DE2223852B2

DE2223852B2 - Druckgefäß zum Aufnehmen von Fluiden

Info

Publication number: DE2223852B2
Application number: DE2223852A
Authority: DE
Inventors: Paul Franklin Duvall; Ralph Francis Foral; William Donald Humphrey; Thomas Edward Timberlake
Original assignee: Brunswick Corp
Current assignee: Brunswick Corp
Priority date: 1971-05-17
Filing date: 1972-05-16
Publication date: 1975-11-06
Also published as: FR2137976B1; JPS545123B1; FR2137976A1; GB1379160A; US3815773A; CA992012A; DE2223852A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Druckgefäß zum Aufnehmen von Fluiden, mit einer Innenwand aus Metall, die wenigstens einen gewölbten Endabschnitt aufweist, welcher mit einer Metallkappe verbunden ist, und mit einer faserbewehrten, die Innenwand umgebenden und mit dieser verbundenen Kunststoffaußenwand.

Bei einem bekannten Druckgefäß dieser Art (GB-PS 59 972) stehen die Außen- und die Innenwand über ihre gesamten, benachbarten Oberflächen bis unmittelbar zur Metallkappe hin in direkter Verbindung. Da das Material der Außenwand eine wesentlich höhere Streckgrenze als dasjenige der Innenwand aufweist, wird bei einer Belastung der Außenwand bis in die Nähe ihrer Streckgrenze die Innenwand plastisch überdehnt. Wird der Druck im Inneren des Druckgefäßes dann aufgehoben, wirft die Innenwand Falten. Diese Falten treten in erster Linie im Bereich des Überganges von der Metallkappe zum gewölbten Endabschnitt auf. Der Grund hierfür liegt darin, daß an dieser Übergangsstelle Kerbspannungen unvermeidlich sind.

Die US-PS 3137 405 schlägt eine Lösung dieses Problems vor. Diese besteht darin, zwischen den Außen- und der Innenwand einen durch Distanzhalter gesicherten Zwischenraum zu belassen und diesen Zwischenraum gleichzeitig mit dem Füllen des Druckgefäßes mit einem gasförmigen Druckmittel auszufüllen. Beim Entleeren des Druckgefäßes muß auch der Zwischenraum druckfrei gemacht werden. Dieses bekannte Druckgefäß ist aufwendig in Herstellung und Betrieb.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Druckgefäß der eingangs beschriebenen Gattung so

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auszugestalten, daß eine Faltenbildung im Bereich des Überganges zwischen Metallkappe und Endabschnitt auf einfache Weise vermieden wird.

Diese Aufgabe wird erfir.dungsgemäß dadurch gelöst, daß eine sich von der Metallkappe bis über den Verbindungsbereich zwischen Metallkappe und Endabschnitt erstreckende, elastische Zwischenschicht vorgesehen ist, die einerseits mit der Metallkappe bzw. dem Endabschnitt und andererseits mit der Außenwand fest verbunden ist

Wie sich in der Praxis gezeigt hat, baut eine den Verbindungsbereich zwischen Metallkappe und Endabschnitt überdeckende und fest mit der Außen- und der Innenwand verbundene, elastische Zwischenschicht die Kerbspannungen im Verbindungsbereich ab. Offensichtlich werden auf diese Weise die Belastungen gleichmäßig auf dem gesamten Endabschnitt bzw. die Metallkappe verteilt, so daß eventuelle plastische Deformationen nicht zu einem Faltenwurf führen. Die elastische Zwischenschicht ermöglicht es der Außenwand auch, sich nach der elastischen Dehnung stärker zusammenzuziehen als die Innenwand. Die sich zusammenziehende Außenwand nimmt in diesem Fall also den Übergangsbereich zwischen Metallkappe und gewölbtem Endabschnitt nicht wieder ganz zurück in die Ausgangslage. was ebenfalls zu einer Vermeidung der Faltenbildung beiträgt. Dieses Ergebnis wird mit äußerst einfachen Mitteln erreicht, ohne daß zusätzlich Druckkammern zu füllen und zu entleer»·- wären.

Ein besonders einfacher Aufbau ergibt sich, wenn die Zwischenschicht einheitlich aus einem elastomeren oder kautschukartigen polymeren Werkstoff besteht.

