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DE10313146B4 - Verfahren zur Herstellung eines Druckbehälters zur Speicherung von gasförmigen Medien unter Druck und Druckbehälter - Google Patents

Verfahren zur Herstellung eines Druckbehälters zur Speicherung von gasförmigen Medien unter Druck und Druckbehälter Download PDF

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DE10313146B4
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Andreas Dr. Liessem
Hans-Jürgen Fischer
Gerhard Dr. Knauf
Gerd Junker
Ulrich Dr. Marewski
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Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Druckbehälters zur Speicherung von gasförmigen Medien unter Druck, bestehend aus einem längsnahtgeschweißten Rohr, das an beiden Enden geschlossen ist und mindestens an einem Ende eine Öffnung zum Befüllen und Entleeren aufweist, mit den Schritten
– Herstellung eines längsnahtgeschweißten Rohres mit geringen Abweichungen hinsichtlich Durchmesser und Ovalität nach dem UOE-Verfahren
– mechanische Bearbeitung mindestens der Innenseite der Längsschweißnaht
– Anarbeitung von Schweißkanten an beiden offenen Enden
– Herstellung domartiger Kümpelteile mit einem zylindrischen Abschnitt ausgehend von einem warmgewalzten Blech
– Anarbeitung der Schweißkante am zylindrischen Abschnitt des Kümpelteiles
– Anbringung einer Öffnung in einem Kümpelteil
– Verbindung mittels Schweißen eines Kümpelteils mit dem Rohr unter Verwendung einer Innenzentriervorrichtung
– Herausziehen der Innenzentriervorrichtung
– Verbindung über Schweißen des zweiten Kümpelteils mit dem noch offenen Ende des Rohres ohne Zentriervorrichtung unter starker Anpressung als Zentrierhilfe.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Druckbehälters zur Speicherung von gasförmigen Medien unter Druck sowie einen Druckbehälter, der nach diesem Verfahren hergestellt wurde.
  • Aus der DE 38 441 64 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung von Druckbehältern bekannt, bei dem ausgehend von einem normalisierend gewalzten Warmband ein längsnahtgeschweißtes Rohr erzeugt wird, dessen offene Enden mittels eines Spinning-Verfahrens zu einem kalottenförmigen Boden geschlossen werden. Mindestens ein geschlossenes Ende weist eine Öffnung zum Befüllen und Entleeren des Druckbehälters auf.
  • Der so hergestellte Druckbehälter weist eine Dehnungsgrenze Rp0,2 von mindestens 355 N/mm2 und eine Zugfestigkeit von Rm von 490 bis 630 N/mm2 auf. Der Durchmesser des Druckbehälters beträgt 229 mm, die Wanddicke 3,2 mm.
  • Ein so hergestellter Druckbehälter weist nur ein begrenztes Füllvolumen auf und ist im Hinblick auf eine möglichst hohe Dauerschwingfestigkeit in Bezug auf große Lastamplituden nicht ausgelegt.
  • In der WO 02/20352 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung für komprimiertes Gas offenbart. Das bekannte Speichersystem zur Speicherung eines kompressionsfähigen Gases unter Druck umfasst ein oder mehrere Rohre aus einem Material, das die vorgegebene Temperaturspanne erträgt, ein Kühlmittel, um das Gas auf die vorgegebene Temperaturspanne abzukühlen, ein Druckmittel, um das Gas auf den vorgegebenen Druck bei erniedrigter Temperatur zu komprimieren, wobei die Temperaturspanne so gewählt wird, dass der Kompressionsfaktor des Gases sein Minimum hat und Druck und Temperatur so aufeinander abgestimmt werden, dass das Kompressionsverhältnis sein Maximum hat.
  • Als Materialien werden X 60- bis X 100-Stähle vorgeschlagen und die dazugehörigen Temperaturspannen liegen zwischen –18 und –40°C und der Druck zwischen 124 bis 131 bar. Die Durchmesser der Rohre liegen zwischen 20 und 36 inches.
  • Die einzelnen Rohre werden an den beiden offenen Enden mit halbkugelartigen Kümpelteilen verschlossen, die je eine Öffnung zum Anschluss an eine Verrohrung aufweisen. Eine Vielzahl von Rohren wird in einem geschlossenen Halterahmen angeordnet, wobei der dichte Halterahmen mit dem Kühlmittel – vorzugsweise Stickstoff – gefüllt wird. Pakete solcher Halterahmen können im Frachtraum eines Frachtschiffes angeordnet werden.
