DE1602326A1 - Hochdruckbehaelter,insbesondere zum isostatischen Pressen - Google Patents

Description

• Hochdruckbehälter, insbesondere zum isostatischen pressen Die Erfindung bezieht sich auf Hochdruckbehälter, die zu den verschiedensten Zwecken verwendet werden können, z. B. beim isostatischen Pressen, beim hydrostatischen Strangpressen und beim hydrostatischen Expandieren oder Stauchen; genauer gesagt sieht die Erfindung Maßnahmen vor, um die Herstellung solcher Hochdruckgefäße zu erleichtern.
• Hochdruckbehälter müssen wiederholt einem hohen Innendruck standhalten können, ohne daß die Gefahr einer Beschädigung, z. B. infolge einer Materialermüdung, besteht.-Da ErmU-durgsbüche in erster Linie durch die Änderung der Beanspruchung hervorgerufen werden, die eintritt, wenn der in dem Behälter herrschende Druck zyklisch zwischen seinem höchsten und seinem niedrigsten Wert variiert wird, ist es erforderlich, den Bereich der Beanspruchungen an allen Punkten innerhalb des Behälters möglichst klein zu halten. Wenn insbesondere der Innendruck eines solchen Behälters während eines Arbeitszyklus von seinem maximalen Wert auf einen niedrigeren Wert herabgesetzt wird, erfolgt eine elastische Zusammenziehung des Behälters. Durch dieses Zusmmenziehen werden wiederum normalerweise hohe Druck beanspruchungen in der Umfangirichtung im Material des Behälters nahe der inneren Wandfläche des Behälters hervorgerufen, so daß dort die Schub- bzw. Scherspannungen Werte erreichen, die in einem sehr hohen Bereich liegen ; infolgedessen besteht die Gefahr, daß an der inneren Wandfläche eines Druckbehälters Ermüdungsrisse auftreten, die schließlich zu einem Ermüdungsbruch der Behzlterwand führen. Die bis jetzt bekannten Hochdruckbehälter weisen eine unzureichende Ermttdungs- bzw. Dauerfestigkeit auf, wenn nicht dafür gesorgt wird, daß der maximale Druck auf einem sehr niedrigen Wert gehalten wird; wenn man solche Behälter ftfr sehr hohe Innendrucke konstruiert, ergibt sich ein großer Außendurchmesser des Behälters, so daß Behälter dieser Art nicht bei raumsparend ausgebildeten, mit hohem Druck arbeitenden Einrichtungen verwendet werden können.
• Eine Hauptaufgabe der Erfindung besteht darin, die Konstruktion und Herstellung von wenig Raum beanspruchenden Hochdruckbehältern zu erleichtern, die durch ihre hohe Dauerfestigkeit gekennzeichnet sind.
• Genauer gesagt sieht die Erfindung einen Hochdruckbehälter vor, dessen Wandteil sich aus mindestens einer inneren Schicht, die so geformt ist, daß sie in dem Behälter eine innere Bohrung oder Kammer abgrenzt, und aus mindestens einer Sttttzschicht zusammensetzt, welche die bzw. jede innere Schicht konzentrisch umschließt und aus einem Material besteht, das einen erheblich höheren Elastizitätsmodul aufweist als das Material der bzw.
• Jeder inneren Schicht, wobei die Anordnung derart ist, daß die Änderungen der Beanspruchung, die eioh bei Änderungen des Drucke in dem Behälter ergeben, duroh die Wandechichten in einem hinreichenden Ausmaß verteilt werden, um eine Ubermäßige Konzentration der Beanspruchungsänderungen in dem die Bohrung oder Kammer abgrenzenden Wandteil zu verhindern Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung mehrerer Ausftihrungsbeispiele an Hand der meichnungen.