Vorteilhafterweise ist vorgesehen, daß die Zwischenschicht aus einer ersten, mit der Außenwand verbundenen Schicht aus einem elastomeren oder kautschukartigen polymeren Werkstoff und aus einer mit der ersten Schicht und der Metallkappe bzw. dem Endabschnitt fest verbundenen zweiten Schicht besteht, die als Lastverteilungsschicht ausgebildet ist. Letztere kann aus kun«lstoffgebundenen Fasern oder Fäden aus Glas, Metall, Kohlenstoff. Graphit, Bor oder Kunststoff bestehen. Diese Lastverteilungsschicht gewährleistet ein»? besonders gleichmäßige und zuverlässige Verteilung der Beanspruchung auf den durch Kerbspannungen gefährdeten Bereich und trägt damit zur Verhinderung von Faltenbildungen bei.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 einen Längsschnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Druckgefäßes,

F i g. 2 einen Teillängsschnitt in im Vergleich zu F i g. 1 vergrößerten Maßstab,

F i g. 3 eine der F i g. 2 entsprechende Darstellung bei unter Druck stehendem Gefäß,

F i g. 4 einen Querschnitt durch ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Druckgefäßes,

F i g. 5 einen Längsschnitt durch ein Druckgefäß gemäß dem Stande der Technik,

F i g. 6 einen Teillängsschnitt des Gefäßes nach F i g. 5 in gt genüber F i g. 5 vergrößertem Maßstab und

F i g. 7 einen Teillängsschnitt einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Druckgefäßes.

Ein erfindungsgemäßes Druckgefäß hat im allgemeinen eine zylindrische Form, wie in F i g. 1 dargestellt, oder eine Kugelfonn, wie in Fig.4 gezeigt Ein Druckgefäß 1 weist eine Innenwand 3 aus Metall auf,die bei dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 1 und 2 einen

Abschnitt 4 und gewölbte Endabschnitte 5 rS Sngewölbte" Abschnitten 5 fest, dere einteilig, verbunden sind die Gefäßpole ^S% Metallkappen 2 mit nach außen vorspringen-29Mindestens eine Kapoe 2 weist eine wodurch ein Zugang zum Innenraum geschaffen wird. Innerhalb der Einrichtungen (z. B. ein Schrauben-SS i Befestigung anderer der Punkt mit der höchsten Kerbspannungsbelastung ist. Die Lastverteilungsschich: 6 setzt die Spannung^ konzentrationen bei TA herab und verteilt die Belastung über einen größeren Teil der WölDung bei 5.

In erster Linie obliegt der Spannungsabbau greine, elastischen Zwischenschicht 8 aus einem elastomer oder einem kautschukartigen Polymerisat aus** Chlorbutylkautschuk, SBR. Neopren. Siliconkautschuk, Polyvinylchlorid. Po!yvinylalkohol. Die Zw«*enKtad«

««er

S. Typ 321, einem rostfreien Stahl charakterisiert. Fürkryogene
^rJnium. Aluminiumlegierungen, :₅ die Zwischenschicht aus einem

Verbindung*,* zwischen den, Drucke, Sie kann

έ:

S Verbindungsabschnitt TA zwischen dem gewölbten Sabschnitt und der Metallkappe 2, erstreckt s.h -«Inch nicht bis zur Verbindungsstelle 5A. Die SvertdSgsschicht 6 kann z. B. aus den folgenden W ks offen bestehen: Fäden oder Fasern aus Glas, ll. Kohlenstoff, Graphit, Bor Kunststoffen. Sie in Form eines Gespinstes oder eines Gewebes ^Gespinst oL· Gewebe kann mit Harzen,

°^{n m}^"_schicnt ^P _en verwendet werden. In

^^^_ε^^Verbindungsstelle 5Λ können Giertdem bereicn Q^er & _geringen Reibung

ebenen oder Ebenen J² ^^_oI|_er ^_sgewähHen zwischen,cm er oder ^ _werden, _um eine

_{der inn}eren und äußeren Sch.ch_d Kontraktion des Unterdrucksetzung

Te, 4 mit

kann eine hfhere Bruchdehnung aufweisen als das Beibehaltung

Streckgrenze überschreitet. Wenn dieser Druck wegge- ^_ft ""/„^ _Endabschnitt 5 und die Lastverte.lungs-

„om^Cme^gn wird, kehrt die .nnenwand nicht zu ihrer ^f^^ durch die Zwischenschicht 8 a-

ursDriinelichen Gestalt zurück. α„f Hiprp Weise wird eine ausreichende Stutzkrait am X Metallinnenwand ist von einer '""AeWeJ"?- *> ^'SbTe_n Endabschniue 5Λ ausgeübt » daß auch

Außen*-nd. z.B. aus mil Harz ,mpragnierten Glasla j'_nf_kein Bruch, keine Ausbeulung und keine

*ern. umhüll, Liegen Außen- und Ι₌·-^^* ^d _FX„_bS„_g ,„ftri... wenn das Inn.nw.ndn»«™.

i^32£SÄ » ^iSKEESST b,

,oder das Gewebe,

eines Gespinstes oder eines Gewebes vorliegen. Die Schichten 11 können mit dem gleichen oder einem ähnlichen Harzmaterial wie die Lastverteilungsschicht 6 imprägniert werden, so daß beide praktisch die gleichen oder kompatible physikalische Eigenschaften, z. B. Streckgrenzen, haben.

Bei der Ausführungsform der Erfindung nach F i g. 7 ist die Lastverteilungsschicht 6 weggelassen. Die bei diesem Ausführungsbeispiel vorgesehene Metallkappe 52 ist durch eine präzise Maschinenbearbeitung sehr sorgfältig und allmählich verjüngt, so daß sie genau mit dem gewölbten Endabschnitt 55 zusammenpaßt. Dadurch ist die Kerbspannungsbelastung soweit gemindert, daß eine den gewölbten Endabschnitt 55 verstärkende Last Verteilungsschicht nicht erforderlich ist. Die Zwischenschicht 58 ist direkt mit dem gewölbten Endabschnitt 55 und der Außenwand 50 verbunden.

Die Zwischenschicht 8 bzw. 58 erstreckt sich nicht über die gesamte Gefäßhöhe; sie muß vielmehr zwischen den gewölbten Endabschnitten 5 bzw. 55 unterbrochen sein.

Als Imprägnierharze für die Lastverteilungsschichtfäden und/oder -gewebe und für die Außenwandschichtfäden und/oder -gewebe können die verschiedensten Materialien verwendet werden, wie z. B. Epoxyde, Polyamide, Polyimide. Polyester, Polyolefine, Silicone, Polyurethane und Kombinationen davon. Die zum Verbinden der jeweiligen Teile des Druckgefäßes verwendeten Klebstoffe können aus den gleichen Materialien bestehen.

Nachdem vorstehend der Aufbau des Druckgefäßes beschrieben wurde, soll nachfolgend seine Herstellung erläutert werden.

Bevorzugt wird die Innenwand aus drei vorgefertigten Teilen zusammengesetzt, nämlich zwei gewölbten Abschnitten und einem zylindrischen Zentralabschnitt. Die folgenden Schritte erläutern ein Verfahren zur Herstellung des Druckgefäßes:

a) Die Metallkappen werden durch Schweißen oder auf andere Art und Weise an den gewölbten Abschnitten befestigt;

b) die gewölbten Abschnitte werden dann wiederum durch Schweißen oder auf andere Art und Weise an dem Zentralabschnitt befestigt unter Bildung einer einheitlichen dünnen Metallinnenwand;

c) die Metallinnenwand wird dann einer vollständigen Reinigung unterzogen und gleichzeitig wird eine glatte, halbpolierte äußere Oberfläche erzeugt;

d) die Innenwand wird mit Gasen und Flüssigkeiten sowohl innerhalb als auch außerhalb einer Vakuumkammer unter Druck getestet;

e) die äußere Oberfläche der Innenwand wird mit einer Grundierversiegelung, beispielsweise aus modifizierten Epoxyden, Polyamiden, Polyimiden, Polyestern, Polyolefinen, Siliconen und Polyurethanen, überzogen; dann wird die Versiegelungsschicht in einem Ofen etwa IV2 Stunden lang bei etwa 160°C(320° F) gehärtet;

0 die äußere Oberfläche wird mit einem Harzklebestoff der Stufe A in einem Ofen bei etwa 66⁰C (150⁰F) etwa 1 bis etwa 2 Stunden lang überzogen, um die flüchtigen Materialien auszutreiben, wobei gleichzeitig eine Vernetzung des Harzes praktisch verhindert wird;

g) die gewölbten Abschnitte werden mit einem Harzüberzug versehen und die Lastverteilungsschichten, die mit dem gleichen Harz imprägniert sind, werden auf die gewölbten Teile gelegt (zu diesem Zeitpunkt kann die gesamte äußere Oberfläche der Innenwand gewünschtenfalls mit einem Harz beschichtet werden);
h) die Innenwand mit den gewölbten Lastverteilungsschichten wird unter Verwendung von Heizlampenbatterien etwa 16 Stunden lang bei etwa 57° C (135° F) in die ß-Stufe überführt;
i) die gewölbten Lastverteilungsschichten werden mit einem Klebeharzüberzug versehen und die elastomere Zwischenschicht wird über die gewölbten Lastverteilungsschichten gelegt;
j) die gesamte äußere Oberfläche der Innenwand und der Zwischenschicht werden mit einem Harz beschichtet und anschließend mit einer ersten Umwicklung aus einem mit Harz imprägnierten Gespinst versehen. Das Gespinst wird sowohl longitudinal als auch um den Umfang gewickelt. Alternativ kann der erste Überzug ein mit Harz imprägniertes Gewebe sein und die folgenden Überzüge können ebenfalls aus einem mit Harz imprägnierten Gewebe bestehen. Diese Verfahren sind an sich bekannt (vgl. z. B. die US-Patentschrift 35 08 677, in der ein derartiges Verfahren beschrieben ist);

k) der Gesamtaufbau wird in einen Ofen gebracht, in die B-Stufe überführt, dann bei einer Temperatur von etwa 143 bis etwa 163° C (290 bis 325" F) etwa 15 bis 18 Stunden lang im Ofen gehärtet;
1) für große Kessel wird, wenn die Innenwand zum Tragen von schweren Umwicklungen zu schwach ist, das Druckgefäß zuerst unter Druck gesetzt und dann die restlichen, mit Harz imprägnierten Schichten auf die Innenwand aufgebracht. Die Anzahl und Dicke der Schichten bestimmt sich nach der gewünschten Endform;
m) die Gleitebenen oder Reibungsebenen werden zwischen den gewünschten Schichten während der Fadenaufwicklung aufgelegt (in einigen Fällen ist es erwünscht, sie in die B-Stufe zu überführen und progressiv zu härten, wenn die Außenwandschichten zugegeben werden, wobei es erforderlich ist. daß der Aufbau etwa 15 bis etwa 18 Stunden lang in einen Ofen einer Temperatur von etwa 143 bis etwa 163°C (290 bis 325° F) gebracht wird, um das gewünschte Ergebnis zu erzielen);
n) nach Fertigstellung des Druckgefäßes wird es schließlich in die B-Stufe überführt und in einem Ofen etwa 18 Stunden lang bei etwa 157° C (315° F gehärtet.

Bei bestimmten Ausführungsformen der Erfindung kann eine Zwischenschicht mit niedriger Reibung, wi( z.B. aus Polytetrafluorethylen, die Elastomer- odei Kautschukpolymerisat-Zwischenschicht der Stufe (1 ersetzen. Es ist jedoch nicht erforderlich, die PTFE-Zwi selenschicht mit der Lastverteilungsschicht zu verbin den.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche: 22

1. Druckgefäß zum Aufnehmen von Fluiden, mit einer Innenwand aus Metall, die wenigstens einen gewölbten Endabschnitt aufweist, welcher mit einer metallkappe verbunden ist, und mit einer faserbewehrten, die Innenwand umgebenden und mit dieser verbundenen Kunststoffaußenwand, dadurch gekennzeichnet, daß eine sich von der Metallkappe (30 bzw. 31) bis über den Verbindungsbereich {7A) zwischen Metallkappe und Endabschnitt (5) erstreckende, elastische Zwischenschicht (8, 6; 58) vorgesehen ist, die einerseits mit der Metallkappe bzw. dem Endabschnitt und andererseits mit der Außenwand (10) fest verbunden ist.

2. Druckgefäß nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschicht (58) einheitlich aus einem e]astomeren oder kautschukartigen polymeren Werkstoff besteht.

3. Druckgefäß nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschicht (8, 6) aus einer ersten, mit der Außenwand (10) verbundenen Schicht (8) aus einem elastomeren oder kautschukartigen polymeren Werkstoff und aus einer mit der ersten Schicht und der Metallkappe (29) bzw. dem Endabschnitt (5) fest verbundenen zweiten Schicht (6) besteht, die als Lastverteilungsschicht ausgebildet ist.

4. Druckgefäß nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Lastverteilungsschicht (6) aus kunststoffgebundenen Fasern oder Fäden aus Glas, Metall, Kohlenstoff, Graphit, Bor oder Kunststoff besteht.

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