DE1600395C - Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen von Druckbehältern - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen von Druckbehältern für Innen- oder Außendruck, wie Hohlzylindern, Rohren oder Hohlkugeln, aus zumindest zwei metallischen Schalen, von denen die von der Außenschale lose umgebene Innenschale durch vorübergehend ausgeübten Innendruck unter Überschreiten der Elastizitätsgrenze ihres Materials aufgeweitet und an die dabei unter Spannung gesetzte Außenschale angepreßt wird. Sie bezieht sich ferner auf eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Es ist bereits ein Verfahren zum Herstellen von rohrförmigen Druckbehältern bekannt, bei dem man mehrere nahtlose oder aus Blechen oder Bändern zusammengeschweißte Rohre lose ineinander oder aufeinander schiebt und dann durch Aufweiten von innen zur festen Anlage bringt, wobei die Elastizitätsgrenze des oder der inneren Rohre überschritten wird. Liegt die Elastizitätsgrenze des Materials des oder der äußeren Rohre höher als die des Materials des oder der inneren Rohre, so ergibt sich unter der Voraussetzung eines im wesentlichen gleichen Elastizitätsmoduls des Materials der Rohre nach dem Wegnehmen des Aufweitdruckes eine Vorspannung in der Weise, daß das äußere Rohr auf Zug, das innere auf Druck vorgespannt ist.

Bei diesem bekannten Verfahren — das auch auf das Herstellen von Kugel-Druckbehältern anwendbar ist — bleibt die Beanspruchung des Materials der äußeren Schale meist innerhalb der Elastizitätsgrenze; die inneren Schalen passen sich also plastisch der meist nur elastisch gedehnten und wieder weitgehend oder völlig in ihre ursprüngliche Gestalt zurückgehenden äußeren Schale an.

Da bei der üblichen Herstellung von einzelnen größeren Rohren und Kugelschalen geringe Formabweichungen nicht zu vermeiden sind, wirken sich vor allem bei der äußeren Schale vorhandene Dicken- und Konturfehler auf den fertigen Druckbehälter aus; die Abweichungen von der Wanddicke und der theoretischen Kreiskontur können sich sogar noch verstärken; zumal dann, wenn beim Aufweiten auch die äußere Schale bis in den Elastizitätsgrenzbereich oder an örtlich begrenzten Inhomogenitätsstellen sogar etwas darüber hinaus gedehnt wird.

Die nachteiligen Auswirkungen solcher örtlich begrenzten Abweichungen in Wanddicke und Kontur sind bekannt, die Abweichungen verringern die zulässige Druckbeanspruchung des Behälters, insbesondere bei Beanspruchungen durch äußeren Druck.

Diese Nachteile der bekannten Mehrschicht-Druckbehälter sollen durch die Erfindung beseitigt werden; der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Mehrschalen-Druckbehälter für Belastung durch Innen- und Außendruck herzustellen, die — ohne Mehraufwand bei der Herstellung ihrer ineinander oder übereinander zu legenden Schalen — bei gleichem Materialaufwand, gleichem grundsätzlichem Aufbau und gleichen Sicherheitsbedingungen mit höheren Inncn- und vor allem auch Außendrücken belastbar sind, als die in bisher üblicher Weise hergestellten Mehrschalen-Druckbehälter.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß man die Schalen vor Ausüben des Innendrucks in eine die Außenschale umgebende Form einbringt, dann erst in der Innenschale einen Druck erzeugt, bei dem die Außenschale — ebenfalls unter Überschreiten der Elastizitätsgrenze ihres Materials — an die äußere Form angelegt wird, Und daß man nach Wegnehmen des Innendrucks die Form entfernt.