  • Das bekannte Speichersystem hat den Nachteil, dass das zu speichernde Gas auf die vorgegebene erniedrigte Temperatur abgekühlt werden und die Kühltemperatur während des gesamten Transportes aufrechterhalten bleiben muss. Dementsprechend sind die Halterahmen wegen der Dichtheitsanforderung aufwändig gestaltet.
  • Als weiterer Stand der Technik für die Herstellung von Druckbehältern werden genannt die DE 40 06 900 C2 , das DE 81 22 117 U1 , die EP 1 195 220 A2 und EP 0 867 520 A2 sowie die US 48 46 088 .
    •
  • Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung eines Druckbehälters zur Speicherung von gasförmigen Medien unter Druck und einen Druckbehälter anzugeben, der bei einem günstigen Verhältnis von Außenmaßen zu Gewicht ein möglichst großes Füllvolumen aufweist und der für eine hohe Dauerschwingfestigkeit in Bezug auf große Lastamplituden ausgelegt ist.
  • Diese Aufgabe wird mit dem Merkmalen des Anspruchs 1 und des Anspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind jeweils Gegenstand von Unteransprüchen.
  • Nach der lehre der Erfindung weist das nach dem UOE-Verfahren hergestellte längsnahtgeschweißte Rohr einen Durchmesser ≥ 508 mm (20'') und eine Mindeststreckgrenze ≥ X 70 (70.000 psi = 482 N/mm2) auf und die offenen Enden des Rohres sind mit domartigen Kümpelteilen verbunden und verschlossen, wobei ein Kümpelteil mit der Öffnung zum Befüllen und Entleeren versehen ist. Der so gebildete Druckbehälter ist für einen Mindestbefülldruck von 200 bar ausgelegt und die Längsschweißnaht und alle übrigen Verbindungsschweißnähte sind im Hinblick auf eine hohe Dauerschwingfestigkeit entsprechend gestaltet. Im Unterschied zum bekannten Stand der Technik wurde zur Steigerung des Füllvolumens der Durchmesser vergrößert und die Mindeststreckgrenze merklich angehoben. Diese Erhöhung kann man dazu nutzen entweder die Wanddicke zu reduzieren, was zu einer Gewichtsersparnis führt, oder den Befülldruck erhöhen.
  • Der Vorschlag zeichnet sich dadurch aus, dass eine bewährte Pipeline-Technologie (Stradtmann, Stahlrohr-Handbuch, 9. Auflage, Vulkan-Verlag, Essen 1982, S. 156–159, S. 345–356, S. 392 und S. 432–434 zur Bildung eines Druckbehälters genutzt wird, um damit kostengünstig einen mit großen Lastamplituden beaufschlagbaren Druckbehälter herzustellen. Die großen Lastamplituden ergeben sich aus dem Wechsel einer vollständigen Befüllung und einer nahezu vollständigen Entleerung der Druckbehälter.
  • Im Regelfall besteht der Druckbehälter aus einem nach dem UOE-Verfahren hergestellten längsnahtgeschweißten Rohr, dessen Länge bis zu 18 Meter betragen kann. Mehrere parallel liegende Druckbehälter können eine transportable Speichereinheit bilden, wobei die Öffnungen der Druckbehälter über eine Verrohrung miteinander verbunden sind.
  • Vorzugsweise sind solche Speichereinheiten in einem Halterahmen angeordnet. Mehrere solcher Speichereinheiten kann man beispielsweise in einem Schiffsladeraum anordnen, wobei man aus Kostengründen vorzugsweise zwei nach dem UOE-Verfahren hergestellte längsnahtgeschweißte Rohre zu je 18 Meter über eine Rundschweißnaht miteinander verbindet, um so auf entsprechende Druckbehälterlängen zu kommen.
  • Die domartigen Kümpelteile sind als Halbkugel mit einem zylindrischen Abschnitt ausgebildet, der über eine Rundschweißnaht mit dem offenen Ende des Rohres verbunden ist. Durch den zylindrischen Abschnitt wird die möglichst dauerschwingfeste Anbindung der domartigen Kümpelteile an die Rohre begünstigt und ermöglicht zudem den Einsatz von Innenzentriereinrichtungen beim Zusammenbau. Im Sinne einer Gewichtsersparnis weist mindestens der zylindrische Abschnitt eine Wanddicke auf, die der Nennwanddicke des Rohres entspricht. Um ein fehlerfreies Arbeiten der angewendeten Schweißmethoden zu gewährleisten, werden die domartigen Kümpelteile aus einer ähnlichen Werkstoffgüte mit einer ähnlichen Analyse wie die längsnahtgeschweißten Rohre hergestellt.
