Zündung von Hochdruck-Acetylendurch adiabatische Verdichtung vonLuft

D I E T E R L I E T Z E *

1 Problemstellung

Im Rohrleitungssystem von Flaschenbatterieanlagen bzw.von Flaschenfüllanlagen werden zum Betrieb der AnlageLeitungsteile durch Armaturen voneinander getrennt, dieAcetylen unter hohem Druck (Betriebsdruck) und unterniedrigem Druck (im Allgemeinen Atmosphärendruck) ent-halten. Ist bei der Inbetriebnahme dieser hier mit ¹Nieder-druckteilª bezeichnete Teil der Anlage nicht mit Acetylen,sondern mit Luft gefüllt, dann wird beim Öffnen dieser Ab-sperrarmatur diese Luft adiabatisch verdichtet. Durch diedabei erzeugte Wärme kann das an der Grenze zwischendem Hochdruck-Acetylen und der verdichteten Luft gebil-dete Acetylen/Luft-Gemisch gezündet und ein fortschrei-tender Acetylenzerfall eingeleitet werden.

Bei Versuchen mit der folgenden einfachen Ver-suchsanordnung ± 5 m Rohr DN 15 / Kugelhahn DN 20 /0,6 m Rohr DN 15 / Kunststoffscheibe vor dem Blindstopfenam Ende des Verdichtungsweges sowie Acetylen im langenRohrteil und Luft von Atmosphärendruck im kurzen Rohr-teil ± konnte durch schnelles Öffnen des Kugelhahnes einAcetylenzerfall bereits bei Acetylen-Anfangsdrücken vonp = 15 bar eingeleitet werden.

Ist dieser ¹Niederdruckteilª dagegen bei norma-len Betriebsbedingungen mit Acetylen von Atmosphären-druck gefüllt, dann kann auch beim maximal zulässigenDruck in Anlagen für Hochdruck-Acetylen ein Acetylenzer-fall nicht eingeleitet werden. Durch Ausspülen der Luft ausdem Niederdruckteil kann diesen Zündgefahren im Grundesicher begegnet werden. Die Erfahrung zeigt jedoch, dassdies in der Praxis allein durch administrative Maûnahmenwie Schulung der Mitarbeiter nicht mit der erforderlichenSicherheit garantiert werden kann. Im Laufe der Jahre ist eswiederholt zu Unfällen in Acetylenanlagen gekommen, beidenen der Acetylenzerfall durch die adiabatische Verdich-tung von Luft eingeleitet worden sein muss.

2 Maûnahme zur Begrenzung derAuswirkungen eines Acetylenzerfalls

Nach den Technischen Regeln für Acetylenanlagen undCalciumcarbidlager (TRAC), hier TRAC 206 ¹Acetylenfla-schenbatterieanlagenª [1] bzw. nach der neuen europä-ischen Norm EN ISO 14114 [2], muss im Hochdruckteil vonBatterieanlagen vor dem Druckregler eine sogenannteSchnellschlusseinrichtung eingebaut werden. Sie soll im

Falle eines Acetylenzerfalls den Hochdruckteil verschlieûenund damit die weitere Gasentnahme aus den Acetylenfla-schen verhindern. Aus betriebstechnischen Gründen wirdvor dem Druckregler auch immer eine Absperrarmatur ein-gebaut.

Weitere Versuche wurden deshalb mit der folgen-den Versuchsanordnung durchgeführt: 5 m Rohr DN 15 /Schnellschlusseinrichtung DN 15 / 0,7 m Rohr DN 15 / Ku-gelhahn DN 20 / 0,4 m Rohr DN 15 / Kunststoffscheibe amEnde des Verdichtungsweges vor dem Blindverschluss so-wie wieder Hochdruck-Acetylen im langen Rohrleitungsteilvor dem Kugelhahn und Luft von Atmosphärendruck imkurzen Rohrteil. Als Schnellschlusseinrichtung wurde ein inder BAM entwickeltes Gerät eingesetzt. Abb. 1 zeigt eineSchnittzeichnung von dem Gerät.

Unter diesen Bedingungen konnte ein Acetylen-zerfall erst bei Versuchen mit Anfangsdrücken von 28 bareingeleitet werden. Die Schnellschlusseinrichtung (SSE)hatte dicht geschlossen. Eine Zündung des Acetylens indem abgesperrten Hochdruckteil konnte überraschender-weise aber trotz des Schnellschlusses nicht verhindert wer-den. Bei allen bisher mit dem Gerät ausgeführten Versu-chen, bei denen der Acetylenzerfall durch Durchschmelzeneines Metalldrahtes am Anfang des Rohrteiles vor der SSEeingeleitet worden ist, konnte dagegen auch noch eine Zün-dung des Acetylens in dem abgesperrten Rohrleitungsteilhinter der SSE verhindert werden. Über die im Rahmen derEntwicklung mit dem Gerät ausgeführten Untersuchungenist in [3] berichtet worden.

Für weitere Versuche wurden geänderte Baumu-ster der Schnellschlusseinrichtung eingesetzt. Eine erste¾nderung bestand darin, dass die Dicke der Al-Scheibenzum Arretieren des Schlieûkolbens von 0,3 mm auf 0,6 mm(2 � 0,3mm) verstärkt worden ist. Es hatte sich nämlich ge-zeigt, dass die nur 0,3 mm dicken Al-Scheiben beim Öffnendes Kugelhahnes stark verformt werden. Dadurch könntebei den Versuchen ein schneller Druckausgleich zwischendem Hochdruck- und dem Niederdruckteil behindert wor-den sein. Möglicherweise kommt es bei den Geräten mit dendickeren Al-Scheiben deshalb auch bereits bei niedrigerenAnfangsdrücken zu einer Zündung des Hochdruck-Acety-lens durch adiabatische Verdichtung von Luft.

Eine zweite ¾nderung bestand dann noch darin,dass die Nut im Laufweg für die Stoûwelle und Reaktions-front um den Schlieûkolben herum (s. Abb. 1) mit einerSchicht aus Stahlwolle ausgefüllt worden ist. Die Stopf-dichte der Stahlwollefüllung betrug 0,5 g/cm3. Auûerdemwurden noch zwei Geräte in der in Abb. 2 dargestellten, er-heblich einfacheren Ausführung eingesetzt, bei denen dieStopfdichte der Stahlwollefüllung auch wieder zu 0,5 cm3

gewählt worden ist.Die Ergebnisse der mit je zwei Prüfmustern der

Geräte nach Abb. 1* (mit der Stahlwollefüllung in der Nut)und nach Abb. 2 ausgeführten Versuche sind in der Tab. 1zusammengestellt.

Zunächst stellt man fest, dass beim Einsatz derGeräte mit den dickeren Al-Scheiben zum Arretieren desSchlieûkolbens ein Acetylenzerfall tatsächlich bereits beigeringeren Anfangsdrücken eingeleitet werden kann. Wei-

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* Dipl.-Ing. D. L I E T Z E , Bundesanstalt fürMaterialforschung und -prüfung (BAM),Unter der Eichen 87, D-12205 Berlin.

W I S S E N S C H A F T L I C H E K U R Z M I T T E I L U N G E N126Chemie Ingenieur Technik (74) 1-2 | 2002

S. 126±129 � WILEY-VCH Verlag GmbH, D-69469 Weinheim, 20020009-286X/2002/1-201-126 $17.50+50/0

terhin zeigt sich, dass es mit Hilfe von Geräten dieser bei-den Bauarten, d. h. mit Hilfe sogenannter mechanischerDetonationssperren, möglich ist, den Hochdruckteil vonBatterie- und Füllanlagen vor dem Einlaufen eines

Acetylenzerfalls zu schützen, wenn es ineinem Teilbereich des Rohrleitungs-systems durch die adiabatische Verdich-tung von darin eingeschlossener Luftzum Einleiten eines Acetylenzerfallskommen sollte. Der Acetylenzerfall bleibtdann auf diesen Teilbereich der Anlagebegrenzt. Der andere, im Allgemeinenwesentlich gröûere Bereich der Anlagewird vor dem Einlaufen des Acetylenzer-falls geschützt.

3 Schlussfolgerung

Im Laufe der letzten Jahre ist es wieder-holt zu Unfällen in Acetylenanlagen ge-kommen, bei denen ein Acetylenzerfalldurch die adiabatische Verdichtung vonLuft eingeleitet worden sein muss. Durchdie bei der Verdichtung erzeugte Wärmekann das an der Grenze zwischen demHochdruck-Acetylen und der verdichte-ten Luft gebildete Acetylen/Luft-Ge-misch gezündet und ein fortschreitenderAcetylenzerfall eingeleitet werden. Esstellt sich die Frage, durch welche Maû-nahmen derartige Unfälle künftig verhin-dert bzw. die nach dem Einleiten einesAcetylenzerfalls möglichen Folgeschädenminimiert werden können. Auf der Basisder Ergebnisse dieser Untersuchungenkann der folgende Vorschlag für die Lö-sung des Problems gemacht werden:

Durch den Einbau einer me-chanischen Detonationssperre in derBauart nach Abb. 2 vor der Absperrarma-tur kann der Acetylenzerfall auf den Teil

der Anlage begrenzt werden, in dem er durch die adiabati-sche Verdichtung von Luft eingeleitet worden ist.

Zum Abschluss noch eine kritische Anmerkungzum Einsatz der mechanischen Detonationssperre als Zer-fallssperre:

Bei der Belastung durch eine Detonation oderdurch eine anlaufende Detonation wirkt das Gerät immerals eine Zerfallssperre. Es kann immer dann nicht als eineZerfallssperre wirken, wenn bei der Belastung durch eineDeflagration der Impuls der einlaufenden Reaktionsfrontund Schwaden nicht zum Schlieûen des Schlieûkolbens aus-reicht und auûerdem der Druck über dem Grenzdruck fürdie Flammendurchschlagsicherheit der Sperrschicht beimEinlaufen einer Deflagration liegt. Mit einem Flammen-durchschlag muss insbesondere aber auch dann gerechnetwerden, wenn es bei einer gegen strömendes Acetylen ein-laufenden Deflagration zu einem an der Sperrschicht ausStahlwolle stehenden Zerfall des Hochdruck-Acetylenskommt. Eine solche Sperrschicht aus Stahlwolle ist nachden Ergebnissen eigener Untersuchungen nicht auf Dauerflammendurchschlagsicher (¹dauerbrandsicherª), wenn es

Abbildung 1.Schnellschlusseinrichtung, die nur dann nicht als eine mechanischeDetonationssperre wirkt, wenn der Acetylenzerfall durch die adiabatischeVerdichtung von Luft eingeleitet wird.

Abbildung 2.Schnellschlusseinrichtung, die auch dann als eine mechanische Detonationssperrewirkt, wenn der Acetylenzerfall durch die adiabatische Verdichtung von Lufteingeleitet wird.

Tabelle 1.Ergebnisse der mit je zwei Prüfmustern der Geräte nachAbb. 1* und Abb. 2 ausgeführten Versuche zur Zündung vonHochdruck-Acetylen durch adiabatische Verdichtung vonLuft.

VersuchNr.

GerätNr.

nachBildNr.

Anfangs-druckbar

Zündung im¹Nieder-druckteilªja/nein

Acetylenzer-fall im Hoch-druckteilja/nein

1 1 1* 25 ja nein

2 2 1* 22 ja nein

3 1 2 20 nein ±

4 1 2 21 ja nein

5 2 2 28 ja nein

* Die Nut im Laufweg für die Stoûwelle und Reaktionsfront ist mit einerFüllung aus Stahlwolle mit einer Stopfdichte von 0,5 g/cm3 ausgefülltworden.

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zu einem an dieser Sperrschicht stehenden Zerfall vonHochdruck-Acetylen, d. h. zu einem sogenannten ¹Nach-brandª, kommt.

Eingegangen am 27. August 2001 [K 2930]

Literatur

[1] TRAC 206: Acetylenflaschenbatterieanlagen,Bundesarbeitsblatt Nr. 10 (1988) S. 46.

[2] EN ISO 14114: Acetylenflaschen-Batterieanlagenfür Schweiûen, Schneiden und verwandte Ver-fahren, September 1999.

[3] L I E T Z E , D .

Entwicklung einer mechanischen Detonations-sperre für Hochdruck-Acetylen, Schweiûen undSchneiden 43 (1991) 9, S. 515/518.

Analyse von Wärmespannungen inRohrplatten mit hydraulisch gefügtenRohren

R O B E R T A B E R L * U N D K L A U S S T R O H M E I E R

1 Problemstellung

Für die Herstellung von Rohr-Rohrplattenverbindungenexistieren verschiedene Verfahren. Neben dem Einschwei-ûen und dem Einwalzen der Rohre wird auch das hydrauli-sche Aufweiten der Rohre verwendet.