Durch das absichtliche Überschreiten der Elastizitätsgrenze des Materials der Außenschale bis zu deren Anlegen an. die äußere, genau bearbeitbare Form erhält man eine relativ genaue Kontur des Mehrschalen-Druckbehälters, die auch nach dem Rückfedern und Lösen aus der Form erhalten bleibt; Inhomogenitäten in der Wandstärke der Schalen, die z. B. bei schwächeren Stellen zu unerwünschten Aufbauchungen führen könnten, kommen wegen des »Einpassens« in die äußere Form praktisch nicht zur Auswirkung. Erfin-. dungsgemäß hergestellte Mehrschalen-Druckbehälter sind daher konturengenauer und auch weitgehend frei von Wandstärken-Inhomogenitäten, sie lassen sich daher unter besserer Materialausnutzung stärker belasten als bekannte Mehrschalen-Druckbehälter. _v Wenn die Schalen aus Material gleichen Elastizitätsmoduls und gleichem Rückfederungsverlauf aus dem plastischen Verformungsbereich bestehen, ist der Mehrschalenbehälter nach Wegnehmen des Innendrucks praktisch spannungsfrei. Bei Wahl unterschiedlicher Materialien können in den äußeren Schalen Zug- und den inneren Schalen Druckspannungen erzielt werden; auch eine umgekehrte Vorspannung ist — beispielsweise für Druckbehälter für Außendruck — möglich.

Eine zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignete Vorrichtung, die Einrichtungen zum. Abdichten des Innenraumes der inneren Druckbehälterschale und Einrichtungen zum Erzeugen eines hohen Innendrucks in dem Innenraum aufweist, ist im wesentlichen gekennzeichnet durch eine Vorrichtung mit Einrichtungen zum Abdichten des Innenraumes der inneren Druckbehälterschale und Einrichtungen zum Erzeugen eines hohen Innendrucks in dem Innenraum sowie durch eine die äußere Schale umgebende, das Aufweiten dieser äußeren Schale begrenzende und nach Wegnehmen des Innendrucks entfernbare Form.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung mit allen ihren Möglichkeiten werden im folgenden einige Ausführungsbeispiele, die in der Zeichnung veranschaulicht sind, näher beschrieben.

45. Fig. 1 stellt einen kugelförmigen Druckbehälter mit zwei Schalen dar, der sich in einer äußeren Form befindet;

F i g. 2 veranschaulicht einen kugelförmigen Druckbehälter mit mehreren Schalen, der in eine äußere Form eingesetzt ist, die aus einem metallischen Gitterwerk besteht;

F i g. 3 ist ein Teilschnitt durch einen kugelförmigen Druckbehälter entlang einer die Mitte der Kugel durchquerenden Ebene;

F i g. 4 ist ein zu der Darstellung der F i g. 3 analoger Schnitt durch eine abgewandelte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Druckbehälters;

F i g. 5 veranschaulicht einen zylindrischen Druckbehälter mit zwei Schalen, der sich in einer äußeren Form befindet;

F i g. 6 stellt einen zylindrischen Druckbehälter mit mehreren Schalen dar, der sich in einer Form befindet, die aus mehreren metallischen Ringen besteht; Fig. 7 veranschaulicht eine abgewandelte Ausführungsform der Erfindung, die sich auf einen zylindrischen Behälter bezieht, der durch zwei kugelförmige Böden begrenzt wird;

F i g. 8 und 9 zeigen Teile der Wände eines Druck-

behälters mit zwei Schalen, zwischen die ein anderes Material eingefügt ist.

Die Fig.l stellt einen zweischaligen kugelförmigen Druckbehälter dar, von dem ein Teil in der Zeichnung weggelassen ist, um die beiden übereinanderliegenden Schalen 1 und 2 sichtbar werden zu lassen. Der zweischalige Behälter befindet sich im Inneren einer kugelförmigen Metallform 3, die beispielsweise aus einer vollwandigen, aus mehreren Ab-

Nach der Herstellung eines kugelförmigen Druckbehälters in der oben beschriebenen Weise können erforderliche öffnungen, wie beispielsweise Kernlöcher oder Mannlöcher, in die Wände eingeschnitten und entweder mit einem Teil oder mit der gesamten Wandstärke Flansche verschweißt werden.

Die Fig. 3 stellt einen Teilschnitt durch einen Druckbehälter-Hohlkörper mit vier Schalen 8,9, K) und 11 dar, von denen nur die beiden inneren Scha-

schnitten zusammengesetzten Hülle aus Metall be- ίο Ien 8 und 9 mit einem ein Mannloch enthaltenden steht

Die Bleche der Schalen 1 und 2 können die gleiche Elastizitätsgrenze haben. 1st der Druckbehälter-Hohlkörper mit seinen beiden Schalen 1 und 2 einmal im Inneren der Form 3 untergebracht, so wird im Inneren der inneren Schale 1 des Hohlkörpers ein Druck erzeugt, durch den die Schalen 1 und 2 aufgeweitet werden und die Elastizitätsgrenze ihres Materials überschritten wird. Die Schale 1 legt sich dann an die Schale 2 an und die letztere an die Form 3.

Anschließend wird der Innendruck weggenommen und die äußere Form 3 abgebaut.

Als Ergebnis dieser Behandlung ergibt sich eine Verbesserung der mechanischen Fertigkeits-Eigen-

Bauteil 12 verschweißt sind.

Die Fig. 4 zeigt einen Teilschnitt durch einen Hohlkörper mit drei Schalen 13, 14 und 15, die sämtlich mit einem Stutzen 16 verschweißt sind.

Die Fig. 5 veranschaulicht eine abgewandelte Arbeitsweise und eine besondere Vorrichtung zum Herstellen von Druckbehältern, die nicht kugelförmig, sondern zylindrisch sind. In dieser Figur sind Bauteile, die eine gleiche Rolle wie entsprechende Bauteile in den Fig. 1 und 2 spielen, mit den gleichen Bezugszahlen wie dort bezeichnet.

Die F i g. 5 zeigt zwei zylindrische Schalen 1 und 2, die sich im Innern einer zylindrischen Außenform 3 befinden; diese Bauteilgruppe ist zwischen die gegen-

schaften der von den Schalen 1 und 2 gebildeten 25 einander bewegbaren Platten 17 und 18 einer Presse Wände des Druckbehälters durch die Kaltverformung eingeschoben, von denen mindestens eine unter einem des unter Überschreiten seiner Elastizitätsgrenze ge- eine Annäherung der Platten aneinander anstrebenstreckten Metalls; vor allem jedoch eine genaue Um- den Druck steht. Die Platte 17 trägt einen Ring 19, fangskontur und damit die höhere Belastbarkeit. dessen schräge Stirnfläche 20 die Schalen 1 und 2

Selbstverständlich kann man auch Hohlkörper her- 30 führt und deren offene Stirnenden abschließen, wähstellen, die mehr als zwei Schalen 1 und 2 haben. Die rend sie sich der äußeren Form 3 im Verlaufe der äußere Form 3 kann aus mehreren abnehmbar zu- Verminderung ihrer Länge beim Aufweiten annähern, sammengefügten Bauteilen bestehen. So kann man Die Platte 18 ist fest mit einem Führungsring 21 verz. B. eine kugelige Form aus zwei Halbschalen her- bunden, in dem sich ein ringförmiger Kolben 22 verstellen, die an Flanschen entlang einer durch den 35 schiebt. Auf die axial äußere Stirnfläche 24 des KoI-Mittelpunkt der Kugel verlaufenden Ebene mitein- bens 22 wirkt der Druck eines durch eine Leitung 23 ander verbunden sind. zugeführten Strömungsmediums ein und preßt den

Die Festigkeit der äußeren Form muß nicht be- Kolben 22 mit seinem dem Ring 19 entsprechenden sonders groß sein; die von ihr aufzunehmenden und Innenprofil gegen die äußere Form 3 und gegen die gegebenenfalls formend auszugleichenden Radial- 40 Schalen 1 und 2. ..

