WAS SIND SELBSTVERSTÄRKTE DÜSEN VON DRUCKBEHÄLTERN?

Bei selbstverstärkten Düsen wird generell angenommen, dass die Verstärkung, die den auf die Düse einwirkenden Belastungen standhält, ein wesentlicher Bestandteil der Düse ist. Das bedeutet, dass selbstverstärkte Düsen keine Zusatzelemente (im Gegensatz zu aufgebauten Düsen) benötigen, um den Konstruktionsbedingungen und externen Belastungen standzuhalten. In der Praxis sind selbstverstärkte Düsen solche, an denen keine zusätzliche Art von Verstärkung (Polster) angebracht ist und bei denen alle Schweißnähte zwischen den eigenen Komponenten und zwischen der Düse und dem Behälter vom Typ „vollständig durchdrungen“ sind. Daher könnte man diese Düsen auch als integral verstärkt bezeichnen. Es gibt verschiedene Konfigurationen von selbstverstärkten Düsen. Die am häufigsten verwendeten sind die folgenden: Langer Schweißhals (LWN) oder gerade Nabe, variable Nabendicke und Düsen, die unter Verwendung eines Rohrs mit standardisierter Dicke hergestellt werden.

Intuitiv kann man feststellen, dass selbstverstärkte Düsen im Vergleich zu Düsen ohne Selbstverstärkung normalerweise höhere Kosten verursachen. Daher müssen die Gründe, die den Konstrukteur dazu veranlassen, sich unter allen Möglichkeiten für einen bestimmten Typ zu entscheiden, begründet und umfassend geprüft werden.

Diese Gründe können von verschiedenen Faktoren abhängen, wie beispielsweise Druck, Temperatur, Vorhandensein variabler Belastungen (Ermüdung), hohe externe Belastungen infolge des Anschlusses an eine Rohrleitung usw. Normalerweise sind die Anforderungen für die Verwendung selbstverstärkender Düsen in der Arbeitsspezifikation der Eigentümer von Industrieanlagen enthalten, in denen diese Düsen im Einsatz sind. Gelegentlich können diese Anforderungen gegebenenfalls in der Lizenzgeberspezifikation angegeben werden.

Aus den oben genannten Gründen ist es nicht möglich, spezifische Kriterien dafür festzulegen, wann diese Art von Düsen in allen Fällen verwendet werden sollte, sondern nur einige allgemeine Richtlinien, die als erster Ansatz verwendet werden sollten, um zu überlegen, in welchen Szenarien selbstverstärkte Düsen als Designlösung in Betracht gezogen werden sollten. Szenarien wie jene, in denen die Designbedingungen die folgenden Effekte beinhalten, begünstigen die Wahl selbstverstärkter Düsen: Die untersuchte Komponente muss variablen Belastungen (Ermüdung), tangentialen oder geneigten Düsen in Bezug auf das Gefäß, an dem die Düsen angebracht sind, tödlichem Einsatz, hohem Druck, hohen Temperaturen oder Druckgefäßen mit großer Dicke standhalten.

Wie bereits erwähnt, gehen selbstverstärkte Düsen oft mit schweren oder kritischen Betriebsbedingungen einher. Aus diesem Grund ist es angebracht zu erwähnen, dass bei dieser speziellen Düsenart Spannungskonzentratoren so weit wie möglich eliminiert werden müssen.

Bei einigen Konstruktionsvorschriften sind die Konstruktions- und Berechnungskriterien für selbstverstärkte Düsen und aufgebaute Düsen nicht immer dieselben. Im letzteren Fall sind die Anforderungen konservativer. Betrachten Sie als Beispiel die Screeningstudie des ASME-Abschnitts VIII, Division 2, Verfahren zur Ermittlung, ob eine Ermüdungsanalyse erforderlich ist. Wenn ein bestimmtes Gerät oder eine seiner Komponenten eine integrale Konfiguration aufweist, kann es einer höheren Anzahl variabler Lasten standhalten als ein Gerät mit nicht integraler Konfiguration, ohne dass seine Festigkeit gegenüber Ermüdungslasten durch eine spezielle Berechnung nachgewiesen werden muss.

Um auf die wirtschaftliche Frage zurückzukommen: Auch wenn es völlig klar ist, dass selbstverstärkte Düsen für einen bestimmten Anwendungsfall die ideale Lösung sind, sollte berücksichtigt werden, dass einige Konfigurationen selbstverstärkter Düsen aus geschmiedetem Material hergestellt werden. Dies bedeutet hohe wirtschaftliche Kosten, weshalb es sehr wichtig ist, das Design zu optimieren, damit die Kosten nicht übermäßig steigen.

Unter Einwirkung des Innendrucks ist die ungleichmäßige Spannungsverteilung im dickwandigen Zylinder an der Innenwand größer und an der Außenwand kleiner. Um die Ungleichmäßigkeit dieser Spannungsverteilung im Zylinder zu verbessern, kann vor der Inbetriebnahme des dickwandigen Zylinders eine Überdruckbehandlung durchgeführt werden. Unter dem streng kontrollierten Überdruck kann der Schichtteil des Zylinderkörpers eine plastische Verformung erzeugen, um eine plastische Zone zu bilden, während sich das Außenmaterial noch in einem elastischen Zustand befindet.

Nachdem der Druck eine Zeit lang aufrechterhalten wurde, kann der Teil der Mantelschicht, der eine plastisch verformte Verformung aufweist, aufgrund der Restverformung nicht in die Ausgangsposition zurückgeführt werden, und das Außenmaterial, das sich noch im elastischen Zustand befindet, neigt dazu, in den ursprünglichen Zustand zurückzukehren, wird jedoch durch das Innenmaterial blockiert, das nicht in den ursprünglichen Zustand zurückgeführt werden kann, und kann nicht vollständig wiederhergestellt werden. Daher wird in der Zylinderwand der vorgespannte Zustand der Innenschichtkompression und der Außenschichtspannung gebildet. Wenn der Zylinder in Betrieb genommen und dem Betriebsdruck ausgesetzt wird, überlagert sich die durch den Betriebsdruck verursachte Innenwandspannung mit der durch den Innendruck und die Außenspannung gebildeten Vorspannung, so dass die Innenwandspannung mit dem ursprünglich hohen Niveau reduziert wird, während die Außenwandspannung mit dem ursprünglich niedrigen Niveau entsprechend erhöht wird und die Spannungsverteilung entlang der Wanddicke dazu neigt, gleichmäßig zu sein, wodurch die Streckgrenze des Zylinders verbessert wird.

Durch eine kontrollierte Überdruckbehandlung gibt nur die Innenschicht nach, während die Außenschicht elastisch bleibt und durch die eigene elastische Kontraktion eine Vorspannung erzeugt und so die Tragfähigkeit des Zylinders verbessert, was als Selbstverstärkung des dickwandigen Zylinders bezeichnet wird.