DE1285809B - Flanschverbindung fuer Wandteile von Druckgefaessen grossen Durchmessers - Google Patents

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf eine Flanschverbin- gegensinnig geneigten Schraubenbolzen durch die dung für Wandteile von Druckgefäßen großen Trennebene der Flansche in der Schnittlinie dieser Durchmessers, insbesondere von Kernreaktorbehäl- Trennebene mit der neutralen Ebene der über die tern, bestehend aus zwei ringförmigen, durch Flansche verbundenen Wandteile hindurchgehen zu Schraubenbolzen verbundenen, mit je einem Wand- 5 lassen. Auch bei dieser Flanschverbindung machen teil einstückigen, biegesteifen Flanschen, die schon sich die mit der Materialanhäufung im Bereich der vor der Vorspannung der Schraubenbolzen mit ihren Flansche verbundenen hohen Biegespannungen an die Dichtungselemente aufweisenden Innenrändern der Übergangsstelle von den Flanschen zu den anmetallisch aneinander liegen und an ihren Außen- grenzenden Wandteilen bei Druckbeaufschlagung des kanten einen axialen Abstand voneinander aufweisen, ίο Druckgefäßes nachteilig bemerkbar. Um die Biege-Bei bekannten Flanschverbindungen dieser Art ist Spannungen zu verringern, ist es ferner notwendig, der axiale Abstand der Außenkanten der Flansche so die Übergangsstelle vom Flansch zum Wandteil im groß, daß sie sich auch nach Anziehen der Schrauben- Querschnitt konisch zu verjüngen. Außerdem ist die bolzen nicht berühren. Dabei läßt sich in Abhängig- Flanschausbildung, insbesondere durch die zickzackkeit von dem Maß · des Anziehens der Bolzen der 15 förmig gegeneinander versetzte Anordnung der von Auflagedruck der Flansche im Bereich ihrer Innen- den Schraubenbolzen durchsetzten Vorsprünge relaränder frei wählen, und zwar in Abhängigkeit von tiv verwickelt und somit kostspielig. Die Verbreitedem zu erwartenden Druck im Inneren des Druckge- rung des Flansches zum Gefäßinneren hin hat auch fäßes. Je stärker die Bolzen angezogen werden, desto zur Folge, daß der Innendurchmesser des Flansches größere Biegespannungen entstehen im Übergangs- 20 kleiner als derjenige des Druckgefäßes wird. Da diebereich von den Flanschen zu den angrenzenden ser Durchmesser kritisch ist, bringt dies die Not-Wandteilen. Um diese Spannungen klein zu halten, wendigkeit mit sich, das ganze Druckgefäß größer sah man sich bislang genötigt, die Flansche verhält- zu machen.

nismäßig groß zu bemessen und darüber hinaus die Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine

Übergangsstelle vom Flansch zum Wandteil im 25 Flanschverbindung der eingangs genannten Art so Querschnitt konisch zu verjüngen. Mit Rücksicht auf auszugestalten, daß trotz erheblicher Materialdie sehr großen Abmessungen der Druckgefäße er- einsparung auf Grund kleinerer Flanschausbildung geben sich infolgedessen entsprechend große Abmes- bei hohen Betriebsdrücken eine schädliche Spansungen der Flanschverbindungen. Ganz abgesehen nungskonzentration an der Übergangsstelle von den von den Fertigungsschwierigkeiten, sind dabei auch 30 Flanschen zu den angrenzenden Wandteilen ver-

die Materialkosten sehr erheblich. Dazu kommt, daß mieden wird. . - .