  • Vorzugsweise werden Speichereinheiten senkrecht angeordnet, insbesondere im Laderaum eines Schiffes. Die Öffnung für das Befüllen und Entleeren kann wahlweise im oben oder unten liegenden Kümpelteil vorgesehen sein.
  • Wird die Öffnung oben angeordnet, ist es erforderlich, im Druckbehälter ein Steigrohr anzuordnen, das sich bis zum unten liegenden Kümpelteil erstreckt. Damit wird sichergestellt, dass aus dem zu transportierenden Gas ausscheidende Flüssigkeiten und Schmutzteilchen abgesaugt werden können. Bei einer unten angeordneten Öffnung entfällt die Notwendigkeit der Anordnung eines Steigrohres. Die oben angeordnete Öffnung hat aber den Vorteil, dass die Zugänglichkeit für die Verrohrung erleichtert wird.
  • Damit das lange Steigrohr in Position gehalten werden kann, erstreckt sich mindestens eine Stütze über den Innenquerschnitt des Rohres. Vorzugsweise ist die Stütze als symmetrisches Dreibein ausgebildet.
  • Je nach Gaszusammensetzung muss der Werkstoff für den Druckbehälter entsprechend ausgewählt werden. Auch kann es erforderlich sein, dass das unten liegende Kümpelteil mit einer korrosionshemmenden Innenbeschichtung versehen wird.
  • Im Sinne der Erzielung einer hohen Dauerschwingfestigkeit werden nach einem weiteren Merkmal der Erfindung mindestens die Innenseite der Längsschweißnaht über die gesamte Länge einer mechanischen Bearbeitung unterworfen. Als besonders wirksam hat sich ein Abrunden der scharfkantigen Übergänge von der Schweißnaht zum angrenzenden Rohrkörper herausgestellt. Vorzugsweise erfolgt die Bearbeitung durch ein Fräsen, Schleifen oder Innenstrahlen. Insbesondere durch das Strahlen werden Druckeigenspannungen erzeugt, die sich positiv auf die Dauerschwingfestigkeit auswirken. Zudem werden durch das Strahlen und das Schleifen kerbverschärfende spitze Oberflächenstellen eingeebnet.
  • Im gleichen Sinne einer Erhöhung der Dauerschwingfestigkeit ist die vorgeschlagene Festlegung der Querschnittsgeometrie der Schweißkanten für die Rundschweißnähte zu sehen. Vorzugsweise weist die Geometrie eine langgestreckte Tulpenform mit sich verengendem Wurzelbereich auf. Dies hat zudem den Vorteil, dass eine wirtschaftliche automatische Engspalt-Orbitalschweißung angewendet werden kann.
  • Die vorgenannten Maßnahmen zur Erhöhung der Dauerschwingfestigkeit sind erforderlich, um die Vorteile des höherfesten Werkstoffes voll ausschöpfen zu können. Höherfeste Werkstoffe können zwar höhere Belastungen ertragen, sind aber kerbempfindlicher als niedrigfeste Materialien. Um so mehr muss bei der Gestaltung des Druckbehälters darauf geachtet werden, dass die Bildung von Kerbstellen möglichst vermieden wird.
    •
  • Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von einem in einer Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel.
  • Es zeigt:
  • 1 eine Längsansicht eines erfindungsgemäß hergestellten Druckbehälters,
  • 2 in vergrößerter Darstellung einen Längsschnitt von 1,
  • 3 einen Schnitt in Richtung A-A in 2,
  • 4 das Detail W in 2 und
  • 5 das Detail Y in 2.
  • In 1 ist in einer Längsansicht ein erfindungsgemäß hergestellter Druckbehälter dargestellt. Er besteht aus zwei längsnahtgeschweißten, nach dem UOE-Verfahren hergestellten Rohren 1, 2, die durch eine Rundschweißnaht 3 miteinander verbunden sind.
  • Die offenen Enden der Rohre 1, 2 sind mit je einem domartigen Kümpelteil 4, 5 durch je eine Rundschweißnaht 6, 7 verbunden und verschlossen.
  • 2 zeigt den gleichen Druckbehälter in einer vergrößerten Darstellung im Längsschnitt. Um den Druckbehälter mit Gas befüllen und entleeren zu können, ist im hier rechts liegenden domartigen Kümpelteil 5 eine Öffnung angebracht, um dort die Verrohrung anschließen zu können. Die Verrohrung besteht aus einem Steigrohr 8, das sich bis in den Endbereich des hier links liegenden domartigen Kümpelteils 4 erstreckt. Die Einzelheiten der Anbindung des Steigrohres 8 am rechts liegenden domartigen Kümpelteil 5 ist in 4 dargestellt.