Innendrücke sind meist nur mäßig. Es kommt nur Abdichtungsringe 25, 26, 27 und 28 verhindern

darauf an, daß die Form stützend wirkt und das Aus- einen Verlust an Strömungsmedium während der bilden von Beulen an dem herzustellenden Druck- radialen Ausnehmung der Schalen 1 und 2. behälter sicher vermeidet. Kleinere Feldteile der Die zylindrische Form 3 kann aus zwei Halbscha-

Druckbehälter-Außenschale können auch frei blei- 45 Ien bestehen, die zwei längsverlaufende Trennfugen ben; es ist nicht notwendig, daß die gesamte Außen- aufweisen.

flache der Außenschale überall abgestützt ist. . Die F i g. 6 veranschaulicht eine abgewandelte Aus-

So kann man eine äußere Form in der in F i g. 2 führungsform der Vorrichtung, bei der die Außenveranschaulichten Art mit Hilfe von Drahtseilen 4 form aus Ringen 5 besteht, die rund um die zylinaufbauen, die ein Gitterwerk bilden und an einander 5° drische Schale 2 angeordnet und entlang dieser, in gegenüberliegenden Polen der Kugel durch Kalotten 6 gleichem Abstand voneinander gehalten sind, und 7 miteinander verbunden sind. Das aus den
■ Drahtseilen 4 bestehende Gitterwerk bildet eine
Form, die den von der Außenschale 2 auf sie ausgeübten Druckkräften zu widerstehen vermag, wenn 55
der Innendruck die Elastizitätsgrenze der Bleche der
Schalen 1 und 2 überschreitet.

Die Schalen 1 und 2 des kugelförmigen Hohlkörpers lassen sich durch Verschweißen mehrerer Kugelflächen-Bauteile erhalten.

Nach Abnehmen der in der F i g. 1 mit ausgezogenen Linien dargestellten äußeren Form 3 bzw. des in
der Fig.2 dargestellten Gitterwerkes4 besteht der
Hohlkörper aus Wanden, in denen Vorspannungen
auf Zug oder auf Druck entweder überhaupt nicht 65 Böden,
oder jedenfalls nur in sehr geringem Maße vorhanden Auch bei den Ausführungsformen nach den'

sind, wenn die Materialien der Schalen im wesent- Fig. 5, 6 und 7 wird die Erfindung wie bei den liehen gleiche Festigkeits-Kennwerte haben. kugelförmigen Druckbehältern in der Weise zur An-

Die Schalen 1 und 2 können sich zwischen den Platten einer Presse befinden, wie diese in F i g. 5 dargestellt ist.

Die Fig. 7 veranschaulicht eine Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, wobei der Druckbehälter aus einer zylindrischen Schale 1 mit kugelförmigen Böden 29 besteht, die im Innern einer zweiten zylindrischen Schale 2 angeordnet ist, die ihrerseits ■ in eine äußere Form 3 aus zwei entlang von Längsfugen miteinander verbundenen Teilen eini gesetzt ist. Die Verstärkung des Druckbehälters beschränkt sich hier auf den zylindrischen Teil, in dem bekanntlich die Spannungen höher sind als in den

wendung gebracht, daß man auf die innere Schale 1 einen allseitigen Innendruck ausübt, wobei sich die Schalen 1 und 2 ausdehnen und die Elastizitätsgrenze ihres Materials überschritten wird. Diese Druckausübung wird so lange aufrechterhalten, bis sich die Schale 2 an die äußere Form 3 oder 5 anlegt.

Mit den zylindrischen Druckbehältern lassen sich in der gleichen Weise wie mit den kugelförmigen Druckbehältern Mannlöcher oder Stutzen verschweißen, wie dies in den F i g. 3 und 4 dargestellt ist.

Die F i g. 8 und 9 veranschaulichen einen Teilausschnitt aus einem Druckbehälter mit zwei Schalen 1 und 2. die einen Abstand voneinander aufweisen, um einen größeren Widerstand des Gesamtaufbaues sowohl gegen Knicken als auch gegen Verbiegen und außerdem eine bessere Schwimmfähigkeit des Behälters in Wasser durch ein größeres Volumen bei geringerem Gewicht zu erzielen. Derartige Behälter sind beispielsweise als Unterwasser-Transportbehälter verwendbar.