bei Temperaturänderungen die Temperaturunter- Diese Aufgabe wird, ausgehend von einer Flanschschiede und damit die' TeOiperaturspannungen in der · verbindung der eingangs definierten Art, erfindungsgenannten Übergangsstelle für im Vergleich zum gemäß gelöst durch einen derartigen Abstand der Druckgefäß relativ große Flansche größer werden. 35 Außenkanten, daß durch Anziehen der Schrauben-Zur Verminderung der Abmessungen einer derarti- bolzen bis zum Anliegen der Außenkanten aneingen Flanschverbindung ist es bekannt, die Flansche ander oder an einer starren Zwischenlage im Überkleiner auszubilden und sie mit schrägen Gewinde- gangsquerschnitt von jedem der Flansche zu dem bohrungen für die Aufnahme von abwechselnd ent- angrenzenden Wandteil eine Biegevorspannung ergegengesetzt geneigt angeordneten Schraubenbolzen 40 zielbar ist, die der durch den normalen Betriebsdruck zu versehen. Die Köpfe-der Schraubenbolzen stützen im Druckgefäß hervorgerufenen Biegespannung in sich auf Druckstücken ab, die einerseits an der diesem Querschnitt entgegengerichtet ist und diese Außenseite des jeweils zugehörigen Flansches und möglichst vollständig kompensiert. Beim Verspannen andererseits an den Druckstücken des jeweils benach- der Schraubenbolzen wird also die vorbestimmte harten Schraubenbolzens anliegen. Auf diese Weise 45 Biegevprspannung der Behälterwand am Übergangssoll erreicht werden, daß bei' Verspannung der querschnitt zum Flansch erzeugt, sobald die Flansche Schraubenbolzen im Übergangsbereich von den Flan- mit ihren äußeren Kanten zur gegenseitigen Anlage sehen zu den angrenzenden Wandteilen keine unkon- gelangt sind. Anschließend wird eine weitere Vertrollierten Spannungen-auftreten. Ganz abgesehen spannung der'Schraubenbolzen in Abhängigkeit von davon, daß bei einer derartigen Flanschverbindung 50 dem späteren Betriebsdruck im Druckgefäß vordurch die Materialhäufung im Bereich der Flansche genommen, dem die Flanschverbindung standzuhalten bei Druckbeaufschlagung des Druckgefäßes eine hat. Wegen der Biegesteifheit der Flansche ruft jede unterschiedliche Dehnung'der Flansche im Vergleich weitere Vorspannung der Schraubenbolzen keine zu den angrenzenden Wandteilen auftritt, so daß sich nennenswerte Formveränderung im Flansch und sodann hohe Biegespannungen an der Übergangsstelle 55 mit auch keine Änderung der Biegevorspannung am von den Flanschen zu den angrenzenden Wandteilen Übergangsquerschnitt hervor, nachteilig bemerkbar machen, ist auch der erhebliche Bei richtiger Bemessung des Abstandes zwischen

Fertigungsaufwand nachteilig, den diese Flänschver- den Außenkanten- der Flansche werden die vom bindung erfordert. Betriebsdruck hervorgerufenen Biegespannungen am

Um das Entstehen von Biegespannungen an der 60 Übergangsquerschnitt beinahe vollständig kompen-Übergangsstelle von den Flanschen zu den angren- siert, und dadurch wird eine schädliche Spannungszenden Wandteilen beim Anziehen der Schrauben- konzentration in jenem Querschnitt vermieden. Diese bolzen der Flanschverbindung zu vermeiden, ohne vorteilhafte Wirkung ist dabei ohne zusätzliche sich zu diesem Zweck der aufwendigen Druckstücke Kosten erzielbar, da sogar Kosten gespart werden, bedienen zu müssen, ist es ferner bereits bekannt, 65 Es hat sich nämlich gezeigt, daß sich bei der erfindie Flansche in Form einer Verbreiterung zum dungsgemäßen Flanschverbindung der Material-Gefäßinneren sowie zum Gefäßäußeren auszubilden bedarf im Vergleich zu bisher üblichen Flansch- und die Mittelachsen der ebenfalls abwechselnd verbindungen etwa auf die Hälfte vermindern läßt.

Es sind Flanschverbindungen zur Verbindung von Rohren bekannt, die feste Flansche aufweisen und in deren Wand im Übergangsquerschnitt zur Rohrverbindung Biegespannungen auftreten. Auch bei diesen bekannten Flanschverbindungen schließen die einander zugewandten Flanschflächen einen radial nach außen offenen Winkel miteinander ein. Dieses Klaffen der Flansche dient dort zur Erzielung einer bestimmten Pressungsverteilung an der zwischen die Flansche eingelegten, nachgiebigen Flanschdichtung, um eine einwandfreie Abdichtung zu erzielen. Bei der Flanschverbindung nach der Erfindung ist jedoch Voraussetzung, daß sich die Flansche metallisch berühren, um eine genau definierte Biegevorspannung zu erzielen.

An Hand der Zeichnung wird nachfolgend ein Ausführungsbeispiel erläutert. Es zeigt

F i g. 1 eine herkömmliche Flanschverbindung und

F i g. 2 eine Flanschverbindung gemäß der Erfindung vor dem Verspannen.

F i g. 1 zeigt eine der vorstehend bezüglich ihrer Mangel angeführten bekannten Flanschverbindungen für Wandteile von Druckgefäßen großen Durchmessers, beispielsweise von Kernreaktorbehältern. Diese Flanschverbindung umfaßt einen oberen Flanscht und einen unteren Flansch2 angrenzend an je ein Wandteil 3. Die mit dem jeweils zugehörigen Wandteil 3 einstückigen Flansche 1,2 liegen mit ihren Innenrändern 4,5 metallisch aneinander, wogegen ihre Außenkanten 6, 7 einen axialen Abstand voneinander aufweisen. Hierzu ist wenigstens einer (1) der beiden Flansche 1, 2 mit einem innenrandseitigen axialen Vorsprung 8 versehen, in den eine oder mehrere Dichtungen 9 eingelagert sind. Der gegenseitigen Verspannung der Flansche 1,2 dient eine Anzahl Bolzen 10.

Die beim Anziehen der Bolzen 10 entstehenden Kräfte sind bestrebt, die Flansche 1, 2 mit ihren Außenkanten 6,7 aufeinander zu zu verdrehen. Dementsprechend entstehen im Übergangsquerschnitt A von jedem der Flansche 1, 2 zum angrenzenden Wandteil 3 Biegevorspannungen. Um diese klein zu halten, sind bei der herkömmlichen Flanschverbindung die Flansche 1,2 sehr dick. Außerdem sind dort die Übergangsbereiche von den Flanschen 1, 2 zu den angrenzenden Wandteilen 3 konisch geformt, so daß ein weiterer Übergang B entsteht.

Eine Berechnung der auftretenden Spannungen zeigt, daß bei den herkömmlichen Flanschverbindüngen nach F i g. 1 die Spannungen in den Querschnitten A, wenn keine konische Verjüngung vorgesehen ist, größer sind als bei Schaffung einer konischen Übergangszone mit den Querschnitten/4 und B.

Ganz abgesehen von den hohen Materialkosten sind auch die Fertigungskosten einer derartigen Flanschverbindung sehr erheblich. Dies ist auf die außerordentlich großen Abmessungen der Druckgefäße zurückzuführen. Kernreaktorbehälter besitzen beispielsweise einen Durchmesser von 3 bis 10 m. Dementsprechend groß sind die Bolzen 10, die eine Länge von mehreren Metern erreichen können, und auch die von ihnen durchsetzten dicken Flansche.

Bei der Flanschverbindung nach der Erfindung gemäß F i g. 2 sind die wesentlich kleineren Flanschabmessungen sowie der Fortfall der oberen konischen Übergangszone ersichtlich.

Bei der Verbindung nach Fig.2 ist im Bereich der Außenkanten 6, 7 eine starre Zwischenlage 11, beispielsweise ein Metallring, angeordnet, dessen Dicke den Abstand Ah der Außenkante 6, 7 der Flansche 1,2 in nicht verspanntem Zustand bestimmt.

Ein bestimmter Abstand A h zwischen den Außenkanten läßt sich auch durch divergierende Ausbildung der beiden einander zugekehrten Flächen der Flansche 1, 2 radial nach außen erreichen, so daß sich die Flansche in nicht verspanntem Zustand nur mit den Innenkanten berühren.