  • Für eine sichere Positionierung des Steigrohres im Druckbehälter sind in diesem Ausführungsbeispiel drei Stützen 9, 10, 11 angeordnet. Die Abstützung an der Innenwand des Druckbehälters erfolgt über einen Adapter aus Kunststoff 12, damit die Innenwand des Druckbehälters nicht beeinträchtigt wird. Die der Innenwand des Druckbehälters zugewandte Fläche des Adapters 12 ist so konturiert, dass diese sich möglichst lückenlos anschmiegen kann.
  • Für eine möglichst dauerschwingfeste Anbindung der domartigen Kümpelteile 4, 5 an die Rohre 1, 2 weisen diese im Anschluss an die Halbkugel einen zylindrisch ausgebildeten Abschnitt 19, 19' auf, der darüber hinaus den Einsatz von Innenzentriereinrichtungen beim Zusammenbau ermöglicht.
  • 3 zeigt in einem Schnitt A-A in 2 die Einzelheiten der Stütze 9. Diese ist als symmetrisches Dreibein ausgebildet mit drei um je 120° versetzt angeordneten Armen 13, 13', 13''. Im Mittenbereich ist eine scheibenartige Verbreiterung 14 angeordnet, durch die sich das Steigrohr 8 erstreckt.
  • In 4 ist das Detail W in 2 dargestellt. Zur Anbindung des Steigrohres 8 an das domartige Kümpelteil 5 ist in der Öffnung ein dickwandiges Anschlussstück 15 eingeschweißt. Das Steigrohr 8 wird über eine Rundschweißnaht 16 mit dem Anschlussstück 15 verbunden. Das weiterführende Anschlussrohr 17 ist hier nur angedeutet. Es wird ebenfalls mit einer Rundschweißnaht 18 mit dem Anschlussstück 15 verbunden.
  • In 5 ist das Detail Y von 2 dargestellt. Es zeigt die Querschnittsgeometrie der Schweißkanten für die Rundnaht 3. Diese Geometrie ist gekennzeichnet durch eine langgestreckte Tulpenform mit sich verengendem Wurzelbereich.
  • Bezugszeichenliste
    Figure 00070001

Claims (24)

  1. Verfahren zur Herstellung eines Druckbehälters zur Speicherung von gasförmigen Medien unter Druck, bestehend aus einem längsnahtgeschweißten Rohr, das an beiden Enden geschlossen ist und mindestens an einem Ende eine Öffnung zum Befüllen und Entleeren aufweist, mit den Schritten – Herstellung eines längsnahtgeschweißten Rohres mit geringen Abweichungen hinsichtlich Durchmesser und Ovalität nach dem UOE-Verfahren – mechanische Bearbeitung mindestens der Innenseite der Längsschweißnaht – Anarbeitung von Schweißkanten an beiden offenen Enden – Herstellung domartiger Kümpelteile mit einem zylindrischen Abschnitt ausgehend von einem warmgewalzten Blech – Anarbeitung der Schweißkante am zylindrischen Abschnitt des Kümpelteiles – Anbringung einer Öffnung in einem Kümpelteil – Verbindung mittels Schweißen eines Kümpelteils mit dem Rohr unter Verwendung einer Innenzentriervorrichtung – Herausziehen der Innenzentriervorrichtung – Verbindung über Schweißen des zweiten Kümpelteils mit dem noch offenen Ende des Rohres ohne Zentriervorrichtung unter starker Anpressung als Zentrierhilfe.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwei nahezu gleich lange längsnahtgeschweißte Rohre nach dem UOE-Verfahren hergestellt und beide Rohre durch eine Rundschweißnaht unter Verwendung einer Innenzentriervorrichtung miteinander verbunden werden.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, dass bei senkrechter Anordnung des Druckbehälters folgende Schritte durchgeführt werden: – Anbringung der Öffnung im oben liegenden Kümpelteil, – Einschweißen eines eine dickere Wand als das Steigrohr aufweisenden Anschlussstückes in der Öffnung, – Anbringung von mindestens einer Stütze im Rohr, – Einschieben eines Steigrohres durch die Stützen, – Verbindung des Steigrohres mit dem Anschlussstück, – Verbindung des oben liegenden Kümpelteiles einschließlich des daran befestigten Steigrohres mit dem noch offenen Ende des Rohres unter starker Anpressung als Zentrierhilfe.
  4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 – 3, dadurch gekennzeichnet, dass alle Rundschweißnähte einer Ultraschall-Prüfung unterzogen werden.
  5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 – 3, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens die Innenseite der Längsschweißnaht über die gesamte Länge mechanisch bearbeitet wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der scharfkantig geometrische Übergang von der Schweißnaht zum angrenzenden Rohrkörper abgerundet wird.
  7. Verfahren nach den Ansprüchen 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanische Bearbeitung ein Fräsen ist.
  8. Verfahren nach den Ansprüchen 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanische Bearbeitung ein Schleifen ist.
  9. Verfahren nach den Ansprüchen 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanische Bearbeitung ein Innenstrahlen ist.
  10. Druckbehälter hergestellt nach dem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei, das nach dem UOE-Verfahren hergestellte längsnahtgeschweißte Rohr (1, 2) einen Durchmesser ≥ 508 mm und eine Mindeststreckgrenze ≥ X 70 aufweist und dessen offene Enden mit domartigen Kümpelteilen (4, 5) verbunden und verschlossen sind und der so gebildete Druckbehälter für einen Mindestbefülldruck von 200 bar bei Raumtemperatur ausgelegt ist, und ein Kümpelteil (5) mit der Öffnung zum Befüllen und Entleeren versehen ist, wobei die Längsschweißnaht des Rohres (1, 2) und alle übrigen Verbindungsschweißnähte (3, 6, 7) im Hinblick auf eine möglichst hohe Dauerschwingfestigkeit in Bezug auf große Lastamplituden gestaltet sind und mindestens die Innenseite der Längsschweißnaht der Rohre (1, 2) über die gesamte Länge mechanisch bearbeitet ist.
  11. Druckbehälter nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckbehälter zwei durch eine Rundschweißnaht (3) miteinander verbundene nach dem UOE-Verfahren hergestellte längsnahtgeschweißte Rohre (1, 2) aufweist.
  12. Druckbehälter nach einem der Ansprüche 10 und 11, dadurch gekennzeichnet, dass die domartigen Kümpelteile (4, 5) als Halbkugel mit einem zylindrischen Abschnitt (19, 19') ausgebildet sind, der über eine Rundschweißnaht (6, 7) mit dem offenen Ende des Rohres (1, 2) verbunden ist.
  13. Druckbehälter nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens der zylindrische Abschnitt der domartigen Kümpelteile (4, 5) eine Wanddicke aufweist, die der Nennwanddicke des Rohres (1, 2) entspricht.
  14. Druckbehälter nach Anspruch 10, 12 und 13, dadurch gekennzeichnet, dass die domartigen Kümpelteile (4, 5) aus einer ähnlichen Werkstoffgüte mit einer ähnlichen Analyse wie die längsnahtgeschweißten Rohre (1, 2) hergestellt sind.
  15. Druckbehälter nach einem der Ansprüche 10 – 14, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere parallel liegende Druckbehälter eine transportable Speichereinheit bilden und die Öffnungen der Druckbehälter über eine Verrohrung miteinander verbunden sind.
  16. Druckbehälter nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die transportable Speichereinheit in einem Halterahmen angeordnet ist.
  17. Druckbehälter nach Anspruch 15 und 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckbehälter der Speichereinheit senkrecht stehen und die Öffnung im jeweiligen Druckbehälter im oben liegenden Kümpelteil (5) angeordnet ist.
  18. Druckbehälter nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass an der Innenseite der Öffnung ein Steigrohr (8) befestigt ist, das sich bis zum unten liegenden Kümpelteil (4) erstreckt.
  19. Druckbehälter nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Steigrohr (8) mit mindestens einer über den Innenquerschnitt des Rohres (1, 2) sich erstreckenden Stütze (9, 10, 11) versehen ist.
  20. Druckbehälter nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Stütze (9, 10, 11) im Mittenbereich eine scheibenartige Verbreiterung aufweist, durch die sich das Steigrohr (8) erstreckt.
  21. Druckbehälter nach den Ansprüchen 19 und 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Stütze (9, 10, 11) als symmetrisches Dreibein ausgebildet ist.
  22. Druckbehälter nach Anspruch 10 und 18, dadurch gekennzeichnet, dass in der Öffnung des jeweiligen Druckbehälters ein dickwandiges Anschlussstück (15) eingeschweißt ist, dessen Wanddicke größer ist als die des Steigrohres (8).
  23. Druckbehälter nach einem der Ansprüche 18 – 22, dadurch gekennzeichnet, dass das unten liegende Kümpelteil (4) eine korrosionshemmende Innenbeschichtung aufweist.
  24. Druckbehälter nach Anspruch 10 und 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittsgeometrie der Schweißkanten der die Rohre (1, 2) und Kümpelteile (4, 5) miteinander verbindenden Rundschweißnähte (3, 6, 7) eine langgestreckte Tulpenform mit sich verengendem Wurzelbereich aufweist.
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