Der groûe Vorteil des hydraulischen Aufweitensliegt darin, dass sich der hydrostatische Druck gleichmäûigüber den Umfang des Rohres in der Rohrplattenbohrungverteilt. Dadurch ist eine gute Berechenbarkeit gegeben.

Aus den Prozessbedingungen der eingesetztenWärmetauscher resultieren häufig hohe mechanische undthermische Lasten, die die einzelnen Komponenten desWärmeübertragers stark beanspruchen. Die thermischenLasten resultieren aus den thermischen Dehnungen, diedurch den Temperaturunterschied der beteiligten Medienverursacht werden.

Da sich die thermischen Beanspruchungen mitden Eigenspannungen beim Herstellungsprozess überla-gern, verursacht durch das hydraulische Aufweiten derRohre, muss bei der Bewertung der Festigkeit im Betrieb dieWärmespannungsverteilung berücksichtigt werden. DesWeiteren wirken sich die unterschiedlichen Verschiebungen

von Rohr und Rohrplatte aufgrund der Wärmespannung aufdie Haltekraft der Rohre in den Rohrplatten wie folgt aus:± Gröûere Wärmeausdehnung des Rohrs => Verfestigung

des Haftverbands± Gröûere Wärmeausdehnung der Rohrplatte => Entfesti-

gung des HaftverbandsIn der Literatur wird dieser Einfluss jedoch häu-

fig nicht beachtet. Man findet eine Vielzahl von Arbeiten,die zum einen durch Finite-Element-Analysen, zum ande-ren durch analytische Ansätze einen Vergleich mit rotati-onssymmetrischen Berechnungen, meist unter ebenemSpannungszustand, herstellen [1]. Wenige Arbeiten be-schäftigen sich dagegen mit Wärmespannungen in Rohr-Rohrplattenverbindungen [2, 3]. Auch die entsprechendenAbschnitte in den Standardregelwerken AD-Merkblatt undASME-Code weisen hier Lücken auf [4, 5]. Eine hohe Be-triebstemperatur wird lediglich durch Absenkung derStreckgrenze berücksichtigt.

Ziel der Untersuchungen war es, dass auf Basisvon Finite-Element-Analysen und der Gegenüberstellungexperimenteller Untersuchungen mittels Thermografie undSpeckle-Technik ein universell einsetzbares Berechnungs-modell entwickelt wird, mit dem die Betriebsfestigkeit vonhydraulisch gefügten Rohr-Rohrplattenverbindungen inAbhängigkeit von Fertigungs- und Betriebsparametern, ins-besondere Temperatureinflüssen, berechnet werden kann.Dieses Modell ist Grundlage für eine systematische und um-fassende Parametervariation aller wesentlichen Einfluss-gröûen.

Unter Zugrundelegung der Ergebnisse der Para-metervariation lassen sich Abhängigkeiten des Haftdruckszwischen Rohr- und Rohrplatte von einzelnen Einflussgrö-ûen erfassen und in Diagrammform beziehungsweise alsNäherungspolynome darstellen. Die Näherungspolynomewurden zu einem einfachen Computerprogramm zusam-mengefasst, das durch Eingabe der Geometrie-, Werkstoff-und Temperaturdaten die Haltekräfte auf das Rohr (Haft-druck) liefert.

2 Prinzip des hydraulischen Aufweitens

Das Prinzip des hydraulischen Aufweitens ist aus Abb. 1 er-sichtlich. Es besteht darin, das Rohr in dem Bereich, in demes in der Rohrplatte verankert werden soll, unter einen so

Abbildung 1.Prinzip des hydraulischen Aufweitens.

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* Dipl.-Ing. R . A B E R L , Univ. Prof. Dr.-Ing.K . S T R O H M E I E R , Lehrstuhl für Apparate-und Anlagenbau, ExperimentelleSpannungsanalyse, TU München,Boltzmannstraûe 15, D-85748 Garching(E-mail: r.aberl@laa.mw.tum.de).

W I S S E N S C H A F T L I C H E K U R Z M I T T E I L U N G E N128Chemie Ingenieur Technik (74) 1-2 | 2002

S. 128±133 � WILEY-VCH Verlag GmbH, D-69469 Weinheim, 20020009-286X/2002/1-201-128 $17.50+50/0