• Fig. 1 ist ein Teil eines Längsschnitts durch eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Hochdruckbehälters.
• Fig. 2 ist ein Schnitt längs der Linie 2-2 in Fig. 1.
• Fig. 3 zeigt im Querschnitt eine zweite Ausführungsform eines Hochdruckbehälters nach der Erfindung.
• Fig. 4 zeigt in einem Teil eines Querschnitts eine dritte Ausfiihrungsform eines erfindungsgemäßen Hochdruckbehälters.
• Die Zeichnungen zeigen die Anwendung der Erfindung bei Hocneruckbehältern von allgemein zylindrischer Form, in denen sich ein Druck in der Größenordnung von 23500 bis 39000 kg/cm2 (150-250 tons per square inch) entwickeln kann. Es sei jedoch bemerkt, daß sich die Erfindung auch bei Behältern anwenden läßt, die allgemein kugelförmig sind oder eine andere nicht zyllndrische Form haben.
• In Fig. 1 erkennt man eine erste Ausführungsform der Erfindung in Gestalt eines im wesentlichen zylindrischen Eochdruckbehälters mit einem Wandteil, der mindestens eine innere Schicht 4 umfaßt, durch welche in dem Behalter eine innere Bohrung oder Kammer 1 abgegrenzt wird, in welcher der hohe Innendruck erzeugt werden soll. Ferner umfaßt der Wandteil des Behälters mindestens eine Stützschicht 3, welche die innere Schicht 4 konzentrisch umgibt und aus einem Material besteht, das einen erheblich höheren Elastizitätsmodul aufweist als das Material der Schicht 4. In diesem Zusammenhang sei bemerkt, daß es gewöhnlich zweckmäßig ist, ein Verhältnis von mehr als 1,5 zu 1 zwischen den Elastizitätsmoduln der Sttitzschicht 3 und der inneren Schicht 4 vorzusehen.
• Mindestens eine äußere Schicht 2 umschließt die Stützschicht 3, und die äußere Schicht 2 hat einen niedrigeren Elastizitätsmodul als die Sttltzsohicht 3. Die Schicht 2 kann als einheitliches Bauteil ausgebildet sein oder sie kann durch eine Bewicklung aus Draht gebildet werden, oder es kann sich um eine Autofrettagekonstruktion oder um eine aus Segmenten zusammengesetzte Konstruktion handeln; zur herstellung der Schicht 2 wird ein geeignetes Material verwendet, z. B. ein relativ zäher Stahl mit einem niedrigen Elastizitätsmodul. Die Stutzachicht 3 des Behälters wird zweckmäßig aus mehrenen segmentförmigen Klötzen zusammengesetzt, die aus zementiertem Wolframkarbid bestehen und sich gegenseitig an radial verlauienden Flächen berühren, Alternativ kann man die Schicht 3 als massiven Ring mit einem hohen Elastizitätsmodul ausbilden, s. B. aus Wolframkarbid, oder man könnte diese Schicht zur Erleichterung ihrer Herstellung in eine geeignete Zahl von Ringen unterteilen, die sich aus Segmenten zusammensetzen.
• Die innere Schicht 4 hat zweckmäßig die Form einer Buchse oder Welse, und sie besteht aus einem Material mit einem niedrigen Elastizitätsmodul und einer hohen Festigkeit, s. B. aus Werkzeugstahl,"maraging steel" oder Titan, so daß diese Schicht radialen Druckkräften standhält. Die äußere Schicht 2 wird so aufgebracht, daß sie gegenüber der Stützschicht 3 in einem hinreichenden Ausmaß vorgespannt ist, wenn sich der Behälter im unbelasteten Zustand befindet, so daß verhindert wird, daß sich die radialen Flächen der Klötze der Schicht 3 voneinander abheben, wenn der Behälter seinem normalen Betriebsdruck ausgesetzt ist. Jedoch sind die Klötze der Schicht 3 so ausgebildet, daß sich bei einem kritischen Druck, der höher ist als der normale Betriebsdruck die radialen Flächen der Klötze voneinander abheben, und zwar annähernd gleichzeitig an Jedem beliebigen Radius der Schicht 3, d.h. über die ganze Dicke dieser Schicht.