Der Zwischenraum zwischen den Schalen kann durch ein Material mit geringerer Dichte als der von Stahl, beispielsweise mit Beton oder Mörtel, synthetischen Kunststoffen oder Schaumstoffen ausgefüllt sein. as

Der Zwischenraum zwischen den Schalen läßt sich erhalten, indem man entweder vor der Druckausübung ein druekfestes Material 30 mit geringer Dichte einbringt, an das die innere Schale angepreßt wird, oder indem man Keile 31 in den Zwischenraum einschiebt und diesen schließlich mit dem Material 30 ausfüllt. Im letzteren Fall kann man das Material unter Druck einspritzen, wobei sich je nach dessen Natur gegebenenfalls gleichzeitig eine Vorspannung zwischen den Schalen erzielen läßt.

Die Ränder der äußeren Schale des Druckbehälters können außerdem durch Reifen verstärkt werden. Auch ist die Anzahl der Schalen, die mit einer Öffnung 12 oder 16 verschweißt sind, beliebig. Diese öffnung kann mit einer einzigen Schale verschweißt sein.

Claims (9)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Herstellen von Druckbehältern für Innen- oder Außendruck, wie Hohlzylindern, Rohren oder Hohlkugeln, aus zumindest zwei metallischen Schalen, von denen die von der , Außenschale lose umgebene Innenschale durch • vorübergehend ausgeübten Innendruck unter Oberschreiten der Elastizitätsgrenze ihres Materials aufgeweitet und an die dabei unter Spannung gesetzte Außcnschale angepreßt wird, dadurch gekennzeichnet, daß man die Schalen wir Ausüben des Innendrucks in eine die Außenschale umgebende Form einbringt, dann erst in der Innenschale einen Druck erzeugt, bei dem die Außenschale ebenfalls unter Überschreiten der Elastizitätsgrenze ihres Materials an die äußere Form angelegt wird, und daß man nach Wegnehmen des Innendrucks die Form entfernt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man vor der Druckausübung zwischen zwei benachbarte Schalen ein Material mit geringerer Dichte als der· von Stahl einbringt (Fig. 8).

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man zwischen zwei benachbarte Schalen Zwischenstücke einsetzt und in den so offen gehaltenen Zwischenraum ein Material einspritzt, dessen Dichte geringer ist als die von Stahl (F ig. 9).

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß man das Material unter einem. Druck einspritzt, bei dem man eine Vorspannung zwischen den Schalen erzielt.

5. Verfahren nach Anspruch 1 zur Herstellung von Druckbehältern mit öffnungen und Öffnungsflanschcn, wie beispielsweise Mannlöchern, dadurch gekennzeichnet, daß die öffnungen erst nach der Herstellung des Behälters in dessen Wände eingeschnitten und die Flansche gegebenenfalls nur mit einem Teil der Schalen oder Lagen der Behälterwand verschweißt werden.

6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4, mit Einrichtungen zum Abdichten des Innenraumes der inneren Druckbchälterschale und Einrichtungen zum Erzeugen eines hohen Innendrucks in dem Innenrauin. gekennzeichnet durch eine die äußere Schale (2) umgebende, das Aufweiten dieser äußeren Schale begrenzende und nach Wegnehmen des innendrucks entfernbare Form (3).

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Form (3) aus mehreren abnehmbar zusammengefügten Bauteilen besteht.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Form aus einem metallischen Gitterwerk (4, 6, 7), gegebenenfalls hergestellt unter Verwendung von Drahtseilen (4), besteht (Fig. 2).

9. Vorrichtung nach Anspruch 6. insbesondere zur Herstellung zylindrischer Druckbehälter, dadurch gekennzeichnet, daß die Form aus die äußere Schale umgebenden Ringen besteht (F i g. 6).

K). Vorrichtung nach Anspruch 6 zur Herstellung von zylindrischen Druckbehältern in Form von Rohren, gekennzeichnet durch zwei gegeneinander drückbare Pressenplatten (17,18) mit Abdichtungen (25 bis 28) und Führungen (20) zum Abdichten der offenen Stirnenden der sich beim Aufweiten in ihrer Länge verkürzenden Schalen (1,2) (vgl. Fig. 5).

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen