Druckbehälter mit Stirnring

Beschreibung

[0001] Ein Tankcontainer mit Stirnring ist aus DE 32 12 696 C2 bekannt. Dort ist ein zu einer Sattelstruktur gehörender Stirnring mit seinen radial äußeren und inneren Kanten an den von der Krempenzone umgebenen Teil des Tankbodens angeschweißt. Die Hauptaufgabe des dort beschriebenen Sattelrings besteht darin, auftretende statische und dynamische Transportlasten möglichst spannungsarm zwischen Tank und Rahmen zu übertragen.

[0002] Aus DE 29 705 851 U1 ist ein weiterer Tankcontainer bekannt, der mit einem Winkelsattelring arbeitet, dessen nach außen weisender Radialflansch sowohl mit den Querholmen als auch mit den Eckstützen des Stirnrahmens verschweißt werden kann. Der vom Axialflansch gebildete Zylinder ist an seinem tankseitigen Ende an den jeweils radial innen oder außen liegenden Kanten mit dem Behälterboden verschweißt. Auch dort hat der Ring die Aufgabe, statische und dynamische Lasten zwischen Behälter und Containerrahmen zu übertragen.

[0003] Im Behälter- und Apparatebau dienen Tankböden dazu, zylindrische Tankkörper an den Enden zu Druckbehältern zu verschließen oder diese zylindrischen Tankkörper in Kammern zu unterteilen. Die verwendeten Tankböden sollen bei einer verfügbaren Behälterlänge möglichst druckfest sein und eine gute Raumausnutzung bieten. Besonders druckfest sind Halbkugelböden, die allerdings wegen ihrer schlechten Raumausnutzung wenig verbreitet sind.

[0004] Üblich sind rotationssymmetrische Böden mit unterschiedlich gekrümmten dreidimensionalen Flächen. Insbesondere sind Böden mit torisphärischen oder elliptischen Oberflächen für Druckbehälter geeignet. Bei den torisphärischen Böden finden insbesondere Klöpper- oder Korbbogenböden Verwendung. Bei den elliptischen Böden ist ein Halbachsenverhältnis von 2:1 am weitesten verbreitet.

[0005] Alle diese Böden werden von einer Fläche gebildet, die, von einem senkrecht zur Tankachse angeordneten schwach gekrümmten Bereich ausgehend, in ihrer Randzone stärker gekrümmt in den zylindrischen Mantel des Behälter übergeht. Dabei können zwei Krümmungsradien tangential ineinander übergehen (torisphärische Böden), oder der Krümmungsradius kann sich einer Ellipse folgend von der Behältermitte ausgehend nach außen hin verjüngen (elliptische Böden).

[0006] Die Wandstärken von Druckbehältern und damit auch die der Böden sind in der Regel vom Innendruck des Behälters abhängig. Die Bestimmung der Wandstärken erfolgt nach Berechnungsvorschriften, die in nationalen Druckbehälterregelwerken enthalten sind (z.B. AD Merkblätter, ASME, CODAP, British Standard 5500). Im Prinzip werden bei all diesen Vorschriften Spannungen im Bauteil ermittelt, denen dann eine bestimmte Mindestwanddicke in Abhängigkeit von der Festigkeit des eingesetzten Tankwerkstoffes zugeordnet wird.

[0007] Insbesondere in Behälterböden gibt es bei Innendruckbeanspruchung keinen gleichförmigen Spannungszustand. Während die Spannungen im mittleren schwachgekrümmten Bereich relativ niedrig sind, wachsen sie im Bereich der Randzone stark an, um dann wieder auf das niedrigere Niveau des zylindrischen Teils abzusinken. Da Behälterböden normalerweise bis zu Abmessungen von drei Metern Durchmesser aus einem Blech oder mehreren gleich starken Blechen gefertigt werden, bestimmen die hohen Spannungen in der Randzone die Mindestwanddicke des gesamten Bodens.

[0008] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Maximalspannungen im Randzonenbereich des Bodens so herabzusetzen, daß ein erfindungsgemäßer Boden bei gleicher Wandstärke höhere Drücke oder bei verringerter Wandstärke gleich hohe Drücke wie herkömmlich hergestellte Böden erträgt.

[0009] Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist in den unabhängigen Ansprüchen 1-3 beschrieben. Die Bodenanordnung umfaßt einen Boden und einen Ring, der im Bereich der maximalen Meridianspannungen, die durch einen konkavseitigen Überdruck (Behälterinnendruck) in der Bodenwand entstehen, mit dem Behälterboden verschweißt ist. Der Ring verringert die für die Bestimmung der Mindestwanddicke maßgebliche Meridianspannung so sehr, daß das für die Herstellung des Bodens verwendete Ausgangsmaterial wesentlich dünner sein kann und so erhebliche Gewichts- und Materialkostenvorteile entstehen, die trotz des zusätzlichen Anbringen des Ringes überwiegen. Insbesondere dann, wenn der Ring aus einem unedleren Metall als der Boden selbst besteht.

[0010] Die oben genannte Meridianspannung bezeichnet eine Zugspannung an der konkaven Fläche des Bodens, sie verläuft tangential zur Oberfläche des Bodens und schräg radial zur Tankachse. Ihr maximaler Betrag ist maßgeblich für die Auslegung eines Behälterbodens.

[0011] Die folgende Tabelle gibt für die am weitesten verbreiteten Bodenformen die optimalen Durchmesserbereiche in Abhängigkeit vom Außendurchmesser Da des Behälters:

Bodenform	optimaler Durchmesser Dr
Klöpperform	0,92 - 0,95 Da
Korbbogenform	0,86 - 0,90 Da
elliptische Form (A:a = 2:1)	0,86 - 0,90 Da

[0012] Eine Ausführung des Ringes in zylindrischer Form ist besonders vorteilhaft, da der so gebildete Ring entweder zwischen zwei Böden von koaxialen Behältern angebracht ist und so eine weitere Kammer gemäß Anspruch 5 bildet, oder daß er als Sattelelement nach Anspruch 6 und 7 dienen kann.

[0013] Eine kegelstumpfförmige Ausführung des Ringes nach Anspruch 4 kann bei der Verwendung des Bodens als Zwischenboden vorteilhaft sein, sie ist aber auch als Sattelelement vorteilhaft, zum Beispiel bei der Montage kleiner Behälter in relativ große Rahmen.

[0014] Nach Anspruch 9 braucht der Stirnring kein geschlossener Ring zu sein; die Erfindung ist auch dann anwendbar, wenn der Stirnring abschnittsweise unterbrochen oder nach Anspruch 8 aus einzelnen Segmenten zusammengesetzt ist. Im unteren Bereich ist bei horizontal angeordneten Behältern eine Unterbrechung wegen der hier vorgesehenen Armaturen häufig zweckmäßig. In diesen Bereichen müssen allerdings dann freie Randzonen des Bodens auf andere Art und Weise verstärkt werden (Aufdoppelungen, besonders verstärkte Ausschnitte).

[0015] Der Anspruch 10 bezieht sich insbesondere auf Ausführungsformen der,Ringe, bei denen neben der Verstärkungs- und Sattelfunktion weitere konstruktive Anforderungen bestehen, wie z.B. Isolierung eines Tanks gegen seinen Rahmen, elastische Aufhängung eines Tanks im Rahmen.

[0016] Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend anhand der Zeichnungen näher erläutert.

[0017] Darin zeigt:

Figur 1

den aufgebrochenen Ausschnitt eines Druckbehälters in einer Seitenansicht;

Figur 2

die flächendefinierende Kontur eines torisphärischen Bodens.

Figur 3

die flächendefinierende Kontur eines elliptischen Bodens.

Figur 4

eine Gestaltungsmöglichkeit für einen mehrkammerigen Druckbehälter;

Figur 5 und 6

verschiedene Gestaltungsformen des Stirnrings, wenn dieser aus einem Winkelprofil besteht;

[0018] Nach Fig. 1 besteht der Druckbehälter 10 mit dem Außendurchmesser Da aus einem zylindrischen Mantel 13 und zwei gegenüberliegenden Endböden 12, die jeweils mit einem Ring 11 mit einem mittleren Durchmesser D_r im Bereich der maximalen Meridianspannung an den äußeren und inneren Kanten 14a, 14b des Ringes 11 verschweißt sind.

[0019] Aus Fig. 2 ist die Definition von torisphärischen Bodenflächen 20, 21 ersichtlich. Die konvexe (äußere) 20 und die konkave (innere) 21 Oberfläche des Bodens wird durch die Rotation der Bodenkontur um die Behälterachse 30 beschrieben. Den Abstand der beiden Flächen zueinander bestimmt die Wandstärke S des Bodens.

[0020] Die Bodenkontur setzt sich aus drei unterschiedlich gekrümmten Bereichen zusammen: nämlich dem die Bodenkalotte definierenden Bereich 22 mit dem Kalottenradius R, dem die Bodenkrempe bildenden Bereich 23 mit dem Krempenradius r und dem den zylindrischen Bord des Bodens bildende Bereich 24.

[0021] Die Krümmungsradien der unterschiedlichen Bereiche sind bei Klöpper- und Korbbogenböden in Abhängigkeit vom Außendurchmesser Da des zylindrischen Teils des Druckbehälters nach folgender Tabelle definiert:

Maßverhältnisse typischer torisphärischer Böden
Radien	Klöpperform	Korbbogenform
R (Kalotte)	Da	0,8 Da
r (Krempe)	0,1 Da	0,154 Da

[0022] Aus Fig. 3 ist die Definition einer elliptischen Bodenfläche ersichtlich. Die konvexe Außenfläche 20 und die konkave Innenfläche 21 des Bodens 12 wird ebenfalls durch eine Rotation der Kontur um die Behälterachse 30 definiert. Die Bodenkontur eines elliptischen Bodens setzt sich zusammen aus einem elliptischen Teil 25, der den dreidimensional gekrümmten Bereich des Bodens beschreibt, und einem Bereich 24, der wie beim torisphärischen Boden den zylindrischen Bord beschreibt. Der Abstand der beiden Bodenflächen zueinander ist durch die Wandstärke S definiert.

[0023] Bei einer bevorzugten Ausführungsform des elliptischen Bodens stehen die beiden Halbachsen A und a in einem Verhältnis von 2:1 zueinander.

[0024] Nach Fig. 4 bildet der Ring 11 einen weiteren Druckraum 40, der zwischen zwei Druckbehältern 10 angeordnet ist. Dabei liegt der Ring 11 zwischen den beiden Behälterendböden 12 und ist mit diesen im Bereich ihrer maximalen Meridianspannungen an seinen inneren und äußeren Kanten 14a und 14b verschweißt.

[0025] Nach Fig. 5 bildet den verstärkenden Stirnring ein L-förmiger Ring 11', der mit dem Boden 12 verschweißt ist. Der Ring 11' besteht aus einem Schenkel 17, der einen zur Tankachse parallel verlaufenden Zylinder bildet, und einem Schenkel 18', der dazu senkrecht radial nach innen weist.

[0026] Nach Fig. 6 weist der Radialflansch 18" des Ringes 11" nach außen.

Ansprüche

1. Druckbehälter (10), der einen zylindrischen Mantel (13) mit dem Außendurchmesser D_a aufweist und an einem Ende mit einem torisphärischen Klöpperboden (12) verschlossen ist, an dessen konvexer Fläche (20) ein zur Tanklängsachse (30) konzentrisch angeordneter Ring (11) angeschweißt ist, dadurch gekennzeichnet, daß
   der Ring (11) an seinem Anschweißende einen mittleren Durchmesser (D_r) von 0,92 bis 0,95 x D_a hat und im Bereich der durch einen konkavseitigen Überdruck an der Behälterinnenwand (21) entstehenden maximalen Meridianspannungen mit dem Behälterboden (12) verbunden ist.

2. Druckbehälter (10), der einen zylindrischen Mantel (13) mit dem Außendurchmesser D_a aufweist und an einem Ende mit einem torisphärischen Korbbogenboden (12) verschlossen ist, an dessen konvexer Fläche (20) ein zur Tanklängsachse (30) konzentrisch angeordneter Ring (11) angeschweißt ist, dadurch gekennzeichnet, daß
   der Ring (11) an seinem Anschweißende einen mittleren Durchmesser (Dr) von 0,86 bis 0,90 x Da hat und im Bereich der durch einen konkavseitigen Überdruck an der Behälterinnenwand (21) entstehenden maximalen Meridianspannungen mit dem Behälterboden (12) verbunden ist.

3. Druckbehälter (10), der einen zylindrischen Mantel (13) mit dem Außendurchmesser D_a aufweist und an einem Ende mit einem elliptischen Boden (12) mit einem Halbachsenverhältnis von 2:1 (A:a) verschlossen ist, an dessen konvexer Fläche (20) ein zur Tanklängsachse (30) konzentrisch angeordneter Ring (11) angeschweißt ist, dadurch gekennzeichnet, daß
   der Ring (11) an seinem Anschweißende einen mittleren Durchmesser (Dr) von 0,86 bis 0,90 x Da hat und im Bereich der durch einen konkavseitigen Überdruck an der Behälterinnenwand (21) entstehenden maximalen Meridianspannungen mit dem Behälterboden (12) verbunden ist.

4. Druckbehälter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Ring (11) als Kegelstumpfmantel ausgebildet ist , dessen kleinere Öffnung mit dem Boden verschweißt ist.

5. Druckbehälter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Ring (11) als Zylinder ausgebildet ist und zwischen den konvexen Seiten zweier Böden (12) angeordnet ist und so eine druckfeste Kammer (40) zwischen zwei koaxialen Druckbehältern (10) bildet.

6. Druckbehälter (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Ring (11) als Sattelelement zur horizontalen oder vertikalen Montage des Behälters dient.

7. Druckbehälter (10) nach Anspruch 6, wobei der Ring (11) ein Element der Stirnringsattelung eines Tankcontainers darstellt.

8. Druckbehälter (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Ring (11) aus einem oder mehreren Segmenten besteht.

9. Druckbehälter (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der Ring (11) abschnittsweise von in der Bodenrandzone angeordneten Ein- oder Anbauten unterbrochen sein kann.

10. Druckbehälter(10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3 und 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Ring (11', 11") einen L-förmigen Querschnitt aufweist, wobei ein Schenkel (17) parallel und konzentrisch zur Tankachse, einen Zylinder bildend, verläuft und der andere Schenkel (18', 18") an dem vom Boden (12) entfernten Rand des Zylinders ansetzt und radial dazu verläuft.

Claims

1. A pressure vessel comprising a cylindrical shell (13) with an outer diameter D_a, and being closed at one end with a torispherical Klöpper-type dished end (12), wherein a ring (11), arranged concentrically about the longitudinal axis of the tank, is welded to the convex surface (20) of the dished end (12), characterized in that the mean diameter (D_r) of the ring (11) at its welding end is between 0,92 and 0,95xD_a and that the ring is connected to the dished end (12) in the area of the maximum meridian tension caused by a positive pressure at the concave inner wall of the vessel.

2. A pressure vessel comprising a cylindrical shell (13) with an outer diameter D_a, and being closed at one end with a torispherical Korbbogen-type dished end (12), wherein a ring (11), arranged concentrically about the longitudinal axis of the tank, is welded to the convex surface (20) of the dished end (12), characterized in that the mean diameter (D_r) of the ring (11) at its welding end is between 0,86 and 0,90xD_a and that the ring is connected to the dished end (12) in the area of the maximum meridian tension caused by a positive pressure at the concave inner wall of the vessel.

3. A pressure vessel comprising a cylindrical shell (13) with an outer diameter D_a and being closed at one end with an ellipsoidal dished end (12) with a ratio of 2:1 (A:a) between the large and the small axis of the ellipses, wherein a ring (11), arranged concentrically about the longitudinal axis of the tank, is welded to the convex surface (20) of the dished end (12), characterized in that the mean diameter (Dr) of the ring (11) at its welding end is between 0,86 and 0,90 x D_a and that the ring is connected to the dished end (12) in the area of the maximum meridian tension caused by a positive pressure at the concave inner wall of the vessel.

4. A pressure vessel according to one of claims 1-3, wherein the ring (11) is formed as a frustum shaped shell, with its smaller opening welded to the dished end.

5. Pressure vessel according to one of claims 1-3, wherein the ring (11) is formed as a cylinder arranged between the convex faces of two dished ends (12) and thereby forms a pressure proof chamber (40) between two co-axially arranged pressure vessels (10).

6. Pressure vessel according to one of claims 1-4, wherein the ring (11) is arranged as a saddle element for a horizontal or vertical arrangement of the vessel.

7. Pressure vessel (10) according to claim 6, wherein the ring (11) represents an element of the head-ring saddle arrangement of a tank container.

8. Pressure vessel (10) according to one of claims 1-7, wherein the ring (11) consists of one or more segments.

9. Pressure vessel (10) according to one of claims 1-8, wherein the ring (11) is arranged to be interrupted in sections by attachments or fittings arranged in the edge zone of the dished ends.

10. Pressure vessel (10) according to one of claims 1-3 and 6-9, characterised in that the ring (11', 11") has an L-shaped cross section, wherein one leg extends in parallel and concentrically to the tank axis forming a cylinder, and the other leg (18', 18") extends radially away from that edge of the cylinder which faces away from the dished end (12).

Revendications

1. Récipient sous pression (10), qui présente une enveloppe (13) cylindrique avec le diamètre extérieur Da et est fermé sur une extrémité avec un fond bombé (12) torisphérique, sur la surface (20) convexe duquel est soudée une bague (11) disposée de façon concentrique par rapport à l'axe longitudinal du réservoir (30), caractérisé en ce que
   la bague (11) a sur son extrémité soudée un diamètre (Dr) moyen de 0,92 à 0,95 D_a et est reliée au fond du récipient (12) dans la zone des tensions méridiennes maximales qui se forment en raison d'une surpression coté concave sur la paroi interne du récipient (21).

2. Récipient sous pression (10), qui présente une enveloppe (13) cylindrique avec le diamètre extérieur Da et est fermé sur une extrémité avec un fond torisphérique en anse de panier (12), sur la surface (20) convexe duquel est soudée une bague (11) disposée de façon concentrique par rapport à l'axe longitudinal du réservoir (30), caractérisé en ce que
   la bague (11) a sur son extrémité soudée un diamètre (Dr) moyen de 0,86 à 0,90 Da et est reliée au fond du récipient (12) dans la zone des tensions méridiennes maximales qui se forment en raison d'une surpression coté concave sur la paroi interne du récipient (21).

3. Récipient sous pression (10), qui présente une enveloppe (13) cylindrique avec le diamètre extérieur Da et est fermé sur une extrémité avec un fond elliptique (12) avec un rapport de demi-axes de 2/1 (A:a), sur la surface (20) convexe duquel est soudée une bague (11) disposée de façon concentrique par rapport à l'axe longitudinal du réservoir (30), caractérisé en ce que
   la bague (11) a sur son extrémité soudée un diamètre (Dr) moyen de 0,86 à 0,90 Da et est reliée au fond du récipient (12) dans la zone des tensions méridiennes maximales qui se forment en raison d'une surpression coté concave sur la paroi interne du récipient (21).

4. Récipient sous pression selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, la bague (11) étant conçue comme une enveloppe de cône tronqué, dont l'ouverture plus petite est soudée au fond.

5. Récipient sous pression selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, la bague (11) étant conçue comme un cylindre et étant disposée entre les cotés convexes de deux fonds (12) et formant ainsi une chambre (40) résistante à la pression (40) entre deux récipients sous pression (10) coaxiaux.

6. Récipient sous pression (10) selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, la bague (11) servant d'élément de bride pour le montage horizontal ou vertical du récipient.

7. Récipient selon la revendication (10) selon la revendication 6, la bague (11) représentant un élément de la fixation par bague frontale d'un conteneur-citerne.

8. Récipient selon la revendication (10) selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, la bague (11) comprenant un ou plusieurs segments.

9. Récipient selon la revendication (10) selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, la bague (11) pouvant être interrompue par endroits par des parties incorporées ou rapportées disposées dans la zone périphérique de fond.

10. Récipient sous pression (10) selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 et 6 à 9, caractérisé en ce que la bague (11', 11") présente une section en L, une branche (17) étant agencée de façon parallèle et concentrique par rapport à l'axe du réservoir, en formant un cylindre, et l'autre branche (18', 18") étant placée sur le bord, éloignée du fond (12), du cylindre et étant agencée de façon radiale par rapport à celui-ci.

Zeichnung