erfindung auch die Verwendung eines porösen Materials mit geringer Resistenz an der Kerbe im Falle von beschichteten Behältern umfasst, d. h. durch Einbringen von porösem Material eine Erhöhung des Berstdruckes und damit die Notwendigkeit, die Mindestdicke des Grundmaterials des Behälters weiter zu verringern, ausgeschlossen wird.

Die Sicherheitskerbe hat die Funktion einer Sollbruchstelle oder eines Sicherheitsven tils bei einem vorgegebenen Druck, die bei Erreichen des normalen Berstdruckes des Behälters ein Explodieren verhindert und damit die Gefahr von Personen- und Sach schäden auszuschließt.

Anwendungsgebiet

Die Erfindung findet Anwendung im Industriebereich, insbesondere bei der Herstel lung von Druckbehältern, wie z. B. Softdrinkbehältern, Feuerlöschern, Druckluftbehäl tern, Flüssiggasbehältern oder Flüssiggasdepots aus beliebigem Material, unabhängig davon, ob das verwendete Material Metall, Kunststoff, Verbundmaterial oder dergl. ist; die Behälter können auch aus verschiedenen Materialien zusammengesetzt sein, wie dies bei Metallcontainern mit Kunststoff- oder Polyurethanbeschichtung der Fall ist.

Hintergrundinformation

Generell werden Druckbehälter so konzipiert, dass sie mindestens ihren 1,5-fachen Nenndruck aushalten. Üblicherweise ist das reale Verhältnis zwischen Arbeitsdruck und Berstdruck wesentlich höher, da unabhängig davon, dass der Behälter den Druck aushalten soll, er eine Resistenz haben muss, die die Strukturstabilität garantiert, was normalerweise die Materialstärke auf Werte erhöht, die bei weitem über den Berech nungswerten und über dem Berstdruckwert liegen.

Diese Art von Behältern, entweder die eigentlichen Behälter oder ihre Installationsele mente, verfügen normalerweise über Sicherheitsvorkehrungen, wie Ventile, Berst scheiben und dergl., die sich generell in der Nähe der Druckregulierungsgeräte befin den.

Es kann jedoch zu unerlaubten Manipulationen am eingebauten Sicherheitssystem kommen, was im Falle von Behältern für Bier, Erfrischungsgetränke, usw. als Füllgut dazu führen kann, dass der Druck im Behälter über den vom Hersteller festgelegten Nenndruck ansteigen kann, so dass damit die Gefahr eines Explosionsrisikos des ei gentlichen Gefässes oder Behälters gegeben ist.

Im Falle einer Explosion eines mit Gas gefüllten Behälters kann es zu schwerwiegen den Auswirkungen kommen, die weitaus schlimmere Folgen in geschlossenen Räumen bei Anwesenheit von Personen haben können, z. B., wenn es zu einer Explosion in Re staurants, Discos, Privathaushalten, usw. kommt.

Andere Behältertypen, wie z. B. Flüssiggasbehälter (GLP) können extremen Bedingun gen, wie Feuer, eingefrorenen Sicherheitsventilen usw. ausgesetzt sein, die die glei chen Folgen haben können, wobei im Falle von Feuer das Risiko für die Feuerwehr männer durch die mechanischen Explosionsrisiken erhöht wird, falls der jeweilige Be hälter keine Vorkehrungen zur Verhinderung des Explosionsrisikos aufweist.

An einem Behälter, z. B. in Form eines Fasses oder dergl., können zur Verhinderung dieses Risikos Berstsicherungen mit konstanter Vertiefung, z. B. in runder oder in qua dratischer Form ausgebildet werden; derartige Sollbruchstellen bilden die Garantie für eine lokalisierte Explosion bei selbstverständlich geringerem Druck.

Trotz derartiger Sollbruchstellen kann es jedoch auch zu zerstörerischen Folgen kom men, da sie das plötzliche Aufbrechen der gesamten Innenfläche der Berstsicherung verursachen können, wobei gleichzeitig das gesamte, im Behälterinneren befindliche Gas ausströmt. Dies kann eine Reaktion auslösen, die einen starken und schnellen Schub (Jet-Effekt) des Behälters verursacht, der, wie eine Reihe von praktischen Fällen gezeigt hat, katastrophale Folgen mit sich bringt.

Aus dem DE-Patent 375 977 (Blefa) ist das Einbringen einer kreisförmigen Kerbe ein heitlicher Tiefe mit einem Umfang von weniger als 360° bekannt, was den Bruch der durch die Kerbe eingegrenzten Innenfläche verhindert. Dadurch entsteht die Funktion einer Klappe oder eines Scharniers mit einer Verformung, wie sie beim manuellen Öff nen einer Getränkedose auftritt. Eine derartige Lösung schließt ein heftiges Ausbrechen eines Teils des Behälters aus, jedoch werden in keinem Fall der Jet-Effekt und seine Risiken verhindert.

Des weiteren ist aus EP 0 686 120 B1 (Schäfer) bekannt, dass durch Einbringen einer Kerbe in Kreisform mit unterschiedlicher Tiefe in einem mit einer zentralen Ausfor mung versehenen Behälterboden erreicht wird, dass bei Druckanstieg der Bruch all mählich vonstatten geht, womit der Jet-Effekt, der bei der oben beschriebenen Lösung des vorgenannten DE-Patentes 37 57 977 in Kauf genommen werden muss, eliminiert wird. Die Lösung nach EP 0 686 120 weist jedoch folgende Probleme auf:

- Zwingende Notwendigkeit einer zentralen Ausformung oder Bodentasse,
- erschwerte technische Kontrolle der Materialstärke,
- Bruchrisiko bei normalem Gebrauch,
- Schwierigkeiten im Falle eines Überzuges im Sicherungsbereich.

Zur Notwendigkeit einer zentralen Auswölbung oder Bodentasse wird darauf verwie sen, dass in EP 0 686 120, und zwar sowohl in der Beschreibung als auch in den An sprüchen 1, 3, 7 und 8 dargestellt bzw. beansprucht wird, dass die Erfindung minde stens in einem der Behälterböden die Existenz einer Auswölbung oder Bodentasse vor schreibt, mit dem Ziel, die Kerbe in deren Rand einzubringen.

Zur Kontrolle der Mindestdicke ist darauf hinzuweisen, dass es bei der Ausbildung der Berstsicherung in Form eines geschlossenen oder teilweise geschlossenen Kreises in einen normalerweise tiefgezogenen Endboden Schwierigkeiten in bezug auf die Ge nauigkeit bei der Ausführung gibt, da die Mindestrestdicke unabängig vom Ausgangs wert sein muss, der von Teil zu Teil verschieden ist, ebenso wie bei der Form des End bodens in bezug auf seine Biegungen, die zur Folge haben können, dass die Material dicke in bezug auf den zu kontrollierenden Punkt entlang der die Berstsicherung be grenzenden Länge variiert.

Es ist deshalb angebracht, eine Zone zu suchen, in der eine größere Materialstärke be lassen werden kann, um den gleichen spezifischen Druck zu erreichen, und es ist rat sam, die Berstsicherung in unmittelbarer Nähe zur Bodentasse oder Auswölbung vor zusehen.

Zum Berstrisiko während des Betriebes wird darauf verwiesen, dass klar ist, dass ent gegen den eigentlichen Vorteilen, eine mögliche Explosion auszuschließen, das Berst sicherungssystem sabotiert werden oder sogar explodieren kann, wenn auf dessen Oberfläche eine lokalisierte, von außen wirkende Kraft ausgeübt wird.

Aufgrund zusätzlicher Schwierigkeiten im Falle einer Beschichtung im Sicherungsbe reich, wie dies in dem vorgenannten EP 0 686 120 der Fall ist, verursacht die Anwen dung von Beschichtungen selbst einen Anstieg des Berstdruckes der Scheibe, der zwi schen 5 und 10 bar schwankt, was die mechanische Auslegung der Scheibe für einen Berstdruck zwischen 12 und 17 bar im Falle einer Grundmaterialbeschichtung für 22 bar, und für einen Berstdruck zwischen 25 und 30 bar im Falle einer Grundmaterialbe schichtung für 35 bar erfordert.

Die Auslegung der Sollbruchstelle im Grundmaterial des Behälters auf 12 anstatt 22 bar macht eine zusätzliche und schwer durchführbare Reduzierung der Materialstärke erforderlich, und bestimmt die Lage dieser Sollbruchstelle in der Nähe der Bodentasse, wobei weder der Aspekt der mechanischen Sicherheit in Hinblick auf eine mögliche Sabotage, noch die negativen Aspekte in Hinblick auf den direkten Gasaustritt berück sichtigt werden, ohne dass der Vorteil der Umleitung auf andere Elemente, wie z. B. Zargen bei Fässern, Haltegriffe bei Flaschen usw. erzielt wird.

Aufgabe der Erfindung ist es, die Notwendigkeit einer zentralen Bodentasse auszu schalten und die Kerbe so auszugestalten, dass die Bodentasse nicht erforderlich ist, sondern dass die Kerbe sowohl in die Endböden wie auch in den zylindrischen Teil des Behälters eingebracht werden kann.

Des weiteren ist Aufgabe der Erfindung, in bezug auf die technische Kontrolle der Ma terialdicke die Kerbe an jeder Stelle des Endbodens herstellen zu können, damit die Kontrolle der Restmindestdicke so erfolgt, dass ein Punkt bzw. der Punkt mit der ge ringsten Dicke auf der Kreislinie benützt wird, anstatt die Gesamtheit der Punkte der Kreislinie zu benutzen, d. h. eine Beschränkung der Scheibenoberfläche.

Aufgabe der Erfindung ist ferner, sicher zu stellen, dass sich das Teil in einer korrekten Lage befindet, wobei lediglich der Druck auf einen Punkt anstatt auf den gesamten Scheibenumkreis gefordert wird.

Schließlich ist Aufgabe der Erfindung in Verbindung mit einer Umhüllung der oberen Behälterzone auf der schwächsten Stelle der Kerbe ein poröses Material in die Umman telung einzusetzen, ohne dass der Druck erhöht wird, damit die Berstsicherheitszone an der aus Sicherheitsgründen geeignetsten Stelle und die Kerbe im Basismaterial aus gebildet werden kann, ohne dass die Materialstärke reduziert werden muss, nämlich aufgrund der Tatsache, dass die Kerbe für den gleichen Druck wie für die Kombination Basis-Umhüllung ausgelegt wird, d. h. z. B. für 22 und 35 bar anstatt für 12 bis 25 bar.

Beschreibung der Erfindung

Die Erfindung ist gekennzeichnet durch die Merkmale des Kennzeichens des Anspru ches 1. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die Sicherheitskerbe zur Verwendung bei Druckbehältern hat den Vorteil, dass ihr Öffnen allmählich und bei einem vorgegebenen Druck erfolgt, wobei die folgenden Effekte erzielt werden:

- Die vorgesehene Zone öffnet sich nur soweit wie für die Ableitung der in das Behäl terinnere eingeführten oder die sich dort bildende Menge erforderlich ist, wobei an statt einer Explosion ein gefahrloser Austritt erzielt wird.
- Der Austritt wird in die gewünschte Richtung geleitet, und der größte Teil wird in die vorgesehene Richtung freigegeben, wobei bei der Konstruktion ein minimales Risiko angestrebt wird.
- Die Durchführung und konstruktive Ausführung der Kerbe kann einfach und exakt vorgenommen werden, und zwar unabhängig von ihrer Lage am Behälter, wobei die Restdicke unabhängig von der Behälterkrümmung sicher erhalten bleibt und die Möglichkeit gegeben ist, das Werkzeug auf höchste Zuverlässigkeit einzustellen.

Mit der erfindungsgemäßen und für einen Mindestberstdruck ausgelegten Kerbe, und unter Einsatz von porösem Material am Anfangspunkt der Bruchstelle (Mindestdicke) bleiben die Behältereigenschaften im Falle einer Beschichtung mit Ummantelung un abhängig von der Materialdicke bestehen, da der Druckanstieg, der ohne diese Lösung bei 5-10 bar liegen kann, vollständig eliminiert wird; damit ist es möglich, den Punkt der geringsten Materialdicke auf einem akzeptablen Wert zu halten, was sonst bei leichten Schlägen auf den Behälter zu einem Bruch führen könnte.

Bei normalem Betrieb des Behälters, d. h. bei von außen einwirkenden Kräften, wie lokalisierten Schlägen, Stößen und dergl. wird ein minimales Bruchrisiko erreicht, da keine geschwächte Oberfläche, sondern eine Länge vorhanden ist, wodurch eine Kraft konzentration ausgeschlossen wird.

Unter Berücksichtigung der Tatsache, dass die meisten Behälter einen zylindrischen Teil aufweisen, der mit zwei sphärischen, halbelliptischen oder dergl. Oberflächen abgeschlossen ist, kann die Berstsicherung sowohl in Hinblick auf ihre Form als ihre Lage optimal angebracht werden.

Mit der Erfindung ist der Einsatz eines konischen Werkzeuges vorgesehen, das auf grund seiner Asymmetrie die Öffnung wunschgemäß vornimmt.

Mit dem Einsatz einer oder mehrerer linearer, kreisförmiger, dreieckförmiger, tra pezförmiger und dgl. auf einer variablen Tiefe von 0 bis Maximum eingebrachter Ker ben, die eine Schwächung des eingesetzten Materials ergeben, ist im Falle eines Druckanstieges über den Arbeitsdruck das kontrollierte Bersten bei einem auftretenden Druck sowohl in Hinblick auf die Richtung als auch auf den Austritt der Leckage mög lich, wobei der maximale Widerstand gegen Schläge bei normalem Gebrauch beibe halten wird, ohne dass die Tiefe des mechanischen Teils reduziert werden muss, damit der erhöhte Widerstand der Ummantelung dadurch ausgeglichen wird, dass poröses Material auf die die Kerbe bedeckende Zone aufgebracht wird.

Beschreibung der Zeichnungen

Nachstehend wird die Erfindung anhand der Zeichnungen durch Ausführungsbeispiele erläutert, die jedoch die Erfindung in keiner Weise beschränken sollen. Es zeigen:

Fig. 1 verschiedene Ausführungsbeispiele nach der Erfindung, mit einer Sicherheits kerbe zur Anwendung an Druckbehältern, die nicht auf die dargestellten Druckbehältertypen beschränkt sind, z. B. GLP-Behälter, Bierkegs oder Fässer für ähnliche Flüssigkeiten, Softdrinkcontainer und GLP-Flaschen,

Fig. 2 den oberen Teil eines Druckbehälters, auf dem die Spannungen dargestellt sind, die auf Ausschnitte der Oberfläche wirken,

Fig. 3 einen Druckbehälter nach Fig. 2 mit einer rechteckförmigen oder elliptischen Kerbe, die im Endboden oder im zylindrischen Teil eingebracht ist,

Fig. 4 eine Schnittansicht A-A' (in vergrößertem Maßstab) des in Fig. 3 dargestellten Druckbehälters,

Fig. 5 eine Schnittansicht B-B' (in vergrößertem Maßstab) des in Fig. 3 dargestellten Druckbehälters,

Fig. 6 einen Druckbehälter entsprechend Fig. 3 mit einer Kerbe, die im Vergleich zu den Fig. 3 und 4 sowohl in ihrer Projektion als auch im Schnitt, da mit ko nischem Werkzeug hergestellt, unterschiedlich ist, wobei damit erreicht wird, dass Bruch und Öffnung in der gewünschten und angestrebten Richtung erfol gen,

Fig. 7 eine Schnittansicht C-C' (in vergrößertem Maßstab) des in Fig. 6 dargestellten Druckbehälters,

Fig. 8 eine Schnittansicht D-D' (in vergrößertem Maßstab) des in Fig. 6 dargestellten Druckbehälters,

Fig. 9 einen Querschnitt durch einen Behälter, bei dem die Kerbe hergestellt und anschließend mit einem Ummantelungsmaterial an der Stelle überdeckt ist, an der das poröse Material über der Kerbe eingesetzt wurde, und

Fig. 10 eine Ansicht des Ausschnittes E nach Fig. 9, in vergrößertem Maßstab.

Herstellung der Kerbe

Anhand der Figuren der Zeichnung ist zu ersehen, dass die Sicherheitskerbe bei Druckbehältern als lineare Kerbe variabler Tiefe an den Behältern 1, 2, 3 und 4 oder bei ähnlichen Anwendungsfällen, z. B. zur Speicherung von Druckgas oder Druckflüs sigkeit, ausgebildet ist, mit dem Ziel, eine Sicherheitsvorrichtung für den Austritt des im Behälter befindlichen Materials für den Fall zu erzielen, dass der Betriebsdruck, für den der Behälter ausgelegt ist, überschritten wird, der zusammen mit den Materialei genschaften der Stelle, an der die Kerbe angebracht wurde, die Mindestrestdicke an der Stelle maximaler Kerbtiefe definiert, wobei jeder Behälter eine oder mehrere Kerben erhalten kann.

Die Sicherheitskerbe kann an einer für den jeweiligen Anwendungsfall besonders ge eigneten Stelle vorgesehen werden. Konkrete Lösungen werden nachstehend erläutert:

Bei fest installierten Anlagen, die normalerweise nach obigen Ausführungen ausgebil det sind, wird die Kerbe vorzugsweise im zylindrischen Teil erstellt, wie in den Fig. 3, 4, 5, 6 und 7 mit den Kerben 11, 12, 13 bezeichnet, während tragbare Geräte die Kerbe vorzugsweise in einem der Endböden aufweisen. Dabei wird vorher festgelegt, dass die Kerben vorzugsweise im oberen Endboden wie in den genannten Figuren ge zeigt, hergestellt werden, und zwar beabstandet von der zylindrischen Zone, an der der durch die Tangente zum Boden und der Zylinderwand gebildete Winkel 60°, d. h. der Resistenzwinkel 30°, beträgt.

Wie aus den Figuren zu entnehmen ist, kann die Kerbe unterschiedliche Formen ha ben, die teilweise von der Ausführungsart nach den Fig. 3, 4 und 5 abhängig ist, wobei die Kerben 11 und 12 einen mit einem rotierenden Schneidwerkzeug hergestell ten Abschnitt, oder auch mit einem dreieckigen Stempel, wie mit 12 dargestellt, auf weisen. Andererseits ist die Herstellung der Kerben mit Hilfe eines Lasers auf beliebige Weise möglich.

Die Form der Kerbe kann praktisch beliebig sein, wie in Fig. 5 gezeigt, z. B. rechteck förmig, dreieckförmig, trapezförmig, halbkreisförmig usw. Nach den Fig. 6, 7 und 8 kann die Kerbe 13 auch eine asymmetrische Form haben, z. B. mit einem konischen Fräswerkzeug hergestellt sein, was den Vorteil hat, dass der Austritt in eine bestimmte Richtung orientiert werden kann.

Aus den Fig. 9 und 10 ergibt sich, dass an den Behältern 1, 2, 3 und 4, die wahl weise mit einem Grundmaterial 20 überzogen sind, jegliche Art von Vertiefung und somit eine Reduzierung des Materials an dieser Stelle sowohl mit konstanter als auch mit veränderlicher Tiefe vorgenommen wird, und anschließend die Umhüllung aufge zogen wird, wobei ein äquivalentes, poröses Material 21 praktisch ohne Druckresi stenz und genau an der Stelle geringster Dicke aufgetragen wird.

Materialien, Form, Größe und Bereitstellung der Elemente können variieren, vorausge setzt, dass dies keine grundsätzlichen Veränderungen der Erfindung zur Folge hat.

Claims

1. Sicherheitskerbe zur Anwendung an Druckbehältern, die entweder Teil einer An lage oder einzelne Behälter (1, 2, 3, 4) zur Speicherung von Druckgasen oder Druckflüssigkeiten sind, wobei die Sicherheitskerbe als Sicherheitszone gegen das Ausströmen des gespeicherten Produktes bei Überschreiten des zulässigen Druc kes dient, dadurch gekennzeichnet, dass die Sicherheitskerbe (11, 12, 13) die Restmindesttiefe an der Stelle maximaler Tiefe der eigentlichen Kerbe definiert, dass jeder Behälter eine oder mehrere Kerben aufweisen kann, und dass die Ker be(n) gleichzeitig an der in bezug auf Konstruktion und Einsatz zweckmäßigsten Stelle ausgebildet ist (sind).

2. Sicherheitskerbe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kerbe(n) bei fest installierten Anlagen vorzugsweise im zylindrischen Teil in Längsform ausge bildet ist (sind).

3. Sicherheitskerbe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kerbe(n) bei tragbaren Geräten vorzugsweise in einem der Endböden ausgebildet ist (sind), vor zugsweise im oberen Endboden, und soweit von der zylindrischen Zone entfernt ist (sind), dass der Winkel zwischen der Tangente zum Boden und der Zylinder wand mindestens 60°, d. h. der Resistenzwinkel maximal 30°, beträgt.

4. Sicherheitskerbe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Form der Kerbe(n) (11, 12) mittels eines rotierenden Schneidwerkzeuges oder mit Hilfe ei nes dreieckförmigen Stempels (12) hergestellt ist, wobei die Kerben (11, 12, 13) gleichermaßen mit Laser herstellbar sind.

5. Sicherheitskerbe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kerben im Schnitt eine beliebige Form, z. B. viereckige, dreieckige, Trapez- oder Halbkreis- Form haben können.

6. Sicherheitskerbe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kerbe (13) einen asymmetrischen Querschnitt hat und wahlweise mit Hilfe einer konischen Fräsmaschine hergestellt ist, wobei der Austritt des Behälterinhalts in einer vorge gebenen Richtung orientiert sein kann.

7. Sicherheitskerbe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei ummantel ten Behältern, die aus einem Grundmaterial hergestellt sind, und die eine Eindel lung und damit eine lokale Reduzierung der Materialstärke aufweisen, unabhängig davon, ob die Materialtiefe konstant oder variabel ist, eine anschließende Umman telung (20) aufgebracht ist, wobei ein poröses Material (21) oder dergl. ohne Druckwiderstand an der Stelle geringster Tiefe aufgetragen ist.