• Eine solche Anordnung der Klötee gewährleistet, daß die Sttitzschicht 3 bei einer zyklischen Druckbeanspruchung eine maximale Starrheit besitzt, und daß die Dicke der Schicht 2, mittels deren die Klötze der Schicht 3 zusammengehalten werden, auf den kleinsten möglichen viert verringert werden kann.
• Bei dieser Anordnung wird die innerste Schicht bzw. die Buchse 4 durch die Schicht 3 abgestütst, welch letstere bei ihrer Beanspruchung durch einen Innendruck nur in einem geringen Ausmaß radial erweitert wird, so daß in der Buchse 4 nur eine sehr kleine, sichozyklisch verändernde Ringspannung auftritt.
• Hierdurch wird die gefahr eines Ermüdungsbruchs der Buchse 4 auf ein Mindestmaß verringert. Wenn die Buchse 4 in der Schicht 3 etwas vorgespannt wird, z.B. mit einer Durchmesserdberschneidugegvon etwa 0,05 mm, ist es möglich, die Ringspannung bzw. die Beanspruchung der Buchse 4 in der Umfangsrichtung praktisch vollständig zu vermeiden; auf diese Weise wird die Widerstandsfähigkeit der Buchse gegen eine Werkstoffermüdung weiter vergrößert. Wenn man der Buchse 4 im Vergleich zu den Schichten 2 und 3 eine geringe Wandstärke gibt, werden die zyklischen axialen Beanspruchungen der Buchse auf die Beanspruchungen der eine größere Starrheit aufweisenden Schicht 3 beschränkt ; dies ist auf die Reibungsberührung an der Trennfläche 5 zurückzuführen, Diese Beanspruchungen und die auf sie zuruckzufuhrende Verformung sind sehr gering, und die axiale Gegenkraft (constraintZ) fuhrt zu einer axialen Druckbeanspruchung der Buchse 4, wenn der Behälter seinem Betriebsdruck ausgesetzt wird; diese Deanspruchungen bzw. Spannungen tragen ebenfalls dazu bei, die Dauerfestigkeit der Buchse 4 zu vergrößern.
• Es wurde festgestellt, daß nahe den Enden des Behälters die Reibung an der Trennfläche 5 nicht a'isreicht, um zu verhindern, daß sich die Schicht 3 und die Buchse 4 axial gegeneinander gleitend bewegen. Eine solche Relativbewegung wird dadurch verhindert, daß mit den Enden des Behälters Platten 6 verspannt werden, welche gemäß Fig. 1 die Enden der Buchse 4 bei 7 abstützen. Jedes Ende des @ehälters bzw. Jede Spannplatte 6 wird hinreichend vorgespannt, um zu verhindern, daß sich die Buchse 4 gegenüber der benachbarten Stirnfläche 8 der Schicht 5 bewegt, wenn der behälter seinem höchsten Betriebsdruck ausgesetzt ist; auf diese Weise ist es möglich, maximale axiale Druckbeanspruchungen auf zunehmen, die in der Buchse 4 auftreten, und zwar derart, daß keine gleitenden Relativebewegungen hervorgerufen werden. Ferner kann jede Spannplatte 6 mit hier nicht gezeigten Dichtungen versehen werden; in. diesem Ball ist es orforderlicht daß die Platten 6 außerdem die durch Oie Dichtungen hervargrufenen Reaktionskräfte $aufnehman, ohne daß eine Bewegung erfolgt.
• Wegen der Starrheit der Schicht 3 werden die zyklischen Beanspruchungen der weniger starren Schichten, z. B. der äußeren Schicht 2 und Uer Buchse 4, verringert. Auf diese Weise wird eine Beschädigung der Schicht 2 infolge einer Ermüdung des Werkstoffs im wesentlichen verhindert, so daß die äußeren Schichten eines erfindungsgemäßen Behälters unter Berücksichtigung ihrer statischen Festigkeit konstruiert werden können, so daß sich auf bei hohen Beanspruchungen nur ein relativ kleiner Gesamtdurchmesser ergibt. Die Verkleinerung der zyklischen Beanspruchungen bedeutet, daß die äußere Schicht 2 an ihren Enden mit Gewindebohrungen versehen werden kann, so daß es möglich ist, die Schrauben 9 oder andere Mittel zum befestigen der Platten 6 in die Schicht 2 einzuschrauben, ohne daß die Gewindebohrungen zu Spannungsanhäufungen Anlaß geben, die so hoch sind, daß sie zur Einleitung eines Dauer- oder Ermüdungsbruchs führen. Fenner tibt das Vorhandensein der Wewindebohrungen auch nur eine geringe Wirkung auf die statische Festigkeit der bzw. jeder äußeren Schicht aus.
• Fig. 3 zeigt eine Ausfiihrungsform der Erfindung, die dazu bestimmt ist, gleichzeitig einem Innendruck und einem Außendruck ausgesetzt zu werden, wobei diese Drücke zyklisch und phasengleich auftreten können. Ein solcher Druckbehälter kann zweckmäßig einen Bestandteil eines mehrere Bestandteile umfassenden Druckbehälters bilden. Beider Anordnung nach Fig. 3 kommen die Schicht 2a, die Schicht 3a, die alternativ als einteiliger Ring ausgebildet sein kann, und die innerste schicht 4a auf ähnliche weise zur Wirkung wie die entsprechenden Schichten 2, 3 und 4 der Anordnung nach Fig. 1 und 2. Jedoch sind gemäß Big. 3 die Schichten 2a, 3a und 4a, welche insgesamt so betrachtet werden können, als ob sie einen inneren bestandteil eines Behälters bildeten, in einem Gehäuse 10 angeordnet, das gegebenenfalls als ein zweiter zusammengesetzter Behälter ausgebildet sein kann. Ein zyklischer Druck wird dann an einer Trennfläche 11 in einem Druckmittel erzeugt, das sich in einem Ringspalt zwischen der Schicht 2a und dem gehäuse 10 befindet.
• Dieser an der Trennfläche 11 entwickelte zyklische Druck wirkt von außen nach innen auf den inneren Bestandteil des Behälters, und der ion außen aufgebrachte Druck bewirkt eine Verkleinerung des beanspruchungsbereichs in den Schichten 2a, 3a und 4a des inneren Behälterbestandteils bei einem gegebenen zyklischen Innendruck. Auf diese weise ist der innere Behälterbestandteil nur dem Unterschied zwischen dem äußeren Druck und dem inneren Druck ausgesetzt, was zur Folge hat, daß es in manchen Fällen nicht erforderlich ist, die Schicht 3a z. B. aus Wolframkarbid mit einem hohen Elastizitätsmodul herzustellen, do daß man ein Material mit einem niedrigeren Elastizitätsmodul, z.B. Werkzeugstahl, für die Schicht 3a verwenden kann. Auf entsprechende tieise kann die innere Schicht 4a aus einem Material mit einem hohen Verhältnis zwischen der Festigkeit und dem Elastizitätsmodul hergestellt werden, z. B. aus Titan, Gummi, Kunststoff oder Glas, doch ftthrt die Tatsache, daß die Schicht 4a durch die Schicht Sa in axialer Richtung festgehalten wird, zu sehr hohen axialen Beanspruchungen in der Schicht 4a. Hier nicht gezeigte stirnseitig angeordnete Platten, die den Platten 6 des ersten Ausführungsbeispiels ähneln, werden wiederum verwendet, und diese Platten müssen daher eine höhere Festigkeit haben als die Platten 6 des ersten Ausführungsbeispiels, damit sie größeren axialen kräften standhalten können. Vas Verhältnis zwischen dem Elastizitätsmodul der Stützschicht Da und dem Elastizitätsmodul der inneren Schicht 4a ist bei der Anordnung nach Fig. 3 größer als bei dem ersten Ausführungsbeispiel.
• Fig. 4 zeigt eine dritte Ausführungsform der Erfindung mit einer äußeren Schicht 2b aus einem Material mit niedrigem Elastizitätsmodul, einer Stützschicht 3b aus sich an radialen Flächen berührenden segmenten oder Klötzen aus einem Material mit hohem Elastizitätsmodul, z.B. aus zementiertem Wolframkarbid, sowie mit einer innersten Schicht 4b aus einem material mit niedrigen Elastizitätsmodul, z.B. aus Werkzeugstahl, wie er auch bei dem ersten Ausführungsbeispiel verwendet wird. Jedoch ist bei dem Ausfühsungsbeispiel nach Fig. 4 eine das Fressen verhindernde Schicht 12 vorgesehen, die sich aus sich an radialen Flächen berührenden segmenten oder Klötzen zussmmensetzt; die Segmente der Schicht 12 bestehen aus einem Material mit niedrigem Elastizitätsmodul, z.B. aus Werkzeugstahl, und die Schicht 12 liegt zwischen der Schicht 3b und der inneren Schicht 4b. Wie bei den schon beschriebonen Ausführungsbeispielen werden syklische Beanspruchungen absichtlich in der starren Schicht 3b konzentriert9 um den Bereich der Benanspruchungen bei den anderen flexibleren Schichten zu veringern. Dies kann dazu führen, daß die starre Schicht 3b überlastet wird, obwohl sie eine sehr hohe Festigkeit aufweist.
• Um einer solchen möglichen Überlastung entgegenzuwirken, sind die radialen Flächen der Klötze der Schicht 3b so profiliert, daß sich ein geregelter Spalt 13 zwischen jedem Paar von benachbarten, sich bertihrenden radialen Flächen der Klötze dieser Schicht öffnen kann; wenn der sruckbehälter dem maximalen Druck ausgesetzt ist, erstrecken sich diese Spalte radial nach außen von der Innenfläche der Klötze der Stützschicht aus bis zu einer in Fig. 4 gestrichelt gezeichneten, in der Umfangsrichtung verlaufenden Linie 14 innerhalb der Schicht 3b. Auf diese Weise können zyklische Deanspruchungen gleichmäßig auf alle Teile der Schicht 3b verteilt werden, wobei der Beanspruchungsbereich in der Zone zwischen der Innenfläche der Schicht 3b und der Linie 14 so geregelt werden kann, daß er genau in die Grenzen der Ermüdungsfestigkeit des Materials der Schicht fällt. Zu diesem Zweck müssen die Klötze der Schicht 3b auf besondere Weise profiliert werden; dieses profil wird aus der elastischen Verformung der Klötze unter der gewünschten Belastung ermittelt, wobei zu berücksichtigen ist, daß sich die Spalte Dei dem Innendruck Null schließen müssen.
• Die in der schon beschriebenen vieise angeordnete Schicht 12 umfaßt Klötze, die so profiliert sind, daß sich an der inneren Wandfläche dieser Schicht in keinem eitpunkt Spalte öffnen, Diese Anordnung verhindert ein Fressen zwischen der Innenfläche der in Segmente unterteilten Schicht 12 und der ihr benachbarten lückenlose innersten Schicht 4b. Alternativ kann man die Schicht 12 fortlassen; in diesem Fall wird ein Fressen zwischen den Schichten 3b und 4b dadurch verhindert, daß man eine große Zahl von segmentförmigen Klötzen vorsieht, von denen jeder nur einen kleinen Winkel einschließt, um die Schicht 3b aufzubauen, so daß die ßreite der Spalte 13 verringert wird.

Claims (1)

1. P A T E N T A N S P R Ü C H E 1. Hochdruckbehälter zur Benutzung beim isostatischen Pressen, beim hydrstatischen Strangpressen und beim hydrostatischen Expandieren bzw. Stauchen, wobei der behälter eine mehrere Schichten umfassende Wand besitzt, durch die eine innere Bohrung oder Kammer abgegrenzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Stützechicht (3, 3a, gb) des Wandteils des Behälters konzentrisch eine oder mehrere innere Schichten (4, 4a, 4b, 12) umschließt und aus einem Material besteht, das einen erheblich höheren Elastizitätsmodul aufweist als das Material der bzw. Jeder inneren Schicht, wobei die Anordnung derart ist, daß Beanspruchungsänderungen, die von Änderungen des Drucks in dem Behälter herrühren, auf ausreichende Weise durch die Wandschichten verteilt werden, um eine übermäßige Konzentration der DeanepruchungsCnderungen in dem Wandteil zu vermeiden, der an die Bohrung oder Kammer (1) angrenzt.

   2. Hochdruckbehälter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stützschicht (3, 3a, 3b) mehrere sich an radialen Plächen berührende segmentfo'rmige Klötze umfaßt.

   5. Hochdruckbehälter nach Anspruch 1 oder-2, dadurch gekennzeichnet, daß der behälter mit einer allgemein zylindrischen Bohrung oder Kammer versehen ist, daß die oder jede innere Schicht (4, 4i, 12) aus Werkzeugstah, "maraging steel" oder Titan besteht, und daß die bzw. Jede Stützschicht (3, 3b) aus zementiertem Wolframkarbid besteht, wobei mindestens eine äußere Schicht (2, 2b) aus einem relativ zähen Stahl besteht, die bzw.

   Jede Stützschicht (3, 3b) umschließt und einen niedrigeren Elastizitätsmodul besitzt als die bzw. Jede Stützschicht.

   4. Hochdruckbehälter nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gegekennzeichnet, daß die innerste Schicht (4) die Form einer buchse hat und an den Enden des Behälters durch Spannplatten (6) abgestützt wird, die an den Enden des Behälters befestigt sind, 5. Hochdruckbehälter nach Anspruch 4 in Abhängigkeit von Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Schicht (2) gegen die Stützschicht (3) in einem hinreichenden Ausmaß vorgespannt ist, um zu verhindern, daß sioh beim normalen betriebsdruck des Behälters Spalte zwischen den sich berührenden radialen Flächen der segmentförmigen Klötze öffnen, daß die bzw. jede Stützschicht (3) in einem hinreichenden Ausmaß gegen die bzw Jede innere Schicht (4) vorgespannt ist, um mindestens die Buchse (3) von Ringspannungen zu entlasten, und daß jede Spannplatte (6) gegen das zugehörige Ende des Behälters in einem hinrei chenden Ausmaß vorgespannt ist, so daß axial nach außen gerichtete Bewegungen der Buchse (4) gegenüber der bzw. Jeder Stützschicht (3) verhindert werden.

   6. Hochdruckbehälter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der behälter mit einer zylindrischen Bohrung oder Kammer (1) versehen ist und mindestens eine äußere Schicht (2a) umfaßt, welche die bzw. jede Stüzschicht (3a) fest umschlleßt, mindestens ein Gehäuse (10, das die äußere Schlcht (2a) mit einem Spelraunm umschließt, so daß zwischen der äußeren Geplaht und dem Gehäuse ein Ringspalt (11) vorhanden ist, ler mit einem Druckmittel gefüllt werden kann, sowie Spannplatten, die an den Enden des Behälters befestigt werden können, um die innerste Schicht (4a) stirnseitig abzustützen.

   Hochdruckbehälter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die oder jede innere Schicht (4a) aus Titan, Gummi, Kunststoff oder Glas besteht, daß die oder jede Stützschicht (3a) aus Werkzeugstahl hergestellt ist, und daß die äußere Schicht (2a) und das Gehäuse (10) aus einem relativ zähen (ductile) Stahl besteht.

   8. Hochdruckbehälter nach Anspruch 3 in Abhängigkeit von Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwei innere Schichten (4b, 12) vorgesenen sind, wobei die innerste Schicht (4b) von einer ein Fressen verhindernden Schicht (12) umgeben ist, die aus sich an radialen Flächen berührenden segmentförmigen Klötzen besteht, wobei diese Klötze so profiliert sind, daß sie verhindern, daß sich an der innersten Fläche der ein Fressen verhindernden Schicht (12) Spalte zwischen sich an radialen Flächen berührenden Klötzen ätfnen.

   9. Hochdruckbehälter nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die radialen Flächen der Klötze der Stützschicht so profiliert. sind, daß sie bewirken, daß sich ein geregelter Spalt (-13) zwischen Jedem Paar der sich berührenden radialen Flächen der Klötze der Stützschicht öffnen, wenn sich der ehält;er im Betrieb befindet, wobei sich diese Spalte beim maximalen Innendrack des Behälters von dr Innenfläche der Sl@@bzschicht (35) bis zu einer Umfangsllne (14) arstre@ken, die zwinchen der @@@ @@@äche der Stükzachlcht nad der Aunenfläche der Stützschlicht in dem Material der Stützschicht verläuft (Fig. 4).

   10. Hochdruckbehälter nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis zwischen dem Elastizitätsmodul des Materials der Stützschicht (3, 3a, 3b) und dem Elastizitätsmodul des Materials der inneren Schicht (4, 4a, 4b,12) mindestens 1,5 zu 1 beträgt.