Die Bedeutung des Abstandes A h sei nachstehend erläutert. Wie aus F i g. 2 ersichtlich, ist an der Strich-Punkt-Linie, die den Verbindungsquerschnitt A zwischen Wandteil 3 und Flansch 1 darstellt, eine Spannungskurve gezeigt, die schematisch die Größe und den Verlauf der Biegespannung veranschaulicht, die im Verbindungsquerschnitt auftritt, wenn die BoI-zen 10 angezogen werden und das Gefäß anschließend unter Druck gesetzt wird. Beim Anziehen der Bolzen 10 der Flanschverbindung verdrehen sich zunächst die Flansche 1, 2, bis ihre Außenkanten 6, 7 über den Metallring 11 in gegenseitiger Berührung stehen. Auf diese Weise erhält der Verbindungsquerschnittet eine gewisse Biegevorspannung. Bei Erreichen der gewünschten Vorspannung entsteht außerhalb der neutralen Linie, die durch die Kreuzung der Vorspannungskurve mit der Linie A bezeichnet ist, an der Außenseite der Wand eine Zugspannung +<?&»,, während an der Innenseite der Wand eine Druckspannung — a_bSl von gleicher Größe auftritt. Die Bolzen 10 werden dann bis zu einem Wert weiter angezogen, der durch den vom Gefäß aufzunehmenden Druck bestimmt ist. Da die Flansche biegesteif sind, hat dieses schließliche Anziehen der Schraubenbolzen keine Einwirkung auf die zuerst hervorgerufene Biegevorspannung im Übergangsquerschnitt.

Sobald das Gefäß unter inneren Überdruck gesetzt wird, neigen die Wandteile 3 dazu, sich mehr als die Flansche 1, 2 auszudehnen. Dabei treten an der Innen- und Außenseite der Wand axiale Biegespannungen ± a_bp auf, die so gerichtet sind, daß sie Zugkräfte an der Innenseite und Druckkräfte an der Außenseite erzeugen. Dementsprechend ist der Spannungszustand dem obenerwähnten Vorspannungszustand entgegengesetzt und wird daher bei geeigneter Größe des Abstandes Ah durch diesen ausgeglichen. Der innere Überdruck erzeugt außerdem eine axiale Zugspannung a_xp, die über die Stärke der Wandteile 3 gleichmäßig verteilt ist. Bei Überlagerung all dieser Spannungen können die folgenden Bemessungsregeln verwendet werden, bei denen nur die in diesem Fall für die Festigkeit wesentlichen axialen Spannungen in Betracht gezogen sind.

Wenn die Bolzen angezogen werden, muß für die Biegespannung im Übergangsquerschnit A folgende Bedingung erfüllt sein:

a_bs <jj dem zulässigen Spannungswert für das Material bei der in Frage kommenden Temperatur.

Während der Arbeit wird die resultierende axiale Spannung an der Innen- und Außenkante der Wand:

^Xtot ~ ^{bs b}* , ^xp ... . _

* dem zulassigen Spannungswert

^Dei Arbeitstemperatur.

Bei Einsatz der Erfindung in der Praxis entnimmt man A h aus Diagrammen über a_xiot als Funktion von Ah. Solche Diagramme müssen für jeden einzelnen

Fall und unter genauer Berücksichtigung der mechanischen Festigkeitsdaten des betreffenden Materials oder Messung aufgestellt werden. Um jedoch einen Begriff von der Größenordnung des Gewinns zu geben, der im Hinblick auf die rein mechanische Festigkeit erzielt werden kann, sei beispielsweise erwähnt, daß die bei der in Fig. 1 dargestellten herkömmlichen Flanschverbindung im Betrieb auftretenden maximalen Materialspannungen im Übergangsquerschnitt etwa zweimal so groß sind wie bei einer entsprechend der Erfindung gestalteten Flanschverbindung.

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Flanschverbindung für Wandteile von Druckgefaßen großen Durchmessers, insbesondere von Kernreaktorbehältern, bestehend aus zwei ringförmigen, durch Schraubenbolzen verbundenen,

   mit je einem Wandteil einstückigen, biegefesten Flanschen, die schon vor der Vorspannung der Schraubenbolzen mit ihren die Dichtungselemente aufweisenden Innenrändern metallisch aneinander liegen und an ihren Außenkanten einen axialen Abstand voneinander aufweisen, gekennzeichnet durch einen derartigen Abstand (Δ h) der Außenkanten (6, 7), daß durch Anziehen der Schraubenbolzen (10) bis zum Anliegen der Außenkanten aneinander oder an einer starren Zwischenlage (11) im Ubergangsquerschnitt (A) von jedem der Flansche (1, 2) zu dem angrenzenden Wandteil (3) eine Biegevorspannung erzielbar ist, die der durch den normalen Betriebsdruck im Druckgefäß hervorgerufenen Biegespannung in diesem Querschnitt (A) entgegengerichtet ist und diese möglichst vollständig kompensiert.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen