Din en 13445-3 [PDF]

Zitiervorschau

November 2003

DEUTSCHE NORM

Unbefeuerte Druckbehälter Teil 3: Konstruktion Deutsche Fassung EN 13445-3:2002 ICS 23.020.30

EN 13445-3 Ersatz für DIN EN 13445-3:2003-05

Unfired pressure vessels – Part 3: Design; German version EN 13445-3:2002 Récipients sous pression non soumis à la flamme – Partie 3: Conception; Version allemande EN 13445-3:2002

Die Europäische Norm EN 13445-3:2002 hat den Status einer Deutschen Norm.

Nationales Vorwort Diese Normenreihe EN 13445 über unbefeuerte Druckbehälter wurde vom Technischen Komitee CEN/TC 54 des Europäischen Normungskomitees CEN auf der Grundlage eines Mandates der Europäischen Kommission und des Sekretariates der EFTA an das CEN zur Erfüllung der grundlegenden Sicherheitsanforderungen des Anhanges I der Druckgeräte-Richtlinie (Richtlinie 97/23/EG des Europäischen Parlaments und des Rates vom 29. Mai 1997 zur Angleichung der Rechtsvorschriften der Mitgliedstaaten über Druckgeräte; veröffentlicht im Amtsblatt der Europäischen Gemeinschaft vom 9. Juli 1977) erarbeitet. Von der deutschen Seite aus waren die im Gemeinschaftsausschuss GA 54 des Normenausschusses Chemischer Apparatebau (FNCA) vertretenen Kreise hieran beteiligt. Ab dem 29. Mai 2002 gilt die Druckgeräte-Richtlinie als die alleinige Rechtsvorschrift in den Mitgliedstaaten der EU und der EFTA für das Inverkehrbringen von Druckgeräten und Baugruppen hieraus mit einem zulässigen Druck (PS) von mehr als 0,5 bar. Die grundlegenden Sicherheitsanforderungen des Anhanges I der Druckgeräte-Richtlinie werden in den einzelnen Teilen der Norm EN 13445 konkretisiert. Änderungen Gegenüber DIN EN 13445-3:2003-05 wurden folgende Berichtigungen vorgenommen: ―

Änderungen aus den von CEN verteilten Corrigenda Nr. 6 und Nr. 7, gekennzeichnet durch Randstriche und der Seitenangabe „Ausgabe 6 (2003-04)“, bzw. „Ausgabe 7 (2003-07)“, eingearbeitet.

Frühere Ausgaben DIN EN 13445-3: 2002-08; 2003-05

Fortsetzung 707 Seiten EN auf CD-ROM

Normenausschuss Chemischer Apparatebau (FNCA) im DIN Deutsches Institut für Normung e.V.

© DIN Deutsches Institut für Normung e.V. . Jede Art der Vervielfältigung, auch auszugsweise, nur mit Genehmigung des DIN Deutsches Institut für Normung e.V., Berlin, gestattet. Alleinverkauf der Normen durch Beuth Verlag GmbH, 10772 Berlin

Ref. Nr. DIN EN 13445-3:2003-11 Preisgr. 24

Vertr.-Nr. 2324

– Leerseite –

EUROPÄISCHE NORM

EN 13445-3

EUROPEAN STANDARD NORME EUROPÉENNE

Mai 2002

ICS 23.020.30

Deutsche Fassung

Unbefeuerte Druckbehälter - Teil 3: Konstruktion Unfired pressure vessels - Part 3: Design

Récipients sous pression non soumis à la flamme Partie 3: Conception

Diese Europäische Norm wurde vom CEN am 23. Mai 2002 angenommen. Die CEN-Mitglieder sind gehalten, die CEN/CENELEC-Geschäftsordnung zu erfüllen, in der die Bedingungen festgelegt sind, unter denen dieser Europäischen Norm ohne jede Änderung der Status einer nationalen Norm zu geben ist. Auf dem letzten Stand befindliche Listen dieser nationalen Normen mit ihren bibliographischen Angaben sind beim Management-Zentrum oder bei jedem CEN-Mitglied auf Anfrage erhältlich. Diese Europäische Norm besteht in drei offiziellen Fassungen (Deutsch, Englisch, Französisch). Eine Fassung in einer anderen Sprache, die von einem CEN-Mitglied in eigener Verantwortung durch Übersetzung in seine Landessprache gemacht und dem ManagementZentrum mitgeteilt worden ist, hat den gleichen Status wie die offiziellen Fassungen. CEN-Mitglieder sind die nationalen Normungsinstitute von Belgien, Dänemark, Deutschland, Finnland, Frankreich, Griechenland, Irland, Island, Italien, Luxemburg, Malta, Niederlande, Norwegen, Österreich, Portugal, Schweden, Schweiz, Spanien, der Tschechischen Republik und dem Vereinigten Königreich.

EUROPÄISCHES KOMITEE FÜR NORMUNG EUROPEAN COMMITTEE FOR STANDARDIZATION COMITÉ EUROPÉEN DE NORMALISATION

Management-Zentrum: rue de Stassart, 36

© 2002 CEN

Alle Rechte der Verwertung, gleich in welcher Form und in welchem Verfahren, sind weltweit den nationalen Mitgliedern von CEN vorbehalten.

B-1050 Brüssel

Ref. Nr. EN 13445-3:2002 D

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

Inhalt Vorwort ....................................................................................................................................................................... 5 1

Anwendungsbereich ..................................................................................................................................... 6

2

Normative Verweisungen ............................................................................................................................. 6

3

Definitionen.................................................................................................................................................... 6

4

Symbole und Abkürzungen ......................................................................................................................... 8

5 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 5.6 5.7

Grundlegende Auslegungskriterien .......................................................................................................... 10 Allgemeines ................................................................................................................................................. 10 Schutz vor Korrosion und Erosion............................................................................................................ 10 Belastungen................................................................................................................................................. 12 Konstruktions- und Berechnungsverfahren ............................................................................................ 15 Wanddickenberechnungen (DBF).............................................................................................................. 17 Schweißnahtfaktor ...................................................................................................................................... 18 Gestaltungsanforderungen für Schweißverbindungen .......................................................................... 19

6 6.1 6.2

6.5

Maximal zulässige Werte für Berechnungsnennspannungen an drucktragenden Teilen................... 21 Allgemeines ................................................................................................................................................. 21 Nicht austenitische Schmiedestähle mit einer Mindestbruchdehnung nach der zutreffenden technischen Werkstoffnorm von weniger als 30 % ................................................................................. 22 Austenitische Schmiedestähle mit größer 30 % und bis 35 % Bruchdehnung nach der maßgeblichen Werkstoffnorm ................................................................................................................... 23 Austenitische Schmiedestähle mit mehr als 35 % Bruchdehnung nach zugehöriger Werkstoffnorm............................................................................................................................................. 23 Stahlgussstücke.......................................................................................................................................... 24

7 7.1 7.2 7.3 7.4 7.5 7.6 7.7

Schalen unter Innendruck .......................................................................................................................... 26 Allgemeines ................................................................................................................................................. 26 Zusätzliche Definitionen............................................................................................................................. 26 Zusätzliche Symbole und Abkürzungen ................................................................................................... 26 Zylinder- und Kugelschalen ....................................................................................................................... 27 Gewölbte Böden .......................................................................................................................................... 28 Kegelschalen und Kegelböden.................................................................................................................. 33 Stutzen im Krempenbereich....................................................................................................................... 42

8 8.1 8.2 8.3 8.4 8.5 8.6 8.7 8.8

Schalen unter Außendruck ........................................................................................................................ 47 Zweck ........................................................................................................................................................... 47 Zusätzliche Definitionen............................................................................................................................. 47 Zusätzliche Symbole und Abkürzungen ................................................................................................... 48 Allgemeines ................................................................................................................................................. 51 Zylinderschalen ........................................................................................................................................... 52 Kegelschalen ............................................................................................................................................... 73 Kugelschalen ............................................................................................................................................... 80 Behälterböden ............................................................................................................................................. 81

9 9.1 9.2 9.3 9.4 9.5 9.6 9.7

Ausschnitte in Schalen und Böden........................................................................................................... 82 Zweck ........................................................................................................................................................... 82 Zusätzliche Definitionen............................................................................................................................. 82 Zusätzliche Symbole und Abkürzungen ................................................................................................... 83 Allgemeines ................................................................................................................................................. 87 Einzelausschnitte ........................................................................................................................................ 98 Mehrfachausschnitte ................................................................................................................................ 109 Ausschnitte in der Nähe von Störstellen der Schale............................................................................. 120

10 10.1 10.2 10.3 10.4 10.5 10.6 2

Ebene Böden ............................................................................................................................................. 128 Anwendungsbereich ................................................................................................................................. 128 Zusätzliche Definitionen........................................................................................................................... 128 Zusätzliche Symbole und Abkürzungen ................................................................................................. 129 Verschweißte runde ebene Böden ohne Ausschnitte ........................................................................... 130 Verschraubte runde ebene Böden ohne Ausschnitte ........................................................................... 137 Runde ebene Böden mit Ausschnitten ................................................................................................... 139

6.3 6.4

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

10.7

Nicht runde und ringförmige ebene Böden.............................................................................................143

11 11.1 11.2 11.3 11.4 11.5 11.6 11.7 11.8 11.9 11.10

Flansche......................................................................................................................................................148 Zweck ..........................................................................................................................................................148 Zusätzliche Definitionen............................................................................................................................148 Zusätzliche Symbole und Abkürzungen..................................................................................................149 Allgemeines ................................................................................................................................................150 Flansche mit innenliegender Dichtung....................................................................................................154 Flansche mit durchgehender Weichstoffringdichtung ..........................................................................169 Dichtgeschweißte Flansche......................................................................................................................172 Innenliegende Flansche mit innenliegender Dichtung ..........................................................................173 Flansche unter Außendruck .....................................................................................................................175 Flansche mit durchgehender Dichtfläche in Kraftnebenschluss .........................................................179

12 12.1 12.2 12.3 12.4 12.5 12.6

Tellerböden (verschraubte gewölbte Böden)..........................................................................................182 Zweck ..........................................................................................................................................................182 Zusätzliche Definitionen............................................................................................................................182 Zusätzliche Symbole und Abkürzungen..................................................................................................182 Allgemeines ................................................................................................................................................182 Tellerböden mit innenliegender Dichtung ...............................................................................................182 Tellerböden mit durchgehender Dichtung ..............................................................................................184

13 13.1 13.2 13.3 13.4 13.5 13.6 13.7 13.8 13.9 13.10 13.11 13.12

Wärmeaustauscher-Rohrböden..............................................................................................................187 Zweck ..........................................................................................................................................................187 Zusätzliche Definitionen............................................................................................................................187 Zusätzliche Symbole und Abkürzungen..................................................................................................188 U-Rohr-Wärmeaustauscher ......................................................................................................................190 Festkopf-Wärmeaustauscher....................................................................................................................205 Schwimmkopf-Wärmeaustauscher ..........................................................................................................234 Eigenschaften von Rohrböden.................................................................................................................253 Höchstzulässige Berechnungsspannung an der Verbindung zwischen Rohr und Rohrboden........260 Höchstzulässige Knickspannung der Rohre ..........................................................................................261 Auslegung des Rohrbodenflansches mit schmaler Dichtfläche ..........................................................264 Auslegung des Rohrbodenflansches mit vollflächiger Dichtung .........................................................269 Spezielle Rohr-Rohrboden-Schweißverbindungen ................................................................................272

14 14.1 14.2 14.3 14.4 14.5 14.6 14.7 14.8 14.9 14.10

Kompensatoren..........................................................................................................................................275 Zweck ..........................................................................................................................................................275 Zusätzliche Definitionen............................................................................................................................275 Zusätzliche Symbole und Abkürzungen..................................................................................................277 Geltungsbereich.........................................................................................................................................278 Unverstärkte Kompensatoren mit U-förmigem Profil.............................................................................281 Verstärkte Kompensatoren mit U-förmigem Wellenprofil......................................................................298 Kompensatoren mit torusförmigem Wellenprofil ...................................................................................298 Inspektion und Prüfung.............................................................................................................................298 Erstellen von Ermüdungskurven..............................................................................................................300 Kompensatoren unter Einwirkung von Axial-, Lateral- oder Angularbewegungen ............................300

15 15.1 15.2 15.3 15.4 15.5 15.6 15.7

Rechteckige Druckbehälter.......................................................................................................................306 Allgemeines. ...............................................................................................................................................306 Zusätzliche Definitionen............................................................................................................................306 Zusätzliche Symbole und Abkürzungen..................................................................................................306 Allgemeines ................................................................................................................................................308 Unverstärkte Behälter................................................................................................................................308 Verstärkte Druckbehälter ..........................................................................................................................314 Öffnungen ...................................................................................................................................................323

16 16.1 16.2 16.3 16.4 16.5 16.6 16.7

Andere als Druckbelastungen ..................................................................................................................325 Allgemeines ..............................................................................................................................................325 Zusätzliche Definitionen............................................................................................................................325 Zusätzliche Symbole und Abkürzungen..................................................................................................326 Äußere Lasten an Stutzen in Kugelschalen ............................................................................................328 Lokale Lasten an Stutzen in Zylinderschalen .........................................................................................338 Streckenlasten............................................................................................................................................349 Aufhängeösen ............................................................................................................................................356 3

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 4 (2002-11) 16.8 16.9 16.10 16.11 16.12 16.13 16.14

Liegende Behälter auf Sätteln.................................................................................................................. 360 Liegende Behälter mit Ringlagerung ...................................................................................................... 374 Stehende Behälter mit Tragpratzen......................................................................................................... 379 Stehende Behälter auf Stützfüßen .......................................................................................................... 384 Stehende Behälter auf Standzargen........................................................................................................ 387 Stehende Behälter mit Ringlagerung ...................................................................................................... 404 Globale Lasten........................................................................................................................................... 415

17 17.1 17.2 17.3 17.4 17.5 17.6 17.7 17.8 17.9

Vereinfachte Berechnung der Ermüdungslebensdauer ....................................................................... 421 Zweck ......................................................................................................................................................... 421 Zusätzliche Definitionen........................................................................................................................... 421 Zusätzliche Symbole und Abkürzungen ................................................................................................. 423 Bedingungen für die Anwendbarkeit ...................................................................................................... 424 Allgemeines ............................................................................................................................................... 425 Ermittlung der zulässigen Anzahl von Druckzyklen.............................................................................. 425 Berechnungsregel..................................................................................................................................... 451 Konstruktion und Fertigung..................................................................................................................... 451 Prüfung....................................................................................................................................................... 452

18 18.1 18.2 18.3 18.4 18.5 18.6 18.7 18.8 18.9 18.10 18.11 18.12

Ausführliche Berechnung der Ermüdungslebensdauer ....................................................................... 453 Zweck ......................................................................................................................................................... 453 Zusätzliche Definitionen........................................................................................................................... 453 Zusätzliche Symbole und Abkürzungen ................................................................................................. 456 Geltungsbereich ........................................................................................................................................ 459 Allgemeines ............................................................................................................................................... 460 Geschweißte Bauteile ............................................................................................................................... 462 Ungeschweißte Bauteile und Schrauben ............................................................................................... 467 Korrekturfaktoren zur Berücksichtigung von Spannungen im überelastischen Bereich ................. 470 Ermüdung .................................................................................................................................................. 472 Ermüdungsfestigkeit geschweißter Bauteile ......................................................................................... 475 Ermüdungsfestigkeit ungeschweißter Bauteile..................................................................................... 497 Ermüdungsfestigkeit von Stahlschrauben............................................................................................. 503

Anhang A (normativ) Anforderungen an die Ausführung von drucktragenden Schweißverbindungen ...... 505 Anhang B (normativ) Direkte Auslegung mit Analyseverfahren ....................................................................... 529 Anhang C (normativ) Verfahren der Spannungskategorien für die Auslegung mit Analyseverfahren ........ 550 Anhang D (informativ) Prüfung der Form von Druckbehältern unter Außendruck......................................... 569 Anhang E (normativ) Verfahren zur Berechnung der Unrundheit von Zylinder- und Kegelschalen............. 576 Anhang F (normativ) Zulässiger Außendruck für Druckbehälter mit toleranzüberschreitender Unrundheit579 Anhang G (normativ) Alternativverfahren zur Auslegung von Flanschen und Flanschverbindungen mit Dichtung..................................................................................................................................................... 581 Anhang H (informativ) Tabelle H-1: Dichtungsbeiwerte m und y...................................................................... 631 Anhang I (informativ) Zusätzliche Angaben zu Rohrböden für Wärmeaustauscher ...................................... 634 Anhang J (normativ) Alternativverfahren zur Auslegung von Rohrböden für Wärmeaustauscher.............. 638 Anhang K (informativ) Ergänzende Angaben für die Auslegung von Kompensatoren.................................. 674 Anhang L (informativ) Berechnungsgrundlage für drucklose Lasten.............................................................. 681 Anhang M (informativ) Maßnahmen während des Betriebs .............................................................................. 683 Anhang N (informativ) Bibliographie zu Abschnitt 18........................................................................................ 685 Anhang O (informativ) Physikalische Eigenschaften von Stahl ....................................................................... 686 Anhang P (normativ) Klassifizierung von Einzelheiten von Schweißnähten, die unter Verwendung von Hauptspannungen zu beurteilen sind ..................................................................................................... 693 Anhang Q (normativ) Vereinfachte Methode zur Berechnung der Materialermüdung für ungeschweißte Bereiche ..................................................................................................................................................... 706 Anhang ZA (informativ) Abschnitte in dieser Europäischen Norm, die grundlegende Anforderungen oder andere Vorgaben von EU-Richtlinien betreffen ..................................................................................... 707

4

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 4 (2002-11)

Vorwort Diese Europäische Norm wurde vom Technischen Komitee CEN/TC 54 „Unbefeuerte Druckbehälter“ erstellt, dessen Sekretariat von BSI gehalten wird. Dieses Dokument wurde unter einem Mandat erarbeitet, das die Europäische Kommission und die Europäische Freihandelszone dem CEN erteilt haben, und unterstützt grundlegende Anforderungen der EU- Richtlinien. Zusammenhang mit EU-Richtlinien siehe informativen Anhang ZA, der Bestandteil dieser Norm ist. In dieser Norm sind die Anhänge A, B, C, E, F, G, J, P und Q normativ, die Anhänge D, H, I, K, L, M, N und O sind informativ. Dieses Europäische Dokument muss den Status einer nationalen Norm erhalten, entweder durch Veröffentlichung eines identischen Textes oder durch Anerkennung bis November 2002, und etwaige entgegenstehende nationale Normen müssen bis November 2002 zurückgezogen werden. Entsprechend der CEN/CENELEC-Geschäftsordnung sind die nationalen Normungsinstitute der folgenden Länder gehalten, diese Europäische Norm zu übernehmen: Belgien, Dänemark, Deutschland, Finnland, Frankreich, Griechenland, Irland, Island, Italien, Luxemburg, Niederlande, Norwegen, Österreich, Portugal, Schweden, Schweiz, Spanien, die Tschechische Republik und das Vereinigte Königreich. Diese Europäische Norm über „Unbefeuerte Druckbehälter“ umfasst die folgenden Teile: 

Teil 1: Allgemeines



Teil 2: Werkstoffe



Teil 3: Konstruktion



Teil 4: Herstellung



Teil 5: Inspektion und Prüfung



Teil 6: Anforderungen an die Konstruktion und Herstellung von Druckbehältern und Druckbehälterteilen aus Gusseisen mit Kugelgraphit



CR 13445-7 Unbefeuerte Druckbehälter – Teil 7: Anleitung für den Gebrauch des Konformitätsbewertungsverfahrens

5

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

1 Anwendungsbereich Dieser Teil 3 der Europäischen Norm legt die Anforderungen an die Konstruktion von unbefeuerten Druckbehältern nach EN 13445-1:2002 und hergestellt aus Stählen nach EN 13445-2:2002 fest.

2 Normative Verweisungen Diese Europäische Norm enthält durch datierte oder undatierte Verweisungen Festlegungen aus anderen Publikationen. Diese normativen Verweisungen sind an den jeweiligen Stellen im Text zitiert, und die Publikationen sind nachstehend aufgeführt. Bei datierten Verweisungen gehören spätere Änderungen oder Überarbeitungen nur zu dieser Europäischen Norm, falls sie durch Änderung oder Überarbeitung eingearbeitet sind. Bei undatierten Verweisungen gilt die letzte Ausgabe der in Bezug genommenen Publikation (einschließlich Änderungen). EN 286-2:1992, Einfache unbefeuerte Druckbehälter für Luft oder Stickstoff; Teil 2: Druckbehälter aus Stahl für Druckluftbremsanlagen und pneumatische Hilfseinrichtungen in Kraftfahrzeugen und deren Anhängefahrzeugen. EN 288-8:1995, Anforderung und Anerkennung von Schweißverfahren für metallische Werkstoffe - Teil 8: Anerkennung durch eine Schweißprüfung vor Fertigungsbeginn. prEN 764-1:2001, Druckgeräte — Terminologie — Teil 1: Druck, Temperatur, Volumen, Nennweite. EN 764-2:2002, Druckgeräte — Teil 2: Größen, Symbole und Einheiten. EN 764-3:2002, Druckgeräte — Teil 3: Definition der beteiligten Parteien. EN 1092-1:2001, Flansche und ihre Verbindungen - Runde Flansche für Rohre, Armaturen, Formstücke und Zubehörteile, nach PN bezeichnet - Teil 1: Stahlflansche. EN 1092-2:1997, Flansche und ihre Verbindungen - Runde Flansche für Rohre, Armaturen, Formstücke und Zubehörteile, nach PN bezeichnet - Teil 2: Gußeisenflansche. EN 1092-3, Flansche und ihre Verbindungen - Runde Flansche für Rohre, Armaturen, Formstücke und Zubehörteile, nach PN bezeichnet - Teil 2: Gußeisenflansche. EN 1092-4:2002, Flansche und ihre Verbindungen - Runde Flansche für Rohre, Armaturen, Formstücke und Zubehörteile, nach PN bezeichnet - Teil 4: Flansche aus Aluminiumlegierungen. EN 1591-1:2001, Flansche und ihre Verbindungen - Anforderungen für die Auslegung von Flanschverbindungen mit runden Flanschen und Dichtung - Teil 1: Berechnungsmethode. EN 1591-2:2001, Flansche und ihre Verbindungen - Anforderungen für die Auslegung von Flanschverbindungen mit runden Flanschen und Dichtung - Teil 2: Dichtungskennwerte. EN 1708-1:1998, Schweißen - Verbindungselemente beim Schweißen von Stahl - Teil 1: Druckbeanspruchte Bauteile. EN ISO 4014:2000, Sechskantschrauben mit Schaft - Produktklassen A und B (ISO 4014:1999). EN ISO 4016:2000, Sechskantschrauben mit Schaft - Produktklasse C (ISO 4016:1999). ISO 261:1998, ISO general-purpose metric screw threads - General plan.

3 Definitionen Für diesen Teil dieser Europäischen Norm gelten die Begriffe und Definitionen nach EN 13445-1:2002, EN 134452:2002 und die folgenden:

6

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

3.1 Aktion aufgebrachte thermo-mechanische Beeinflussung zur Erzeugung von Spannung und/oder Stauchung in einer Konstruktion, z. B. das Aufbringen von Druck, Kraft oder Temperatur 3.2 berechnete Dicke effektiv verfügbare Dicke, die den Belastungen im korrodierten Zustand standhält 3.3 angenommene Dicke vom Konstrukteur angenommene Dicke zwischen der mindest erforderlichen Mantelwanddicke e und der berechneten Mantelwanddicke ea 3.4 Berechnungsdruck Differentialdruck führt die Berechnung eines Bauteils 3.5 Berechnungstemperatur Werkstofftemperatur zur Berechnung eines Bauteils (EN 764-1) 3.6 Druckraum ein abgeschlossener, Fluid enthaltender Teil in einem Druckgerät (EN 764-1) 3.7 Bauteil Bestandteil eines Druckgeräts, das für Berechnungszwecke gesondert betrachtet werden kann (EN 764-1) 3.8 Kryogene Einsatzbereiche Einsatzbereiche für Flüssiggase bei niedriger Temperatur 3.9 Berechnungsdruck Druck im oberen Teil jedes Druckraums eines Druckbehälters, der für die Herleitung des Berechnungsdrucks jedes Bauteils zugrunde gelegt wird (EN 764-1) ANMERKUNG

Jeder andere Ort darf festgelegt werden.

3.10 Auslegungstemperatur die für die Festlegung der Berechnungstemperatur jedes Bauteils zugrunde gelegte Temperatur (EN 764-1). 3.11 Differenzdruck Druck, dessen algebraischer Wert gleich dem Unterschied der Drücke auf beiden Seiten eines Bauteils entspricht (EN 764-1). 3.12 Bestimmende Schweißverbindung durchgeschweißte Stumpfnaht, deren Gestaltung aufgrund des Schweißnahtfaktors die Wanddicke des Bauteils bestimmt

7

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

3.13 Lastfall Kombination zusammenfallende Aktionen 3.14 Hauptnaht Schweißnaht zur Verbindung der drucktragenden Hauptteile 3.15 Höchstzulässiger Druck Druck, der sich aus der ermittelten Dicke bei Berechnungstemperatur für ein gegebenes Bauteil durch Formeln aus der Konstruktion ergibt 3.16 Minimal mögliche Herstellungsdicke Kleinste erreichbare Dicke nach der Herstellung 3.17

Berechnungsnennspannung Spannungswert, der in den Formeln zur Berechnung von drucktragenden Teilen zu verwenden ist. 3.18

Nennwanddicke In den Konstruktionszeichnungen angegebene Dicke. 3.19 Prüfdruck Druck, bei dem der Behälter zu Prüfzwecken beaufschlagt wird [EN 764-1] 3.20 Prüftemperatur Temperatur, bei der die Druckprüfung des Druckbehälters durchgeführt wird [EN 764-1] 3.21 Volumen Innenvolumen eines Druckraums, einschließlich des Stutzenvolumens bis zur ersten Verbindung (Flansch, Muffe, Schweißnaht), jedoch abzüglich des Volumens von Inneneinbauten (z. B. Leitbleche, Rührwerke) [EN764]. Anmerkung In EN 13445-1 und EN 13445-2 sind die Begriffe, Symbole und Definitionen aus prEN 764-1, EN 764-2 und EN 764-3 übernommen worden.

4 Symbole und Abkürzungen Für diesen Teil dieser Europäischen Norm gelten in EN 13445-1, EN 13445-2 und die in Tabelle 4-1 angegebenen allgemeinen Symbole und Abkürzungen.

8

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

Tabelle 4-1 – Symbole, Größe und Einheiten Symbol

Größe

Einheit

e

erforderliche Dicke

mm

en

Nenndicke

mm

emin

minimal mögliche Herstelldicke

mm

ea

analytisch ermittelte Dicke

mm

c

Korrosions- oder Erosionszuschlag

mm

f

Berechnungsnennspannung

MPa or N/mm²

fd

maximaler Betrag Betriebslstfälle

normale

MPa or N/mm²

fexp

maximaler Betrag der Berechnungsnennspannung für außergewöhnliche Betriebslstfälle

MPa or N/mm²

ftest

maximaler Betrag der Berechnungsnennspannung für Prüflastfälle

MPa or N/mm²

neq

Anzahl gleicher voller Druckzyklen (siehe 5.4.2)

-

P

Berechnungsdruck

MPa or N/mm²

a

Pd

Auslegungsdruck

MPa or N/mm²

a

Pmax

maximal zulässiger Druck

MPa or N/mm²

a

PS , Ps

maximal zugelassener Druck

MPa or N/mm²

a

Ptest

Prüfdruck

MPa or N/mm²

a

R

untere Streckgrenze

MPa or N/mm²

R m

Mindestzugfestigkeit

MPa or N/mm²

Rm/t

Mindestwert der Zugfestigkeit bei Temperatur t in °C

MPa or N/mm²

R

p0,2

Mindestwert der 0,2 % Dehngrenze

MPa or N/mm²

R

p0,2/t

Mindestwert der 0,2 % Dehngrenze bei Temperatur t in °C

MPa or N/mm²

R

p1,0

Mindestwert der 1,0 % Dehngrenze

MPa or N/mm²

R

p1,0/t

Mindestwert der 1,0 % Dehngrenze bei Temperatur t in °C

MPa or N/mm²

t

Temperatur

°C

td

Berechnungstemperatur

°C

ttest

Prüftemperatur

°C

maximal/minimal zulässige Temperaturen

°C

V z

Volumen eines Behälters (oder Druckraumes)

mm

Schweißnahtfaktor

—

ν

Querkontraktionszahl

—

eH

TSmax ,TSmin

der

Berechnungsnennspannung

für

3 b

a Die Einheiten Mpa oder N/mm2 sind nur für Berechnungszwecke zulässig; ansonsten ist die Einheit bar zu verwenden (1 MPa = 1 N/mm2). b Die Einheit mm3 ist nur für Berechnungszwecke zulässig; ansonsten ist die Einheit Liter zu verwenden. c Die in dieser Norm verwendeten Formeln sind dimensionsbehaftet.

9

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 7 (2003-07)

5 Grundlegende Auslegungskriterien 5.1 Allgemeines Die Teil 3 genannten Regeln gelten, wenn: a) Werkstoffe und Schweißnähte keiner örtlich begrenzten Korrosion durch die Produkte unterliegen, für die der Druckbehälter vorgesehen ist, und b) die Konstruktion außerhalb des Zeitstandbereichs liegt. Sofern in den zutreffenden Bestimmungen nichts anderes spezifiziert ist, kommen die Auslegungsanforderungen für ferritische Stähle bis zu 370°C und für austenitische Stähle bis zu 425°C zur Anwendung. ANMERKUNG

Diese Bedingung wird geändert, sobald der Abschnitt über Konstruktionen im Zeitstandbereich erstellt ist.

5.2 Schutz vor Korrosion und Erosion 5.2.1 Allgemeines Im Rahmen der vorliegenden Europäischen Norm umfaßt der Begriff ”Korrosion" Erscheinungen wie Korrosion, Oxidation, Verzunderung, Abrasion, Erosion und alle sonstigen Formen von Abtrag. ANMERKUNG 1 Unter bestimmten Temperatur- und Umgebungseinflüssen kann Spannungsrisskorrosion auftreten. Ein Korrosionszuschlag ist kein geeignetes Mittel, um dieser Korrosionsform und ähnlichen Erscheinungen entgegenzuwirken. Vielmehr sind in diesen Fällen Überlegungen bezüglich der verwendeten Werkstoffe und der Eigenspannungen in den fertiggestellten Druckbehältern anzustellen. ANMERKUNG 2 Aufgrund der Komplexität der Korrosionserscheinungen ist es nicht möglich, eindeutige Anforderungen zum Schutz vor ihren Auswirkungen festzulegen. Korrosion kann u. a. in den nachstehend angeführten Erscheinungsformen auftreten:

•

Chemische Reaktion, bei der Metall durch die Reagenzien angegriffen wird. Diese Reaktion kann auf der gesamten Oberfläche oder örtlich begrenzt (mit der Folge von Lochfraß) oder als Kombination beider Arten auftreten.

•

Rostbildung durch die kombinierte Wirkung von Feuchtigkeit und Luft;

•

Erosionskorrosion, bei der ein ansonsten unschädlicher Stoff mit einer Geschwindigkeit über die Oberfläche strömt, die einen kritischen Wert überschreitet;

•

Verzunderung (Oxidation bei hoher Temperatur).

Der Hersteller muss berücksichtigen, welche Auswirkung Korrosion (innen wie außen) auf die Nutzungsdauer des Druckbehälters hat. In Zweifelsfällen sind Korrosionsprüfungen durchzuführen. Dabei sind die tatsächlich verwendeten Metalle (einschließlich Schweißnähte bzw. Kombinationen verschiedener Metalle) den Chemikalien auszusetzen, für die der Behälter im Betrieb benutzt wird. Korrosionsprüfungen sind über eine ausreichend lange Zeit fortzusetzen, um ermitteln zu können, wie sich die Korrosionsgeschwindigkeit im Lauf der Zeit verändert. ANMERKUNG 3 Es ist ein Trugschluss, dass der Hauptbestandteil einer Mischung verschiedener Chemikalien das aktive Reagenz ist; in vielen Fällen können geringe Spuren einer Substanz eine korrosionsbeschleunigende oder –hemmende Wirkung haben, die in keinem Verhältnis zu der vorhandenen Menge steht. Fluidtemperaturen und -Strömungsgeschwindigkeiten in den Korrosionsprüfungen müssen denen im Betrieb entsprechen.

5.2.2 Korrosionszuschlag Wenn als Folge von Oberflächenkorrosion oder -erosion, verursacht durch die Produkte im Druckbehälter oder die Atmosphäre, mit einer Abnahme der Wanddicke an einer der Oberflächen zu rechnen ist, muss eine für die Auslegungslebensdauer der Druckbehälterbauteile ausreichende zusätzliche Wanddicke veranschlagt werden. Der Wert ist in der Konstruktionszeichnung des Druckbehälters anzugeben. Die Höhe des Zuschlags muss der gesamten erwarteten Korrosion auf den betreffenden Oberflächen entsprechen. 10

EN13445-3:2002 (D) Ausgabe 5 (2003-02)

Ein Korrosionszuschlag ist nicht erforderlich, wenn die Druckbehälterwände von beiden Seiten aus ausreichend geprüft werden können, Erosion ausgeschlossen werden kann oder die verwendeten Werkstoffe gegenüber dem Behälterinhalt korrosionsbeständig oder zuverlässig korrosionsgeschützt sind (siehe 5.2.4). Für Wärmeaustauscherrohre oder andere für ähnliche Zwecke eingesetzte Bauteile ist kein Korrosionszuschlag erforderlich, sofern nicht bestimmte korrosive Medien in der Betriebsumgebung dies erfordern. Dieser Korrosionszuschlag schützt nicht sicher gegen Lochfraß oder Spannungsrisskorrosion; in solchen Fällen sind die Verwendung anderer Werkstoffe, das Anbringen von Überzügen usw. geeignete Maßnahmen. Ist mit tiefer Lochkorrosion zu rechnen, sollten entsprechend widerstandsfähige Werkstoffe gewählt oder Schutzüberzüge auf die Oberflächen aufgetragen werden. 5.2.3 Zusammenhänge zwischen den definierten Wanddicken Die Zusammenhänge zwischen den verschiedenen definierten Wanddicken sind in Bild 3-1 dargestellt.

δm δe c ea

emin

e

en

eex

Legende e en

Erforderliche Wanddicke Nennwanddicke

emin

Mindestfertigungsdicke ( emin = en - δ e ) Berechnungswanddicke ( e = emin - c )

ea c δe

a

Korrosions- bzw. Erosionszuschlag Absolutwert der negativen Toleranz der Nenndicke des Bauteils (beispielsweise aus den Werkstoffnormen entnommen)

δm

Zuschlag für die mögliche Dickenabnahme beim Formen

eex

Dickenzuschlag bis zur Nennwanddicke Bild 3-1 – Zusammenhänge zwischen den definierten Wanddicken

11

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

5.2.4 Auskleidungen und Schutzüberzüge Nur völlig undurchlässige, ausreichend dicke und chemisch stabile Schutzschichten, deren mittlere Lebensdauer mindestens der des Druckbehälters entspricht, werden als zuverlässiger Schutz angesehen; dünne Beschichtungen (durch Anstrich, Elektroplattierung, Verzinnen usw.) und Überzüge, die erfahrungsgemäß vor Ablauf der Lebensdauer der Druckbehälterbauteile erneuert werden müssen, gelten als ungeeignet. Bei Kunststoffüberzügen muss ihre Eignung nachgewiesen werden, wobei neben anderen Faktoren das Diffusionsrisiko zu berücksichtigen ist. Die Korrosionsschutzprüfung gemäß Europäischer Norm EN 286-2 wird für die in dieser Norm behandelten Druckbehälter als nicht ausreichend angesehen. Druckbehälter können ganz oder teilweise mit korrosionsbeständigen Materialien ausgekleidet (oder beschichtet) sein. Auskleidungen sollten fest mit dem Grundwerkstoff des Druckbehälters verbunden sein. Bei losen oder in Abständen befestigten Auskleidungen sind folgende Faktoren zu berücksichtigen: ―

ausreichende Duktilität der Auskleidung, damit die im Betrieb auftretenden Beanspruchungen, z. B. unterschiedliche Wärmeausdehnung, aufgenommen werden können;

―

geeignete Oberflächenbehandlung des Grundwerkstoffs bei nichtmetallischen Beschichtungen.

Wenn der Kontakt des korrosiven Mediums mit dem Grundwerkstoff des Druckbehälters ausgeschlossen werden kann, ist ein Korrosionszuschlag zur Kompensation des Abtrags auf der Innenoberfläche nicht erforderlich. 5.2.5 Verschleißplatten Wenn starke Erosion oder Abrasion auftritt, sind an den betroffenen Stellen Schutz- oder Verschleißplatten direkt im Strömungsweg des abtragenden Mediums anzubringen.

5.3 Belastungen 5.3.1 Aktionen Bei der Konstruktion eines Druckbehälters sind die folgenden Belastungen, soweit zutreffend, zu berücksichtigen: a)

Innendruck und/oder Außendruck;

b)

maximaler statischer Druck des Fluids im Druckbehälter unter Betriebsbedingungen;

c)

Masse des Druckbehälters;

d)

maximale Masse des Behälterinhalts unter Betriebsbedingungen;

e)

Masse des Wassers unter Wasserdruckprüfbedingungen;

f)

Beanspruchung durch Wind, Schnee und Eis;

g)

Belastung durch Erdbeben;

h)

sonstige vom Druckbehälter aufgenommene oder auf den Behälter wirkende Lasten, einschließlich Belastungen bei Transport und Montage.

12

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

In Fällen, in denen ein Nachweis der Angemessenheit der vorgeschlagenen Konstruktion, z. B. durch Vergleich mit dem Verhalten anderer Druckbehälter, nicht möglich ist, sind ggf. die Wirkungen der nachstehend angeführten Lasten zu berücksichtigen. i)

Beanspruchungen durch Stützpratzen, Stützringe, Träger, Sattelauflager, Inneneinbauten oder Anschlussrohre oder durch beabsichtigten Mittellinienversatz zu benachbarten Teilen;

j)

Stoßbeanspruchung durch Wasserschlag oder Schwallwirkung des Behälterinhalts;

k)

Biegemomente aufgrund außermittiger Lage der Druckkräfte gegenüber der neutralen Achse des Druckbehälters;

l)

Spannungen aufgrund von Temperaturunterschieden einschließlich Transienten und unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten;

m) Spannungen aufgrund von Druck- und Temperaturschwankungen sowie externen Belastungen, die auf den Druckbehälter wirken; n)

Spannungen aufgrund der Zersetzung von instabilen Fluiden.

5.3.2 Klassifizierung der Belastungen a)

Normale Belastungen Normale Belastungen treten beim normalen Betrieb des Druckbehälters einschließlich Starten und Abschalten auf;

b)

Außergewöhnliche Belastungen Außergewöhnliche Belastungen liegen dann vor, wenn Ereignisse, die eine geringe Eintrittswahrscheinlichkeit haben, die Sicherheitsabschaltung bzw. -Inspektion des Druckbehälters bzw. der Anlage erfordern. Beispiele hierfür sind der Druckanstieg in der Außenhülle bzw. interne Explosionen;

c)

Testbelastungen Testbelastungen kommen nach der Herstellung der Druckbehälter zur Anwendung.

5.3.3 In diesem Teil betrachtete Ausfalltypen a)

starke plastische Verformung (GPD);

b)

plastische Instabilität (Platzen);

c)

elastische oder plastische Instabilität (Knicken);

d)

elastisches Einspielen (PD);

e)

Ermüdung;

ANMERKUNG 1

Detailliertere Informationen über die Ausfalltypen finden sich in Anhang B.

ANMERKUNG 2

Die plastische Instabilität wird durch die Grenzwerte für GPD abgedeckt.

13

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

5.3.4 Höchstzulässiger Betriebsüberdruck PS eines Druckraums (bzw. einer Kammer) Der höchstzulässige Betriebsüberdruck PS eines Druckraums (oder einer Kammer) bei normaler Betriebsbelastung ist an einer festgelegten Stelle zu definieren. Dies ist entweder der Anschlusspunkt von Sicherheits- und/oder Begrenzungseinrichtungen, der höchste Punkt des Druckraums (bzw. der Kammer) oder, falls diese ungeeignet sind, jeder andere festgelegte Punkt. Der innere zulässige Betriebsüberdruck (bei normalen Betriebsbedingungen) darf nicht kleiner sein als: a)

der Differentialdruck, der an dem festgelegten Punkt im Druckraum (bzw. in der Kammer) herrscht, wenn die Druckentlastungseinrichtung zu öffnen beginnt;

b)

der höchste im Betrieb an diesem Punkt erreichbare Differentialdruck, wenn dieser nicht durch eine Druckentlastungseinrichtung begrenzt wird.

Der Absolutwert des äußeren zulässigen Betriebsüberdrucks darf nicht kleiner sein als: a)

der Absolutwert des Drucks, der an dem festgelegten Punkt im Druckraum (bzw. in der Kammer) herrscht, wenn die Druckentlastungseinrichtung zu öffnen beginnt;

b)

der höchste im Betrieb an diesem Punkt erreichbare Absolutwert des Drucks, wenn dieser nicht durch eine Druckentlastungseinrichtung begrenzt wird.

5.3.5 Auslegungsdruck für einen Druckbehälter (bzw. für eine Kammer) Der Absolutwert des Auslegungsdrucks Pd darf bei normaler Betriebsbelastung nicht kleiner sein als der Absolutwert für PS. 5.3.6 Zulässige Maximal-/Minimaltemperaturen TSmax und TSmin für einen Druckbehälter (bzw. für eine Kammer) TSmax und TSmin müssen für eine normale Betriebsbelastung spezifiziert werden. 5.3.7 Auslegungstemperatur für einen Druckbehälter (bzw. für eine Kammer) Die Auslegungstemperatur Td darf nicht niedriger sein als die maximale Fluidtemperatur bei dem zugehörigen Auslegungsdruck. Wenn die zulässige Maximaltemperatur unter 20°C liegt, muss die Auslegungstemperatur 20°C betragen. 5.3.8 Kombinationen von Auslegungsdruck und -temperatur bei normalen Betriebsbedingungen Es kann mehrere Kombinationen von Auslegungsdruck und Auslegungstemperatur geben. 5.3.9 Kombinationen von Auslegungsdruck und -temperatur bei Testbedingungen oder außergewöhnlichen Betriebsbedingungen Ferner sind Kombinationen außergewöhnlicher Auslegungsdrücke und –temperaturen bei besonderen Lastfällen möglich (siehe 5.3.2).

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EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

5.3.10 Berechnungsdruck für ein Bauteil Der Berechnungsdruck P muss auf der ungünstigsten Kombination von Druck und Temperatur beruhen. Der Wert muss, soweit anwendbar, die auftretende maximale statische und dynamische Druckhöhe einschließen und auf der größtmöglichen Druckdifferenz zwischen Behälterinnenseite und Behälteraußenseite (oder zwischen den zwei benachbarten Kammern) basieren. Druckbehälter unter Außendruckbelastung sind für den maximalen Differenzdruck auszulegen, dem sie im Betrieb ausgesetzt sein können. Druckbehälter, die einem Vakuum ausgesetzt sind, sind für einen äußeren Überdruck von 0,1 MPa auszulegen, sofern nicht die Höhe des Teilvakuums z. B. durch ein Unterdruckventil oder eine ähnliche Einrichtung begrenzt wird. In diesem Fall kann ein Auslegungsdruck zwischen 0,1 MPa und dem Einstelldruck dieser Sicherheitseinrichtung vereinbart werden. 5.3.11 Berechnungstemperatur für ein Bauteil Die Berechnungstemperatur t darf nicht niedriger sein als die im Betrieb zu erwartende tatsächliche Wandtemperatur oder, wenn die Temperaturänderung über die Wanddicke bekannt ist, als die mittlere Wandtemperatur. Die Berechnungstemperatur muss eine angemessene Toleranz für Unsicherheiten in der Temperaturbemessung enthalten. Sind gesicherte Vorhersagen unterschiedlicher Metalltemperaturen für verschiedene Teile des Druckbehälters möglich, kann der Berechnungstemperatur für jeden beliebigen Punkt im Behälter die angenommene Metalltemperatur zugrunde gelegt werden.

5.4 Konstruktions- und Berechnungsverfahren 5.4.1 Allgemeines Dieser Teil enthält Anforderungen für die Auslegung von Druckbehältern und ihren Bauteilen nach Formeln (DBF). Das DBF-Verfahren kann durch die beiden folgenden Verfahren ergänzt oder ersetzt werden: a)

Auslegung nach Analyseverfahren (DBA) (siehe Anhang B und C).

b)

Auslegung nach experimentellen Verfahren.

5.4.2 Druckbehälter sämtlicher Prüfgruppen, vor allem ruhende Druckbelastungen Die Anforderungen der Abschnitte 7 bis 16 (DBF) ergeben eine zufriedenstellende Auslegung für Behälter unter ruhenden Druckbelastungen, d. h. bei denen die Anzahl der Druckzyklen über die volle Schwingbreite bzw. die Anzahl der äquivalenten Druckzyklen über die volle Schwingbreite unter bzw. bei 500 liegt.

neq ≤ 500

(5.4-1)

Dann ist keine Analyse der Ermüdung erforderlich, und es kommen die Standardanforderungen der zerstörungsfreien Prüfungen nach EN 13445-5 zur Anwendung. Für ni Druckzyklen bei einem Druck ∆ Pi , der geringer ist als der volle Druck P , ergibt sich die Anzahl der gleichwertigen Druckzyklen über die volle Schwingbreite durch:

æ Pi ö neq = Σ ni⋅ç ÷ è Pmax ø

3

(5.4-2)

In der obengenannten Formel ist Pmax der maximal zulässige Druck, der auf der analysierten Dicke beruht.

15

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

Pmax ist im allgemeinen in den verschiedenen Bestimmungen dieses Teils der Norm für die gewöhnlichen Bauteile gegeben. Erforderlichenfalls kann Pmax durch den Berechnungsdruck P ersetzt werden. ANMERKUNG Der Wert von 500 äquivalenten Druckzyklen über die volle Schwingbreite ist nur eine ungefähre Angabe. Es kann davon ausgegangen werden, dass für Bauteile mit Unregelmäßigkeiten im Profil, einer stark variierenden örtlichen Beanspruchung, auf die zusätzliche Beanspruchungen - nicht in Form von Druck - einwirken, eine Ermüdungsschädigung vor 500 Zyklen eintreten kann.

5.4.3 Druckbehälter der Prüfgruppe 4 Die Druckbehälter der Prüfgruppe 4 sind nach der Festlegung in EN 13445-5 für den nicht zyklischen Betrieb bestimmt; die Prüfung ist auf 500 Druckzyklen über die volle Schwingbreite bzw. äquivalenten Druckzyklen über die volle Schwingbreite beschränkt. 5.4.4 Druckbehälter der Prüfgruppen 1, 2 und 3, vor allem zyklische Druckbelastungen Liegt die Anzahl der Druckzyklen über die volle Schwingbreite bzw. der äquivalenten Druckzyklen über die volle Schwingbreite über 500, sind die Berechnungen für die Druckbehälter der Prüfgruppe 1, 2 und 3 entweder durch eine vereinfachte Berechnung auf Ermüdungsfestigkeit nach Abschnitt 17 oder, falls erforderlich, durch eine ausführliche Berechnung auf Ermüdungsfestigkeit nach Abschnitt 18 zu ergänzen. Die Abschnitte 17 und 18 schreiben ferner die Bedingungen für die Festlegung von kritischen Zonen vor, wenn zusätzliche Anforderungen an Schweißfehler bzw. NDT nach Definition im Anhang G zu EN 13445-5 zur Anwendung kommen sollen. 5.4.5 Ermüdungsanalyse für Kompensatoren Der Abschnitt 14 enthält spezifische Ermüdungskurven für Kompensatoren. 5.4.6 Auslegung durch Analyse Wenn die Abschnitte 7 bis 16 keine Anforderungen für ein bestimmtes Bauteil enthalten, kommen die Anforderungen in Anhang B und C zur Anwendung. Die Anforderungen in Anhang B kommen nicht auf die Prüfgruppe 4 von Druckbehältern zur Anwendung. 5.4.7 Experimentelle Verfahren Der Zulässigkeitsnachweis der Konstruktion kann auch nach den experimentellen Verfahren erbracht werden. Diese Verfahren können ohne Berechnungen angewendet werden, wenn das Produkt von maximal zulässigem Druck PS und Volumen V kleiner ist als 6 000 bar. L; andernfalls dürfen sie nur als Ergänzung zu einer Auslegung nach Formeln bzw. einer Auslegung nach Analyseverfahren dienen. ANMERKUNG

Auf experimentelle Verfahren wird in der nächsten Fassung näher eingegangen.

5.4.8 Vermeidung von Sprödbruch Detaillierte Empfehlungen für Maßnahmen zum Schutz gegen Sprödbruch von Druckbehältern aus Kohlenstoff-, Kohlenstoff-Mangan-, niedriglegierten und Feinkornbaustählen sind im Anhang B von EN 13445-2 enthalten.

16

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 7 (2003-07)

5.5 Wanddickenberechnungen (DBF) 5.5.1 Festlegung der geforderten Wanddicke Sofern nicht anders angegeben, sind sämtliche Auslegungsberechnungen im korrodierten Zustand mit zueinander passenden Abmessungen (für Dicke, Durchmesser usw.) durchzuführen. Die Formeln in diesem Teil der Norm beschreiben entweder:


ein direktes Verfahren zur Ermittlung der erforderlichen Wanddicke oder




ein iteratives Verfahren zur Überprüfung der ausreichenden Bemessung der Berechnungswanddicke.

Toleranzen und Fertigungszuschläge sind entsprechend hinzuzufügen (siehe Bild 3-1). ANMERKUNG In den einzelnen Abschnitten zu konstruktiven Einzelheiten können Einschränkungen bezüglich der Wanddicke angegeben sein.

5.5.2 Auskleidungen Korrosionsbeständige Auskleidungen können in der Berechnung der erforderlichen Wanddicke in Abhängigkeit vom Auslegungsdruck nur dann berücksichtigt werden, wenn sie fest mit dem Grundwerkstoff des Behälters verbunden sind (z. B. durch Sprengplattieren, Schweißplattieren u.ä.). Bei der Berechnung der Instabilität darf die Festigkeit der Verkleidung nicht berücksichtigt werden. Die DBF-Anforderungen der Abschnitte 7 bis 16 können mit einer äquivalenten Dicke zur Anwendung kommen, wodurch das Vorhandensein der Auskleidung berücksichtigt wird. Als Berechnungsspannung ist der Wert des Grundwerkstoffs zu verwenden: f .

m1

Wenn die Berechnungsnennspannung der Auskleidung

f

m2

größer oder gleich der Berechnungsnennspannung

des Grundwerkstoffs ist, dann ist die äquivalente Dicke eeq gleich der Summe der Berechnungswanddicke der Auskleidung und des Grundwerkstoffs.

e

eq

=e +e a, m1 a, m2

(5.5-1)

Ist die Berechnungsnennspannung der Auskleidung geringer als die Berechnungsnennspannung der Auskleidung des Grundwerkstoffs, ergibt sich folgende äquivalente Dicke:

f +e ⋅ m2 e =e eq a, m1 a, m2 f m1

(5.5-2)

hierbei wird der Index m1 für den Grundwerkstoff verwendet, der Index m2 wird für die Auskleidung verwendet. Bei den Ermüdungsanalyseprüfungen nach Abschnitt 17 und 18 muss das Vorhandensein einer Auskleidung sowohl für die thermische Analyse als auch für die Spannungsanalyse berücksichtigt werden. Wenn dagegen die Auskleidung fest mit dem Grundwerkstoff des Behälters verbunden ist und die Nenndicke der Auskleidung nicht mehr als 10 Prozent der gesamten Nenndicke des Bauteils beträgt, braucht das Vorhandensein der Auskleidung nicht berücksichtigt werden, d.h. das Modell beruht auf der Grundwerkstoffgeometrie.

17

EN13445-3:2002 (D) Ausgabe 5 (2003-02)

5.6 Schweißnahtfaktor Für die Berechnung der erforderlichen Wanddicke bestimmter geschweißter Teile (z. B. Zylinder, Kegel, Kugeln) enthalten die Berechnungsformeln den Faktor z, d.h. den Schweißnahtfaktor der die Bemessung des betreffenden Bauteils bestimmenden Schweißnaht. Beispiele für die Bemessung des Druckbehälters bestimmende Schweißnähte sind: —

Längs- oder Wendelnähte in einer zylindrischen Schale;

—

Längsnähte in einer kegelförmigen Schale;

—

jede Hauptnaht in einer Kugelschale bzw. einem kugelförmigen Boden;

—

Hauptnähte in einem aus zwei oder mehreren Platten gefertigten gewölbten Boden.

Folgende Schweißnähte sind nicht als bestimmende Schweißnähte anzusehen: —

Rundnähte zwischen zylindrischer oder kegelförmiger Schale und einem Zylinder, Kegel, Flansch oder nicht halbkugelförmigem Boden;

—

Schweißnähte zur Befestigung von Stutzen an Schalenschweißnähten;

—

Schweißnähte, die ausschließlich Druckspannungen ausgesetzt sind.

ANMERKUNG

Umlaufende Schweißnähte können bei externen Belastungen zu bestimmenden Schweißnähten werden.

Werte für z unter normalen Auslegungsbedingungen sind in Tabelle 5.6-1 angegeben. Der Wert ist auf die jeweilige Prüfgruppe der bestimmenden Schweißnähte bezogen. Die Prüfgruppen sind in EN 13445-5:2002, Abschnitt 6 festgelegt. Tabelle 5.6-1 – Schweißnahtfaktor und zugehörige Prüfgruppe z Prüfgruppe

1 1, 2

0,85 3

0,7 4

Im Grundwerkstoff außerhalb von bestimmenden Schweißnähten gilt: z = 1. Unter außergewöhnlichen Bedingungen und Prüfbedingungen ist unabhängig von der Prüfgruppe der Wert 1 zu wählen.

18

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

5.7 Gestaltungsforderungen für Schweißverbindungen 5.7.1 Allgemeine Anforderungen Der Hersteller muss die für die Erfüllung der Anforderungen der vorliegenden Norm geeignetsten Schweißverbindungen wählen und dabei insbesondere den folgenden Parametern Rechnung tragen: —

Sorte und Eigenschaften der verwendeten Metalle;

—

Betriebsbedingungen, z, B. vorwiegend ruhende oder zyklische Beanspruchung, gefährliche oder korrosive Fluide;

—

betreffende Prüfgruppen;

—

Fertigungsverfahren.

Der Anhang A enthält empfohlene Gestaltungsforderungen für drucktragende Schweißverbindungen. 5.7.2 Längsnähte Bauteile von zylindrischen bzw. kegelförmigen Schalen, kugelförmige Bauteile sowie gewölbte oder ebene Böden müssen mit Stumpfnähten verbunden werden, wobei durch die Wahl des Schweißverfahrens eine vollständige Durchschweißung sicherzustellen ist. Die Mittellinienversatz von Bauteilen, die mit Längsnähten mit zylindrischen oder kegelförmigen bzw. mit kugelförmigen Schalen verbunden sind, darf im Bereich der Schweißnaht die Fertigungstoleranzen nach EN 13445-4 nicht überschreiten. Biegewirkungen müssen bei der Auslegung berücksichtigt werden. 5.7.3 Rundnähte Der Mittellinienversatz von Bauteilen gleicher Wanddicke darf die Toleranzgrenzen nach EN 13445-4 nicht überschreiten. Mittellinienversatz von Bauteilen unterschiedlicher Wanddicke ist zulässig, darf jedoch die Toleranzgrenzen für inneren und äußeren Oberflächenversatz nach EN 13445-4 nicht überschreiten. 5.7.4 Sonderforderungen für bestimmte Schweißnahtarten 5.7.4.1 Sickennähte Sickennähte sind zulässig, wenn sämtliche nachstehenden Bedingungen erfüllt sind: a)

Prüfgruppe 3 oder 4 bei vorwiegend nichtzyklischem Betrieb oder zusätzlich Prüfgruppe 1 oder 2 bei Tiefsttemperaturbetrieb;

b)

Rundnähte zwischen Behälterboden und -schale; sämtliche Rundnähte bei Tiefsttemperaturbetrieb;

c)

Werkstoffgruppe 1.1, 1.2 oder 8.1;

d)

Wanddicke höchstens 8 mm bzw. 12 mm bei Tiefsttemperaturbetrieb;

19

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

e)

Durchmesser höchstens 1 600 mm. Bei Durchmessern über 1 600 mm ist eine Prüfung des Schweißverfahrens an einer Vollmaßprobe erforderlich. Der Durchmesser des Prüfstücks darf nicht kleiner als der Nenndurchmesser und nicht größer als der doppelte Nenndurchmesser sein. Die Prüfung ist nach EN 288-8 durchzuführen und zu protokollieren. Bei Behältern für Tiefsttemperaturbetrieb ist der Durchmesser nicht begrenzt.

f)

Berechnungstemperatur: — — —

- 10°C ≤ t ≤ 120°C für Werkstoffgruppe 1.1 und 1.2 - 196°C ≤ t ≤ 120°C für Werkstoffgruppe 8.1; - 40°C ≤ t ≤ 120°C für Werkstoffgruppe 1.1 und 1.2, für Tiefsttemperaturbetrieb.

g)

nichtkorrosive Bedingungen.

h)

Fertigungstoleranzen nach EN 13445-4.

5.7.4.2 Verbindungen mit bleibender Unterlage Verbindungen mit bleibender Unterlage sind zulässig, wenn sämtliche nachstehenden Bedingungen erfüllt sind: a)

Prüfgruppe 3 oder 4 bei vorwiegend nichtzyklischem Betrieb oder zusätzlich Prüfgruppe 1 oder 2 bei Tiefsttemperaturbetrieb;

b)

Rundnähte zwischen Behälterboden und -schale; sämtliche Rundnähte bei Tiefsttemperaturbetrieb;

c)

Werkstoffgruppe 1.1, 1.2 oder 8.1;

d)

Wanddicke höchstens 8 mm bzw. 30 mm bei Tiefsttemperaturbetrieb;

e)

Durchmesser höchstens 1 600 mm. Bei Durchmessern über 1 600 mm ist eine Prüfung des Schweißverfahrens an einer Vollmaßprobe erforderlich. Der Durchmesser des Prüfstücks darf nicht kleiner als der Nenndurchmesser und nicht größer als der doppelte Nenndurchmesser sein. Die Prüfung ist nach EN 288-8:1995 durchzuführen und zu protokollieren. Bei Behältern für Tiefsttemperaturbetrieb ist der Durchmesser nicht begrenzt.

f)

Berechnungstemperatur: — — —

- 10°C ≤ t ≤ 120°C für Werkstoffgruppe 1.1 und 1.2 - 196°C ≤ t ≤ 120°C für Werkstoffgruppe 8.1; - 40°C ≤ t ≤ 120°C für Werkstoffgruppe 1.1 und 1.2, für Tiefsttemperaturbetrieb.

g)

nichtkorrosive Bedingungen.

h)

Fertigungstoleranzen nach EN 13445-4 bei Wanddicken nicht über 8 mm; um die Hälfte verminderte Toleranzwerte nach EN 13445-4 bei Wanddicken über 8 mm und Tiefsttemperaturbetrieb

20

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

5.7.4.3 Überlappende Verbindungen 5.7.4.3.1 Allgemeiner Fall Überlappende Verbindungen mit Kehlnähten dürfen nur verwendet werden, wenn sämtliche nachstehenden Bedingungen erfüllt sind: a)

Prüfgruppe 4;

b)

Rundnaht zwischen Behälterboden und -schale;

c)

Werkstoffdicke höchstens 8 mm;

d)

Durchmesser höchstens 1 600 mm;

e)

Werkstoffgruppe 1.1;

f)

Berechnungstemperatur: —

- 10°C ≤ t ≤ 120°C

g)

nichtkorrosive Bedingungen;

h)

mit Ausnahme der Fälle C32, C33 und C35 in Tabelle A-2 sind beide Seiten der Überlappung zu schweißen (siehe Bilder C31 und C34);

i)

Fertigungstoleranzen nach EN 13445-4:2002

5.7.3.3.2 Verbindung von Kompensatoren Die Fälle B 2, B 3 und B 5 in Tabelle A-9 sind nur unter nichtkorrosiven Bedingungen zulässig.

6

Maximal zulässige Werte für Berechnungsnennspannungen an drucktragenden Teilen

6.1 Allgemeines 6.1.1 Dieser Abschnitt legt die maximal zulässigen Werte für Berechnungsnennspannungen an drucktragenden Teilen, bei denen es sich nicht um Schrauben handelt, sowie die physikalischen Eigenschaften von Stählen fest. ANMERKUNG

Berechnungsnennspannungen für Schraubenwerkstoffe sind in den Abschnitten 11 und 12 angegeben.

6.1.2 Für spezielle Bauteile eines Druckbehälters, z. B. Bauteile aus bestimmten Werkstoffen oder mit bestimmten Wanddicken, gelten unterschiedliche Werte für die Berechnungsnennspannung unter Auslegungsbedingungen und Prüfbedingungen. Für außergewöhnliche Auslegungsbedingungen kann eine höhere Berechnungsnennspannung verwendet werden (siehe 6.1.3). Der Hersteller muss in der Bedienungsanleitung eine Inspektion des Druckbehälters vor der Inbetriebnahme vorschreiben, nachdem solch eine außergewöhnliche Bedingung eingetreten ist. Für derartige Bedingungen kann eine höhere Berechnungsnennspannung zugrunde gelegt (siehe 6.1.2) und als Schweißnahtfaktor der Wert 1 verwendet werden. Der Hersteller muss in seinen Anweisungen vor dem Wiederanfahren des Druckbehälters eine Prüfung vorschreiben. Bei der Bewertung von Prüfbedingungen oder außergewöhnlichen Auslegungsbedingungen brauchen das elastische Einspielen und Ermüdungsfestigkeitsforderungen nicht berücksichtigt zu werden.

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EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 7 (2003-07)

6.1.3 Die maximalen Werte der Berechnungsnennspannung für Normalbelastung und für Prüfbelastung sind aus den Werkstoffeigenschaften nach 6.1.5 und den Kennwerten in 6.2 bis 6.5 zu ermitteln. Die Formeln zur Berechnung der Berechnungsnennspannungen sind in Tabelle 6-1 zusammengestellt. Für die Prüfgruppe 4 ist der maximale Wert der Berechnungsnennspannung für normale Auslegungsbedingungen mit dem Faktor 0,9 zu multiplizieren. Der Sicherheitsbeiwert für außergewöhnliche Auslegungsbedingungen darf nicht kleiner sein als der für die Prüfbedingungen. 6.1.4 Unter besonderen Umständen kann die Verwendung geringerer Werte für die Berechnungsnennspannung erforderlich sein, z. B. bei Gefahr von Spannungsrisskorrosion, in besonderen Gefahrensituationen usw. 6.1.5 Zugfestigkeit und Streckgrenze der Werkstoffe müssen den Werten im Fertigstellungszustand entsprechen, die wiederum mit den Mindestwerten der zugehörigen technischen Spezifikation übereinstimmen müssen, die nach EN 13445-5:2002, Abschnitt 5 vorbereitet ist. ANMERKUNG Diese Werte werden im allgemeinen erreicht, wenn die Wärmebehandlung den Bestimmungen in EN 13445-4 entspricht.

Diese Mindestwerte, die für den Lieferzustand gewährleistet werden, können für Konstruktionszwecke verwendet werden, sofern nicht bekanntermaßen die Wärmebehandlung zu niedrigeren Werten führt, wobei in diesem Fall dann die niedrigeren Werte verwendet werden müssen. Ergeben sich für das Schweißgut nach der Fertigung niedrigere Werte, sind diese zu verwenden. 6.1.6 Für die Festlegung der Zugfestigkeit und der Streckgrenze bei einer Temperatur von über 20 °C kommt die in EN 13445-2:2002, 4.2 vorgesehene Prozedur zur Anwendung. 6.1.7 Für die Festlegung der Bruchdehnung siehe EN 13445-2:2002, Abschnitt 4.

6.2 Stähle (außer Gusseisen), außer austenitische Stähle nach 6.3 und 6.4, mit einer Mindestbruchdehnung nach der zutreffenden technischen Werkstoffnorm von weniger als 30 % 6.2.1 Auslegungsbedingungen Die Berechnungsnennspannung f für Auslegungsbedingungen darf fd, den niedrigeren der beiden folgende Werte nicht übersteigen:


den Mindestwert der Streckgrenze oder der 0,2-%-Dehngrenze bei Berechnungstemperatur nach der technischen Werkstoffnorm, geteilt durch den Sicherheitsbeiwert 1,5 bzw.




den Mindestwert der Streckgrenze bei 20°C nach der technischen Werkstoffnorm, geteilt durch den Sicherheitsbeiwert 2,4.

6.2.2 Prüfbedingungen Die Berechnungsnennspannung für Prüfbedingungen f darf ftest, den Mindestwert der Streckgrenze oder der 0,2-%Dehngrenze bei Prüftemperatur nach der technischen Werkstoffnorm, geteilt durch den Sicherheitsbeiwert 1,05 nicht überschreiten.

22

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 7 (2003-07)

6.3 Austenitische Stähle (außer Gusseisen) mit größer 30 % und bis 35 % Bruchdehnung nach der maßgeblichen Werkstoffnorm 6.3.1 Auslegungsbedingungen Die Berechnungsnennspannung f darf fd, den Mindestwert der 1-%-Dehngrenze bei Berechnungstemperatur nach der technischen Werkstoffnorm, geteilt durch den Sicherheitsbeiwert 1,5 nicht überschreiten. 6.3.2 Prüfbedingungen Die Berechnungsnennspannung ftest für Prüfbedingungen darf den Quotient aus dem in der Werkstoffnorm angegebenen Mindestwert der 1-%-Dehngrenze bei Prüftemperatur und dem Sicherheitsbeiwert 1,05 nicht überschreiten.

6.4 Austenitische Stähle (außer Gusseisen) mit mehr als 35 % Bruchdehnung nach zugehöriger Werkstoffnorm 6.4.1 Auslegungsbedingungen Die Berechnungsnennspannung f für Auslegungsbedingungen darf fd, die beiden folgenden Werte nicht überschreiten: a) Wert nach 6.3.1; oder b) falls ein Wert für Rm/t vorliegt, den niedrigeren der beiden folgenden Werte:


den Mindestwert der Zugfestigkeit bei Berechnungstemperatur nach der technischen Werkstoffnorm, geteilt durch den Sicherheitsbeiwert 3,0 bzw.




den Mindestwert der 1-%-Dehngrenze bei Berechnungstemperatur Werkstoffnorm, geteilt durch den Sicherheitsbeiwert 1,2.

nach

der

technischen

6.4.2 Prüfbedingungen Die Berechnungsnennspannung f für Prüfbelastungen darf ftest, den höheren der beiden folgenden Werte nicht überschreiten: a) Wert nach 6.3.2 bzw. b) den Quotient aus dem in der Werkstoffnorm angegebenen Mindestwert der Zugfestigkeit bei Prüftemperatur und dem Sicherheitsbeiwert 2.

23

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

6.5 Stahlgussstücke 6.5.1 Auslegungsbedingungen Die Berechnungsnennspannung f für Auslegungsbedingungen darf fd, den niedrigeren der beiden folgenden Werte nicht überschreiten: ― Quotient aus dem in der Werkstoffnorm angegebenen Mindestwert der Streckgrenze oder der 0,2-%Dehngrenze bei Berechnungstemperatur und dem Sicherheitsbeiwert 1,9 bzw. ― Quotient aus dem in der Werkstoffnorm angegebenen Mindestwert der Zugfestigkeit bei 20 °C und dem Sicherheitsbeiwert 3,0. 6.5.2 Prüfbedingungen Die Berechnungsnennspannung f für Prüfbedingungen darf ftest, den Quotient aus dem in der Werkstoffnorm angegebenen Mindestwert der Streckgrenze oder der 0,2 %-Dehngrenze bei Prüftemperatur und dem Sicherheitsbeiwert 1,33 nicht überschreiten. ANMERKUNG

24

Die physikalischen Eigenschaften von Stählen sind im Anhang O angegeben.

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

Tabelle 6-1 – Berechnungsnennspannungen für drucktragende Teile außer Schrauben Auslegungsbedingungen

Prüfbedingungen

a b

/ außergewöhnliche Bedingungen Nichtaustenitische Stähle nach 6.2 A < 30 %

c

Austenitische Stähle nach 6.3 30 % < A ≤ 35 %

c

Austenitische Stähle nach 6.4 A > 35 %

c

Stahlgussteile

æ Rp0,2/ R ö t ç ÷ m/20 f = min ç ; d 2,4 ÷÷ ç 1,5 è ø

æ Rp0,2/t ç test f =ç test ç 1,05 è

ö ÷ ÷ ÷ ø

æ Rp1,0/ t fd = çç 1,5 è

æ Rp1,0/t ç test =ç f test ç 1,05 è

ö ÷ ÷ ÷ ø

ö ÷ ÷ ø

éæ Rp1,0/ t fd = max êçç êëè 1,5

ö æR R ÷ ; min ç p1,0/ t ; m/ t ÷ ç 1 ,2 3 ø è

æ Rp0,2/t R ö f = min çç ; m/20 ÷÷ d 3 ÷ ç 1,9 è ø

öù ÷ú ÷ øúû

æ Rp1,0/t R /t ç test ; m test f = max ç test 1,05 2 ç è æ Rp0,2/t ç test f = min ç test 1,33 ç è

ö ÷ ÷ ÷ ø

ö ÷ ÷ ÷ ø

a

Für Prüfgruppe 4 ist der Wert der Berechnungsnennspannung mit 0,9 zu multiplizieren.

b

Anstelle der 0,2-%-Dehngrenze ReH kann die Streckgrenze Rp0,2 verwendet werden, wenn letztere der Werkstoffnorm nicht entnommen werden kann.

c

b

Hinsichtlich der Definition der Bruchdehnung siehe EN 13445-2:2002, Abschnitt 4.

25

25

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

7 Schalen unter Innendruck 7.1 Allgemeines Dieser Abschnitt enthält Anforderungen an die Konstruktion von innendruckbeaufschlagten achssymmetrischen Schalen, d. h. Zylinder- und Kugelschalen, Kugelkalotten, gewölbte Böden, Kegelschalen und Kegel-ZylinderVerbindungen. Darüber hinaus sind auch Verfahren zur Auslegung von versetzt angeordnetenen Kegelschalen zur Verbindung zweier Zylinderschalen sowie für gewölbte Böden mit in den Krempenbereich reichenden Ausschnitten angegeben.

7.2 Zusätzliche Definitionen Die folgenden Definitionen gelten zusätzlich zu denen in Abschnitt 3. 7.2.1 Zylinder Kreisförmiger Zylinder. 7.2.2 Torisphärischer Boden Ein gewölbter Boden bestehend aus einer Halbkugelschale (Kalotte), einer torusförmigen Krempe und einem zylindrischen Bord ist. Die drei Teile haben an den Berührungslinien gemeinsame Tangenten. 7.2.3 Klöpperboden Sonderfall eines torisphärischen Bodens mit R/De = 1,0 und r/De = 0,1. 7.2.4 Korbbogenboden Sonderfall eines torisphärischen Bodens mit R/De = 0,8 und r/De = 0,154. 7.2.5 Elliptischer Boden Gewölbter Boden mit wahrer elliptischer Form.

7.3 Zusätzliche Symbole und Abkürzungen Die folgenden Symbole und Abkürzungen gelten zusätzlich zu denen in Tabelle 4-1. De

Außendurchmesser der Schale;

Di

Innendurchmesser der Schale;

Dm

Mittlerer Durchmesser der Schale;

r

Innenradius der Krümmung einer Krempe

26

EN13445-3:2002 (D) Ausgabe 5 (2003-02)

7.4 Zylinder- und Kugelschalen 7.4.1 Geltungsbereich Dieser Abschnitt gilt nur für Schalen mit e/De ≤ 0,16. Die Anforderungen an Kugelschalen sind auch auf kugelförmige Abschnitte von Schalen, Halbkugelböden, die Mittelbereiche von torisphärischen Böden und Kugelabschnitte zur Verbindung einer kegelförmigen mit einer zylindrischen Schale (Krempe mit r/Di=0,5) anzuwenden. ANMERKUNG Die angegebenen Wanddicken sind Mindestwerte. An Verbindungsstellen mit anderen Bauteilen, zur Verstärkung an Stutzen oder Ausschnitten oder zur Aufnahme anderer Belastungen als Druck können größere Wanddicken erforderlich sein.

7.4.2 Zylinderschalen Die erforderliche Wanddicke wird nach einer der beiden folgenden Gleichungen berechnet:

e=

P ⋅ Di 2f ⋅ z − P

(7.4-1)

P ⋅ De 2f ⋅ z + P

(7.4-2)

oder

e=

Für eine gegebene Wanddicke gilt:

pcmax =

2f.z. eact Dm

(7.4-3)

7.4.3 Kugelschalen Die erforderliche Wanddicke wird nach einer der beiden folgenden Gleichungen berechnet:

e=

pc . D i 4f.z - pc

(7.4-4)

oder

e=

pc . De 4f.z + pc

(7.4-5)

Für eine gegebene Wanddicke gilt:

pcmax =

4f.z. eact Dm

(7.4-6)

27

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

7.5 Gewölbte Böden 7.5.1 Zusätzliche Symbole und Abkürzungen

Die folgenden Symbole und Abkürzungen gelten zusätzlich zu denen in 7.3.

eb

Erforderliche Wanddicke der Krempe zur Verhinderung plastischen Beulens

es

Erforderliche Wanddicke des Bodens zur Begrenzung der Membranspannung in der Mitte

ey

Erforderliche Wanddicke der Krempe zur Verhinderung achssymmetrischen Fließens

fb

Berechnungsnennspannung in der Beulgleichung

hi

Innenhöhe eines elliptischen Bodens

K

Berechnungsbeiwert für einen elliptischen Boden nach Definition in Gleichung (7.5-18)

N

Parameter nach Definition in Gleichung (7.5-12)

R

Innenradius im Mittelbereich eines torisphärischen Bodens

X

Verhältnis von Krempenradius zu Schaleninnendurchmesser

Y

Parameter nach Definition in Gleichung (7.5-9)

Z

Parameter nach Definition in Gleichung (7.5-10)

β

Beiwert ermittelt aus Bild 7.5-1 und 7.5-2 oder durch das Verfahren in 7.5.3.5.

7.5.2 Halbkugelböden

Die erforderliche Wanddicke eines Halbkugelbodens ist durch die Gleichungen in 7.4.3 gegeben. Die Wanddicke des zylindrischen Bords bis zur Tangente muss mindestens der Wanddicke der Zylinderschale nach 7.4.2 entsprechen.

28

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 5 (2003-02) 7.5.3 Torisphärische Böden 7.5.3.1 Geltungsbereich Die nachstehenden Anforderungen gelten nur für Böden, die alle folgenden Bedingungen erfüllen: r ≤ 0,2Di r ≥ 0,06Di r ≥ 2e e ≤ 0,08De e ≥ 0,001De R ≤ De Wenn e < 0,003Di ist, darf die Berechnung nur auf Böden aus Kohlenstoffstahl und austenitischen rostfreien Stählen mit einer Auslegungstemperatur ≤ 100 °C angewendet werden. 7.5.3.2 Auslegung Die erforderliche Wanddicke e ist gleich dem größten der folgenden Werte es, ey und eb:

es =

P ⋅R 2f ⋅ z - 0,5P

ey =

(7.5-1)

β ⋅ P (0,75R + 0,2D i ) f

(7.5-2)

Dabei wird β aus Bild 7.5-1 oder den Gleichungen in 7.5.3.5 ermittelt.

und

é P e b = (0,75R + 0,2D i )ê ê111f b ë

æ Di çç è r

ö ÷ ÷ ø

0,825

æ 1 ö ç ÷

ù çè 1,5 ÷ø ú ú û

(7.5-3)

Dabei ist:

fb =

R p0,2/t 1,5

(7.5-4)

Ausgenommen sind kaltumgeformte nahtlose Böden aus austenitischem rostfreien Stahl, für die gilt:

fb =

1,6 R p0,2/t 1,5

(7.5-5)

29

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 7 (2003-07)

Unter Prüfbedingungen muss für fb in den Gleichungen der Faktor 1,5 durch 1,05 ersetzt werden. ANMERKUNG 1

Bei nicht kaltumgeformten Böden aus rostfreiem Stahl ist fb kleiner als f.

ANMERKUNG 2 berücksichtigt.

Durch den Faktor 1,6 in der Gleichung für kaltumgeformte Böden wird die Werkstoffverfestigung

ANMERKUNG 3

Die Berechnung von eb entfällt, wenn ey > 0,005Di ist.

ANMERKUNG 4

Die Innenhöhe eines torispärischen Bodens wird gegeben durch

hi = R −

(R − Di / 2 )× (R + Di /2 − 2r )

7.5.3.3 Nachrechnung Für eine gegebene Wanddicke ist der höchstzulässige Berechnungsdruck Pmax gleich dem niedrigsten der folgenden Werte Ps, Py und Pb.

Ps =

2f ⋅ z ⋅ e a R + 0,5 e a

(7.5-6)

1,8 1,7 1,6 1,5 r/Di = 0,2 r/Di = 0,16 r/Di = 0,13 r/Di = 0,1 r/Di = 0,08 r/Di = 0,06

1,4 1,3 1,2

β

1,1 1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,001

0,010 0,75 + 0,2 Di/R) P/f

Bild 7.5-1 – Berechnungsbeiwert β für gewölbte Böden für die Auslegung

30

0,100

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 7 (2003-07)

py =

f. ea β (0,75R + 0,2 D i )

(7.5-7)

Dabei wird β aus Bild 7.5-2 und den Gleichungen in 7.5.3.5 ermittelt.

  ea  P b = 111 f b   0,75R + 0,2 D i 

ANMERKUNG

, 15

 r     Di

0,825

(7.5-8)

Die Berechnung von Pb entfällt, wenn ea > 0,005Di ist.

7.5.3.4 Ausnahmen

1,9 1,8 r/D = 0.2 r/D = 0.16 r/D = 0.13 r/D = 0.1 r/D = 0.08 r/D = 0.06

1,7 1,6 1,5 1,4 1,3 1,2 1,1

β 1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,001

0,010 e/R

0,100

Bild 7.5-2 – Berechnungsbeiwert β für gewölbte Böden für die Nachrechnung Es ist zulässig, die Wanddicke im kugelförmigen Bereich des Bodens (Kalotte) auf den Wert es zu reduzieren; dies gilt für eine Kreisfläche, deren Abstand von der Krempe mindestens dem Abstand 7.5-3 dargestellt.

R ⋅ e entspricht, wie in Bild

Der Bord muss die Anforderungen für zylindrische Schalen in 7.4.2 erfüllen, sofern seine Länge größer ist als

0,2 Di ⋅ e . Sofern der Bord gleich lang oder kürzer ist als 0,2 Di ⋅ e , darf die Wanddicke des Bords gleich der Wanddicke in der Krempe sein.

31

EN13445-3:2002 (D) Ausgabe 5 (2003-02)

7.5.3.5 Gleichungen zur Berechnung des Beiwerts β

>-

R.e

>- es

r

R

-> e

Di De

Bild 7.5-3 – Geometrie torisphärischer Böden

Y = min(e/R ; 0,04)

(7.5-9)

Z = log10(1 / Y )

(7.5-10)

X = r/Di

(7.5-11)

N = 1 , 006 −

1 6 , 2 + (90 Y

{

(7.5-12)

)4 }

Für X = 0,06 gilt:

(

β 0,06 = N −0,3635 Z 3 + 2,2124 Z 2 − 3,2937 Z + 18873 ,

)

(7.5-13)

Für 0,06 < X < 0,1 gilt:

{

}

β = 25 ( 0,1 − X ) β 0,06 + ( X − 0,06 ) β 0,1

(7.5-14)

Für X = 0,1 gilt: β 0,1 = N ( − 0,1833 Z 3 + 1,0383 Z 2 − 1,2943 Z + 0,837 )

32

(7.5-15)

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

Für 0,1 < X < 0,2 gilt:

{

β = 10 (0,2 − X )β 0,1 + ( X − 0,1)β 0,2

}

(7.5-16)

Für X = 0,2 gilt:

{

}

β 0,2 = max 0,95( 0,56 − 194 , Y − 82,5Y 2 ) ; 0,5

(7.5-17)

ANMERKUNG Die vorstehenden Gleichungen für β führen bei Verwendung in 7.5.3.2 zu einer iterativen Berechnung. Dafür wird ein rechnergestütztes Verfahren empfohlen.

7.5.4 Elliptische Böden

Die Anforderungen dieses Abschnitts gelten nur für Böden mit 1,7 < K < 2,2. K = Di/(2hi )

(7.5-18)

Elliptische Böden sind wie äquivalente torisphärische Böden zu berechnen, wobei gilt:

r = Di ((0,5 / K ) - 0,08)

(7.5-19)

und R = D i (0,44K + 0,02)

(7.5-20)

7.6 Kegelschalen und Kegelböden 7.6.1 Anwendungsbedingungen

Die Anforderungen in 7.6.4 - 7.6.8 gelten für die Berechnung kreisförmiger Kegelschalen und Kegel-ZylinderVerbindungen, bei denen Kegel- und Zylinderschale eine gemeinsame Rotationsachse aufweisen. Anforderungen an Kegelschalen mit Versatz der Mittellinie sind in 7.6.9 enthalten. Die Anforderungen gelten nicht: a) für Kegelschalen, deren halber Öffnungswinkel an der Spitze größer ist als 75 °; b) für Kegelschalen mit e ⋅ cos(α ) ≤ 0,001 ; Dc

(7.6-1)

c) für kurze Kegelschalen zur Verbindung von Doppelmantel und Mantel. Mindestwerte für den Abstand von anderen wesentlichen Störstellen sind in den einzelnen Abschnitten angegeben.

33

EN13445-3:2002 (D) Ausgabe 5 (2003-02)

7.6.2 Zusätzliche Definitionen Die folgende Definition gilt zusätzlich zu denen in 7.2.

V

7.6.2.1 Verbindung zwischen Zylinder und Kegel Schnittpunkt der Wanddickenmittellinien von Zylinder- und Kegelschale (Beispiele für die Verbindung an der großen Kegelgrundfläche sind in Bild 7.6-1 und 7.6-2 dargestellt).

1,4 l 1 V

1,4

l2

e1

V

e

2

Dc

V

ec

α

e

V V

Bild 7.6.1 – Geometrie von Kegel-Zylinder-Verbindungen ohne Krempe an der großen Kegelgrundfläche

>- 1,4 l1

-> 1,4

0,5 l1

α

l2

-> e

con

-> e

Dc

2

r

>- e1

>- ecyl

-> 0,7

l2

Bild 7.6.2 – Geometrie von Kegel-Zylinder-Verbindungen mit Krempe an der großen Kegelgrundfläche 34

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

7.6.3 Zusätzliche Symbole und Abkürzungen

Die folgenden Symbole und Abkürzungen gelten zusätzlich zu denen in Tabelle 7.3. Dc De Di DK Dm e econ ecyl e1 e1a e2 e2a f l1 l2 α β βH γ ρ τ

Mittlerer Durchmesser der Zylinderschale an der Verbindungsstelle zur Kegelschale; Außendurchmesser der Kegelschale; Innendurchmesser der Kegelschale; Durchmesser nach Berechnung nach Gleichung (7.6-8); Mittlerer Durchmesser der Kegelschale; Erforderliche Wanddicke der Kegelschale nach Berechnung in 7.6.4; Erforderliche Wanddicke der Zylinderschale nach Berechnung in 7.4.2; Erforderliche Wanddicke an der Verbindungsstelle an der großen Kegelgrundfläche; Erforderliche Wanddicke der Zylinderschale an der Verbindungsstelle; Berechnungswanddicke der verstärkten Zylinderschale; Erforderliche Wanddicke von Kegelschale und Krempe an der Verbindungsstelle; Berechnungswanddicke der verstärkten Kegelschale; Ist die Nennberechnungsspannung. In der Berechnung der Verbindungen nach 7.6.6 bis 7.6.9 ist es der niedrigste der Werte für die einzelnen Bauteile; Länge entlang der Zylinderschale; Länge entlang der Kegelschale (große oder kleine Grundfläche); Halber Öffnungswinkel der Kegelschale an der Spitze (in Grad oder rad, je nach Gleichung); Beiwert nach Definition in 7.6.6; Beiwert nach Definition in 7.6.8; Beiwert nach Definition in 7.6.7; Beiwert nach Definition in 7.6.7; Beiwert nach Definition in 7.6.8.

7.6.4 Kegelschalen

Die erforderliche Wanddicke an jedem beliebigen Punkt entlang der Länge der Kegelschale wird nach einer der beiden folgenden Gleichungen berechnet:

e=

P ⋅ Di 1 ⋅ 2f ⋅ z − P cos(α )

(7.6-

P ⋅ De 1 ⋅ 2f ⋅ z + P cos(α )

(7.6-

2) oder

e= 3)

Dabei sind Di und De die Durchmesser im betrachteten Punkt.

35

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

Für eine gegebene Wanddicke gilt: P max =

2f ⋅ z ⋅ e a ⋅ cos(α ) Dm

(7.6-4)

Dabei ist Dm der Durchmesser im betrachteten Punkt. Für die Berechnung der erforderlichen Dicke an der großen Grundfläche eines mit einer Zylinderschale verbundenen Kegelschale dürfen nachstehende Ersetzungen vorgenommen werden: Di = Dk

(7.6-5)

De = Dk + 2e2 cos(α)

(7.6-6)

Dm = (Di + De) / 2

(7.6-7)

Dabei ist: DK = D c − e1 − 2r {1 − cos(α )} − l 2 sin(α )

(7.6-8)

ANMERKUNG 1 Die angegebenen Wanddicken sind Mindestwerte. An Verbindungsstellen mit anderen Bauteilen, zur Verstärkung an Stutzen oder Ausschnitten oder zur Aufnahme anderer Belastungen als Druck können größere Wanddicken erforderlich sein. ANMERKUNG 2 Da es sich bei der oben ermittelter Wanddicke um den zulässigen Mindestwert an diesem Punkt entlang der Kegelschale handelt, ist es zulässig, eine Kegelschale aus Platten unterschiedlicher Dicke zu fertigen, sofern die Mindestdicke an jedem Punkt erreicht wird.

7.6.5 Verbindungen

Die Anforderungen in 7.6.6, 7.6.7 und 7.6.8 gelten nur, wenn die Länge des ungestörten Bereichs zwischen dieser Verbindung und einer anderen Verbindung oder wesentlichen Störstelle, z. B. eine andere Kegel-ZylinderVerbindung oder ein Flansch, an der Zylinderschale mindestens 2 l1 und an der Kegelschale mindestens 2 l2 beträgt. Dabei ist: l1 = D c . e1

l2 =

Dc .e 2 cos(α )

(7.6-9)

(7.6-10)

7.6.6 Kegel-Zylinder-Verbindung ohne Krempe an der großen Kegelgrundfläche 7.6.6.1 Geltungsbereich

Dieser Abschnitt gilt nur, wenn alle nachstehenden Bedingungen erfüllt sind. a)

Die Verbindung ist eine Stumpfnaht, wobei die inneren und äußeren Nahtoberflächen gleichmäßig in die benachbarte Kegel- bzw. Zylinderschale übergehen, ohne dass die Wanddicke örtlich vermindert wird.

b)

Die Schweißnaht wird zu 100 % einer zerstörungsfreien Prüfung (Durchstrahlungs- oder Ultraschallprüfung) unterzogen, sofern die Dicke an der Schweißnaht nicht auslegungsbedingt 1,4 ej übersteigt; in diesem Fall gelten die Anforderungen für die betreffende Bauausführungskategorie.

36

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 7 (2003-07)

7.6.6.2 Auslegung Die erforderliche Wanddicke e1 der Zylinderschale an der Verbindungsstelle ist gleich dem größeren der Werte für ec und ej, wobei ej wie folgt berechnet wird:

β=

1 Dc tan(α ) ⋅ − 0,15 3 e j 1 + 1 / cos(α )

(7.6-11)

ej =

P ⋅ Dc ⋅ β 2f

(7.6-12)

Das Ergebnis ist annehmbar, wenn der durch Gleichung (7.6-12) ermittelte Wert ej nicht niedriger ist, als der in Gleichung (7.6-11) angenommene. Der Wert von β kann auch dem Diagramm in Bild 7.6-3 entnommen werden. Diese Wanddicke muss bis zu einem Abstand von der Verbindung von mindestens 1,4l1 entlang des Zylinders beibehalten werden. 5,0 4,5 4,0

α α α α α α

3,5 3,0

β

= 10º = 20º = 30º = 40º = 50º = 60º

2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,001

0,010

0,100

P/f

Bild 7.6-3 – Werte für β für Kegel-Zylinder-Verbindung ohne Krempe an der großen Kegelgrundfläche

37

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

Die erforderliche Wanddicke e2 der Kegelschale an der Verbindungsstelle ist gleich dem größeren der Werte von e und ej. Diese Dicke muss bis zu einem Abstand von der Verbindung von mindestens 1,4 l2 entlang des Kegels beibehalten werden (siehe Bild 7.6-1). Die Verstärkung darf wie folgt umverteilt werden, sofern die Mindestwanddicken nach 7.4.2 und 7.6.4 weiterhin eingehalten werden. Die Wanddicke der Zylinderschale kann nahe der Verbindungsstelle erhöht und weiter davon entfernt verringert werden, sofern die Querschnittsfläche der Zylinderwand bis zu einem Abstand von 1,4 l1 von der Verbindungsstelle mindestens 1,4·e1·l1 beträgt. Des weiteren kann die Wanddicke der Kegelschale nahe der Verbindungsstelle erhöht und weiter davon entfernt verringert werden, sofern die Querschnittsfläche der Kegelschale bis zu einem Abstand von 1,4 l2 von der Verbindungsstelle mindestens 1,4·e2·l2 beträgt. 7.6.6.3 Nachrechnung

Der höchstzulässige Berechnungsdruck Pmax für eine gegebene Wanddicke wird wie folgt ermittelt: a) Pmax nach Gleichung (7.4-3) für die Zylinderschale berechnen. b) Pmax nach Gleichung (7.4-4) für die Kegelschale berechnen. c) Die Berechnungswanddicke e1a der verstärkten Zylinderschale an der Verbindungsstelle ermitteln. d) Die Berechnungswanddicke e2a der verstärkten Kegelschale an der Verbindungsstelle ermitteln. e) Pmax nach Gleichung (7.6-4) mit Wanddicke e2a und Durchmesser Dm berechnen. f) Für ej den niedrigeren Wert von e1a und e2a einsetzen. g) Den Wert von β aus Gleichung (7.6-11) berechnen; dann ist P max =

2f ⋅ e j β ⋅ Dc

(7.6-13)

h) Der höchstzulässige Berechnungsdruck ist der niedrigste der in den Schritten a), b), e) und g) ermittelten Drücke. ANMERKUNG Die Berechnungswanddicke der verstärkten Zylinderschale in vorstehendem Schritt c) bzw. d) kann mit folgendem Verfahren ermittelt werden:

1) Den Wert e1a schätzen. Der Ausgangswert sollte die Berechnungswanddicke an der Verbindungsstelle sein. 2) Den Wert von l1 berechnen.

l1 = 14 , D c . e1a

(7.6-14)

3) Ist die Wanddicke über die Länge l1 konstant, dann ist e1a bereits gefunden. 4) Andernfalls ist die Wandquerschnittsfläche A1 innerhalb eines Abstands l1 von der Verbindungsstelle zu berechnen. 5) Aus der folgenden Gleichung ergibt sich eine bessere Näherung.

e1a = A1 l1 Das Ergebnis ist annehmbar, wenn der Wert nicht größer ist als der in Schritt 1) geschätzte Wert. 6) Ist das Ergebnis nicht annehmbar, zu 1) zurückgehen.

38

(7.6-15)

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

7) In gleicher Weise ist mit nachstehender Gleichung der Wert von e2a zu ermitteln.

D c . e 2a cos (α )

, l2 = 14

(7.6-16)

7.6.7 Kegel-Zylinder-Verbindung mit Krempe an der großen Kegelgrundfläche 7.6.7.1 Geltungsbereich

Die Anforderungen dieses Unterabschnitts gelten nur, wenn alle nachstehenden Bedingungen erfüllt sind. a)

Die Krempe weist Torusform und gleichmäßige Übergänge zur benachbarten Kegel- bzw. Zylinderschale auf.

b)

Der innere Krümmungsradius der Krempe ist r ≤ 0,3 Dc.

ANMERKUNG

Dieser Abschnitt schreibt keinen Mindestwert für den Krümmungsradius der Krempe vor.

7.6.7.2 Auslegung

Der Wert ej wird nach folgendem Verfahren berechnet: Einen Wert für ej schätzen und dann wie folgt berechnen:

β=

ρ=

1 Dc tan(α ) ⋅ − 0,15 3 e j 1 + 1 / cos(α )

0,028r

Dc ⋅ e j 1+ 1 /

γ = 1+

ej =

α

.

cos(α )

ρ æ 0,2 ö ÷ 1,2 çç 1 + ρ ÷ø è

P ⋅ Dc ⋅ β 2f γ

(7.6-17)

(7.6-18)

(7.6-19)

(7.6-20)

Das Ergebnis ist annehmbar, wenn der durch Gleichung (7.6-20) ermittelte Wert ej nicht niedriger ist als der angenommene Wert. Die erforderliche Wanddicke e1 der Zylinderschale an der Verbindungsstelle ist gleich dem größeren Wert von ec bzw. ej. Diese Dicke muss bis zu einem Abstand von mindestens 1,4 l1 von der Verbindungsstelle und bis zu einem Abstand von 0,5 l1 von der Tangente zwischen Zylinderschale und Krempe entlang der Zylinderschale beibehalten werden. Die erforderliche Wanddicke e2 von Krempe und Kegelschale an der Verbindungsstelle entspricht dem größeren Wert von e bzw. ej. Diese Dicke muss bis zu einem Abstand von mindestens 1,4 l2 von der Verbindungsstelle und bis zu einem Abstand von 0,7 l2 von der Tangente zwischen Kegelschale und Krempe entlang der Kegelschale beibehalten werden.

39

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

7.6.7.3 Nachrechnung

Der höchstzulässige Berechnungsdruck Pmax für eine gegebene Geometrie wird wie folgt ermittelt: a)

Die Berechnungswanddicke e1a der Zylinderschale im Krempenbereich und e2a der Krempe und des angrenzenden Teils der Kegelschale ermitteln.

b)

Überprüfen, dass die Bedingungen in 7.6.7.1 erfüllt werden.

c)

Pmax nach Gleichung (7.4-3) mit ea = e1a für die Zylinderschale berechnen.

d)

Pmax nach Gleichung (7.6-4) mit ea =e2a für die Kegelschale berechnen.

e)

Der Wert von ej ist der kleinere der für e1a und e2a ermittelten Werte.

f)

Die Werte für β und γ aus den Gleichungen (7.6-17) und (7.6-19) ermitteln und dann Pmax wie folgt berechnen: Pmax =

g)

2f ⋅ γ ⋅ e j

(7.6-21)

β ⋅ Dc

Der höchstzulässige Berechnungsdruck ist der niedrigste der in den Schritten c), d) und f) ermittelten Drücke.

7.6.8 Kegel-Zylinder-Verbindung an der kleinen Kegelgrundfläche 7.6.8.1 Geltungsbereich

Die Anforderungen dieses Unterabschnitts gelten nur, wenn alle nachstehenden Bedingungen erfüllt sind. a)

Die erforderliche Wanddicke der Zylinderschale e1 wird bis zu einem Abstand l1 von der Verbindungsstelle und die erforderliche Wanddicke der Kegelschale e2 bis zu einem Abstand l2 von der Verbindungsstelle beibehalten (siehe Bild 7.6-4).

b)

Die Wanddicken erfüllen die Anforderungen in 7.4.2 und 7.6.4.

c)

Die Zylinderschale ist der vollen Axialdruckkraft ausgesetzt.

α

e1

e2

V

l1 Dc

V

V

V

l1

Bild 7.6-4 – Geometrie von Kegel-Zylinder-Verbindungen an der kleinen Kegelgrundfläche

40

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

7.6.8.2 Auslegung

Die erforderlichen Wanddicken e1 und e2 werden wie folgt ermittelt: Werte für e1 und e2 wählen.;

s=

e2 e1

(7.6-22)

Für s < 1 gilt:

τ =s

s 1 + s2 + cos(α ) 2

(7.6-23)

Für s ≥ 1 gilt: ïì 1 + s 2 ïü τ = 1+ s ⋅ í ý ïî 2 cos(α ) ïþ (7.6-24)

β H = 0,4

D c tan(α ) ⋅ + 0,5 τ e1 (7.6-25)

Wenn nachstehende Gleichung erfüllt ist

P ≤

2f ⋅ z ⋅ e 1 Dc ⋅ βH

(7.6-26)

sind die Werte für e1 und e2 annehmbar. Andernfalls die Berechnung mit höheren Werten für e1 und e2 wiederholen. ANMERKUNG Nach vorstehenden Gleichungen werden e1 und e2 nicht getrennt berechnet. Diese Werte können beliebig so gewählt werden, wie es für die Auslegung zweckmäßig ist, d. h. um beispielsweise einen günstigen Wert für l1 oder l2 zu erhalten.

Unter der Voraussetzung, dass die Anforderungen in 7.4.2 und 7.6.4 weiterhin eingehalten werden, darf die Berechnung nach der vorstehenden Regel wie folgt modifiziert werden: a)

Ist e1 = e2, dann kann eine Krempe derselben Dicke vorgesehen werden. Die Abstände l1 und l2 werden auch weiterhin ab der Verbindungsstelle (dem Schnittpunkt der Mittellinien von Zylinder- und Kegelschale) gemessen.

b)

Die Wanddicke der Zylinderschale kann nahe der Verbindungsstelle erhöht und weiter davon entfernt verringert werden, sofern die Querschnittsfläche der Zylinderschale bis zu einem Abstand von l1 von der Verbindungsstelle mindestens l1·e1 beträgt. Des weiteren kann die Wanddicke der Kegelschale nahe der Verbindungsstelle erhöht und weiter davon entfernt verringert werden, sofern die Querschnittsfläche der Kegelschale bis zu einem Abstand von l2 von der Verbindungsstelle mindestens l2·e2 beträgt.

41

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

7.6.8.3 Nachrechnung

Der höchstzulässige Berechnungsdruck Pmax für eine gegebene Geometrie wird wie folgt ermittelt:

P max =

2f ⋅ z ⋅ e1a D c ⋅ βH

(7.6-27)

Dabei sind e1a und e2a die Berechnungswanddicken; βH ist Gleichung (7.6-22) bis (7.6-25) zu entnehmen. ANMERKUNG 1 telt.

Die Werte von e1a und e2a werden nach dem in der Anmerkung in 7.6.6.3 beschriebenen Verfahren ermit-

ANMERKUNG 2 Die Berechnungswanddicken können die erforderliche Wanddicke übersteigen, ohne deshalb zu einer Zunahme von l1 bzw. l2 zu führen.

7.6.9 Kegelschalen mit Mittellinienversatz

Die Anforderungen dieses Abschnitts gelten für Verbindungskegel zwischen zwei Zylinderschalen mit Mittellinienversatz (siehe Bild 7.6-5). Die Mittellinien der beiden Zylinderschalen müssen parallel sein, wobei der Versatz zwischen den Mittellinien nicht größer sein darf als die Differenz ihrer Radien. Die erforderliche Wanddicke für die Verbindung an der großen Kegelgrundfläche wird nach 7.6.6 und für die Verbindung an der kleinen Kegelgrundfläche nach 7.6.8 ermittelt. Der größere der beiden Werte ist auf die gesamte Kegelschale anzuwenden. Für den Winkel α wird der größte Winkel zwischen Kegel- und Zylinderschale eingesetzt.

Versatz

Bild 7.6-5 – Kegelschale mit Mittellinienversatz

7.7 Stutzen im Krempenbereich 7.7.1 Zusätzliche Symbole und Abkürzungen Die folgenden Symbole und Abkürzungen gelten zusätzlich zu denen in 7.5.1. A

Beiwert nach Definition in Gleichung (7.7-4) oder (7.7-8)

A1

Beiwert nach Definition in Gleichung (7.7-14) oder (7.7-18)

42

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

B

Beiwert nach Definition in Gleichung (7.7-5) oder (7.7-9)

B1

Beiwert nach Definition in Gleichung (7.7-13) oder (7.7-17)

βk

Beiwert für die Verschwächung durch den Stutzen nach Gleichung (7.7-10)

di

Innendurchmesser des Stutzens

X

Beiwert nach Definition in Gleichung (7.7-11) oder (7.7-15)

V

Beiwert nach Definition in Gleichung (7.7-3) oder (7.7-7)

7.7.2 Geltungsbereich

Dieser Abschnitt enthält Anforderungen für die Erhöhung der Dicke von gewölbten Böden zum Ausgleich für Ausschnitte durch Stutzen, die nicht vollständig im Mittelbereich des Boden nach Definition in 9.7.4 liegen und nicht in Abschnitt 9 behandelt werden. Die Anforderungen gelten nur für Klöpper- und Korbbogenböden, die nachstehenden Gleichungen genügen: di/De = 0,6 1)

(7.7-

und di eDe

≤ 6,7

(7.7-

2) Der Stutzen muss so angeordnet werden, dass seine Mittellinie in einer Ebene mit der Mittellinie des Behälters liegt. Die Stutzenmittellinie muss zwischen der Senkrechten zur Wand des Bodens und einer parallelen Linie zur Behältermittellinie liegen. Der Stutzen muss so angeordnet werden, dass er die Tangente zwischen Krempe und Zylinder nicht schneidet. Die folgenden Anforderungen gelten auch für parallel zur Behältermittellinie liegende Stutzen, deren Außendurchmesser mit dem Außendurchmesser des Behälters in einer Linie liegt. Die nach diesem Absatz erforderliche Dickenerhöhung gilt für den gesamten Bereich der Krempe. Aufschweißungen zur Verstärkung sind nicht zulässig. Die Wanddicke im Kalottenbereich kann verringert werden, wenn die Anforderungen in 7.5.3.4 erfüllt sind und die Verstärkung in diesem Bereich den Anforderungen in Abschnitt 9 genügt. 7.7.3 Auslegung

Für Klöpperböden gilt: Pö æ V = log10 ç1000 ÷ è fø 3) 2 3 A = max (0,5 ; 0,264 + 0,938V - 0,592V + 0,14V ) 4)

(7.7(7.7-

43

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

2

B = min (4,2 ; 4,9 - 2,165V + 0,151V ) 5)

(7.7-

æ d d ö β k = max ç A + B i ; 1 + 0,3B i ÷ D D è e eø 6) Für Korbbogenböden gilt:

(7.7-

Pö æ V = log10 ç1000 ÷ è fø 7)

(7.7-

A = 0,54 + 0,41V - 0,044V 8)

3

(7.7-

B = 7,77 - 4,53V + 0,744V 9)

2

(7.7-

æ d ö d β k = max ç A + B i ; 1 + 0,5 B i ÷ De ø De è 10)

(7.7-

Der Parameter P in Gleichung (7.5-2) und Bild 7.5-1 ist durch P βk zu ersetzen, um die erforderliche Wanddicke zu erhalten. Die Gleichungen (7.5-1) und (7.5-3) gelten weiterhin unverändert. ANMERKUNG

Die Kurven in Bild 7.7-1 und 7.7-2 beruhen auf der vorstehenden Berechnung und geben

ef als Funktion PR

von P/f und di/De an.

2,5

d i

di

/D e

/D e

=

0,

6

=0

,45

2

di /D e = 0,3

e

P R

f

1,5 d i /De = 0 ,2 d i /De = 0, 1 d i /De = 0

1

0,5 1,3

2,5

5,0

10,0

20,0

40,0

1000 P/f

Bild 7.7-1 – Auslegungswerte für Klöpperböden (Verhältnisgrößen)

44

80,0

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

3

d

i

/D

e

i

/D

e

2,5

0,

=0

,45

di / D

e

2 e

=

6

d

=0

,3

P R

f

di /D e

1,5

= 0,2

d i /De = 0,1 1 d i /De = 0

0,5 1,3

2,5

5,0

10,0

20,0

40,0

80,0

1000 P/f

Bild 7.7-2 – Auslegungswerte für Korbbogenböden (Verhältnisgrößen) 7.7.4 Nachrechnung

Der einer gegebenen Geometrie des Behälters entsprechende höchstzulässige Berechnungsdruck kann durch ein numerisches Suchverfahren ermittelt werden. Alternativ kann das nachstehende Verfahren angewandt werden, das zu einer näherungsweise und in jedem Fall konservativen Schätzung von βk. führt. Für Klöpperböden gilt:

æ e X = log10 çç1000 a De è

ö ÷÷ ø

A1 = 1,07 max(0,71 - X ; 0,19X + 0,45)

(7.7-11)

(7.7-12)

45

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

ì öü æ 1 ï ÷ï B1 = 1,02 í minç ç 0,241 + 0,116 X − 0,26 3 ÷ ý ïî ( ) ø ïþ è

(7.7-13)

æ d d ö β k = max ç A1 + B1 i ; 1 + 0,3B1 i ÷ D D è eø e

(7.7-14)

Für Korbbogenböden gilt:

æ e X = log10 çç1000 a De è

A1 =

ö ÷÷ ø

(7.7-15)

1 æD ö 1136 , + 0,0053 ç e ÷ è di ø

0,8

3

(7.7-16)

B1 = (8,87 - 4,35X + 0,19X )

(7.7-17)

d ö ïü d ö d æ d æ ïì β k = maxí(1 + 0,1 i ) ç A1 + B1 i ÷ ;(1 + 11 , i ) ç1 + 0,5B1 i ÷ ý De ø ïþ De ø De è De è ïî

(7.7-18)

Der Parameter β in Gleichung (7.5-7) ist durch β⋅βk zu ersetzen. Gleichungen (7.5-6) und (7.5-8) Gelten weiterhin unverändert. 7.7.5 Böden mit mehreren Stutzen im Krempenbereich

Die in Abschnitt 9 enthaltenen Anforderungen an Böden mit mehreren Ausschnitten gelten auch für nach diesen Anforderungen berechnete Ausschnitten, bei denen die Stege zwischen benachbarten Stutzen vollständig innerhalb des in 9.7.2.4 definierten Mittelbereichs liegen. Liegt die Verbindungslinie zwischen zwei benachbarten Stutzen nicht vollständig in diesem Mittelbereich, muss die Stegbreite mindestens gleich der Hälfte der Summe der beiden Ausschnittsdurchmesser der Stutzen sein.

46

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

8 Schalen unter Außendruck 8.1 Zweck Dieser Abschnitt berücksichtigt die Belastungen von Schalen durch Außendruck. Die Anforderungen gelten für versteifte und unversteifte Zylinder-, Kegel- und Kugelschalen sowie gewölbte Böden. Liegen andere signifikante Belastungen vor, sind ggf. geeignete Vorkehrungen für die Lastaufnahme durch Erhöhung der Wanddicke oder Einbringung von Versteifungen zu treffen. Die Anforderungen gelten nicht für den Zeitstandbereich.

8.2 Zusätzliche Definitionen Die folgenden Definitionen gelten zusätzlich zu denen in Abschnitt 3. 8.2.1 Zulässige Elastizitätsgrenze die in diesem Abschnitt für die Auslegung unter Außendruck angewendete Elastizitätsgrenze. 8.2.2 Schwere Versteifung Versteifungsring, vom Konstrukteur als 'schwere' Versteifung ausgelegt, auf den besondere Anforderungen dieses Abschnitts zur Anwendung kommen. 8.2.3 Leichte Versteifung Versteifungsring, vom Konstrukteur als 'leichte' Versteifung ausgelegt, auf den besondere Anforderungen dieses Abschnitts zur Anwendung kommen. 8.2.4 Versagen zwischen zwei Versteifungen Versagen des Abschnitts einer Zylinderschale zwischen zwei Versteifungsringen oder zwischen einem Versteifungsring und einem Behälterboden. 8.2.5 Gesamtversagen Versagen des Abschnitts einer Zylinderschale, der durch eine leichte oder schwere Versteifung verstärkt ist. 8.2.6 Ebene mit tragender Versteifung Behälterboden oder Ebene, der/die den Behälter in zwei Teile unterteilt, von denen ein jedes separat in bezug auf den Außendruck behandelt wird. 8.2.7 Sicherheitsbeiwert Verhältniswert des niedrigsten geschätzten Versagensdrucks zum Berechnungsdruck. 8.2.8 Seitliche Auslenkung von Versteifungen Seitliche Verdrehung einer Versteifung um seine Verbindungsstelle mit der Schale.

47

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

8.3 Zusätzliche Symbole und Abkürzungen Die folgenden Symbole und Abkürzungen gelten zusätzlich zu denen in Abschnitt 4. a

Schalenlänge plus Heiz-/Kühlwendel, siehe Bilder 8.5-11 und 8.5-12;

Ae

Querschnittsfläche der Versteifung plus mittragende Schalenlänge (siehe Gleichung 8.5.3-30);

Af

Querschnittsfläche des Flansches einer Versteifung;

Am

Modifizierte Querschnittsfläche der Versteifung (siehe Gleichung 8.5.3-17));

As

Querschnittsfläche der Versteifung;

Aw

Querschnittsfläche des Stegs;

B

Parameter für die Berechnung des Versagens zwischen zwei Versteifungen (siehe Gleichung (8.5.318));

C

Beiwert für die Berechnung der seitlichen Auslenkung einer Versteifung (siehe Gleichungen (8.5.361) und (8.5.3-62));

CG s

Lage des Flächenschwerpunkts einer Versteifung;

CGc

Lage des Flächenschwerpunkts der Versteifung und der mittragenden Länge der Schale;

d

Abstand bis zum äußersten Rand der Versteifung (siehe Gleichung 8.5.3-49));

d

Steghöhe der Versteifung zwischen Flanschen (siehe Bild 8.5-14, 8.5-15, 8.5-16 und 8.5-17);

ef

Dicke des Flansches einer Versteifung;

ew

Dicke des Stegs einer Versteifung;

G

Parameter für die Berechnung des Versagens zwischen zwei Versteifungen (siehe Gleichung (8.5.322));

h, h ' , h "

Äußere Wölbungshöhe von gewölbten Böden (siehe Bild 8.5.1 und 8.5.2);

Ie

Flächenträgheitsmoment der kombinierten Querschnittsfläche von Versteifung und die Versteifung unterstützender mittragender Schalenlänge (Le) um eine zur Zylinderachse parallele Achse durch den Flächenschwerpunkt der kombinierten Querschnittsfläche (siehe Gleichung (8.5.3-26));

I est

Geschätztes Flächenträgheitsmoment einer Versteifung;

48

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

If

Flächenträgheitsmoment des Flansches um seinen Flächenschwerpunkt;

Is

Flächenträgheitsmoment der Querschnittsfläche der Versteifung um eine zur Zylinderachse parallele Achse durch den Flächenschwerpunkt;

Iw

Flächenträgheitsmoment des Stegs um seinen Flächenschwerpunkt;

L

Ungestützte Schalenlänge;

L cyl

Zylinderschalenlänge zwischen Tangenten;

Lcon

Axial Länge einer Kegelschale (siehe Bild 8.5-2);

Le

Mittragende Schalenlänge zur Unterstützung einer leichten Versteifung (siehe Gleichung (8.5.3-34));

L eH

Mittragende Schalenlänge zur Unterstützung einer schweren Versteifung nach 8.5.3.6;

LH

Abstand zwischen schweren Versteifungen (siehe Tabelle 8.5-1);

L'H , L" H , K Längen zwischen schweren Versteifungen (siehe Bild 8.5-7); Ls

Mittlere Länge zweier Mantelzwischenräume auf beiden Seiten einer leichten Versteifung (siehe Tabelle 8.5-1);

L sH

Mittlere Länge zweier Mantelzwischenräume auf beiden Seiten einer schweren Versteifung (siehe Tabelle 8.5-1);

L' s , L" s , K

Einzelne Längen leichter Versteifungen (siehe Bild 8.5-6 und 8.5-8);

N

Parameter für die Berechnung des Versagens zwischen zwei Versteifungen (siehe Gleichung (8.5.321) und Tabelle 8.5-2);

n

Umfangswellenzahl eines versteiften Zylinders;

n cyl

Umfangswellenzahl des unversteiften Teils der Zylinderschale (siehe 8.5.2.2);

P

Geforderter Auslegungsaussendruck ;

PC

Auslegungsdruck in einem Heiz-/Kühlkanal, wie in 8.5.3.5 verwendet;

pg

Theoretischer elastischer Beuldruck einer versteiften Zylinderschale (siehe Gleichung (8.5.3-24)) oder einer Kegelschale (siehe Gleichung (8.6.4-1));

49

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

pH

Versagensdruck einer schweren Versteifung (siehe Gleichung (8.5.3-51));

pm

Theoretischer elastischer Beuldruck bei Versagen einer perfekten Zylinder-, Kegel- oder Kugelschale (siehe Gleichungen (8.5.2-5), (8.6.3-2) und (8.7.1-2));

pr

Berechneter unterer Versagensdruck (nach Bild 8.5-5);

py

Druck, bei dem die mittlere Umfangsspannung einer Zylinder- oder Kegelschale in der Mitte zwischen den Versteifungen bzw. einer Kugelschale die Fließgrenze des Werkstoffs erreicht (siehe Gleichungen (8.5.2-4), (8.6.3-1) und (8.7.1-1));

p ys

Druck, der Fließen der Versteifung in Umfangsrichtung verursacht (im Fall einer Zylinderschale siehe Gleichung (8.5.3-47) bzw. einer Kegelschale siehe Gleichung (8.6.4-6));

R

Mittlerer Radius einer Zylinder- oder Kugelschale bzw. des Wölbungsradius eines torisphärischen Bodens;

Rf

Radius zu dem Teil der Versteifung mit dem größten Abstand von der Schale (siehe Bild 8.5-14 bis 8.5-17);

Rs

Radius des Flächenschwerpunkts der Versteifungsquerschnittsfläche;

Rp0,2 / t,s

Mindestwert der 0,2-%-Dehngrenze der Versteifung bei einer Temperatur t °C;

ri

Radius des der Schale nächstliegenden Punkts des Versteifungsstegs, der bei der Berechnung der Auslenkung der Versteifung als Drehpunkt angenommen wird (siehe Bild 8.5-14 bis 8.5-17);

S

s der in diesem Abschnitt angewandte Sicherheitsfaktor, siehe Gleichung (8.4.4-1);

Sf

Faktor abhängig von der Fertigungsmethode für die Versteifung - Gleichungen (8.5.3-32) und (8.5.333);

u

Zur Berechnung von L e verwendeter Parameter (siehe Gleichungen (8.5.3-36));

wi

Gesamte an der Schale anliegende Breite der Versteifung i (siehe Gleichung (8.5.3-48) und Bild 8.514 bis 8.5-17);

wf

Überstandsbreite des Versteifungsflansches (siehe Bild 8.5-14 bis 8.5-17);

w ' i , w ' 'i

An der Schale anliegende Breiten der Versteifung i (siehe Bild 8.5-8);

Xe

Parameter in der Berechnung des Gesamtversagens (siehe Gleichung (8.5.3-27));

XeH

Parameter in der Berechnung des Gesamtversagens (siehe Gleichung (8.5.3-53));

Y1,Y2 ,Y3

Beiwerte zur Berechnung von L e (siehe 8.5.3.6.3);

50

EN13445-3:2002 (D) Ausgabe 5 (2003-02)

α

Halbwinkel eines Kegels an seiner Spitze (in Grad) (siehe Bild 8.5-2);

β δ

Parameter ermittelt aus Bild 8.5-13 oder berechnet mit Gleichung (8.5.3-25); Auslegungsparameter für Versteifungen (siehe Gleichungen (8.5.3-19) und (8.5.3-20));

ε

Mittlere elastische Dehnung in Umfangsrichtung bei Versagen (siehe 8.5.2.2);

ε'

Modifizierte mittlere elastische Dehnung in Umfangsrichtung bei Versagen einer Kegelschale;

λ

Von der Lage der Versteifung abhängiger Parameter (siehe Gleichungen (8.5.3-28) und (8.5.3-29));

σ e , σ es

Nennelastizitätsgrenzen für Schale und Versteifung, siehe 8.4;

σH

Maximale Spannung in einer schweren Versteifung (siehe Gleichung (8.5.3-56));

σi

Instabilitätsspannung, bei der seitliche Auslenkung von Versteifungen auftritt (siehe Gleichungen (8.5.3.-60) und (8.5.3-65));

σs

Maximale Spannung in leichten Versteifungen (siehe Gleichungen (8.5.3-46) und (8.6.4-5)).

8.4 Allgemeines 8.4.1 Die Wanddicke von Bauteilen unter äußerem Überdruck muss mindestens gleich der Wanddicke vergleichbarer Bauteile unter gleich hohem inneren Überdruck nach dieser Norm sein, wobei ein Faktor von 1,0 zu verwenden ist. 8.4.2 Für Schalen aus nichtaustenitischem Stahl wird die zulässige Elastizitätsgrenze wie folgt berechnet:

σ e = R p0,2/t

(8.4.2-1)

Für Versteifungen aus dem gleichen Werkstoff gilt:

σ es = R p0,2/t,s

(8.4.2-2)

8.4.3 Für Schalen aus austenitischem Stahl wird die zulässige Elastizitätsgrenze wie folgt berechnet:

σe =

R p0,2/t

(8.4.3-1)

1,25

Für Versteifungen aus dem gleichen Werkstoff gilt: σ es =

R p0,2/t,s

(8.4.3-2)

1,25

ANMERKUNG

Wenn der Wert für Rp0,2 nicht verfügbar ist, ist Rp1,0/1,3 eine sichere Annahme.

51

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

8.4.4 Der für die Bestimmungen dieses Abschnitts anzuwendende kleinste Sicherheitsbeiwert wird wie folgt ermittelt:

Für Auslegungsbedingungen S = 1,5

(8.4.4-1)

Für Testbedingungen S = 1,1

(8.4.4-2)

8.5 Zylinderschalen 8.5.1 Zulässige Unrundheit 8.5.1.1 Prüfung auf Einhaltung der Toleranz

Die Anforderungen in 8.5.2 und 8.5.3 gelten nur für Zylinder, die mit einer Toleranz von 0,5 % des Radius (0,005R), gemessen vom wahren Mittelpunkt, kreisrund sind. Die Toleranz muss auf der Behälterzeichnung angegeben werden. Meßverfahren zur Prüfung der Behälterform sind in Anhang D beschrieben. Ein Verfahren zur Bestimmung des wahren Mittelpunkts anhand mehrerer Radiusmessungen und damit zur Ermittlung der Unrundheit eines Behälters ist in Anhang E dargestellt. Es ist möglich, die Toleranz etwas zu reduzieren, wenn eine ausreichende Dicke gegeben ist. Auf diesen Aspekt wird in 8.5.1.2 eingegangen. 8.5.1.2 Zulässige Unrundheit bei Zylinderschalen mit überhöhter Wanddicke

Wenn der in 8.5.2.2 festgelegte zulässige Druck Pr / S größer ist als der Auslegungsdruck, dann kann die geforderte Toleranz für die Zylinderschale erhöht werden auf: Toleranz

= 0,005

Pr PS

(8.5.1-1)

Für versteifte Zylinder muss Gleichung (8.5.3-46) erfüllt sein, wobei anstelle von 0,005 die gewünschte Toleranz eingesetzt wird. 8.5.1.3 Zulässiger Druck bei Überschreiten der Toleranz von 0,5 %

Wird bei einer Schale nach der Fertigung ein Überschreiten der festgelegten Toleranz von 0,5 % festgestellt, ist der zulässige Druck ebenfalls nach Anhang F zu berechnen. ANMERKUNG In der Praxis ist es so, dass in den meisten Fällen, wenn eine Rundheitstoleranz für eine Zylinderschale nicht eingehalten wird, es durch Anwendung des Anhangs F nachgewiesen werden kann, dass die derzeitige Form annehmbar ist. Dies sollte jedoch nicht ohne Verwendung der Prozedur nach Anhang F angenommen werden.

52

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 7 (2003-07)

8.5.2 Unversteifte Zylinderschalen 8.5.2.1 Ungestützte Länge Die Länge L in Bild 8.5-1 wird wie folgt berechnet:

L = Lcyl + 0,4h ' + 0,4h "

(8.5.2-1) L

0,4 h'

0,4 h"

L cyl

h'

h"

Bild 8.5-1 – Zylinderschale mit Böden

Die Länge L in Bild 8.5-2 wird wie folgt berechnet: - für α ≥ 30°:

L = L cyl + 0,4h

(8.5.2-2)

- für α < 30°:

L = Lcyl + 0,4h + Lcon

(8.5.2-3) L

h

L cyl

α >_ 30

0.4h

α < 30 L con

L cyl L

ANMERKUNG

Kegel-Zylinder-Verbindungen siehe 8.6.5.

Bild 8.5-2 – Zylinderschale mit Boden und Kegel

53

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 7 (2003-07)

8.5.2.2 Wanddicke der Zylinderschale Die Wanddicke der Zylinderschale muss mindestens dem nach nachstehendem Verfahren ermittelten Wert entsprechen. a)

Einen Wert für e a schätzen und p y wie folgt berechnen:

Py =

σ e × ea R

(8.5.2-4)

b) Den Wert p m aus der nachstehenden Gleichung berechnen; dabei für ea denselben Wert annehmen wie bei vorstehender Berechnung:

pm =

E ⋅ ea ⋅ ε R

(8.5.2-5)

E ist der Wert des Elastizitätsmoduls bei Berechnungstemperatur. ANMERKUNG 1

Die Berechnungstemperatur ist in 3.5 definiert und in 5.3.11 erläutert.

ANMERKUNG 2

Werte für E als Funktion der Temperatur können dem Anhang O.4 entnommen werden.

Der Wert von ε wird entweder aus Bild 8.5-3 entnommen oder wie folgt berechnet:

1

ε = 2 n cyl

− 1+

2

Z 2

       

1 2  n cyl    1 +  Z2   

2

+

e a2

(

12 R 1 − ν 2

2

)

(n

2 cyl

− 1+ Z2

)

2

       

(8.5.2-6)

Dabei ist:

n cyl ganzzahlig und wird entweder Bild 8.5-4 entnommen oder berechnet, um einen möglichst kleinen Wert von p m zu erhalten. Z=

π⋅ R L

(8.5.2-7)

Der Wert von L ist nach 8.5.2.1 zu ermitteln. ANMERKUNG

c)

Bild 8.5-3 ergibt sich aus der Berechnung nach Gleichung (8.5.2-6).

Das Verhältnis

pm p berechnen und r aus Kurve 1) in Bild 8.5-5 ermitteln. py py

Der Druckwert muss die folgende Gleichung erfüllen:

P < Pr / S Ist p r zu klein, muss die Wanddicke erhöht oder die Zylinderschale versteift werden.

54

(8.5.2-8)

50,00

10

15

20

25

30

40

50

60

80

100

125

150

200

300 250

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

10,00 9,00 8,00 7,00 6,00 5,00 4,00 3,50 3,00 2,50

2R = ea

L 2R

2,00 1,80 1,60 1,40 1,20

10

1,00 0,90 0,80 0,70 0,60 0,50

15 20

0,40 0,35 0,30

25 30

0,25

50 60 80 0 10 5 12 0 15 0 20 0 25 0 30 0 40 0 50 0 60 0 80

2R = ea 00

10

0,1 0,09 0,08 0,07 0,06 0,05

40

0,20 0,18 0,16 0,14 0,12

2

0,000 01

3

4 5 6 78

2

3

4 5 6 78

0,000 1

2

3

0,001

4 5 6 78

2

3

4 5 6 78

0,01

ε

Bild 8.5-3 – Werte für ε

55

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

Für ncyl den Wert der am nächsten liegenden Kurve verwenden; in Zweifelsfällen sowohl den niedrigeren als auch den höheren Wert für ncyl betrachten.

Bild 8.5-4 – Werte für n cyl bei kleinstem Wert von p m

56

EN13445-3:2002 (D) Ausgabe 5 (2003-02)

1.2

1

1 2

0.8

pr/py 0.6

0.4

0.2

0

0

2

4

6

8

10

12

14

pm/py

Legende 1) - Zylinder- und Kegelschalen

pm / p y

0

0,25

0,5

0,75

1,0

1,25

1,5

1,75

2,0

2,25

2,5

2,75

3

3,25

3,5

pr / p y

0

0,125

0,251

0,375

0,5

0,605

0,68

0,72

0,755

0,78

0,803

0,822

0,836

0,849

0,861

pm / p y

3,75

4,0

4,25

4,5

4,75

5,0

5,25

5,5

5,75

6,0

6,25

6,5

6,75

> 7,0

pr / p y

0,87

0,879

0,887

0,896

0,905

0,914

0,917

0,923

0,929

0,935

0,941

0,947

0,953

0,959

2) - Kugelschalen und gewölbte Böden

pm / p y

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3,0

3,5

4

4,5

5,0

5,5

6

> 6,5

pr / p y

0

0,09

0,18

0,255

0,324

0,386

0,435

0,479

0,51

0,533

0,548

0,565

0,56

0,57

Bild 8.5-5 – Werte für pr / p y gegen p m / p y

57

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

8.5.3 Versteifte Zylinderschalen 8.5.3.1 Einführung

Abschnitt 8.5.3 enthält ein Verfahren zur Festlegung dessen, ob eine Zylinderschale mit spezifizierten Versteifungen dem Auslegungsaussendruck standhalten kann. Sämtliche Versteifungen müssen als 'schwer' oder 'leicht' bezeichnet werden. Kleinere Ringversteifungen brauchen nicht als Versteifungen angesehen zu werden. ANMERKUNG Eine schwere Versteifung ist üblicherweise ein Umfangsflansch oder ein anderes größeres Bauteil, kann jedoch auch eine große herkömmliche Versteifung sein. Eine leichte Versteifung ist üblicherweise ein Ring, T-Stück, Winkel oder I-Querschnitt. In den meisten praktischen Anwendungsfällen wird es eine Reihe von ähnlichen Versteifungen geben, die gleichmäßig am Zylinder verteilt sind. Es ist dann am günstigsten, alle Versteifungen als 'leicht' zu klassifizieren, da die Berechnung des Gesamtversagensdrucks die Festigkeit der Schale gegenüber diesem Ausfalltyp berücksichtigt, wohingegen, wenn sie alle als 'schwere' Versteifungen klassifziert werden, die Berechnung einfacher ist.

8.5.3.2 Ungestützte Länge

Die ungestützten Längen von Zylinderschalen mit Versteifungen sind in Tabelle 8.5-1 aufgeführt; die Formelzeichen sind den Bildern 8.5-6, 8.5-7 und 8.5-8 zu entnehmen. Tabelle 8.5-1 – Definition der Zylinderschalenlängen

Zylinderschale mit leichten Versteifungen

Zylinderschale mit leichten und schweren Versteifungen

Für jeden Abschnitt getrennt

Für jeden Abschnitt getrennt L = (L' s −w " 1 ) + 0,4h '

(8.5.3-1)

oder

L = (L's −w "1 ) + 0,4h '

(8.5.3-3)

oder

L = L " s −w ' 2 −w " 2

(8.5.3-2)

L = L " s −w ' 2 −w " 2

(8.5.3-4)

oder

L = L" ' s − w' 3 −W3′′

Für jede leichte Verstärkung getrennt Ls = (L's +0,4h '+ L" s ) / 2

Für jede leichte Verstärkung getrennt (8.5.3-6)

L s = (L' s +0,4 h '+L" s ) / 2

(8.5.3-7)

oder

oder L s = ( L" s + L" ' s ) / 2

L s = ( L" s + L" ' s ) / 2

Zur Prüfung von β LH = Lcyl + 0,4h '+0,4h "

(8.5.3-5)

(8.5.3-8)

(8.5.3-9)

Zur Prüfung von β (8.5.3-10)

LH = L 'H +0,4h '

(8.5.3-11)

oder LH = L " H

(8.5.3-12)

Für jede schwere Versteifung L sH = (L'H +0,4h '+ L" H ) / 2

(8.5.3-13)

oder L sH = (L" H + L" 'H ) / 2

58

(8.5.3-14)

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

2

1

L"s

L's

L'"s

h'

h"

Lcyl

Bild 8.5-6 – Zylinderschale mit leichten Versteifungen

L's

L"s

L"H

L'H

h'

L'"H

Lcyl

h"

Bild 8.5-7 – Zylinderschale mit leichten und schweren Versteifungen

L's

L"s

w"1

L'"s

w"2 w'2

L

w'3

L

L

Bild 8.5-8 – Einzelheiten zu den Abmessungen Bei Verwendung von Flanschen als schwere Versteifungen ist die schraffierte Fläche nach Bild 8.5-9 a) zu bestimmen. Der Punkt ‘A’ muss an der in Bild 8.5-9 b) gezeigten Stelle liegen, und w ist zu ermitteln.

Der Wert As eines Flansches wird aus der schraffierten Fläche minus e a (e w + Le ) berechnet. Die kombinierten Werte von As und Le beider Flansche sind bei der Bewertung ihrer Wirksamkeit als Versteifungen zugrunde zu legen. 59

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

Ls, or LH ew

ea

ea

A

w Le

a) Bestimmung der schraffierten Fläche

L

b) Lage von Punkt A

Bild 8.5-9 – Flansche als schwere Versteifungen

8.5.3.3 Ausführungen von Versteifungen

Versteifungen können in Form speziell für diesen Zweck gefertigter Ringe ausgeführt sein, die innen, außen oder teils innen und teils außen an der Behälterschale angeordnet werden. Versteifungsringe können auch gleichzeitig mehrere Funktionen erfüllen und z.B. zur Abstützung von Böden in Fraktioniertürmen und zur Verstärkung gegen Außendruckwirkung dienen. Sie müssen die Anforderungen in 8.5.3 erfüllen und für die zu betreffende Beanspruchung ausreichend bemessen sein. Wenn Versteifungsringe so angeordnet sind, dass ein Zwischenraum zwischen Schale und Ring vorhanden ist, darf die Länge der unversteiften Schalenwand den folgenden Wert nicht überschreiten: Behälterum fang 4 ncyl

Siehe Bild 8.5-10. Ist mit dem Auftreten von Spaltkorrosion zu rechnen, sind bei der Anbringung von Versteifungsringen an der Schalenwand unterbrochene Schweißnähte nicht zulässig ANMERKUNG Ein erster Näherungswert für die Bemessung von Versteifungsringen kann mit 10 % der Schalenfläche zwischen den Versteifungen angenommen werden.

Bild 8.5-10 – Nicht vollständig an der Schalenwand anliegender innerer Versteifungsring

60

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

8.5.3.4 Versagen zwischen zwei Versteifungen

Jeder Abschnitt einer unversteiften Schale ist auf Versagen zwischen zwei Versteifungen zu prüfen. Das Verfahren entspricht dem in 8.5.2.2 für unversteifte Zylinderschalen, wobei L aus Tabelle 8.5-1 ermittelt wird, und zwar entsprechend der Verstärkung der Zylinderschale durch leichte Versteifungen oder eine Kombination von leichten und schweren Versteifungen. a)

Den Wert von p y wie folgt berechnen: Py =

σ e × ea R (1 − γ × G )

(8.5.3-15) Die Näherung γ = 0 ist zulässig, da sie eine geringere Druckannahme darstellt.

ANMERKUNG 1

Dabei ist:

νö æ Am ç 1 − ÷ è 2ø γ = ( Am + w ⋅ e a ) (1 + B)

(8.5.3-16)

Dabei ist: æ R2 ö ÷A Am = ç ç R2 ÷ s è Sø B =

(8.5.3-17)

2 ea ⋅ N δ ( Am + w ⋅ e a )

[ ( δ =

3 1 − ν2

)]

(8.5.3-18)

0,25

R ⋅ ea

(8.5.3-19)

Für ν = 0,3 ist dann:

δ =

N=

128 ,

(8.5.3-20)

R ⋅ ea

cosh (δ L ) − cos (δ L ) sinh (δ L ) + sin (δ L )

(8.5.3-21)

und

é æδ Lö æδ Lö æδ Lö æδ Lö ù 2 ê sinh ç ÷ cos ç ÷ + cosh ç ÷ sin ç ÷ú è 2 ø è 2 ø è 2 ø è 2 øû ë G= sinh (δ L ) + sin (δ L ) ANMERKUNG 2

Ist L > 3 R ⋅ e a , kann G = 0 verwendet werden.

ANMERKUNG 3

Die Werte von G und N können Tabelle 8.5-2 entnommen werden.

(8.5.3-22)

61

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

b)

Den Wert von pm nach 8.5.2.2 b) berechnen und L weiterhin aus Tabelle 8.5-1 entnehmen.

c)

Den Wert von pr nach 8.5.2.2 c) ermitteln und prüfen, ob Gleichung (8.5.2-8) erfüllt wird. Tabelle 8.5-2 – Für G und N anzunehmende Werte δ ⋅L

G

N

δ ⋅L

G

N

0

1,000

0

3,2

0,411

1,090

0,2

1,000

0,100

3,4

0,335

1,085

0,4

1,000

0,200

3,6

0,264

1,077

0,6

0,999

0,300

3,8

0,200

1,066

0,8

0,996

0,400

4,0

0,144

1,054

1,0

0,990

0,497

4,2

0,095

1,042

1,2

0,979

0,593

4,4

0,054

1,032

1,4

0,961

0,685

4,6

0,019

1,023

1,6

0,935

0,772

4,7

0,004

1,019

1,8

0,899

0,851

(4,73)

0,000

1,018

2,0

0,852

0,921

4,8

0,000

1,015

2,2

0,795

0,979

5,0

0,000

1,009

2,4

0,728

1,025

5,2

0,000

1,005

2,6

0,653

1,058

5,4

0,000

1,001

2,8

0,573

1,078

5,5

0,000

1,000

3,0

0,492

1,088

> 5,5

0,000

1,000

8.5.3.5 Schalen mit Heiz- oder Kühlkanälen

Dieser Abschnitt enthält Anforderungen zur Berechnung der Wanddicke von Zylinderschalen mit umlaufenden Heiz- oder Kühlkanälen, die auch als Halbrohr-Heizkanäle bezeichnet werden. In Bild 8.5-11 und 8.5-12 sind zwei typische Konstruktionsformen dargestellt. Die Zylinderschalendicke, die erforderlich ist, um dem Druck in den Kanälen standzuhalten, wird dann wie folgt berechnet. e=a

Pc 3f

(8.5.3-23)

wobei a in den Bildern 8.5–11 und 8.5–12 angegeben ist. Darüber hinaus muss die Zylinderschale die Vorgaben von 7.4.2 (Innendruck), 8.5.3.6 oder 8.5.3.7 (Außendruck) erfüllen, wobei der Druck in den Kanälen nicht berücksichtigt werden darf. Die Kanäle können als Versteifungen gegen Aussendruck angesehen werden. ANMERKUNG tragen wird.

62

Gleichung (8.5.3-23) enthält nicht den Druck P, da dieser von einer Membranlast in der Zylinderschale ge-

EN13445-3:2002 (D) Ausgabe 5 (2003-02)

a

Bild 8.5 – 11

a

Bild 8.5–12 8.5.3.6 Auslegung leichter Versteifungen Die Auslegung leichter Versteifungen gegen Gesamtversagen muss nach den Verfahren in 8.5.3.6.2, 8.5.3.6.3 und 8.5.3.6.4 erfolgen. 8.5.3.6.1 Auslegung gegen elastisches Beulen Der Wert von p g ist für n = 2 bis n = 6 wie folgt zu berechnen:

pg =

(

)

n2 − 1 E ⋅ ea ⋅ β + 3 E ⋅ Ie R R ⋅ Ls

(8.5.3-24)

Dabei ist β entweder aus Bild 8.5-13 zu entnehmen oder wie folgt zu berechnen:

β=

1

2

2 2 é ù 1 æ π R ö ù é 2 æ LH ö 2 ç ÷ ên − 1 + ç ú n + 1 ç ÷ ê ú 2 è LH ÷ø ú ëê è π R ø êë úû û

ANMERKUNG

(8.5.3-25)

Bild 8.5-13 ist die Darstellung der Berechnungsergebnisse von Gleichung (8.5.3-25).

Ls und LH sind Tabelle 8.5–1 zu entnehmen.

63

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

50,00

10,00 9,00 8,00 7,00 6,00 5,00

n=

4,00 3,50 3,00

n=

2

3

LH/2R

2,50 n=

2,00 1,80 1,60 1,40 1,20

n= n=

4

5

6

1,00 0,00 0,80 0,70 0,60 0,50 0,40 0,35 0,30 0,25 0,20 0,18 0,16 0,14 0,12 0,10 0,09 0,08 0,07 0,06 0,05 0,000 01

2

3

4 5 6 7 89

0,000 1

2

3

2

4 5 6 7 89

0,001

β

Bild 8.5-13 — Werte für β

64

3

4 5 6 7 89

0,01

2

3

4 5 6 7 89

0,1

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 6 (2003-04)

2

Ie =

e a3 × Le ée ù + Is + As ê a + l (R - Rs )ú - Ae × X e2 3 ë2 û

(8.5.3-26)

Dabei ist:

Xe =

ìï í ïî

æ e2 ö ç a ÷L + A s ç 2 ÷ e è ø

éea ù üï ê 2 + l R - Rs ú ý ë û ïþ Ae

(

)

(8.5.3-27)

Dabei ist: für innere Versteifungen: l = +1

(8.5.3-28)

und für äußere Versteifungen: l = -1

(8.5.3-29)

Ae = As + e a × Le

(8.5.3-30)

Le wird nach 8.5.3.6.3 ermittelt. Für n = 2, 3, 4, 5 und 6 gilt:

P£

pg

(8.5.3-31)

Sf × S

Dabei ist für vorgefertigte oder warmumgeformte Versteifungen (d.h. mit niedrigen Eigenspannungen):

S f = 1,20

(8.5.3-32)

und für kaltumgeformte Versteifungen (d.h. mit hohen Eigenspannungen):

S f = 1,33

(8.5.3-33)

Wird Gleichung (8.5.3-31) nicht erfüllt, müssen entweder zusätzliche oder schwerere Versteifungen verwendet oder die Wanddicke erhöht werden. 8.5.3.6.2 Ermittlung von Le Die nachstehende Formel dient zur Errechnung von Le wenn 0,001095
a/R
  a/R > 0,0346 dann ergibt sich Le durch Verwendung der Formel mit dem aktuellen Wert von Ls/R aber mit ea/R = 0,0346.

Le / R =

Y1 ea / R Y3 × x + 1 + Y2 × x

2

(8.5.3-34)

Dabei ist: æe ö x = n2ç a ÷ èRø

(8.5.3-35) 65

EN13445-3:2002 (D) Ausgabe 6 (2003-04)

Ls R

u=

(8.5.3-36)

ea R

Die Werte von Y1, Y2 und Y3 finden sich in Tabelle 8.5-3

Tabelle 8.5-3 – Parameter für die Berechnung von Le Für u =

Y1 =

Y2 =

u≤1

u/(1/1,098+0,03u )

3

0

1 < u < 2,2

u-1

2,2 ≤ u ≤ 2,9

1,2

2,9 < u < 4,1

1,2 + 1,64 2/u

4,1 ≤ u < 5

1,556 + 0,183/u

5≤u

Y3 = 0,6(1-0,27u)u²

0,75 +1,0/u

0,65 +1,5/u

8.5.3.6.3 Maximale Spannungen in Versteifungen Der Wert von σ s ist wie folgt zu berechnen:

 P ⋅ σ es σ s = S ⋅ Sf   P  ys

(

)

 E ⋅ d 0,005 n 2 − 1 P ⋅ S ⋅ S f +  R (Pg − P ⋅ S ⋅ S f ) 

(8.5.3-46)

Dabei ist:

 δ s ⋅ e a ⋅ Rf  Am p ys = 1 + 2 N ⋅ ea  ν R 2  1 −   wi ⋅ e a + δ 2   

    

(8.5.3-47)

Dabei ist: -

Am berechnet nach Gleichung (8.5.3-17)

-

δ

berechnet nach Gleichung (8.5.3-19)

-

N

berechnet nach Gleichung (8.5.3-21) oder entnommen aus Tabelle 8.5-2

Für jede Versteifung gilt:

w i = w 'i + w " i

66

(8.5.3-48)

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

und:

ìé ü e ù d = max í êλ (R − Rf ) − X e + a ú ; X e ý 2û îë þ

(8.5.3-49)

Dabei ist: S f in den Gleichungen (8.5.3-32) oder (8.5.3-33) angegeben ist; p g berechnet wird nach Gleichung (8.5.3-24) Für die gesamte Berechnung gilt: -

Längen L, L s aus Tabelle 8.5-1 entnommen

-

Le für jeden Wert von n nach 8.5.3.6.3 ermittelt

Für n = 2, 3, 4, 5 und 6 gilt:

O ≤ σ s ≤ δ es

(8.5.3-50)

Wird Gleichung (8.5.3-50) nicht erfüllt, müssen entweder zusätzliche oder schwerere Versteifungen verwendet oder die Wanddicke erhöht werden. ANMERKUNG

Die Vereinfachung Am = 0 ist stets zulässig, führt aber zu größeren Querschnittsflächen der Versteifungen.

8.5.3.7 Auslegung schwerer Versteifungen 8.5.3.7.1 Berechnung des Versagensdrucks

Für jede schwere Versteifung pH, wie folgt berechnen: 3

pH =

3

R ⋅ LsH

E ⋅ I eH

(8.5.3-51)

Dabei ist L sH aus Tabelle 8.5-1 entnommen. I eH =

2 e a3 ⋅ LeH éea ù 2 + I s + As ê + λ R − R s ú − Ae ⋅ X eH 3 ë 2 û

(

)

(8.5.3-52)

Dabei ist: L eH nach Gleichung (8.5.3-34) berechnet mit L s = LsH in Gleichung (8.5.3-36).

X eH

e a2 ⋅ LeH ée ù + As ê a + λ (R − Rs )ú 2 ë2 û = Ae

(8.5.3-53)

λ ist aus Gleichung (8.5.3-28) oder (8.5.3-29) berechnet.

67

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

Ae = As + e a ⋅ LeH

(8.5.3-54)

Für jede schwere Versteifung muss nachstehende Gleichung erfüllt sein:

P≤

pH Sf S

(8.5.3-55)

Dabei ist S f nach Gleichung (8.5.3-32) oder (8.5.3-33) berechnet. 8.5.3.7.2 Berechnung der maximalen Spannung

Den Wert von σH wie folgt berechnen:

σ H = S × Sf

P × σ s E × d × 0,015P × S × S f + Pys R (PH − P × S × S f )

(8.5.3-56)

wobei sich Pys ergibt aus der Gleichung (8.5.3-47)

Hierbei handelt es sich um die gleiche Formel wie für σ s bei der Auslegung leichter Versteifungen, jedoch

ANMERKUNG mit n = 2.

Die Spannung σH muss die nachstehende Gleichung erfüllen:

0 < σ H < σ es

(8.5.3-57)

Wird Gleichung (8.5.3-57) nicht erfüllt, müssen entweder zusätzliche oder schwerere Versteifungen verwendet oder die Wanddicke erhöht werden. 8.5.3.8 Seitliche Auslenkung von Versteifungen 8.5.3.8.1 Versteifungen mit nicht rechteckigem Querschnitt

a)

Die Spannung σ i muss die nachstehende Gleichung erfüllen:

æ Pys ö ÷ > σ es σ i = E × C çç ÷ è P ø

(8.5.3-60)

Für Versteifungen nach Bild 8.5-14, 8.5-15 und 8.5-17, wird C wie folgt berechnet: C = ri

[6d

3 + 8 e f ⋅ w f3 d ⋅ ew 2

(

⋅ e w + 12 e f ⋅ w f 2 d + e f

)]

Für die Versteifung nach Bild 8.5-16, wird C wie folgt berechnet:

68

(8.5.3-61)

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

C =

[

e f × w f3

r i 6 d × e w + 6 e f × w f (2 d + e f ) 2

]

é 4d × ew + 8w f × e f ù × ê ú ë d × ew + 3w f × e f û

(8.5.3-62)

wi

Bild 8.5-14 – Äußere I-Profil-Versteifung

wi

Bild 8.5-15: Äußere T-Profil-Versteifung

wi

Bild 8.5-16 – Äußerer Versteifungswinkel

69

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 5 (2003-02)

wi

ea

Ls or LH L

ri

ef

d

ew

Rf

Wf

Bild 8.5-17 – Innere T-Profil-Versteifung b) Ist die Versteifung außen an der Behälterschale angeflanscht, müssen die Abmessungen der Versteifung die folgenden Gleichungen erfüllen:

æ d ≤ max ç 1,1 ç ew è

E


es

; 0,67

E × Pys ö÷
es × P ÷ø

(8.5.3-63)

; 0,32

E × Pys ö÷
es × P ÷ø

(8.5.3-64)

oder æ wf ≤ max ç 0,5 ç ef è

E


es

8.5.3.8.2 Versteifungen mit rechteckigem Querschnitt

σ i P ⋅ σ es > 4 Pys

(8.5.3-65)

Der Wert für σ i ist für innere Versteifungen aus Tabelle 8.5-4 bzw. für äußere Versteifungen aus Tabelle 8.5-5 zu entnehmen, wobei der Wert für n cyl aus Bild 8.5-4 zu verwenden ist.

70

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

Tabelle 8.5-4 – Werte für (σ i / E ) (d / e w ) für innere Versteifungen mit rechteckigem Querschnitt 2

d/R

0,01

0,02

0,04

0,06

0,08

0,10

0,12

0,14

0,16

0,18

0,20

0,114

0,135

0,157

0,180

0,202

0,225

n cyl 2

0,0119 0,0236 0,0466 0,0691 0,0913

3

0,0239 0,0461 0,0865 0,123

0,156

0,187

0,217

0,247

0,276

0,305

0,334

4

0,0395 0,0734 0,130

0,176

0,216

0,252

0,286

0,319

0,353

0,386

0,421

5

0,0577 0,103

0,171

0,223

0,266

0,304

0,341

0,378

0,416

0,456

0,498

6

0,0778 0,132

0,208

0,262

0,306

0,347

0,387

0,428

0,472

0,517

0,570

7

0,0981 0,160

0,240

0,294

0,340

0,382

0,427

0,474

0,527

0,580

0,643

8

0,119

0,186

0,268

0,322

0,369

0,415

0,465

0,517

0,580

0,647

0,725

9

0,139

0,210

0,290

0,345

0,394

0,445

0,502

0,565

0,638

0,720

0,812

10

0,158

0,231

0,310

0,365

0,417

0,474

0,536

0,614

0,696

0,792

0,903

11

0,176

0,249

0,328

0,383

0,440

0,502

0,575

0,662

0,758

0,874

1,010

12

0,193

0,266

0,343

0,400

0,461

0,531

0,614

0,715

0,831

0,966

1,121

13

0,209

0,280

0,356

0,416

0,483

0,560

0,657

0,768

0,903

1,058

14

0,224

0,293

0,368

0,431

0,502

0,594

0,700

0,831

0,981

15

0,237

0,304

0,379

0,446

0,527

0,628

0,749

0,894

1,068

16

0,249

0,314

0,389

0,461

0,551

0,662

0,797

0,961

17

0,260

0,324

0,399

0,476

0,575

0,696

0,850

1,034

18

0,270

0,332

0,409

0,493

0,599

0,734

0,903

1,106

19

0,279

0,339

0,418

0,507

0,623

0,773

0,961

20

0,287

0,346

0,427

0,522

0,652

0,816

1,019

ANMERKUNG 1

(

Da der Wert für σ i / E

) (d / e w )2

auf maximal 1,14 begrenzt ist, sollte auch nicht über diesen Wert hin-

aus extrapoliert werden. ANMERKUNG 2

Zwischenwerte für d / R sind logarithmisch zu interpolieren.

Beispiel: Für n cyl = 2 ist der Wert von (σ i / E ) (d / e w ) für d / R = 0,05 zu verwenden. Dann gilt: 2

z = lg (0,0466) +

(σ i

/ E ) (d / e w )

2

[

lg (0,0691) − lg (0,0466)

− 0,04 ù ] éêë 00,,05 06 − 0,04 úû

= 10 z = 0.0567

71

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

Tabelle 8.5-5 – Werte für (σ i / E ) (d / e w ) für äußere Versteifungen mit rechteckigem Querschnitt 2

d/R 0,01

0.011

0,012

0,015

0,02

0,025

0,03

0,04

0,045

0,05

0,06

0,08

0,10

0,12

0,14

0,16

0,18

0,20

2

0,012

0,0132

0,0144

0,0180

0,0241

0,0303

0,0366

0,0492

0,0557

0,0622

0,0755

0,103

0,133

0,164

0,198

0,236

0,277

0,324

3

0,0257

0,0284

0,0311

0,0374

0,0537

0,0687

0,0846

0,119

0,138

0,157

0,201

0,310

0,462

0,695

1,10

1,99*

4

0,0466

0,0517

0,0570

0,0734

0,103

0,137

0,175

0,268

0,326

0,395

0,581

1,44*

5

0,0768

0,0860

0,0955

0,126

0,187

0,263

0,361

0,679

0,965

1,46*

6

0,120

0,136

0,153

0,211

0,340

0,537

0,881

7

0,183

0,211

0,242

0,356

0,677

1,48*

8

0,279

0,331

0,390

0,648

1,92*

9

0,438

0,541

0,676

1,49*

10

0,736

0,998

11

1,49*

ncyl

1,44*

1,42*

* Diese Werte sind angegeben, um die Interpolation von Zwischenwerten zu ermöglichen.

ANMERKUNG 1

Beulen kann bei n > 10 und d/R > 0,01 unter Außendruck nicht auftreten.

ANMERKUNG 2

Der Wert für σ i / E

ANMERKUNG 3

Zwischenwerte für d/R sind logarithmisch zu interpolieren.

72

(

) (d / e w )2

ist auf maximal 1,14 begrenzt.

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 7 (2003-07)

8.6 Kegelschalen 8.6.1 Allgemeines Die nachstehenden Anforderungen dienen dazu, Kegelschalen mit Öffnungswinkeln
≤ 75° auf angemessene Wanddicke zu prüfen. Es gelten dieselben Toleranzen wie für Zylinderschalen - siehe 8.5.1. ANMERKUNG Die Prozedur ist ähnlich wie für Zylinderschalen.

8.6.2 Zusätzliche Symbole und Abkürzungen für Kegel Die folgenden Symbole und Abkürzungen gelten zusätzlich zu denen in 8.3.

d'

Abstand bis zum äußersten Rand der Versteifung (siehe Gleichung 8.6.4-8)

e

Mindestwanddicke über die gesamte Kegellänge

l‘e

Flächenträgheitsmoment der kombinierten Querschnittsfläche von Schale und Versteifung (siehe Gleichung (8.6.4-2))

l’e,i

Flächenträgheitsmoment der kombinierten Querschnittsfläche von Versteifung i und Schale im Axialabstand Xi von der kleinen Kegelgrundfläche, wobei für jeden Zwischenraum getrennte Werte für ea angenommen werden (siehe Gleichung (8.6.4-9))

L’e, L‘‘e

An eine Versteifung angrenzende mittragende Schalenlängen (siehe Bild 8.6-1)

NY

Anzahl der Zwischenräume zwischen leichten Versteifungen der Länge LH

Ri

Mittlerer Radius des dünnsten Querschnitts einer Kegelschale, gemessen in der Ebene der Versteifung i (siehe Bild 8.6-6)

Rmax

Größter Radius einer Kegelschale zur Prüfung auf Versagen zwischen zwei Versteifungen (siehe Bild 8.6-2, 8.6-3 und 8.6-6)

R max

Größter Radius einer Kegelschale zur Prüfung auf Gesamtversagen (siehe Bild 8.6-4 und 8.6-5)

Rn

Mittlerer Radius einer Kegelschale zur Prüfung auf Versagen zwischen zwei Versteifungen (siehe Bild 8.6-2, 8.6-3 und 8.6-6)

Rn

Mittlerer Radius einer Kegelschale zur Prüfung auf Gesamtversagen (siehe Bild 8.6-4 und 8.6-5)

Xw

Abstand des Flächenschwerpunkts des Stegs vom Flächenschwerpunkt der kombinierten Querschnittsfläche von Versteifung und Schale (siehe Bild 8.6-1)

Xf

Abstand des Flächenschwerpunkts des Flansches vom Flächenschwerpunkt der kombinierten Querschnittsfläche von Versteifung und Schale (siehe Bild 8.6-1)

X’s, X‘‘s

Abstände zwischen dem Flächenschwerpunkt der kombinierten Querschnittsfläche von Versteifung und Schale und dem Flächenschwerpunkt der an die Versteifung angrenzenden mittragenden Schalenabschnitte (siehe Bild 8.6-1)

Xi

Axiale Teilung der Versteifung i (siehe Bild 8.6-6)

σ1

Maximale Umfangsspannung an der Verbindungsstelle ohne Verstärkung

σ2

Maximale Umfangsspannung in der Zylinderschale (siehe Gleichung (8.6.5-1)) (8.8.3-1)

73

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

8.6.3 Versagen von Kegelschalen zwischen zwei Versteifungen

Für die Auslegung von Kegelschalen gegen Versagen zwischen zwei Versteifungen gelten folgende Anforderungen: a)

Einen Wert für ea schätzen und py nach folgender Gleichung berechnen. Py =

ea σ e cos α R max

(8.6.3-1)

ANMERKUNG Diese Gleichung entspricht Gleichung (8.5.3-15) zur Berechnung von Py, wobei ea durch ea cos α und R durch Rmax ersetzt werden und für γ = 0 gesetzt wird.

b)

Wert für pm nach nachstehender Gleichung berechnen. Pm =

E ea ε cos 3 α Rn

(8.6.3-2)

Der Wert von ε ist aus Bild 8.5-3 zu ermitteln, wobei

2R n cosαθ 2R L L durch durch cos α und zu ersetea 2R ea 2R n

zen ist. Rn und Rmax sind Bild 8.6-2 bis 8.6-4 zu entnehmen. ANMERKUNG Gleichung (8.6.3-2) entspricht Gleichung (8.5.2-5) zur Berechnung von pm, wobei ea durch ea cosαθ und R durch Rn cos α sowie ε durch ε cos α und L durch L cos α ersetzt werden.

c)

pm berechnen und pr aus Kurve 1 in Bild 8.6-5 ermitteln.

Der Berechnungsdruck muss die folgende Gleichung erfüllen: P≤

Pr S

(8.6.3-3)

ef

Ist das nicht der Fall (Gleichung 8.6.3-5 erfüllt), müssen entweder die Wanddicke erhöht oder die Abstände der Versteifungsringe entsprechend verringert werden.

Xf

Xw

CGc

α X"s

X's

ea

Le' 2

Le" 2

Bild 8.6-1 – Versteifungen

74

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

8.6.4 Gesamtversagen von versteiften Kegelschalen

8.6.4.1 Kegelschalen mit konstanter Wanddicke und gleichen Abmessungen und Abständen der Versteifungen

Für die Berechnung der Abmessungen und Abstände der Versteifungsringe gegen seitliche Auslenkung gelten die gleichen Anforderungen wie für Zylinderschalen nach 8.5.3.8. Für die Auslegung leichter Versteifungen von Kegelschalen mit konstanter Wanddicke nach Bild 8.6-3 gilt: Pg =

Dabei ist

(

)

E × ea × β cos 3α n 2 − 1 E × l' e cosα + 3 Rn Rmax × Ls

(8.6.4-1)

aus Bild 8.5-3 oder Gleichung (8.5.2-6) zu entnehmen, wobei

LH LH durch ersetzt wird. 2R 2 R n cos α

R n and R max sind den Bildern 8.6-2 bis 8.6-4 zu entnehmen.

é æ L' ö 3 æ L" ö 3 ù æ e a ⋅ L' e ö 2 æ e a ⋅ L" e ö æ ea ö e e l ' e = Af ⋅ X f2 + Aw ⋅ X w2 + ç ÷ X ' s +ç ÷ X " 2s +l f + l w + ç ÷ sin 2 θ ê ç ÷ +ç ÷ ú 2 2 è ø è ø è 12 ø è 2 ø ú êë è 2 ø û 3 æe ö L" e ö a ÷ 2 æ L'e + çç (8.6.4-2) ÷ cos θ çè 2 + 2 ÷ø 12 è ø Der Wert von L' e ist aus 8.5.3.6.3 zu ermitteln, wobei gilt: æ ö ea ÷÷ x = n 2 çç è R i ⋅ cos α ø

(8.6.4-3)

LS

u=

(8.6.4-4)

Ri ⋅ e a ⋅ cos α

Dabei ist R i der mittlere Schalenradius gemessen an der Versteifung i. Die maximale Spannung in den Versteifungen wird wie folgt berechnet:

æ P ⋅ S s ö æ E ⋅ d ' ö 0.005(n 2 − 1) P ⋅ S ⋅ S f ÷+ç ÷÷ σ s = S ⋅ S f çç ÷ ç p ( pe − P ⋅ S ⋅ Sf ) è ys ø è Rmax ø

(8.6.4-5)

Dabei ist:

Pys

σ × ea × cos α × R f = es æ νö 2 Rmax ç1 − ÷ 2ø è

é ê Am ê 1+ ê Nö æ ea × cos α ç b + 2 ÷ ê δø è ë

ù ú ú ú ú û

(8.6.4-6)

75

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

mit:

δ = 1,28

cos α R × ea

d ' = Xf +

(8.6.4-7)

ef 2

(8.6.4-8)

8.6.4.2 Kegelschalen mit veränderlicher Wanddicke und unterschiedlichen Abmessungen und Abständen der Versteifungen

Die Mindestwanddicke für alle Zwischenräume zwischen Ebenen tragender Versteifungen muss nach Gleichung 8.6-6 ermittelt werden. Die Anforderungen für Abmessungen und Abstände von Versteifungsringen gelten unverändert. Für die Berechnung leichter Versteifungen, und zwar sowohl solcher mit unterschiedlichen Abmessungen und Abständen als auch solcher für Kegelschalen für mit veränderlicher Wanddicke siehe Bild 8.6-4, ist es zulässig, das Verfahren zur Berechnung versteifter Zylinder mit den Gleichungen aus 8.6.3 unter Berücksichtigung folgender Punkte zu verwenden. a)

Sind Abstände und Abmessungen der Versteifungen konstant, bei der Berechnung von pg und py an jedem Punkt entlang des gesamten betrachteten Kegelabschnitts die Mindestwanddicke verwenden.

b)

Jede Versteifung getrennt unter Verwendung der entsprechenden Mindestwanddicke und Rmax für jeweils den halben Zwischenraum beiderseits der Versteifung und β = 0 betrachten.

c)

Jede Versteifung getrennt unter Verwendung der entsprechenden Mindestwanddicke und Rmax für jeweils den halben Zwischenraum beiderseits der Versteifung betrachten.

Für n > 2 den Wert von pe nach vorstehendem Schritt b) berechnen; für n = 2 die nachstehende Gleichung verwenden.

Pg =

3

(

2

)

E × e × β cos α 2 E × cos α n − 1 + × Rn LH

i = NY

å i =0

é πX ù I' e, i × sin 2 α ê i ú ë LC û 3 Ri

(8.6.4-9)

Den Wert für β aus Bild 8.5-13 ermitteln oder der Gleichung (8.5.3-25) entnehmen und dabei LH / 2 R durch LH/ 2 Rn / cos α ersetzen. 8.6.5 Kegel-Zylinder-Verbindungen 8.6.5.1 Ebenen tragender Versteifung

Ist keine Krempe vorhanden, ist die Verbindung zwischen einem Zylinder und einem Kegel (sowohl an der großen wie an der kleinen Kegelgrundfläche) stets eine Ebene einer tragenden Versteifung, wenn α ≥ 30° gilt und die Zahl n für den unteren Grenzwert des Beuldrucks ncyl (aus Bild 8.5-4 oder aus Gleichung 8.5.3-24 für Schalen mit leichten Versteifungen) weder für den Kegel noch für den Zylinder gleich 2 ist. Wenn diese Bedingungen nicht erfüllt sind (entweder α < 30° oder n = 2), ist der Abstand L zwischen Ebenen einer tragenden Versteifung gleich der Summe der mittragenden ungestützten Länge(n) der Zylinderschale oder der Zylinderschale plus der axialen Länge der Kegelschale. Die Wanddicke der Kegelschale und des kleinen Zylinders muss mindestens gleich der nach 8.5.3.4 erforderlichen Wanddicke der Zylinderschale sein. Ggf. vorhandene

76

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 7 (2003-07)

leichte Versteifungen müssen sowohl am Kegel und kleinen Zylinder als auch am großen Zylinder die nach 8.6.3.1 ermittelten Abstände und Abmessungen aufweisen. 8.6.5.2 Verstärkung der Verbindung an der kleinen Kegelgrundfläche Verstärkungen durch Erhöhungen der Wanddicke und/oder örtliche Versteifungen an der kleinen Kegelgrundfläche sind vorzusehen, wenn die maximale lokale Umfangsspannung innerhalb annehmbarer Grenzen gehalten werden muss. Dabei ist wie folgt vorzugehen.

Die maximale Umfangsspannung im Zylinder ist wie folgt zu berechnen:

σ2 =

p ⋅ R (1 − γ ⋅ G )

(8.6.5-1)

e

Die maximale Umfangsspannung σ1 an der Verbindungsstelle ist ohne Verstärkung, d. h. mit der Dicke ea, zu berechnen. ANMERKUNG Für die Berechnung der örtlichen Umfangsspannung σ1 steht keine Gleichung zur Verfügung; sie ist daher durch eine Spannungsanalyse zu ermitteln.

Wenn gilt σ1 ≤ σ2, dann ist keine Verstärkung notwendig. Ist jedoch eine Verstärkung erforderlich, dann muss die Dicke entweder des Kegels oder des Zylinders oder von beiden erhöht werden oder es muss zusätzlicher Werkstoff in Form einer Ringversteifung oder als Übergangsstück eingebracht werden, damit bei einer Nachberechnung die Gleichung σ1 ≤ σ2 erfüllt ist.

L /2

α

L /2

L

Rn

R

max.

Bilder 8.6-2 – Unverstärkter Kegelabschnitt zwischen schweren Versteifungsringen

77

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 7 (2003-07)

L

L /2

α

L /2

Rn

Rmax.

Bild 8.6-3 – Unverstärkter Kegelabschnitt zwischen zwei Zylinderschalen

LH/2

α

LH/2

LH

Ls

Rn

R

max.

Bilder 8.6-4 – Verstärkte Kegelschale mit leichten und schweren Versteifungen

78

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 7 (2003-07)

Ls

LH

LH/2

α

LH/2

Rn

R max.

Bilder 8.6-5 – Verstärkte Kegelschale mit ausschließlich leichten Versteifungen

79

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

I'e1 LH 2 I'e2 LH LH 2

I'e3

Bild 8.6-6 – Verstärkte Kegelschale mit veränderlicher Wanddicke und unterschiedlichen Abständen der Versteifungen (siehe 8.6.4.2)

8.7 Kugelschalen 8.7.1 Auslegung

Bei Auslegungsdicke wird mit der nachstehenden Methode ermittelt: Einen Wert für e a annehmen und py wie folgt berechnen:

a)

2 σ e × ea R

Py = b)

Den Wert für p m wie folgt berechnen: pm =

80

(8.7.1-1)

121 , E ⋅ e a2 R2

(8.7.1-2)

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

c)

Den Wert für

P≤

pm p berechnen und r aus Bild 8.5-5, Kurve 2, ermitteln. py py

Pr S

(8.7.1-3)

Ist p r zu niedrig, muss der angenommene Wert für e a erhöht und die Prozedur wiederholt werden. 8.7.2 Zulässige Formabweichungen

Die Anforderungen in 8.7.1 gelten nur für Kugelschalen, die mit einer Toleranz von 1 % des Radius exakt kugelförmig sind und deren Krümmungsradius basierend auf einer Bogenlänge von 2,4

e a ⋅ Rmax den Nennwert um

nicht mehr als 30 % überschreitet. In einigen Fällen kann dieses Kriterium aufgrund von Schwierigkeiten bei der Fertigung und Messung zu streng sein. In diesen Fällen ist es zulässig, den durch die vorstehende Berechnung ermittelten Druck durch den Faktor (Rmax/(1,3 R)² zu dividieren. Dabei ist Rmax der maximale örtliche Krümmungsradius, der an der betrachteten Stelle entweder gemessen oder konservativ geschätzt wird. Methoden zur Überprüfung der Kugelform finden sich im Anhang D.6. Der maximale örtliche Kurvenradius ist auf der Behälterzeichnung angegeben.

8.8 Behälterböden 8.8.1 Halbkugelförmige Böden

Halbkugelförmige Böden müssen nach den Anforderungen für Kugelschalen ausgelegt werden. 8.8.2 Torisphärische Böden

Torisphärische Böden müssen nach den Anforderungen für Kugelschalen ausgelegt werden, deren mittlerer Radius R gleich dem äußeren Auskümpelungs- oder Wölbungsradius ist. Bei der Berechnung des Innendrucks gewölbter Böden nach 7.5.3 muss für den Faktor N in der Kurve für β (siehe Gleichung 7.5-12) der Wert 1,0 eingesetzt werden. Die Graphen in Bild 7.5-1 und 7.5-2 kommen nicht zur Anwendung. 8.8.3 Elliptische Böden

Exakt halbelliptische Böden nach 7.2.5 müssen nach den Anforderungen für Kugelschalen ausgelegt werden, deren mittlerer Radius R gleich dem maximalen Wölbungsradius ist: 2

R = D /(4h)

(8.8.3-1)

81

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

9 Ausschnitte in Schalen und Böden 9.1 Zweck Dieser Abschnitt enthält die Anforderungen für die Auslegung von kreisrunden, elliptischen und länglich runden Ausschnitten in Zylinder-, Kegel- und Kugelschalen sowie gewölbten Böden unter Innen- und Außendruck. Dieser Abschnitt gilt für Ausschnitte, Stutzen und Verstärkungsscheiben in gewölbten Böden, die vollständig innerhalb eines zentralen Bereichs angeordnet sein müssen, der durch einen Radius von 0,4De begrenzt wird (siehe Bild 9.5-4). Für andere Positionen (d.h. Stutzen im Krempenbereich) gelten die entsprechenden Auslegungsregeln in Abschnitt 7. Die Festigkeitswerte gegenüber anderen als durch Druck verursachten Beanspruchungen werden in Abschnitt 16 ermittelt.

9.2 Zusätzliche Definitionen Die folgenden Definitionen gelten zusätzlich zu denen in Abschnitt 3. 9.2.1 Stegprüfung Prüfung der Verstärkung zwischen zwei benachbarten Ausschnitten. 9.2.2 Ausschnitt Eine durchgängige Öffnung in einer Schale, die ggf. mit einer Verstärkungsscheibe, einem Verstärkungsring oder einem Stutzen verstärkt ist. 9.2.2 Länglich runder Ausschnitt Eine Öffnung mit länglich runder Form, bestehend aus zwei Halbkreisen, die durch zwei gerade Linien verbunden sind. 9.2.3 Gesamtprüfung Prüfung der Verstärkung im Querschnitt einschließlich der Schalenwände auf beiden Seiten des Ausschnitts sowie der Länge der angrenzenden Schale. 9.2.4 Verstärkung Die beanspruchte Querschnittsfläche des Werkstoffs, die die Festigkeit gegenüber Druckeinwirkung an einem Ausschnitt gewährleistet. 9.2.5 Verstärkter Ausschnitt Ausschnitt mit einer Verstärkung durch die Schale, durch einen Stutzen, eine Verstärkungsscheibe oder durch einen Verstärkungsring. 9.2.6 Verstärkungsscheibe Eine zur Verstärkung beitragende mit der Schale kehlnahtverschweißte Blechplatte. 9.2.7 Verstärkungsring Ein zur Verstärkung beitragender eingeschweißter Ring. 9.2.8 Einschweißstutzen Ein durch die Schale durchgesteckter und auf der Innen- und Außenseite der Schale verschweißter Stutzen (siehe Bild 9.4-8).

82

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05) 9.2.9 Aufschweißstutzen Ein lediglich auf der Außenseite der Schale verschweißter Stutzen (siehe Bild 9.4-7). 9.2.10 Schale Zylinder-, Kegel- oder Kugelschale bzw. gewölbter Boden. 9.2.11 Störstelle (in der Schale) Eine Verbindungsstelle zwischen zwei der folgenden Teile: Zylinderschale, achsenversetzte Zylinderschale, Kegelschale, gewölbter Boden, Kugelkalotte, Flansch oder ebener Boden. 9.2.12 Kleiner Ausschnitt Ein einzelner Ausschnitt mit kleinem Durchmesser, der die Kriterien nach Gleichung (9.5-18) erfüllt.

9.3 Zusätzliche Symbole und Abkürzungen Die folgenden Symbole, Indizes und Abkürzungen gelten zusätzlich zu denen in Abschnitt 4. 9.3.1 Indizes Die folgenden Indizes werden bei den Symbolen in Tabelle 9.3-2 verwendet: a

Berechnungswanddicke eines Bauteils;

b

Stutzen oder Abzweig;

c

Mittelwert einer Abmessung;

e

Abmessung auf der Außenseite;

i

Abmessung auf der Innenseite;

L

Stegprüfung;

O

Gesamtprüfung;

o

Berechneter Maximalwert oder Minimalwert unter verschiedenen Werten;

p

Verstärkungsscheibe;

r

Verstärkungsring;

s

Schale;

w

Verstärkungsrelevante Fläche der Kehlnaht;

ϕ

Zusätzliche druckbeanspruchte Fläche bei einem schrägen Stutzen;

1

Erster von zwei benachbarten Ausschnitten;

2

Zweiter von zwei benachbarten Ausschnitten.

83

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 7 (2003-07)

9.3.2 Symbole Symbol A

Einheit mm

Af AfLs

Beschreibung Abstand zwischen dem Ausschnittmittelpunkt und der Außenkante eines Stutzens oder Rings, gemessen entlang des Schalenabschnitts mittlerer Dicke; ist kein Stutzen oder Ring vorhanden, ist a der Abstand zwischen Ausschnittmittelpunkt und Innenkante des Ausschnitts Werte für a auf der Stegseite des Ausschnitts (siehe Bilder 9.6-2 und 9.6-3) Werte für a auf der gegenüber liegenden Seite des Ausschnitts bis zum Steg (siehe Bild 9.6-5) Verstärkungsrelevante spannungsbeanspruchte Querschnittsfläche Af der Schale für die Länge Lb (siehe Bilder 9.6-1 bis 9.6-4).

AfOs

Af der Schale für die Länge Lb1 (siehe Bilder 9.6-5 bis 9.6-6).

mm

2

Afw

Querschnittsfläche der Kehlnaht zwischen Stutzen (oder Scheibe) und Schale (siehe 9.5.2.4 und Bilder 9.4-4 und 9.5-1) Druckbeanspruchte Fläche Ap der Schale für die Länge Lb (siehe Bilder 9.6-1 bis 9.6-4 ). Ap der Schale für die Länge Lb1 (siehe Bilder 9.6-5 bis 9.6-6 ).

mm

2

a1, a2 a’1, a’2

Ap ApLs ApOs

mm mm 2

mm 2 mm

2

mm 2 mm 2 mm

Apϕ

Zusätzliche druckbelastete Fläche für schräge Stutzenverbindung, abhängig vom Winkel ϕ (siehe Bilder 9.5-1 bis 9.5-3).

mm

d

Durchmesser (oder maximale Weite) eines Ausschnitts ohne Stutzen in einem Mantel oder Boden Außendurchmesser eines Stutzens an einem Mantel oder Boden Innendurchmesser eines Stutzens an einem Mantel oder Boden Innendurchmesser einer Verstärkungsscheibe Außendurchmesser eines Verstärkungsrings Innendurchmesser eines Verstärkungsrings Innendurchmesser eines ausgehalsten Ausschnitts Mittlerer Durchmesser einer Zylinderschale an der Verbindungsstelle mit einem anderen Bauteil Außendurchmesser einer Zylinder- oder Kugelschale, des zylindrischen Teils eines gewölbten Bodens oder einer Kegelschale im Ausschnittmittelpunkt; für elliptische Böden ist De zwei mal der Außenradius des sphärischen Teils des äquivalenten torisphärischen Bodens. Innendurchmesser einer Zylinder- oder Kugelschale, des zylindrischen Teils eines gewölbten Bodens oder einer Kegelschale im Ausschnittmittelpunkt; für elliptische Böden ist Di zwei mal der Innenradius des sphärischen Teils des äquivalenten torisphärischen Bodens. Erforderliche Wanddicke einer Zylinderschale an der Verbindungsstelle mit einem anderen Bauteil (siehe Bilder 9.7-6 und 9.7-10) Erforderliche Wanddicke einer Kegelschale an der Verbindungsstelle mit einer Zylinderschale (siehe Bilder 9.7-6 und 9.7-10) Mittragende Wanddicke eines Stutzens (oder mittlere Wanddicke über die Länge lbo oder lbio) zur Verstärkungsberechnung Berechnungswanddicke eines Stutzens (oder mittlere Berechnungswanddicke über die Länge lb innen bzw. aussen an der Schale). Durchschnittliche Dicke entlang der Länge lo für Versteifungsringe (siehe Gleichung 9.5-36).

mm

deb dib dip der dir dix Dc De

DI

e1 e2 eb ea,b ea,m

84

mm mm mm mm mm mm mm mm

mm

mm mm mm mm mm

2

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

Symbol ec,s

Beschreibung Angenommene Schalenstärke der Schalenwand (siehe Gleichung (9.5-2) zur Überprüfung der Verstärkung einer Öffnung. Die Dicke kann vom Konstrukteur zwischen der erforderlichen minimalen Schalenstärke e und der Berechnungswanddicke ea,s angenommen werden. Die angenommene Dicke muss dann konsistent für alle Anforderungen verwendet werden.)

Einheit mm

ANMERKUNGFür ec,s kann die Berechnungswanddicke immer verwendet werden, aber manchmal kann es vorteilhafter sein, einen kleineren Annahmewert zu verwenden, um kleinere Abstände von benachbarten Störungsstellen in der Schale zu erhalten.

ep ea,p er ea,r ea,s e's fs h k lb l’ b lbi l’ bi lbo lcyl

lcon

Mittragende Wanddicke einer Verstärkungsscheibe zur Verstärkungsberechnung Berechnungswanddicke einer Verstärkungsscheibe Mittragende Wanddicke eines Verstärkungsrings zur Verstärkungsberechnung Berechnungswanddicke eines Verstärkungsrings Berechnungswanddicke der Schale oder mittlere Berechnungswanddicke über die Länge l's und ohne die Wanddicke der Verstärkungsscheibe (sofern vorhanden) Einstecktiefe eines Stutzens in der Schalenwand bei nicht vollständig durchgestecktem Einschweißstutzen Berechnungsnennspannung des Schalenwerkstoffs Innenhöhe eines gewölbten Bodens ohne zylindrischen Bord Abminderungsbeiwert für lso (verwendet für Gesamtprüfung in 9.6.4) Aus der Schale herausragende Länge eines Stutzens Aus der Schale herausragende mittragende Länge eines Stutzens zur Verstärkungsberechnung In die Schale hineinragende Länge eines Stutzens (z. B. überstehender Stutzen Bild 9.4-9) In die Schale hineinragende mittragende Länge eines Stutzens zur Verstärkungsberechnung (siehe Bild 9.6-2) Größte aus der Schale herausragende Länge eines Stutzens zur Verstärkungsberechnung (Bild 9.4-9) Länge der Zylinderschale ermittelt nach Gleichung (9.7-3) und verwendet zur Festigkeitsanalyse einer Verbindung (siehe Bild 9.7-6) zwischen einem Zylinder und: - der kleinen Grundfläche einer koaxialen Kegelschale; - einer zum Zylinder konvexen Kugelschale; - einer Zylinderschale mit konvergierender Achse Länge einer Kegelschale ermittelt nach Gleichung (9.7-7) und verwendet zur Festigkeitsanalyse einer Verbindung zwischen der kleinen Grundfläche einer Kegelschale und einer Zylinderschale (siehe Bild 9.7-6)

mm mm mm mm mm

mm MPa mm _ mm mm mm mm mm mm

mm

85

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 5 (2003-02)

Symbol ln lo lp lpi l’p lr l’r ls l’s lso Lb Lb1 ris R w wmin wp α θ

ϕ ϕe Φ Ω

86

Beschreibung Abstand zwischen der Mittellinie einer Stumpfnaht der Schale und dem Mittelpunkt eines an die Stumpfnaht angrenzenden oder sie überschneidenden Ausschnitts Maximale Länge der Ring- bzw. Schalenwand in Versteifungsringen Breite einer Verstärkungsscheibe Breite einer Verstärkungsscheibe zwischen zwei benachbarten Ausschnitten (siehe Bild 9.6-5) Mittragende Breite einer Verstärkungsscheibe zur Verstärkungsberechnung Breite eines Verstärkungsrings Mittragende Breite eines Verstärkungsrings zur Verstärkungsberechnung Länge der Schale vom Rand eines Ausschnitts oder vom Außendurchmesser eines Stutzens bis zu einer Störstelle der Schale Zur Ausschnittverstärkung anrechenbare mittragende Länge einer Schale Zur Ausschnittverstärkung anrechenbare maximale Länge einer Schale, gemessen am mittleren Krümmungsradius der Schalenwand Mittelpunktabstand zwischen zwei Ausschnitten oder Stutzen, gemessen am mittleren Krümmungsradius der Schale (siehe Abbildung 9.6-2) Länge der Querschnittsfläche der Schale einschließlich des gesamten Querschnitts zweier benachbarter Ausschnitte, gemessen am mittleren Krümmungsradius der Schale Innerer Krümmungsradius der Schale im Ausschnittmittelpunkt Innenradius eines halbkugelförmigen Bodens oder des gewölbten Teils eines torisphärischen Bodens Abstand zwischen Ausschnittrand und Störstelle der Schale (siehe Bilder 9.7-1 bis 9.7-11) Mindestwert für w Mindestwert für w ohne Einfluss auf ls durch Störstellen der Schale Halber Öffnungswinkel einer Kegelschale für einen Stutzen mit Längsschweißnaht, Winkel zwischen der Ebene, gebildet zwischen der Stutzenachse und der Linie der Längsschweißnaht, und der Ebene, gebildet zwischen der Stutzenachse und der Mantellinie des Behälters, die durch die Mittelachse der Öffnung geht. Neigungswinkel eines schrägen Stutzens (siehe Bilder 9.5-1 bis 9.5-3) Projektion von ϕ in die Ebene von Lb zur Stegprüfung von Mehrfachausschnitten Winkel zwischen der Mittelpunkt-Verbindungslinie zweier Ausschnitte oder Stutzen und der Mantellinie einer Zylinder- oder Kegelschale (0° ≤ Φ ≤ 90°) (siehe Bild 9.6-1) für Einzelausschnitte, Winkel zwischen Schalenmantellinie und der Achse mit dem größten Durchmesser für benachbarte Ausschnitte, Winkel zwischen der Ebene, in der die Ausschnittsmittelpunkte liegen, und der Achse mit dem größten Durchmesser.

Einheit mm mm mm mm mm mm mm mm mm mm mm mm mm mm mm mm mm Grad Grad

Grad rad Grad Grad

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

9.4 Allgemeines 9.4.1 Schalen mit Ausschnitten müssen im Bereich um den Ausschnitt angemessen verstärkt werden, um die Verschwächung der druckbeanspruchten Querschnittsfläche auszugleichen. Die Verstärkung kann durch eines der nachstehenden Verfahren erfolgen: a) Erhöhen der Wanddicke der Schale gegenüber unverschwächten Schale (siehe Bilder 9.4-1 und 9.4-2);

der

erforderlichen

Mindestdicke

der

b) Aufschweißen scheibenförmiger Verstärkungen (Verstärkungsscheiben) (siehe Bilder 9.4-3 und 9.4-4); c) Einschweißen ringförmiger Verstärkungen (Verstärkungsringe) (siehe Bilder 9.4-5 und 9.4-6); d) Erhöhen der Stutzenwanddicke (siehe Bilder 9.4-7 und 9.4-8) über den für die MembranDruckspannung geforderten Wert; e) Kombination der genannten Verfahren (siehe Bilder 9.4-9 bis 9.4-13). 9.4.2 Die Abmessungen der zu verstärkenden Querschnittsfläche eines Ausschnitts müssen zunächst geschätzt werden. Die Auslegung ist dann durch das nachstehend beschriebene Verfahren zu verifizieren. Das Verfahren soll sicherstellen, dass die Reaktionskraft des Werkstoffs größer oder gleich der Druckbelastung ist. Die Reaktionskraft ist die Summe des Produkts der mittleren Membranspannungen in allen Bauteilen und ihrer spannungsbeanspruchten Querschnittsflächen (siehe Bilder 9.4-1 bis 9.4-13). Die Druckbelastung ist die Summe des Produkts von Druck und druckbeanspruchten Querschnittsflächen. Ist die Verstärkung nicht ausreichend bemessen, muss sie erhöht und die Berechnung wiederholt werden. Verstärkung und Festigkeit können um die Stutzenachse herum unterschiedlich sein. Es ist nachzuweisen, dass die Verstärkung in allen Ebenen ausreichend hoch bemessen ist. 9.4.3 Das Verfahren ist anwendbar, wenn der Ausschnitt sich in einem bestimmten Mindestabstand von einer Störstelle in der Schale befindet. Die Ermittlung dieses Abstands ist in 9.7 beschrieben. 9.4.4 Elliptische oder länglich runde Ausschnitte: Elliptische oder länglich runde Ausschnitte, die aus einem runden Stutzen schräg zur Schalenwand resultieren, müssen nach 9.5.8 berechnet werden. Für sämtliche anderen elliptischen bzw. länglich runden Ausschnitte darf das Verhältnis zwischen dem größten und dem kleinsten Durchmesser maximal 2 betragen. 9.4.4.1

Elliptische oder länglich runde Ausschnitte verstärkt durch höhere Wanddicke, Verstärkungsplatten oder Verstärkungsringe (siehe 9.4.1 a), b) oder c))

Bei Zylinder- oder Kegelschalen wird der Durchmesser d für die Verstärkungsberechnung wie folgt genommen: — entlang der Mantellinie der Schale bei Einzelausschnitten; — in der Ebene der Ausschnittsmittelpunkte.

87

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05) Bei Kugelschalen und gewölbten Böden wird der Durchmesser d für den Ausschnitt wie folgt genommen: — entlang der größten Abmessung der Öffnung (Hauptachse) bei Einzelausschnitten; — in der Ebene der Ausschnittsmittelpunkte. 9.4.4.2

Ausschnitte verstärkt durch elliptische oder länglich runde Stutzen senkrecht zur Schalenwand (siehe 9.4.1 d)

In zylindrischen bzw. konischen Schalen wird der Durchmesser d des Ausschnitts wie folgt berechnet:

d max ( d min + d max ) ⋅ ⋅ cos 2 Ω ) d min 2 ⋅ d min der kleinste und der größte Durchmesser im Ausschnitt sind,

d = d min ⋅ ( sin 2 Ω + wobei dmin und dmax

(9.4-1)

und Ω: — für Einzelausschnitte der Winkel zwischen der Schalenmantellinie und der Achse mit dem größten Durchmesser ist; — für benachbarte Ausschnitte, der Winkel zwischen der Ebene, in der die Ausschnittsmittelpunkte liegen, und der Achse mit dem größten Durchmesser ist. In kugelförmigen und gewölbten Böden wird der Durchmesser d des Ausschnitts wie folgt berechnet:

d min + d max ) 2 ⋅ d min und dmax die vorstehenden Definitionen gelten.

d = d max ⋅ ( wobei für dmin

(9.4-2)

Der Durchmesser für die Berechnung des Werts lbo in Gleichung (9.5-39) ist in 9.5.7.1 festgelegt. ANMERKUNG Bei Stutzen mit elliptischem oder länglich rundem Querschnitt ruft der Druck nicht nur Membranbeanspruchungen hervor, sondern auch Biegebeanspruchungen in Umfangsrichtung. Deshalb müssen die verbundene Schalenwand auf der einen Seite und der verbundene Flansch bzw. Rundrohr auf der anderen Seite den Stutzen halten, wenn dessen Wanddicke nur unter Zugrundelegung von Membranbeanspruchungen festgelegt wurde. Der Stutzen beansprucht die Schale und es ist möglich, dass der Durchmesser, der für den elliptischen bzw. länglich runden Stutzen zur Anwendung kommt, breiter ist als die größte Achse.

9.4.4.3 Für elliptische und länglich runde Stutzen, die nicht senkrecht zur Schalenwand sind, ist 9.4.4.2 nicht anwendbar; deshalb muss 9.4.4.1 ohne Beitrag von Stutzenwänden zur Verstärkungsberechnung verwendet werden. 9.4.5 Durchmesserbegrenzungen 9.4.5.1 Ausschnitte mit Erhöhung der Schalenwanddicke

Ausschnitte mit erhöhter Schalenwanddicke ohne Stutzen oder Verstärkungsscheibe müssen die folgende Bedingung erfüllen: < 0,5 2ris 9.4.5.2 Ausschnitte mit Verstärkungsscheiben

(9.4-1)

Bei Ausschnitten mit Verstärkungsscheiben muss — egal ob ein Stutzen vorhanden ist oder nicht — die Bedingung der Gleichung (9.4-3) erfüllt werden. Bei hohen mittleren Wandtemperaturen für die Schale (mehr als 250°C) oder bei extremen Temperaturgradienten durch die Schale sollte der Einsatz von Verstärkungsscheiben vermieden werden; gegebenenfalls muss für die Verstärkungsscheibe dieselbe Werkstoffgüte gewählt werden wie für die Schale; mit speziellen Maßnahmen bzw. über spezielle Hinweise muss eine konzentrierte thermische Beanspruchung vermieden werden.

88

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 7 (2003-07) 9.4.5.3 Ausschnitte in gewölbten Böden Bei Ausschnitten in Kugelschalen und gewölbten Böden darf das Verhältnis d/De einen Wert von 0,6 nicht überschreiten. Entsprechend darf bei einer Ausschnittverstärkung durch einen Stutzen oder einen Verstärkungsring auch das Verhältnis di/De einen Wert von 0,6 nicht überschreiten. 9.4.5.4 Mit Stutzen verstärkte Ausschnitte Bei mit Stutzen verstärkten Ausschnitten in Zylinderschalen darf das Verhältnis dib/2(ris) einen Wert von 1,0 nicht überschreiten (siehe Bilder 9.4-14 und 9.4-15). 9.4.6 Wanddickenbegrenzungen Das Verhältnis eb/ea,s darf den aus dem Diagramm in Bild 9.4-14 entnommenen Wert nicht überschreiten. Die über den nach Bild 9.4-14 ermittelten Wert hinausgehende Stutzenwanddicke darf bei der Berechnung der Verstärkung nicht berücksichtigt werden. Darüber hinaus darf das Verhältnis ea,b/ea,s den aus dem Diagramm in Bild 9.4-15 entnommenen Wert nicht überschreiten. ANMERKUNG Der Wert eb ist die mittragende Wanddicke des Stutzens, die in den Bemessungsformeln für die Verstärkung zu verwenden ist. Der Wert ea,b ist die tatsächliche Wanddicke des Stutzens (d.h. die Berechnungswanddicke) für die Fertigung. Das Verhältnis eb/ea,s begrenzt den für die Ausschnittverstärkung anrechenbaren Anteil des Stutzens, wenn die Schalenwand selbst nicht verstärkt ist. Das Verhältnis ea,b/ea,s begrenzt die tatsächliche Wanddicke (d.h. die Berechnungswanddicke) des Stutzens (selbst wenn diese nicht bei der Verstärkungsberechnung berücksichtigt wird), um Probleme im Dauerfestigkeits- und Zeitstandbereich zu vermeiden.

9.4.7 Mit der Schale verschweißte Stutzen Stutzen liegen üblicherweise in folgender Verbindungsform vor: geschweißt (eingeschweißt, aufgeschweißt, hervorstehende Stutzen), ausgehalst oder geschraubt. Bei geschweißten Stutzen kann die Querschnittsfläche des Stutzens immer für die Verstärkung des Ausschnitts berücksichtigt werden, sofern die Schweißmaße den Tabellen A-6 und A-8 des Anhangs A dieser Norm entsprechen. Bei aus der Schale ausgehalste Stutzen kann die Querschnittsfläche des Stutzens für die Verstärkung des Ausschnitts berücksichtigt werden, sofern die Anforderungen nach 9.5.7.3 erfüllt werden. Bei geschraubten Stutzen darf die Querschnittsfläche des Stutzens nicht für die Verstärkung des Ausschnitts berücksichtigt werden. 9.4.8 Ausschnitte in der Nähe von Schalenstumpfnähten Ist der Abstand zwischen der Ausschnittsöffnung und einer Schalenstumpfnaht (Längs- oder Rundnaht) größer als lso (siehe Gleichung (9.5-2)), kann die Stumpfnaht unberücksichtigt bleiben. Ist der Abstand kleiner oder gleich lso, gelten die folgenden Bedingungen: a)

Der Abstand zwischen der Mittellinie der Stumpfnaht und dem Ausschnittmittelpunkt muss entweder kleiner als dib/6 oder größer als der Wert für ln nach folgender Gleichung sein:

ln = min (0,5 deb + 2ea,s ; 0,5 deb + 40) b)

( 9.4-4)

Die Verstärkungsberechnung muss entweder nach 9.5.2 (für Einzelausschnitte) oder 9.7.2 (für Ausschnitte in der Nähe von Störstellen) erfolgen.

89

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

Bild 9.4-1 — Zylinderschale mit Einzelausschnitt und Verstärkung durch Wanddickenerhöhung

Bild 9.4-2 — Kugelschale oder gewölbter Boden mit Einzelausschnitt und Verstärkung durch Wanddickenerhöhung

90

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

Bild 9.4-3 — Zylinderschale mit Einzelausschnitt und Verstärkung durch Verstärkungsscheibe

Bild 9.4-4 — Kugelschale oder gewölbter Boden mit Einzelausschnitt und Verstärkung durch Verstärkungsscheibe

91

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

Bild 9.4-5 — Zylinderschale mit Einzelausschnitt und Verstärkung durch Verstärkungsring, mit externem Blindflansch B

Bild 9.4-6 — Kugelschale oder gewölbter Boden mit Einzelausschnitt und Verstärkung durch Verstärkungsring, mit innerem Blindflansch B

92

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

Bild 9.4-7 — Zylinderschale mit Einzelausschnitt und aufgeschweisstem Stutzen

Bild 9.4-8 — Kugelschale oder gewölbter Boden mit Einzelausschnitt und eingeschweisstem Stutzen

93

EN13445-3:2002 (D) Ausgabe 7 (2003-07)

Bild 9.4-9 — Zylinderschale mit Einzelausschnitt, Verstärkung durch höhere Wanddicke und eingeschweisstem Stutzen

Bild 9.4-10 94

— Kugelschale oder gewölbter Boden mit Einzelausschnitt und Schale, Stutzen und Verstärkungsscheibe

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

Bild 9.4-11 — Zylinderschale mit Einzelausschnitt und stumpfgeschweißtem Stutzen (siehe X) und ausgehalster Schale (siehe Y)

Bild 9.4-12 — Kugelschale oder gewölbter Boden mit in die Schale eingehalstem Einzelausschnitt

95

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

96

Bild 9.4-13 — Konische Schale mit isolierter Öffnung Kombinierte Verstärkung von Schale und Stutzen

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 7 (2003-07)

dib
is

Bild 9.4-14 — Begrenzung des Wanddickenverhältnisses von Stutzen für die Verstärkungsberechnung

dib
is

Bild 9.4-15 — Begrenzung des tatsächlichen Wanddickenverhältnisses von Stutzen für die Fertigung

97

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

9.5 Einzelausschnitte 9.5.1 Geltungsbereich Ausschnitte gelten als Einzelausschnitte, wenn die folgende Bedingung erfüllt ist: Lb ≥ a1 + a2 + lso1 + lso2

(9.5-1)

Die Werte a1 und a2 sind in Bilder 9.6-1 bis 9.6-4 dargestellt. Die Werte für lso1 und lso2 werden wie folgt berechnet:

l so = ( 2ris + ec,s ) ⋅ e c,s

(9.5-2)

wobei ec,s die angenommene Schalendicke ist, die - wie in 9.3.2 erklärt - verwendet werden muss; normalerweise kann der Wert der Schalenberechnungsdicke ea,s verwendet werden, aber dies kann konservativ sein, und manchmal ist es vorteilhaft, einen kleineren Schätzwert für ec,s zu verwenden, um kleinere Mindestabstände von den benachbarten Schalenunterbrechungen zu bekommen.

Dabei ist ris: — bei Zylinder- oder Kugelschalen: ris =

De − ea,s 2

(9.5-3)

— bei halbkugelförmigen oder torisphärischen Böden: ris = R

(9.5-4)

— bei elliptischen Böden:

r is =

0 ,44D i2 + 0 ,02Di 2h

(9.5-5)

— bei Kegelschalen: r is =

98

De 2 cos α

− e a,s

(9.5-6)

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05) 9.5.2 Verstärkungsregeln 9.5.2.1 Allgemeine Verstärkungsgleichung und Ableitungen 9.5.2.1.1 Die allgemeine Gleichung für die Verstärkung eines Einzelausschnitts lautet wie folgt:

(Afs + Afw) (fs - 0,5P) + Afp ž (fop - 0,5P) + Afb (fob - 0,5P) ≥ P (Aps + Apb + 0,5 Apϕ) ..

(9.5-7)

Dabei ist: fob = min (fs ; fb)

(9.5-8)

fop = min (fs ; fp)

(9.5-9)

Wenn ein Verstärkungsring eingebaut wird, müssen Afr und Apr durch Afb bzw. Apb ersetzt werden. 9.5.2.1.2 Für alle Ausschnitte außer kleinen Ausschnitten und solchen mit Verstärkungsringen, kommt die Gleichung (9.5-7) zur Anwendung, insbesondere:

a)

Ist entweder fb oder fp kleiner oder gleich fs, wird die Verstärkung nach Gleichung (9.5-7) ermittelt und Pmax wird wie folgt berechnet: Pmax =

b)

(Af s +Afw ) ⋅ fs + Afb ⋅ f ob + Af p ⋅ f op (Ap s +Apb + 0,5 Apϕ) + 0,5(Af s +Afw +Af b +Af p )

(9.5-10)

Sind fb und fp beide größer als fs, wird die Verstärkung wie folgt berechnet: (Afs + Afw + Afp + Afb) ž (fs - 0,5P) ≥ P (Aps + Apb + 0,5Apϕ) Pmax =

(Af s + Afw + Af b + Af p ) ⋅ fs (Aps + Ap b + 0,5 Apϕ ) + 0,5(Af s + Afw + Af b + Af p )

(9.5-11) (9.5-12)

9.5.2.1.3 Für Ausschnitte mit Verstärkungsring gilt:

a)

Ist fr kleiner oder gleich fs, gilt folgende Gleichung: (Afs + Afw) ž (fs - 0,5P) + Afr ž (for - 0,5P) ≥ P (Aps + Apr + 0,5Apϕ)

(9.5-13)

Pmax wird wie folgt berechnet: Pmax =

(Af s +Afw ) ⋅ fs + Af r ⋅ f or (Ap s +Apr +0,5 Apϕ) + 0,5(Af s +Afw +Af r )

(9.5-14)

99

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 5 (2003-02) Dabei wird for wie folgt ermittelt: for = min (fs ; fr) b)

(9.5-15)

Ist fr größer als fs, gilt folgende Gleichung: (Afs + Afw + Afr) ž (fs - 0,5P) ≥ P (Aps + Apr + 0,5Apϕ)

(9.5-16)

Pmax wird wie folgt berechnet:

Pmax =

(Af s +Afw +Af r ) ⋅ fs (Ap s +Apr +0,5 Apϕ) + 0,5(Af s +Afw +Af r )

(9.5-17)

9.5.2.2 Kleine Ausschnitte

Als kleine Ausschnitte gelten Ausschnitte, die die folgende Bedingung erfüllen:

d ≤ 0 ,15 ( 2ris + e c,s ) ⋅ e c,s

(9.5-18)

Ist der Abstand wp eines kleinen Ausschnitts von einer Störstelle der Schale größer als der in 9.7.3 angegebene Wert, ist keine Verstärkung erforderlich. Ist er kleiner als der Wert nach 9.7.3, ist eine Verstärkung nach Gleichung (9.5-7) oder (9.5-11) erforderlich. Der Abstand w zwischen dem kleinen Ausschnitt und der Störstelle der Schale muss auf jeden Fall den in 9.7.1 geforderten Minimalwert wmin einhalten. 9.5.2.3 Schweißnahtfaktor

Hat der Stutzen eine Längsnaht mit einem Schweißnahtfaktor z, dann ist der Wert fb für den Stutzenwerkstoff durch fbžz zu ersetzen, ausgenommen bei Ausschnitten in Zylinder- oder Kegelschalen, wenn der Winkel θ , wie in 9.3.2. definiert, größer als 45° ist. 9.5.2.4 Spannungsbeanspruchte Querschnittsflächen

Der Wert Afs wird nach 9.5.3.1 berechnet, Afp nach 9.5.5, Afr nach 9.5.6 und Afb nach 9.5.7. Afw ist die Fläche aller Verbindungsnähte zwischen verschiedenen Bauteilen (Schale und Stutzen, Schale und Verstärkungsring oder Verstärkungsscheibe) innerhalb der Länge l’s auf der Schale (siehe 9.5.3) und den Längen l’b und l’bi auf dem Stutzen (siehe 9.5.6). Bereits in anderen Flächen berücksichtigte Schweißnahtflächen, z.B. Afs, Afr, Afp oder Afb, dürfen nicht in Afw aufgenommen werden. 9.5.2.5 Druckbeanspruchte Querschnittsflächen

Der Wert Aps wird nach 9.5.3.2 berechnet, Apr nach 9.5.6, Apb nach 9.5.7 und Apϕ nach 9.5.8. 9.5.3 Schale 9.5.3.1 Afs

l's = min (lso; ls)

Dabei ist lso aus Gleichung (9.5-2) und ls aus 9.7.2 zu entnehmen.

100

(9.5-19)

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 7 (2003-07) Für Ausschnitte mit Verstärkung nur durch Erhöhung der Schalenwanddicke (siehe Bild 9.4-1) bzw. durch Verstärkungsscheibe (siehe Bild 9.4-3), Verstärkungsring (siehe Bild 9.4-5) oder Einschweißstutzen (siehe Bild 9.4-8) gilt:

Afs = ec,s
l’s

(9.5-20)

Für Ausschnitte mit Aufschweißstutzen (siehe Bild 9.4-7) gilt:

Afs = ec,s
(eb + l’s )

(9.5-21)

9.5.3.2 Aps Für Ausschnitte mit Verstärkung nur durch Erhöhung der Schalenwanddicke (siehe Bilder 9.4-1 und 9.4.2) bzw. durch eine Verstärkungsscheibe (siehe Bilder 9.4-3 und 9.4-4) muss die gesamte Fläche Aps wie in den entsprechenden Bildern angegeben berücksichtigt werden. Für Ausschnitte in Schalen ohne Stutzen und Verstärkungsringen wird der Wert für Aps wie folgt berechnet:

Aps = As + 0,5d ⋅ ea,s + 0,5d ip ⋅ e p

(9.5-22)

Für Ausschnitte mit stutzen ist na Stelle von d das Symbol dib zu verwenden. Bei Ausschnitten ohne Verstärkungsscheibe ist ep = 0. Der Wert für As in Gleichung (9.5-22) ergibt sich durch folgende Formel für verschiedene Schalen (für Ausschnitte mit stutzen ist in allen Gleichungen von (9.5-23) bis (9.5-28) an Stelle von d das Symbol deb zu verwenden): a)

Für Zylinderschalen in Längsrichtung (siehe Bild 9.4-3) gilt:

(

As = ris ⋅ l 's + a

)

(9.5-23)

wobei a gleich 0,5d ist. b)

Für Kegelschalen in Längsrichtung (siehe Bild 9.4-13 jedoch ohne den Stutzen zu berücksichtigen) gilt:

As = 0,5
(l’s + a)
(ris + (ris + (l’s + a) tanα)) ANMERKUNG

c)

(9.5-24)

In Bild 9.4-13 ist r’is gleich ris + (l’s + a) tan α

Für gewölbte Böden oder Kugelschalen in jeder Schnittrichtung und für Zylinderschalen in Querrichtung (siehe Bild 9.4-4) gilt: As = 0 ,5ris2 ⋅

l' s + a 0 ,5e a,s + ris

Dabei ergibt sich der Wert von a in Gleichung (9.5-25) durch a = rms
arcsin δ wobei rms = ris + 0,5ea,s

d 2rms In den obengenannten Gleichungen ergibt sich l'S wie folgt: δ =

l's = min (lso ; ls)

(9.5-25)

(9.5-26) (9.5-27) (9.5-28)

(9.5-29)

Für Stutzen schräg zur Schale sind die Werte für a in 9.5.8.1 und 9.5.8.2 gegeben. 101

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05) 9.5.4 Verstärkung durch Erhöhung der Schalenwanddicke

Bei einer Verstärkung nur durch Erhöhung der Schalenwanddicke gilt: l's = min (lso ; ls)

(9.5-30)

Dabei ist lso aus Gleichung (9.5-2) und l's aus 9.7.1b zu entnehmen. Die Fläche Aps wird nach Gleichung (9.5-22) berechnet; wenn der Deckel des Ausschnitts innerhalb der Schale liegt (siehe Bild 9.4-2), wird die Fläche Aps nach durch As gegeben (siehe Gleichungen (9.5-23 bis 25)). 9.5.5 Verstärkung durch Verstärkungsscheibe

Verstärkungsscheiben müssen unmittelbar an der Schale anliegen. Die für die Verstärkung anrechenbare Breite der Verstärkungsscheibe l’ p (siehe Bilder 9.4-3 und 9.4-4) wird wie folgt berechnet: l’ p = min (lso; lp)

(9.5-31)

Der für die Berechnung von Afp verwendete Wert von ep darf den Wert von ea,s nicht überschreiten. ep = min (ea,p ; ea,s)

(9.5-32)

Afp = epžl’ p

(9.5-33)

Darüber hinaus muss die Berechnungswanddicke der Verstärkungsscheibe die folgende Gleichung erfüllen: ea,p ≤ 1.5 ea,s

(9.5-34)

Aps und Afs sind nach 9.5.3.1 und 9.5.3.2 zu berechnen.

Für eine ausreichende Verstärkung muss entweder Gleichung 9.5-7 oder 9.5-11 erfüllt sein.

9.5.6 Verstärkung durch Verstärkungsring

Es dürfen nur eingeschweißte Verstärkungsringe nach den Bildern 9.4-5 und 9.4-6 verwendet werden. Die für die Verstärkung anrechenbare Breite er des Verstärkungsrings wird wie folgt berechnet: er = min ( ea,r; max (3ea,s; 3lr ) )

(9.5-35)

Für eine angemessene Verstärkung muss je nachdem eine der beiden Gleichungen (9.5-13) oder (9.5-16) erfüllt sein. Wenn Ring plus Schale als Schalenwand mit variabler Dicke betrachtet werden, die von der Bohrung des Verstärkungsrings beginnt (siehe Bilder 9.4-5 und 9.4-6), ergibt sich die maximale Länge lo von Ring plus Schale aus der Bohrung, welche als Austrittsverstärkung fungiert, aus:

l o = ( 2r is + e a ,m ) ⋅ e a ,m

102

(9.5-36.1)

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 7 (2003-07) wobei ea,m die durchschnittliche Dicke ist (erreicht durch die Berücksichtigung von er und ea und durch iterative Berechnung) an der Länge lo:

ea,m = ea,s + (er - ea,s)

lr lo

(9.5-36.2)

Ist die Breite des Verstärkungsrings lr größer als lo, kann für die Verstärkungsberechnung lr = lo angesetzt werden. Deshalb beträgt die effektive Länge l's der Schale für die Berechnung von Afs:

l's = min ( ls; lo - lr)

(9.5-37)

Ferner:

Afr = er
lr

(9.5-38.1)

Apr = 0,5 dir
er

(9.5-38.2)

Afs = ec,s
l's

(9.5-38.3)

Aps wird berechnet aus den Gleichungen (9.5-22) mit l's wie in Gleichung (9.5-37) definiert und a bezogen auf den Außendurchmesser des Verstärkungsrings. Befindet sich der Verschluss des Ausschnitts in dem Ring (siehe Bild 9.4-6) ist der Wert des Bereichs Apr gleich 0. 9.5.7 Verstärkung durch senkrechte Stutzen 9.5.7.1 Bei Aufschweißstutzen (siehe Bild 9.4-7) oder Einschweißstutzen (siehe Bild 9.4-8) darf die für die Verstärkung anrechenbare Länge des Stutzens nicht größer sein als lbo. Der Wert für lbo wird wie folgt berechnet:

l bo =

(d eb

− eb ) ⋅ eb

(9.5-39)

Für die Berechnung des Werts lbo in Gleichung (9.5-39) muss der Durchmesser deb von Stutzen mit elliptischen oder länglich rundem Querschnitt neben der kleinsten Größe der Bohrung genommen werden.

Für überstehende Stutzen gilt:

l'bi = min (lbi ; 0,5lbo)

(9.5-40)

Für Einschweißstutzen gilt:

Afb = eb
(l’b + l’bi + e's)

(9.5-41)

Für Aufschweißstutzen gilt:

Afb = eb
l’b

(9.5-42)

l’b = min (lbo; lb )

(9.5-43)

l’bi = min (0,5lbo ; lbi)

(9.5-44)

Dabei ist:

103

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 7 (2003-07) Der Wert e's ist die Einstecktiefe (vollständig oder teilweise) des Einschweißstutzens in der Schalenwand und darf nicht größer sein als ea,s. Für Ein- und Aufschweißstutzen gilt:

Apb = 0,5dib
(l'b+ea,s)

(9.5-45)

Afs und Aps sind nach 9.5.3.1 und 9.5.3.2 zu berechnen; dabei ergibt sich Aps nur durch den Wert von As in 9.5.3.2.a), b), c). Für eine ausreichende Verstärkung muss entweder Gleichung (9.5-7) oder (9.5-11) erfüllt sein. 9.5.7.2 Für stumpfgeschweißte Stutzen gilt Bild 9.4-11. Für eine ausreichende Verstärkung muss entweder Gleichung (9.5-7) oder (9.5-11) erfüllt sein. 9.5.7.3 Für ausgehalste Stutzen gelten Bilder 9.4-11 und 9.4-12. Sowohl Afs als auch Afb müssen zum Ausgleich für Dickenabnahmen bei der Herstellung mit dem Faktor 0,9 multipliziert werden, wenn die Mindestdicke bzw. die tatsächliche Dicke des ausgehalsten Teils nicht bekannt ist. Für eine ausreichende Verstärkung muss entweder Gleichung (9.5-7) oder (9.5-11) erfüllt sein. Für die Berechnung der druckbeanspruchten Flächen Ap und der spannungsbeanspruchten Querschnittsflächen Af von Stutzen nach den Bildern 9.4-11 und 9.4-12 muss der Nutzer deren Werte selbst ermitteln. 9.5.8 Verstärkung durch schräge Stutzen 9.5.8.1 Schräge Stutzen in Zylinder- und Kegelschalen 9.5.8.1.1 Die Verstärkung von Stutzen in Zylinder- oder Kegelschalen ist nach 9.5.8.1.3 für die Querschnittsflächen in Längs- und Querrichtung zu berechnen, wenn die Stutzenachse schräg zur Querschnittsfläche in Querrichtung (siehe Bild 9.5-2) verläuft und folgende Bedingung gilt:

ϕ < arcsin (1-δ)

(9.5-46)

Dabei ist:

δ =

d eb 2(ris + 0,5e a,s )

(9.5-47)

Für die Prüfung der Querschnittsfläche in Längsrichtung ist ϕ = 0 anzunehmen. 9.5.8.1.2 Wenn die Stutzenachse schräg zur Querschnittsfläche in Längsrichtung verläuft (siehe Bild 9.5-1) und ϕ einen Winkel von 60° nicht überschreitet, ist eine Berechnung der Verstärkung nach 9.5.8.1.3 lediglich für die Querschnittsfläche in Längsrichtung erforderlich. 9.5.8.1.3 Die Verstärkung muss an der Seite des Stutzens berechnet werden, auf der der Winkel zwischen Stutzen- und Schalenwand kleiner als 90° ist. Der Abstand a wird wie folgt berechnet: i)

bei Zylinder- und Kegelschalen für die Querschnittsfläche in Längsrichtung:

a = 0,5 ⋅ ii)

deb cos ϕ

bei Zylinder- und Kegelschalen für die Querschnittsfläche in Querrichtung mit rms und δ nach Festlegung in Gleichung (9.5-28) und (9.5-29):

a = 0,5 rms
[ arcsin ( δ+sin ϕ ) + arcsin ( δ - sin ϕ )] Apb und Afb werden nach 9.5.7 berechnet. 104

(9.5-48)

(9.5-49)

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

Die zusätzliche Fläche aufgrund der Schrägstellung des Stutzens wird dann wie folgt berechnet: Apϕ =

dib2 ⋅ tan ϕ 2

(9.5-50)

Afs und Aps werden nach 9.5.3.1 und 9.5.3.2 berechnet; für schräge Stutzen in Kegelschalen mit einer Achsenstellung nach 9.5.8.1.2 wird Aps jedoch nach Gleichung (9.5-24) berechnet. ANMERKUNG Dies gilt auch, wenn die tatsächliche Richtung der Stutzenachse zu einem reduzierten Wert für Aps auf der Stutzenseite führt, für die die Verstärkung zu berechnen ist. Das bedeutet, dass die Gleichung (9.524) bei einer Neigung der Stutzenachse entlang der Mantellinie der Kegelschale sowohl in der einen als auch in der anderen Richtung anzuwenden ist.

Für eine ausreichende Verstärkung muss entweder Gleichung (9.5-7) oder (9.5-11) erfüllt sein. 9.5.8.2 Schräge Stutzen in Kugelschalen und gewölbten Böden

Die Regeln dieses Abschnitts gelten für Stutzen in Kugelschalen und kugelförmigen Abschnitten gewölbter Böden (siehe Bild 9.5-3), deren Achse schräg zum Schalenradius verläuft und einen Winkel ϕ mit diesem bildet, der nicht größer sein darf als der durch die folgende Gleichung gegebene Wert:

ϕ < arcsin (1-δ )

(9.5-51)

Dabei wird δ nach Gleichung (9.5-29) berechnet. Die Verstärkung muss in der Ebene berechnet werden, die durch die Stutzenachse und den Kugelradius durch den Ausschnittmittelpunkt gebildet wird. Bei der Berechnung sind nur die Flächen auf der Seite des Stutzens zu berücksichtigen, auf der der Winkel zwischen Stutzenwand und Kugeloberfläche kleiner 90° ist. Allerdings muss l’ s auf beiden Seiten des Stutzens berechnet werden, wobei dann der kleinere der beiden Werte zu wählen ist. Afb und Apb werden nach 9.5.7 berechnet und es gilt: Apϕ =

d ib2 ⋅ tan ϕ 2

(9.5-52)

Afs wird entweder nach Gleichung (9.5-20) oder (9.5-21) berechnet, wobei der Abstand a durch Gleichung (9.5-49) gegeben ist; Aps wird nach Gleichung (9.5-25) berechnet. Für eine ausreichende Verstärkung muss entweder Gleichung (9.5-7) oder (9.5-11) erfüllt sein.

105

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

Bild 9.5-1 — Zylinderschale mit zur Schnittfläche in Längsrichtung schräg angeordnetem Stutzen

106

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

Bild 9.5-2 — Zylinderschale mit zur Schnittfläche in Querrichtung schräg angeordnetem Stutzen

107

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

Bild 9.5-3 — Kugelschale mit nicht radial angeordnetem Stutzen

Bild 9.5-4 — Lage von Ausschnitten, Stutzen und Verstärkungsscheiben in gewölbtem Böden

108

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

9.6 Mehrfachausschnitte 9.6.1 Benachbarte Ausschnitte

Für die in diesem Unterabschnitt beschriebene Stegprüfung (in 9.6.3) und Gesamtprüfung (in 9.6.4) gelten die folgenden Anwendungskriterien. Genügt der in Bilder 9.6-1 und 9.6-3 dargestellte Abstand Lb der Mittelpunkte zweier benachbarter Ausschnitte nicht dem Kriterium in Gleichung (9.5-1), muss, sofern nicht alle Bedingungen in 9.6.2 erfüllt werden, eine Stegprüfung durchgeführt werden. Wird die Forderung der Stegprüfung nicht erfüllt, muss eine Gesamtprüfung durchgeführt werden. Bei Erfüllung der Stegprüfung ist keine Gesamtprüfung erforderlich. Kein Steg zwischen den Stutzen darf kleiner sein als: max (3e a,s ; 0,2 (2ris + e c,s ) ⋅ e c,s )

(9.6-1)

wobei ris der Mittelwert zwischen den Schalenradien an den Mittelpunkten von zwei benachbarten Stutzen (z. B. einer kegelförmigen Schale) ist. Die Forderungen in 9.5 für Einzelausschnitte müssen in allen Fällen erfüllt werden. 9.6.2 Bedingungen für Entfallen der Stegprüfung

Werden alle folgenden Bedingungen erfüllt, ist eine Stegprüfung nicht erforderlich: a)

Die Summe aller Stutzendurchmesser (oder größten Breiten) erfüllt nachstehende Gleichung:

(d 1 + d 2 + .. + d n ) ≤ 0,2 (2r b)

+e

c, s

)⋅e

c, s

(9.6-2)

Die Stutzen liegen vollständig innerhalb eines Kreises mit dem Durchmesser dc, der wie folgt berechnet wird: d c = 2 (2r

c)

is

is

+e

c, s

)⋅e

c, s

(9.6-3)

Die Stutzen sind von allen anderen Ausschnitten oder Störstellen außerhalb dieses Kreises getrennt.

9.6.3 Stegprüfung benachbarter Ausschnitte 9.6.3.1 Allgemeines

Die Stegprüfung ist bestanden, wenn die folgende Gleichung erfüllt ist (siehe Bilder 9.6-1 bis 9.6-4): (AfLs + Afw)ž( fs -0,5P) + Afb1 ( fob1 - 0,5P) + Afp1 ( fop1 -0,5P)+ Afb2 ( fob2-0,5P) + + Afp2 ( fop2-0,5P) > P (ApLs+ Apb1+ 0,5 Apϕ1+ Apb2 + 0,5 Apϕ2)

(9.6-4)

Bei Verwendung eines Verstärkungsrings können Afb und Apb durch Afr und Apr ersetzt werden. Die in dieser Gleichung verwendeten Flächen AfLs und ApLs der Schale sind in 9.6.3.2.2 und 9.6.3.2.3 definiert. Für Gruppen von Ausschnitten ist die Stegprüfung bei jedem Paar benachbarter Ausschnitte durchzuführen.

109

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05) 9.6.3.2 Ausschnitte in Zylinder- und Kegelschalen 9.6.3.2.1 Bei zwei benachbarten Ausschnitten in Zylinder- und Kegelschalen (siehe Bilder 9.6-1 und 9.6-2) muss Gleichung (9.6-4) in der Ebene erfüllt sein, die senkrecht zur Schalenwand liegt und in der sich die Mittelpunkte beider Ausschnitte befinden. Die Werte von ApLs und AfLs sind 9.6.3.2.2 und 9.6.3.2.3 zu entnehmen. 9.6.3.2.2 Für Zylinderschalen wird ApLs wie folgt ermittelt:

Ap Ls =

0,5r is2 ⋅ Lb ⋅ (1 + cos Φ ) r is + 0,5e a,s ⋅ sinΦ

(9.6-5)

Dabei ist ris durch Gleichung (9.5-3) gegeben. Für Kegelschalen wird ApLs wie folgt ermittelt: ApLs =

0,25(ris1 + ris 2 )2 ⋅ Lb ⋅ (1 + cos Φ ) ris1 + ris 2 + ea,s ⋅ sinΦ

(9.6-6)

Dabei ist ris durch Gleichung (9.5-6) gegeben. In allen Fällen ist der WinkelΦ aus Bild 9.6-1 und Lb nach den Bildern 9.6-1 bis 9.6-6 zu entnehmen. 9.6.3.2.3 AfLs wird wie folgt ermittelt:

AfLs = (Lb - a1 - a2 )žea,s

(9.6-7)

Die entlang der Linie Lb gemessenen Abstände a1 und a2 werden wie folgt berechnet (siehe Bilder 9.6-1 und 9.6-2): a) In Fällen mit Φ = 0° (d.h. Stutzen in der Behälterachse) gilt: a=

0,5d eb cos ϕ e

(9.6-8)

b) In Fällen mit Φ ≠ 0°, in denen: - der schräge Stutzen zum benachbarten Ausschnitt hin geneigt ist, gilt: a = ros ž [arcsin (δ + sin ϕe ) - ϕe ]

(9.6-9)

- der schräge Stutzen vom benachbarten Ausschnitt weg geneigt ist, gilt: a = ros ž [ϕe+ arcsin ( δ - sin ϕe )]

110

(9.6-10)

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 7 (2003-07) Dabei ist:

ros =

ris + 0,5ea,s sin 2Φ

(9.6-11)

δ =

d eb 2ros

(9.6-12)

Der Wert des Arkussinus (arcsin) wird in rad angegeben. Bei benachbarten schrägen Stutzen, die auf der gleichen Mantellinie liegen, sind die Stutzenachsen in die Ebene zu projizieren, in der die Mittelpunkte der Ausschnitte und die Schalenachse liegen. Die Werte für Apϕ1 und Apϕ2 sind nach 9.5.8.1.3 zu berechnen. 9.6.3.3 Ausschnitte in Kugelschalen und gewölbten Böden Bei zwei benachbarten senkrechten Ausschnitten (siehe Bild 9.6-3) muss die Gleichung (9.6-4) in der Ebene erfüllt sein, die senkrecht zur Schalenwand liegt und in der sich die Mittelpunkte beider Ausschnitte befinden. Für diesen Zweck werden die Abstände a1 und a2 und die Flächen ApLs und AfLs mit den Gleichungen in 9.6.3 für Zylinderschalen und mit einem Winkel Φ = 90° berechnet. Bei benachbarten schrägen Stutzen (siehe Bild 9.6-4) sind die Stutzenachsen in die Ebene zu projizieren, in der die Senkrechten zur Schalenwand im Mittelpunkt jedes Ausschnitts liegen. Die Werte für Apϕ1 und Apϕ2 sind nach 9.5.8.2 zu berechnen. 9.6.3.4 Benachbarte Ausschnitte mit regelmäßigem Lochmuster Benachbarte Ausschnitte liegen dann in einem regelmäßigen Lochmuster, wenn mindestens 3 Stutzen auf derselben Linie liegen (Umfangs- oder Längslinie mit einem Winkel Φ zur Mantellinie für zylindrische oder kegelförmige Schalen und in sämtlichen Richtungen für kugelförmige Schalten und gewölbte Böden). Keine Ausschnitte dürfen sich in einer Entfernung von weniger als 2lso in der Nähe dieser benachbarten Ausschnitte befinden. Wenn Bohrungen in einem regelmäßigen Lochschema gebohrt werden, können die in der Wasserrohrkesselnorm (siehe EN 12952) angegebenen Konstruktionsmethoden zum Einsatz kommen. 9.6.3.4.1 Wenn benachbarte Ausschnitte in einem regelmäßigen Lochschema denselben Wert des Innendurchmessers dib und dieselbe Entfernung Lb untereinander haben, mit Stutzen senkrecht zur Schale mit denselben Abmessungen und mit Wert fb nicht kleiner als fs der Schale, dann können die nachstehenden Bedingungen für die Beurteilung der Verstärkung angewandt werden. Unter Berücksichtigung der Länge n x Lb, die durch die Bohrungen belegt ist, lässt sich die allgemeine Gleichung (9.6-4) wie folgt vereinfachen:

n ⋅ Af Ls ⋅ ( f s − 0,5P ) + n ⋅ 2 Af b ( f s − 0,5P ) ≥ P ⋅ n ⋅ ( Ap Ls + 2 Ap b )

(9.6-12.1)

AfLs = ec,s ( Lb - dib )

(9.6-12.2)

Afb = lbo ea,b

(9.6-12.3)

Apb = 0,5dib lbo

(9.6-12.4)

wobei

ApLs ist in 9.6.3 für verschiedenen Schalentypen und verschiedene Werte von Φ definiert r +r (9.6-12.5) r i = i 1 in für kegelförmige Schalen 2

111

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 7 (2003-07) Deshalb kommen die nachstehenden Bedingungen auf die Verstärkung der benachbarten Ausschnitte zur Anwendung, die in ein regelmäßiges Lochmuster gebohrt sind:

ec , s ⋅ ( Lb − d ib ) + 2 ⋅ ea ,b ⋅ l bo ≥

P ⋅ ( Ap Ls + d ib ⋅ l bo ) ( f s − 0,5P)

(9.6-12.6)

9.6.4 Gesamtprüfung benachbarter Ausschnitte Wird die Stegprüfung nicht erfüllt, ist eine Gesamtprüfung durchzuführen, bei der die Berechnung auf eine größere Querschnittsfläche ausgedehnt wird, die beide Wände jedes Stutzens und die angrenzenden Flächen der Schalenwand einschließt (siehe Bilder 9.6-5 und 9.6-6). Dabei müssen die folgenden Bedingungen erfüllt sein: a)

Lb + a’1 + a’2 < 2 (lso1 + lso2)

(9.6-13)

Dabei werden a’1 und a’2 in der zum Steg entgegengesetzten Richtung genommen. b)

Gleichung (9.6-4) muss erfüllt sein, wobei der zweite Term auf der rechten Seite mit dem Faktor 0,85 multipliziert wird.

c)

Im Bereich der beiden betrachteten Ausschnitte liegt kein weiterer benachbarter Ausschnitt.

d)

Keiner der beiden Ausschnitte liegt in der Nähe von Störstellen (siehe 9.7.2).

Eine weitere Verstärkungsberechnung ist durchzuführen, in die der gesamte Schalenquerschnitt auf der Länge Lb1 einbezogen wird. Dabei ist:

Lb1 = Lb + a’1 + a’2 + k
lso1 + k
lso2

(9.6-14)

Dabei ist Lb1 wie in 9.5.1 definiert, und der Wert von k wird wie folgt ermittelt:

k = 2−

Lb + a'1 +a' 2 l so1 + l so2

(9.6-15)

Ist der Wert von k größer 1, ist er gleich 1 zu setzen. Die folgende Bedingung muss erfüllt sein (siehe Bilder 9.6-5 und 9.6-6): (AfOs +Afw)
(fs- 0,5P)+2Afb1(fob1-0,5P)+ 2Afb2(fob2-0,5P)+Afpo1 (fop1-0,5P) +

+ Afpo2 (fop2-0,5P) + Afp i (fopi-0,5P) > P (ApOs+2Apb1+ Apϕ1+2Apb2+ Apϕ2)

(9.6-16)

Dabei ist:

ApOs und die Abstände a1 und a2 sowie a'1 und a'2 werden nach 9.6.3 berechnet, wobei Lb durch Lb1 ersetzt und ris wie in Gleichung (9.5-3 bis -6) definiert verwendet wird. AfOs = (Lb1 - a1 - a2 - a’1 - a’2)
ec,s

112

(9.6-17)

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

Afw ist die Summe der Schweißnahtflächen auf der Länge Lb1. - Für jeden Stutzen werden Afb, Apb und Apϕ nach 9.5.7 und 9.5.8 berechnet. - Für Verstärkungsscheiben außerhalb von Lb gilt: Afpo = ep ž l’ p

(9.6-18)

l’ p = min (lp ; kžlso)

(9.6-19)

- Für Verstärkungsscheiben zwischen Stutzen und innerhalb von Lb gilt: Afpi = ep ž Lbp

(9.6-20)

Lbp = min ( lp ; (Lb - al - a2) )

(9.6-21)

113

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

Bild 9.6-1 — Stegprüfung benachbarter senkrechter Stutzen in einer Zylinderschale

114

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

Bild 9.6-2 — Stegprüfung benachbarter schräger Stutzen in einer Kegelschale

115

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

Bild 9.6-3 — Stegprüfung benachbarter senkrechter Stutzen in einer Kugelschale

116

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

Bild 9.6-4 — Stegprüfung benachbarter schräger Stutzen in einer Kugelschale

117

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

Bild 9.6-5 — Gesamtprüfung benachbarter Stutzen in einer Zylinderschale

118

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

Bild 9.6-6 — Gesamtprüfung benachbarter Stutzen in einer Kugelschale oder einem gewölbten Boden

119

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

9.7 Ausschnitte in der Nähe von Störstellen der Schale 9.7.1 Für den zulässigen Abstand w (siehe Bilder 9.7-1 bis 9.7-11) zwischen einem Ausschnitt und einer Störstelle der Schale gelten zwei Bedingungen:

a)

Der Abstand w (siehe Bilder 9.7-1 bis 9.7-11) eines Ausschnitts von einer Störstelle darf nicht kleiner sein als der Mindestwert wmin nach 9.7.2.1.

b)

Liegt ein Ausschnitt innerhalb eines Abstands wp von einer Störstelle, muss die für die Ausschnittverärkung anrechenbare Länge der Schale ls nach 9.7.2.2 verringert werden.

9.7.2 Anforderungen für wmin 9.7.2.1 Ausschnitte in Zylinderschalen

a)

Bei Zylinderschalen, die mit gewölbten oder halbkugelförmigen Böden, der großen Grundfläche eines Kegels , ebenen Böden, Rohrböden und beliebigen Flanschen verbunden sind, wird der Abstand w wie in den Bildern 9.7-1 bis 9.7-3 und 9.7-5 dargestellt gemessen und muss die folgende Bedingung erfüllen: w > wmin = max (0,2 (2ris + ec,s ) ⋅ ec,s ; 3ea,s )

b)

(9.7-1)

Bei Zylinderschalen, die mit der kleinen Grundfläche eines Kegels, zum Zylinder konvexen Kugelschalen und anderen nicht koaxialen Zylinderschalen verbunden sind, wird der Abstand w wie in den Bildern 9.7-6 bis 9.7-8 dargestellt gemessen und muss die folgende Bedingung erfüllen: w > wmin = lcyl

(9.7-2)

Dabei ist: lcyl = c)

Dc ⋅ e1

(9.7-3)

Bei Zylindern, die mit Kompensatoren verbunden sind, wird der Abstand w wie in Bild 9.7-4 dargestellt gemessen und muss die folgende Bedingung erfüllen: w > wmin = 0,5žlcyl

(9.7-4)

9.7.2.2 Ausschnitte in Kegelschalen

a)

Bei Kegelschalen, die mit ihrer großen Grundfläche mit einer koaxialen Zylinderschale verbunden sind, wird der Abstand w wie in Bild 9.7-9 dargestellt gemessen und muss die folgende Bedingung erfüllen:

w > wmin = max

ö æ D ⋅e ç 0,2 c a,s ; 3ea,s ÷ ÷ ç cosα ø è

(9.7-5)

Dabei ist Dc der mittlere Durchmesser der Zylinderschale, ea,s die Wanddicke der Kegelschale und α der halbe Öffnungswinkel.

120

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

b)

Bei Kegelschalen, die mit ihrer kleinen Grundfläche mit einer koaxialen Zylinderschale verbunden sind, wird der Abstand w wie in Bild 9.7-10 dargestellt gemessen und muss die folgende Bedingung erfüllen: w > wmin = lcon

(9.7-6)

Dabei ist: lcon =

Dc ⋅ e 2 cos α

(9.7-7)

9.7.2.3 Ausschnitte in gewölbten und verschraubten Böden

Bei Ausschnitten in gewölbten und verschraubten Böden wird der Abstand w zwischen dem Ausschnittrand und dem Flansch wie in Bild 9.7-11 dargestellt gemessen und muss die folgende Bedingung erfüllen: w > wmin = max (0,2 (2ris + ec,s ) ⋅ ec,s ; 3ea,s )

(9.7-8)

9.7.2.4 Ausschnitte in elliptischen und torisphärischen Böden

Bei gewölbten Böden wird der Abstand w entlang des Meridians zwischen dem Rand des Ausschnitts (Außendurchmesser von Stutzen oder Scheibe) und dem Punkt auf dem gewölbten Boden gemessen, der wie in Bild 9.5-4 dargestellt durch den Abstand De/10 festgelegt ist (d. h. wmin = 0). 9.7.3 Anforderungen für wp

Ist der nach den Bildern 9.7-1 bis 9.7-11 gemessene Abstand w eines Ausschnitts von einer Störstelle kleiner als der nachstehend nach a), b) oder c) ermittelte Wert wp, wird die zur Verstärkung anrechenbare Schalenlänge ls in Gleichung (9.5-19) auf die folgenden Werte verkleinert: a)

Bei Störstellen nach 9.7.2.1.(a), 9.7.2.2.(a), 9.7.2.3 und 9.7.2.4: w < wp = lso ls = w

b)

c)

(9.7-9) (9.7-10)

Bei Störstellen nach 9.7.2.1.(b) und (c): w < wp = lso + wmin

(9.7-11)

ls = w - wmin

(9.7-12)

Bei Störstellen nach 9.7.1.2.(b): w < wp = lso + lcon

(9.7-13)

ls = w - lcon

(9.7-14)

121

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

Bild 9.7-1

Bild 9.7-2

122

Ausschnitt in einer Kegelschale nahe einer Verbindung mit einer gewölbtem Boden

Ausschnitt in einer Kegelschale nahe einer Verbindung mit einer großen Grundfläche eines Kegels

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

Bild 9.7-3

Bild 9.7-4

Ausschnitt in einer Kegelschale nahe einer Verbindung mit einem ebenen Boden oder Rohrböden

Ausschnitt in einer Kegelschale nahe einer Verbindung mit einem Kompensator

123

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

Bild 9.7-5 — Ausschnitt in einer Zylinderschale nahe einer Flanschverbindung

Bild 9.7-6 — Ausschnitt in einer Zylinderschale nahe der Verbindung mit der kleinen Kegelgrundfläche eines kegelförmigen Reduzierstücks

124

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

Bild 9.7-7

Ausschnitt in einer Kegelschale nahe einer Verbindung mit einer Kugelschale

Bild 9.7-8

Ausschnitt in einer Kegelschale nahe einer Verbindung mit einer anderen nicht axialen Kegelschale

125

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

Bild 9.7-9

Ausschnitt in einer Kegelschale nahe einer Verbindung mit einer koaxialen Zylinderschale an der großen Grundfläche

Bild 9.7-10

Ausschnitt in einer Kegelschale nahe einer Verbindung mit einer koaxialen Zylinderschale an der kleinen Grundfläche

126

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

Bild 9.7-11

Ausschnitt in gewölbten und verschraubten Boden nahe einer Flanschverbindung

127

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

10 Ebene Böden 10.1 Anwendungsbereich 10.1.1 Dieser Abschnitt enthält die Anforderungen für die Berechnung der Dicke runder und nicht runder unverankerter ebener Böden unter Druck und ausreichender Verstärkungen für Ausschnitte in derartigen Böden. Andere als Druckbelastungen sind in diesen Anforderungen nicht berücksichtigt. ANMERKUNG 1 Dieses Verfahren berücksichtigt die Spannungen, die bei verschweißten Böden durch die Kräfte und Momente an der Verbindung und bei verschraubten Böden durch die Kräfte und Momente durch Flansch und Verschraubung verursacht werden. ANMERKUNG 2 Abschnitt 15.

Für die Berechnung von Behältern mit rechteckigem Querschnitt gelten die Anforderungen in

10.1.2 Die Anforderungen dieses Abschnitts gelten nicht für verankerte Platten, d. h. Platten die durch Streben, Rundanker oder Ankerrohre gestützt werden. ANMERKUNG Verankerte Platten können nach den Gleichungen und Verfahren der Europäischen Norm für Großwasserraumkessel (siehe EN 12953) mit den zulässigen Spannungen dieser Norm berechnet werden.

Die Anforderungen dieses Abschnitts gelten nicht für Wärmeaustauscher-Rohrböden. Diese werden in Abschnitt 13 behandelt. 10.1.3 Die Anforderungen dieses Abschnitts gelten nicht für selbstabdichtende Deckel, das heißt Deckel, bei denen der Dichtungsdruck durch die Aktion des Innendrucks erzeugt wird und die mit einer Anschraubvorrichtung versehen sind.

10.2 Zusätzliche Definitionen Folgende Definitionen gelten zusätzlich zu denen in Abschnitt 3 und 11. 10.2.1 Ebener Boden: Eine unverankerte ebene Platte von konstanter Dicke, die mit einer Schale verschweißt oder verschraubt ist; sie wird weder durch Anker oder Ankerrohre gestützt noch durch Träger versteift und liegt nur an ihrem Rand auf, so dass sie überwiegend durch Biegung beansprucht wird. 10.2.2 Ansatz: Zylindrischer oder kegelförmiger Bördelrand an einem ebenen Boden, der es ermöglicht, den Boden durch eine Stumpfnaht mit einer Zylinderschale zu verschweißen (siehe Bild 10.4-1). 10.2.3 Entlastungsnut: Eine am Rand in einen ebenen Boden eingearbeitete Nut, die es ermöglicht, den Boden durch eine Stumpfnaht mit einer Zylinderschale zu verschweißen (siehe Bild 10.4-3). 10.2.4 Ringförmiger Boden: Eine ebene ringförmige Platte, die an ihrem Außendurchmesser mit einer Zylinderschale und an ihrem Innendurchmesser mit einer zweiten Zylinderschale verbunden ist und überwiegend durch Biegung und nicht durch Schub beansprucht wird.

128

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 7 (2003-07)

10.3 Zusätzliche Symbole und Abkürzungen Die folgenden Symbole und Abkürzungen gelten zusätzlich zu denen in Abschnitt 4 und 11.

A

Verstärkend wirkender Stutzenabschnitt (siehe 10.6.2.2);

a’

Kleineres Breitenmaß rechteckiger, elliptischer und länglich runder Platten;

b’

Größeres Breitenmaß rechteckiger, elliptischer und länglich runder Platten;

C1, C2

Beiwerte für die Berechnung runder ebener Böden;

C3, C4

Beiwerte für die Berechnung nicht runder ebener Böden;

c

Mittlerer Abstand zwischen wirksamem Dichtungsdurchmesser und Lochkreisdurchmesser;

Deq

Äquivalenter Durchmesser eines Bodens mit Ansatz (siehe Bild 10.4-1);

DF

Durchmesser des ebenen Teils eines Bodens mit konischem Ansatz (siehe Bild 10.4-1);

Di

Innendurchmesser der Zylinderschale mit verschweißtem ebenen Boden. Ist die Wanddicke im Anschlußbereich nicht konstant, ist Di der Innendurchmesser des äquivalenten Zylinders mit der mittleren Wanddicke es (siehe Bild 10.4-1b);

DX

Innendurchmesser eines ringförmigen Bodens;

DY

Außendurchmesser eines ringförmigen Bodens;

d

Ausschnittdurchmesser, äquivalenter Stutzendurchmesser, mittlerer Durchmesser von zwei Ausschnitten oder mittlerer äquivalenter Durchmesser von zwei Stutzen;

di

Stutzeninnendurchmesser;

de

Stutzenaußendurchmesser;

e1

Erforderliche Dicke des Flanschbereichs eines ebenen Bodens;

eab

Berechnungswanddicke des äußeren Stutzenquerschnitts (siehe Bild 10.6-3);

e’ab

Berechnungswanddicke des inneren Stutzenüberstands (siehe Bild 10.6-4);

eaf

Berechnungswanddicke eines Bodens mit Ansatz;

eb

Erforderliche Stutzenwanddicke für die Druckbelastung;

eo

Erforderliche Dicke eines Bodens ohne Ausschnitte für die Berechnung eines Bodens mit Ausschnitten;

er

Erforderliche Dicke eines Bodens an der Entlastungsnut (siehe Bild 10.4-3);

es

Berechnungswanddicke einer Zylinderschale mit konstanter Wanddicke oder äquivalente Wanddicke einer Zylinderschale mit konischem Übergang des Ansatzes (siehe Bild 10.4-1);

129

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05) fA

Berechnungsnennspannung des Werkstoffs bei Raumtemperatur;

fb

Berechnungsnennspannung des Stutzens bei Berechnungstemperatur;

fs

Berechnungsnennspannung der Schale bei Berechnungstemperatur;

h

Radialer Abstand des Mittelpunkts eines Ausschnitts vom Schaleninnendurchmesser (siehe Bild 10.6-1);

j

Aus der Lage eines Ausschnitts ermittelter Faktor (siehe 10.6.2.1);

k

Abstand zwischen den Mittelpunkten zweier Ausschnitte (siehe Bild 10.6-2);

l

Mittragende Länge des äußeren Stutzenüberstands;

l’

Mittragende Länge des inneren Stutzenüberstands (siehe Bild 10.6-3);

lcyl

Länge der Zylinderschale, wie in Bild 10.4-1...10.4-3 dargestellt, die zur Festigkeit der Verbindung ebener Boden (aller Arten von ebenen Böden) und Zylinderschalen (direkt an die Schale angeschweißte Enden) beiträgt;

n

ist die Anzahl von Schrauben an einem flachen, nicht kreisförmigen Ende;

r

Innerer Übergangsradius eines Ansatzes (siehe Bild 10.4-1);

rd

Innerer Radius einer Entlastungsnut (siehe Bild 10.4-3);

tB

Mittlere Schraubenteilung in einem verschraubten Flachboden;

Y1

Berechnungsbeiwert der Ausschnittverstärkung (siehe Gleichung (10.6-3));

Y2

Berechnungsbeiwert der Ausschnittverstärkung (siehe Gleichung (10.6-4));

ν

Querkontraktionszahl des Bodenwerkstoffs;

10.4 Verschweißte runde ebene Böden ohne Ausschnitte 10.4.1 Allgemeines Nachstehende Anforderungen gelten für folgende unverschwächte runde Bodentypen: a)

Böden mit Ansatz (siehe Bild 10.4-1);

b)

kehlnahtverschweißte Böden (siehe Bild 10.4-2);

c)

Böden mit Entlastungsnut (siehe Bild 10.4-3).

10.4.2 Geltungsbereich 10.4.2.1 Auf der Länge lcyl (siehe Bilder 10.4-1 bis 10.4.-3) darf keine weitere Verbindung zwischen der Schale und einem Boden, Rohrboden oder Flansch oder einer anderen Schale liegen.

130

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05) 10.4.2.2 Für Böden mit Ansatz gelten folgende Bedingungen: a)

Der Übergangsradius des Ansatzes muss die nachstehenden Gleichungen erfüllen: r ≥ es und r ≥ 0.25 eaf;

Ebene Böden, die diese Gleichungen nicht erfüllen, sind als kehlnahtverschweißte Böden zu behandeln. b)

Ansatz und anschließender Zylinder dürfen versetzt sein, der Versatz ihrer Wandmittellinien darf jedoch die Differenz zwischen ihren Nennwanddicken nicht überschreiten.

c)

Bei einem konischen Ansatz darf die Abschrägung nicht größer sein als 1 : 3.

d)

Ist die an den Boden anschließende Wanddicke der Zylinderschale konstant (siehe Bild 10.4-1(a)), wird lcyl wie folgt berechnet:

l cyl = 0,5 (Di + es )es e)

(10.4-1)

Ist die an den Boden anschließende Wanddicke der Zylinderschale nicht konstant (siehe Bild 10.4-1(b)), ist zunächst für lcyl ein Wert anzunehmen und die mittlere Wanddicke über diese Länge zu berechnen. Dieser Dickenwert ist in Gleichung (10.4-1) einzusetzen und damit lcyl zu berechnen. Ist der berechnete Wert größer als der angenommene, muss die Berechnung mit einem größeren angenommenen Wert für lcyl wiederholt werden.

10.4.2.3 Die Länge lcyl für kehlnahtverschweißte Böden (siehe Bild 10.4-2) ist durch folgende Gleichung gegeben.

l cyl = (Di + e s )e s

(10.4.2)

10.4.2.4 Die Länge lcyl für ebene Böden mit Entlastungsnut (siehe Bild 10.4-3) ist durch Gleichung (10.4-2) gegeben. Der Radius rd muss mindestens 0,25 es oder 5 mm betragen, je nachdem, welcher Wert höher ist. Der Mittelpunkt des Radius muss innerhalb der Dicke des Bodens liegen (siehe Bild 10.4-3). 10.4.3 Ebene Böden mit Ansatz

Die erforderliche Dicke des Bodens mit Ansatz wird wie folgt berechnet:

P e = C1 ⋅ Deq f

(10.4-3)

Der Beiwert C1 wird aus Bild 10.4-4 ermittelt. Bei konstanter Wanddicke der Schale nach Bild 10.4-1(a) gilt:

Deq = Di − r

(10.4-4)

131

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 5 (2003-02) Bei konisch abnehmender Wanddicke der Schale nach Bild 10.4-1(b) gilt:

Deq =

(Di + DF )

(10.4-5)

2

Folgende Bedingung muss erfüllt sein:

e af ≥ e

(10.4.6)

ANMERKUNG Wenn die Parameter P/f und es/Di außerhalb den von den Graphiken für C1 und/oder C2 gegebenen Grenzwerten liegen, kann diese Methode nicht angewandt werden. In solchen Fällen empfiehlt sich die Konstruktion durch Analyse, siehe Anhang B oder C.

10.4.4 Kehlnahtverschweißte ebene Böden Die erforderliche Mindestdicke des Bodens muss dem größten der wie folgt berechneten Werte entsprechen: — bei normalen Betriebsbedingungen: ìæ P ö÷ æç ï e = max íç C1 ⋅ Di , C ⋅D ç f ÷ø ç 2 i ïîè è wobei gilt:

öüï ÷ ý f min ÷ï øþ P

fmin = min {f ; f s }

(10.4-7)

(10.4-8)

— bei außergewöhnlichen Betriebsbedingungen: e = C1 ⋅ D i

P f ex

(10.4-9)

— bei Prüfbedingungen (Wasserdruckprüfung): e = C1 ⋅ D i

Ptest ftest

(10.4-10)

Beiwert C1 aus Bild 10.4-4, wobei fmin für f eingesetzt wird; Beiwert C2 aus Bild 10.4-5. Ist der Wert von C2 kleiner als 0,30, ist nur der erste Term in Gleichung (10.4-7) zu betrachten. ANMERKUNG Wenn die Parameter P/f und es/Di außerhalb den von den Graphiken für C1 und/oder C2 gegebenen Grenzwerten liegen, kann diese Methode nicht angewandt werden. In solchen Fällen empfiehlt sich die Konstruktion durch Analyse, siehe Anhang B oder C.

132

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05) 10.4.5 Ebene Böden mit Entlastungsnut

Die erforderliche Dicke des Bodens muss dem größten der in den Gleichungen (10.4-7), (10.4-8) und (10.4-9) ermittelten Werte entsprechen. Die Mindestdicke am Nutgrund wird wie folgt berechnet: ì æ fs ö ü e r = max íe s ; e s ç ÷ ý è f øþ î

a) Konstante Schalenwanddicke

(10.4-11)

b) Konisch abnehmende Schalenwanddicke

Bild 10.4-1 — Runde ebene Böden mit Ansatz

Bild 10.4-2 — Kehlnahtverschweißte runde ebene Böden (siehe Anhang A hinsichtlich der annehmbaren Schweißeinzelheiten)

133

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

Bild 10.4-3 — Runde ebene Böden mit Entlastungsnut

134

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

Bild 10.4-4 — Werte für den Beiwert C1 ANMERKUNG Liegt der Schnittpunkt der Geraden für einen konstanten Wert von P/f mit der Kurve für es/Di links von der Kurve für es/Di, ist der Schnittpunkt mit der unteren Kurve zu verwenden.

135

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

Bild 10.4-5 — Werte für den Beiwert C2

136

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 7 (2003-07)

10.5 Verschraubte runde ebene Böden ohne Ausschnitte 10.5.1 Allgemeines 10.5.1.1 Die in 10.5.2 und 10.5.3 genannten Anforderungen gelten für die Ermittlung der Dicke verschraubter runder ebener Böden ohne Ausschnitte, bei denen folgende Dichtungsausführungen verwendet werden: a) Dichtung innerhalb des Schraubenlochkreises (innenliegende Dichtung) (siehe Bild 10.5-1a)...d) b) Dichtung beiderseits des Schraubenlochkreises (durchgehende Dichtung) (siehe Bild 10.5-2) 10.5.1.2 Die Dicke des Flanschbereichs (siehe Bilder 10.5-1b)...d) und 10.5-2) kann kleiner sein als e, muss jedoch den Anforderungen in 10.5.2.2 bzw. 10.5.3.2 entsprechen. 10.5.1.3 Neben den Anforderungen in 10.5.2 und 10.5.3 gilt nachstehende Gleichung:

t B ≤ 2d b +

6e1a

(10.5-1)

0,5 + m dabei ist e1a die ermittelte Dicke des Flanschbereichs am ebenen Boden.

Die in den Gleichungen (10.5-1) bis (10.5-4) verwendeten Symbole db, m, W und b entsprechen den jeweiligen Definitionen in Abschnitt 11. 10.5.2 Böden mit innenliegender Dichtung 10.5.2.1 Die erforderliche Dicke innerhalb der Dichtung wird wie folgt berechnet:

e = max {eA ; eP }

(10.5-2)

Dabei ist:

eA =

3(C − G)  W

π G

    fA 

 3 (3 + ν )

eP = 



32

(10.5-3)

P G  + 2b ⋅ m (C − G ) 4  f

G + 3 2

ANMERKUNG 1 C ist der Lochkreisdurchmesser, Dichtungsdurchmesser nach Definition in Abschnitt 11.

m

der

Dichtungsfaktor

(10.5-4)

und

G

der

wirksame

ANMERKUNG 2 Gleichung (10.5-3) gilt für den Einbauzustand, Gleichung (10.5-4) für den Betriebszustand.

10.5.2.2 Die erforderliche Dicke des Flanschbereichs wird wie folgt berechnet:

{

}

e1 = max e A ; eP1

(10.5-5)

Dabei wird eA aus Gleichung (10.5-3) und eP1 aus nachstehender Gleichung ermittelt:

(

G  eP 1 = 3 + 2b ⋅ m  C − G 4  ANMERKUNG

) Pf

(10.5-6)

Gleichung (10.5-5) gilt für den Einbauzustand, Gleichung (10.5-6) für den Betriebszustand.

137

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

a) Flansch ohne Dichtleiste

b) Flansch mit Dichtleiste

c) Vorspringende Dichtfläche (mit Feder)

d) Rückspringende Dichtfläche (mit Nut)

Bild 10.5-1 — Verschraubte runde ebene Böden mit innenliegender Dichtung

138

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 7 (2003-07)

Bild 10.5-2 — Verschraubter runder ebener Boden mit durchgehender Dichtung

10.5.3 Böden mit durchgehender Dichtung 10.5.3.1 Die erforderliche Dicke des Bodens mit durchgehender Dichtung wird wie folgt berechnet:

e = 0,41C ANMERKUNG

P f

(10.5-7) C ist der Durchmesser des Schraubenlochkreises nach Definition in Abschnitt 11.

10.5.3.2 Die erforderliche Dicke des Flanschbereichs wird wie folgt berechnet:

e 1 = 0,8e

(10.5-8)

Die reduzierte Dicke des Flanschbereichs muss auf eine Fläche beschränkt werden deren Innendurchmesser nicht kleiner als 0,7C ist.

10.6 Runde ebene Böden mit Ausschnitten 10.6.1 Allgemeines 10.6.1.1 Die in 10.6.2 angegebenen Anforderungen gelten für die Verstärkung von einem oder mehreren Ausschnitten in ebenen runden Böden, die mit der Schale verschweißt oder verschraubt sind. Die Ausschnitte können beliebig im Boden angeordnet sein (siehe Bild 10.6-1). ANMERKUNG Stutzen.

Ausschnitte in einem ebenen Boden sind Öffnungen mit einem Schraubflansch oder mit einem

10.6.1.2 Sacklöcher mit Gewinde für Schrauben zum Anschluß genormter Rohrleitungsflansche müssen nicht verstärkt werden, wenn folgende Bedingungen erfüllt sind: —

der Bohrungsdurchmesser des Ausschnitts ist nicht größer als der des Standardrohrflansches;

—

die verbleibende Dicke Schraubendurchmessers.

am

Grund

der

Bohrung

beträgt

mindestens

50 %

des

10.6.1.3 Diese Anforderungen gelten für runde Ausschnitte oder Stutzen, deren Durchmesser weniger als 50 % des Schaleninnendurchmessers (Di) (bei verschweißten Böden) bzw. 50 % des wirksamen Dichtungsdurchmessers (G bzw. C) (bei verschraubten Böden) beträgt. 139

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 5 (2003-02)

10.6.2 Dicke ebener Böden mit Ausschnitten 10.6.2.1 Ein runder ebener Boden mit Ausschnitten muss die in 10.4 bzw. 10.5 festgelegten Bedingungen erfüllen. Seine Dicke darf zudem die durch die nachstehenden Gleichungen gegebenen Werte nicht unterschreiten. Verschweißte ebene Böden (siehe Bilder 10.4-1 bis 10.4-3):

ìï æ P ö üï ÷ý e = max í(Y1 ⋅ eo ); çç C1 ⋅ Y2 ⋅ Di f ÷ø ï è ïî þ

(10.6-1)

Verschraubte ebene Böden (siehe Bilder 10.5-1 und 10.5-2):

e = Y2 ⋅e o

(10.6-2)

In den Gleichungen (10.6-1) und (10.6-2) ist eo die erforderliche Dicke des Bodens ohne Ausschnitte, berechnet nach 10.4 bzw. 10.5; die Beiwerte Y1 und Y2 werden wie folgt berechnet:

ìï j üï Y1 = min í2; 3 ý j − d ïþ îï Y2 =

j j −d

(10.6-3)

(10.6-4)

Bei Böden mit einem Ausschnitt (siehe Bild 10.6-1) gilt: —

d ist der Durchmesser des Ausschnitts oder der äquivalente Stutzendurchmesser nach 10.6.2.2;

—

j ist gleich 2 h in Gleichung (10.6-3) und gleich Di in Gleichung (10.6-4).

Bei Böden mit zwei Ausschnitten (siehe Bild 10.6-2) gilt: —

d ist der Mittelwert der Durchmesser der Ausschnitte oder der äquivalenten Stutzendurchmesser nach 10.6.2.2;

—

j ist gleich k, dem Abstand zwischen den Mittelpunkten der Ausschnitte.

Bei Böden mit mehreren Ausschnitten ist jeder Ausschnitt als Einzelausschnitt und darüber hinaus jede mögliche Ausschnittpaarkombination zu berechnen. 10.6.2.2 Bei Ausschnitten mit Stutzen wird der äquivalente Stutzendurchmesser wie folgt berechnet:

— für Aufschweißstutzen: d = di −

140

2A' e

(10.6-5)

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

— für Einschweißstutzen: d = de −

2A' e

(10.6-6)

Dabei ist: æ fb ö A' = min çç A; A ÷÷ f ø è

(10.6-7)

In dieser Gleichung ist A die Gesamtfläche der Verstärkung in mm² nach Bild 10.6-2 und 10.6-3. Der Wert eb ist die erforderliche Stutzendicke für die jeweilige Druckbelastung nach 7.4.2. l = 0.8 (d i + eb )eb l ' = 0,8

(10.6-8)

(di + e'b ) e'b

(10.6-9)

Ergeben die Gleichungen (10.6-5) und (10.6-6) einen negativen Wert für den äquivalenten Stutzendurchmesser, ist eine weitere Berechnung nach 10.6.2.1 nicht erforderlich.

Bild 10.6-1 — Ebener Boden mit Einzelausschnitt

141

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 5 (2003-02)

Bild 10.6-2 — Ebener Boden mit zwei Ausschnitten

Bild 10.6-3 — Ebener Boden mit Aufschweißstutzen

142

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

Bild 10.6-4 — Ebener Boden mit Einschweißstutzen

10.7 Nicht runde und ringförmige ebene Böden 10.7.1 Allgemeines

Diese Anforderungen gelten für verschweißte und verschraubte nicht runde und ringförmige ebene Böden, die eine regelmäßige Form (rechteckig, quadratisch, elliptisch, länglich rund oder kreisringförmig) aufweisen und an ihrem Rand gleichmäßig aufgelagert sind. ANMERKUNG Das Berechnungsverfahren entspricht im wesentlichen dem für runde ebene Böden in 10.4 und 10.5. Es handelt sich jedoch um ein empirisches Verfahren, das zu sehr konservativen Ergebnissen führen kann. Verfahren auf Grundlage einer Spannungsanalyse sollten daher in Betracht gezogen werden.

143

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05) 10.7.2 Rechteckige, elliptische und länglich runde ebene Böden ohne Ausschnitte 10.7.2.1 Die erforderliche Dicke unverschwächter ebener Böden der genannten Formen darf den folgenden Wert nicht unterschreiten:

P f

e = C 3 ⋅ a'

(10.7-1)

Dabei wird C3 wie folgt ermittelt: —

für verschweißte ebene Böden aus Bild 10.7-1;

—

für verschraubte ebene Böden mit durchgehender Dichtung aus Bild 10.7-2 (rechteckige Böden) bzw. Bild 10.7-3 (elliptische und länglich runde Böden);

—

für verschraubte ebene Böden mit innenliegender Dichtung aus: C3 = C 4 +

6 ⋅W ⋅ c P ⋅ n ⋅ t B ⋅ a'

2

(10.7-2)

C4 wird dabei aus Bild 10.7-4 ermittelt. 10.7.2.2 Die erforderliche Dicke e1 des Flanschbereichs darf die folgenden Werte nicht unterschreiten:

6 ⋅ W ⋅c

e1 =

n ⋅ tB ⋅ f 6 ⋅ W ⋅c

e1 =

n ⋅ tB ⋅ fA

ANMERKUNG

(10.7-3)

(10.7-4)

Gleichung (10.7-3) gilt für den Betriebszustand, Gleichung (10.7-4) für den Einbauzustand.

10.7.3 Kreisringförmige ebene Böden ohne Ausschnitte

Ebene Böden in Form eines an beiden Rändern aufgelagerten kreisförmigen Rings sind wie rechteckige Böden mit folgenden Abmessungen zu betrachten:

a '=

DY − D X 2

b' = π

144

DY + D X 2

(10.7-5)

(10.7-6)

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05) 10.7.4 Verstärkung von Ausschnitten in rechteckigen, elliptischen, länglich runden und kreisringförmigen ebenen Böden

Für ebene Böden der genannten Formen mit Ausschnitten wird die erforderliche Dicke wie folgt berechnet: e = C 3 ⋅ Y2 ⋅ a'

P f

(10.7-7)

Dabei ist Y2 der Gleichung (10.6-4) zu entnehmen.

Bild 10.7-1 — Beiwert C3 für die Berechnung verschweißter nicht runder ebener Böden

145

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

Bild 10.7-2 — Beiwert C3 für die Berechnung verschraubter rechteckiger ebener Böden mit durchgehender Dichtung

146

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

Bild 10.7-3 — Beiwert C3 für die Berechnung verschraubter elliptischer und länglich runder ebener Böden mit durchgehender Dichtung

Bild 10.7-4 — Beiwert C4 für die Berechnung verschraubter nicht runder ebener Böden mit innenliegender Dichtung

147

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002:05)

11 Flansche 11.1 Zweck Dieser Abschnitt enthält Regeln für die Berechnung von geschraubten Flanschverbindungen. Dazu gehören innen- oder außendruckbeanspruchte Flansche mit durchgehenden und innenliegenden Dichtungen sowie innenliegende Flansche und dichtgeschweißte Flansche (mit Schweißlippendichtung). Die Regeln dieses Abschnitts beruhen auf dem allgemein anerkannten Taylor-Forge-Verfahren. Anhang G enthält ein modernes Alternativverfahren für die Berechnung von Flanschen mit innenliegenden Dichtungen. ANMERKUNG Das Alternativverfahren nach Anhang G ist besonders geeignet, wenn a) Schwankungen der thermischen Beanspruchung eine wesentliche Rolle spielen, b) die Schraubenspannung durch Anwendung eines definierten Anzugverfahrens kontrolliert wird, c) signifikante zusätzliche Belastungen (Kräfte und Momente) einwirken oder d) Dichtheit von besonderer Bedeutung ist.

11.2 Zusätzliche Definitionen Folgende Definitionen gelten zusätzlich zu denen in Abschnitt 3. 11.2.1 Einbauzustand: Dieser Zustand liegt vor, wenn die Auflagefläche der Dichtung oder Verbindung bei der Montage bei Umgebungstemperatur vorverformt und die Belastung ausschließlich durch die Schrauben verursacht wird. 11.2.2 Betriebszustand: Der Zustand, in dem die Innendruckkraft aufgrund des Auslegungsdrucks (Innen- oder Aussendruck) am Flansch wirkt. 11.2.3 Flansch mit innenliegender Dichtung: Flansch, dessen Dichtung vollständig innerhalb des Schraubenlochkreises liegt und außerhalb des Schraubenlochkreises keine Kontaktfläche hat. 11.2.4 Flansch mit durchgehender Dichtung (glatter Flansch): Flansch, dessen Dichtfläche sich mit oder ohne Dichtung oder Abstandsring über den Schraubenlochkreis hinaus erstreckt. 11.2.5 Innenliegender Flansch: Flansch, der an seinem Außendurchmesser mit der Behälterschale verbunden ist. 11.2.6 Schale: Rohr, Behälterwand oder anderer Zylinder, der mit dem Flansch verbunden ist und ihn trägt. 11.2.7 Losflanschverbindung: Flanschverbindung, bei der die Schraubenkraft über einen losen Flanschring auf einen Vorschweißbund übertragen wird, an dem sich auch die Dichtfläche befindet. ANMERKUNG

148

Am Vorschweißbund sitzt die Kontaktfläche.

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002:05)

11.3 Zusätzliche Symbole und Abkürzungen Folgende Symbole und Abkürzungen gelten zusätzlich zu denen in Abschnitt 4. A

Außendurchmesser des Flansches oder, bei bis an den Flanschrand reichenden Langlöchern, der Durchmesser am Teilkreis der Langlöcher

AB

Spannungsquerschnitt/Kernquerschnitt der Schrauben im Querschnitt des kleinsten Schraubendurchmessers

AB,min Erforderlicher Spannungsquerschnitt/Kernquerschnitt der Schrauben A2

Außendurchmesser der Dichtfläche zwischen losem Flanschring und Vorschweißbund einer Losflanschverbindung (siehe Bild 11.5-9)

B

Flanschinnendurchmesser

B2

Innendurchmesser der Dichtfläche zwischen losem Flanschring und Vorschweißbund einer Losflanschverbindung (siehe Bild 11.5-9) (typisch)

b

Wirkbreite der Dichtung oder Verbindung

b0

Theoretische Sitzbreite der Dichtung oder Verbindung

C

Schraubenlochkreisdurchmesser

CF

Korrekturfaktor für die Schraubenlochteilung

D

Schaleninnendurchmesser

db

Schraubenaußendurchmesser

e

Erforderliche Flanschdicke, gemessen am dünnsten Querschnitt

fB

Berechnungsnennspannung der Schrauben bei Betriebstemperatur (siehe 11.4.3)

fB,A

Berechnungsnennspannung der Schrauben bei Montagetemperatur (siehe 11.4.3)

fH

Berechnungsnennspannung des Ansatzes, siehe 11.5.4.2

G

Durchmesser der wirksamen Dichtungsfläche nach den Anforderungen in 11.5.2

G1

Angenommener Durchmesser der wirksamen Dichtungsfläche zwischen losem Flanschring und Vorschweißbund einer Losflanschverbindung

g0

Dicke des Ansatzes am dünnen Ende

g1

Ansatzdicke an der Flanschrückseite

H

Gesamtwert der Innendruckkraft

HD

Über die Schale auf den Flansch wirkende Innendruckkraft

HG

Flächenpressung an der Dichtung zur Gewährleistung der Dichtheit der Verbindung

HT

Innendruckkraft aufgrund des Drucks an der Flanschdichtfläche

h

Ansatzlänge

hD

Radialer Abstand zwischen Schraubenlochkreis und Wirkkreis von HD

hG

Radialer Abstand zwischen Durchmesser der wirksamen Dichtungsfläche und dem Schraubenlochkreis

hL

Radialer Abstand zwischen Schraubenlochkreis und Durchmesser der wirksamen Dichtungsfläche am losen Flanschring einer Losflanschverbindung

hT

Radial gemessener Abstand zwischen Schraubenlochkreis und Wirkkreis von HT

K

Verhältnis der Flanschdurchmesser - siehe Gleichungen 11.5-21 und 11.9-13

k

Spannungsbeiwert nach Definition in 11.5.4.2

l0

Längenparameter nach Gleichung (11.5-22);

M

Torsionsmoment am Flansch pro Längeneinheit nach Definition in 11.5.4.1

MA

Gesamtmoment am Flansch im Einbauzustand

M op

Gesamtmoment am Flansch im Betriebszustand

m

Dichtungsbeiwert 149

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 6 (2003-04)

Pe

Berechnungsaußendruck, ausgedrückt als positive Zahl

W

Berechnungs-Schraubenkraft für den Einbauzustand

WA

Erforderliche Schraubenkraft für den Einbauzustand

Wop

Erforderliche Schraubenkraft für den Betriebszustand

w

Wirkbreite der Dichtung, begrenzt durch Dichtungsbreite und Flanschdichtfläche

y

Setzdruck von Dichtung oder Verbindung

βF

Beiwert für die Flanschberechnung von Festflanschen (siehe Bild 11.5-4)

βFL

Beiwert für Losflansche mit Ansatz (siehe Bild 11.5-7)

βT

Beiwert aus Gleichung (11.5-23);

βU

Beiwert aus Gleichung (11.5-24);

βV

Beiwert für Festflansche (aus Bild 11.5-5)

βVL

Beiwert für Losflansche mit Ansatz (aus Bild 11.5-8)

βY

Faktor aus der Gleichung 11.5-25;

δ

Nennspalt zwischen Schale und Losflansch

δb

Abstand zwischen den Mittellinien benachbarter Schrauben

λ

Beiwert nach Definition in 11.5.4.1

σb

Auflagerspannung in einer Losflanschverbindung

σH

Berechnete Längsspannung im Ansatz

σr

Berechnete Radialspannung im Flansch

σθ

Berechnete Tangentialspannung im Flansch

ϕ

Korrekturbeiwert für die Ansatzspannung bei der Flanschberechnung von Festflanschen (nach Bild 11.5-6)

11.4 Allgemeines 11.4.1 Einführung Mit Dichtung versehene oder dichtgeschweißte runde verschraubte Flanschverbindungen für Druckbehälter nach dieser Norm müssen einer der nachstehenden Vorschriften entsprechen: a) einer einschlägigen EN-Norm für Rohrleitungsflansche und den Forderungen in 11.4.2, b) den Forderungen für verschraubte Flanschverbindungen in diesem Abschnitt oder c) den Alternativregeln in Anhang G. Beide Flansche einer Flanschverbindung müssen nach denselben Regeln oder Normen konstruiert sein. Dies gilt auch, wenn es sich bei einem der Flansche um einen verschraubten ebenen Boden oder Deckel handelt. Die Regeln für verschraubte ebene Böden in Abschnitt 10 und verschraubte gewölbte Böden in Abschnitt 12 werden als Teils des Regelwerks dieses Abschnitts betrachtet.

150

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002:05)

11.4.2 Verwendung von Standardflanschen ohne Berechnung Flansche, die einer EN-Norm für Rohrleitungsflansche entsprechen, können ohne weitere Berechnung für Druckbehälter verwendet werden, wenn sie sämtliche nachstehenden Bedingungen erfüllen: a) Unter normalen Betriebsbedingungen liegt der Berechnungsdruck unter dem in den Tabellen der einschlägigen EN-Norm angegebenen Nenndruck für Flansch und Werkstoff bei Berechnungstemperatur. b) Unter Prüfbedingungen oder außergewöhnlichen Bedingungen überschreitet der Berechnungsdruck nicht das 1,5fache des in den genannten Tabellen angegebenen Nenndrucks bei der entsprechenden Temperatur. c) Die Dichtung ist nach Tabelle 11.4-1 für den Flansch der betreffenden PN-Reihe oder Klasse zugelassen. d) Die Schrauben gehören mindestens zu der Festigkeitskategorie (siehe Tabelle 11.4-2), die als Mindestforderung nach Tabelle 11.4-1 für den in der Flanschverbindung verwendeten Dichtungstyp festgelegt ist. e) Der Behälter ist überwiegend nichtzyklischen Belastungen ausgesetzt (siehe 5.4.2). f) Die Differenz zwischen mittlerer Temperatur von Schrauben und Flansch überschreitet unter keinen Bedingungen 50 °C. g) Die Wärmeausdehnungskoeffizienten von Schrauben- und Flanschwerkstoff bei 20 °C differieren um mehr als 10 % (z. B. Flansche aus austenitischem und Schrauben aus ferritischem Stahl), die Betriebstemperatur beträgt jedoch maximal 120 °C. Die Wärmeausdehnungskoeffizienten von Schrauben- und Flanschwerkstoff bei 20 °C differieren um maximal 10 %. 11.4.3 Verschraubung Es müssen mindestens vier Schrauben verwendet werden. Bei dünnen Schrauben ist es ggf. erforderlich, durch Verwendung eines Drehmomentschlüssels oder eines anderen geeigneten Werkzeugs zu verhindern, daß die Schrauben überlastet werden. Durch besondere Vorkehrungen ist bei dicken Schrauben sicherzustellen, daß beim Anziehen der Schrauben eine ausreichende Vorspannung erreicht wird. Dies gilt insbesondere für Schrauben mit einem Durchmesser über 38 mm. Empfohlene Werte für die zulässige Schraubenspannung zur Ermittlung des erforderlichen Schraubenquerschnitts nach 11.5.2 sind: —

für Kohlenstoffstähle und andere nichtaustenitische Stähle der kleinere Wert von Rp0,2/3 bei Auslegungstemperatur und Rm/4 bei Umgebungstemperatur:

—

für austenitische nichtrostende Stähle Rm/4 bei Auslegungstemperatur.

151

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002:05) Tabelle 11.4-1 — Dichtungen für Standardflansche PNReihen

Klassen (1)

(1)

Dichtungstyp

Erforderliche Schraubenfestigkeitskategorie (siehe Tabelle 11.4-2) Geringe Festigkeit

− Weichstoff-Flachdichtung mit oder ohne Ummantelung Geringe Festigkeit − Weichstoff-Flachdichtung mit oder ohne Ummantelung 25 150 Mittlere Festigkeit − Spiral-Metalldichtung mit Füllstoff − Ummantelte Wellmetalldichtung mit Füllstoff − Wellmetalldichtung mit oder ohne Füllstoff Geringe Festigkeit − Weichstoff-Flachdichtung mit oder ohne Ummantelung 40 Mittlere Festigkeit − Spiral-Metalldichtung mit Füllstoff − Ummantelte Wellmetalldichtung mit Füllstoff − Wellmetalldichtung mit oder ohne Füllstoff Hohe Festigkeit − Ummantelte Metall-Flachdichtung mit Füllstoff − Metall-Kammprofil- oder –Flachdichtung Geringe Festigkeit − Weichstoff-Flachdichtung mit oder ohne Ummantelung 63 300 Mittlere Festigkeit − Spiral-Metalldichtung mit Füllstoff − Ummantelte Wellmetalldichtung mit Füllstoff − Wellmetalldichtung mit oder ohne Füllstoff Hohe Festigkeit − Ummantelte Metall-Flachdichtung mit Füllstoff − Metall-Kammprofil- oder –Flachdichtung − Metall-Runddichtung 100 600 Mittlere Festigkeit − Weichstoff-Flachdichtung mit oder ohne Ummantelung − Spiral-Metalldichtung mit Füllstoff − Ummantelte Wellmetalldichtung mit Füllstoff − Wellmetalldichtung mit oder ohne Füllstoff Hohe Festigkeit − Ummantelte Metallflachdichtung mit Füllstoff − Metall-Kammprofil- oder –Flachdichtung − Metall-Runddichtung (1) Die PN- bzw. Klassenangaben in dieser Tabelle beschränken sich auf die in den EN-Normen für Stahlflansche aufgeführten Flansche bis PN 100 bzw. Klasse 600. 2,5 bis 16

152

-

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002:05)

Tabelle 11.4-2 — Schraubenfestigkeitskategorien

Rp,Schraube/Rp,Flansch ANMERKUNG

Geringe Festigkeit

Mittlere Festigkeit

Hohe Festigkeit

≥1

≥ 1,4

≥ 2,5

Rp ist Rp0,2 für nicht austenitische Stähle und Rp1 für austenitische Stähle.

Sowohl für die Montage als auch für den Betrieb gelten im Hinblick auf die Festlegung der Nennauslegungsspannungen die normalen Auslegungsbedingungen. Für Prüfbedingungen und außergewöhnliche Betriebsbedingungen können die Werte der zulässigen Spannungen mit dem Faktor 1,5 multipliziert werden. ANMERKUNG Die angegebenen Spannungen sind insofern Nennwerte, als sie in der Praxis u. U. überschritten werden müssen, um alle Zustände zu unterbinden, die zu Undichtheit der Verbindung führen können. Die vorhandene Sicherheitsreserve reicht jedoch aus, um zufriedenstellende Dichtwirkung zu erreichen, ohne die Schrauben zu überlasten oder regelmäßig nachziehen zu müssen.

11.4.4 Flanschbauart Es wird unterschieden zwischen Flanschen, bei denen die Flanschöffnung mit der Schalenöffnung bündig abschließt (z. B. Schweißverbindung F1, F2, F4 und F5 in Anhang A Tabelle A.7) und Flanschen, die durch eine Kehlnaht mit dem Ende der Schale verbunden sind (z. B. Schweißverbindung F3) und bei denen die beiden Öffnungen nicht bündig übereinander liegen. Diese Flansche werden als Vorschweißflansche (siehe Bild 11.5-1) bzw. Aufschweißflansch (siehe Bild 11.5-2) bezeichnet. Eine weitere Unterscheidung wird zwischen Überschiebflanschen mit Ansatz (siehe Bild 11.5-3), bei denen ein geschmiedeter Flansch mit konischen Ansatz über die Schale geschoben und an beiden Enden verschweißt wird, und anderen Schweißflanschen vorgenommen. Der Radius der Ausrundung zwischen Flansch und Ansatz oder Schale muss mindestens 0,25 g0 bzw. 5 mm betragen. Bei der Fertigung von Flanschen mit Ansatz darf der Ansatz keinesfalls ohne besondere Prüfungen direkt aus dem Plattenwerkstoff gearbeitet werden. Kehlnähte dürfen bei Auslegungstemperaturen über 370 °C nicht verwendet werden.

11.4.5 Oberflächenbearbeitung Die Auflagefläche der Muttern muss mit einer Toleranz von 1° parallel zur Flanschfläche sein. Bearbeitungsmaßnahmen wie Hinterendplandrehen oder Stirnen, um diese Parallelität zu erreichen, dürfen nicht dazu führen, dass Flansch- oder Ansatzdicke unter das Nennmaß sinken. Der Durchmesser der gestirnten Fläche muss mindestens gleich dem Eckenmaß der Mutter plus 3 mm sein. Der radiale Abstand zwischen der Rückseite des Flansches und dem Ansatz bzw. Schale muss konstant bleiben. Bei der Oberflächengüte der Dichtflächen sind die Empfehlungen der Dichtungshersteller oder Erfahrungswerte zu beachten.

153

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002:05)

11.4.6 Dichtungen Die Dichtungsbeiwerte m und y werden gewöhnlich vom Dichtungshersteller angegeben; entsprechende Vorgabewerte sind auch in Anhang H enthalten. Mindestwerte für die Wirkbreite w sind ebenfalls in Anhang H angegeben. ANMERKUNG

In vielen Ländern Europas ist die Verwendung asbesthaltiger Dichtungen verboten.

11.5 Flansche mit innenliegender Dichtung 11.5.1 Allgemeines

g0

h g1

W

HD

B

hD

e

hT hG

HG

HT G C A

Bild 11.5-1 — Flansche mit innenliegender Dichtung – Vorschweißflansche

154

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002:05)

HD g 0

W

hD

D h g 1

e

B

hT hG

HG

HT

G C A

Bild 11.5-2 — Flansche mit innenliegender Dichtung – Aufschweißflansche

155

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002:05)

HD

g0

g1

h W

B hD

e

hT h

G

HG

HT

G C A

Bild 11.5-3 — Flansche mit innenliegender Dichtung - Überschiebflansch mit Ansatz Die Berechnung innendruckbeaufschlagter runder Flansche mit innenliegender Dichtung erfolgt unter Beachtung der angegebenen Ausnahmen nach einem der drei folgenden Verfahren. a) Festflanschverfahren. Das Festflanschverfahren darf nicht für Überschiebflansche mit Ansatz oder lose Flanschringe in Losflanschverbindungen angewandt werden. Es ermöglicht die Berechnung von Flanschen mit geschweißtem konischen Ansatz, wobei die Abschrägung des für die Berechnung angenommenen Ansatzes höchstens 1 : 1 betragen darf, d. h. g1 ≤ h + g0. b) Losflanschverfahren. Das Losflanschverfahren darf außer bei losen Flanschringen in Losflanschverbindungen nur angewandt werden, wenn sämtliche nachstehenden Bedingungen erfüllt sind. 1) g0 ≤ 16 mm; 2) P ≤ 2 N/mm² 3) B/g0 ≤ 300; 4) Betriebstemperatur ≤ 370 °C.

156

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 6 (2003-04)

c) Verfahren für Losflansche mit Ansatz. Dieses Verfahren ist auf Überschiebflansche mit Ansatz und Vorschweißbünde in Losflanschverbindungen anzuwenden. ANMERKUNG 1 Beim Festflanschverfahren wird die stützende Wirkung der Schale berücksichtigt und es werden die Spannungen in der Schale berechnet; beim Losflanschverfahren wird dagegen davon ausgegangen, daß der Flansch keinerlei Stützwirkung durch die Schale erfährt; die Spannungen in der Schale bleiben unberücksichtigt. ANMERKUNG 2 Für die Berechnung von Ansätzen mit ungewöhnlicher Form kann es erforderlich sein, für g1 und h Werte zu wählen, die für einen einfachen konischen Ansatz gelten, dessen Profil in das des tatsächlichen Ansatzes paßt. ANMERKUNG 3

Bei Überschiebflanschen mit Ansatz gibt es keinen Mindestwert für h.

ANMERKUNG 4

Die Berechnung des Werts von M ist unabhängig vom gewählten Berechnungsverfahren.

11.5.2 Schraubenkräfte und -querschnitte

b0 = w/2

(11.5-1)

Ausnahme: Flansche mit Ringnut (siehe Anhang H), für die gilt:

b0 = w/8;

(11.5-2)

Für b0 = 6,3 mm gilt:

b = b0

(11.5-3)

Für b0 > 6,3 mm gilt:

b = 2,52 b0

(11.5-4)

(Diese Gleichung gilt nur, wenn die Abmessungen in mm angegeben sind). Für b0 ≤ 6,3 mm gilt G = mittlerer Durchmesser der Dichtungsauflagefläche. Für b0 > 6,3 mm gilt G = Außendurchmesser der Dichtungsauflagefläche minus 2 b.

π 2 ⋅ (G ⋅ P ) 4

(11.5-5)

HG = 2π ⋅G ⋅ b ⋅ m ⋅ P

(11.5-6)

H =

Schraubenkräfte und -querschnitte sind sowohl für den Einbauzustand als auch den Betriebszustand zu berechnen. a) Einbauzustand. Die erforderliche Schraubenkraft wird wie folgt berechnet:

WA = πb ⋅ G ⋅ y

(11.5-7)

ANMERKUNG Die für eine ordnungsgemäße Verbindung erforderliche Schraubenkraft ist abhängig von der Dichtung und der Wirksamen Fläche der Dichtung.

157

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002:05)

b) Betriebszustand. Die erforderliche Schraubenkraft wird wie folgt berechnet: Wop = H + HG

(11.5-8)

Der erforderliche Schraubenquerschnitt AB,min wird wie folgt berechnet:

æ W A Wop çf ; f è B,A B

AB,min = max ç

ö ÷ ÷ ø

(11.5-9)

Die Verschraubung ist so auszulegen, dass die Bedingung AB ≥ AB,min erfüllt ist. ANMERKUNG Durch Innendruck wird die Verbindung auseinander gedrückt; durch die Schraubenkraft muss ein ausreichender Druck auf die Dichtung aufrechterhalten werden, um die Dichtheit der Verbindung zu gewährleisten. Die erforderliche Schraubenkraft unter dieser Bedingung ist abhängig von Auslegungsdruck, Dichtungswerkstoff und der unter Druck aufrechtzuerhaltenden wirksamen Fläche der Dichtung. Es kann erforderlich sein, die Berechnung für mehr als einen Betriebszustand durchzuführen.

11.5.3 Flanschmomente

HD =

π ⋅ (B2 ⋅ P ) 4

(11.5-10)

HT = H - HD

(11.5-11)

hD = (C - B - g1)/2

(11.5-12)

Für Überschiebflansche mit Ansatz und Aufschweißflansche gilt: hD = (C - B) / 2

(11.5-13)

hG = (C - G) / 2

(11.5-14)

hT = (2C - B - G) / 4

(11.5-15)

W = 0,5 (AB,min + AB) fB,A

(11.5-16)

a) Einbauzustand. Das Gesamtflanschmoment wird wie folgt berechnet: M A = W ⋅ hG

(11.5-17)

b) Betriebszustand. Das Gesamtflanschmoment wird wie folgt berechnet: M op = HD ⋅ hD + HT ⋅ hT + HG ⋅ hG

(11.5-18)

Für Flanschpaare mit unterschiedlichen Auslegungsbedingungen, z. B. bei einem Rohrboden, müssen die Schraubenkräfte getrennt für jede Flansch-Dichtung-Kombination sowohl für den Einbau- wie für den Betriebszustand berechnet werden. Für Wop und WA ist der größere der berechneten Werte zu verwenden. Für den Flansch mit dem niedrigeren berechneten Wert für Wop muss der Wert von HG wie folgt erhöht werden: HG,new = HG + Wop,max – Wop,min

158

(11.5-19)

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002:05)

11.5.4 Spannungen am Flansch und Belastungsgrenzen 11.5.4.1 Spannungen am Flansch

æ ö ç ÷ δb ; 1 ç ÷ CF = max 6e ç 2 db + ÷ m + 0,5 ÷ ç è ø

(11.5-20)

K = A/B

(11.5-21)

l0 =

Bg 0

(11.5-22)

βT =

K

βU =

K

βY =

(1 + 8,55246log10(K )) − 1 (1,0472 + 1,9448K 2 ) (K − 1) 2

2

(1 + 8,55246log10(K )) − 1

(

2

)

1,36136 K − 1 (K − 1) 2 æ K log10( K ) ö çç 0,66845 + 5,7169 ÷÷ 2 K −1è K −1 ø

1

(11.5-23)

(11.5-24)

(11.5-25)

Die Spannungen am Flansch werden wie folgt aus dem Flanschmoment M berechnet: Für den Einbauzustand: M = MA

CF

(11.5-26)

B

Für den Betriebszustand: M = M op

CF

(11.5-27)

B

a) Festflanschverfahren Die Werte für βF, βV und ϕ sind Bild 11.5-4, 11.5-5 und 11.5-6 zu entnehmen.

159

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002:05)

0,908920

0,10 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40 0,45 0,50

0,9

0,8 0,60

βF

0,70 0,80

0,7

0,90 1,00 h = h h 0 √Bg 0

0,6 0,5

1,25 1,50 2,00

1

1,5

2,5

2 g1 / g

3

3,5

4

4,5

5

0

Bild 11.5-4 - Werte für β F (Beiwert für das Festflanschverfahren)

æ e ⋅ βF + l0

λ = çç

è βT ⋅ l0

160

3

+

e ⋅ βV 2 βU ⋅ l0 ⋅ g0

ö ÷÷ ø

(11.5-28)

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002:05)

Die Längsspannung im Ansatz wird wie folgt berechnet:

σH =

ϕM

(11.5-29)

2

λg 1

Die Radialspannung im Flansch wird wie folgt berechnet:

σr =

(1,333e β F + l 0 )M

(11.5-30)

2

λe l 0

0,6 0,550103

h = h h 0 √ Bg0

0,5

0,4

β V 0,3 0,2

0,1

0 1

1,5

2

2,5

3

3,5

4

4,5

g1 / g 0

5

0,10 0,12 0,14 0,16 0,18 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40 0,45 0,50 0,60 0,70 0,80 0,90 1,00 1,25 1,50 2,00

Bild 11.5-5 - Werte für β V (Beiwert für das Festflanschverfahren)

161

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002:05)

0 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40 0,45 0,50

25 f = 1 (minimum) f = 1 for hubs of uniform thickness (g 1 /g = 1)

20

0

15

10 9 8 7 6

0,60 0,70

ϕ 5

h= h h = √ Bg

4

0

0,80 0

0,90 3

1,00

2,5 1,10 2 1,20 1,5 1,30 1 1

1,5

2

g /g 1

3

4

5

0

Bild 11.5-6: Werte für ϕ (Beiwert für das Festflanschverfahren)

Die Tangentialspannung im Flansch wird wie folgt berechnet:

σθ =

βY ⋅M e

2

2

−σr

K +1

(11.5-31)

2

K −1

b) Losflanschverfahren Die Tangentialspannung im Flansch wird wie folgt berechnet:

σθ =

βY ⋅M e

(11.5-32)

2

Die Radialspannung im Flansch und die Längsbeanspruchung im Ansatz sind:

σr = σH = 0

(11.5-33)

c) Verfahren für Losflansche mit Ansatz Die Werte für β FL und β VL sind Bild 11.5-7 und 11.5-8 zu entnehmen.

é eβ FL + l 0

λ=ê

ë

162

βTl0

+

3 e β VL ù 2

ú

β Ul 0g 0 û

(11.5-34)

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 7 (2003-07) Die Längsspannung im Ansatz wird wie folgt berechnet:

σH =

M

(11.5-35)

λg12

Die Radialspannung im Flansch wird wie folgt berechnet:

σr =

(1,333e ⋅ β FL + l 0 ) M λ ⋅ e2 ⋅ l0

Die Tangentialspannung im Flansch wird wie folgt berechnet: β ⋅M K 2 +1 σθ = Y 2 − σr 2 e K −1

(11.5-36)

(11.5-37)

11.5.4.2 Belastungsgrenzen Sowohl für die Montage als auch für den Betrieb gelten im Hinblick auf die Festlegung der Nennauslegungsspannungen die normalen Auslegungsbedingungen. Die zulässigen Spannung f werden nach den Regeln in Abschnitt 6 ermittelt, mit der Ausnahme, daß die auf Rm/3 beruhende Regel (siehe Tabelle 6-1) für austenitische nichtrostende Stähle nicht zulässig ist. Der Parameter fH ist die zulässige Spannung des Schalenwerkstoffs; dies gilt jedoch nicht für die Berechnung von Vorschweißbünden und Überschiebflanschen mit Ansatz. Für B
 k = 1,0. Für B  k = 1,333. Für Werte von B zwischen 1 000 mm und 2 000 mm wird k wie folgt berechnet:

k =

B   1 +  3 2000  2

(11.5-38)

163

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002:05)

20 0,05 0,06 0,07 0,08 0,09 0,10 0,12 0,14 0,16 0,18 0,20

15 10 9 8 7 6 5 4

β FL

0,25 0,30 0,35 0,40 0,45 0,50 0,60 0,70 0,80 0,90 1,00

3 2

1,5 1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4

h = h h 0 √Bg 0

1,0

1,5

1,50 2,00

2,0

3,0

4,0

5,0

g1 / g 0 Bild 11.5-7 - Werte für β FL (Beiwert für das Verfahren für Losflansche mit Ansatz)

100 80 60 40 30 20

β VL

0,10 0,12 0,14 0,16 0,18 0,20

10 8 6 4 3 2

0,25 0,30 0,35 0,40 0,45 0,50

1 0,8 0,6 0,4 0,3 0,2 0,2 0,1 0,08 0,04 0,03 0,02 0,01

1,0

0,60 0,70 0,80 0,90 1,00

h = h h 0 √Bg 0

1,50 2,00

1,5

2,0

3,0

4,0 5,0

g1 / g 0 Bild 11.5-8: Werte für β VL (Beiwert für das Verfahren für Losflansche mit Ansatz)

164

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002:05)

Die nach 11.5.4.1 für den Betriebszustand berechneten Spannungen am Flansch dürfen die folgenden Grenzwerte nicht überschreiten:

k ⋅ σ H ≤ 15 , min(f ; fH )

( 11.5-39)

k ⋅σ r ≤ f

(11.5-40)

k ⋅σθ ≤ f

(11.5-41)

0,5k (σ H + σ r ) ≤ f

(11.5-42)

0,5k (σ H + σ θ ) ≤ f

(11.5-43)

11.5.5 Flansche mit innenliegender Dichtung unter Außendruck

Flansche, die sowohl durch Innen- als auch durch Außendruck beansprucht sind, müssen auch für beide Zustände berechnet werden. Der Außendruck kann jedoch vernachlässigt werden, wenn der Berechnungsaußendruck Pe kleiner ist als der Berechnungsinnendruck. Die Berechnung von Flanschen unter Außendruck erfolgt nach 11.5.4 unter Berücksichtigung folgender Abweichungen: a) P wird durch Pe ersetzt;

b) M op = H D(h D − h G)+ H T(h T − h G)

(11.5-44)

und c) Wop = 0

(11.5-45)

ANMERKUNG Bei außendruckbeanspruchten Flanschen ist keine erforderliche Schraubenkraft vorgeschrieben, was zu Wop = 0 führt. Dies ist eine konservative Annahme, da sämtliche Schraubenkräfte das Nettomoment am Flansch reduzieren.

Bei einem auf Außendruckbeanspruchung ausgelegten Flansch, der Bestandteil eines Flanschpaars mit unterschiedlichen Auslegungsbedingungen ist, muss für Wop der für den anderen Flansch des Flanschpaars berechnete Wert und für M op der größere der berechneten Werte von M op nach vorstehender Gleichung und WophG verwendet werden. 11.5.6 Losflanschverbindungen 11.5.6.1 Allgemeines

Der lose Flanschring einer Losflanschverbindung kann einen Ansatz aufweisen. Der Vorschweißbund der Verbindung kann mit jedem für verschraubte Flansche zulässigen Verfahren mit der Schale verbunden sein. Die Schraubenkräfte und -querschnitte müssen die Forderungen in 11.5.2 bzw. 11.6.2 erfüllen, je nachdem, welches Verfahren für den Vorschweißbund in 11.5.6.2 angewandt wird.

165

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002:05)

Für den Durchmesser G1 der Beanspruchungsreaktion zwischen Vorschweißbund und Losflansch ergibt sich ein Wert, der zwischen (A2–δ) und (B2+δ) liegt. ANMERKUNG Sofern nichts für eine andere Handhabung spricht, sollte der durch die Gleichung (11.5-46) gegebene Wert verwendet werden.

G1 = ( A2 + B 2 )/2

(11.5-46)

Die Kontaktfläche zwischen den beiden Flanschen ergibt sich durch: π 2 2 2 2 Ac = min (A2 − δ ) − G1 ; G1 − (B 2 + δ ) 2

[

]

(11.5-47)

Sind die Durchmesser A2 und B2 durch dasselbe Bauteil definiert, wie es bei einem Losflansch mit vorspringender Auflagefläche nach Bild 11.5-9 der Fall ist, gilt δ = 0 in Gleichung (11.5-47). Die Auflagespannung σb an der Kontaktfläche wird sowohl für die Montagebedingungen als auch für die Betriebsbedingungen mit folgender Gleichung ermittelt:

σb =

Wop Ac

oder σ b =

W

(11.5-48)

Ac

δ Ø A2 Ø B2

Bild 11.5-9 - Loser Flanschring mit vorspringender Auflagefläche

Die Auflagerspannung darf das 1,5fache des niedrigeren der zulässigen Spannungswerte der beiden Flansche nicht überschreiten; 11.5.6.2 Vorschweißbund

Der Vorschweißbund muss eine der in 11.4.4 angegebenen Formen aufweisen; die Berechnung erfolgt entweder nach dem Verfahren für Flansche mit innenliegender Dichtung (11.5) oder nach dem für Flansche mit durchgehender Dichtung (11.6). ANMERKUNG Wenn G1 größer ist als der Außendurchmesser der Dichtung, kommt die Methode für Flansche mit durchgehender Dichtung nicht zur Anwendung. Auch wenn G1 kleiner ist als der Außendurchmesser der Dichtung, kommt die Methode für Flansche mit innenliegender Dichtung zur Anwendung, obwohl sie möglicherweise weniger rentabel ist.

166

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002:05)

Der Vorschweißbund muss die Forderungen für einen direkt durch Schraubenkraft belasteten Flansch in 11.5.4 bzw. 11.6 erfüllen, wobei allerdings eine Wirkung der Schraubenkraft auf den Durchmesser G1 angenommen wird, der dann entsprechend den Parameter C in der Berechnung der Hebelarme hD, hG und ht ersetzt. Als Schraubenlochdurchmesser dh in 11.6 ist der Wert 0 zu verwenden. 11.5.6.3 Loser Flanschring

Siehe Bild 11.5-10 und 11.5-11.

hL = (C − G1 )/2

(11.5-49)

Der Hebelarm am losen Flanschring muss für alle Lastkomponenten hL sein, d. h.:

M op = W op ⋅ h L ANMERKUNG

(11.5-50) Bei Aussendruck, Wop = 0 – siehe 11.5.5.

M A = W ⋅ hL

(11.5-51)

Die Spannungen und Belastungsgrenzen in losen Flanschringen müssen die Forderungen in 11.5.4 erfüllen.

g0

ØA

h ØB

W

X g1 e

hG

Ø B2

;; ;;;

Ø G1 Ø A2

ØC

Bild 11.5-10- Loser Flanschring mit konischem Ansatz

167

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002:05)

ØA

W

ØB X e hG

Ø B2

;; ;;;

Ø G1 Ø A2

ØC

Bild 11.5-11- Loser Flanschring ohne Ansatz

11.5.7 Geteilte Flansche

Es ist zulässig, den losen Flanschring einer Losflanschverbindung geteilt auszuführen, um den Abbau von Stutzenhals oder Schale zu erleichtern. Die Auslegung muss unter Berücksichtigung der folgenden Abweichungen nach 11.5.6.3 erfolgen. Besteht der Losflansch aus einem einzelnen geteilten Flanschring, ist der Flansch nach den Regeln für ungeteilte Flansche zu berechnen, wobei der doppelte Wert der nach 11.5.6.3 geforderten Momente Mop und/oder MA zu verwenden ist. Besteht der Losflansch aus zwei geteilten Flanschringen, ist jeder Ring wie ein ungeteilter Flansch mit 75 % des nach 11.5.6.3 geforderten Moments zu berechnen. Das Doppelringpaar muss so eingebaut werden, daß die Trennfugen um 90° versetzt sind und mittig zwischen zwei Schraubenlöchern liegen.

168

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002:05)

11.6 Flansche mit durchgehender Weichstoffringdichtung 11.6.1 Zusätzliche Symbole und Abkürzungen

Die folgenden Symbole und Abkürzungen gelten zusätzlich zu denen in 11.3. ANMERKUNG

Siehe Bild 11.6-1 zwecks Illustration der verschiedenen Größen.

HD hD

ØB

g 1 /2

W d g0 g1

HG

;;;;; e

HR

2b'' H T

ØA1

b"

hT

hR

b'0 /2

hG

ØG

b'0 /2 ØC Ø G0

Bild 11.6-1 Flansch mit durchgehender Dichtung (Weichstoffdichtung)

A1 /

Innendurchmesser der Dichtungsauflagefläche

b

Wirkbreite der Dichtung

2b”

Wirksame Druckbreite der Dichtung; wird mit 5 mm angenommen

169

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 7 (2003-07) /

b0

Theoretische Sitzbreite der Dichtung beim ersten Anziehen der Schrauben

dh

Innendurchmesser der Schraubenbohrungen

G

Durchmesser der wirksamen Dichtungsfläche

G0

Außendurchmesser von Dichtung oder Flansch, je nachdem, welcher Wert kleiner ist

H

Gesamtwert der Innendruckkraft

HG

Flächenpressung an der Dichtung zur Gewährleistung der Dichtheit der Verbindung

HR

Außerhalb des Schraubenlochkreises wirkende Gegenkraft zum Ausgleich der durch die Belastung innerhalb des Schraubenlochkreises verursachten Momente

hR

Radialer Abstand zwischen Schraubenlochkreis und Wirkkreis von HR

hT

Radialer Abstand zwischen Schraubenlochkreis und Wirkkreis von HT

hG

Radialer Abstand zwischen Schraubenlochkreis und Wirkkreis von HG

MR

Gegenmoment in radialer Richtung im Flansch entlang der Schraubenlochlinie

n

Anzahl der Schrauben

δb

Schraubenabstände

11.6.2 Schraubenkräfte und -querschnitte Für 2b” wird der Wert 5 mm eingesetzt. /

b 0 = min(G0 - C; C - A1 )

(11.6-1)

b 0 = 4 bo′

(11.6-2)

/

(Diese Gleichung gilt nur für Abmessungen in mm.)

G = C - (dh + 2b”) H =

π 2 ⋅ (C − d ) ⋅ P h 4

HD =

170

π ⋅ B2 ⋅ P 4

(11.6-3) (11.6-4)

(11.6-5)

HT = H - HD

(11.6-6)

H G = 2b"⋅π ⋅ G ⋅ m ⋅ P

(11.6-7)

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 7 (2003-07)

hD = (C-B-g1)/2

(11.6-7a)

hT = (C + dh + 2b” - B) /4

(11.6-8)

hG = (dh + 2b”) / 2

(11.6-9)

hR = (G0 - C + dh) / 4

(11.6-10)

M R = H D ⋅ hD + H T ⋅ hT + H G ⋅ hG

(11.6-11)

HR =

MR

(11.6-12)

hR

Die Schraubenquerschnitte sind nach 11.5.2 zu berechnen mit:

W A = π C ⋅ b'⋅y

(11.6-13)

W op = H + H G + H R

(11.6-14)

11.6.3 Flanschberechnung Die Dicke des Flansches muss mindestens dem Wert von e in der nachstehenden Gleichung entsprechen: 6M R

e=

e=

(11.6-15)

f (πC - nd h )

(m + 0,5 ) (E/200000 )0,25

×

(δ b − 2d b )

wobei E ausgedrückt ist als N/mm

e=

( A1 + 2g 1 )P 2f

(11.6-16)

6 2

(11.6-17)

Sollen zwei Flansche mit unterschiedlichen Innendurchmessern miteinander verschraubt werden, die beide nach den Regeln dieses Abschnitts berechnet sind, gelten folgende zusätzliche Forderungen: a) Als Wert von MR für beide Flansche ist der für den Flansch mit dem kleineren Innendurchmesser berechnete Wert zu verwenden.

171

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002:05)

b) Die erforderliche Dicke des Flansches mit dem kleineren Innendurchmesser darf nicht kleiner sein als:

e=

3(M 1 − M 2 )( A + B ) π f ⋅ B( A − B )

(11.6-18)

Dabei sind

M 1 und M 2 die für beide Flansche berechneten Werte von M R. 11.6.4 Flansche mit durchgehender Dichtung unter Außendruck

Flansche, die sowohl durch Innen- als auch durch Außendruck beansprucht sind, müssen auch für beide Zustände berechnet werden. Der Außendruck kann jedoch vernachlässigt werden, wenn der Berechnungsaußendruck kleiner ist als der Berechnungsinnendruck. Die Berechnung von Flanschen unter Außendruck erfolgt nach 11.6 unter Berücksichtigung folgender Abweichungen: a) P wird durch Pe ersetzt; b) Gleichung (11.6-16) gilt nicht; c) Wop = 0.

11.7 Dichtgeschweißte Flansche Dichtgeschweißte Flansche (siehe Bild 11.7-1) müssen unter Berücksichtigung folgender Abweichungen nach 11.5 berechnet werden. a) Es wird nur der Betriebszustand betrachtet; b) G = DL , der Innendurchmesser der Schweißlippe, wie in Bild 11.7-1 dargestellt c) HG = 0. d) Die Flanschdicke e muss als mittlere Dicke des Flansches festgelegt werden.

Ø DL

e

Bild 11.7-1: Dichtgeschweißter Flansch

172

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002:05)

11.8 Innenliegende Flansche mit innenliegender Dichtung 11.8.1 Flansche unter Innendruck

Innenliegende Flansche mit innenliegender Dichtung (siehe Bild 11.8-1 und 11.8-2) unter Innendruck müssen unter Berücksichtigung folgender Abweichungen nach 11.5 berechnet werden. Die Grenzwerte von g0 und B/g0 für die Berechnung nach dem Losflanschverfahren gelten nicht. Folgende Symbole und Abkürzungen gelten zusätzlich zu oder abweichend von denen in 11.3:

A

Flanschinnendurchmesser;

B

Flanschaußendurchmesser;

HT

Nettodrucklast an den Flanschdichtflächen. W

;;

hG

hD HD

HG

ØG

e

h hT

HT

ØA g1 ØC

g0

ØD ØB

Bild 11.8-1: Innenliegender Vorschweißflansch

173

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002:05)

W

hD HD

;;; hG

HG

ØG

e

h hT

HT ØA

g1

ØC

g0 ØB= ØD

Bild 11.8-2 - Innenliegender Einschiebflansch

Anstelle der Gleichungen in 11.5 gelten folgende Gleichungen für die gegebenen Variablen: 2

HD = π/4 P D

(11.8-1)

HT = HD - H

(11.8-2)

hD = (B - C - g1) / 2

(11.8-3)

Ausgenommen hiervon sind Einschiebflansche mit Kehlnaht (mit B = D), bei denen gilt:

hD = (B - C) / 2

(11.8-4)

hT = (2C - G - D) / 4

(11.8-5)

174

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002:05)

M op = HT ⋅ hT + HD ⋅ hD

(11.8-6)

M = (M A or M op) CF / A

(11.8-7)

K = B/A

(11.8-8)

Das Vorzeichen von hT, das auch negativ sein kann, muss beachtet werden. ANMERKUNG Das durch die Dichtungskraft verursachte Moment wird für den Betriebszustand als Null angenommen. Dies ist eine konservative Annahme, da Dichtungslasten das Moment im Flansch reduzieren.

11.8.2 Flansche unter Außendruck

Innenliegende Flansche mit innenliegender Dichtung unter Außendruck müssen unter Berücksichtigung der Änderungen in 11.5.5 nach 11.8.1 berechnet werden, ausgenommen Gleichung (11.5-5), die ersetzt wird durch:

M op = HD(hD + hG) + HT(hG - hT).

(11.8-9)

11.9 Flansche unter Außendruck 11.9.1 Allgemeines

Die Berechnung dieser Flansche muss entweder nach 11.9.2 oder 11.9.3 erfolgen; beide Verfahren sind zulässig. Bei beiden Verfahren müssen Dichtungen und Schraubenkräfte im Einbauzustand den Forderungen in 11.6 entsprechen. ANMERKUNG Für die Berechnung innenliegender Flansche mit durchgehender Dichtung gibt es zwei alternative Berechnungsverfahren. Das erste folgt dem Rechenweg in 11.5 für den Betriebszustand und geht von der Annahme aus, daß der Widerstand gegen Verdrehen durch den Flansch selbst verursacht wird; das zweite Verfahren folgt dem Rechenweg in 11.6 und setzt einen größeren Schraubenquerschnitt voraus.

11.9.2 Berechnung nach dem Verfahren in 11.5 ANMERKUNG siehe Bild 11.9-1. zwecks Illustration der Beanspruchungen und Abmessungen.

Die Berechnung für den Betriebszustand muss mit folgenden Änderungen nach 11.5 erfolgen. Folgende Symbole und Abkürzungen gelten zusätzlich zu oder abweichend von denen in 11.3.

A

Flanschinnendurchmesser

A1

Innendurchmesser der Dichtungsauflagefläche

B

Flanschaußendurchmesser

HS

Innendruckkraft aufgrund des Drucks an der druckbeaufschlagten Flanschseite

hS

Radialer Abstand zwischen Schraubenlochkreis und Wirkkreis von HS

175

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002:05)

Ø G0

;;;; ;;;; ;;;; W

HD

HT

hD

h

hT

hs

Hs g0

e

ØA ØD Ø A1

g1 ØC ØB

Bild 11.9-1 - Innenliegender Flansch mit durchgehender Dichtung nach 11.9.2

Es gelten folgende zusätzliche Gleichungen:

w = (C - A1) / 2

(11.9-1) 2

HS = HD - π/4 P A1

(11.9-2)

hS = (2C - D - A1 ) / 4

(11.9-3)

Anstelle der Gleichungen in 11.5 gelten folgende Gleichungen für die gegebenen Variablen: 2

H = π/4P (C - dh ) P 2

176

(11.9-4)

HD = π/4 P D

(11.9-5)

HG = 2π b C m P

(11.9-6)

HT = (H - HD + HS) / 2

(11.9-7)

hD = (B - g1 - C) / 2

(11.9-8)

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002:05)

Ausgenommen hiervon sind Einschiebflansche (mit B ≠ D), für die gilt:

hD = (B - C) / 2

(11.9-9)

hT = (2C + dh - 2A1 ) / 6

(11.9-10)

M op = HD ⋅ hD - HT ⋅ hT + HS ⋅ hS

(11.9-11)

M = M op ⋅ CF / A

(11.9-12)

K = B/A

(11.9-13)

Das Vorzeichen von hS, das auch negativ sein kann, muss beachtet werden. ANMERKUNG: Das durch die Dichtungskraft verursachte Moment wird für den Betriebszustand als Null angenommen, da diese Annahme zu höheren Spannungen führt.

11.9.3 Berechnung nach dem Verfahren in 11.6 ANMERKUNG siehe Bild 11.9-2 zwecks Illustration der Beanspruchungen und Abmessungen.

Die Regeln in 11.9.3 gelten nur für innenliegende Flansche, die mit einem Rohrboden bzw. einem flachen Boden gepaart werden. Die Berechnung für den Betriebszustand muss mit folgenden Änderungen nach 11.6 erfolgen. Folgende Symbole und Abkürzungen gelten zusätzlich zu oder abweichend von denen in 11.3.

A

Flanschinnendurchmesser

A1

Innendurchmesser der Dichtungsauflagefläche

B

Flanschaußendurchmesser

177

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002:05)

Ø G0 W

HR

HD

;;;;; hD

hR

Ø A1

t

h

hC HC g1

ØA ØC

g0 ØD ØB

Bild 11.9-2 - Innenliegender Flansch mit durchgehender Dichtung nach 11.9.3

HC

Druckkraft auf Flanschdichtfläche außerhalb des Schraubenlochkreises

hC

Radialer Abstand zwischen Schraubenlochkreis und Wirkkreis von HC

Es gelten folgende zusätzliche Gleichungen:

HC = HD – π/4 P C

2

hC = (D - C) / 4

(11.9-14) (11.9-15)

Anstelle der Gleichungen in 11.6 gelten folgende Gleichungen für die gegebenen Variablen:

HD = π/4 P D

178

2

(11.9-16)

hD = (B - C - g1 ) / 2

(11.9-17)

M R = HD hD - HC hC

(11.9-18)

Wop = HD - HC + HR

(11.9-19)

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002:05)

11.10 Flansche mit durchgehender Dichtfläche in Kraftnebenschluss 11.10.1 Allgemeines ANMERKUNG siehe Bild 11.10-1 zwecks Illustration der Beanspruchungen und Abmessungen.

Die Regeln nach 11.10.2 gelten für Flansche, bei denen sowohl innerhalb als auch außerhalb des Schraubenlochkreises Metallkontakt besteht, bevor die Schrauben mit einer nennenswerten Vorspannung angezogen werden, und als Dichtung ein O-Ring oder ein vergleichbarer Dichtring verwendet wird. Durch entsprechende Fertigungsverfahren und -toleranzen muss sichergestellt sein, daß der Flansch nicht in einer Weise gewölbt ist, bei der sich die Flanschflächen zuerst außerhalb des Schraubenkreises berühren. ANMERKUNG 1 Die Regeln führen zu konservativen Ergebnissen, wenn der erste Kontakt am Flanschinnendurchmesser ist. ANMERKUNG 2 Die Regeln gelten unter der Annahme, daß eine selbstdichtende Dichtung verwendet wird, die etwa mit der Wand des angeschlossenen Rohrs oder der Schale fluchtet, und daß die Vorverformungskraft und andere Axiallasten der Dichtung vernachlässigt werden können.

11.10.2 Zusätzliche Symbole und Abkürzungen

Folgende Symbole und Abkürzungen gelten zusätzlich zu denen in 11.3:

G

Mittlerer Dichtungsdurchmesser

HR

Außerhalb des Schraubenlochkreises wirkende Gegenkraft zum Ausgleich der durch die Belastung innerhalb des Schraubenlochkreises verursachten Momente

hR

Radialer Abstand zwischen dem Schraubenlochkreis und dem Wirkkreis von HR

MR

Gegenmoment in radialer Richtung im Flansch entlang der Schraubenlochlinie

n

Anzahl der Schrauben

179

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002:05)

ØB

HD

W hD

HR

g

I

d

e

hR

hT

HT ØG ØC ØA

Bild 11.10-1 - Flansch mit durchgehender Dichtfläche in Kraftnebenschluss und O-Ring

11.10.3 Berechnung

Die folgenden Regeln gelten für Flanschverbindungen von zwei identischen Flanschen oder von Flansch und ebenem Deckel. Die Schraubenkräfte müssen nach 11.5.2 berechnet werden, wobei gilt:

180

hR = (A - C) / 2

(11.10-1)

M R = H D ⋅ hD + H T ⋅ hT

(11.10-2)

H R = M R /hR

(11.10-3)

WA = 0

(11.10-4)

W op = H + H R

(11.10-5)

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 7 (2003-07) Die erforderliche Flanschdicke darf nicht kleiner sein als:

e=

6M R f (πC − n ⋅ d h )

(11.10-6)

Sollen zwei Flansche mit unterschiedlichen Innendurchmessern miteinander verschraubt werden, die beide nach den Regeln dieses Abschnitts berechnet sind, gelten folgende zusätzliche Forderungen: a) Als Wert von MR für beide Flansche ist der für den Flansch mit dem kleineren Innendurchmesser berechnete Wert zu verwenden. b) Die erforderliche Dicke des Flansches mit dem kleineren Innendurchmesser wird wie folgt berechnet:

e=

3(M 1 - M 2 )⋅ (A + B )

πf ⋅ B (A - B )

(11.10-7)

Dabei sind M1 und M2 die für beide Hälften berechneten Werte von MR.

181

EN 13445-3: 2002 (D) Ausgabe 1 (2002:05)

12 Tellerböden (verschraubte gewölbte Böden) 12.1 Zweck Dieser Abschnitt enthält Anforderungen an die Auslegung verschraubter druckseitig konvex oder konkav gewölbter Böden mit durchgehender oder innenliegender Dichtung. Die in diesem Abschnitt enthaltenen Anforderungen an Böden mit innenliegender Dichtung sind anerkannte und bewährte Verfahren; Anhang G enthält hierzu eine moderne Alternative; siehe 11.1, Anmerkung 1.

12.2 Zusätzliche Definitionen Die folgende Definition gilt zusätzlich zu denen 11.2. 12.2.1 Tellerboden (verschraubter gewölbter Boden): Deckel oder Blindflansch aus miteinander verschweißtem Flansch und Kalottenteil mit konstantem Krümmungsradius.

12.3 Zusätzliche Symbole und Abkürzungen Die folgenden Symbole und Abkürzungen gelten zusätzlich zu denen in 11.3: a

Entfernung von der Flanschspitze zur neutalen Faser in der Wand des Kalottenteils, wo dieses mit dem Flansch zusammentrifft;

eD

erforderliche Wanddicke des Kalottenteils;

fD

zulässige Nennspannung des Kalottenteils

Hr

am Rand wirkende radiale Komponente der Membranspannung im Kalottenteil;

hr

axialer Abstand zwischen der mittleren Oberfläche des Kalottenteils am Rand und dem Flächenschwerpunkt des Flanschringquerschnitts;

R

innerer Krümmungsradius des Kalottenteils.

12.4 Allgemeines Für Flansche, die nach Abschnitt 12 berechnet werden, gelten auch die entsprechenden Teile von 11.4.

12.5 Tellerböden mit innenliegender Dichtung 12.5.1 Druckseitig konkave Böden ANMERKUNG

Siehe Bild 12-1:

Schraubenkräfte und -Querschnittsflächen sowie Dichtungskräfte sind nach 11.5.2 zu berechnen. Die erforderliche Wanddicke des Kalottenteils wird wie folgt berechnet:

eD =

182

5P ⋅ R 6fD

(12.5-1)

EN 13445-3: 2002 (D) Ausgabe 1 (2002:05)

Momente und Hebelarme müssen nach 11.5.3 berechnet werden, wobei allerdings Gleichung (11.5-18) durch Gleichung (12.5-4) zu ersetzen ist.

Hr = H D ⋅

4R2 − B2 B

(12.5-2)

hr = e/2 − a

(12.5-3)

eD

HD

W

hD

e

;;

Hr R

hr ØB

HT

1

hG

ØG

HG

hT

ØA ØC

1 Dieser Punkt ist der Flächenmittelpunkt des schraffierten Bereichs. Bild 12-1 - Tellerboden mit innenliegender Dichtung

Das unter Betriebsbedingungen am Flansch wirkende Moment beträgt: M op = H D ⋅ h D + H G ⋅ h G + H T ⋅ h T + H r ⋅ h r

(12.5-4)

Die Einbau- und Betriebsbedingungen sind beides Berechnungsbedingungen zur Bestimmung der zulässigen Nennspannung. Die absolute Wert von M op ist in die Gleichung (12.5-6) einzusetzen.

183

EN 13445-3: 2002 (D) Ausgabe 1 (2002:05)

Die folgenden Bedingungen müssen gegeben sein: a) die Wanddicke muss die Bedingung e ƒ 2eD erfüllen; b) für die Spannung im Einbauzustand gilt: 3M A ( A + B ) C F

π (A − B ) B × e

2

≤f

(12.5-5)

c) für die Spannung im Betriebszustand gilt: H r × B × e + 3M op (A + B )C F

π (A - B ) B × e

2

≤f

(12.5-6)

12.5.2 Druckseitig konvexe Böden

Die erforderliche Mindestdicke des Kalottenteils muss größer sein als die nach 12.5.1 und den Anforderungen an Behälter unter Außendruck in Abschnitt 8 ermittelte Wanddicke. Die Auslegung des Flansches muss mit Ausnahme nachstehender Gleichung nach dem Verfahren in 12.5.1 erfolgen: M op = H D (hD − hG ) + H T (H T − H G ) − H r × hr

12.6 Tellerböden mit durchgehender Dichtung 12.6.1 Druckseitig konkave Tellerböden mit durchgehender Dichtung ANMERKUNG

184

Die Darstellung der Belastungen und Abmessungen ist in Bild 12-2 dargestellt.

(12.5-7)

EN 13445-3: 2002 (D) Ausgabe 1 (2002:05)

HD eD

W d

hD

Hr e

R hr ØB

HR 1

HG hR

b"

HT

hG

ØA1 ØG

hT ØC Ø GO

1 Dieser Punkt ist der Flächenmittelpunkt des schraffierten Bereichs.

Bild 12-2 - Tellerboden mit durchgehender Dichtung

Die Anforderungen aus 12.6 finden nur für Tellerböden Anwendung, die mit einem Rohrboden verschraubt sind. Druckseitig konkave Tellerböden mit durchgehender Weichstoffdichtung werden wie folgt berechnet: a) Für den Kalottenteil sind die Anforderungen aus 12.5.1 anzuwenden. b) HD, hD, HT, hT, HG und hG sind nach 11.6 zu berechnen. c) Hr und hr sind nach 12.5.1 zu berechnen. d) M R ist nach folgender Gleichung zu berechnen: M R = H D × hD + H G × hG + H T × h T − H r × hr

(12.6-1)

185

EN 13445-3: 2002 (D) Ausgabe 1 (2002:05)

e) Schraubenkräfte und Flansch sind nach 11.6 vollständig zu berechnen. f)

Falls erforderlich, ist Wanddicke e zu erhöhen, bis nachstehende Gleichung erfüllt ist: H r ≤ πf × e (A − B − 2d h )

ANMERKUNG

Durch Begrenzung von Hr ist sichergestellt, dass die Umfangsspannung am Flanschring nicht zu groß wird.

12.6.2 Druckseitig konvexe Tellerböden mit durchgehender Dichtung

Druckseitig konvexe Tellerböden mit durchgehender Dichtung müssen wie folgt berechnet werden: a)

Die Anforderungen aus 11.6.4 sind anzuwenden.

b)

Für den Kalottenteil sind die Anforderungen aus 12.5.2 anzuwenden.

c)

Gleichung (12.6-2) ist anzuwenden.

186

(12.6-2)

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

13 Wärmeaustauscher-Rohrböden 13.1 Zweck Dieser Abschnitt enthält Regeln für die folgenden drei Typen von Wärmeaustauschern (synonyme Bezeichnung: Wärmeübertrager) mit Rohrböden: a) b) c)

U-Rohr-Wärmeaustauscher (siehe Bild 13.1-1a), behandelt in 13.4, Festkopf-Wärmeaustauscher (siehe Bild 13.1-1b), behandelt in 13.5, Schwimmkopf-Wärmeaustauscher (siehe Bild 13.1-1c), behandelt in 13.6.

Die Regeln dieses Abschnitts beruhen auf der klassischen Elastizitätstheorie dünner Schalen, unter der Annahme, dass der Rohrboden auf einer elastischen aus den Rohren gebildeten Bettung ruht. Es wird auf Anhang J verwiesen, in dem hierzu ein Alternativverfahren auf Grundlage der Grenzlastanalyse beschrieben wird. ANMERKUNG Dieses Alternativverfahren kann insbesondere dann anstelle des klassischen Verfahrens angewandt werden, wenn der betrachtete Wärmeaustauscher außerhalb des Anwendungsbereichs des klassischen Verfahrens liegt.

13.2 Zusätzliche Definitionen Folgende Definitionen gelten zusätzlich zu denen in Abschnitt 3. 13.2.1 U-Rohr-Wärmeaustauscher: Wärmeaustauscher mit einem einzigen Rohrboden, der an Schale und Vorkammer befestigt ist (siehe Bild 13.2-1a). 13.2.2 Festkopf-Wärmeaustauscher: Wärmeaustauscher mit zwei Rohrböden, die jeweils an Schale und Vorkammer befestigt sind (siehe Bild 13.2-1b). 13.2.3 Schwimmkopf-Wärmeaustauscher: Wärmeaustauscher mit zwei Rohrböden (siehe Bild 13.2-1c), und zwar: —

einem festen, an Schale und Vorkammer befestigten Rohrboden (2’) und

—

einem axial beweglichen Rohrboden (2").

13.2.4 Mit Dichtung versehener Rohrboden: Rohrboden, der durch Verschrauben an Schale und/oder Vorkammer befestigt ist. 13.2.5 Angeschweißter Rohrboden: Rohrboden, der durch Schweißung an Schale und/oder Vorkammer befestigt ist.

187

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

13.3 Zusätzliche Symbole und Abkürzungen Zusätzliche Symbole sind in den folgenden relevanten Unterabschnitten definiert. (1)

(1) Die Konfigurationen der Verbindungen Rohrboden-Schale-Vorkammer sind in 13.4.1 ausführlich beschrieben. a) : U-Rohr-Wärmeaustauscher (1)

(1)

(1) Die Konfigurationen der Verbindungen Rohrboden-Schale-Vorkammer sind in 13.5.1 ausführlich beschrieben. b) : Festkopf-Wärmeaustauscher (1)

(1)

(1) Die Konfigurationen der Verbindungen Rohrboden-Schale-Vorkammer sind in 13.6.1 ausführlich beschrieben. c) : Schwimmkopf-Wärmeaustauscher Bild 13.1-1 — Drei Typen von Wärmeaustauschern mit Rohrböden 188

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

a) U-Rohr-Wärmeaustauscher

b) : Festkopf-Wärmeaustauscher

c) : Schwimmkopf-Wärmeaustauscher 1 2 2' 2'' 3 4 5 6

Vorkammer mit festem Boden Festkopf-Rohrboden Fester (stationärer) Rohrboden Beweglicher Rohrboden (Schwimmkopf) Rohre Schale Schalenflansch Deckelflansch

7 8 9 10 11 12 13

Kompensator Schwimmkopf-Deckel Schwimmkopf-Flansch Schwimmkopf-Gegenhalter Leitbleche oder Stützplatten Längsleitblech Durchgangstrennwand

Bild 13.2-1 — Bauteile von Wärmeaustauschern

189

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

13.4 U-Rohr-Wärmeaustauscher 13.4.1 Geltungsbereich a)

Dieser Abschnitt enthält Regeln für die Auslegung von U-Rohr-Wärmeaustauschern, welche einen Rohrboden aufweisen, der an der Schale und an der Vorkammer befestigt ist und mit einem U-Rohr-Bündel verbunden ist (siehe Bild 13.4.1-1). (1)

ec

es

Ps Pt

Do

Dc

Ds

et

dt

(1) Konfiguration a, b, c, d, e oder f (siehe Bild 13.4.1-2) Bild 13.4.1-1 — Typischer U-Rohr-Wärmeaustauscher b)

Der Rohrboden kann eine der sechs in Bild 13.4.1-2 dargestellten Konfigurationen aufweisen:      

Konfiguration a: Mit Schale und Vorkammer verschweißter Rohrboden. Konfiguration b: Mit der Schale verschweißter und vorkammerseitig abgedichteter Rohrboden, als Flansch ausgelegt. Konfiguration c: Mit der Schale verschweißter und vorkammerseitig abgedichteter Rohrboden, nicht als Flansch ausgelegt. Konfiguration d: Schalenseitig und vorkammerseitig abgedichteter Rohrboden, als Flansch oder nicht als Flansch ausgelegt. Konfiguration e: Schalenseitig abgedichteter und mit der Vorkammer verschweißter Rohrboden, als Flansch ausgelegt. Konfiguration f: Schalenseitig abgedichteter und mit der Vorkammer verschweißter Rohrboden, nicht als Flansch ausgelegt.

Die Konfiguration d umfasst die Fälle, in denen der Rohrboden (siehe Bild 13.4.1-3):   c)

190

nicht als Flansch ausgelegt ist (Konfiguration d1). als Flansch ausgelegt ist (Konfiguration d2).

Die Unterabschnitte 13.4.2 bis 13.4.6 betreffen die Konfiguration a (bei welcher der Rohrboden verschweißt ist) und die Konfigurationen b, c, d, e und f, bei denen der mittels Dichtung befestigte Rohrboden mit einer schmalen Dichtung versehen ist. Im Unterabschnitt 13.4.7 wird dargelegt, wie diese Regeln für die Konfigurationen b', d', e' anzuwenden sind, bei denen der mittels Dichtung befestigte Rohrboden mit einer durchgehenden Dichtung versehen ist.

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

a) Konfiguration a

b) Konfiguration b

c) Konfiguration c

Mit Schale und Vorkammer verschweißter Rohrboden

Mit der Schale verschweißter und vorkammerseitig abgedichteter Rohrboden, als Flansch ausgelegt

Mit der Schale verschweißter und vorkammerseitig abgedichteter Rohrboden, nicht als Flansch ausgelegt

d) Konfiguration d

e) Konfiguration e

f) Konfiguration f

Schalenseitig und vorkammerseitig abgedichteter Rohrboden, als Flansch oder nicht als Flansch ausgelegt

Schalenseitig abgedichteter und mit der Vorkammer verschweißter Rohrboden, als Flansch ausgelegt

Schalenseitig abgedichteter und mit der Vorkammer verschweißter Rohrboden, nicht als Flansch ausgelegt

Bild 13.4.1-2 — Konfigurationen von Rohrböden von U-Rohr-Wärmeaustauschern

a) Konfiguration d1

b) Konfiguration d2

Rohrboden nicht als Flansch ausgelegt

Rohrboden als Flansch ausgelegt

Bild 13.4.1-3 — Verschiedene Typen der Konfiguration d (beidseitig abgedichteter Rohrboden)

191

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

13.4.2 Bedingungen für die Anwendbarkeit 13.4.2.1 Rohrboden Der Rohrboden muss die nachstehenden Anwendbarkeitsbedingungen erfüllen: a)

Der Rohrboden muss eben, kreisrund und von konstanter Dicke sein.

b)

Eine örtlich begrenzte Verringerung der Dicke am Umfang des Rohrbodens für eine Dichtungsnut oder eine Entlastungsnut ist zulässig, sofern die verbleibende Berechnungswanddicke e a,p mindestens das 0,8fache der Berechnungswanddicke e a des Rohrbodens beträgt (siehe Bild 13.4.2-1):

e a,p ≥ 0,8 e a

(13.4.2-1)

ea,p

ea

a) Konfiguration a

ea,p ea

c) Konfiguration d

ea,p ea

b) Konfiguration b und e

ea,p ea

d) Konfiguration c und f

Bild 13.4.2-1  Örtlich begrenzte Dickenverringerung am Umfang des Rohrbodens c)

Wenn der Rohrboden als Flansch ausgebildet ist, muss die Dicke der Flanschverlängerung berechnet werden nach:  

192

13.10, wenn die Dichtung schmal ist (Konfigurationen b, d2, e), 13.11, wenn die Dichtung durchgehend ist (Konfigurationen b', d '2 , e').

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

d)

Sofern keine zufriedenstellenden Erfahrungen mit dünneren Rohrböden nachgewiesen werden können, müssen folgende Bedingungen erfüllt sein, wenn die Rohre in den Rohrboden hinein verlängert werden: — Für d t ≤ 25 mm:

e a ≥ 0,75 d t

(13.4.2-2)

— Für 25 mm ≤ d t ≤ 30 mm:

e a ≥ 22 mm

(13.4.2-3)

— Für 30 mm ≤ d t ≤ 40 mm:

e a ≥ 25 mm

(13.4.2-4)

— Für 40 mm ≤ d t ≤ 50 mm:

e a ≥ 30 mm e)

(13.4.2-5)

Der Rohrboden muss auf einer kreisförmigen Fläche vom Durchmesser Do gleichmäßig mit Rohrlöchern versehen sein, und zwar so, dass die Mittelpunkte benachbarter Rohrlöcher gleichseitige Dreiecke oder Quadrate bilden. Unberohrte Reihen für Trennwände sind jedoch zulässig, wenn der Abstand UL zwischen zwei benachbarten Rohrreihen (siehe Bild 13.7.2-1) die folgende Bedingung erfüllt:

UL ≤ 4 p

(13.4.2-6)

Dabei ist p die Rohrteilung. 13.4.2.2 Rohre a)

Die Rohre müssen in ihrem geraden Teil gleiche Nennwanddicken und Durchmesser aufweisen, und sie müssen aus demselben Werkstoff bestehen.

b)

Sie müssen starr mit dem Rohrboden verbunden sein.

13.4.2.3 Schale und Vorkammer Schale und Vorkammer müssen an ihrer Verbindung mit dem Rohrboden zylindrisch sein. 13.4.2.4 Belastung Rohrseitiger Druck Pt und schalenseitiger Druck Ps werden als gleichförmig in jedem Kreis angenommen. Andere Belastungen, wie etwa Eigengewicht oder Druckabfall, werden nicht berücksichtigt.

193

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 7 (2003-07)

13.4.3 Symbole Alle Momente in diesem Abschnitt sind Momente pro Längeneinheit [Nmm/mm].

A

Außendurchmesser des Rohrbodens;

C

Bolzenkreisdurchmesser;

Dc

Innendurchmesser der Vorkammer (siehe Bild 13.4.1-1);

Ds

Innendurchmesser der Schale (siehe Bild 13.4.1-1);

Do

Durchmesser der berohrten Rohrbodenfläche gemäß Gleichung (13.7.5-1);

dt

Nennaußendurchmesser der Rohre (siehe Bild 13.7.2-2);

E

E-Modul des Rohrbodenwerkstoffs bei Auslegungstemperatur;

Ec Es

E-Modul des Vorkammerwerkstoffs bei Auslegungstemperatur;

E*

Effektiver E-Modul des Rohrbodens bei Auslegungstemperatur (siehe 13.7);

e

angenommene Dicke des Rohrbodens;

ec

Wanddicke der Vorkammer (siehe Bild 13.4.1-1);

es

Wanddicke der Schale (siehe Bild 13.4.1-1);

F

Koeffizient, der in 13.4.4.3d angegeben ist;

f

Berechnungsnennspannung des Rohrbodenwerkstoffs bei Auslegungstemperatur;

fc

Berechnungsnennspannung des Vorkammerwerkstoffs bei Auslegungstemperatur;

fs

Berechnungsnennspannung des Schalenwerkstoffs bei Auslegungstemperatur;

G1

Mittelpunkt der Berührungsfläche zwischen Flansch und Rohrboden gemäß Gleichung (11.5.46);

Gc

Vorkammerseitiger Durchmesser der wirksamen Dichtungsfläche (siehe Abschnitt 11);

Gs

Schalenseitiger Durchmesser der wirksamen Dichtungsfläche (siehe Abschnitt 11);

194

E-Modul des Schalenwerkstoffs bei Auslegungstemperatur;

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

hg'

Effektive Tiefe der rohrseitigen Trennwandnut (siehe 13.7);

K

Rohrbodendurchmesser-Verhältnis gemäß Gleichung (13.4.4-6);

kc

Erforderliches Randmoment für das Verdrehen der Vorkammer um den Einheitswinkel nach Tabelle 13.4.4-1;

ks

Erforderliches Randmoment für das Verdrehen der Schale um den Einheitswinkel nach Tabelle 13.4.4-1;

Mo

Im Mittelpunkt des Rohrbodens wirkendes Moment gemäß Gleichung (13.4.5-7);

MP

Am Umfang des Rohrbodens wirkendes Moment gemäß Gleichung (13.4.5-6);

M Pc Am Rand des nicht mit Löchern versehenen Rohrbodens infolge des Druckes in der angeschweißten Vorkammer wirkendes Moment nach Tabelle 13.4.4-1; M Ps Am Rand des nicht mit Löchern versehenen Rohrbodens infolge des Druckes in der angeschweißten Schale wirkendes Moment nach Tabelle 13.4.4-1; M TS Am Rand des nicht mit Löchern versehenen Rohrbodens infolge der Drücke Ps und Pt wirkendes Moment gemäß Gleichung (13.4.4-5); M*

Am Rand des nicht mit Löchern versehenen Rohrbodens wirkendes Moment (siehe 13.4.5.1);

Ps

Schalenseitiger Berechnungsdruck. Bei Unterdruck als negativ anzunehmen;

Ps'

Koeffizient des schalenseitigen Berechnungsdruckes nach Tabelle 13.4.4-1;

Pt

Rohrseitiger Berechnungsdruck. Bei Unterdruck als negativ anzunehmen;

Pt'

Koeffizient des rohrseitigen Berechnungsdruckes nach Tabelle 13.4.4-1;

Wmax Maximale Flansch-Auslegungsbolzenlast für den montierten Zustand gemäß Gleichung (13.5.4-13); Wc

Vorkammerflansch-Auslegungsbolzenlast für den montierten Zustand (siehe 13.4.4.3);

Ws

Schalenflansch-Auslegungsbolzenlast für den montierten Zustand (siehe 13.4.4.3);

βc

Koeffizient nach Tabelle 13.4.4-1;

βs

Koeffizient nach Tabelle 13.4.4-1;

195

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

λc

Koeffizient nach Tabelle 13.4.4-1;

λs

Koeffizient nach Tabelle 13.4.4-1;

µ

Grundlegender Rohrlochsteg-Verschwächungsbeiwert (siehe 13.7);

µ*

Effektiver Rohrlochsteg-Verschwächungsbeiwert (siehe 13.7);

νc

Querkontraktionszahl des Vorkammerwerkstoffs;

νs

Querkontraktionszahl des Schalenwerkstoffs;

ν*

Effektive Querkontraktionszahl des Rohrbodens (siehe 13.7);

ρc

Vorkammerdurchmesser-Verhältnis gemäß Gleichung (13.4.4-3) und (13.4.4-4);

ρs

Schalendurchmesser-Verhältnis gemäß Gleichung (13.4.4-1) und (13.4.4-2);

σ

Berechnete Spannung in einem Bauteil:

Indizes: b c eq m p s t

Biegebeanspruchung; Vorkammer; äquivalent; Membran; Umfang; Schale; Rohre;

Für den Rohrboden wird kein Index verwendet.

196

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 4 (2002-11)

13.4.4 Auslegungsüberlegungen 13.4.4.1 Lastzustände Zu den verschiedenen zu betrachtenden Lastzuständen gehören die normalen Betriebszustände, Anfahr- und Abfahrzustände, außergewöhnliche Betriebszustände und Druckprüfzustände, welche für die Auslegung der Rohrböden bestimmend sein können. Für jeden Zustand sind die folgenden Belastungsfälle zu betrachten:

(Ps

= 0) .



Belastungsfall 1 : Es wirkt nur der rohrseitige Druck Pt



Belastungsfall 2 : Es wirkt nur der schalenseitige Druck Ps



Belastungsfall 3 : Der rohrseitige Druck Pt und der schalenseitige Druck Ps wirken gleichzeitig. Dieser Belastungsfall 3 muss stets betrachtet werden, wenn auf einer Seite ein Unterdruck vorhanden ist.

(Pt

= 0) .

Können die Belastungsfälle 1 und 2 im Betrieb nicht auftreten, kann die Berechnung ausschließlich auf Grundlage von Belastungsfall 3 erfolgen. 13.4.4.2 Auslegungsbedingungen

a)

Die Auslegung ist für den korrodierten Zustand vorzunehmen, außer für die Rohre, für die der Nennaußendurchmesser d t und die Nennwanddicke e t zu verwenden sind.

b)

Da das Berechnungsverfahren iterativ ist, muss ein Wert e für die Rohrbodendicke angenommen werden, um zu berechnen und zu prüfen, dass die maximalen Spannungen in Rohrboden, Schale und Vorkammer die maximal zulässigen Spannungen nicht übersteigen. Es wird empfohlen, einen Anfangswert für die Rohrbodendicke anzunehmen, der nicht kleiner ist als der durch die folgende Formel gegebene Wert:

e=

Do Ps − Pt 4 µ (0,8 f )

Es sind zwei Fälle möglich: 

Liegt die berechnete Spannung des Bauteils innerhalb der zulässigen Grenzen, können die Berechnungen unter Verwendung einer geringeren Dicke des Bauteils wiederholt werden, bis die berechnete Spannung gleich der zulässigen Spannung ist, um auf diese Weise die erforderliche Mindestdicke zu erhalten.



Übersteigt die berechnete Spannung des Bauteils den zulässigen Wert, müssen die Berechnungen mit einer höheren Dicke des Bauteils (oder nach Änderung anderer Parameter) wiederholt werden, solange, bis die berechnete Spannung innerhalb der zulässigen Grenzen liegt.

13.4.4.3 Bestimmung von Zwischenwerten

a)

Effektive Elastizitätskonstanten des Rohrbodens. Nach 13.7 sind zu berechnen: 

der Durchmesser der mit Rorlöchern versehenen Rohrbodenfläche Do

197

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)



der grundlegende Rohrlochsteg-Verschwächungsbeiwert µ



der effektive Rohrlochsteg-Verschwächungsbeiwert µ *

 

der effektiver E-Modul E * die Querkontraktionszahl ν *

Die Werte von µ * , E * , ν * sind für die angenommene Rohrbodendicke e zu bestimmen. b)

Durchmesserverhältnisse ρ s and ρ c und Moment M TS : 

Verhältnis ρ s für die Schale:

ρs = ρs = 

ρc = ρc =

198

(13.4.4-1)

Konfigurationen d, e, f:

Gs Do

(13.4.4-2)

Konfigurationen a, e, f:

Dc Do

(13.4.4-3)

Konfigurationen b, c, d:

Gc Do

(13.4.4-4)

Moment M TS , hervorgerufen von den Drücken Ps und Pt , die auf den nicht mit Rohrlöchern versehenen Rohrbodenrand wirken:

M TS c)

Ds Do

Verhältnis ρ c für die Vorkammer:

-



Konfigurationen a, b, c:

[

(

)

(

) ]

Do2 (ρ s − 1) ρ s2 + 1 Ps − (ρ c − 1) ρ c2 + 1 Pt = 16

(13.4.4-5)

Koeffizienten für die angeschweißte Schale und/oder Vorkammer und Momente M Ps und/oder M Pc , die infolge des Drucks in der angeschweißten Schale und/oder Vorkammer auf den Rohrboden wirken (siehe Tabelle 13.4.4-1).

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

Tabelle 13.4.4-1 - Koeffizienten für angeschweißte Schale und/oder Vorkammer Angeschweißte Schale (Konfigurationen a, b, c)

βs =

4

(

12 1 − ν s2

)

(Ds + es ) ⋅ es

ks = βs

E s e s3

(

6 1 − ν s2

)

Angeschweißte Vorkammer (Konfigurationen a, e, f)

βc =

4

(Dc

kc = βc

(

12 1 − ν c2

)

+ ec ) ⋅ ec

E c e c3

(

6 1 − ν c2

)

λs =

2  3 Ds 2   k s  β s2 +  β s +   e  2e   

2  3 Dc 2   2 λc = k c β c +  β c +   e  2e   

Ps' =

2 −ν s Ds2 ⋅ ⋅ Ps 8 E s es

Pt' =

M Ps = ρ s k s β s (1 + e β s ) Ps'

Dc2 2 −νc ⋅ ⋅ Pt E c ec 8

M Pc = ρ c k c β c (1 + e β c ) Pt'

ANMERKUNG Diese Koeffizienten gelten nicht, wenn die Schale (Konfigurationen d, e, f) oder die Vorkammer (Konfigurationen b, c, d) mit dem Rohrboden verschraubt/abgedichtet ist.

d)

Durchmesserverhältnis K für Rohrboden und Koeffizient F: 

Durchmesserverhältnis K:

K = 

A Do

(13.4.4-6)

Koeffizient F:

F = F = F =

Konfiguration a: 1−ν * E*

(λ s + λc

+ E ln K )

(13.4.4-7)

Konfigurationen b und c: 1−ν * E*

(λs + E ln K )

(13.4.4-8)

Konfiguration d: 1−ν * E*

(E ln K )

(13.4.4-9)

199

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

F = e)

Konfigurationen e und f: 1−ν * E*

(λc

+ E ln K )

(13.4.4-10)

Flansch-Auslegungsbolzenlasten, die auf den abgedichteten Rohrboden wirken: 

Konfigurationen d2, e, f: W s ist aus Gleichung (11.5-16) von Abschnitt 11 zu berechnen.



Konfigurationen b, c, d2: W c ist aus Gleichung (11.5-16) von Abschnitt 11 zu berechnen.

Für Konfiguration d1 (Rohrboden nicht als Flansch ausgelegt) ist die Flansch-Auslegungsbolzenlast gegeben durch:

W max = max [(W s ); (W c )]

(13.4.4-11)

13.4.5 Auslegung des Rohrbodens 13.4.5.1 Ermittlung der maximalen Biegemomente im Rohrboden 13.4.5.1.1 Auf den nicht mit Rohrlöchern versehenen Rohrbodenrand wirkendes Moment M * 

Für Konfiguration a:

M * = M TS + MPc − MPs 

Für Konfiguration b:

M * = M TS − MPs − 

(13.4.5-2)

Wc (G1 − Gc ) 2 π Do

(13.4.5-3)

Für Konfiguration d:

-

Konfiguration d1:

M * = MTS + -

Wmax (Gc − Gs ) 2 π Do

(13.4.5-4)

Konfiguration d2:

M * = M TS +

200

Wc (C − Gc ) 2 π Do

Für Konfiguration c:

M * = MTS − MPs − 

(13.4.5-1)

Ws (C − Gs ) − Wc (C − Gc ) 2 π Do

(13.4.5-5)

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)



Für Konfiguration e:

M * = M TS + MPc + 

Ws (C − Gs ) 2 π Do

(13.4.5-6)

Für Konfiguration f:

M * = MTS + MPc +

Ws (G1 − Gs ) 2 π Do

(13.4.5-7)

13.4.5.1.2 Am Umfang des Rohrbodens wirkendes Moment M p

Mp =

M* −

Do2 F (Ps − Pt ) 32 1+ F

(13.4.5-8)

13.4.5.1.3 In der Mitte des Rohrbodens wirkendes Moment M 0

M0 = Mp +

(

)

Do2 3 + ν * (Ps − Pt ) 64

(13.4.5-9)

13.4.5.1.4 Am Rohrboden wirkendes maximales Biegemoment

(

M = max M p ; M 0

)

(13.4.5-10)

13.4.5.2 Biegespannung im Rohrboden a)

Die maximale radiale Biegespannung im Rohrboden wird wie folgt berechnet:

σ =

b)

6M

(

µ e − hg' *

)

2

(13.4.5-11)

In keinem der betrachteten Belastungsfälle darf die Biegespannung im Rohrboden σ einen Wert von 2 f überschreiten:

σ ≤ 2f

(13.4.5-12)

13.4.5.3 Schubspannung im Rohrboden a)

Die maximale Schubspannung im Rohrboden wird wie folgt berechnet:  1   Do     Ps − Pt τ =  4µ  e 

b)

(13.4.5-13)

In keinem der betrachteten Belastungsfälle darf die Schubspannung im Rohrboden τ einen Wert von 0,8 f überschreiten:

τ ≤ 0,8 f

(13.4.5-14)

201

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

13.4.6 Auslegung von Schale und Vorkammer an ihrer Verbindungsstelle mit dem Rohrboden Dieser Unterabschnitt betrifft nur die Konfigurationen a, b, c, e, f: 13.4.6.1 Ermittlung der Spannungen in der Schale (Konfigurationen a, b, c) Die Schale muss eine konstante Dicke e s auf einer minimalen Länge l s in einem an den Rohrboden angrenzenden Bereich aufweisen, die wie folgt berechnet wird:

l s = 1,4 a)

D s2 Ps 4 e s (Ds + e s )

(13.4.6-2)

Die axiale Biegespannung wie folgt berechnet:

σ s, b =

c)

(13.4.6-1)

Die axiale Membranspannung wie folgt berechnet:

σ s, m = b)

(Ds + e s ) e s

  Do2 1 − ν * Do  2   '   ( ) k β P + 3 ⋅ β + M + P − P   s s s s p s t  E * e2  e   32  e s2  6

(13.4.6-3)

Die Vergleichsspannung in der Schale an ihrer Verbindungsstelle mit dem Rohrboden wird wie folgt berechnet:

[

σ s, eq = max σ s, m − σ s, b + Ps ; σ s, m + σ s, b

]

(13.4.6-4)

13.4.6.2 Ermittlung der Spannungen in der Vorkammer (Konfigurationen a, e, f) Die Vorkammer muss eine konstante Dicke e c auf einer minimalen Länge l c in einem an den Rohrboden angrenzenden Bereich aufweisen, die wie folgt berechnet wird:

l c = 1,4 a)

Dc2 Pt 4 e c (Dc + e c )

(13.4.6-6)

  Do2 1 − ν * Do  2   '  ( k P β − 3 ⋅ β + M + Ps − Pt )   c c t c p 2 * 2  e   32  ec E e   6

(13.4.6-7)

Die Vergleichsspannung in der Vorkammer an ihrer Verbindungsstelle mit dem Rohrboden wird wie folgt berechnet:

[

σ c, eq = max σ c, m − σ c, b + Pt ; σ c, m + σ c, b

202

(13.4.6-5)

Die axiale Biegespannung wie folgt berechnet:

σ c, b =

c)

+ ec ) e c

Die axiale Membranspannung wie folgt berechnet:

σ c, m = b)

(Dc

]

(13.4.6-8)

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

13.4.6.3 Prüfung der Vergleichsspannungen von Schale und Vorkammer a)

Für alle Belastungsfälle bei normalem Betrieb müssen σ s, eq und σ c, eq den folgenden Bedingungen genügen: 

Für die Konfigurationen a, b, c:

σ s, eq ≤ 1,5 f s 

(13.4.6-9)

Für die Konfigurationen a, e, f:

σ c, eq ≤ 1,5 f c b)

(13.4.6-10)

Falls σ s, eq > 1,5 f s (Konfigurationen a, b, c) oder σ c, eq > 1,5 f c (Konfigurationen a, e, f), muss die Auslegung neu berechnet werden. Dazu kann nach einer der folgenden 3 Optionen oder nach einer Kombination derselben vorgegangen werden: Option 1: Die angenommene Rohrbodendicke e erhöhen und die Schale und/oder die Vorkammer gemäß 13.4.6 neu auslegen. Die relevanten Koeffizienten von 13.4.4.3, welche von e abhängen, müssen ggf. neu berechnet werden. Option 2: Die Wanddicke der angeschweißten Schale und/oder Vorkammer wie folgt erhöhen:  Konfigurationen a, b, c: falls σ s > 1.5 f s , die Schalendicke e s erhöhen;  Konfigurationen a, e, f: falls σ c > 1.5 f c , die Schalendicke e c erhöhen. Den Rohrboden nach 13.4.5 und die Schale und/oder Vorkammer nach 13.4.6 neu berechnen. Die relevanten Koeffizienten von 13.4.4.3, welche von e s , Ds und/oder e c , Dc abhängen, müssen ggf. neu berechnet werden. Option 3: Diese Option kann nur verwendet werden, wenn gilt:  

σ s ≤ 3 f s (Konfigurationen a, b, c). σ c ≤ 3 f c (Konfigurationen a, e, f).

Eine vereinfachte elastisch-plastische Berechnung durch Verwendung eines verringerten E-Moduls für die angeschweißte Schale und/oder Vorkammer durchführen, zur Darstellung der erwarteten Lastverschiebung aufgrund des plastischen Verhaltens an der Verbindung zwischen Schale und/oder Vorkammer und Rohrboden. Hieraus kann ggf. eine höhere Rohrboden-Biegespannung σ resultieren. Ersetzen: 

Es durch Es

1,5 f s ' und k s , λs , Ps und M Ps neu berechnen (Konfigurationen a, b, c). σ s, eq



E c durch E c

1,5 f c ' und k c , λ c , Pt und M Pc neu berechnen (Konfigurationen a, e, f). σ c, eq

Die Rohrboden-Biegespannung σ nach 13.4.5.2 neu berechnen. 

Falls σ ≤ 2 f : Die angenommene Rohrbodendicke e ist annehmbar, und die Auslegung ist abgeschlossen.

203

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)



Falls σ > 2 f : Die angenommene Rohrbodendicke ist nicht annehmbar, und die Auslegung muss unter Verwendung von Option 1 oder 2 neu berechnet werden.

13.4.7 Behandlung von Konfigurationen mit durchgehender Dichtung 13.4.7.1 Geltungsbereich Dieser Unterabschnitt gilt für die folgenden Konfigurationen, bei denen der Rohrboden schalenseitig und/oder vorkammerseitig mit einer durchgehenden Dichtung abgedichtet ist (siehe Bild 13.4.7-1):   

Konfiguration b': Rohrboden mit der Schale verschweißt und vorkammerseitig abgedichtet. Konfiguration d': Rohrboden schalenseitig und vorkammerseitig abgedichtet. Konfiguration e': Rohrboden schalenseitig abgedichtet und mit der Vorkammer verschweißt.

(1)

(2)

Konfiguration b'

(1)

(2)

(1)

Konfiguration d'

(2)

Konfiguration e'

(1) Vorkammer (2) Schale Bild 13.4.7-1  Rohrboden als Flansch ausgebildet, mit einer durchgehenden Dichtung (Konfigurationen b', d', e') Konfiguration d' umfasst die Fälle, in denen der Rohrboden (siehe Bild 13.4.7-2): 

nicht als Flansch ausgebildet ist (Konfiguration d 1' ).



als Flansch ausgebildet ist (Konfiguration d 2' ).

a) Rohrboden nicht als Flansch ausgebildet (Konfiguration d1' )

b) Rohrboden als Flansch ausgebildet (Konfiguration d '2 )

Bild 13.4.7-2  Verschiedene Typen von Konfiguration d'

204

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

13.4.7.2 Bedingungen für die Anwendbarkeit Es gelten die in 13.4.2 angegebenen Bedingungen für die Anwendbarkeit, wobei die unter Verwendung einer Dichtung am Rohrboden befestigte Schale und/oder Vorkammer als mit dem Rohrboden verschweißt betrachtet wird. 13.4.7.3 Auslegungsregel Die Auslegung ist nach 13.4.4 bis 13.4.6 vorzunehmen, mit den folgenden Änderungen: a)

Die Schale ist, wenn sie mittels Dichtung mit dem Rohrboden verbunden ist (Konfigurationen d', e'), als mit dem Rohrboden verschweißt zu betrachten, wobei für k s folgender Wert zu verwenden ist:

ks = b)

3 1 β s E s es ⋅ 2 6 1 - ν s2

(

)

(13.4.7-1)

Die Vorkammer ist, wenn sie mittels Dichtung mit dem Rohrboden verbunden ist (Konfigurationen b', d'), als mit dem Rohrboden verschweißt zu betrachten, wobei für k c folgender Wert zu verwenden ist:

kc =

3 1 β c E c ec ⋅ 2 6 1 - ν c2

(

)

(13.4.7-2)

13.5 Festkopf-Wärmeaustauscher 13.5.1 Geltungsbereich a)

Dieser Abschnitt enthält Regeln für die Konstruktion von Festkopf-Wärmeaustauschern, bei denen zwei Rohrböden an der Schale und an der Vorkammer befestigt sind und durch ein Bündel gerader Rohre miteinander verbunden sind, wie in Bild 13.5.1-1 dargestellt. Die Schale kann mit einem Kompensator ausgestattet sein. (1)

Ps

Pt

Pt Ds

e Dc dt

ec

es

L Lt

(1) Konfigurationen a, b, c oder d (siehe Abbildung 13.5.1-2) Bild 13.5.1-1  Typischer Festkopf-Wärmeaustauscher

205

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

b)

Die Rohrböden können eine der vier in Bild 13.5.1-2 dargestellten Konfigurationen aufweisen:    

c)

Konfiguration a: Mit Schale und Vorkammer verschweißter Rohrboden. Konfiguration b: Mit der Schale verschweißter und vorkammerseitig abgedichteter Rohrboden, als Flansch ausgelegt. Konfiguration c: Mit der Schale verschweißter und vorkammerseitig abgedichteter Rohrboden, nicht als Flansch ausgelegt. Konfiguration d: Schalenseitig und vorkammerseitig abgedichteter Rohrboden, nicht als Flansch ausgelegt.

Die Unterabschnitte 13.5.2 bis 13.5.9 betreffen die Konfiguration a (bei welcher der Rohrboden verschweißt ist) und die Konfigurationen b, c und d, bei denen der mittels Dichtung befestigte Rohrboden mit einer schmalen Dichtung versehen ist. Im Unterabschnitt 13.5.10 wird dargelegt, wie diese Regeln für die Konfigurationen b' und d' anzuwenden sind, bei denen der mittels Dichtung befestigte Rohrboden mit einer durchgehenden Dichtung versehen ist. Der Unterabschnitt 13.5.9 ermöglicht es, Schalen zu betrachten, die in dem an den Rohrboden angrenzenden Bereich eine andere Dicke oder einen anderen Werkstoff aufweisen, wenn sie mit dem Rohrboden verschweißt sind (Konfigurationen a, b, c).

a) Konfiguration a Mit Schale und Vorkammer verschweißter Rohrboden

b) Konfiguration b Mit der Schale verschweißter und vorkammerseitig abgedichteter Rohrboden, als Flansch ausgelegt

c) Konfiguration c Mit der Schale verschweißter und vorkammerseitig abgedichteter Rohrboden, nicht als Flansch ausgelegt

d) Konfiguration d Schalenseitig und vorkammerseitig abgedichteter Rohrboden, nicht als Flansch ausgelegt

Bild 13.5.1-2  Konfigurationen von Rohrböden von Festkopf-Wärmeaustauschern

206

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

13.5.2 Bedingungen für die Anwendbarkeit 13.5.2.1 Rohrböden Die Rohrböden müssen die folgenden Anwendbarkeitsbedingungen erfüllen: a)

Die zwei Rohrböden müssen eben, kreisrund und identisch sein (d.h. dieselbe konstante Dicke und dieselbe Verbindung mit Schale und Vorkammer aufweisen und aus demselben Werkstoff bestehen).

b)

Eine örtlich begrenzte Verringerung der Dicke am Umfang des Rohrbodens für eine Dichtungsnut oder eine Entlastungsnut ist zulässig, sofern die verbleibende Berechnungswanddicke e a,p mindestens das 0,8fache der Berechnungswanddicke e a des Rohrbodens beträgt (siehe Bild 13.5.2-1):

e a,p ≥ 0,8 e a

(13.5.2-1)

ea,p

ea

a) Konfiguration a

ea,p ea

b) Konfiguration b

ea,p ea

ea,p ea

c) Konfiguration d

d) Konfiguration c

Bild 13.5.2-1  Örtlich begrenzte Dickenverringerung am Umfang des Rohrbodens c)

Wenn der Rohrboden als Flansch ausgebildet ist, muss die Dicke der Flanschverlängerung berechnet werden nach: — —

13.10, wenn die Dichtung schmal ist (Konfiguration b), 13.11, wenn die Dichtung durchgehend ist (Konfiguration b').

207

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

d)

Sofern keine zufriedenstellenden Erfahrungen mit dünneren Rohrböden nachgewiesen werden können, müssen folgende Bedingungen erfüllt sein, wenn die Rohre in den Rohrboden hinein verlängert werden: — Für d t ≤ 25 mm:

e a ≥ 0,75 d t

(13.5.2-2)

— Für 25 mm ≤ d t ≤ 30 mm:

e a ≥ 22 mm

(13.5.2-3)

— Für 30 mm ≤ d t ≤ 40 mm:

e a ≥ 25 mm

(13.5.2-4)

— Für 40 mm ≤ d t ≤ 50 mm:

e a ≥ 30 mm

(13.5.2-5)

Der Rohrboden muss auf einer kreisförmigen Fläche vom Durchmesser Do gleichmäßig mit Rohrlöchern versehen sein, und zwar so, dass die Mittelpunkte benachbarter Rohrlöcher gleichseitige Dreiecke oder Quadrate bilden. Unberohrte Reihen für Trennwände sind jedoch zulässig, wenn der Abstand UL zwischen zwei benachbarten Rohrreihen (siehe Bild 13.7.2-1) die folgende Bedingung erfüllt:

e)

UL ≤ 4 p

(13.5.2-6)

Dabei ist p die Rohrteilung. f)

Ein nicht mit Rohrlöchern versehener Kreisring ist zulässig, wenn folgende Bedingung erfüllt ist:

Do ≥ 0,85 D e

(13.5.2-7)

13.5.2.2 Rohre a)

Die Rohre müssen gerade und identisch sein (d. h. dieselbe konstante Wanddicke und denselben Durchmesser aufweisen und aus demselben Werkstoff bestehen).

b)

Sie müssen starr mit den Rohrböden verbunden sein.

13.5.2.3 Schale a)

Die Schale muss zylindrisch sein, eine konstante Wanddicke und einen konstanten Durchmesser aufweisen. Wenn sie jedoch mit den Rohrböden verschweißt ist (Konfigurationen a, b, c), kann die Wanddicke der Schale in dem an die Rohrböden angrenzenden Bereich erhöht werden, wie in Bild 13.5.9-1 dargestellt. Die Schale muss eine Dicke e s auf einer minimalen Länge l s in einem an den Rohrboden angrenzenden Bereich aufweisen, die wie folgt berechnet wird:

l s = 1,4 b)

(Ds + e s ) ⋅ e s

Die Schale kann mit einem Kompensator ausgestattet sein, sofern sich die Enden des Kompensators in

einem Abstand von den Rohrböden befinden, der mindestens gleich 1,4

208

(13.5.2-8)

(Ds + e s ) ⋅ e s

ist.

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

13.5.2.4 Vorkammer a)

Die Innendurchmesser D s und Dc der Schale bzw. der Vorkammer müssen folgende Bedingung erfüllen: 

für die Konfiguration a:

0,9 Ds ≤ Dc ≤ 11 , Ds 

für die Konfigurationen b und c:

0,9 D s ≤ Gc ≤ 1,2 D s 

(13.5.2-10)

für die Konfiguration d:

0,9 G s ≤ Gc ≤ 1,1G s b)

(13.5.2-9)

(13.5.2-11)

Wenn die Vorkammern mit den Rohrböden verschweißt sind (Konfiguration a), müssen sie zylindrisch sein und eine konstante Dicke e c auf einer minimalen Länge l c in einem an die Rohrböden angrenzenden Bereich aufweisen, die wie folgt berechnet wird:

l c = 1,4

(Dc

+ ec ) ⋅ ec

(13.5.2-12)

13.5.2.5 Belastung Dieser Abschnitt betrifft Wärmeaustauscher, auf welche einwirken:  

Ein rohrseitiger Druck Pt und ein schalenseitiger Druck Ps , die als gleichförmig in jedem Kreis angenommen werden. Belastungen, die durch die Wärmeausdehnung γ hervorgerufen werden.

Andere Belastungen, wie etwa Eigengewicht oder Druckabfall, werden nicht berücksichtigt. 13.5.3 Symbole

Dc

Innendurchmesser der Vorkammer (siehe Bild 13.5.1-1);

De

Effektiver Rohrbodendurchmesser gemäß den Gleichungen (13.5.4-1) bis (13.5.4-4);

DJ

Balgwelleninnendurchmesser des Kompensators (siehe Bild 13.5.3-1);

Ds

Innendurchmesser der Schale (siehe Bild 13.5.1-1);

Do

Äquivalenter Durchmesser des äußeren Rohrbegrenzungskreises gemäß Gleichung (13.7.5-1);

D*

Äquivalente Biegesteifigkeit des Rohrbodens gemäß Gleichung (13.7.9-1);

dt

Nennaußendurchmesser der Rohre (siehe Bild 13.7.2-2);

209

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

E

E-Modul des Rohrbodenwerkstoffs bei Auslegungstemperatur;

Ec

E-Modul des Vorkammerwerkstoffs bei Auslegungstemperatur;

Es

E-Modul des Schalenwerkstoffs bei Auslegungstemperatur;

Et

E-Modul des Rohrwerkstoffs bei Auslegungstemperatur;

E*

Effektiver E-Modul des Rohrbodens bei Auslegungstemperatur (siehe 13.7);

e

Dicke des Rohrbodens (siehe Bild 13.7.2-2);

ec

Wanddicke der Vorkammer (siehe Bild 13.5.1-1);

es

Wanddicke der Schale (siehe Bild 13.5.1-1);

et

Nennwanddicke der Rohre (siehe Bild 13.7.2-2);

Fi

Koeffizient, der für verschiedene Werte von Z jeweils als Funktion von X gegeben ist (siehe Bilder 13.5.6-1 und 2);

Fq

Koeffizient, der für verschiedene Werte von Z jeweils als Funktion von X gegeben ist (siehe Bilder 13.5.4-1 und 2);

f

Berechnungsnennspannung des Rohrbodenwerkstoffs bei Auslegungstemperatur;

fc

Berechnungsnennspannung des Vorkammerwerkstoffs bei Auslegungstemperatur;

fs

Berechnungsnennspannung des Schalenwerkstoffs bei Auslegungstemperatur;

ft

Berechnungsnennspannung des Rohrwerkstoffs bei Auslegungstemperatur;

f t,bk

Maximal zulässige Knickspannung der Rohre;

f t, j

Maximal zulässige Spannung der Verbindung Rohr/Rohrboden;

Gc

Vorkammerseitiger Durchmesser der wirksamen Dichtungsfläche (siehe Abschnitt 11);

Gs

Schalenseitiger Durchmesser der wirksamen Dichtungsfläche (siehe Abschnitt 11);

H

Koeffizient, der für verschiedene Werte von Z jeweils als Funktion von X gegeben ist (siehe Bilder 13.5.5-1 und 2);

hg'

Effektive Tiefe der rohrseitigen Trennwandnut (siehe 13.7);

J

Verhältnis der Axialsteifigkeiten von Kompensator und Schale gemäß Gleichung (13.5.4-11) J = 1,0 falls kein Kompensator vorhanden ist;

210

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

KJ

Axialsteifigkeit des Kompensators (siehe Abschnitt 14);

Ks

Axialsteifigkeit der Schale gemäß Gleichung (13.5.4-8);

K s,t

Verhältnis der Axialsteifigkeiten von Schale und Rohrbündel gemäß Gleichung (13.5.4-9);

Kt

Axialsteifigkeit der Rohre gemäß Gleichung (13.5.4-7);

Kw

Modul der dem Rohrbündel äquivalenten elastischen Bettung gemäß Gleichung (13.5.4-10);

kc

Erforderliches Randmoment für das Verdrehen der Vorkammer um den Einheitswinkel gemäß Gleichung (13.5.4-15);

ks

Erforderliches Randmoment für das Verdrehen der Schale um den Einheitswinkel gemäß Gleichung (13.5.4-13);

L

Rohrlänge zwischen den Innenflächen der Rohrböden gemäß Gleichung (13.5.4-4);

Lt

Rohrlänge zwischen den Außenflächen der Rohrböden (siehe Abbildung 13.5.1-1);

Nt

Anzahl der Rohre;

Pe

Effektiver Druck am Rohrboden gemäß Gleichung (13.5.4-18);

Ps

Schalenseitiger Berechnungsdruck. Bei Unterdruck als negativ anzunehmen;

Pt

Rohrseitiger Berechnungsdruck. Bei Unterdruck als negativ anzunehmen;

t s,m

Mittlere Schalenwandtemperatur über die Schalenlänge, in °C;

t t,m

Mittlere Rohrwandtemperatur über die Rohrlänge, in °C;

wJ

Höhe des Kompensators (siehe Abschnitt 14);

X

Steifigkeitsbeiwert Rohrbündel/Rohrboden gemäß Gleichung (13.5.4-12);

xs

Schalenseitiger Rohrboden-Bohrbeiwert gemäß Gleichung (13.5.4-5);

xt

Rohrseitiger Rohrboden-Bohrbeiwert gemäß Gleichung (13.5.4-6);

Z

Beiwert für die Rohrboden-Randeinspannung durch Schale und Vorkammer gemäß Gleichung (13.5.4-17);

211

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

α s,m Mittlerer Wärmeausdehnungsbeiwert des Schalenwerkstoffs bei Temperatur t s,m ; α t,m Mittlerer Wärmeausdehnungsbeiwert des Rohrwerkstoffs bei Temperatur t t,m ; γ

Differenz der axialen Wärmeausdehnung zwischen Rohren und Schale gemäß Gleichung (13.5.4-19);

µ

Grundlegender Rohrlochsteg-Verschwächungsbeiwert (siehe 13.7);

µ*

Effektiver Rohrlochsteg-Verschwächungsbeiwert (siehe 13.7);

νc

Querkontraktionszahl des Vorkammerwerkstoffs;

νs

Querkontraktionszahl des Schalenwerkstoffs;

νt

Querkontraktionszahl des Rohrwerkstoffs;

ν*

Effektive Querkontraktionszahl der Rohrböden (siehe 13.7);

σ

Berechnete Spannung in einem Bauteil;

τ

Berechnete Schubspannung in einem Bauteil;

Indizes: b c eq J m p s t

Biegebeanspruchung; Vorkammer; äquivalent; Kompensator; Membran; Umfang; Schale; Rohre;

Für den Rohrboden wird kein Index verwendet.

13.5.4 Auslegungsüberlegungen 13.5.4.1 Lastzustände Es müssen alle zu erwartenden Lastzustände ermittelt werden, damit sichergestellt ist, dass die ungünstigste Lastkombination bei der Auslegung berücksichtigt wird. ANMERKUNG Es ist im allgemeinen nicht möglich, durch Beobachtung den mit der stärksten Beanspruchung verbundenen Zustand der gleichzeitigen Einwirkung der Drücke Pt und Ps und der Wärmeausdehnung γ zu ermitteln.

212

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

Zu den verschiedenen zu betrachtenden Lastzuständen gehören die normalen Betriebszustände, Anfahr- und Abfahrzustände, außergewöhnlichen Betriebszustände und Druckprüfzustände, welche für die Auslegung der Hauptbestandteile des Wärmeaustauschers (d. h. Rohrböden, Rohre, Schale, Vorkammer) bestimmend sein können. Für jeden dieser Zustände müssen die folgenden Belastungsfälle betrachtet werden, um den in den Berechnungsformeln zu verwendenden effektiven Druck Pe zu bestimmen: 

Belastungsfall 1 : Es wirkt nur der rohrseitige Druck Pt (Ps = 0) , keine Wärmeausdehnung (γ = 0) .



Belastungsfall 2 : Es wirkt nur der schalenseitige Druck Ps (Pt = 0) , keine Wärmeausdehnung (γ = 0) .



Belastungsfall 3: Der rohrseitige Druck Pt und der schalenseitige Druck Ps wirken gleichzeitig, keine



Belastungsfall 4: Es wirkt nur die Wärmeausdehnung γ



Belastungsfall 5: Es wirkt nur der rohrseitige Druck Pt (Ps = 0) , mit Wärmeausdehnung γ .

Wärmeausdehnung (γ = 0) .

(Pt

= 0, Ps = 0) .



Belastungsfall 6: Es wirkt nur der schalenseitige Druck Ps (Pt = 0) , mit Wärmeausdehnung γ .



Belastungsfall 7: Der rohrseitige Druck Pt und der schalenseitige Druck Ps wirken gleichzeitig, mit Wärmeausdehnung γ .

Können die Belastungsfälle 1, 2, 5 und 6 während des Betriebs nicht eintreten, können für die Auslegung ausschließlich die Belastungsfälle 3, 4 und 7 zugrunde gelegt werden. Für die Druckprüfung müssen nur die Belastungsfälle mit γ = 0 untersucht werden (Fälle 1, 2 und 3). Nähere Angaben zu den zu betrachtenden Belastungsfällen sind in Anhang I enthalten. 13.5.4.2 Auslegungsbedingungen a)

Die Auslegung ist für den korrodierten Zustand vorzunehmen, außer für die Rohre, für die der Nennaußendurchmesser d t und die Nennwanddicke e t zu verwenden sind.

b)

Da das Berechnungsverfahren iterativ ist, muss ein Wert e für die Rohrbodendicke angenommen werden, um zu berechnen und zu prüfen, dass die maximalen Spannungen in Rohrböden, Rohren, Schale und Vorkammer die maximal zulässigen Spannungen nicht übersteigen. Es sind zwei Fälle möglich:  

Liegt die berechnete Spannung des Bauteils innerhalb der zulässigen Grenzen, können die Berechnungen unter Verwendung einer geringeren Dicke des Bauteils wiederholt werden, bis die berechnete Spannung gleich der zulässigen Spannung ist, um auf diese Weise die erforderliche Mindestdicke zu erhalten. Übersteigt die berechnete Spannung des Bauteils den zulässigen Wert, müssen die Berechnungen mit einer höheren Dicke des Bauteils (oder nach Änderung anderer Parameter) wiederholt werden, solange, bis die berechnete Spannung innerhalb der zulässigen Grenzen liegt.

Sind die Rohrböden mit der Schale verschweißt (Konfigurationen a, b und c), besteht eine andere Lösung darin, die Dicke des an den Rohrboden angrenzenden Schalenabschnitts zu erhöhen (siehe 13.5.9). ANMERKUNG Der Konstrukteur muss sich dessen bewusst sein, dass sich bei Erhöhen oder Vermindern der Dicke eines Bauteils nicht nur die Spannungen in diesem Bauteil ändern, sondern auch in anderen Bauteilen.

c)

Da jede Erhöhung der Rohrbodendicke zu Überbeanspruchungen in Rohren, Schale oder Vorkammer führen kann, ist eine abschließende Überprüfung erforderlich, bei der in die Gleichungen die Berechnungswanddicken von Rohrböden, Rohren, Schale und Vorkammer eingesetzt werden.

213

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

13.5.4.3 Bestimmung von Zwischenwerten a)

Effektive Elastizitätskonstanten des Rohrbodens. Nach 13.7 sind zu berechnen: 

der Durchmesser der mit Rohrlöchern versehenen Rohrbodenfläche Do



der grundlegende Rohrlochsteg-Verschwächungsbeiwert µ



der effektive Rohrlochsteg-Verschwächungsbeiwert µ *

 

der effektiver E-Modul E * die Querkontraktionszahl ν *

Die Werte von µ * , E * , ν * sind für die angenommene Rohrbodendicke e zu bestimmen. b)

Effektiver Rohrbodendurchmesser 

Für Konfiguration a:

De = 

Ds + Gc 2

(13.5.4-2)

Für Konfiguration d:

De = c)

(13.5.4-1)

Für die Konfigurationen b und c:

De = 

Ds + Dc 2

G s + Gc 2

(13.5.4-3)

Effektive Rohrlänge:

L = Lt − 2 e d)

(13.5.4-4)

Rohrboden-Bohrbeiwerte: d x s = 1 − N t ⋅  t  De

   

2

 d − 2 et x t = 1 − N t ⋅  t  De e)

   

2

(13.5.4-6)

Axialsteifigkeiten:

Kt =

Ks =

214

(13.5.4-5)

π e t ⋅ (d t − e t ) ⋅ E t L π e s ⋅ (Ds + e s ) ⋅ E s L

(13.5.4-7)

(13.5.4-8)

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

K s,t =

Kw =

J =

f)

Ks Nt K t 8 Nt ⋅ K t

(13.5.4-10)

π De2

1 K 1+ s KJ

(13.5.4-11)

Steifigkeitsverhältnis Rohrbündel/Rohrboden: K X =  w* D

g)

(13.5.4-9)

  

0,25

⋅

De 2

(13.5.4-12)

Biegesteifigkeiten 

Für die Schale:

ks =

-

Konfigurationen a, b, c: 2 E s ⋅ (e s )

[12 (1 − )] ν 2s

0,75

2,5

⋅ (Ds + e s )

(13.5.4-13) 0,5

Konfiguration d:

ks = 0 

(13.5.4-14)

Für die Vorkammer:

kc =

-

Konfiguration a: 2 E c ⋅ (e c )

[12 (1 − )] ν 2c

0,75

2,5

⋅ (Dc + e c )

(13.5.4-15) 0,5

Konfigurationen b, c, d:

kc = 0 h)

(13.5.4-16)

Beiwert für die Rohrboden-Randeinspannung durch Schale und Vorkammer:

Z =

ks + kc

(K w )

ANMERKUNG

0,25

( )

⋅ D*

0,75

(13.5.4-17)

Für kleine Werte von Z (nahe bei 0) : Der Rohrboden ist im wesentlichen als frei aufliegend zu betrachten. Für große Werte von Z (größer als 5) : Der Rohrboden ist im wesentlichen als eingespannt zu betrachten.

215

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

13.5.4.4 Effektiver Druck Pe Der effektive Druck, der die Drücke Pt und Ps und die Wärmeausdehnung berücksichtigt, wird wie folgt berechnet:

Pe =

−

+

J ⋅ K s,t 1 + J ⋅ K s,t ⋅ Fq

J ⋅ K s,t 1 + J ⋅ K s,t ⋅ Fq

J ⋅ K s,t 1 + J ⋅ K s,t ⋅ Fq

 (D + 2 w J )2 − Ds2  2ν s 1− J − ⋅ J  x s + 2 ν t ⋅ (1 − x s ) +  ⋅ Ps K s,t 2 J ⋅ K s,t D s2     1  x t + 2 ν t ⋅ (1 − x t ) +  ⋅ Pt J ⋅ K s,t    Kw   2  ⋅γ  

(13.5.4-18)

Dabei ist:

[

(

)

(

γ = α t,m ⋅ t t,m − 20° C − α s,m ⋅ t s,m − 20° C

) ]⋅ L

(13.5.4-19)

13.5.5 Auslegung des Rohrbodens 13.5.5.1 Biegespannung a)

Die maximale radiale Biegespannung im Rohrboden wird wie folgt berechnet:  1,5 Fm σ =  µ* 

Fm =

1 6H

  De ⋅   e − h' g  

2

  ⋅P e  

(13.5.5-1)

(13.5.5-2)

ANMERKUNG Die Mindestbiegespannung im Rohrboden wird erhalten, wenn der Wert von Z nahe bei 0,52 liegt. Dieser Wert kann durch Verändern der Dicke des an den Rohrboden angrenzenden Schalen- oder Vorkammerabschnitts erreicht werden (siehe 13.5.9).

216

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

b)

Die berechnete Spannung σ muss wie folgt mit der zulässigen Spannung verglichen werden.

b1) Wenn der Rohrboden als Flansch ausgebildet ist (Konfiguration b): 

In keinem der betrachteten Belastungsfälle darf die Rohrbodenspannung σ, die ausschließlich durch die Drücke ( Pt und Ps ) hervorgerufen wird (d. h. γ = 0 bei der Berechnung von Pe ), den Wert 1,5 f übersteigen:

, f σ ≤ 15 

(13.5.5-3)

In keinem der betrachteten Belastungsfälle bei Normalbetrieb darf die Rohrbodenspannung σ, die durch die gleichzeitige Einwirkung der Drücke ( Pt und Ps ) und der Wärmeausdehnung (γ ) hervorgerufen wird, den Wert 2,25 f übersteigen:

σ ≤ 2,25 f

(13.5.5-4)

Die Dicke der Flanschverlängerung ist zu berechnen nach:

-

13.10, wenn die Dichtung schmal ist, 13.11, wenn die Dichtung durchgehend ist.

b2) Wenn der Rohrboden nicht als Flansch ausgebildet ist (Konfigurationen a, c und d): 

In keinem der betrachteten Belastungsfälle darf die Rohrbodenspannung σ, die ausschließlich durch die Drücke ( Pt und Ps ) hervorgerufen wird (d. h. γ = 0 bei der Berechnung von Pe ), den Wert 2 f übersteigen:

σ ≤2f 

(13.5.5-5)

In keinem der betrachteten Belastungsfälle bei Normalbetrieb darf die Rohrbodenspannung σ, die durch die gleichzeitige Einwirkung der Drücke ( Pt und Ps ) und der Wärmeausdehnung (γ ) hervorgerufen wird, den Wert 3 f übersteigen:

σ ≤3 f c)

(13.5.5-6)

Sind die vorstehenden Bedingungen nicht erfüllt, ist die Berechnung mit einem höheren Wert für die Rohrbodendicke e zu wiederholen. Ist der Rohrboden mit Schale oder Vorkammer verschweißt (Konfigurationen a, b und c), so kann, wie in 13.5.9 dargelegt, auch die Dicke dieser beiden Teile im an den Rohrboden angrenzenden Bereich erhöht werden; dies gilt insbesondere, wenn Z nahe bei 0,5 liegt.

13.5.5.2 Schubspannung a)

Die maximale Schubspannung im Rohrboden wird wie folgt berechnet:  1   Do  ⋅  τ =   4µ   e

b)

  ⋅ Pe 

(13.5.5-7)

In keinem der betrachteten Belastungsfälle darf die Schubspannung τ einen Wert von 0,8 f überschreiten:

τ ≤ 0,8 f

(13.5.5-8)

217

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

13.5.6 Auslegung der Rohre 13.5.6.1 Axiale Membranspannung a)

Die maximale axiale Spannung in den Rohren wird wie folgt berechnet: 

Für die äußerste Rohrreihe:

σ t,o = 

c)

[ (P

s

⋅ x s − Pt ⋅ x t ) - Pe ⋅ Fq

]

(13.5.6-1)

Für die inneren Rohrreihen:

σ t,i = b)

1 x t − xs

1 x t − xs

[ (Ps ⋅ x s − Pt ⋅ x t ) - Pe ⋅ Fi ]

(13.5.6-2)

In keinem der betrachteten Belastungsfälle darf der absolute Wert dieser Spannungen die höchstzulässige Spannung f t,j der Verbindung von Rohren und Rohrboden überschreiten, die in 13.8 festgelegt ist:

σ t,o ≤ f t,j

(13.5.6-3)

σ t,i ≤ f t, j

(13.5.6-4)

In keinem der Belastungsfälle, in denen σ t,o oder σ t,i negativ ist (Rohre auf Druck beansprucht), darf der absolute Wert dieser Spannungen die höchstzulässige Knickspannung ft,bk der Rohre überschreiten, die in 13.9 festgelegt ist:

σ t,o ≤ f t,bk

(13.5.6-5)

σ t,i ≤ f t,bk

(13.5.6-6)

13.5.6.2 Vergleichsspannung a)

Die maximale Vergleichsspannung in den Rohren wird wie folgt berechnet:

[

σ t,eq = max σ t,i − σ t,θ ; σ t,i − σ t,r ; σ t,θ − σ t,r ; σ t,o − σ t,θ ; σ t,o − σ t,r

]

(13.5.6-7)

Dabei ist:

σ t,θ die mittlere Umfangsspannung in den Rohren: σ t,θ =

218

Pt (d t − 2e t ) − Ps ⋅ d t 2 et

(13.5.6-8)

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

σ t,r die mittlere Radialspannung in den Rohren: σ t,r = − b)

Pt + Ps 2

(13.5.6-9)

In keinem der betrachteten Belastungsfälle darf die Vergleichsspannung σ t,eq , die ausschließlich durch die Drücke

Pt und Ps hervorgerufen wird (d. h. γ = 0 bei der Berechnung von Pe ), den Wert ft übersteigen:

σ t,eq ≤ f t 

(13.5.6-10)

In keinem der Belastungsfälle mit γ ≠ 0 darf die Vergleichsspannung σ t,eq den Wert 1,5 f t übersteigen:

σ t,eq ≤ 1,5 f t

(13.5.6-11)

13.5.7 Auslegung der Schale 13.5.7.1 Auslegung der Schale in größerem Abstand von den Rohrböden 13.5.7.1.1 Axiale Membranspannung a)

Die axiale Membranspannung in der Schale wird wie folgt berechnet:

σ s,m = b)

D s2 ⋅ (Pt + Pe ) 4 e s (Ds + e s )

(13.5.7-1)

In keinem der Belastungsfälle, in denen σ s,m negativ ist (Schale auf Druck beansprucht), darf der absolute Betrag die zulässige Knickspannung der Schale fs,bk übersteigen

σ s,m ≤ fs,bk

(13.5.7-2)

Dabei ist:

f s,bk = K ⋅

es ⋅ Es

(

4 Ds + e s

Dabei gilt: K = 1,0

)

(13.5.7-3)

für normale Betriebszustände.

K = 1,35 für außergewöhnliche Betriebszustände und Druckprüfzustände.

219

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

13.5.7.1.2 Vergleichsspannung a)

Die maximale Vergleichsspannung wird wie folgt berechnet:

σ s,eq = max

(σ

s,m

− σ s,θ ; σ s,m − σ s,r ; σ s,θ − σ s,r

)

(13.5.7-4)

Dabei ist: σ s,θ die mittlere Umfangsspannung in der Schale:

σ s,θ =

Ps ⋅ Ds 2 es

(13.5.7-5)

σ s,r die mittlere Radialspannung in der Schale: σ s,r = − b)

Ps 2

(13.5.7-6)

In keinem der betrachteten Belastungsfälle darf die Vergleichsspannung σ s,eq , die ausschließlich durch die Drücke

Pt und Ps hervorgerufen wird (d. h. γ = 0 bei der Berechnung von Pe ), den Wert fs übersteigen:

σ s,eq ≤ f s c)

(13.5.7-7)

In keinem der Belastungsfälle mit γ ≠ 0 darf σ s,eq den Wert 1,5 fs übersteigen:

σ s,eq ≤ 1,5 f s

(13.5.7-8)

13.5.7.2 Auslegung der Schale an ihrer Verbindung mit den Rohrböden Dieser Unterabschnitt betrifft nur die Konfigurationen, bei denen die Schale mit den Rohrböden verschweißt ist (Konfigurationen a, b, c). 13.5.7.2.1 Axiale Biegespannung Die maximale axiale Biegespannung in der Schale an der Verbindung zum Rohrboden wird wie folgt berechnet:

σ s,b =

ks 1 ⋅ k s + k c I1

 D ⋅  e  2 es

2

  ⋅ Pe  

(13.5.7-9)

Dabei ist:  2 1− ν*       I1 = H ∞   ⋅ Fq, ∞  +  1 −   X ⋅ Z     X ⋅ Z

(13.5.7-10)

Hierbei sind H ∞ und Fq,∞ die Werte der Koeffizienten H und Fq für Z = ∞ (siehe Bilder 13.5.5-1 und 13.5.4-1).

220

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

13.5.7.2.2 Vergleichsspannung a)

Die maximale Vergleichsspannung in der Schale an der Verbindung zu den Rohrböden wird wie folgt berechnet:

σ s,eq,1 = max

(σ

s,m

)

− σ s,b + Ps ; σ s,m + σ s,b

(13.5.7-11)

Dabei ist σ s, m gemäß der Gleichung (13.5.7.-1) zu berechnen. b)

In keinem der betrachteten Belastungsfälle im Normalbetrieb darf σ s,eq,1 den Wert 3 fs übersteigen:

σ s,eq,1 ≤ 3 f s

(13.5.7-12)

ANMERKUNG Wird diese Bedingung nicht erfüllt, kann, wie in 13.5.9 dargelegt, die Dicke des an die Rohrböden angrenzenden Schalenabschnitts erhöht werden.

13.5.8 Auslegung der Vorkammer an ihrer Verbindung mit dem Rohrboden Dieser Unterabschnitt betrifft nur die Konfiguration, bei welcher die Vorkammer mit dem Rohrboden verschweißt ist (Konfiguration a). 13.5.8.1 Axiale Membranspannung Die axiale Membranspannung in der Vorkammer wird wie folgt berechnet:

σ c,m =

Dc2 ⋅ Pt 4 e c (Dc + e c )

(13.5.8-1)

13.5.8.2 Axiale Biegespannung Die maximale axiale Biegespannung in der Vorkammer an der Verbindung zum Rohrboden wird wie folgt berechnet:

σ c,b =

kc 1 ⋅ k s + k c I1

 D ⋅  e  2 ec

2

  Pe  

(13.5.8-2)

Dabei ist II gemäß Gleichung (13.5.7-10) z berechnen. 13.5.8.3 Vergleichsspannung a)

Die maximale Vergleichsspannung in der Vorkammer an der Verbindung zum Rohrboden wird wie folgt berechnet:

σ c,eq,1 = max b)

(σ

c,m

+ σ c,b + Pt ; σ c,m − σ c,b

)

(13.5.8-3)

In keinem der betrachteten Belastungsfälle im Normalbetrieb darf σ c,eq,1 den Wert 3 fc übersteigen:

σ c,eq,1 ≤ 3 f c

(13.5.8-4)

221

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

13.5.9 Schale mit abweichender Wanddicke oder unterschiedlichem Werkstoff in dem an den Rohrboden angrenzenden Schalenabschnitt 13.5.9.1 Zweck In diesem Abschnitt wird die Anwendung der Regeln aus 13.5 für den Fall beschrieben, dass die an die Rohrböden angrenzenden Schalenabschnitte eine andere Wanddicke aufweisen bzw. aus einem anderen Werkstoff bestehen (siehe Bild 13.5.9-1). Zielsetzung dabei ist: 

die hinsichtlich der Spannungen geltenden Forderungen für Rohrboden, Schale oder Vorkammer zu erfüllen, wenn die Spannungen in diesen Bauteilen zu hoch sind;



die Rohrbodendicke zu verringern;



den Randeinspannungsbeiwert Z auf einen Wert von annähernd 0,52 zu bringen und damit die Biegespannung σ im Rohrboden zu minimieren. . Bei Ausführung iterativer Berechnungen mit Hilfe der Gleichungen in 13.5.5.1 führt dies zur optimalen Auslegung der Rohrbodendicke. ;



das Problem nicht kompatibler Werkstoffe von Schale und Rohrböden zu lösen.

13.5.9.2 Bedingungen für die Anwendbarkeit Dieser Abschnitt betrifft nur Konfigurationen, bei denen die Schale mit dem Rohrboden verschweißt ist (Konfigurationen a, b, c). Dieser Abschnitt ist zusätzlich zu den Abschnitten 13.5.1 bis 13.5.8 anzuwenden. Die an die Rohrböden angrenzenden Schalenabschnitte müssen denselben Durchmesser und dieselbe konstante Dicke aufweisen und aus demselben Werkstoff bestehen. Ihre Längen l 1 und l 1' , die unterschiedlich sein können, müssen mindestens betragen:

l s,1 = 1,4

(Ds + es,1 )⋅ es,1

(13.5.9-1) (2)

(1)

(1)

(1) Konfiguration a, b oder c (2) Anstieg < 1/3 Bild 13.5.9-1  Schale mit erhöhter Wanddicke im Bereich der Rohrböden

222

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

13.5.9.3 Zusätzliche Symbole Folgende Symbole gelten zusätzlich zu denen in 13.5.3.

E s,1

E-Modul des Schalenwerkstoffs im an die Rohrböden angrenzenden Bereich bei Auslegungstemperatur;

e s,1

Wanddicke der Schale im an die Rohrböden angrenzenden Bereich;

f s,1

Berechnungsnennspannung des Schalenwerkstoffs im an die Rohrböden angrenzenden Bereich;

l 1 , l '1

Längen der an die Rohrböden angrenzenden Schalenabschnitte mit Wanddicke e s,1 (siehe Abbildung 13.5.9-1);

K s*

Äquivalente axiale Steifigkeit der Schale gemäß Gleichung (13.5.9-2);

α s,m,1

Mittlerer Wärmeausdehnungsbeiwert des Schalenwerkstoffs im an die Rohrböden angrenzenden Bereich bei Temperatur t s,m ;

γ*

Differenz der axialen Wärmeausdehnung zwischen Rohren und Schale gemäß Gleichung (13.5.9-3);

13.5.9.4 Auslegungsberechnungen Die Berechnungen sind gemäß 13.5.4 bis 13.5.8 unter Berücksichtigung folgender Änderungen durchzuführen: a)

In der Gleichung (13.5.4-11) zur Berechnung von J und in der Gleichung (13.5.4-9) zur Berechnung von K s,t ist K s durch K s* zu ersetzen, wobei:

K s* =

b)

π (D s + e s )

(13.5.9-2)

L − l 1 - l 1' l +l' + 1 1 es ⋅ E s e s,1 ⋅ E s,1

In der Gleichung (13.5.4-13) zur Berechnung von k s ist zu ersetzen:  e s durch e s,1 ,  E s durch E s,1 .

c)

In der Gleichung (13.5.4-8) zur Berechnung von Pe ist γ durch γ * zu ersetzen, wobei:

[

(

)

(

γ * = (t t,m − 20°C )α t,m ⋅ L − (t s,m − 20°C ) α s,m L − l 1 − l 1' + α s,m,1 l 1 + l 1' d)

)]

(13.5.9-3)

In 13.5.7.2 ist e s durch e s,1 und f s durch f s,1 zu ersetzen.

223

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

13.5.10 Behandlung von Konfigurationen mit einer durchgehenden Dichtung 13.5.10.1 Geltungsbereich Dieser Unterabschnitt gilt für die folgenden Konfigurationen, bei denen der Rohrboden schalenseitig und/oder vorkammerseitig mittels einer durchgehenden Dichtung abgedichtet ist (siehe Bild 13.5.10-1):  

Konfiguration b': Rohrboden mit der Schale verschweißt und vorkammerseitig abgedichtet. Konfiguration d': Rohrboden schalenseitig und vorkammerseitig abgedichtet, nicht als Flansch ausgebildet.

Konfiguration b'

Konfiguration d'

Bild 13.5.10-1  Rohrboden mit durchgehender Dichtung (Konfigurationen b', d') 13.5.10.2 Bedingungen für die Anwendbarkeit Es gelten die in 13.5.2 genannten Bedingungen für die Anwendbarkeit, wobei die mittels Dichtung verbundene Schale oder Vorkammer als mit dem Rohrboden verschweißt betrachtet wird. 13.5.10.3 Auslegungsregel Die Auslegung ist nach 13.5.4 bis 13.5.8 vorzunehmen, mit den folgenden Änderungen in 13.5.4.3g: a)

Die Schale ist, wenn sie mittels Dichtung mit dem Rohrboden verbunden ist (Konfiguration d'), als mit dem Rohrboden verschweißt zu betrachten, wobei für k s folgender Wert zu verwenden ist:

ks =

b)

2 E s ⋅ e s2,5 1 2 12 1 − ν 2 0,75 (D + e )0,5 s s s

[ (

)]

Die Vorkammer ist, wenn sie mittels Dichtung mit dem Rohrboden verbunden ist (Konfigurationen b', d'), als mit dem Rohrboden verschweißt zu betrachten, wobei für k c folgender Wert zu verwenden ist:

kc =

2 E c ⋅ e c2,5 1 2 12 1 − ν 2 0,75 (D + e )0,5 c c c

[ (

)]

13.5.9 ist nicht anwendbar.

224

(13.5.10-1)

(13.5.10-2)

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

(1) ∞

(2)

(1) Für X ≥ 5 : (2) Für X ≤ 5 : siehe Bild 13.5.4-2

Bild 13.5.4-1  Kurven zur Bestimmung des Koeffizienten Fq für 0 ≤ X ≤ 20

225

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

Die Werte der Koeffizienten Fq für X < 5 sind in Tabelle 13.5.4-1 angegeben. Bild 13.5.4-2  Kurven zur Bestimmung des Koeffizienten Fq für 0 ≤ X ≤ 5

226

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05) (1) ∞

(2)

(1) Für X > 5 : (2) Für X < 5 :siehe Bild 13.5.5-2 Bild 13.5.5-1  Kurven zur Bestimmung des Koeffizienten H für 0 ≤ X ≤ 20

227

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

Die Werte der Koeffizienten H für X < 5 sind in Tabelle 13.5.5-1 angegeben Bild 13.5.5-2  Kurven zur Bestimmung des Koeffizienten H für 0 ≤ X ≤ 5

228

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 7 (2003-07) (1)

Fi = −α i ⋅ X − β i

∞

(2)

(1) Für X > 13 : (2) Für X ≤ 5 : siehe Bild 13.5.6-2 Die Werte der Koeffizienten Fi für X < 13 sind in Tabelle 13.5.4-1 angegeben Bild 13.5.6-1  Kurven zur Bestimmung des Koeffizienten Fi für 0 ≤ X ≤ 20 229

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

Die Werte der Koeffizienten Fi für X < 5 sind in Tabelle 13.5.6-1 angegeben Bild 13.5.6-2  Kurven zur Bestimmung des Koeffizienten Fi für 0 ≤ X ≤ 5

230

Tabelle 13.5.4-1  Werte für den Koeffizienten Fq für X < 5

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

∞

231

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

Tabelle 13.5.5-1  Werte für den Koeffizienten H für X < 5

∞

232

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05) Tabelle 13.5.6-1  Werte für den Koeffizienten Fi für X ≤ 13

233

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

13.6 Schwimmkopf-Wärmeaustauscher 13.6.1 Zweck a) Dieser Abschnitt enthält Regeln für die Konstruktion von Schwimmkopf-Wärmeaustauschern. Dieser Wärmeaustauschertyp hat zwei Rohrböden, die wie in Bild 13.6.1-1 gezeigt über ein Bündel aus gerade verlaufenden Rohren miteinander verbunden sind, davon:

 einen festen Rohrboden, der fest mit Schale und Vorkammer verbunden ist, und;  einen beweglichen Rohrboden, der mit einem Schwimmkopf-Deckel verbunden ist. Drei Bauarten von Wärmeaustauschern sind denkbar (siehe Bild 13.6.1-1):

 eingetauchter Schwimmkopf;  schalenseitig abgedichteter Schwimmkopf;  vorkammerseitig abgedichteter Schwimmkopf. Die Bauarten eingetaucht und schalenseitig abgedichtet werden in den Abschnitten 13.6.1b bis 13.6.9 behandelt. Die vorkammerseitig abgedichteten Schwimmköpfe sind in Abschnitt 13.5.10 behandelt. b) Der feste Rohrboden kann wahlweise eine der sechs in Bild 13.6.1-2 gezeigten Konfigurationen haben:  

Konfiguration a: Konfiguration b:



Konfiguration c:

- Konfiguration d: 

Konfiguration e:



Konfiguration f:

mit Schale und Vorkammer verschweißter Rohrboden; mit der Schale verschweißter und vorkammerseitig abgedichteter, zum Flansch ausgebildeter Rohrboden; mit der Schale verschweißter und vorkammerseitig abgedichteter, nicht zum Flansch ausgebildeter Rohrboden; schalenseitig und vorkammerseitig abgedichteter, nicht zum Flansch ausgebildeter Rohrboden; schalenseitig abgedichteter und mit der Vorkammer verschweißter, zum Flansch ausgebildeter Rohrboden; schalenseitig abgedichteter und mit der Vorkammer verschweißter, nicht zum Flansch ausgebildeter Rohrboden.

Der bewegliche Rohrboden kann wahlweise eine der drei in Bild 13.6.1-3 gezeigten Konfigurationen haben:   

Konfiguration A: Konfiguration B: Konfiguration C:

beidseitig verschweißter Rohrboden; abgedichteter Rohrboden, zum Flansch ausgebildet; abgedichteter Rohrboden, nicht zum Flansch ausgebildet.

c) Die Unterabschnitte 13.6.2 bis 13.6.8 gelten für Konfiguration a (bei denen der feste Rohrboden verschweißt ist) und für die Konfigurationen b, c, d, e und f, bei denen der abgedichtete Rohrboden eine verengte Dichtung aufweist. Der Unterabschnitt 13.6.9 beschreibt, wie diese Regeln für die Konfigurationen b‘, d‘ und e‘ anzuwenden sind, bei denen der abgedichtete Rohrboden eine vollflächige Dichtung aufweist.

234

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

(1)

(2)

(1) Fester Rohrboden, Konfiguration a, b, c, d, e oder f (2) Beweglicher Rohrboden, Konfiguration A, B, oder C (a) Schwimmkopf-Wärmeaustauscher mit eingetauchtem Schwimmkopf (1)

(2)

(1) Fester Rohrboden, Konfiguration a, b, c, d, e oder f (2) Beweglicher Rohrboden, Konfiguration C (b) Schwimmkopf-Wärmeaustauscher mit schalenseitig abgedichtetem Schwimmkopf (1)

(1) Fester Rohrboden, Konfiguration a, b, c, d, e oder f (c) Schwimmkopf-Wärmeaustauscher mit vorkammerseitig abgedichtetem Schwimmkopf

Bild 13.6.1-1 - Typische Schwimmkopf-Wärmeaustauscher

235

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

a) Konfiguration a mit Schale und Vorkammer verschweißter Rohrboden

b) Konfiguration b mit der Schale verschweißter und vorkammerseitig abgedichteter, zum Flansch ausgebildeter Rohrboden

c) Konfiguration c mit der Schale verschweißter und vorkammerseitig abgedichteter, nicht zum Flansch ausgebildeter Rohrboden

d) Konfiguration d schalenseitig und vorkammerseitig abgedichteter, nicht zum Flansch ausgebildeter Rohrboden

e) Konfiguration e schalenseitig abgedichteter und mit der Vorkammer verschweißter, zum Flansch ausgebildeter Rohrboden

f) Konfiguration f schalenseitig abgedichteter und mit der Vorkammer verschweißter, nicht zum Flansch ausgebildeter Rohrboden

Bild 13.6.1-2 - Konfigurationen für feste Rohrböden

236

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

a) Konfiguration A: Verschweißter Rohrboden

b) Konfiguration B: Abgedichteter, zum Flansch ausgebildeter Rohrboden

c) Konfiguration C: Abgedichteter, nicht zum Flansch ausgebildeter Rohrboden

Bild 13.6.1-3 - Konfigurationen beweglicher Rohrböden

237

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

13.6.2 Anwendungsbereich 13.6.2.1 Rohrböden Die Rohrböden müssen nachstehende Bedingungen erfüllen: a)

Beide Rohrböden müssen eben, kreisrund, von gleicher konstanter Dicke und aus demselben Werkstoff gefertigt sein.

b)

Die effektiven Durchmesser des festen Rohrbodens, De, und des beweglichen Rohrbodens, De,f, müssen so sein, dass: 0,9 De ≤ De,f ≤ 1,1 De wobei der effektive Durchmesser De,f wie folgt ist (siehe Bild 13.6.2-2):  bei Konfigurationen B und C: der Dichtlastreaktionsdurchmesser des beweglichen Rohrbodens: De, f = Gf  bei Konfiguration A: der Innendurchmesser Df der am Rohrboden angebrachten Vorkammer: De, f = Df

c)

Eine örtlich begrenzte Verringerung der Dicke am Umfang des Rohrbodens für eine Dichtungsnut oder Entlastungsnut ist zulässig, sofern die verbleibende Berechnungswanddicke ep,a mindestens das 0,8fache der Berechnungswanddicke ea des Rohrbodens beträgt (siehe Bilder 13.6.2-1 und 13.6.2-2).

e a,p ≥ 0,8 e a

(13.6.2-1)

ea,p

ea

a) Konfiguration a

ea,p ea

c) Konfiguration d

ea,p ea

b) Konfiguration b und e

ea,p ea

d) Konfiguration c und f

Bild 13.6.2-1 - Örtlich begrenzte Dickenverringerung an der Peripherie von festen Rohrböden

238

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

e a,p

ea

a) Konfiguration A

e a,p e a,p

ea

ea

b) Konfiguration B

c) Konfiguration C

Bild 13.6.2-2 — Örtlich begrenzte Dickenverringerung an der Peripherie von beweglichen Rohrböden

d)

Wenn die Rohrböden zum Flansch ausgebildet sind, so ist die Flanschdicke zu berechnen nach:  13.10, wenn die Dichtung verengt ist (Konfigurationen b, d und e);  13.11, wenn die Dichtung vollflächig ist (Konfigurationen b‘, d‘ und e‘).

e)

Sofern keine zufriedenstellenden Erfahrungen mit dünneren Rohrböden nachgewiesen werden können, müssen folgende Bedingungen erfüllt sein, wenn die Rohre in die Rohrböden übergehen: 

für d t ≤ 25 mm:

ea ≥ 0,75 d t 

für 25 mm ≤ d t ≤ 30 mm:

ea ≥ 22 mm 

(13.6.2-3)

für 30 mm ≤ d t ≤ 40 mm:

ea ≥ 25 mm 

(13.6.2-2)

(13.6.2-4)

für 40 mm ≤ d t ≤ 50 mm:

ea ≥ 30 mm

(13.6.2-5)

239

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

f)

Die Rohrböden müssen auf einer kreisförmigen Fläche mit dem Durchmesser Do gleichmäßig berohrt sein, und zwar mit gleichseitig dreieckiger oder rechteckiger Rohranordnung. Unberohrte diametrische Reihen für Trennwände sind zulässig, wenn der Abstand UL zwischen zwei benachbarten Rohrreihen (siehe Bild 13.7.2-1) die folgende Gleichung erfüllt:

UL ≤ 4 p

(13.6.2-6)

wobei p die Rohrteilung ist. g)

Ein unberohrter Ring ist zulässig, wenn folgende Gleichungen erfüllt sind:

Do ≥ 0,85 De

(13.6.2-7)

13.6.2.2 Rohre

a)

Die Rohre müssen gerade und identisch sein (d.h. konstante Nennwanddicken, denselben Werkstoff und Durchmesser aufweisen).

b)

Sie müssen starr mit dem Rohrboden verbunden sein.

13.6.2.3 Schale

a) b)

Die Schale muss an ihrem Übergang zum Rohrboden zylindrisch sein. Wenn die Schale mit dem festen Rohrboden verschweißt ist, (Konfigurationen a, b, c) muss sie am Rohrboden über eine Mindestlänge von ls eine Dicke es haben, angegeben durch die Formel:

l s = 1,4

(Ds + e s ) ⋅ e s

(13.6.2-8)

13.6.2.4 Vorkammer

a) b)

Die Vorkammer muss an ihrem Übergang zum Rohrboden zylindrisch sein. Die Durchmesser Ds, Gs sowie Dc, Gc von Schale und Vorkammer müssen so sein, dass: 

bei Konfiguration a:

0,9 Ds ≤ Dc ≤ 11 , Ds 

für Konfigurationen b und c:

0,9 Ds ≤ Gc ≤ 1,2 Gs 

(13.6.2-11)

für Konfigurationen e und f:

0,9 Gs ≤ Dc ≤ 1,1 Gs

240

(13.6.2-10)

für Konfiguration d:

0,9 Gs ≤ Gc ≤ 1,1 Gs 

(13.6.2-9)

(13.6.2-12)

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

c)

Wenn die Vorkammer mit dem festen Rohrboden verschweißt ist, (Konfigurationen a, e, f) muss am Rohrboden über eine Mindestlänge von lc eine Dicke ec haben, angegeben durch die Formel: l c = 1,4

(Dc

+ ec ) ⋅ e c

(13.6.2-13)

13.6.2.5 Belastung

Rohrseitiger Druck Pt und schalenseitiger Druck Ps werden in jedem Kreis als gleichförmig angenommen. Andere Belastungen wie Gewicht oder Druckabfall werden vernachlässigt. 13.6.3 Symbole

Dc

ist der Innendurchmesser der Vorkammer;

De

ist der effektive Durchmesser des festen Rohrbodens nach 13.6.4-3b;

Ds

ist der Innendurchmesser der Schale;

Do

ist der effektive Durchmesser der äußeren Rohrbegrenzung nach Gleichung (13.6.5-1);

D*

ist die äquivalente Biegesteifigkeit des festen Rohrbodens nach Gleichung (13.7.9-1);

dt

ist der Nennaußendurchmesser der Rohre (siehe Bild 13.7.2-2);

E

ist das E-Modul des Rohrbodenwerkstoffs bei Auslegungstemperatur;

Ec

ist das E-Modul des Vorkammerwerkstoffs bei Auslegungstemperatur;

Es

ist das E-Modul des Schalenwerkstoffs bei Auslegungstemperatur;

Et

ist das E-Modul des Rohrwerkstoffs bei Auslegungstemperatur;

*

E

ist das effektive E-Modul des Rohrbodens bei Auslegungstemperatur;

e

ist die Dicke des festen Rohrbodens (siehe Bild 13.7.2-2);

ec

ist die Dicke der Vorkammer;

es

ist die Dicke der Schale;

et

ist die Nennwanddicke der Rohre (siehe Bild 13.7.2-2);

241

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

Fi

ist ein Beiwert aus den Kurven für X bei unterschiedlichen Z-Werten (siehe Bilder 13.6.5-1 und 13.6.5-2);

Fm

ist ein Beiwert aus Gleichung (13.6.5-3);

Fq

ist der Beiwert aus den Kurven für X bei unterschiedlichen Z-Werten (siehe Bilder 13.5.4-1 und 13.5.4-2);

f

ist die Nennauslegungsspannung des Rohrbodenwerkstoffs bei Auslegungstemperatur;

fc

ist die Nennauslegungsspannung des Vorkammerwerkstoffs bei Auslegungstemperatur;

fs

ist die Nennauslegungsspannung des Schalenwerkstoffs bei Auslegungstemperatur;

ft

ist die Nennauslegungsspannung des Rohrwerkstoffs bei Auslegungstemperatur;

Gc

ist der Durchmesser der Dichtlastreaktionsvorkammer;

Gs

ist der Durchmesser der Dichtlastreaktionsschale;

H

ist der Beiwert aus den Kurven für X bei unterschiedlichen Z-Werten (siehe Bilder 13.5.5-1 und 13.5.5-2);

hg

ist die effektive Tiefe der rohrseitigen Trennwandnut (siehe 13.7);

Kt

ist die Axialsteifigkeit des Rohrs nach Gleichung (13.6.4-7);

Kw

ist das Modul einer dem Rohrbündel äquivalenten elastischen Bettung nach Gleichung (13.6.4-8);

kc

ist das zum Drehen der Vorkammer um einen Einheitswinkel erforderliche Kantenmoment nach Gleichung 13.6.4-11);

ks

ist das zum Drehen der Schale um einen Einheitswinkel erforderliche Kantenmoment nach Gleichung 13.6.410);

L

ist die Rohrlänge zwischen den Innenflächen der Rohrböden Gleichung (13.6.4-4);

Lt

ist die Rohrlänge zwischen den Außenflächen der Rohrböden;

Nt

ist die Rohranzahl;

Pe

ist der effektiv auf den Rohrboden wirkende Druck nach den Gleichungen (13.6.4-13 und 13.6.4-14);

Ps

ist der schalenseitige Berechnungsdruck. Bei einem Unterdruck wird dieser als negativ betrachtet;

Pt

ist der rohrseitige Berechnungsdruck. Bei einem Unterdruck wird dieser als negativ betrachtet;

242

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

X

ist der Steifigkeitsbeiwert Rohrbündel/Rohrboden nach Gleichung (13.6.4-9);

xs

ist der schalenseitiger Rohrboden-Bohrbeiwert nach Gleichung (13.6.4-5);

xt

ist der rohrseitige Rohrboden-Bohrbeiwert nach Gleichung (13.6.4-6);

Z

ist der durch Schale und Vorkammer verursachte Kantenrückhaltebeiwert nach Gleichung (13.6.4-12);

µ

ist der Grund- Rohrlochsteg-Verschwächungsbeiwert des Rohrbodens (siehe 13.7);

µ*

ist der effektive Rohrlochsteg-Verschwächungsbeiwert des Rohrbodens (siehe 13.7);

νc

ist die Poissonsche Konstante des Vorkammerwerkstoffs;

νs

ist die Poissonsche Konstante des Schalenwerkstoffs;

νt

ist die Poissonsche Konstante des Rohrwerkstoffs;

ν*

ist die effektive Poissonsche Konstante des Rohrbodens (siehe 13.7);

σ

ist die berechnete Spannung in einem Bauteil;

τ

ist die berechnete Schubspannung in einem Bauteil.

Indexe:

b c eq m p s t

für Krümmung; für Kanal; für Verhältnis; für Membran; für Peripherie; für Schale; für Rohre;

Für den Rohrboden wurde kein Index verwendet.

13.6.4 Auslegungsüberlegungen 13.6.4.1 Lastzustände

Die zu betrachtenden Lastzustände müssen die normalen Betriebszustände, Anfahr- und Abfahrzustände, außergewöhnlichen Betriebszustände und Druckprüfzustände umfassen, die Einfluss auf die Auslegung der wichtigsten Bauteile des Wärmeaustauschers haben (d.h. Rohrböden, Rohre, Schale, Vorkammer).

243

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 4 (2002-11) Für jeden dieser Lastzustände müssen folgende Belastungsfälle berücksichtigt werden, um den in den Auslegungsformeln zu verwendenden effektiven Druck Auslegungsdruck Pe zu bestimmen: 

Belastungsfall 1 - Nur rohrseitiger Druck Pt (Ps = 0) ;



Belastungsfall 2 - Nur schalenseitiger Druck Ps (Pt = 0 ) ;



Belastungsfall 3 - Gleichzeitig rohrseitiger Druck Pt und schalenseitiger Druck Ps.

Dieser Belastungsfall ist stets bei Unterdruck auf einer Seite zu betrachten. Können die Belastungsfälle 1 und 2 im Normalbetrieb nicht auftreten, kann für die Auslegung ausschließlich Belastungsfall 3 zugrunde gelegt werden. 13.6.4.2 Auslegungsbedingungen

a)

Die Berechnung erfolgt für den korrodierten Zustand. Hiervon ausgenommen sind Rohre, bei denen der Nennaußendurchmesser dt und die Nenndicke et verwendet werden;

b)

Die Berechnungen erfolgen für feste Rohrböden. Bewegliche Rohrböden haben dieselbe Dicke wie feste Rohrböden;

c)

Da es sich bei der Berechnung um ein iteratives Verfahren handelt, muss ein Wert für die Dicke e des festen Rohrbodens angenommen werden, um die maximalen Spannungen in den Rohrböden und Rohren berechnen und mit den höchstzulässigen Berechnungsspannungen vergleichen zu können. Es wird empfohlen, einen Ausgangswert für die Rohrbodendicke anzunehmen, der nicht geringer ist, als in folgender Formel angegeben:

e=

Do Pe 4 µ (0,8 f )

Zwei Fälle sind möglich: 

Wenn die berechnete Spannung im Bauteil unterhalb des zulässigen Berechnungsspannung liegt, ist die Berechnung iterativ so lange mit niedrigeren Dickenwerten für das Bauteil zu wiederholen, bis die berechnete Spannung gleich der zulässigen Berechnungsspannung ist und auf diese Weise die erforderliche Mindestdicke ermittelt ist;



Wenn die berechnete Spannung im Bauteil die zulässige Berechnungsspannung überschreitet, muss die Berechnung mit höheren Dickenwerten (oder geänderten anderen Parametern) wiederholt werden, bis die berechnete Spannung kleiner oder gleich der zulässigen Berechnungsspannung ist.

ANMERKUNG Der Konstrukteur muss sich darüber im klaren sein, dass er durch Erhöhen oder Vermindern der Dicke eines Bauteils nicht nur die Spannungen in diesem Bauteil ändert, sondern auch die in anderen Bauteilen.

13.6.4.3 Ermittlung der Zwischenwerte

a)

Effektive Elastizitätskonstanten des Rohrbodens. Berechnung nach 13.7: 

244

den Durchmesser der äußeren Rohrbegrenzung, Do

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

   

den Grund- Rohrlochsteg-Verschwächungsbeiwert, µ den effektiven Rohrlochsteg-Verschwächungsbeiwert, µ* die effektive Elastizitätskonstante, E* die Poissonsche Konstante, ν*.

Die Werte für µ*, E*, ν* werden für die angenommene Rohrbodendicke e ermittelt. b)

c)

Effektiver Rohrbodendurchmesser: 

Für Konfiguration a:

De =

Ds + Dc 2



Für Konfigurationen b und c:

De =

Ds + G c 2



Für Konfiguration d:

De =

G s + Gc 2



Für Konfigurationen e und f: D e =

(13.6.4-1)

(13.6.4-2)

(13.6.4-3)

Effektive Rohrlänge: L = Lt − 2 e

d)

Dc + G s 2

(13.6.4-4)

Rohrboden-Bohrbeiwerte: æd ö x s = 1 − N t ⋅ çç t ÷÷ è De ø

2

æ d − 2 et x t = 1 − N t ⋅ çç t è De

(13.6.4-5)

ö ÷ ÷ ø

2

(13.6.4-6)

245

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

e) Axialsteifigkeit

π e t ⋅ (d t − e t ) ⋅ E t L

Kt =

8 Nt ⋅ K t

Kw = f)

(13.6.4-7) (13.6.4-8)

π De2

Steifigkeitsverhältnis Rohrbündel/Rohrboden:

ö ÷÷ ø

æK X = çç w* èD g)

0,25

⋅

De 2

(13.6.4-9)

Biegesteifigkeit 

Für die Schale: - Konfigurationen a, b, c:

2 Es ⋅ (e s )

ks =

[12 (1 − )] ν s2

0,75

2,5

⋅ ( Ds + e s )

(13.6.4-10)

0,5

- Konfigurationen d, e, f:

ks = 0 

Für die Vorkammer: - Konfigurationen a, e, f:

kc =

2 Ec ⋅ (e c )

[12 (1 − )] ν c2

0,75

2,5

⋅ ( Dc + e c )

(13.6.4-11)

0,5

- Konfigurationen b, c, d:

kc = 0 h)

Durch Schale und Vorkammer verursachter Rohrboden-Kantenrückhaltefaktor:

Z =

ks + kc

(K w )

0,25

ANMERKUNG

246

( )

⋅ D*

(13.6.4-12)

0,75

für geringe Werte von Z (nahe 0): für hohe Werte von Z (über 5):

Rohrboden wird im wesentlichen unterstützt; Rohrboden wird im wesentlichen geklemmt.

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

13.6.4.4 Effektiver Druck Pe

Der effektive Druck Pe , verursacht durch die Drücke Pt und Ps , die auf den festen Rohrboden wirken, wird angegeben durch:

 für eingetauchte Schwimmkopf-Wärmeaustauscher: Pe = Ps − Pt

(13.6.4-13)

 Für außen abgedichtete Schwimmkopf-Wärmeaustauscher: Pe = −Pt

(13.6.4-14)

13.6.5 Auslegung des Rohrbodens 13.6.5.1 Biegespannung

a)

Die maximale radiale Biegespannung im Rohrboden wird wie folgt berechnet:

æ 1,5 Fm σ =ç ç µ* è

Fm =

ö æç D ÷⋅ ÷ ç e − h' ø è g

2

ö ÷ ⋅P e ÷ ø

1 6H

(13.6.5-1)

(13.6.5-2)

HINWEIS: Die Mindest-Biegespannung im Rohrboden erreicht man, wenn der Wert für Z 0,52 beträgt.

b) Bei keinem der betrachteten Belastungsfälle darf die Biegespannung σ des Rohrbodens folgende Werte überschreiten:

 2 f bei den Konfigurationen mit festem Rohrboden a, c, d, f in Verbindung mit den Konfigurationen mit beweglichem Rohrboden A bzw. C (bei denen weder der feste noch der bewegliche Rohrboden als Flansch ausgeführt ist):

σ ≤2f

(13.6.5-3)

 1,5 f bei anderen Konfigurationen (bei denen entweder der feste oder der bewegliche Rohrboden als Flansch ausgeführt ist):

σ ≤ 15 , f

(13.6.5-4)

Die Dicke des Flanschs ist zu berechnen:



nach 13.10, wenn die Dichtung verengt ist;



13.11, wenn die Dichtung vollflächig ist.

247

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

13.6.5.2 Schubspannung

a)

Die maximale Schubspannung im Rohrboden wird wie folgt berechnet:

æ 1 ö æç Do ÷÷ ⋅ τ = çç è 4 µ ø çè e

ö ÷ ⋅ Pe ÷ ø

(13.6.5-5)

Bei keinem der betrachteten Belastungsfälle darf die Schubspannung τ den Wert von 0,8 f überschreiten.

b)

τ ≤ 0,8 f

(13.6.5-6)

13.6.6 Auslegung der Rohre 13.6.6.1 Axiale Membranspannung

a)

Die maximale axiale Membranspannung in den Rohren wird wie folgt berechnet:  Für die äußere Rohrreihe gilt:

σ t,o =

1 xt − xs

[ (Ps ⋅ x s − Pt ⋅ x t ) − Pe ⋅ Fq ]

(13.6.6-1)

 Für die inneren Rohrreihen gilt:

σ t,i =

1 xt − xs

[ (Ps ⋅ x s − Pt ⋅ x t ) − Pe ⋅ Fi ]

(13.6.6-2)

b) In keinem der betrachteten Belastungsfälle darf der Absolutwert dieser Spannungen die höchstzulässige Berechnungsspannung der Verbindung von Rohren und Rohrboden ft,j überschreiten, die in 13.8 festgelegt ist.

σ t,o ≤ f t,j

(13.6.6-3)

σ t,i ≤ f t,j

(13.6.6-4)

c)

248

In keinem der Belastungsfälle, in denen σt,o oder σt,i negativ ist, darf der Absolutwert dieser Spannungen die höchstzulässige Knickspannung ft,bk der Rohre überschreiten, die in 13.9 festgelegt ist.

σ t,o ≤ f t,bk

(13.6.6-5)

σ t,i ≤ f t,bk

(13.6.6-6)

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

13.6.6.2 Vergleichsspannung

a)

Die maximale Vergleichsspannung in den Rohren wird wie folgt berechnet:

[

σ t,eq = max σ t,i − σ t,θ ; σ t,i − σ t,r ; σ t,θ − σ t,r ; σ t,o − σ t,θ ; σ t,o − σ t,r

]

(13.6.6-7)

Dabei ist:

σ t,θ die mittlere Umfangsspannung in den Rohren: σ t,θ =

Pt (d t − 2 e t ) − Ps ⋅ d t

2 et

(13.6.6-8)

σ t,r die mittlere radiale Spannung in den Rohren: σ t,r = −

Pt + Ps 2

(13.6.6-9)

b) In keinem der betrachteten Belastungsfälle darf die Vergleichsspannung σt,eq den Wert ft übersteigen.

σ t,eq ≤ f t

(13.6.6-10)

13.6.7 Auslegung der Schale an der Verbindung zum festen Rohrboden

Dieser Unterabschnitt gilt nur dann, wenn die Schale mit dem festen Rohrboden verschweißt ist (Konfigurationen a, b, c). 13.6.7.1 Axiale Membranspannung

Die axiale Membranspannung in der Schale wird wie folgt berechnet:

σ s,m =

D s2 ⋅ (Pt + Pe ) 4 e s (Ds + e s )

(13.6.7-1)

13.6.7.2 Axiale Biegespannung

Die maximale axiale Biegespannung in der Schale an der Verbindung mit dem festen Rohrboden wird wie folgt berechnet:

σ s,b =

ks 1 ⋅ k s + k c I1

æ D ⋅ çç e è 2 es

2

ö ÷ ⋅ Pe ÷ ø

(13.6.7-2)

249

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

mit: éæ 2 1− ν* ö ö æ ÷ I1 = H ∞ ê ç ⋅ Fq, ∞ ÷ + çç 1 − ø è X ⋅ Z ÷ø êë è X ⋅ Z

ù ú úû

(13.6.7-3)

und dabei sind H∞ und Fq, ∞ die Werte für die Beiwerte H und Fq für Z = ∞ (siehe Bilder 13.5.5-1 und 13.5.4-1).

13.6.7.3 Vergleichsspannung

a)

Die maximale Vergleichsspannung in der Schale an der Verbindung mit dem festen Rohrboden wird wie folgt berechnet:

(

σ s,eq = max σ s,m − σ s,b + Ps ; σ s,m + σ s,b

)

(13.6.7-4)

Bei keinem der Belastungsfälle im Normalbetrieb darf σs,eq den Wert von 3 fs überschreiten:

b)

σ s,eq ≤ 3 f s

(13.6.7-5)

13.6.8 Auslegung der Vorkammer an der Verbindung zum festen Rohrboden

Dieser Unterabschnitt gilt nur dann, wenn die Vorkammer mit dem festen Rohrboden verschweißt ist (Konfigurationen a, e, f).

13.6.8.1 Axiale Membranspannung

Die axiale Membranspannung in der Vorkammer wird wie folgt berechnet:

σ c,m =

Dc2 ⋅ Pt 4 e c ( Dc + e c )

(13.6.8-1)

13.6.8.2 Axiale Biegespannung

Die maximale axiale Biegespannung in der Vorkammer an der Verbindung mit dem festen Rohrboden wird wie folgt berechnet:

σ c,b

kc 1 = ⋅ k s + k c I1

æ D ⋅ çç e è 2 ec

2

ö ÷ Pe ÷ ø

(13.6.8-2)

mit: éæ 2 1− ν* ö ö æ ÷ I1 = H ∞ ê ç ⋅ Fq, ∞ ÷ + çç 1 − ø è X ⋅ Z ÷ø êë è X ⋅ Z

ù ú úû

(13.6.8-3)

dabei sind H∞ und Fq, ∞ die Werte für die Beiwerte H und Fq für Z = ∞ (siehe Bilder 13.5.5-1 und 13.5.4-1).

250

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

13.6.8.3 Vergleichsspannung

a)

Die maximale Vergleichsspannung in der Vorkammer an der Verbindung mit dem festen Rohrboden wird wie folgt berechnet:

(

σ c,eq = max σ c,m + σ c,b + Pt ; σ c,m − σ c,b b)

)

(13.6.8-4)

Bei keinem der Belastungsfälle im Normalbetrieb darf σ c,eq,1 den Wert von 3 fc überschreiten:

σ c,eq ≤ 3 f c

(13.6.8-5)

13.6.9 Konfigurationen mit vollflächiger Dichtung 13.6.9.1 Zweck

Dieser Unterabschnitt gilt nur für die folgenden Konfigurationen, bei denen der verschweißte Rohrboden zur Schale und/oder zur Vorkammer mit einer vollflächigen Dichtung abgedichtet ist (siehe Bild 13.6.9-1):  Konfiguration b‘ : Rohrboden mit der Schale verschweißt, und zur Vorkammer abgedichtet;  Konfiguration d‘ : Rohrboden zu Schale und Vorkammer abgedichtet, nicht als Flansch ausgeführt;  Konfiguration e‘ : Rohrboden zur Schale abgedichtet und zur Vorkammer verschweißt.

Konfiguration b'

Konfiguration d'

Konfiguration e'

Bild 13.6.9-1  Rohrboden mit vollflächiger Dichtung (Konfigurationen b', d', e')

13.6.9.2 Anwendungsbedingungen

Die in 13.6.2 angegebenen Anwendungsbedingungen gelten unter der Voraussetzung, dass die abgedichtete Schale und/oder Vorkammer mit dem Rohrboden verschweißt ist.

251

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

13.6.9.3 Auslegungsregel

Die Auslegung erfolgt nach 13.6.3 bis 13.6.8 mit folgenden Änderungen in 13.6.4.3g: a)

Die Schale gilt, wenn sie zum festen Rohrboden abgedichtet ist (Konfigurationen d’, e’), als mit dem Rohrboden verschweißt, wobei für k s folgendes eingesetzt wird: ks =

b)

2 E s ⋅ e s2,5 1 2 12 1 − ν 2 0,75 (D + e )0,5 s s s

[ (

)]

(13.6.9-1)

Die Vorkammer gilt, wenn sie zum festen Rohrboden abgedichtet ist (Konfigurationen b’, d’), als mit dem Rohrboden verschweißt, wobei für kc folgendes eingesetzt wird: kc =

2 E c ⋅ e c2,5 1 2 12 1 − ν 2 0,75 (D + e )0,5 c c c

[ (

)]

(13.6.9-2)

13.6.10 Innen abgedichteter Schwimmkopf-Wärmeaustauscher 13.6.10.1 Zweck

Dieser Unterabschnitt enthält Regeln für die Auslegung von innen abgedichteten SchwimmkopfWärmeaustauschern (siehe Bild 13.6.1-1). Wärmeaustauscher dieser Bauart haben zwei Rohböden: ―

einen mit Schale und Vorkammer verbundenen festen Rohrboden (Konfigurationen a, b, c, d, e, f – siehe Bild 13.6.1-2);

―

einen innen abgedichteten beweglichen Rohrboden (siehe Bild 13.6.1-1).

13.6.10.2 Anwendungsbedingungen

―

Die Rohrböden müssen den Bedingungen von 13.6.2.1a, d, e und f entsprechen;

―

Die Rohre müssen den Bedingungen von 13.6.2.2 entsprechen;

―

Die Schale muss den Bedingungen von 13.6.2.3a entsprechen;

―

Die Vorkammer muss den Bedingungen von 13.6.2.4a entsprechen;

―

Die Belastungen müssen den Bedingungen von 13.6.2.5 entsprechen.

13.6.10.3 Auslegung des Rohrbodens

Der feste Rohrboden muss eine Berechnungswanddicke ea besitzen, die die durch Anwendung von Bedingung 13.6.2.1e ermittelt wird, unabhängig davon, ob die Rohre in den Rohrboden übergehen oder nicht.

13.6.10.4 Auslegung der Rohre

Die Rohre sind nach 13.6.6 auszulegen, wobei 13.6.6.1 a) gilt:

σ t,o = σ t,i =

252

Ps ⋅ x s − Pt ⋅ x t x t − xs

(13.6.10-1)

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

13.7 Eigenschaften von Rohrböden 13.7.1 Zweck

Dieser Abschnitt enthält Regeln für die Ermittlung der effektiven Tiefe der rohrseitigen Trennwandnut, der Rohrlochsteg-Verschwächungswerte und der effektiven Elastizitätskonstanten von Rohrböden. 13.7.2 Anwendungsbedingungen

a)

Rohrböden müssen eben, kreisrund, von konstanter Dicke sein;

b)

Die Rohrböden müssen auf einer kreisförmigen Fläche mit dem Durchmesser Do gleichmäßig berohrt sein (siehe Bild 13.7.3-1), und zwar mit gleichseitig dreieckiger oder rechteckiger Rohranordnung (siehe Bild 13.7.3-4);

c)

Unberohrte diametrische Reihen für Trennwände sind zulässig, wenn der Abstand UL zwischen zwei benachbarten Rohrreihen (siehe Bild 13.7.3-1) kleiner ist als: UL ≤ 4 p

(13.7.2-1)

13.7.3 Symbole

ct

ist der rohrseitige Korrosionszuschlag;

Do

ist der effektive Durchmesser der äußeren Rohrbegrenzung (siehe Bild 13.7.3-1) nach Gleichung (13.7.5-1);

D*

ist die effektive Biegesteifigkeit des Rohrbodens bei Auslegungstemperatur nach Gleichung (13.7.9-1);

dt

ist der Nennaußendurchmesser der Rohre;

d*

ist der effektive Rohrlochdurchmesser nach Gleichung (13.7.7-2);

E

ist das Elastizitätsmodul des Rohrbodenwerkstoffs bei Auslegungstemperatur;

Et

ist das Elastizitätsmodul des Rohrwerkstoffs bei Auslegungstemperatur;

E*

ist das effektive E-Modul des Rohrbodens bei Auslegungstemperatur (siehe Bilder 13.7.8-1 und 13.7.8-2);

e

ist die Rohrbodendicke;

et

ist die Nennwanddicke der Rohre;

f

ist die Berechnungsnennspannung des Rohrbodenwerkstoffs bei Auslegungstemperatur;

ft

ist die Berechnungsnennspannung des Rohrwerkstoffs bei Auslegungstemperatur;

253

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

hg

ist die effektive Tiefe der rohrseitigen Trennwandnut (siehe Bild 13.7.3-2);

hg'

ist die effektive Tiefe der rohrseitigen Trennwandnut nach Gleichung (13.7.5-2);

l t,x

ist die Rohreinwalzlänge im Rohrboden 0 ≤ l t,x ≤ e , (siehe Bild 13.7.3-3);

p

ist die Rohrteilung;

p*

ist die effektive Rohrteilung nach Gleichung (13.7.7-4);

ro

ist der Radius der äußersten Rohrlochmitte (siehe Bild 13.7.3-1);

S

ist die gesamte Fläche des Rohrbodens (siehe Bild 13.7.3-5);

UL

ist der größte Mitte/Mitte-Abstand zwischen benachbarten Rohrreihen (siehe Bild 13.7.3-1);

µ

ist der Grund- Rohrlochsteg-Verschwächungsbeiwert des Rohrbodens für die Schubspannung nach Gleichung (13.7.6-1);

µ*

ist der effektive Rohrlochsteg-Verschwächungsbeiwert des Rohrbodens für die Biegespannung nach Gleichung (13.7.7-1);

ν*

ist die effektive Poissonsche Konstante für den Rohrboden, (siehe Bilder 13.7.8-1 und 2);

ρ

ist das Tiefenverhältnis der Rohreinwalzlänge zur Rohrbodendicke (0 ≤ ρ ≤ 1) nach Gleichung (13.7.7-3).

(

)

13.7.4 Auslegungsüberlegungen

a)

b)

Die Werte für µ * , E * /E und ν * sind für die angenommene Dicke e des Rohrbodens und für den entsprechenden Wert von ρ zu bestimmen, was als Konstante gewählt werden kann, bzw. aus e und l t,x zu berechnen. Die vorliegenden Regeln gelten für die normale Schweißnaht Rohr/Rohboden. Andere Verbindungen siehe 13.12.

Do

ro p

UL

Bild 13.7.3-1 - Rohrfeldmaße des Rohrbodens

254

Bild 13.7.3-2  Definition von hg

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

Bild 13.7.3-3  Definition von l t,x

p

p

p p

a) Dreieckige Rohrteilung

b) Rechteckige Rohrteilung

Bild 13.7.3-4  Rohrteilung

UL

S

ro

UL UL S

ro

UL

Bild 13.7.3-5  Bestimmen der Fläche S

255

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

13.7.5 Berechnung der effektiven Maße von Rohrböden

a)

Der Durchmesser des berohrten Rohrbodenbereichs ergibt sich aus:

D o = 2 ro + d t b)

(13.7.5-1)

Die effektive Tiefe der rohrseitigen Trennwandnut ergibt sich aus:

[(

]

)

h g' = max hg − c t ; (0,0 )

(13.7.5-2)

13.7.6 Berechnung des grundlegenden Rohrlochsteg-Verschwächungsbeiwerts µ für Schubbeanspruchung

Der bei der Berechnung der Schubbeanspruchung zu verwendende grundlegende RohrlochstegVerschwächungsbeiwert des Rohrbodens wird wie folgt berechnet:

µ =

p − dt p

(13.7.6-1)

13.7.7 Berechnung des effektiven Rohrlochsteg-Verschwächungsbeiwerts µ* für Biegebeanspruchung

Der bei der Berechnung der Biegebeanspruchung zu verwendende effektive RohrlochstegVerschwächungsbeiwert des Rohrbodens wird wie folgt berechnet:

µ* =

p* − d *

(13.7.7-1)

p*

Dabei gilt:

 Der effektive Rohrlochdurchmesser d* wird angegeben durch:

ìï d * = max í ïî

é æ Et ö êd t − 2 e t çè ÷ø E ë

ù æf ö ⋅ç t÷ ⋅ ρ ú ; èfø û

[d t

üï − 2 et ] ý ïþ

(13.7.7-2)

wobei:

ρ =

l t,x

(13.7.7-3)

e

ANMERKUNG

ρ kann

- entweder als Konstante gewählt; - oder aus den Werten e und l t,x berechnet werden.

 Die effektive Rohrteilung p * wird angegeben als:

p

p* = 1− 4

256

min [(S ) ; (4Do p )]

π Do2

(13.7.7-4)

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

Gibt es keine unberohrte diametrale Rohrgasse, (S = 0), so ist: p* = p Gibt es nur eine unberohrte diametrale Rohrgasse mit der Breite U L (siehe Bild 13.7.2-1): p* =

p

(13.7.7-5)

4 UL 1− π Do

13.7.8 Berechnung der effektiven Elastizitätskonstanten E * und ν *

Die effektiven Elastizitätskonstanten E* und ν* des Rohrbodens werden als Funktion des effektiven RohrlochstegVerschwächungsbeiwerts µ* für verschiedene Werte des Verhältnisses e/p wie folgt ermittelt: ―

für eine gleichseitig dreieckige Rohranordnung nach Bild 13.7.8-1 a) bzw. b) ;

―

für eine rechteckige Rohranordnung nach Bild 13.7.8-2 a) bzw. b).

Die zu verwendende Dicke e ist die in der entsprechenden Regel angenommene Rohrbodendicke. 13.7.9 Berechnung der effektiven Biegesteifigkeit des Rohrbodens D *

Die effektive Biegesteifigkeit des Rohrbodens wird wie folgt berechnet: D* =

E* ⋅ e3

(

12 1 − ν *2

)

(13.7.9-1)

257

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

a) E * / E (Gleichseitig dreieckige Rohranordnung)

b) ν * (Gleichseitig dreieckige Rohranordnung)

Es können auch die nachstehenden polynomen Gleichungen verwendet werden. ANMERKUNG

— Diese Beiwerte gelten nur gültig für den Bereich 0,1 ≤ µ * ≤ 0,6 . — Für Werte von e/p unter 0,1 stets e/p = 0,1 verwenden. — Für Werte von e/p über 2,0 stets e/p = 2,0 verwenden.

E * / E = α 0 + α 1 µ * + α 2 µ *2 + α 3 µ *3 + α 4 µ *4

a) Gleichseitig dreieckige Rohranordnung e / p

0.10 0.25 0.50 2.00

α0 0.0353 0.0135 0.0054 -0.0029

α1 1.2502 0.9910 0.5279 0.2126

b) Gleichseitig dreieckige Rohranordnung e/p

0.10 0.15 0.25 0.50 1.00 2.00

β0 -0.0958 0.8897 0.7439 0.9100 0.9923 0.9966

β1 0.6209 -9.0855 -4.4989 -4.8901 -4.8759 -4.1978

α2 -0.0491 1.0080 3.0461 3.9906

α3 0.3604 -1.0498 -4.3657 -6.1730

α4 -0.6100 0.0184 1.9435 3.4307

ν = β 0 + β 1 µ * + β 2 µ *2 + β 3 µ *3 + β 4 µ *4 β2 -0.8683 36.1435 12.5779 12.4325 12.3572 9.0478

β3 2.1099 -59.5425 -14.2092 -12.7039 -13.7214 -7.9955

β4 -1.6831 35.8223 5.7822 4.4298 5.7629 2.2398

Bild 13.7.8-1 - Kurven zur Ermittlung von E * / E und ν * (gleichseitig dreieckige Rohranordnung)

258

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

a) E * / E (Rechteckige Rohranordnung)

b) ν * (Rechteckige Rohranordnung)

Es können auch die nachstehenden polynomen Gleichungen verwendet werden. ANMERKUNG:

— Diese Beiwerte gelten nur gültig für den Bereich 0,1 ≤ µ * ≤ 0,6 . — Für Werte von e/p unter 0,1 stets e/p = 0,1 verwenden. — Für Werte von e/p über 2,0 stets e/p = 2,0 verwenden

a) Rechteckige Rohranordnung α0 e / p 0.10 0.25 0.50 2.00

0.0676 0.0250 0.0394 0.0372

b) Rechteckige Rohranordnung e/p

0.10 0.15 0.25 0.50 1.00 2.00

β0 -0.0791 0.3345 0.4296 0.3636 0.3527 0.3341

E * / E = α 0 + α 1 µ * + α 2 µ *2 + α 3 µ *3 + α 4 µ *4 α1 α2 α3 1.5756 1.9251 1.3024 1.0314

-1.2119 -3.5230 -1.1041 -0.6402

1.7715 6.9830 2.8714 2.6201

α4

-1.2628 -5.0017 -2.3994 -2.1929

ν = β 0 + β 1 µ * + β 2 µ *2 + β 3 µ *3 + β 4 µ *4 β1 0.6008 -2.8420 -2.6350 -0.8057 -0.2842 0.1260

β2 -0.3468 10.9709 8.6864 2.0463 0.4354 -0.6920

β3 0.4858 -15.8994 -11.5227 -2.2902 -0.0901 0.6877

β4 -0.3606 8.3516 5.8544 1.1862 -0.1590 -0.0600

Bild 13.7.8-2 - Kurven zur Ermittlung von E * / E und ν * (rechteckige Rohranordnung)

259

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

13.8 Höchstzulässige Berechnungsspannung an der Verbindung zwischen Rohr und Rohrboden 13.8.1 Zweck

Dieser Abschnitt enthält Regeln zur Bestimmung der höchstzulässigen Berechnungsspannung an der Verbindung zwischen Rohr und Rohrboden. 13.8.2 Symbole

at dt

ist die Schweißnahthöhe ist die Nennaußendurchmesser der Rohre (siehe Bild 13.7.2-2)

et

ist die Nennrohrwanddicke (siehe Bild 13.7.2-2)

f

ist die Berechnungsspannung für Rohrbodenwerkstoff bei Auslegungstemperatur

ft

ist die Berechnungsspannung für Rohrwerkstoff bei Auslegungstemperatur

l t,x

ist die Rohreinwalzlänge im Rohrboden 0 ≤ l t,x ≤ e , (siehe Bild 13.7.3-3);

fmin

ist die Mindestberechnungsspannung von Rohrboden- und Rohrwerkstoff

(

)

fmin = min (f ; f t )

(13.8.2-1)

13.8.3 Berechnung der höchstzulässigen Berechnungsspannung an der Verbindung zwischen Rohr und Rohrboden

Die höchstzulässige Berechnungsspannung an der Verbindung zwischen Rohr und Rohrboden f t,j wird wie folgt berechnet: a)

Für eingeschweißte Rohre:

éæ ù a ö f t,j = minê ç f min ⋅ t ÷ ; (f t ) ú et ø êë è úû b)

Für eingewalzte Rohre mit glatten Rohrlöchern:

é æ l t,x ö ù f t,j = 0,5 f min ⋅ min ê ç , )ú ÷ ; (16 êë è d t ø úû c)

(13.8.3-1)

(13.8.3-2)

Für eingewalzte Rohre mit Rohrlöchern mit Nuten: - mit einer Nut:

f t,j = 0,6 f min

(13.8.3-3)

- mit zwei oder mehr Nuten:

f t,j = 0,8 f min

(13.8.3-4)

Die Werte von σ t,j können bis auf den Wert von f t erhöht werden, wenn die Verbindung nach einem zugelassenen Verfahren hergestellt und durch einen Rohrausziehversuch geprüft wurde. c) Diese Werte für ft,j können bis zum Wert ft, erhöht werden, wenn die Verbindungstechnik für Rohr/Rohrboden anerkannt und durch Zugversuche getestet ist.

260

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002:05) 13.9 Höchstzulässige Knickspannung der Rohre 13.9.1 Zweck Dieser Abschnitt enthält Regeln für die Ermittlung der höchstzulässigen Längsknickspannung in Rohren von Wärmeaustauschern, bei denen ein Rohrbodenpaar durch ein Bündel gerader Rohre verbunden ist. Zielsetzung ist dabei, die Grenzbedingungen für das Versagen der Rohre durch elastisches Einbeulen und Knicken unter Einwirkung einer axialen Druckkraft und der Drücke Pt und Ps zu erfassen. 13.9.2 Zusätzliche Symbole

b0

Rohrfehlerbeiwert

dt

Außenrohrnenndurchmesser (siehe Bild 13.7.2-2);

Et

Elastizität des Rohrmaterials bei Auslegungstemperatur;

et

Rohrwandnenndicke (siehe Bild 13.7.2-2);

f t,bk

Höchstzulässige Knickspannung der Rohre

l t,bk

Knicklänge der Rohre

Ps

Schalenseitige Druckberechnung. Bei einem Vakuums ist diese als negativ zu definieren;

Pt

Rohrseitige Druckberechnung. Bei einem Vakuum ist diese als negativ zu definieren;

R p 0,2/t Dehngrenze des Rohrwerkstoffs bei Auslegungstemperatur x

Sicherheitsbeiwert gegen Knicken der Rohre

σ t,cr

Kritische Eulersche Knickspannung für Rohre

σ t,p

Faktor zur Berücksichtigung der Druckwirkung auf die Rohre

Die Symbole l1, l '1 , l 2 , l '2 und l 3 sind in Bild 13.9.3-1 definiert.

13.9.3 Berechnung der höchstzulässigen Knickspannung

a) Die Knicklänge der Rohre l t,bk wird wie folgt berechnet: 

wenn einige Rohre nicht durch ein Leitblech gestützt sind:

l t,bk = 0,5 L 

(13.9.3-1)

wenn sämtliche Rohre durch mindestens ein Leitblech gestützt sind (siehe Bild 13.9.3-1):

l t,bk = min

{ [0,5L] ; max [ (0,7 l ) ; 1

(0,7 l '1 ) ; (0,7 l 2 ) ; (0,7 l ' 2 ) ; (l 3 ) ] }

(13.9.3-2)

261

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002:05)

b)

Folgende Berechnungen sind durchzuführen:

b0 = 0,206

σ t,cr æç σ t,cr 1 − 0,2 R p0,2/t ç R p 0,2/t è

ö ÷ ÷ ø

(13.9.3-3)

x = 1,1

σ t,p = σ t,cr =

(13.9.3-4)

Ps ⋅ d t2 − Pt (d t − 2 e t ) d t2 − (d t − 2 e t )

2

(13.9.3-5)

2

2 π 2 ⋅ E t d t + (d t − 2 e t ) ⋅ 2 16 l t,bk

2

(13.9.3-6)

c)

Die höchstzulässige Knickspannung der Rohre f t,bk wird wie folgt berechnet:

f t,bk

é ê ê 1ê = ê x σ t,p + xê ê ê êë

R p 0,2/t − x σ t,p

æ (1 + b0 ) R p 0,2/t − x σ t,p 1 + çç σ t,cr è

ö ÷ ÷ ø

2

ù ú ú ú ú ú ú ú úû

(13.9.3-7)

Das Ergebnis für f t,bk muss positiv sein. Wird ein negatives Ergebnis erzielt, muss die Knicklänge reduziert werden, bis für f t,bk ein positives Ergebnis erzielt wird.

262

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002:05)

L

L

a) Wärmeaustauscher ohne Leitblech oder mit einem Leitblech, von dem nicht alle Rohre des Rohrbündels gestützt werden l2

l'1

l1

l1

l1

l'1

l1 l2

l3 l'1

l'2

l2 l'1

l'2

b) Wärmeaustauscher mit mehreren Leitblechen, von denen nicht alle Rohre des Rohrbündels gestützt werden l1

l1

l2

l'1

l'2 l'1

l1

l1 l2 l'1

l2

l3

l'2

l'1

c) Wärmeaustauscher mit einem oder mehren Leitblechen, von denen alle Rohre des Rohrbündels gestützt werden Bild 13.9.3-1 - Definition der Längen l1, l'1, l2, l'2 und l3

263

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002:05)

13.10 Auslegung des Rohrbodenflansches mit schmaler Dichtfläche 13.10.1 Zweck

Dieser Abschnitt enthält Regeln für die Auslegung eines zum Flansch ausgebildeten Rohrbodens mit schmaler Dichtfläche, wie in Abbildung 13.10.1-1 dargestellt. Er bezieht sich auf die Konfigurationen b, d2 (nur bei dem Rohrboden eines U-Rohres) und e.

13.10.2 Geltungsbereich

Die Regeln gelten nur, wenn



der Berechnungsdruck P positiv ist (d. h. Innendruck);



die Dichtung einem der in Abschnitt 11 beschriebenen Dichtungstypen entspricht;



D ex ≤ G .

P = Pt

P = Ps

φG

φG

φG

φ Dex

φ Dex

φ Dex

φC

φC

φC

φA

φA

φA

a) Konfiguration b: Fester Rohrboden mit Abdichtung zur Vorkammer G = Gc

b) Konfiguration e: Fester Rohrboden mit Abdichtung zur Schale G = Gs

c) Konfiguration d2: U-Rohr-Rohrboden mit Abdichtung an beiden Seiten G = G s or G c

Dex = D s,e

Dex = Dc,e

Dex = Do

P = Pt

P = Ps

P = Ps oder Pt

Bild 13.10.1-1 - Zum Flansch ausgebildete Rohrböden

264

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002:05) 13.10.3 Symbole

A

Außendurchmesser des Rohrbodenflansches (siehe Bild 13.10.1-1);

b

Wirksame Breite der Dichtung (siehe Abschnitt 11);

C

Durchmesser des Schraubenlochkreises (siehe Bild 13.10.1-1);

Dc

Innendurchmesser der Vorkammer;

Dc,e

Außendurchmesser der Vorkammer an der Verbindung zum Rohrboden (normalerweise: D c,e = D c + 2 e c ) (siehe Bild 13.10.1-1);

D ex

Innendurchmesser des Rohrbodenflansches nach Gleichung 13.10.4a;

Do

Durchmesser des Lochbereichs am Rohrboden, (siehe Gleichung 13.7.3-1);

Ds

Innendurchmesser der Schale;

Ds,e

Außendurchmesser der Schale an der Verbindung zum Rohrboden (normalerweise:

D s,e = D s + 2 e s ) (siehe Bild 13.10.1-1); ea

Berechnungswanddicke des Rohrbodens (siehe Bild 13.10.4-1);

e a,p

Berechnungswanddicke des Rohrbodenrandes;

ec

Vorkammerdicke;

e fl

Erforderliche Mindestdicke des Rohrbodenflansches;

e fl,a

Berechnungswanddicke des Rohrbodenflansches (siehe Abbildung 13.10.4-1);

es

Schalendicke;

f

Berechnungsnennspannung des Rohrbodenwerkstoffs bei Umgebungstemperatur;

fA

Berechnungsnennspannung des Rohrbodenwerkstoffs im Einbauzustand;

G

Schalenseitiger oder rohrseitiger Durchmesser der wirksamen Dichtungsfläche ( G s oder G c );

Gc

Durchmesser der wirksamen Dichtungsfläche in der Vorkammer ;

Gs

Durchmesser der wirksamen Dichtungsfläche in der Schale;

265

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002:05)

MA

Gesamtmoment am Rohrboden im Einbauzustand (siehe Gleichung 13.10.5-2);

M op

Gesamtmoment am Rohrboden im Betriebszustand (siehe Gleichung (13.10.5-4);

m

Dichtungsbeiwert (siehe Abschnitt 11);

P

Berechnungsdruck am Rohrboden, siehe 13.10.2;

Ps

schalenseitiger Berechnungsdruck. Bei einem Vakuum als negativ zu definieren;

Pt

rohrseitiger Berechnungsdruck. Bei einem Vakuum als negativ zu definieren;

W

Schraubenkraft im Einbauzustand (siehe Abschnitt 11);

ν

Poisson’sche Zahl des Rohrbodenwerkstoffs.

13.10.4 Auslegungsgrundlagen

a)

Der Innendurchmesser D ex des Rohrbodenflansches und der Auslegungsdruck P werden wie in Abbildung 13.10.1-1 berechnet;

b)

Die Berechnungen sollten für jeden die Berechnung regelnden Belastungsfall einschließlich des Einbaufalls durchgeführt werden;

c)

Die Berechnungsdicke des Rohrbodenrandes, e a,p , muss mindestens gleich der Berechnungsdicke des Rohrbodenflansches e fl,a sein (siehe Bild 13.10.4-1)

e a,p ≥ e fl,a d)

266

Berechnungen zur Konfiguration d2 sollten rohr- und schalenseitig durchgeführt werden.

(13.10.4-1)

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002:05)

efl,a

efl,a

efl,a

a) Glatte Dichtfläche

b) Dichtfläche mit vorspringender Dichtleiste

ea

c) Dichtfläche mit einfachem Vor- und Rücksprung

e fl,a

e fl,a

d) Dichtfläche mit doppeltem Vor- und Rücksprung

e) Ringnut für O-Ring-Dichtung

Bild 13.10.4-1 -Berechnungswanddicke des Rohrbodenflansches

13.10.5 Erforderliche Mindestdicke des Rohrbodenflansches

a) Die erforderliche Mindestdicke für den Einbauzustand, e fl,A , wird wie folgt berechnet:

MA é æ D ö ù fA ê (1 + ν ) + (1 − ν ) çç ex ÷÷ ú êë è A ø úû 12

e fl,A =

⋅

2

π D ex

(13.10.5-1)

Dabei ist:

MA =W ⋅

C −G 2

(13.10.5-2)

b) Die erforderliche Mindestdicke für Betriebszustände, e fl,op , wird wie folgt berechnet: 12

e fl,op =

π D ex

é æD ö ê (1 + ν ) + (1 − ν ) ç ex ÷ è A ø êë

2

ù ú úû

⋅

M op f

(13.10.5-3)

267

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002:05)

Dabei ist:

é æ D2 ö æC − D ö æG2 − D2 ö æ 2 C − D − Gö ex ex ex ex ÷ ⋅ç ÷ ⋅ç M op = π ê çç ÷ + çç ÷ + (2 b ⋅ G ⋅ m ) ÷ ÷ è 2 4 4 ø è ø êë è 4 ø è ø

c)

[ (e fl,A ); (e fl,op ) ]

(13.10.5-5)

Die Berechnungsdicke des Rohrbodenflansches, e fl,a , sollte mindestens e fl entsprechen:

e fl,a ≥ e fl

268

(13.10.5-4)

Die erforderliche Mindestdicke des Rohrbodenflansches, e fl , wird wie folgt berechnet:

e fl = max d)

æC − Gö ù ç ÷ ú⋅P è 2 ø ú û

(13.10.5-6)

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002:05)

13.11 Auslegung des Rohrbodenflansches mit vollflächiger Dichtung 13.11.1 Zweck

Dieser Abschnitt enthält Regeln für die Auslegung eines zum Flansch ausgebildeten Rohrbodens mit vollflächiger Dichtung, wie in Bild 13.11.1-1 dargestellt. Er bezieht sich auf die Konfigurationen b, d2 (nur bei dem Rohrboden eines U-Rohres) und e’. 13.11.2 Geltungsbereich

Die Regeln gelten nur, wenn



der Berechnungsdruck P positiv ist (d. h. Innendruck);



die Dichtung einem der in Abschnitt 11 beschriebenen Dichtungstypen entspricht.

P = Pt

P = Ps

φG

φG

φB

φB

φC

φG

φB

φC

φC

a) Konfiguration b': Fester Rohrboden mit Abdichtung zur Vorkammer

b) Konfiguration e': Fester Rohrboden mit Abdichtung zur Schale

c) Konfiguration d '2 : U-RohrRohrboden mit Abdichtung an beiden Seiten

G = Gc

G = Gs

P = Pt

P = Ps

G = G s or G c P = Ps or Pt

Bild 13.11.1-1  Zum Flansch ausgebildete Rohrböden

269

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002:05)

13.11.3 Symbole

B

Innendurchmesser des Rohrbodenflansches (siehe Bild 13.11.1-1);

2 b" Wirksame Breite der Dichtung (siehe Abschnitt 11.6); C

Durchmesser des Schraubenlochkreises (siehe Bild 13.11.1-1);

db

Außendurchmesser der Schraube;

dh

Durchmesser der Schraubenlöcher;

ea

Berechnungswanddicke des Rohrbodens;

e fl

Erforderliche Mindestdicke des Rohrbodenflansches durch Gleichung (13.11.5-1);

e fl,a

Erforderliche Mindestdicke des Rohrbodenflansches (siehe Bild 13.11.4-1);

f

Berechnungsnennspannung des Rohrbodenwerkstoffs bei Umgebungstemperatur;

G

Schalenseitiger oder rohrseitiger Durchmesser der wirksamen Dichtungsfläche ( G s oder G c );

Gc

Durchmesser der wirksamen Dichtungsfläche in der Vorkammer;

Gs

Durchmesser der wirksamen Dichtungsfläche in der Schale;

g1

Dicke des Ansatzes auf der Flanschrückseite (siehe Abschnitt 11.3);

Mr

Gesamtmoment am Rohrboden im Betriebszustand (siehe Gleichung 13.11.5-2);

m

Dichtungsbeiwert (siehe Abschnitt 11);

n

Anzahl der Schrauben;

P

Berechnungsdruck am Rohrboden, siehe Abschnitt 13.11.2;

Ps

Schalenseitiger Berechnungsdruck. Bei einem Vakuum als negativ zu definieren;

Pt

Rohrseitiger Berechnungsdruck. Bei einem Vakuum als negativ zu definieren.

270

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002:05) 13.10.4 Berechnungen

a)

Die Berechnungen sollten für jeden die Berechnung regelnden Belastungsfall durchgeführt werden.

b)

Die Berechnungsdicke des Rohrbodenrandes, e a,p , muss mindestens gleich der Berechnungsdicke des Rohrbodenflansches e fl,a sein (siehe Bild 13.11.4-1) e a,p ≥ e fl,a

c)

(13.11.4-1)

Berechnungen zur Konfiguration d2 sollten rohr- und schalenseitig durchgeführt werden.

Bild 13.11.4-1  Berechnungswanddicke des Rohrbodenflansches 13.11.5 Erforderliche Wanddicke des Rohrbodenflansches

Die erforderliche Wanddicke des Rohrbodenflansches wird wie folgt berechnet: e fl =

6Mr

(13.11.5-1)

(π C - n d h ) f

Dabei ist:

é æ B2 Mr = π ê ç êç 4 ëè

ö æC − B − g ö æ G2 − B2 1 ÷⋅ç ÷÷ + ç ÷ çè 2 4 ø çè ø

ù ö æ 2C − B − G ö æC −G ö ú ÷⋅ç + (2 b"⋅G ⋅ m ) ç ⋅P ÷ ÷ ÷ è 4 ø è 2 øú ø û

(13.11.5-2)

271

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002:05)

13.12 Spezielle Rohr-Rohrboden-Schweißverbindungen

13.12.1 Zweck

Dieser Anhang erläutert die Anwendung der Regeln von 13.7, wenn die Art der Rohr-RohrbodenSchweißverbindung von der üblichen in Abschnitt 13.7 erläuterten Verbindung abweicht. In diesem Abschnitt werden die folgenden Rohr-Rohrboden-Schweißverbindungen behandelt: 

am äußeren Rohrboden angeschweißte Rohre mit maschinell bearbeiteten Fugen (siehe 13.12.3);



wie folgt durch Kehlnaht an die Innenseite des Rohrbodens verschweißte Rohre: -



durch maschinell bearbeitete Schweißnahtfugen in den Rohrboden eingesetzte Rohre (siehe 13.12.4); nur teilweise in den Rohrboden eingesetzte Rohre (siehe 13.12.5);

durch Stumpfschweißnaht an die Innenseite des Rohrbodens mit -

Ansätzen (siehe 13.12.6); maschinell bearbeiteten Schweißnahtfugen (siehe 13.12.7):

13.12.2 Zusätzliche Symbole

Die folgenden Symbole gelten zusätzlich zu denen in Abschnitt 13.7.3 d ist der Rohrlochdurchmesser h w ist die Tiefe der Schweißnahtfuge

13.12.3 Am äußeren Rohrboden verschweißte Rohre mit maschinell bearbeiteten Schweißnahtfugen

a)

Die Dicke des Rohrbodens sollte von der Wurzel der Schweißnaht aus gemessen werden.

b)

Die wirksame Tiefe hg' der Trennwandnut, soweit vorhanden, kann mit der folgenden Beziehung angegeben werden:

[(

) ]

h g' = max hg − c t − h w , (0 )

(13.12.3-1)

hw e

Bild 13.12.3-1  Am äußeren Rohrboden angeschweißte Rohre mit maschinell bearbeiteten Schweißnahtfugen

272

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002:05) 13.12.4 Am inneren Rohrboden verschweißte Einsatzrohre mit maschinell bearbeiteter Schweißnahtfuge

Die Dicke des Rohrbodens sollte von der Wurzel der Schweißnaht aus gemessen werden (siehe Bild 13.12.4-1).

e hw

Bild 13.12.4-1  Am inneren Rohrboden verschweißte Einsatzrohre mit maschinell bearbeiteter Schweißnahtfuge

13.12.5 Teilweise eingesetzte Rohre verschweißt am inneren Rohrboden

a)

Der Durchmesser Do des gelochten Teils des Rohrbodens ergibt sich aus der folgenden Gleichung: Do = 2 r o + d

b)

Der nominale Verschwächungsbeiwert des Rohrbodens µ ergibt sich aus:

µ= c)

(13.12.5-1)

p−d p

(13.12.5-2)

Der effektive Verschwächungsbeiwert des Rohrbodens µ * ergibt sich aus:

µ* =

p* −d p*

(13.12.5-3)

d

d t − 2 et < d < d t Bildung 13.12.5-1  Teilweise eingesetzte Rohre verschweißt am inneren Rohrboden

273

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002:05) 13.12.6 Am inneren Rohrboden stumpfnahtverschweißte Rohre mit Ansätzen

a)

Der Durchmesser Do des gelochten Teils des Rohrbodens ergibt sich aus der folgenden Gleichung: Do = 2 r o + d

(13.12.6-1)

Der nominale Verschwächungsbeiwert des Rohrbodens µ ergibt sich aus:

b)

µ=

p−d p

(13.12.6-2)

Der effektive Verschwächungsbeiwert des Rohrbodens µ * ergibt sich aus:

c)

µ* =

p*−d p*

(13.12.6-3)

Bild 13.12.6-1  Am inneren Rohrboden stumpfnahtverschweißte Rohre mit Ansatz 13.12.7 Am inneren Rohrboden stumpfnahtverschweißte Rohre mit maschinell bearbeiteten Nuten

a)

Die Dicke des Rohrbodens sollte von der Wurzel der Schweißnaht aus gemessen werden 13.12.7-1).

e hw

Bild 13.12.7-1  Am inneren Rohrboden stumpfnahtverschweißte Rohre mit maschinell bearbeiteten Nuten

274

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002:05)

14 Kompensatoren 14.1 Zweck Dieser Abschnitt enthält Regeln für die Auslegung folgender drei Typen ein- oder mehrwelliger Kompensatoren: a)

unverstärkte Kompensatoren mit U-förmigem Profil (U-Bogen-Kompensator) (siehe Bild 14.1.1-1a);

b)

verstärkte Kompensatoren mit U-förmigem Profil (siehe Bild 14.1.1-1b);

c)

Kompensatoren mit torusförmigem Profil (Torus-Balgkompensator) (siehe Bild 14.1.1-1c).

ANMERKUNG 1 behandelt.

Anforderungen an verstärkte U-förmige und torusförmige Balgwellen werden in einer späteren Ausgabe

Die Kompensatoren sind für den Einbau in Druckbehältern, insbesondere solche mit RohrbodenWärmeaustauschern, vorgesehen, um sowohl Flexibilität bei Wärmeausdehnung als auch ausreichende Innendruckfestigkeit zu gewährleisten. ANMERKUNG 2 Die Auslegung von Kompensatoren erfordert die besondere Aufmerksamkeit des Konstrukteurs, da sich die Anforderungen hoher Festigkeit bei ausreichender Flexibilität im allgemeinen widersprechen. Nähere Angaben hierzu sind Abschnitt K.1 zu entnehmen.

14.2 Zusätzliche Definitionen Die folgenden Begriffe und Definitionen gelten zusätzlich zu denen in Abschnitt 3. 14.2.1 Kompensator (Synonym: Kompensatorbalg) flexibles Bauteil mit einer oder mehreren Balgwellen und Endborden 14.2.2 Balgwelle flexibles Element eines Kompensators (siehe Bild 14.1-1) 14.2.3 Bord gerader, nicht gewellter Abschnitt am Kompensatorende (siehe Bild 14.1-1) 14.2.4 Bordring zylindrischer Abschnitt, der zur Verstärkung am Bord angebracht ist (siehe Bild 14.1-1) 14.2.5 Instabilität Säulen- oder Welleninstabilität des Kompensators unter Einwirkung von Innendruck (siehe Anhang K.1)

275

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002:05)

(1) Balgwelle (2) Bord ohne Bordring

(2') Bord mit Bordring (3) Bordring a)

Unverstärkter Kompensator mit U-förmigem Profil

(1) Balgwelle (2) Bord (3) Bordring

(4) Endverstärkungsring (5) Zwischenverstärkungsring (6) Verstärkungsringe b)

Verstärkter Kompensator mit U-förmigem Profil

(1) Balgwelle

(2) Boardring c)

Kompensator mit torusförmigem Profil

Bild 14.1-1 — Drei Kompensatortypen 276

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002:05)

14.3 Zusätzliche Symbole und Abkürzungen Folgende Symbole gelten zusätzlich zu denen in Abschnitt 4. A

Querschnittsfläche einer Balgwelle (siehe Gleichung (14.5.2-7))

Cp , Cf , Cd

Berechnungsbeiwerte für U-förmige Wellen (siehe Bilder 14.5.2-1, -2 und -3)

C1, C2

Beiwerte zur Ermittlung der Berechnungsbeiwerte (siehe Gleichungen (14.5.2-8) und (14.5.2-9)) Cp , Cf , Cd ;

Dc

Mittlerer Durchmesser des Bordrings (siehe Gleichung (14.5.2-2))

Di

Innendurchmesser von Balgwelle und zylindrischem Endbord (siehe Bild 14.1-1)

Dm

Mittlerer Balgwellendurchmesser (siehe Gleichung (14.5.2-3))

E

Elastizitätsmodul des Kompensatorwerkstoffs bei Auslegungstemperatur

Ec

Elastizitätsmodul des Bordringwerkstoffs bei Auslegungstemperatur

Eo

Elastizitätsmodul des Kompensatorwerkstoffs bei austenitischen Stählen und ähnlichen Werkstoffen)

e

Nennwanddicke des Kompensators (siehe Gleichung (14.5.2-1)) Für einwandige Kompensatoren gilt: e = ep.

ec

Wanddicke des Bordrings (siehe Bild 14.1-1)

ep

Nennwanddicke einer Lage

e*

Wanddicke des Kompensators, korrigiert um die Dickenabnahme bei der Umformung (siehe Gleichung (14.5.2-5))

ep*

Dicke einer Lage, korrigiert um die Dickenabnahme bei der Umformung (siehe Gleichung

Raumtemperatur

(= 195 000 N/mm²

bei

(14.5.2-4)) f

Berechnungsnennspannung des Kompensatorwerkstoffs bei Auslegungstemperatur

fc

Berechnungsnennspannung des Bordringwerkstoffs bei Auslegungstemperatur

K

Axialsteifigkeit des Kompensators (siehe Gleichung (14.5.7-1))

k

Faktor , der den Versteifungseffekt des angeschweißten Teils und der Balgwelle auf die Druckkapazität des Bords betrachtet (siehe Gleichung 14.5.2-6)

Lc

Länge des Bordrings (siehe Bild 14.1-1)

Lt

Länge des Bords (siehe Bild 14.1-1)

N

Anzahl der Balgwellen

N alw

Anzahl der möglichen Ermüdungszyklen;

277

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002:05)

N spe

Anzahl der angegebenen Ermüdungszyklen;

np

Anzahl der Lagen

P

Auslegungsdruck

q

Wellenteilung (siehe Bild 14.1-1)

w

Wellenhöhe (siehe Bild 14.1-1)

∆q

Gesamte äquivalente Axialverschiebung je Welle (siehe Bild 14.10.5)

v

Poissonscher Beiwert des Balgmaterials

σ (P )

Von P abhängige Spannung

σ (∆q )

Von ∆q abhängige Spannung

σ eq

Gesamter Beanspruchungsbereich aufgrund zyklischer Ladung

Legende

b Biegung c Bordring m Membran bzw. Meridian p Lagen t Endbord θ Umfang Kein Index Balgwelle

14.4 Geltungsbereich 14.4.1 Geometrie 14.4.1.1 Ein Kompensator umfasst eine oder mehrere identische Balgwellen. Jede Welle ist achssymmetrisch. 14.4.1.2 Jede Balgwelle besteht aus einer oder mehreren Lagen derselben konstanten Dicke und desselben Werkstoffs. 14.4.1.3 Für Kompensatoren mit zylindrischem Endbord der Länge lt ohne Bordring (siehe Bild 14.1-1) gilt: Wenn die Dicke des Bords geringer ist als die des Zylinders, an dem der Balg angeschweíßt ist, muss lt die nachstehende Gleichung erfüllen:

lt ≤ 0,5 e ⋅ Di

278

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002:05) 14.4.2 Belastungen

Dieser Unterabschnitt enthält Regeln für die Auslegung von Kompensatoren, die durch konstanten oder variablen Innendruck und zyklische Axialverschiebungen beansprucht werden. Darüber hinaus gilt: —

Kompensatoren, die Lateral- oder Angularbewegungen ausgesetzt sind, sind nach 14.10 zu berechnen.

—

Für Außendruck gelten besondere Regeln (siehe 14.5.5).

—

Andere Lasten (z. B. Masse, Schwingungen, Wind, Wärmeschock usw.) sind gesondert zu betrachten.

14.4.3 Temperatur

Diese Regeln gelten nur für Temperaturen unterhalb des Kriechbereichs. Der Kriechbereich ist den entsprechenden Europäischen Werkstoffnormen zu entnehmen. Liegen keine derartigen Festlegungen vor, sind nachstehende Werte zu verwenden: —

Auslegungstemperaturen unter 500 °C für austenitische Stähle und ähnliche Werkstoffe nach 14.5.6.3.2;

—

Auslegungstemperaturen unter 380 °C für ferritische Stähle.

14.4.4 Werkstoffe

Diese Regeln beziehen sich auf ferritischen Stahl, austenitischen Stahl und Nickel-Chrom-Eisen, Nickel-EisenChrom, Nickel-Kupfer-Legierungen. 14.4.5 Fertigung

Kompensatoren können durch Kalt- oder Warmumformung durch Anwendung eines mechanischen oder hydraulischen Verfahrens hergestellt werden. Die Hitzebehandlung nach der Kaltumformung ist der Leistungsfähigkeit der Kompensatoren nicht zuträglich. Die Hitzebehandlung ist für Kompensatoren nicht notwendig, wenn eine der folgenden Bedingungen zutrifft: —

Die Form der Balgwelle entspricht den Anforderungen des Abschnitts 14. Die maximale Verformung, die durch die Umformung entstanden ist, übersteigt nicht 0,9 A (angegebener Wert), wobei A die Bruchdehnung (angegebener Wert) ist. Für Elastomerkompensatoren, hydraulische Kompensatoren und solche mit ähnlicher Form gilt die folgende Gleichung: 100 x ln

—

Di + 2 e + 2 w ≤ 0,9 Ae Di + 2 e

(14.4.5-1)

Die Leistungsfähigkeit der Kompensatoren wird durch mindestens drei vergleichbare Ermüdungstests und drei Bruchtests bewiesen (siehe ISO/DIS 15348-2:1998 Abschnitt 12.1.2).

Unmittelbar an Balgwellen angeschweißte Teile, wie Entlüftungs- oder Spülanschlüsse, sind in diesen Regeln nicht erfasst. 14.4.6 Schweißnähte

Eine oder mehrere Längsnähte sind zulässig. Unverstärkte Kompensatoren mit U-förmigem Profil können auch Rundnähte aufweisen (siehe 14.5.8). Der Schweißnahtkoeffizient (siehe 3.5.6) ist gleich Eins und erscheint daher in der Gleichung nicht. In Umfangsrichtung verlaufende Befestigungsnähte von ein- und mehrlagigen Kompensatoren sind gemäß den Skizzen in Tabelle 14.4.6-1 auszulegen.

279

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002:05) Tabelle 14.4.6-1 — Typische Befestigungsnähte für Kompensatoren Schweißnaht-Typ Nr

A verstärkter Bund

Allgemeine Auslegung

Varianten (Kombinationen von A bis D sind zulässig) C D B Hilfsauflage Verstärkungsauflage 2), 3) einzeln doppelt

1)

1.1

außenliegende Überlappung/Kehlnaht

1)

1.2

innenliegende Überlappung, Kehlnaht

2.1

außenliegende Überlappung, Schweißnaht in der Kerbe

2.2

innenliegende Überlappung/ Schweißnaht in der Kerbe

4)

3.0

4)

Stumpfschweißnaht

5)

4.1

Radiale Kantenschweißung (innen oder außen)

4.2

Axiale Kantenschweißung (innen oder außen)

Anmerkungen 1) Bei Kehlnähten muss die Dicke a der Schweißnaht die folgende Gleichung erfüllen: a ≥ 0,7 · es, wobei es die Nenndicke des Verbindungsgehäuses ist. 2) Ein verstärkender Bordring ist ratsam, wenn das zylindrische Endstück des Kompensators Lt übersteigt:

L t ≥ 0,5 es ⋅ Di . 3) Der Verstärkungsring muss axial mittels Schweißen oder mechanischer Geräte angebracht werden. 4) Bei Stoßnähten muss spezielles Werkzeug verwendet werden, um die mehrlagigen Kompensatoren zu schweißen. 5) Der Durchmesser der Schweißnaht, DW, darf den mittleren Durchmesser des Kompensators Dm nicht um mehr als 20 % der Wellenhöhe w übersteigen: DW ≤ Dm + 0,2 w Allgemeines Anschlussstücke und Verstärkungsringe auf der Nicht-Drucklastseite des Kompensators müssen einen Radius oder eine Abschrägung an der Kante zum Bordring des Kompensatoren haben. Diese Teilbilder sind nicht erschöpfend. Andere Konfigurationen können genutzt werden, vorausgesetzt, sie bieten die gleiche Sicherheit.

280

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002:05) 14.4.7 Einbau

Durch Stäbe oder andere geeignete Stützelemente ist bei Transport und Einbau sicherzustellen, dass der Kompensator seine Abmessungen beibehält. Sofern die Auslegung dies nicht ausdrücklich zulässt, darf ein Kompensator nicht auseinandergezogen, zusammengedrückt, verdreht oder seitlich versetzt werden, um nicht ordnungsgemäß ausgerichtete Teile anschließen zu können. Bei Druckbehältern mit Kompensatoren ist die hydrostatische, axiale Druckkraft und/oder die Federkraft des Kompensators durch angemessene Arretierungselemente (z. B. Wärmeaustauscherrohre oder Schale, außen angebrachte Arretierungen, Anker usw.) aufzunehmen. Die Spannung in diesen Arretierungen darf die zulässige Spannung bei Auslegungstemperatur nicht überschreiten.

14.5 Unverstärkte Kompensatoren mit U-förmigem Profil 14.5.1 Allgemeines 14.5.1.1 Anwendungsbereich

Die nachstehenden Regeln gelten für unverstärkte Kompensatoren mit U-förmigen Balgwellen. —

Die in Bild 14.5.1-1 dargestellten Kompensatoren werden im allgemeinen durch Umformen (z. B. hydraulisches Umformen, Walzen) ohne Schweißnähte (an den Balgwellen) in Umfangsrichtung gefertigt. Für diesen Kompensatortyp gelten die Regeln in 14.5.2 bis 14.5.7.

—

In Bild 14.5.8-1 sind einlagige Kompensatoren mit Rundnähten an Wellental und Wellenscheitel dargestellt. Kompensatoren dieses Typs müssen zusätzlich den Anforderungen in 14.5.8 entsprechen.

Legende (1) Ohne Bordring (2) Mit Bordring

(3) Wellental (4) Wellenscheitel Bild 14.5.1-1 — Unverstärkte Kompensatoren mit U-förmigem Profil

281

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002:05) 14.5.1.2 Anwendungsbedingungen

Die Wellen müssen nachstehende Bedingungen erfüllen: (a) Die Wellen bestehen aus einer Seitenwand und zwei Tori mit demselben Radius (an Wellental und Wellenscheitel), in der neutralen Position, damit das Wellenprofil eine glatte geometrische Form, wie in Bild 14.1-1 gezeigt, erhält. Eine Abweichung von 10 % zwischen dem Radius des Wellentals ric und dem Radius des Wellenscheitels rir ist zulässig (siehe Bild 14.5.1-2). (b) Der Torusradius muss so sein, dass: ri ≥ 3 e p , wobei:

ri =

ric + rir , 2

Siehe Bild 14.5.1-2 zu Definitionen für ric und rir . (c) Der Winkel an den Seitenwänden, α, in der neutralen Position muss so sein, dass: − 15 ≤ α ≤ + 15 Grad (siehe Bild 14.5.1-2).

(d) Die Anzahl der Lagen muss so sein, dass: n p ≤ 5 . (e) Die Wellenhöhe muss so sein, dass: w ≤

Di . 3

Bild 14.5.1-2 — Mögliche Konfigurationsformen in der neutralen Position

14.5.2 Ermittlung der Berechnungswerte

e = n p ⋅ ep

(14.5.2-1)

D c = Di + 2 e + e c

(14.5.2-2)

D m = Di + e + h

(14.5.2-3)

e p* = e p

Di Dm

e * = n p ⋅ e p*

282

(14.5.2-4)

(14.5.2-5)

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002:05)

éæ Lt ç k = min ê ç ê ç 1,5 D ⋅ e i p ëè

ù ö ÷ ú ( ) ; 1,0 ÷÷ ú ø û

éæ π − 2 ö ù A = êç ÷ q + 2 wú e * 2 ø ëè û C1 =

C2 =

(14.5.2-6)

(14.5.2-7)

q 2w

(14.5.2-8)

q

(14.5.2-9)

D m ⋅ e p*

2,2

14.5.3 Innendruckfestigkeit 14.5.3.1 Kompensatorbord

Die durch Druck erzeugte Membranspannung in Umfangsrichtung

σ θ,t (P ) =

(Di + e ) ⋅ L t ⋅ E ⋅ k 1 ⋅ ⋅P 2 e ⋅ (Di + e ) ⋅ L t ⋅ E + e c ⋅ D c ⋅ L c ⋅ E c ⋅ k 2

(14.5.3-1)

muss folgende Gleichung erfüllen:

σ θ,t (P ) ≤ f 14.5.3.2 Bordring

Die durch Druck erzeugte Membranspannung in Umfangsrichtung

σ θ,c (P ) =

Dc2 ⋅ L t ⋅ E c ⋅ k 1 ⋅ ⋅P 2 e ⋅ (Di + e ) ⋅ L t ⋅ E + e c ⋅ D c ⋅ Lc ⋅ E c ⋅ k

(14.5.3-2)

muss folgende Gleichung erfüllen:

σ θ,c (P ) ≤ f c 14.5.3.3 Balgwellen

a)

Die durch Druck erzeugte Membranspannung in Umfangsrichtung —

in den äußeren Balgwellen

σ θ,E (P ) =

1 q ⋅ D m + L t (Di + e ) ⋅ ⋅P 2 A + e * ⋅ Lt

(14.5.3-3)

muss folgende Gleichung erfüllen:

σ θ,E (P ) ≤ f

283

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002:05)

—

in den inneren Balgwellen

σ θ,l (P ) =

1 q ⋅ Dm ⋅ ⋅P 2 A

(14.5.3-4)

muss folgende Gleichung erfüllen:

σ θ,I (P ) ≤ f b)

Die durch Druck erzeugte Membranspannung in Meridianrichtung wird wie folgt berechnet:

σ m,m (P ) = c)

2e *

⋅P

(14.5.3-5)

Die durch Druck erzeugte Biegespannung in Meridianrichtung wird wie folgt berechnet:

σ m,b d)

w

(P ) = 1 2n p

æw ⋅ç * çe è p

2

ö ÷ ⋅C ⋅ P p ÷ ø

(14.5.3-6)

Die Summe der Membran- und Biegespannungen in Meridianrichtung muss folgende Gleichung erfüllen:

σ m,m (P ) = σ m,b (P ) ≤ K f ⋅ f

(14.5.3-7)

Dabei ist: Kf = 1,5 für wärmebehandelte Kompensatoren (ohne Kaltverfestigung) Kf = 3,0 für Kompensatoren im Umformzustand (mit Kaltverfestigung) 14.5.4 Durch Innendruck verursachte Instabilität 14.5.4.1 Säuleninstabilität

Der zulässige Auslegungsinnendruck gegen Säuleninstabilität wird wie folgt berechnet: —

Für

n⋅q ≥ C z gilt: Di Ps,c = 0,34

—

Für

(14.5.4-1)

A ⋅ Re* é 0,73 N ⋅ q ù ê 1− ú Di ⋅ q ë Di ⋅ C z û

(14.5.4-2)

n⋅q < C z gilt: Di Ps,c = 0,87

284

π K N ⋅q

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002:05)

Dabei ist: — Cz

Beiwert für den Übergangspunkt

Cz = — Re*

N ⋅ K ⋅ q2

4,72

(14.5.4-3)

Re* ⋅ Di ⋅ A

ist die Streckgrenze bei Auslegungstemperatur (sofern nicht anders festgelegt) des Kompensatorwerkstoffs im Umformzustand oder nach der Wärmebehandlung.

Sind in den Werkstoffnormen keine Werte für Re* angegeben, sind nachstehende Werte zu verwenden: Re*

= 2,3 R p1,0 / t Kompensatoren im Umformzustand

Re*

= 0,75 R p1,0 /t Wärmebehandelte Kompensatoren (ohne Kaltverfestigung)

wobei R p1,0/t wie in Abschnitt 4 definiert die Spannung bei 1 % der Auslegungstemperatur ist. Höhere Werte von Re* sind zulässig, wenn repräsentative Prüfungen dies rechtfertigen. Der Innendruck darf Ps,c nicht überschreiten: P ≤ Ps,c 14.5.4.2 Welleninstabilität

Der zulässige Auslegungsinnendruck gegen Welleninstabilität wird wie folgt berechnet: 2

Ps,i

n p æç e p* ö÷ = 1,4 ⋅ ⋅ Re* Cp ç w ÷ è ø

Der Innendruck darf Ps,i nicht überschreiten:

(14.5.4-4)

P ≤ Ps,i

14.5.5 Durch Außendruck verursachte Instabilität 14.5.5.1 Druckfestigkeit

Die Regeln in 14.5.3 sind in die entsprechenden Gleichungen für P als den absoluten Wert des Außendrucks einzusetzen. ANMERKUNG Ist der Kompensator einem Vakuum ausgesetzt, ist die Berechnung unter der Annahme durchzuführen, dass nur die innere Lage dem Druck standhält. In sämtlichen Gleichungen in 14.5.3 ist deshalb nP = 1 zu verwenden.

14.5.5.2 Instabilität in Umfangsrichtung

Die Berechnung ist nach den Regeln in Abschnitt 8 von Teil 3 durchzuführen, indem der Kompensator durch einen äquivalenten Zylinder mit folgenden Abmessungen ersetzt wird: —

Mittlerer Durchmesser Deq : Deq = Di + n p ⋅ eeq

(14.5.5-1)

285

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002:05)

—

Wanddicke e eq :

(

)

e eq = 3 12 1 − υ 2 ⋅

I xx q

(14.5.5-2)

In dieser Gleichung ist Ixx das Flächenträgheitsmoment der Querschnittsfläche einer Welle relativ zur Achse durch den Flächenschwerpunkt und parallel zur Kompensatorlängsachse (siehe Bild 14.5.5.2-2). ANMERKUNG Wenn Lt = 0 ist, gilt für Ixx:

é (2 w − q )3 2 I xx = e * ⋅ ê + 0,4 q ⋅ (w − 0,2 q ) 48 êë

ù ú úû

(14.5.5-3)

Der zylindrische Teil ist zwischen den beiden am dichtesten zusammenliegenden Verstärkungsringen beiderseits des Kompensators anzusetzen.

Bild 14.5.5-1 — Abmessungen zur Bestimmung von I xx 14.5.6 Ermüdung 14.5.6.1 Berechnung der Spannungen aufgrund der Bewegung ∆q der Wellen

a)

Membranspannung in Meridianrichtung:

σ m,m (∆q ) = b)

( )

E ⋅ e p*

2

2 w3 ⋅ Cf

⋅ ∆q

(14.5.6-1)

Biegespannung in Meridianrichtung:

σ m,b (∆q ) =

5 E ⋅ e p* 3 w 2 ⋅ Cd

⋅ ∆q

(14.5.6-2)

14.5.6.2 Berechnung der Vergleichsspannung bei Wechselbeanspruchung

σ eq = 0,7 × [σ m,m (P ) + σ m,b (P )] + [σ m,m (∆q ) + σ m,b (∆q )]

286

(14.5.6-3)

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002:05) 14.5.6.3 Berechnung der Anzahl der zulässigen Lastzyklen 14.5.6.3.1 Allgemeines

Unter Berücksichtigung der voraussichtlichen Lastzyklen N spe während der Lebensdauer des Kompensators wird eine spezifische Lastzyklenanzahl festgelegt. Die zulässige Lastzyklenanzahl N alw muss wie in diesem Abschnitt dargelegt N spe übersteigen: N alw ≥ N spe . Die in den folgenden Gleichungen angegebene zulässige Lastzyklenanzahl enthält einen angemessenen Sicherheitszuschlag und dürfte die zu erwartenden Betriebslastzyklenanzahl abdecken. Aus diesem Grund sollte kein zusätzlicher Sicherheitsbeiwert eingerechnet werden; eine übertrieben konservative Schätzung der zu erwartenden Lastzyklenanzahl kann eine höhere Anzahl von Balgwellen zur Folge haben, die wiederum den Kompensator für Instabilität anfälliger macht. Ist der Kompensator verschiedenen Druck- oder Bewegungszyklen (z. B. beim An- oder Abfahren) ausgesetzt, können diese Zyklen durch das Minersche Verfahren zur Berechnung der akkumulierten Ermüdung (siehe 18.5.6) berücksichtigt werden. Die Verwendung vom Hersteller erstellter spezifischer Ermüdungskurven ist zulässig, sofern die Forderungen in 14.9 erfüllt werden. 14.5.6.3.2 Austenitische Stähle und vergleichbare Werkstoffe

Dieser Unterabschnitt gilt für austenitische Stähle sowie für Nickelchromeisen-, Nickeleisenchrom- und Nickel kupferlegierungen. a)

Die zulässige Lastzyklenanzahl für Kompensatoren im Umformzustand (mit Kaltverfestigung) wird wie folgt berechnet (siehe Bild 14.5.6-1):

N alw

é ù ê ú 8900 =ê ú ê E 0 σ − 280 ú eq úû ëê E

3,6

(14.5.6-4)

2

Die Einheit von σ eq ist N/mm . Für

E0 σ eq ≤ 280 N/mm2 gilt: N alw = 10 6 Lastspiele. E

Diese Gleichung enthält einen Sicherheitszuschlag von 3 für Lastzyklen bzw. von 1,25 für Spannungen. Gleichung und Ermüdungskurve gelten nur für: 370 ≤ N alw ≤ 10 6 b)

Die zulässige Lastzyklenanzahl für wärmebehandelte Kompensatoren (ohne Kaltverfestigung) wird wie folgt berechnet (siehe Bild 14.5.6-2): —

2

Für σ eq ≥ 530 N/mm gilt:

N alw

—

Für

é ù ê ú 24254 =ê ú ê E 0 σ − 349 ú êë E eq úû

2

(14.5.6-5)

E0 σ eq < 530 N/mm2 gilt: E

287

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002:05)

N alw

ù é ú ê 33607 =ê ú ê E 0 σ − 279 ú úû êë E eq

2

(14.5.6-6)

2

Die Einheit von σ eq ist N/mm . Für

E0 σ eq ≤ 279 N/mm2 gilt: N alw = 10 6 Lastspiele. E

Diese Gleichung enthält einen Sicherheitszuschlag von 3 für Lastzyklen bzw. von 1,25 für Spannungen. Ermüdungskurve und Gleichung gelten nur für: 10 2 ≤ N alw ≤ 10 6 14.5.6.3.3 Ferritische Stähle

Für ferritische Stähle gelten die Ermüdungskurven gemäß 18.10 bzw. 18.11.

14.5.7 Axialsteifigkeit

Die theoretische Axialsteifigkeit eines Kompensators mit n Balgwellen kann nach der folgenden Gleichung ermittelt werden: np F π K = E = ⋅ ⋅ ⋅ Dm N ⋅ ∆q 2 (1 − v 2 ) N

æ e p* ⋅ç çw è

3

ö ÷ ⋅ 1 ÷ Cf ø

(14.5.7-1)

Dabei ist FB die Axialkraft und n ⋅ ∆l die dadurch verursachte Axialbewegung des Kompensators. Diese Gleichung gilt nur für den elastischen Bereich. ANMERKUNG Außerhalb dieses Bereichs können niedrigere Werte verwendet werden, die auf der Erfahrung des Herstellers oder repräsentativen Prüfungen beruhen (siehe K.1).

288

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002:05)

ANMERKUNG

In K.2 sind polynome Näherungen dieser Gleichungen angegeben.

Bild 14.5.2-1 — Berechnungsbeiwert C p

289

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002:05)

ANMERKUNG

In K.2 sind polynome Näherungen dieser Gleichungen angegeben.

Bild 14.5.2-2 — Berechnungsbeiwert C f

290

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002:05)

ANMERKUNG

In K.2 sind polynome Näherungen dieser Gleichungen angegeben.

Bild 14.5.2-3 — Berechnungsbeiwert C d

291

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002:05)

Bild 14.5.6-1 — Ermüdungskurve für unverstärkte Kompensatoren im Umformzustand aus austenitischem Stahl

292

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002:05)

Bild 14.5.6-2 — Ermüdungskurve für wärmebehandelte unverstärkte Kompensatoren aus austenitischem Stahl

293

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002:05) 14.5.8

Mit einer Rundnaht am Wellenscheitel oder Wellental verschweißte Balgwellen mit U-förmigem Profil

14.5.8.1 Inhalt

Dieser Unterabschnitt gilt für einlagige Kompensatoren mit U-förmigem Halbwellenprofil aus zwei symmetrischen Hälften, die durch eine Rundnaht miteinander verschweißt sind. —

direkt (Bild 14.5.8-1a),

—

durch Einsetzen eines zylindrischen Zwischenelements (Bild 14.5.8-1b),

—

durch einen durch Umformen gebildeten geraden Abschnitt (Bild 14.5.8-1c).

Die einzelnen Halbwellen können entweder nahtlos aus einem Stück gefertigt werden (Bild 14.5.8-1a und 14.5.81b), oder aus mehreren Teilen zusammengesetzt sein, die durch Längsnähte verschweißt werden (Bild 14.5.8-1d).

(1) Rundnähte

(2) Längsnähte

Bild 14.5.8-1 — Rundnähte an Balgwellen mit U-förmigem Profil 14.5.8.2 Berechnung

Die Berechnung erfolgt nach den Anforderungen in 14.5.1 bis 14.5.7. Zusätzlich gelten die nachstehenden Forderungen: a)

Um die Verschweißung zu vereinfachen, können die beiden Halbwellen ein kurzes zylindrisches Segment der Länge mi im Wellental und m e am Wellenscheitel aufweisen (siehe Bild 14.5.8-2). Um die Schweißarbeiten zu erleichtern, müssen die Längen mi und m e nachstehende Gleichungen erfüllen: m i ≤ 0,2 D m ⋅ e

294

m e ≤ 0,2 D m ⋅ e

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002:05)

Bild 14.5.8-2 — Wellen mit zylindrischem Segment

b)

Die Gleichungen (14.5.3-3) und (14.5.3-4) in 14.5.3.3 zur Berechnung von σ θ,E (P ) und σ θ,I (P ) werden durch die folgenden Gleichungen ersetzt:

c)

σ θ,E (P ) =

1 (q − mi ) ⋅ D m + me ⋅ w + (L t + mi / 2) ⋅ (Di + e ) ⋅ ⋅P 2 A + e * (m e + L t + mi / 2 )

(14.5.8-1)

σ θ,l (P ) =

1 (q − m i ) ⋅ D m + m e ⋅ w + mi ⋅ (Di + e ) ⋅ ⋅P 2 A + e * (m e + m i )

(14.5.8-2)

Der aus Gleichung (14.5.6-3) ermittelte Wert von σ eq (siehe 14.5.6.2) ist mit dem Faktor 2 zu multiplizieren.

d) 14.5.8.3 Herstellung 14.5.8.3.1 Allgemeines

Die Anforderungen in 14.5.8.3.2 und 14.5.8.3.3 gelten zusätzlich zu denen in Abschnitt 4 dieser Norm. 14.5.8.3.2 Formen der Halbwellen

Die Halbwellen können durch Kalt-, Warm- oder Heißformen, mit einer Rollenbiegemaschine, einer Presse oder durch ein anderes zugelassenes Verfahren gefertigt werden. Nach der Formung der Halbwellen ist keine Wärmebehandlung notwendig, wenn die folgenden Bedingungen erfüllt sind: —

das verwendete Material hat eine Bruchdehnung Ae (festgelegter Wert) von mindestens 20 %, und ein Verhältnis R p0,2/t / R m von weniger als 0,66: Ae > 20 %

R p 0,2/t Rm

≤ 0,66

wobei R p0,2/t und R m in 3.4 angegeben sind; —

die Form der Halbwellen entspricht den Anforderungen in 14.5;

295

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002:05) —

der Dehnungswert durch Verformung ist kleiner/gleich der Hälfte des Bruchdehnungswertes: 2

100 ⋅ —

æ ö Di æ2eö çç ÷÷ + çç − 1÷÷ è q ø è Di − ri (π − 2 ) − e (π / 2 − 2) ø

2

≤

Ae 2

die Fertigungstoleranz der Wanddicke sinkt auf 50 % der in Tabelle 14.5.8–1 angegebenen Werte.

Die Eigenschaften des Werkstoffs, insbesondere seine Festigkeit, Korrosionsbeständigkeit und Oberflächenmerkmale, dürfen durch das Umformverfahren nicht irreversibel verändert werden. Demgemäss gelten für das Umformen die Anforderungen in EN 13445-4:2002. 14.5.8.3.3 Fertigungstoleranzen

Die Fertigungstoleranzen für Balgwellen sind in Tabelle 14.5.8–1 angegeben. Sie gelten für geformte Balgwellen in Ruheposition

296

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002:05) Tabelle 14.5.8-1 — Fertigungstoleranzen

Di

De

q

q'

≤ 400

±3

±6

±4

400 < Di ≤ 900

+6 -3

900 < Di ≤ 1 400 1 400 < Di ≤ 2 000

Übereinstimmung mit den Toleranzen für die Nahtränder in Abschnitt 5

±5

+7

+8

-4 ± 10

+8

±6

-4 > 2 000

± 12

+ 10 -5

Nennwanddicke

e nach dem Umformen

w

c

≤ 2,5

+ 0,2 - 0,3

≤ 120

±2

2,5 < e ≤ 4

± 0,4

120 < w ≤ 160

± 2,5

4 300 mm Die maximale Dicke e p,max ist durch nachstehende Gleichung gegeben:

[(

)

e p,max = min 0,087 Di , (4 mm ) a)

]

(14.8.2-1)

Einlagige Kompensatoren, die durch hydraulisches Pressen, Gießen (Elastomer) oder ein vergleichbares Verfahren geformt werden. Die Nennwanddicke e p darf e p,max nicht überschreiten: e p ≤ e p,max

b)

Mehrlagige Kompensatoren —

Die Nennwanddicke einer Lage darf e p,max nicht überschreiten: e p ≤ e p,max

—

Eine Entlüftungsöffnung sollte möglichst vorhanden und zugänglich sein.

Ist eine Entlüftungsöffnung nicht realisierbar, muss durch eine besondere Dichtheitsprüfung die Dichtheit der mit dem Fluid unter Druck in Kontakt stehenden Lagen nachgewiesen werden. 14.8.2.3 Durchstrahlungsprüfung

Für die Durchstrahlungsprüfung gelten die Anforderungen aus 6.1.5 in EN 13445-5:2002 mit nachstehenden Änderungen zu Tabelle 6.1.5.3-2: —

Gasdichtheit und Poren: •

Maximaler Porendurchmesser: 0,4 e p ;

•

Maximale Porenanzahl: 5 je 100 mm;

—

Schlauchporen: Nicht zulässig;

—

Einschlüsse: Nicht zulässig;

—

Bindefehler oder ungenügende Durchschweißung: Nicht zulässig;

—

Länge der Einbrandkerbe bei kurzen Unregelmäßigkeiten: 0,1 e p . Sanfter Übergang erforderlich.

—

Länge der Wurzelkerbe bei kurzen Unregelmäßigkeiten: 0,1 ep. Sanfter Übergang erforderlich.

299

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002:05) 14.8.3 Druckprüfung

Kompensatoren sind gemäß EN 13445-5:2002, 10.2.3 zu prüfen. Der Konstrukteur muss jedoch berücksichtigen, dass es zu Instabilität des Kompensators kommen kann, wenn der Prüfdruck folgenden Wert übersteigt: Pt,s,c = 1,5 Ps,c

Eo E

(14.8.3-1)

In diesem Fall muss der Konstrukteur: a)

besondere Sicherheitsmaßnahmen für die Prüfung festlegen oder

b)

den Kompensator neu berechnen, um die Prüfbedingungen zu erfüllen.

14.8.4 Dichtheitsprüfung

Wird eine Dichtheitsprüfung durchgeführt, gelten die Anforderungen nach EN 13445-5:2002, Anhang D.

14.9 Erstellen von Ermüdungskurven Die Verwendung der vom Hersteller für seine Produkte speziell erstellten Ermüdungskurven ist zulässig, sofern dabei das in Anhang K.3 beschriebene Verfahren für die Prüfung der Lastzyklenanzahl angewendet wurde. ANMERKUNG

Anhang K.3 wird von CEN/TC 54/WG C ausgearbeitet.

14.10 Kompensatoren unter Einwirkung von Axial-, Lateral- oder Angularbewegungen 14.10.1 Allgemeines

Dieser Unterabschnitt dient der Berechnung des äquivalenten Axialwegs eines Kompensators, dessen Enden folgenden Bewegungen ausgesetzt sind: —

Axialweg x aus der Mittelstellung:

x Längung (x > 0) oder Stauchung (x < 0);

—

Lateralweg y:

y (y > 0);

—

Biegewinkel θ :

θ (θ > 0).

14.10.2 Axialbewegung

Der einem Axialweg x (siehe Bild 14.10.2-1) der Kompensatorenden entsprechende äquivalente Axialweg der einzelnen Balgwellen wird wie folgt berechnet:

∆q x =

1 ⋅x N

Dabei ist der Wert x

(14.10.2-1) bei Längung positiv

(x > 0)

bei Stauchung negativ

(x < 0)

Die Werte von x können für Längung und Stauchung unterschiedlich sein. Die entsprechende Axialkraft Fx an den Kompensatorenden wird wie folgt berechnet: Fx = K ⋅ x

300

(14.10.2-2)

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002:05)

(1) Ausgangslänge Bild 14.10.2-1 — Kompensator unter Einwirkung eines Axialwegs x 14.10.3 Lateralbewegung

Der einem Lateralweg y (siehe Bild 14.10.3-1) der Kompensatorenden entsprechende äquivalente Axialweg der einzelnen Balgwellen wird wie folgt berechnet:

∆q y =

3 Dm ⋅y N (N ⋅ q + x )

(14.10.3-1)

Dabei ist der Wert für y positiv. Die entsprechende Lateralkraft Fy an den Kompensatorenden wird wie folgt berechnet: Fy =

3 K ⋅ D m2

2 (N ⋅ q + x )

2

⋅y

(14.10.3-2)

Das entsprechende Moment M y an den Kompensatorenden wird wie folgt berechnet: My =

3 K ⋅ D m2 ⋅y 4 (N ⋅ q + x )

(14.10.3-3)

(1) Ausgangslänge Bild 14.10.3-1 — Kompensator unter Einwirkung eines Lateralwegs y

301

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002:05) 14.10.4 Angularbewegung

Wenn die Kompensatorenden einer Angularbewegung θ (siehe Bild 14.10.4-1) ausgesetzt sind, wird der entsprechende Axialweg wie folgt berechnet:

∆q θ =

Dm ⋅θ 2N

(14.10.4-1)

Dabei ist die Einheit für θ rad und der Wert für θ positiv. Das entsprechende Moment M θ an den Kompensatorenden wird wie folgt berechnet: Mθ =

K ⋅ D m2 ⋅θ 8

(14.10.4-2)

Bild 14.10.4-1 — Kompensatoren unter Axialbewegung θ 14.10.5 Gesamter äquivalenter Axialweg 14.10.5.1 Äquivalenter Axialweg

Der gesamte äquivalente Axialweg (Längung oder Stauchung) der einzelnen Balgwellen wird wie folgt berechnet:

∆q e = ∆q x + ∆q y + ∆q θ

(Längung)

(14.10.5-1)

∆q c = ∆q x − ∆q y − ∆q θ

(Stauchung)

(14.10.5-2)

14.10.5.2 Kompensatoreinbau ohne Vorspannung

Dieser Abschnitt ist dann gültig, wenn der Kompensator Bewegungen unterworfen ist (siehe Bild 14.10.5-1): —

aus neutraler Position (x 0 = 0 , y 0 = 0 , θ 0 = 0 )

—

aus Betriebsposition (x, y, θ)

302

∆q e = ∆q x + ∆q y + ∆q θ

(Längung)

(14.10.5-3)

∆q c = ∆q x − ∆q y − ∆q θ

(Stauchung)

(14.10.5-4)

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002:05)

Wenn x > 0 ist, findet die erste Formel Anwendung Wenn x < 0 ist, findet die zweite Formel Anwendung Der gesamte äquivalente Axialweg wird wie folgt berechnet:

[

∆q = max ∆q e , ∆q c

]

(14.10.5-5)

(n) neutrale Position

(1) Betriebsposition ∆q

Bild 14.10.5-1 — Zyklische Bewegungen

303

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002:05) 14.10.5.3 Einbau des Kompensators mit Vorspannung

Dieser Abschnitt findet dann Anwendung, wenn der Kompensator Bewegungen unterworfen ist (siehe Bild 14.10.5-2): —

—

aus Ausgangsposition (x 0 , y 0 , θ 0 ) , die nicht der neutralen Position entspricht,

∆q e,0 = ∆q x,0 + ∆q y,0 + ∆q θ,0

(Längung)

(14.10.5-6)

∆q c,0 = ∆q x,0 − ∆q y,0 − ∆q θ,0

(Stauchung)

(14.10.5-7)

∆q e = ∆q x + ∆q y + ∆q θ

(Längung)

(14.10.5-8)

∆q c = ∆q x − ∆q y − ∆q θ

(Stauchung)

(14.10.5-9)

zur Betriebsposition (x, y, θ)

Der gesamte äquivalente Axialweg wird wie folgt berechnet:

[

∆q = max ∆q e − ∆q c,0 , ∆q c − ∆q e,0

]

(14.10.5-10)

(0) Ausgangsposition ∆q0

(n) neutrale Position

(1) Betriebsposition ∆q

Bild 14.10.5-2 — Zyklische Bewegungen 4.10.5.4 Kompensatoren, die zwei unterschiedlichen zyklischen Bewegungen unterliegen

Dieser Abschnitt findet dann Anwendung, wenn ein Kompensator Bewegungen unterliegt (siehe Bild 14.10.5-3): —

—

304

von Betriebsposition 1 (x1, y1, θ 1 ) ,

∆q e,1 = ∆q x,1 + ∆q y,1 + ∆q θ,1

(Längung)

(14.10.5-11)

∆q c,1 = ∆q x,1 − ∆q y,1 − ∆q θ,1

(Stauchung)

(14.10.5-12)

∆q e,2 = ∆q x,2 + ∆q y,2 + ∆q θ,2

(Längung)

(14.10.5-13)

∆q c,2 = ∆q x,2 − ∆q y,2 − ∆q θ,2

(Stauchung)

(14.10.5-14)

zu Betriebsposition 2 (x 2 , y 2 , θ 2 )

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002:05)

Der gesamte äquivalente Axialweg wird wie folgt berechnet:

[

∆q = max ∆q e,2 − ∆q c,1 , ∆q c,2 − ∆q e,1

]

(14.10.5-15)

Eine Vorspannung in Ausgangsposition (0) hat keinen Einfluss auf die Ergebnisse.

0) Ausgangsposition 0 n) neutrale Position

(1) Betriebsposition 1 (2) Betriebsposition 2

Bild 14.10.5-3 — Zyklische Bewegungen

305

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

15 Rechteckige Druckbehälter 15.1 Allgemeines Dieser Abschnitt enthält Anforderungen für die Auslegung von unverstärkten und verstärkten Druckbehältern mit rechteckigem Querschnitt. Für die Auslegung auf Ermüdung sind die Abschnitte 17 oder 18 heranzuziehen.

15.2 Zusätzliche Definitionen Folgende Definitionen gelten zusätzlich zu denen in Abschnitt 3. 15.2.1 Membranspannung gleichförmige Spannung in der Behälterwand; siehe auch Anhang C.4.4.2. 15.2.2 Biegespannung lineare verteilte Spannung in der Behälterwand; siehe auch Anhang C.4.4.3.

15.3 Zusätzliche Symbole und Abkürzungen Folgende Symbole und Abkürzungen gelten zusätzlich zu denen in Abschnitt 4. a

Eckeninnenradius

A1

Querschnittsfläche einer Verstärkung, die an der kurzen Behälterseite angebracht ist

A2

Querschnittsfläche einer Verstärkung, die an der langen Behälterseite angebracht ist

b

Ungestützte Breite der ebenen Platte zwischen Verstärkungen (siehe Bild 15.6-1)

be

Mittragenden Breite einer Platte in Verbindung mit einer Verstärkung (siehe Bild 15.6-1)

bR

Abstand zwischen den Mittellinien der Verstärkungen am Behälter

c

Abstand zwischen der neutralen Faser und der außenliegenden Faser der Wand; die nach innen gemessenen Werte für c sind positiv.

C

Verhältnis zwischen langer und kurzer Seite einer ungestützten Platte zwischen Versteifungen (siehe Tabelle 15.6-2)

d

Lochdurchmesser oder Innendurchmesser einer durchgeschweißten Schweißverbindung

g

Ungestützte Spannweite

306

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

h

Innenlänge der langen Behälterseite

h1

Abstand zwischen den neutralen Fasern der Verstärkungen an der langen Behälterseite

H

Innenlänge der kurzen Behälterseite

H1

Abstand zwischen den neutralen Fasern der Verstärkungen an der kurzen Behälterseite

I1, I2

Flächenträgheitsmoment eines Streifens der Dicke e

I11

Flächenträgheitsmoment der Kombination von Verstärkung und zugehöriger Platte an der kurzen Behälterseite

I21

Flächenträgheitsmoment der Kombination aus Verstärkung und zugehöriger Platte an der langen Behälterseite

K

Beiwert, der durch Gleichung (15.5.2-4) gegeben ist

K3

Beiwert für einen unverstärkten Behälter gemäß Bild 15.5-1

l1, lx, L, Ly

Längenabmessungen des Behälters

MA

Biegemoment in der Mitte der langen Seite; der Wert ist positiv, wenn die Behälteraußenseite druckbeaufschlagt wird. (Ausgedrückt als Biegemoment je Längeneinheit in N·mm/mm.)

p

Teilung der Öffnungen in Längsrichtung (siehe Bild 15.5.2)

ps

Teilung der Öffnungen in diagonaler Richtung (siehe Bild 15.5.2)

α

Beiwert, der durch Gleichung (15.5.2-5) gegeben ist

α1

Beiwert, der durch Gleichung (15.5.1.2-13) gegeben ist

α3

Beiwert, der durch Gleichung (15.5.1.2-14) gegeben ist

β

Winkel zwischen den in Linie angeordneten Löchern und Längsachse (siehe Bild 15.5-2)

θ

Lagewinkel der Ecke eines Behälters (siehe Bild 15.5-2)

µ

Verschwächungsbeiwert

σb

Biegespannung

σm

Membranspannung

φ

Beiwert, der durch Gleichung (15.5.1.2-15) gegeben ist

307

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

15.4 Allgemeines Die Gleichungen dieses Unterabschnitts sind für die Berechnung der Membran- und Biegespannungen in unverstärkten und verstärkten rechteckigen Druckbehältern zu verwenden. Die größte Spannung an einem bestimmten Punkt ist als die Summe von Membranspannung und Biegespannung in diesem Punkt anzusetzen. Bei Druckbehältern, die im Betrieb übermäßigen Ermüdungsbeanspruchungen ausgesetzt sind, z. B. Sterilisatoren, müssen die Ecken der Längsseiten einen Innenradius von mindestens dem Dreifachen der Wanddicke aufweisen. Druckbehälter mit verschließbaren Öffnungen müssen einer besonderen Analyse unterzogen werden, um eventuelle Verformungen an Verschlussdeckel und Rand der Öffnung feststellen zu können. ANMERKUNG

Besondere Aufmerksamkeit ist auf die Auswahl der Dichtung zu verwenden.

15.5 Unverstärkte Behälter 15.5.1 Unverstärkte Behälter ohne Anker 15.5.1.1 Allgemeines Dieses Verfahren gilt für Behälter des in Bild 15.5-1 dargestellten Typs. Es wird angenommen, dass die Wanddicken von kurzer und langer Seite gleich sind. Ist das nicht der Fall, ist das Verfahren in 15.6 anzuwenden.

15.5.1.2

Unverschwächte Platten

Weicht die Dicke der kurzen Seite von der der langen Seite ab, muss die Berechnung nach dem Verfahren für verstärkte Druckbehälter (15.6) erfolgen. Bei unverstärkten Druckbehältern gemäß Bild 15.5-1 werden die Membranspannungen wie folgt berechnet. In Punkt C

(σ m ) c

=

P (a + L) e

(15.5.1.2-1)

In Punkt D

(σ m ) D = (σ m )C In Punkt B

(σ m ) B =

308

P (a + l 1 ) e

(15.5.1.2-2)

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05) In Punkt A

(σ m )A = (σ m )B In einer Ecke, z.B. zwischen B und C (σ m ) B −C =

Pì ía + eî

( L2 + l12 ) üýþ

(15.5.1.2-3)

Das Flächenträgheitsmoment beträgt:

I1 = I 2 = e 3 / 12

(15.5.1.2-4)

Bild 15.5-1: Unverstärkter Behälter

Die Biegespannungen werden wie folgt berechnet. In Punkt C

(σ b )C = ±

e é 2M + P (2a ⋅ L − 2a ⋅ L1 + L2 )ù ûú 4I1 ëê A

(15.5.1.2-5)

In Punkt D (σ b ) D = ±

e 4I1

(

)

é 2 2 ù êë2M A + P 2a ⋅ L − 2a ⋅ L1 + L − l 1 úû

(15.5.1.2-6)

309

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

In Punkt A (σ b ) A = ±

(15.5.1.2-7)

M Ae 2I1

In Punkt B

(σ b ) B = ± 4eI

1

[2M

A

+ P L2

]

(15.5.1.2-8)

In der Ecke

(σ b ) B−C = ± 4eI

1

[2M

A

{

+ P 2a (L cos θ − l 1(1 − sin θ )) + L 2

}]

(15.5.1.2-9)

Für diese Gleichungen gilt: a) Der Parameter (σ b ) B −C hat seinen Höchstwert, wenn θ = arctan (l 1 / L)

(15.5.1.2-10)

und b) das Biegemoment MA

je Längeneinheit die folgende Gleichung erfüllt:

M A = P ⋅ ( −K 3 )

(15.5.1.2-11)

Dabei ist:

K3 =

(

l 12 6φ 2 ⋅ α 3 − 3πφ 2 + 6φ 2 + α 3 3 + 3α 3 2 − 6φ − 2 + 15 . πα 3 2 ⋅ φ + 6φ ⋅ α 3

(

)

)

(15.5.1.2-12)

3 2α 3 + πφ + 2

α1 = H1 / h1

(15.5.1.2-13)

α 1 = H1 / h1

(15.5.1.2-14)

α 3 = L / l1

(15.5.1.2-15)

Die maximale Spannung in einem Punkt ergibt sich gemäß 15.4 durch Aufsummieren der Membran- und Biegespannungen. 15.5.1.3 Gelochte Platten

Der Verschwächungsbeiwert einer gelochten Platte ist durch folgende Gleichung gegeben:

µ=

p −d p

(15.5.1.3-1)

Wenn µ kleiner ist als der Schweißnahtfaktor z, ergeben sich die Membran- und Biegespannungen für die Nettofläche des Abschnitts durch Division der Werte für die Bruttofläche durch µ.

310

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

Bild 15.5-2 – Unverstärkter Behälter mit gelochten Seiten

Ist der Verschwächungsbeiwert der Stege µ ≥ 0,2, werden die Membranspannungen wie folgt berechnet:

(σ m ) y

=

(σ m ) x

=

(σ m ) B

(15.5.1.3-2)

µ

(σ m )C

(15.5.1.3-3)

µ

Die Biegespannungen werden wie folgt berechnet:

(σ b ) y = ± 4Ie µ [2M A + PL y 2 ]

(15.5.1.3-4)

1

(σ b ) x =±

e 4 I1µ

{

}

é2M + P 2a ⋅ L − 2a ⋅ L + L2 − (I − l )2 ù 1 1 x êë A úû

(15.5.1.3-5)

Für Löcher, die in einem Winkel zur Achse angeordnet sein, wird µ in den Gleichungen (15.5.2-1) bis µs (15.5.2-4) durch ersetzt. Dabei ist: cos β (15.5.1.3-6) p −d µs = s ps

311

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

Die zulässigen Membran- und Biegespannungen sind gemäß 15.5.3 zu berechnen. Die Summe der Spannungen muss die Forderungen an allen Punkten erfüllen, wobei der Mindestabstand der Löcher von der angrenzenden Behälterwand gleich dem größeren Wert von a oder 0,5d sein muss. Bei Löchern mit geringerem Abstand zur Wand und bei µ < 0,2 a muss eine Spannungsanalyse durchgeführt werden. 15.5.2 Unverstärkte Behälter mit zentralem Anker

Bild 15.5-3 – Unverstärkter Behälter mit zentralem Anker

Die Membranspannungen bei unverstärkten Behältern mit einem zentralen Anker gemäß Bild 15.3-3 werden wie folgt berechnet: In Punkt C

(

ì é2 + k 5 − α 2 P⋅h ï σm = í4 − ê c ê 4e 1 ï 1 + 2k ë î

( )

) ùúüï ý úï ûþ

(15.5.2-1)

In Punkt D

(σ m ) D = (σ m ) c In Punkt B

(σ m ) b = p2e⋅ H 2

312

(15.5.2-2)

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

In Punkt A

In der Trennwand 2 é P ⋅ H ê2 + k 5 − α σm = p 2e 3 ê 1 + 2k ë

(

( ) k=

l2 ⋅α l1

α=

H h

) ùú

(15.5.2-3)

ú û

(15.5.2-4)

(15.5.2-5)

Die Biegespannungen werden wie folgt berechnet: In Punkt C (15.5.2-6)

P ⋅ h 2 e1 æ 1 + 2α 2 ⋅ k ö ç ÷ σb = c 24 ⋅ I1 çè 1 + 2k ÷ø

( )

In Punkt D P ⋅ e1 æ 1 + 2α ⋅ k ö ç 3H 2 − 2h 2 ç (σ b ) D = 48 ÷÷ è 1 + 2k ø ø ⋅I è ö

æ

(15.5.2-7)

1

In Punkt B

æ

2

ö

h ⋅ e 2 1 + 2α ⋅ k ç ÷ (σ b ) B = P ⋅24 ç 1 + 2k ÷ I 2

2

è

(15.5.2-8)

ø

In Punkt A

(

2 é Ph 2 e 2 ê 1 + k 3 − α σb = A 24I 2 ê 1 + 2k ë

( )

) ùú

(15.5.2-9)

ú û

Die zulässigen Auslegungsmembran- und -biegespannungen werden gemäß 15.5.3 berechnet. 15.5.3 Zulässige Spannungen in unverstärkten Behältern

Die Membranspannungen müssen die folgende Bedingung erfüllen:

σm ≤ f ⋅z

(15.5.3-1)

Die Summe der Membran- und Biegespannungen muss die folgende Bedingung erfüllen:

σ m + σ b ≤ 15 , ⋅f ⋅z

15.5.3-2)

Dabei ist z = 1 für Seitenwände ohne Längs- und Rundnähte.

313

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

15.6 Verstärkte Druckbehälter 15.6.1 Allgemeines Bei verstärkten Druckbehältern gemäß Bild 15.6-1 muss die Verstärkung als durchgehender Rahmen ausgeführt sein, der entweder der Form des Behälters angeglichen ist oder ein geschlossenes Rechteck bildet. Die einzelnen Verstärkungselemente müssen in einer Ebene senkrecht zur Längsachse des Behälters an der Außenseite angeschweißt werden. Diese Berechnung ist anwendbar, wenn das Flächenträgheitsmoment der beiden gegenüberliegenden Seiten eines Behälters gleich ist. Ist das nicht der Fall, ist eine besondere Analyse erforderlich.

Bild 15.6-1 – Verstärkungselement und zugehörige mittragende Plattenbreite

15.6.2 Schubbelastung des verstärkten Bereichs 15.6.2.1 Allgemeines

Für die Berechnung des effektiven Flächenträgheitsmoments der Verstärkung werden die Verstärkungselemente und die angebrachten Behälterwandelemente als zusammenwirkende bauliche Einheit betrachtet. Um dieses konstruktive Verhalten zu gewährleisten, sind die Schubspannungen im Verstärkungselement und in der Schweißnaht zwischen Verstärkungselement und Behälter wie nachstehend beschrieben zu begrenzen. 15.6.2.2 Durchlaufende Schweißnähte der Verstärkungen

Bei durchlaufenden Schweißnähten kann die Schubspannung in der Schweißnaht zwischen Verstärkung und Behälter wie folgt berechnet werden.

τ=

314

Q ⋅ A' ⋅ j I ⋅ bcw

(15.6.2.2-1)

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

Dabei ist: Q ’

Schublast in dem Abschnitt nahe der Ecke

A j

Fläche des Teils des verbundenen Bereichs ober- oder unterhalb des Berechnungspunkts I Abstand des Schwerpunkts der Fläche A von der neutralen Achse

I

Flächenträgheitsmoment der verbundenen Querschnittsfläche

bcw

Nettobreite des gemessenen Abschnitts (Summe von Schweißnahtdicke und Nahteinbrand oder Dicke der Verstärkung)

VERSTÄRKTE ABSCHNITTE

Bild 15.6–2

315

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05) Tabelle 15.6–1 VERSTÄRKUNGSSTEGE (Ebene Elemente senkrecht zur Biegeachse) Teilbild Bauart des verstärkten Abschnitts Berechnung der Breite Größtes Verhältnis (a.1, 2, 3) Gewalzt oder kaltgeformt d.w = h.r - 1,5 t.r d.w/t.w 8,7 gilt: R ea

æ e ö 0,25 π R ea E ç a ÷ è Rø Qmax = 15 ,

, 15

(16.8-31)

16.8.8 Lastgrenze an einem Sattel mit zusätzlichem Verstärkungsblech

Bei Verwendung eines zusätzlichen Verstärkungsblechs wird die Lastgrenze wie folgt ermittelt. 1) Gleichung (16.8-32) berechnen und bewerten: b2 ≥ K11 Di + 15 , b1

(16.8-32)

Dabei ist: K11 =

5

(0,10472 δ )

(16.8-33) D 3 i ea

2) Wird die Bedingung in Gleichung (16.8-32) nicht erfüllt, mit Schritt 5) fortfahren. 3) Die zulässigen Kräfte F2,max und F3,max nach Gleichung (16.8-25) bzw. (16.8-26) berechnen. 4) Prüfen, ob die folgende Ungleichung erfüllt ist.

(

Fi ≤ 15 , min F2,max ; F3,max

)

(16.8-34)

Mit Schritt 6) fortfahren. 5) Die nachstehenden Berechnungen gemäß 16.8.7 mit folgenden Abmessungen durchführen. a) Berechnung 1: Das Verstärkungsblech wird als Sattel der Breite b2 anstelle von b1 und dem Umschlingungswinkel δ2 anstelle von δ. betrachtet. Die Wanddicke ist ea, wobei die Dicke des Verstärkungsblechs unberücksichtigt bleibt. b) Berechnung 2: Das Verstärkungsblech wird als Verstärkung der Schalenwand betrachtet. Die Sattelbreite ist b1, der Umschlingungswinkel δ. Für die tatsächliche Wanddicke wird die kombinierte Wanddicke ec verwendet.

ec =

æ æ f ö 2ö 2 e a2 + e 22 . min çç 1 ; ç ÷ ÷÷ è è f ø ø

(16.8-35)

6) Die Prüfung auf Instabilität mit Gleichung (16.8-28) durchführen. In dieser Prüfung kann die Dicke des Verstärkungsblechs unberücksichtigt bleiben.

370

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

1

0.8

0.6

0.4

0.2

0 0

1

2

3

4

Bild 16.8-7 – Beiwerte K3 und K4

2 1.8 1.6 1.4 1.2 1 0.8 0.6 0.4

K6 0.2

δ

0 60

70

80

90

100

110

120

130

140

150

160

170

180

Bild 16.8-8 – Beiwerte K5, K6 und K 7

371

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

1 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1

γ

0 0

0.1

0.2

0.3

0.4

Bild 16.8-9 – Beiwert K 8 K9

1 0.9 0.8

180

0.7

150

0.6 0.5

120

60

90

0.4

γ

0.3 0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

Bild 16.8-10 – Beiwert K 9

372

0.8

0.9

1

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

K11

0.30

0.25

0.20

0.15

0.10

0.05

0.00 10

100

1000

10000

Bild 16.8 –11: Beiwert K 11

1.6

1.5

1.4

1000 600

1.3 300

240

200 1.2 120 140

80

160

1.1 100

60 50 1 0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

Bild 16.8-12 – Beiwert K 12

373

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

16.9 Liegende Behälter mit Ringlagerung 16.9.1 Allgemeines Dieser Abschnitt enthält Regeln für die Auslegung liegender zylindrischer Behälter mit Tragringen, die innen oder außen mit der Schale verschweißt sind (siehe Bild 16.9-1...16.9-3). Die Ringe sind auf Sätteln oder Stützfüßen gelagert.

FV

FH

δ

Bild 16.9-1 – Tragring mit Sattelauflagerung

FV

FV

FH

δ

δ

FH

H

Bild 16.9-2 – Tragring mit zwei Auflagerpunkten (Stützen oder andere Stützelemente)

374

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05) 16.9.2 Zusätzliche besondere Symbole und Abkürzungen Die folgenden Symbole und Abkürzungen gelten zusätzlich zu denen in Abschnitt 4 und 16.3. b2

Gesamtbreite des Ringquerschnitts (siehe Tabelle 16.9-1)

e1

Dicke der Versteifungsrippe des Ringprofils (siehe Tabelle 16.9-1)

e2

Flanschdicke des Ringprofils (siehe Tabelle 16.9-1)

fR

Zulässige Spannung des Rings

h1

Gesamthöhe des Ringprofils

hG

Abstand zwischen Schwerachse des Ringprofils und Schale (siehe Tabelle 16.9-1)

hH

Abstand zwischen Schwerachse des Ringprofils bei rein plastischer Verbiegung und Behälter (bei χ = 1 ist hH der Abstand vom Mittelpunkt der Profilfläche)

le

Mittragende Länge der Behälterwand

t

Breite der Kontaktfläche von Ring und Schale

AR

Querschnittsfläche des Rings (ohne Schale)

FH

Horizontalkraft am Ring

FH,max

Höchstzulässige Horizontalkraft am Ring

FV

Vertikalkraft am Ring

FV,max

Höchstzulässige Vertikalkraft am Ring

H

Abstand zwischen Fundament und Ringauflagerpunkten

RR

Radius der Schwerachse des Ringprofils

Wp

Plastischer Biegemodul des Ringprofils

δ

Stützwinkel (Grad)

χ

Relative effektive zulässige Spannung des Behälters (im Verhältnis zum Ring)

375

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05) 16.9.3 Anwendungsbedingungen Für die Berechnung gelten folgende Einschränkungen: a) h1 / Di ≤ 0,20 30 ≤ δ ≤ 330 o

o

b) Die betrachteten Lasten sind die Vertikal- und Horizontalkräfte im Behälterquerschnitt. c) Auf den Behälter wirkende Axialkräfte werden nicht berücksichtigt. Treten derartige Kräfte jedoch auf, z. B. durch axiale Verschiebung aufgrund von Wärmeausdehnung, ist eine besondere Berücksichtigung erforderlich. 16.9.4 Aufgebrachte Lasten Die Berechnung der Vertikalkraft FV und der Biegemomente in der Schale ist gemäß 16.8.5 durchzuführen; die Horizontalkraft FH ist durch eine statische Analyse zu ermitteln.

RR

RR

φ Di le t

φ Di

le t

ea ea

Bild 16.9-3 – Zylinderschale mit Tragringen in Sattelauflagern 16.9.5 Grenzlast der Schale Wenn das absolute größte Biegemoment |M i| wirkt, muss die folgende Gleichung erfüllt sein:

P / Pmax + M i / M max + Feq / Fmax +(Qi /Qmax ) ≤1,0 2

Die Werte für diese Gleichung (16.9-1) sind aus 16.8.7, Gleichung (16.8-28), abzuleiten.

376

(16.9-1)

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05) 16.9.6 Grenzlast des Tragrings Die Grenzlast des Tragrings wird nach dem folgenden Verfahren ermittelt. 1) Feststellen, ob der Tragring in einem Sattelauflager (Bild 16.9-1) oder in zwei Auflagerpunkten (Bild 16.92) gelagert ist. 2) Ringprofil ermitteln und Wp (siehe Tabelle 16.9-1) mit nachstehenden Gleichungen berechnen.

{

(

χ = f − P Di / 4 e a

) } / fR

{

(16.9-2)

(

l e = min t + 4 D i e a ; AR / χ . e a

)}

(16.9-3)

3) Beiwerte K18 und K19 berechnen. a) Für einen Tragring mit Sattelauflager (Bild 16.9-1) gilt: K18 = 0,1616 x4 - 0,0268 x 6 + 0,0101 x 8

(16.9-4)

K19 = 0,4224 x 3 - 0,0524 x 5 + 0,1297 x 7

(16.9-5)

Dabei ist: x = 1 - δ / 360

(16.9-6)

b) Für einen Tragring mit zwei Auflagerpunkten (Bild 16.9-2) gilt: K18 und K19 wie für einen Tragring mit Sattelauflager. Wenn jedoch 150 < δ < 210 ist, ist K18 gleich: o

o

K18 = 0,0137 + 0,148 (2 x - 1)2

(16.9-7)

Dabei ist: x = max (δ /360; 1 - δ /360)

(16.9-8)

4) Die zulässigen Einzellasten berechnen.

FV,max = fR Wp / (RR K18 )

(16.9-9)

FH,max = fR Wp / (RR K19 )

(16.9-10)

5) Die zulässigen kombinierten Lasten darauf prüfen, welche die folgende Bedingung erfüllt:

(F

V

/ FV,max ) +(FH / FH,max ) ≤1,0 2

(16.9-11)

377

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05) Bei der Verwendung von Stützfüßen ist zu beachten, dass die Füße dem Biegemoment FH·H, standhalten müssen, weil die Verbindung zum Tragring nahezu momentenfrei sein sollte.

Tabelle 16.9-1 – Ringprofilparameter

Profil

Gleichungen ìe h − χ e l e ü hH = max í 1 1 ; 0ý 2 e1 î þ

Wp =

{

e1 (h1 − hH ) + hH2 2

2

} + χel

(

e

eö æ ç hH + ÷ è 2ø

)

üï ìï e h + e b − e − χ e l e 1 1 2 2 1 ; 0ý hH = max í 2 e1 ïþ ïî

Wp =

e1

{ (h

1

− hH ) + hH2 2

2

}

e ö eö æ æ + e 2 ( b2 − e1 ) ç h1 − hH − 2 ÷ + χ e l e ç hH + ÷ è è 2 ø 2ø

ìï 2 e 1 h1 + e 2 (b2 − 2 e 1 ) − χ e l e üï hH = max í ; 0ý 4 e1 ïþ îï W p = e1

{ (h

1

− hH ) + hH2 2

} +e

2

( b2

e ö eö æ æ − 2 e 1 ) ç h1 − hH − 2 ÷ + χ e l e ç hH + ÷ è è 2 ø 2ø

Willkürlich gewähltes Ringprofil mit Querschnittsfläche AR Vorausgesetzt, es gilt: AR ≤ χ e l e hH = 0 W p = AR h G + χ e l e e / 2

378

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 7 (2003-07)

16.10 Stehende Behälter mit Tragpratzen 16.10.1 Allgemeines Dieser Abschnitt enthält Regeln für die Berechnung stehender zylindrischer oder konischer Behältermäntel (mit einem halben Winkel in der Kegelspitze α ≤ 15° ) mit Tragpratzen. ANMERKUNG

Formeln für größere Winkel sind in Vorbereitung.

16.10.2 Zusätzliche besondere Symbole und Abkürzungen (siehe Bild 16.10-1) Die folgenden Symbole und Abkürzungen gelten zusätzlich zu denen in Abschnitt 4 und 16.3.

a1

Exzentrizität des Lastangriffs auf Schalenwand oder Verstärkungsblech

a1eq Äquivalenter Hebelarm b1

Breite des Auflagerblechs

b2

Breite des Verstärkungsblechs

b3

Höhe des Verstärkungsblechs

Deq Äquivalenter Berechnungsdurchmesser (siehe 16.6.3) FVi Vertikalkraft im Stützfuß der Tragpratze i FH Horizontalkraft an der Grundfläche der Stützfüße FHi Horizontalkraft an der Grundfläche von Stützfuß i g

Abstand der Stegbleche der Tragpratze

h

Abstand zwischen Mittelpunkt der Tragpratze und Stützfußgrundfläche

h1

Höhe der Tragpratze

h2

Tiefe der Tragpratze

MA Globales Moment am Mittelpunkt der Querschnittsfläche an der Stützfußgrundfläche n

Anzahl der Tragpratzen

379

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 5 (2003-02) 16.10.3 Anwendungsbedingungen Für die Berechnung gilt folgende Einschränkung: a) 0,001 ≤ en / Deq ≤ 0,05 (mit Deq aus 16.6.3); b) Für Tragpratzen der Ausführungen A, B und D (Bild 16.10-1) gilt: 0,2 ≤ g / h1 ≤ 1,0 c) Für Tragpratzen der Ausführung D (Bild 16.10-1) gilt: 0,5 ≤ b1 / h1 ≤ 1,5 d) Bei Verwendung eines Verstärkungsblechs gilt: e2 ≥ en b3 ≤ 1,5 h1 b2 ≥ 0,6 b3 e) Die Tragpratze ist an einer Zylinder- oder Kegelschale angebracht. f) Die lokale Pratzenkraft Fi wirkt parallel zu Schalenachse. ANMERKUNG 1 Bei Verwendung mehr als drei Tragpratzen ist bei der Montage besonders darauf zu achten, dass alle Pratzen nahezu gleichmäßig belastet werden. ANMERKUNG 2 Die Stabilität des Behälters sollte besondere Beachtung finden, wenn l n = 2 ist.

16.10.4 Aufgebrachte Lasten Die Vertikalkraft Fvi an der Tragpratze wird aus folgender Gleichung ermittelt: FVi =

4 MA F + n n D +2 a +e +e i a 1 2

[

(

(16.10-1)

)]

Die Horizontalkraft an jedem Stützfuß wird aus folgender Gleichung berechnet: FHi =

FH n

ANMERKUNG : Eine bessere Schätzung von FHi kann aus FHi = FH

(16.10-2) I xxi

å Ixxi

ermittelt werden, wobei Ixxi das zweite

i

Flächenträgheitsmoment der Querschnittsfläche des betrachteten Stützfußes um eine Achse senkrecht zu FH und I xxi die Summe für alle Stützfüße ist.

å i

380

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

16.10.5 Grenzlast der Schale

Die Grenzlast der Schale wird wie folgt ermittelt. 1) Feststellen, um welche Pratzenausführung es sich handelt: A, B, C oder D (Bild 16.10-1). 2) Wird ein Verstärkungsblech verwendet, mit Schritt 6 fortfahren. 3) Die Beiwerte λ, K16, υ1 und υ 2 berechnen: a) Für Pratzen der Ausführungen A, B und C gilt: λ = h1 / Deq e a K16 =

(16.10-3) 1

(16.10-4)

0,36 + 0,40 λ + 0,02 λ2

υ1 = min {0,08 λ ; 0,30}

(16.10-5)

υ 2 = aus Gleichung (16.6-8) mit σm = σmy aus Gleichung (16.6-11)

b) Für Pratzen der Ausführung D gilt: λ = b1 / K16 =

(16.10-6)

Deq ea 1 0,36 + 0,86 λ

(16.10-7) 2

υ1 = min {0,08 λ ; 0,30}

(16.10-8)

υ 2 = aus Gleichung (16.6-8) mit σm = σmx aus Gleichung (16.6-9) bzw. (16.6-10)

4) Mit den Werten für υ1 und υ 2 die zulässige Biegespannungsgrenze σb,all aus Gleichung (16.6-6) berechnen. 5) Den äquivalenten Hebelarm und die resultierende zulässige Pratzenkraft wie folgt berechnen: a1,eq = a1 +

FHi . h FVi

(16.10-9)

2 æσ ö b,all . e a . h1 ÷ Fi,max = çç ÷ .min 1 ; 0,5 + g / h1 è K16 . a1,eq ø

[

]

(16.10-10)

Mit Schritt 9 fortfahren.

381

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

6) Für Pratzen mit Verstärkungsblech die Beiwerte λ, K17, υ1 und υ 2 berechnen: λ = b3 / K17 =

(16.10-11)

D eq e a 1

0,36 + 0,50 λ + 0,50 λ

(16.10-12) 2

υ1 = min {0,08 λ ; 0,40}

(16.10-13)

υ 2 = aus Gleichung (16.6-8) mit σm = σmy aus Gleichung (16.6-11)

7) Mit den Werten für υ1 und υ 2 die zulässige Biegespannungsgrenze σb,all aus Gleichung (16.6-6) berechnen. 8) Den äquivalenten Hebelarm und die resultierende zulässige Pratzenkraft wie folgt berechnen: a1,eq = a1 + e 2 +

FHi . h Fvi

2 æσ ö b,all . e a . b3 ÷ Fi,max = çç ÷ è K17 . a1eq ø

(16.10-14)

(16.10-15)

ANMERKUNG Bei der Berechnung wird gewöhnlich davon ausgegangen, dass Schale und Verstärkungsblech aus demselben Werkstoff bestehen. Andernfalls und unter der Voraussetzung f2 < f, ist die Dicke e2 in Gleichung (16.10-

12) um den Faktor f2 / f zu reduzieren. 9) Prüfen, ob folgende Gleichung gilt. FVi ≤ Fi,max

382

(16.10-16)

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

Bild 16.10-1 – Tragpratzen für stehende Behälter

383

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

16.11 Stehende Behälter auf Stützfüßen 16.11.1 Allgemeines

Dieser Abschnitt enthält Regeln für die Auslegung stehender Behälter mit gewölbten Böden auf Stützfüßen.

φ Di

φ Di φ d4 φ d3 e2

ea

α

φ d3

α

ea

e2

φ d2

φ d2

φ d1

φ d4 = φ d1 Fi

β Fi

Bild 16.11-1 – Stützfüße für stehende Behälter 16.11.2 Zusätzliche Symbole und Abkürzungen (siehe Bild 16.11-1)

Die folgenden Symbole und Abkürzungen gelten zusätzlich zu denen in Abschnitt 4 sowie 16.3 und 16.6. d1

Durchmesser des Stützfuß-Teilkreises

d2

Außendurchmesser des Stützfußes

d3

Durchmesser des Verstärkungsblechs

d4

Durchmesser an der Verbindung von Stützfüßen und Behälterboden

deff Effektiver Durchmesser des Stützfußes

384

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

Fi

Kraft am Stützfuß

n

Anzahl der Stützfüße

α

Winkel der Tangente zum gewölbten Boden an der Verbindung von Boden und Stützfuß

x

Abstand zwischen der Achse des halbelliptischen Bodens und dem Mittelpunkt des Stützfußes

β

Winkel zwischen Stützfußachse und Behälterachse

λ

Geometrischer Beiwert

16.11.3 Anwendungsbedingungen

Für die Berechnung gelten folgende Einschränkungen: a) 0,001 ≤ en / Deq ≤ 0,05 (mit Deq aus 16.6.3) b) Bei Verwendung eines Verstärkungsblechs gilt: e2 ≥ en d3 ≤ 1,6 d2 c) Außendruck ist ausgeschlossen. d) Durch geeignete Vorkehrungen ist sicherzustellen, dass eine Bewegung der Stützfüße nicht zu zusätzlichen Biegespannungen in der Schale führt. e) Bei torisphärischen Böden dürfen die Stützfüße nicht im äußeren Krempenbereich liegen. f) Bei elliptischen Böden müssen die Stützfüße innerhalb von 0 ≤ x ≤ 0,4 Di liegen. g) Von der Verwendung von mehr als vier Stützfüßen wird abgeraten. h) Ein globales Moment ist nur zulässig, wenn mehr als zwei Stützfüße verwendet werden und diese starr 4M mit dem Fundament verbunden sind. Darüber hinaus muss folgende Forderung erfüllt sein: F > d4 ANMERKUNG werden.

Bei Verwendung von vier Stützfüßen ist sicherzustellen, dass alle Füße nahezu gleichmäßig belastet

16.11.4 Aufgebrachte Kraft

Die lokale Kraft an den Stützfüßen Fi wird wie folgt berechnet. Fi =

F 4M + n n d4

(16.11-1)

16.11.5 Grenzlast der Schale

Die Grenzlast der Schale, die zulässige Kraft Fi,max und der zulässige Druck Pmax werden wie folgt ermittelt.

385

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

1) Beiwert berechnen.

λ=

d eff

(16.11-2)

D eq e a

Dabei ist: deff

= d2 bei Stützfüßen ohne Verstärkungsblech = d3 bei Stützfüßen mit Verstärkungsblech

Die Definition von Deq ist 16.6.3 zu entnehmen. 2) Die zulässige Kraft Fi,max ermitteln.

Fi,max = f . e a2 .

cos β

(

cos α − β

)

, + 3,6 λ + 0,91λ2 ) (182

(16.11-3)

3) Den zulässigen Druck Pmax ermitteln.

Pmax wird für eine Kugelschale definiert (siehe Abschnitt 7). Ist der Boden elliptisch, ist der äquivalente lokale Innenradius aus Gleichung (16.6-4) mit x = d4 zu entnehmen. 4) Prüfen, ob nachstehende Gleichung erfüllt ist.

Fi Fi,max

≤ 10 ,

(16.11-4)

5) Prüfen, ob nachstehende Gleichung erfüllt ist. 2 Fi − P . π . d eff /4

Fi,max

+

P ≤ 10 , Pmax

(16.11-5)

Die Stützfüße sind auf die Möglichkeit von Knicken zu prüfen. Bei dieser Überprüfung sollten die Stützfüße auf folgende Weise betrachtet werden: a) in der Bodenplatte angebracht, und b) freie seitliche Bewegung, aber keine freie Drehung im Behälter. Die gleichen Ergebnisse können für Füße erreicht werden, die an beiden Seiten eingespannt sind, als Knicklänge ist das Doppelte der tatsächlichen Stützfußlänge anzunehmen.

386

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05) 16.12 Stehende Behälter auf Standzargen 16.12.1 Allgemeines

Mit diesem Abschnitt ist der Nachweis für Standzargen an Druckbehältern zu führen. Der Nachweis wird getrennt für die lokalen Spannungen im Bereich der Verbindung von Standzarge und Druckbehälterwand und für die Standzarge selbst geführt. 16.12.2 Zusätzliche Symbole und Abkürzungen (siehe Bild 16.12-1 bis 16.12-4)

Die folgenden Symbole und Abkürzungen gelten zusätzlich zu denen in Abschnitt 4 und 16.3. a

Hebelarm-Exzentrizität

eB

Behälterwanddicke

eZ

Dicke der Standzarge

fZ

Zulässige Spannung der Standzarge

fT

Zulässige Spannung des Tragrings (Konstruktionsform A)

r

Innerer Krempenradius des torisphärischen Bodens

R

Innerer Wölbungsradius des torisphärischen Bodens

DB Mittlerer Schalendurchmesser DZ Mittlerer Standzargendurchmesser FZn Kraft im betrachteten Schnitt (n=p oder n=q) FG Eigenlast des Behälters ohne Inhalt

∆FG Eigenlast des Behälters unterhalb Schnitt 2-2 FF

Eigenlast des Behälterinhalts

387

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

M

Resultierendes Moment bezogen auf den Mittelpunkt des Schalenquerschnitts

∆M Momentenerhöhung durch Schwerpunktänderung im Bereich des Ausschnitts PH Hydrostatischer Druck W

Widerstandsmoment des Tragrings nach Bild 16.12-1

α

Spannungserhöhungsfaktor (siehe Gleichungen 16.12-33 bis 16.12-36)

δ

Halber Öffnungswinkel eines Ausschnitts (siehe Bild 16.12-4)

ε

Verschiebung des Flächenschwerpunkts durch Ausschnitt (siehe Bild 16.12-4(b)

γa

Anschluss- bzw. Grenzwinkel eines Endstückes (siehe Bild 16.12-2)

γ

Anschluss- bzw. Grenzwinkel (siehe Bild 16.12-2)

σ

Spannung

Indizes : a

Äußere, d. h. der Schalenachse abgewandte Schalenoberfläche

b

Biegespannungsanteil (hochgestellt)

m

Membranspannungsanteil (hochgestellt)

i

Innere Schalenoberfläche

o

Äußere Schalenoberfläche

p

Nachweisort, an dem der Momentenanteil mit positiven Vorzeichen in die Schnittkraft eingeht (z. B. windzugewandte Seite)

q

Nachweisort, an dem der Momentenanteil mit negativen Vorzeichen in die Schnittkraft eingeht (z. B. windabgewandte Seite)

1

Schnitt 1-1, an dem der Nachweis geführt wird (siehe Bilder 16.12.1 bis 16.12.4)

2

Schnitt 2-2, an dem der Nachweis geführt wird

3

Schnitt 3-3, an dem der Nachweis geführt wird

4

Schnitt 4-4, an dem der Nachweis geführt wird

388

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

16.12.3 Anwendungsbedingungen

a) Die Standzarge muss nach allgemein anerkannten Verfahren konstruiert sein. b) Auf das Vorhandensein von Besichtigungsöffnungen ist zu achten. 16.12.4 Auslegungsvarianten des Anschlussbereichs

Die in diesem Abschnitt beschriebenen Konstruktionsformen sind: a) Form A:

Zargenanschluss über Tragring im Zylinderbereich (Bild 16.12-1) Standzarge zylindrisch oder kegelförmig mit Neigungswinkel ≤ 7° zur Achse;

b) Form B:

Zargenanschluss im Krempenbereich (Bild 16.12-2) Standzarge zylindrisch oder kegelförmig mit Neigungswinkel ≤ 7° zur Achse und im Bereich 0° ≤ γ ≤ 20° direkt am Boden angeschweißt Wanddickenverhältnis: 0,5 ≤ eB/ez ≤ 2,25;

c) Form C:

Übergeschobene Standzarge (Bild 16.12-3); Über die Behälterschale geschobene und direkt angeschweißte zylindrische Standzarge Es wird vorausgesetzt, dass beiderseits der Anschlussnaht jeweils über eine Länge von 3 eB keine Störungen durch Ausschnitte, angeschlossene Böden, Behälterrundnähte usw. vorhanden sind. Die Gefahr von Spaltkorrosion ist zu beachten.

389

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

F G = ∆ FG

φ DB

φ DZ

Bild 16.12-1 – Konstruktionsform A - Zargenanschluss über Tragring (Schnittgrößen aus Massenkräften)

390

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

φ DB

φ DZ

Bild 16.12-2 – Konstruktionsform B - Zargenanschluss im Krempenbereich (Schnittgrößen aus Trägheitskräften)

391

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

Bild 16.12-3 – Konstruktionsform C - Übergeschobene Standzarge (Schnittgrößen aus Trägheitskräften)

392

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

(b)

(a)

(a) Schnitte 1-1 bis 4-4

(b) = Schnitt 4-4

Bild 16.12-4 – Prinzipskizze Standzarge - Schnitte und Schnittgrößen

393

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

16.12.5 Schnitte und Schnittgrößen

Die Größen Fn und M n am jeweils betrachteten Schnitt 1 bis 4 werden als Funktion der Kombination aller in diesem Lastfall zu betrachtenden Lasten ermittelt (Bild 16.12-4). Bei abgestufter Wanddicke in der Zarge können weitere Nachweise erforderlich sein. 16.12.6 Nachweise im Anschlussbereich (Schnitte 1-1, 2-2 und 3-3)

Im Anschlussbereich werden die in Bild 16.12-1 bis 16.12-3 festgelegten Schnitte 1 bis 3 nachgewiesen. Der Nachweis erfolgt differenziert für die Membran- und die Gesamtspannungen, wobei jeweils nur die Längskomponenten berücksichtigt werden. Die Schnittkraft FZ in der Standzarge im Anschlussbereich ergibt sich dann abhängig von der Lage (n), d. h. je nachdem, ob das Moment die Lastkomponente verstärkt (q) oder abschwächt (p):

FZp =− F1 −∆FG − FF +4

M1 DZ

(16.12-1)

FZq =− F1 −∆FG − FF −4

M1 DZ

(16.12-2)

Dabei ist

F1

Globale zusätzliche Axialkraft in Schnitt 1-1

M1

Resultierendes Moment aus äußeren Lasten in Schnitt 1-1 oberhalb der Verbindung zwischen drucktragender Schale und Standzarge

16.12.6.1 Nachweis der Membranspannungen

Die Membranspannungsnachweise sind für die Konstruktionsformen A, B und C gleich. Die Membranspannungen am Nachweisort in Schnitt 1-1 werden wie folgt berechnet. m σ 1p =

m σ 1q =

FZp + ∆FG + FF

π DB e B FZq + ∆FG + FF

π DB e B

+

P DB 4 eB

(16.12-3)

+

P DB 4 eB

(16.12-4)

Die nachstehenden Festigkeitsbedingungen müssen erfüllt sein.

394

m σ 1p ≤f

(16.12-5)

m σ 1q ≤f

(16.12-6)

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

Die Mindestwanddicke in Schnitt 1-1 wird wie folgt berechnet. m e1p =

P DB ö 1 æ FZp + ∆FG + FF ç ÷ + 4 ø π DB f è

(16.12-7)

m e1q =

P DB ö 1 æ FZq + ∆FG + FF ç ÷ + 4 ø π DB f è

(16.12-8)

Die Berechnung dieser Wanddicke ist für Konstruktionsform A erforderlich. m m Ist σ 1p oder σ 1p eine Druckspannung, muss ein Stabilitätsnachweis gemäß 16.14 geführt werden. Dieser Nachweis kann entfallen, wenn die Längsspannungskomponente kleiner ist als der 1,6fache Wert der aus dem Lastfall Vakuum oder Teilvakuum resultierenden Membran-Druckspannung in Meridianrichtung und dieser Lastfall gemäß Abschnitt 8 nachgewiesen wurde. Dies gilt auch für andere Schnitte im zylindrischen Bereich der Schale.

Die Membranspannung in Schnitt 2-2 ist unabhängig vom Nachweisort. Sie wird wie folgt berechnet. FF + ∆FG P DB m m σ 2m = σ 2q = σ 2p = + (16.12-9) π DB eB 4 eB

Die nachstehende Festigkeitsbedingung muss erfüllt sein.

σ 2m ≤ f

(16.12-10)

Die rechnerisch erforderliche Wanddicke in Schnitt 2-2 wird wie folgt ermittelt. e 2m =

P DB ö 1 æ ∆FG + FF ç ÷ + f è π DB 4 ø

(16.12-11)

Die Berechnung dieser Wanddicke ist für Konstruktionsform A erforderlich. Die Membranspannung in Schnitt 3-3 der Standzarge wird wie folgt berechnet. m σ 3p =

m σ 3q =

FZp

π DZ e Z FZq

π DZ e Z

(16.12-12)

(16.12-13)

395

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

Die nachstehenden Festigkeitsbedingungen müssen erfüllt sein. m σ 3p ≤ fZ

(16.12-14)

m σ 3q ≤ fZ

(16.12-15)

Die rechnerisch erforderliche Wanddicke in Schnitt 3-3 wird wie folgt ermittelt. e3mp =

1 æ FZp ö ç ÷ fZ è π D Z ø

(16.12-16)

e3mq =

1 æ FZq ö ç ÷ fZ è π D Z ø

(16.12-17)

Die Berechnung dieser Wanddicke ist für Konstruktionsform A erforderlich. m Ist σ 3p oder σ m 3q eine Druckspannung, kann der Stabilitätsnachweis auch gemäß 16.14 geführt werden.

16.12.6.2 Nachweis der Biegespannungen

a) Konstruktionsform A (Bild 16.12-1) Das lokale Biegemoment an den Nachweisorten p und q wird wie folgt berechnet. M p = 0,5 (D Z − D B ) F Zp

(

)

M q = 0,5 D Z − D B F Zq

(16.12-18) (16.12-19)

Das Gesamtwiderstandsmoment des Tragrings am Nachweisort n wird wie folgt berechnet. Wp =

2ö ù πé æ m2 m 2ö − e2m ÷ DB + 0,5 ç eZ2 − e3p ÷ DZ ú (DZ + eZ − DB − eB ) h2 + æçè 2 eB2 − e1p ø è ø 4 êë û

(16.12-20)

Wq =

2ö ù πé æ æ m2 m 2ö DZ + eZ − DB − eB ) h 2 + ç 2 eB2 − e1q − e2m ÷ DB + 0,5 ç eZ2 − e3q ( ÷ DZ ú ê è è ø ø 4ë û

(16.12-21)

Dabei berücksichtigt der Faktor 0,5 im dritten Summanden die Art des Übergangs von der Standzarge zum Tragring nach Bild 16.12-1. Sind die zulässigen Spannungen f der Schale und/oder fZ der Standzarge geringer als die des Tragrings fT, ist der zweite und/oder dritte Summand in Gleichung (16.12-20) und (16.12-21) im Verhältnis der jeweiligen zulässigen Spannungen f / fT bzw. fZ / fT zu reduzieren.

396

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

b) Konstruktionsform B (Bild 16.12-2) Die Exzentrizität a der Schalenachse verursacht am Nachweisort n folgendes Biegemoment. M p = a .FZp

(16.12-22)

M q = a .FZq

(16.12-23)

Dabei ist: a = 0,5

eB2 + e Z2 + 2 eB e Z cos (γ )

cos (γ ) = 1 −

(16.12-24)

DB + eB − D Z + e Z 2 ( r + eB )

(16.12-25)

Die entsprechenden Biegespannungen in den Schnitten 1-1 bis 3-3 an der äußeren Oberfläche (a) werden wie folgt berechnet. b b σ 1p (a) = σ 2p (a) = C

b b σ 1q (a) = σ 2q (a) = C

b σ 3p (a ) = C

b σ 3q (a ) = C

6 Mp

(16.12-26)

π DB eB2 6 Mq

(16.12-27)

π DB eB2

6 Mp

(16.12-28)

π D Z e Z2 6 Mq

(16.12-29)

π D Z e Z2

Der Korrekturfaktor C kann im Bereich 0,5 ≤ eB/ez ≤ 2,25 näherungsweise wie folgt angesetzt werden. C = 0,63 - 0,057 (eB /ez)2

(16.12-30)

Diese Abhängigkeit wurde aus numerischen Berechnungen mit der Methode der Finiten Elemente ermittelt. Wegen der großen Anzahl der Parameter musste eine Vereinfachung vorgenommen werden, die unter Umständen zu einer beträchtlichen Überdimensionierung führen kann, z. B. bei Korbbogenböden. Diese Biegespannungskomponenten überlagern sich im Bereich der Schnitte 1-1 und 2-2 durch den Biegespannungsanteil, der durch den Innendruck in der Krempe verursachtet wird und der wie folgt berechnet wird.

σ 1b ( p ) = σ 2b ( p ) =

(P + PH ) DB æç γ 4 eB

ö α − 1÷ èγ a ø

(16.12-31)

397

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

Der Spannungserhöhungsfaktor α wird wie folgt ermittelt. 1) Den Zwischenwert y wie folgt berechnen:

y = 125 eB/DB

(16.12-32)

2) Spannungserhöhungsfaktor α für Klöpperböden mit γa = 45° wie folgt berechnen. - Für eB/DB > 0,008:

α = 9,3341 − 2,2877 y + 0,33714 y 2

(16.12-33)

- Für eB/DB ≤ 0,008: , y α = 6,37181 * 2,71828 −16,1 y + 3,6366 * 2,71828 −161536 + 6,6736

(16.12-34)

3) Spannungserhöhungsfaktor α für Korbbogenböden mit γa = 40° wie folgt berechnen. - Für eB/DB > 0,008:

α = 4,2 − 0,2 y

(16.12-35)

- Für eB/DB ≤ 0,008:

α = 151861 , * 2,71828 y −4,2335 y + 3,994

(16.12-36)

c) Konstruktionsform C (Bild 16.12-3) Die Exzentrizität a der Schalenachse verursacht am Nachweisort n folgendes Biegemoment.

M p = 0,5 (D Z − D B ) .FZn

(16.12-37)

M q = 0,5 (D Z − D B ) .FZq

(16.12-38)

Die resultierenden Biegespannungen werden wie folgt berechnet. In den Schnitten 1-1 und 2-2: b b σ 1p = σ 2p =

b b σ 1q = σ 2q =

398

3 Mp

π DB eB2 3 Mq

π DB eB2

(16.12-39)

(16.12-40)

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

In Schnitt 3-3: b σ 3p =

b σ 3q =

6 Mp

π D Z e Z2 6 Mq

π D Z e Z2

(16.12-41)

(16.12-42)

Die durch den Druck verursachten Biegespannungen werden vernachlässigt.

σ 1b ( p ) = σ 2b ( p ) = 0

(16.12-43)

16.12.6.3 Gesamtspannungen und Festigkeitsbedingungen

Die Gesamtspannungen werden wie folgt ermittelt. a) Konstruktionsform A An jedem Nachweisort muss die Festigkeitsbedingung wie folgt überprüft werden. 1) Nachweisort p: mit M p aus Gleichung (16.12-18) und Wp aus Gleichung (16.12-20): M p / Wp ≤ f T

(16.12-44)

2) Nachweisort q: mit M q aus Gleichung (16.12-19) und Wq aus Gleichung (16.12-21): M q / Wq ≤ f T

(16.12-45)

b) Konstruktionsformen B und C 1) Die Gesamtspannungen am Nachweisort p in Schnitt 1-1 werden wie folgt ermittelt. - Auf der Innenfaser (i) m b b σ 1tot pi = σ 1p − σ 1p (a) + σ 1 ( p )

(16.12-46)

- Auf der Außenfaser (o) tot m b σ 1po = σ 1p + σ 1p (a) − σ 1b ( p )

(16.12-47)

399

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

2) Die Gesamtspannungen am Nachweisort q in Schnitt 1-1 werden wie folgt ermittelt. - Auf der Innenfaser (i) m b b σ 1tot qi = σ 1q − σ 1q (a) + σ 1 ( p )

(16.12-48)

- Auf der Außenfaser (o) tot m b σ 1qo = σ 1q + σ 1q (a) − σ 1b ( p )

(16.12-49)

3) Die Gesamtspannungen am Nachweisort p in Schnitt 2-2 werden wie folgt ermittelt. - Auf der Innenfaser (i) tot m b σ 2pi = σ 2p + σ 2p (a) + σ 2b ( p )

(16.12-50)

- Auf der Außenfaser (o) tot m b σ 2po = σ 2p − σ 2p (a) − σ 2b ( p )

(16.12-51)

4) Die Gesamtspannungen am Nachweisort q in Schnitt 2-2 werden wie folgt ermittelt. - Auf der Innenfaser (i) tot m b σ 2qi = σ 2q + σ 2q (a) + σ 2b ( p )

(16.12-52)

- Auf der Außenfaser (o) tot m b σ 2qo = σ 2q − σ 2q (a) − σ 2b ( p )

(16.12-53)

5) Die Gesamtspannungen am Nachweisort p in Schnitt 3-3 werden wie folgt ermittelt. - Auf der Innenfaser (i) tot m b σ 3pi = σ 3p − σ 3p

(16.12-54)

- Auf der Außenfaser (o) tot m b σ 3po = σ 3p + σ 3p

(16.12-55)

6) Die Gesamtspannungen am Nachweisort q in Schnitt 3-3 werden wie folgt ermittelt. - Auf der Innenfaser (i) tot m b σ 3qi = σ 3q − σ 3q

(16.12-56)

- Auf der Außenfaser (o) tot m b σ 3qo = σ 3q + σ 3q

400

(16.12-57)

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

7) Im Fall von zähen Werkstoffen müssen die nach Gleichung (16.12-46) bis (16.12-57) berechneten Gesamtspannungen folgende Gleichungen erfüllen, wobei fs die Berechnungsspannung für jedes Teil ist. a) In Schnitt 1-1:

tot σ 1pi

tot σ 1po

tot σ 1qi

tot σ 1qo

2 é æ mö ê 1 ç σ 1p ÷ ≤ fS ê 3 − 15 , ç f ÷ ê è ø ë

ù ú ú ú û

(16.12-58)

ù ú ú ú û

(16.12-59)

2 é æ mö ê 1 ç σ 1p ÷ ≤ fS ê 3 − 15 , ç f ÷ ê è ø ë 2 é æ mö ê 1 ç σ 1q ÷ ≤ fS ê 3 − 15 , ç f ÷ ê è ø ë

ù ú ú ú û

(16.12-60)

ù ú ú ú û

(16.12-61)

ù ú ú ú û

(16.12-62)

ù ú ú ú û

(16.12-63)

2 é æ mö ê 1 ç σ 1q ÷ ≤ fS ê 3 − 15 , ç f ÷ ê è ø ë

b) In Schnitt 2-2:

tot σ 2pi

tot σ 2po

tot σ 2qi

tot σ 2qo

2 é æ mö ê 1 ç σ 2p ÷ ≤ fS ê 3 − 15 , ç f ÷ ê è ø ë 2 é æ mö ê 1 ç σ 2p ÷ ≤ fS ê 3 − 15 , ç f ÷ ê è ø ë 2 é æ mö ê 1 ç σ 2q ÷ ≤ fS ê 3 − 15 , ç f ÷ ê è ø ë 2 é æ mö ê 1 ç σ 2q ÷ ≤ fS ê 3 − 15 , ç f ÷ ê è ø ë

ù ú ú ú û

(16.12-64)

ù ú ú ú û

(16.12-65)

401

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

c) In Schnitt 3-3:

tot σ 3pi

tot σ 3po

tot σ 3qi

tot σ 3qo

2 é æ mö ê 1 ç σ 3p ÷ ≤ fS ê 3 − 15 , ç fZ ÷ ê è ø ë 2 é æ mö ê 1 ç σ 3p ÷ ≤ fS ê 3 − 15 , ç fZ ÷ ê è ø ë 2 é æ mö ê 1 ç σ 3q ÷ ≤ fS ê 3 − 15 , ç fZ ÷ ê è ø ë 2 é æ mö ê 1 ç σ 3q ÷ ≤ fS ê 3 − 15 , ç fZ ÷ ê è ø ë

ù ú ú ú û

(16.12-66)

ù ú ú ú û

(16.12-67)

ù ú ú ú û

(16.12-68)

ù ú ú ú û

(16.12-69)

16.12.7 Nachweis der Standzarge (Schnitt 4-4)

Die Querschnittfläche A4 und das Widerstandsmoment W4 müssen in Schnitt 4-4, dem Querschnitt mit der maximalen Beanspruchung aufgrund der maximalen Verschwächung, ermittelt werden. Mit den Schnittgrößen F4 und in diesem Schnitt und dem Moment ∆M 4 = ε F4 aufgrund der Verschiebung der neutralen Achse ergibt sich die Spannung im Bereich des Ausschnitts wie folgt. m σ 4p =+

M 4 + ∆M 4 F − 4 W4 A4

(16.12-70)

m σ 4q =−

M 4 + ∆M 4 F − 4 W4 A4

(16.12-71)

Die folgenden Festigkeitsbedingungen müssen erfüllt sein. m σ 4p ≤ fZ

(16.12-72)

m σ 4q ≤ fZ

(16.12-73)

Vereinfachend und sicher lässt sich der Festigkeitsnachweis für runde nicht versteifte Ausschnitte mit den Querschnittswerten A4 und W4 der unverschwächten Schale führen, wenn die resultierenden Spannungen mit dem Verschwächungsbeiwert vA korrigiert werden.

402

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

Der Verschwächungsbeiwert vA der aus Abschnitt 9 entnommen werden kann, ist gleich dem Quotienten des höchstzulässigen Betriebsüberdrucks einer Kugelschale mit Ausschnitten (Abschnitt 9) und des höchstzulässigen Betriebsüberdrucks einer unverschwächten Kugelschale (Abschnitt 7). Dabei entspricht der Durchmesser der angenommenen Kugelschale dem der Standzarge.

æ M F ö 1 m σ 4p = çç 4 − 4 ÷÷ ≤ fZ ' A4' ø v A è W4

(16.12-74)

æ M F ö 1 m σ 4q = çç − 4 − 4 ÷÷ ≤ fZ ' A4' ø v A è W4

(16.12-75)

m m oder σ 4q Druckspannungen, ist ein Stabilitätsnachweis zu führen. Dieser kann jedoch Sind σ 4p

vereinfachend entfallen, wenn der Ausschnittrand gegen radiale Verformung stutzenartig versteift ist und entweder a) der Ausschnittsparameter beschränkt bleibt auf

δ

DZ ≤2 2 eZ

(16.12-76)

oder b) bei Ausschnitten mit δ ≤ 0,8 (d. h. Öffnungswinkel ≤ 90°) die vorhandene Sicherheit im Verhältnis zur zulässigen Biegespannung fZ den Wert 2 erreicht, wobei der Nachweis gemäß 16.14 und mit den Querschnittswerten des unverschwächten Querschnitts zu führen ist.

403

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

16.13 Stehende Behälter mit Ringlagerung 16.13.1 Allgemeines Dieser Abschnitt enthält Anforderungen an die Auslegung von Tragringen und Ringträgern. Der Ring wird von mehreren gleichmäßig verteilten Stützen oder einer einzigen, über den gesamten Umfang des Rings laufenden Stütze getragen. 16.13.2 Definitionen 16.13.2.1 Tragring: Tragringe sind mit dem Behälter fest verschweißt, so dass die Behälterwand einen Teil der Belastung übernimmt. (siehe Bild 16.13-1(a)) 16.13.2.2 Ringträger: Ringträger sind mit dem Behälter nicht fest verbunden (siehe Bild 16.13-1(b)) 16.13.3 Zusätzliche Symbole und Abkürzungen (siehe Bilder 16.13-1 und 16.13-2) Folgende Symbole und Abkürzungen gelten zusätzlich zu denen in Abschnitt 4 und 16.3. b

Ringbreite (siehe Bild 16.13-2);

d1

Innendurchmesser des Behälters;

d2

Außendurchmesser des Behälters;

d3

Innendurchmesser des Rings;

d4

Außendurchmesser des Rings;

d5

Durchmesser zum Querkraftmittelpunkt;

d6

Durchmesser zur Streckenlast;

d7

Durchmesser zur Stützenkraft;

e1

Behälterwanddicke;

e3

Dicke des Rings (siehe Tabelle 16.13-2);

e4

Dicke des Rings (siehe Tabelle 16.13-2);

e5

Dicke des Rings (siehe Tabelle 16.13-2);

404

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05) fT *

zulässige Spannung des Ringwerkstoffs;

f T

reduzierte zulässige Spannung des Ringwerkstoffs;

h

Höhe des Rings (siehe Bild 16.13-2);

mb

Zulässiges Einheitsbiegemoment (siehe Tabelle 16.13-1);

mt

Zulässiges Einheitstorsionsmoment (siehe Tabelle 16.13-1);

ns

Anzahl lokaler Stützen des Rings;

q

Streckenlast;

qt

Zulässige Einheitsquerkraft (siehe Tabelle 16.13-1);

t0

Abstand;

AT

Querschnittsfläche des Rings (siehe Bild 16.13-1);

F

entsprechende vertikale Gesamtkraft je nach Lastfall (siehe 16.13.6) ;

FS,max

Zulässige Kraft je nach Lastfall;

G

Gewicht des Behälters mit Inhalt;

M

Biegemoment im Behälter aufgrund äußerer Lasten auf Ringhöhe je nach Lastfall;

Mt

Torsionsmoment im Ringquerschnitt je nach Lastfall;

M t,max

Zulässiges Torsionsmoment (nur für Ringquerschnitt unter Torsionsbeanspruchung);

Mb

Biegemoment im Ringquerschnitt;

M b,max

zulässiges Biegemoment (nur für Ringquerschnitt unter Biegebeanspruchung);

Q

Querkraft im Ringquerschnitt;

Q max

Zulässige Querkraft (nur für Ringquerschnitt unter Querkraftbeanspruchung);

405

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05) Wb

Widerstandsmoment;

WT

Torsionswiderstandsmoment;

Z0

Beiwert;

Z1

Beiwert;

β

Hebelarm der Stützenkraft, dimensionslos;

δ

Hebelarm der Streckenlast, dimensionslos;

16.13.4 Anwendungsbedingungen Die Berechnungen in diesem Abschnitt beruhen auf den folgenden Annahmen: a) Das Ringprofil ist über den gesamten Umfang des Rings konstant; b) Bei offenen Profilen sind Rippen eingesetzt, um die Querschnittsform zu erhalten; c) Bei dünnwandigen Profilen: b / e3 > 5 and h / e4 > 5 ; d) Bei Ringträgern (siehe Bild 16.13-1b) darf sich zwischen dem Träger und dem am Behälter angebrachten Ring keine flexible Schicht befinden. ANMERKUNG Die Erfüllung dieser Bedingung ist notwendig, da die Berechnung nur auf günstige uneinheitliche Lastenverteilung über den Umfang des Rings anwendbar ist.

e) Die Stützen sind gleichmäßig verteilt und tragen eine gleichförmige Last; f) Die Konstruktionsformen entsprechen Bild 16.13-2 g) Die bezogenen Hebelarme β und δ sind ≤ | 0,2 |; siehe Gleichungen (16.13-9) und (16.13-10 ); 16.13.5 Berechnungen 16.13.5.1 Festigkeit des Rings Für das gewählte Profil ist für alle relevanten Lastfälle nachzuweisen, dass die fiktive Gesamtkraft F gemäß 16.13.6 kleiner ist als die zulässige Kraft gemäß Gleichung (16.13-7) oder (16.13-8). 16.13.5.2 Lokale Berechnungen Schweißnähte, Rippen und Schraubverbindungen sind durch allgemein anerkannte Verfahren berechnen.

406

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05) 16.13.6 Äquivalente Gesamtkraft F Die äquivalente Kraft F entspricht

ö 1 æ M + G÷ ç4 ns è d7 ø Bei gleichmäßiger Lagerung entspricht F F=

F=

(16.13-1)

4M +G d7

(16.13-2)

16.13.7 Zulässige Schnittgrößen des Rings

Für Ringträger und Tragringe der Konstruktionsform I ist die zulässige Spannung fT; für Tragringe der Konstruktionsform II wird die zulässige reduzierte Spannung wie folgt berechnet: æ P h d1 ö fT* = fT ç 1 − ÷ 2 AT fT ø è

(16.13-3)

ANMERKUNG Ringe mit Kastenprofil oder U-Profil gehören zur Konstruktionsform II, wenn die Breite b größer ist als die Höhe h (siehe Tabelle 16.13-2). Die zulässigen Schnittgrößen im Ring ergeben sich durch Multiplikation der zulässigen Einheitsgrößen gemäß Tabelle 16.13-2 mit der zulässigen Spannung bzw. der zulässigen reduzierten Spannung. M t,max = f T m t

or

f T*m t

M b,max = f T m b

or

f T*m b

Qmax = f T qb

or

fT* qt

(16.13-4) (16.13-5) (16.13-6)

16.13.8 Globaler Tragfähigkeitsnachweis des Rings

Die zulässige Kraft als Einzellast auf die Stütze wird als das Minimum aus der zulässigen Biegemomentbelastung und der zulässigen Querkraftbelastung wie folgt berechnet:

FS,max

é ê ê = min ê ê ê ê d4 êë

4 π M b,max æ M b,max ö ÷÷ Z 02 + Z 12 çç è M T,max ø

2

ù ú ú ; 2 Qmax ú ú ú ú úû

(16.13-7)

407

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

Bei gleichmäßiger Lagerung gilt: FS,max =

4 π M b,max

(16.13-8)

β − δ d4

Die Werte für Z0 und Z1 können der folgenden Tabelle entnommen werden. Diese Werte führen jedoch zu konservativen Ergebnissen. Eine genauere Ermittlung der zulässigen Kräfte wird erreicht, wenn die Beiwerte Z0 und Z1 den Bildern 16.13-3 bis 16.13.6 entnommen werden.

Tabelle 16.13-1 – Werte für ZO und Z1

nS

Z0

Z1

2 3 4 6 8

1,8 1,9 2,1 2,7 3,5

1,1 0,7 0,7 0,7 0,7

Die bezogenen Hebelarme β und δ werden mit den Durchmessern aus Bild 16.13-1 wie folgt berechnet.

− 0,2 ≤ β = (d 7 − d 5 ) / d 4 ≤ 0,2

(16.13-9)

− 0,2 ≤ δ = (d 6 − d 5 ) / d 4 ≤ 0,2

(16.13-10)

Für außenliegende Ringe gilt: d 5 = d 3 + e4 + 2 t 0

(16.13-11)

Für innenliegende Ringe gilt: d5 = d3 − e4 − 2 t 0 Für geschlossene Querschnitte ist t0 Tabelle 16.13-2 zu entnehmen; Für offene Ringquerschnitte gilt: t0 = 0;

408

(16.13-12)

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

Tabelle 16.13-2 – Zulässige Einheitsschnittgrößen

mt if h ≥ b

hb2 b3 − 4 12

mb

qt

to

bh 2

b 2

é h2 ù ú êe3 b h + (e4 + e5 ) 4 úû êë

(e4 + e5 ) 2h

b e5 e4 + e5

é e h2 ù êe3 b h + 4 ú 4 ûú êë

e4 h 2

0

bh2 4

if h ≤ b

b h 2 h3 − 4 12 b.h. min {e3;e4;e5}

e3. e4. e5 ≠ 0

e32 b 2

+

e42 h 4

e32 b e42 h + 4 4

2 2ù é e 4 h 2 ê 4 e 3 b (e 3 b + e 4 h ) + e 4 h ú ú 4 ê (e3 b + e4 h) 2 ë û

e4 h 2

0

409

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

φ d4 φ d1 φ d3

φ d5

(a) Tragring

(b) Ringträger Bild 16.13-1 – Prinzipdarstellung

Bild 16.13-2 – Konstruktionsformen für Tragringe (die schraffierte Fläche entspricht der Querschnittsfläche AT des Rings)

410

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

Bild 16.13-3 – Beiwert Z0 für ns = 2, 3 oder 4

411

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

Bild 16.13-4 – Beiwert Z0 für ns = 6 oder 8

412

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

Abbildungen 16.13-5 – Beiwert Z1 für ns = 2, 3 oder 4

413

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

Abbildung 16.13-6 – Beiwert Z1 für ns = 6 oder 8

414

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

16.14 Globale Lasten 16.14.1 Zweck Dieser Abschnitt enthält Anforderungen für die Ermittlung der Mindestwanddicke drucktragender Zylinderschalen unter zusätzlichen kombinierten Lasten in Schnitten außerhalb der Angriffsfläche lokaler Lasten und struktureller Störstellen.

16.14.2 Zusätzliche Symbole und Abkürzungen Die folgenden Symbole und Abkürzungen gelten zusätzlich zu denen in Abschnitt 4 und 16.3. D

Mittlerer Schalendurchmesser;

F

Gesamtaxialkraft in einer Schale am betrachteten Querschnitt einschließlich Druckwirkungen; der Wert der Kraft ist positiv, wenn sie Zugspannungen verursacht;

l

Länge der Schablone zur Prüfung auf Formabweichungen;

K

Beiwert, der durch Gleichung (16.14-15) gegeben ist;

M

Biegemoment in einer Schale am betrachteten Querschnitt; der Wert ist stets positiv;

Pe

(Äußerer) Berechnungsdruck;

σe

Elastizitätsgrenze gemäß Definition in 8.4;

w

Abweichung von der idealen Form;

α

Beiwert, der durch Gleichung (16.14-16) oder (16.14-17) gegeben ist;

∆

Beiwert, der durch Gleichung (16.14-16) oder (16.14-17) gegeben ist;

σP

Durch Druck verursachte Spannung;

σc

Maximale Druckspannung in Längsrichtung;

σc,all

Maximale zulässige Druckspannung in Längsrichtung (siehe 16.14.8.1);

σmax

Maximale Spannung in Längsrichtung bei Berücksichtigung aller Lasten (bei Zugspannung positiver Wert);

σmin

Minimale Spannung in Längsrichtung bei Berücksichtigung aller Lasten (bei Zugspannung positiver Wert);

415

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 7 (2003-07) 16.14.3 Allgemeines Die betrachteten Lasten sind die Axialkraft (F) und das Biegemoment (M). Bei den Druckspannungen müssen auch die drucklosen Lastfälle in die Betrachtung einbezogen werden, um mögliche Druckverluste während des Betriebes mit abzudecken. Zur Ermittlung der Geamtxialkraft (F) müssen zwei Fälle unterschieden werden: 1. Wenn das Ende der zylinderförmigen Schale statisch festgelegt ist (freies Ende), wird die Gesamtaxialkraft F definiert als:

F = Fadd +

π ⋅ D2 ⋅ P 4

Fadd = zusätzliche Axialkraft ohne Druckeinwirkung (Fadd> 0 für Zugkraft, Fadd < 0 für Druckkraft) P

= Berechnungsdruck (P > 0 Innendruck, P < 0 Außendruck)

Die Druckkomponente der Axialkraft wird mit dem mittleren Durchschnitt D errechnet, um den Einfluss der Radialspannung zu berücksichtigen 2. Wenn das Ende der zylinderförmigen Schale nicht statisch festgelegt ist (zum Beispiel zwischen Rohrböden oder Verbindungen zwischen Doppelmantelbehältern), wird die Gesamtaxialkraft durch eine beliebige statisch anwendbare Annahme errechnet (Berechnung mit Hilfe der Elastizitätstheorie ist möglich, aber nicht die beste Lösung). Bei stehenden Behältern schließt (F) auch die Eigenlast des Behälters und seines Inhalts (einschließlich Flüssigkeit) oberhalb (oder unterhalb) des Betrachtungspunkts, je nachdem, ob die Behälterauflagerung unterhalb (oder oberhalb) dieses Punkts liegt. Das Biegemoment M umfasst die Windlast bei einem stehenden Behälter und die Eigenlast (Masse) bei einem liegenden Behälter. Ist ein signifikantes Drehmoments (Verdrehmoment) an der Zylinderschale ist dieses besonders zu berücksichtigen.

16.14.4 Zulässige Einzellasten Die zulässige Zugkraft wird wie folgt berechnet:

Ft,max =π D ⋅ ea ⋅ f

(16.14-1)

Die zulässige Druckkraft wird wie folgt berechnet:

Fc,max =π D⋅ ea ⋅ σ c,all

(16.14-2)

Das zulässige Biegemoment wird wie folgt berechnet:

π M max = D 2 ⋅ ea ⋅σ c,all 4

416

(16.14-3)

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 6 (2003-04) 16.14.5 Längsspannungen Die größte Längsspannung wird wie folgt berechnet:

σ max =

F. D + 4 M π . D 2 .e a

(16.14-4)

Die kleinste Längsspannung wird wie folgt berechnet:

σ min =

Ist

F. D − 4 M π . D 2 . ea

(16.14-5)

σ min < 0 , dann ist die Druckspannung in Längsrichtung: σ c = − σ min

(16.14-6)

16.14.6 Zylindrische Behälter unter Innendruck (P > 0) Die Druckspannung in Umfangsrichtung wird wie folgt berechnet:

σP =

P.D 2.ea

(16.14-7)

Die Berechnung wird wie folgt durchgeführt: 1) Einen Wert für ea wählen, der die Forderung in 7.4.2 erfüllt; 2) Sicherstellen, dass:

σ max ≤ f

(16.14-8)

3) ist σmin > 0 mit Schritt 7 fortfahren); 4) Aus 16.14.8.1den Wert für die zulässige Druckspannung in Längsrichtung im Zylinder σc,all ermitteln; 5) Sicherstellen, dass

σ c ≤σ c,all

(16.14-9)

6) Sicherstellen, dass

σ P +σc ≤ f

(16.14-10)

7) Werden die vorstehenden Gleichungen erfüllt, ist die Berechnung ausreichend; andernfalls muss die Berechnung mit einem höheren Wert für ea wiederholt werden;

417

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 5 (2003-02) 16.14.7 Zylindrische Behälter unter Außendruck (P < 0) Der Außendruck ist: Pe = - P

(16.14-11)

Die Druckspannung in Umfangsrichtung ist:

σP =

Pe .D 2 ea

(16.14-12)

Die Berechnung wird wie folgt durchgeführt: 1) Einen Wert für ea wählen, der die Forderungen in Abschnitt 8 erfüllt; 2) Sicherstellen, dass

σ max + σ P ≤ f

(16.14-13)

3) Ist σmin > 0, mit Schritt 6) fortfahren; 4) Aus Abschnitt 8 den Wert für den zulässigen Außendruck Pe,max in Abwesenheit anderer Belastungen und aus 16.14.8.1 den Wert für σc,all ermitteln.; 5) Sicherstellen, dass

Pe Pe,max

σc − +

Pe . D 4 ea

σ c,all

≤1

(16.14-14)

6) Werden die vorstehenden Gleichungen erfüllt, ist die Berechnung ausreichend; andernfalls muss die Berechnung mit einem höheren Wert für ea wiederholt werden; 16.14.8 Druckspannungsgrenzen 16.14.8.1 Berechnung

Die zulässigen Druckspannungen in Längsrichtung in einem zylindrischen Behälter sind nach folgendem Verfahren zu berechnen. Das Verfahren zur Ermittlung der Toleranzen ist in 16.14.8.2 dargestellt. Der Höchstwert von w/l darf 0,02 nicht überschreiten. 1) Den Wert von K berechnen:

1,21E ea K= σeD

418

(16.14-15)

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 5 (2003-02) 2) Ist D/ea ≤ 424, gilt

α=

0,83

(16.14-16)

10 , + 0,005 D / e a

Ist D/ea > 424, gilt

α=

0,7

(16.14-17)

0,1 + 0,005 D / e a

3) Liegt der Höchstwert von w/l zwischen 0,01 und 0,02, wird der Wert für α um den Faktor (1,5 - 50 w / l) reduziert.

4) Ist αK < 0,5, gilt

∆=

0,75 α K 15 ,

(16.14-18)

Ist αK ≥ 0,5, gilt , − 10 ∆=

0.4123

(α K ) 0.6

(16.14-19)

, 15

ANMERKUNG Der Sicherheitsfaktor 1.5 im Nenner gilt für Betriebsbedingungen und sollte für Prüfbedingungen oder außergewöhnliche Bedingungen entsprechend Abschnitt 6 angepasst werden.

5) Die höchstzulässige Druckspannung wird wie folgt berechnet:

σ c,all =σ e ∆

(16.14-20)

16.14.8.2 Toleranzen

Die Toleranzen sind mit drei Schablonen zu prüfen (siehe auch Abbildung 16.14-1): a) Ein gerader Stab mit der Länge l = 4

D .en aber nicht länger als 95% des Abstands zwischen den 2

Rundnähten; b) eine kreisförmige, im Radius der Zylinderaußenseite gebogene Schablone, jeweils mit der Länge I wie in a), aber nicht länger als 95 % des Abstandes zwischen den Längsnähten; c) ein gerader Stab der Länge 25 en Zur Messung von Unrundheit siehe Anhang E.

419

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05) 16.14.9 Wind- und Erdbebenlasten

Die Berechnung der Windlasten ist in der Art und Weise vorzunehmen, wie sie für Bauten in der entsprechenden geographischen Region empfohlen wird. Diese Verfahren können auch auf Erdbebenlasten angewandt werden, wenn festgelegt wird, dass derartige Lasten als äquivalente statische Lasten behandelt werden können. Windinduzierte Schwingungen sind bei stehenden Behältern mit einem Verhältnis Höhe zu Durchmesser von 10:1 und darüber und einem Verhältnis von Durchmesser zu Wanddicke von 100 : 1 zu berücksichtigen.

Abbildung 16.14-1 – Schablonen zur Toleranzprüfung

420

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002:05)

17 Vereinfachte Berechnung der Ermüdungslebensdauer 17.1 Zweck 17.1.1 Dieser Abschnitt enthält Regeln für eine vereinfachte Berechnung der Ermüdungsschädigung durch Druckschwankungen. ANMERKUNG Diese Regeln beruhen auf konservativen Annahmen. Genauere, weniger konservative Ergebnisse werden gewöhnlich bei Anwendung der Regeln in Abschnitt 18 erzielt.

17.1.2 Andere Wechselbeanspruchungen, z. B. durch Temperaturänderungen im Betrieb oder Änderung äußerer Lasten, sind normalerweise gemäß Abschnitt 18 zu berechnen. Es ist jedoch zulässig, in diesem Abschnitt zyklische Belastungen, welche keine Druckbelastungen darstellen, zu berücksichtigen, und zwar: — durch Addieren der Spannungsschwingbreiten, die aus solchen Wechselbeanspruchungen resultieren, zu der aus Druckzyklen resultierenden Spannungsschwingbreite gemäß Gleichung (17.6-1), wenn die keine Druckbelastungen darstellenden zyklischen Belastungen gleichzeitig mit den Druckzyklen auftreten, — oder durch Addieren der aus solchen Zyklen resultierenden Ermüdungsschäden zu den aus Druckzyklen resultierenden Schäden gemäß Gleichung (17.7-1), wenn die keine Druckbelastungen darstellenden Belastungszyklen und die Druckzyklen unabhängig wirken. Für keine Druckbelastungen darstellenden Belastungen, die auf eine komplexere Weise in Kombination mit Druck wirken, müssen diese Belastungen gemäß einem der beiden vorgenannten Fälle behandelt werden, und zwar auf eine Weise, dass die Ergebnisse auf der sicheren Seite liegen. ANMERKUNG Dieser Abschnitt enthält keine Informationen zur Schätzung der Spannungsschwingbreiten infolge von Belastungen, bei denen es sich nicht um Druckbelastungen handelt. Wenn solche Belastungen berücksichtigt werden, ist für die Bestimmung der entsprechenden Spannungsschwingbreiten der Hersteller verantwortlich.

17.2 Zusätzliche Definitionen Die folgenden Definitionen gelten zusätzlich zu denen in Abschnitt 3. 17.2.1 unterer Grenzwert der Spannungsschwingbreite Spannungsschwingbreite, unterhalb derer Ermüdungsschäden vernachlässigt werden 17.2.2 Berechnungsspektrum der Spannungsschwingbreiten Histogramm der Häufigkeit des in der rechnerischen Lebensdauer erwarteten Auftretens aller Lastzyklen der verschiedenen Spannungsschwingbreiten 17.2.3 effektive Kerbspannung die Spannung, die das Ermüdungsverhalten an einer Kerbe bestimmt 17.2.4 effektive Formzahl (effektiver Kerbfaktor) Verhältnis der effektiven Kerbspannung (Gesamtspannung), zur Strukturspannung an demselben Punkt 17.2.5 Dauerwechselfestigkeit Spannungsschwingbreite, unterhalb derer bei Belastung mit konstanter Amplitude keine Ermüdungsschädigung eintritt 17.2.6 Anzahl voller Druckzyklen Druckzyklen über die Schwingbreite ∆P = Pmax ANMERKUNG

Siehe auch 5.4.2.

421

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05) 17.2.7 äquivalente Anzahl voller Druckzyklen Anzahl neq von Druckzyklen über die volle Schwingbreite, die dieselben Schäden verursacht wie n Zyklen über die Schwingbreite ∆P gemäß Gleichung (5.4-1) 17.2.8 Berechnungsermüdungskurven in diesem Abschnitt dargestellte Kurven der Spannungsschwingbreite ∆σ R als Funktion von N für geschweißte und ungeschweißte Werkstoffe 17.2.9 Spannungsschwingbreite Wertebereich vom Maximum bis zum Minimum eines Zyklus (das Doppelte der Spannungsamplitude) 17.2.10 Pseudoelastische Spannungsschwingbreite unter der Annahme rein linearelastischen Werkstoffverhaltens berechnete Spannungsschwingbreite 17.2.11 Strukturspannung Spannungsverteilung in einem von Spannungskonzentrationen freien Modell der Struktur, einem Modell, welches die globale geometrische Konfiguration der Struktur widerspiegelt, jedoch lokale Unstetigkeiten der Struktur nicht berücksichtigt (z. B. Schweißnahtübergang, kleine Radien) In den Behälterbereichen vom Platten- oder Schalentyp ist die durch den Druck verursachte Strukturspannung linear über die Dicke verteilt. ANMERKUNG

Nähere Angaben zur Strukturspannung sind in Abschnitt 18 enthalten.

17.2.12 Kerbspannung (Gesamtspannung) lokale Spannung an der Wurzel einer Kerbe der Struktur, auf einer elastischen Basis berechnet ANMERKUNG

Nähere Angaben zur Kerbspannung sind in Abschnitt 18 enthalten.

17.2.13 Spannungsfaktor Faktor zur Bestimmung der maximalen Strukturspannung, die in einem Einzelteil eines Behälters aufgrund der geometrischen Konfiguration eines Bauteils (von Bauteilen) auftreten kann 17.2.14 Theoretische Formzahl (theoretischer Kerbfaktor) Verhältnis der auf Grundlage rein elastischen Verhaltens berechneten Kerbspannung zur Strukturspannung in diesem Punkt 17.2.15 Gesamtermüdungsschädigungskennzahl Wert, welcher das Ausmaß des durch das Berechnungsspektrum der Spannungsschwingbreiten verursachten rechnerischen Ermüdungsschadens charakterisiert. ANMERKUNG

Es wird angenommen, dass Versagen eintritt, wenn dieser Wert 1 erreicht.

17.2.16 Kritischer Bereich ein Bereich, in dem die Gesamtermüdungsschädigungskennzahl den maximalen Wert Dmax übersteigt, der wie folgt definiert ist:

Dmax = 0,8 für 500 < neq ≤ 1000 Dmax = 0,5 für 1000 < neq ≤ 10000 Dmax = 0,3 für neq > 10000 422

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002:05)

17.3 Zusätzliche Symbole und Abkürzungen Die folgenden Symbole und Abkürzungen gelten zusätzlich zu denen in Abschnitt 4: Symbol

Beschreibung

Maßeinheit

C1

Konstante in Gleichungen der Berechnungsermüdungskurven von Schweißverbindungen

(MPa)3

C2

Konstante in Gleichungen der Berechnungsermüdungskurven von Schweißverbindungen

(MPa)5

C3

(MPa)10

Kf

Konstante in Gleichungen der Berechnungsermüdungskurven von nicht geschweißten Bereichen Gesamtermüdungsschädigungskennzahl, siehe Gleichung 17.7-1 maximal zulässiger Wert der Gesamtermüdungsschädigungskennzahl in nicht kritischen Bereichen Korrekturfaktor zur Berücksichtigung des Einflusses der Wanddicke auf die Ermüdungsfestigkeit Korrekturfaktor zur Berücksichtigung des Einflusses der Temperatur auf die Ermüdungsfestigkeit Effektiver Kerbfaktor

Kt

Theoretischer Kerbfaktor

k N

t min

Anzahl der Druckschwankungsbreiten, die zusammen die Belastungsspezifikation bilden Zulässige Lastzyklenanzahl aus der zugehörigen Berechnungsermüdungskurve (Index i bezeichnet die Anzahl für die i -te Spannungsschwingbreite, i = 1,... k) Tatsächliche Anzahl der Spannungszyklen (Index i bezeichnet die Anzahl für die i -te Spannungsschwingbreite, i = 1,...k) Übergangsradius an der Verbindung zweier Wände Mindestbetriebstemperatur während eines Zyklus

mm °C

t max

Maximale Betriebstemperatur während eines Zyklus

°C

t*

Angenommene mittlere Temperatur während eines Zyklus

°C

u

Unrundheit (Abweichung vom kreisrunden Querschnitt eines Behälters) Parameter für Größe des Versatzes, der Aufdachung oder Abflachung Spannungsfaktor eines Bauteils gemäß Tabelle 17–1 Druckschwankungsbreite, berechnet als algebraische Differenz zwischen Höchst- und Mindestdruck innerhalb des betrachteten Lastzyklus. Vakuum und andere Außendrücke, die Druckmembranspannungen hervorrufen, sind als negative Werte zu betrachten.

D

Dmax Ce Ct

n r

δ η

∆P

mm MPa

ANMERKUNG Dies kann dazu führen, dass in einigen Lastzyklen ∆P größer ist als der maximale Berechnungsdruck Pmax des Behälters oder Teils desselben.

∆σ

Pseudoelastische Spannungsschwingbreite

N/mm2

∆σ *

Fiktive Spannungsschwingbreite zum Einsetzen in die Berechnungsermüdungskurven

N/mm2

∆σ R

Bezugsspannungsschwingbreite in den Berechnungsermüdungskurven

N/mm2

∆σ D

Dauerwechselfestigkeit bei konstanter Spannungsschwingbreite

N/mm2

∆σ Cut

Unterer Grenzwert der Spannungsschwingbreite

N/mm2

423

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

17.4 Bedingungen für die Anwendbarkeit 17.4.1 Dieser Abschnitt gilt für drucktragende Teile und Verbindungen von Druckbehältern, die gemäß den Abschnitten 7 bis 16 ausgelegt wurden (d. h. diejenigen, deren Auslegung nach Bemessungsformeln erfolgt), mit Ausnahme von Kompensatoren. Es wird angenommen, dass die Behälter in Übereinstimmung mit allen anderen Anforderungen dieser Norm ausgelegt, hergestellt und geprüft wurden. Für die Ermüdungsfestigkeitsbewertung von Teilen, die nach Anhang B oder C berechnet wurden, ist die Anwendung des vorliegenden Abschnitts unter der Bedingung zulässig, dass die berücksichtigten Spannungsschwingbreiten nicht nach Gleichung 17.6-1 bestimmt wurden, sondern im Ergebnis einer detaillierten Spannungsanalyse erhalten wurden. 17.4.2 Die Regeln dieses Abschnitts gelten nicht für Behälter der Prüfgruppe 4. 17.4.3 Diese Regeln gelten nur für ferritische und austenitische Stähle (Walz-, Schmiede- und Gussstähle). 17.4.4 Diese Regeln gelten nur für Bauteile, die außerhalb des Fließbereiches betrieben werden. 17.4.5 Was Schweißnahtfehler anbelangt: Für die Anwendung dieser Regeln müssen die folgenden Bedingungen erfüllt sein (wie nach EN 13445-5:2002, Anhang G gefordert), zusätzlich zu den allgemeinen Annahmekriterien für Schweißfehler, die in Teil 5 angegeben sind: — keine Einbrandkerbe, — keine Schweißnahtwurzel-Konkavität, — keine nicht vollständig durchgeschweißten Stellen bei durchgeschweißten Nähten, — 100% Prüfung, mittels Sichtprüfung und zerstörungsfreier Prüfung, mit Annahmekriterien wie in EN 134455:2002, Anhang G angegeben, für alle kritischen Bereiche. 17.4.6 Was Toleranzen anbelangt: — Die Fertigungstoleranzen dürfen nicht die in EN 13445-4:2002 angegebenen Werte übersteigen; — Für Rollennahtschweißungen muss der Hersteller gewisse Toleranzen annehmen und daraus die entsprechenden Spannungsfaktoren ableiten, die für die Ermüdungsfestigkeitsbewertung zu verwenden sind (siehe Tabelle 17-1, Fälle S1.2 bis S1.5, S2.2 bis S2.4 und S5.2 bis S5.4). Danach müssen die angenommenen Toleranzen nach der Fertigung geprüft und garantiert werden. 17.4.7 Die Daten, auf denen diese Anforderungen beruhen, gelten für die Ermüdung an trockener Luft. Es wird vorausgesetzt, dass keine Umwelteinflüsse vorhanden sind, welche die Ermüdungslebensdauer zusätzlich verringern könnten. Auslegungen, bei denen solche Wirkungen berücksichtigt werden, siehe 18.4.5. ANMERKUNG Bei Behälterteilen aus nicht-austenitischen Stählen, die mit Wasser in Berührung kommen und bei denen die Betriebstemperatur 200 °C überschreitet, kann die durch Druckschwankungen um den Betriebsdruck herum verursachte Spannungsänderung bei der Bildung der Magnetitschutzschicht zu einer Rissebildung in dieser Schicht führen. Betreffs der Beurteilung dieses Risikos wird auf EN 12952-3:2001, 13.4.3 verwiesen.

17.4.8 Zur Anwendung dieses Abschnitts müssen in den Betriebsanleitungen Anweisungen für eine geeignete Wartung enthalten sein. ANMERKUNG: Empfehlungen zu einer geeigneten Wartung sind in Anhang M enthalten.

17.5 Allgemeines 17.5.1 Der Wert von ∆P wird entweder durch Anwendung des vereinfachten Lastzyklenzählverfahrens nach 18.9.2 oder des sog. „Reservoir“-Lastzyklenzählverfahrens nach 18.9.3 und Betrachtung der Druckschwankungen anstelle der Spannungsschwankungen ermittelt. 424

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002:05) 17.5.2 Die Berechnungen gemäß 17.6 müssen für jedes Bauteil des Druckbehälters durchgeführt werden. Die dabei ermittelte niedrigste Lebensdauer ist die Ermüdungslebensdauer des Behälters. 17.5.3 Wenn die Konstruktion die Forderungen

η ≤ 3, f ≤ 195 Ce ⋅ Ct N/mm2, Ermüdungsklasse ≥ 63 erfüllt, gelten unabhängig voneinander die nachstehenden zwei Kriterien für die Vernachlässigung von Druckschwankungen: — Druckschwankungen können unabhängig von der Anzahl der Lastzyklen vernachlässigt werden, wenn ∆P einen Wert von 5,0 % von Pmax nicht überschreitet; — Sind die Druckzyklen im Hauptbetriebsbereich nicht zu mehr als 500 vollen Druckzyklen äquivalent, können zusätzliche kleine Druckschwankungen vernachlässigt werden, sofern ihre Schwankungsbreite ∆P nicht größer ist als: 12,5 % von Pmax für n oder n eq ≤ 1× 10 6 oder

10,0 % von Pmax für n oder n eq ≤ 2 × 10 6

oder

7,5 % von Pmax für n oder n eq ≤ 5 × 10 6

Dabei ist n bzw. n eq die Anzahl dieser kleinen Druckschwankungen.

17.6 Ermittlung der zulässigen Anzahl von Druckzyklen 17.6.1 Pseudoelastische Spannungsschwingbreite 17.6.1.1 Der Wert von ∆σ ist wie folgt aus ∆P zu berechnen: ∆σ =

∆P ⋅η ⋅ f Pmax

(17.6-1)

Dabei gilt: — Pmax ist der maximale zulässige Druck des betrachteten Bauteils oder Druckbehälterteils, wie in Abschnitt 4 definiert, außer bei nach innen gewölbten Böden, bei denen eine spezielle Definition von Pmax zur Anwendung kommt (siehe Anmerkung 2 von Tabelle 17-1); — f ist die Auslegungsnennspannung des betrachteten Bauteils oder Druckbehälterteils bei Berechnungstemperatur. Bei Druckbehälterteilen, die einen maximalen zulässigen Druck aufweisen, der von mehr als einem Wert von f abhängt (z. B. an Öffnungen mit unterschiedlichen Werkstoffen in Stutzen und Schale), ist es zulässig, einen fiktiven

425

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05) Wert von Pmax abzuleiten, der berechnet wird, indem ein einziger und willkürlich festgelegter Wert von f für das gesamte Teil angenommen wird und dieser dann verwendet wird, um ∆σ gemäß Gleichung 17.6-1 zu bestimmen, sofern derselbe Wert von f auch in dieser Gleichung verwendet wird. Wird der wahre Wert von Pmax verwendet, so muss der in Gleichung 17.6-1 zu verwendende Wert von f die höchste der Auslegungsnennspannungen der verschiedenen Werkstoffe sein, welche in dem betrachteten Teil einen Einfluss auf Pmax haben. Zur Vereinfachung kann entweder der höchstzulässige Druck des gesamten Behälters anstelle des höchstzulässigen Druckes des Bauteils oder Druckbehälterteils verwendet werden ( Pmax ), oder es kann der Berechnungsdruck P verwendet werden, zusammen mit den höchsten Auslegungsnennspannungen, die bei allen Durckbehälterteilen auftreten. ANMERKUNG 1

Diese Vereinfachungen führen zu konservativeren Ergebnissen.

ANMERKUNG 2

Da der Wert für f in Gleichung (17.6-1) für die Berechnungstemperatur gilt, ist das Verhältnis Pmax /f

temperaturunabhängig.

17.6.1.2 Der Wert von η wird Tabelle 17-1 für jedes einzelne Druckbehälterteil entnommen. Er ist ein oberer Grenzwert für das folgende Verhältnis: Maximale Struktursp annung in dem betrachtet en Teil unter Druck Pmax Auslegungs nennspannu ng bei Berechnung stemperatu r Zur Berechnung der Ermüdungslebensdauer eines nicht in Tabelle 17-1 enthaltenen Teils muss der Wert von η durch eine Schätzung der maximalen Strukturspannung in dem betreffenden Bauteil unter dem Druck Pmax ermittelt werden. Zur Vereinfachung kann für ein beliebiges Teil der maximale Wert von η für den gesamten Druckbehälter verwendet werden. ANMERKUNG In bestimmten Fällen kann eine detaillierte Berechnung nach Abschnitt 18 genauer sein als das Schätzen eines Wertes von η. Dies gilt insbesondere Knaggenverschlüssen, selbstdichtenden Verschlüssen, Gewindeverschlüssen und Klammerverbindungen.

17.6.1.3 Ist ∆σ > 3 f, muss ∆σ gemäß der Regel in 18.8 erhöht werden, um die elastisch-plastische Wechselbeanspruchung zu berücksichtigen.

426

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002:05) Tabelle 17-1 — Spannungsfaktoren η und zugehörige höchstzulässige Drücke Detailbeschreibung

Lfd. Nr..

ohne Formabweichungen

S1.1

mit Versatz δ , ohne Unrundheit und Aufdachung oder Abflachung

S1.2

Höchstzulässiger Druck Pmax

1,0z

2)

Zugeordnete Nr. in Tab. 17-4

η

Bedingungen

1)

(1+η1)z , η1 = 3δ /e 1)

alle u

(1+η2)z , η2 = 1,5u⋅D/e

oberer Grenzwert für

1,5z

1)

3)

mit Unrundheit u , ohne Versatz und Aufdachung oder Abflachung

S1.3

e1 = e2 (= e)

Längsstumpfnaht

Zylinderoder Kegelschalen

Rundstumpfnaht

u ≤ 2% alle δ

1)

1.1 bis 1.3, 1.5

(1+η4)z , η4 = 6δ /e 1)

mit Aufdachung oder Abflachung δ 2), ohne Versatz und Unrundheit

S1.4

Allgemeiner Fall (Kombination von Versatz, Unrundheit und Aufdachung oder Abflachung )

S1.5

mit gleichen Wanddicken, ohne Versatz

S2.1

mit ungleichen Wanddicken, ohne Versatz

S2.2

D1 = D2

(1+η0)z , η0 = 0,1

1.2

mit Versatz δ Wanddicken

S2.3

e1 = e2 (= e)

(1+η1)z , η1 = δ /2e

1.3, 1.5 und 1.6

S2.4

e1 ≤ e2

(1+η0+η1)z , η1 = δ /2e2

1.1 bis 1.3, 1.5 und 1.6

S3

e1 = e2

1,8z

5)

b ≤ D.e

1,0z

5)

b > D.e

1,8z

5)

2)

und mit gleichen

Allgemeiner Fall (Kombination von Versatz und ungleichen Wanddicken) Rundsickennaht Versteifungsring (mit Abstand b zwischen den Versteifungen)

S4

Zylinderschale: Gleichung 4) (7.4-3) Kegelschale: Gleichung 4) (7.6-4)

für δ = e / 3

3,0z

1)

(1+η1+η2+η4)z

D1 = D2 und e1 = e2

1,0z

1)

1)

1)

1)

1)

1.1 und 1.2, 1.5 und 1.6

1.7 5.3

427

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05) Tabelle 17-1 — Spannungsfaktoren η und zugehörige höchstzulässige Drücke (Fortsetzung) Detailbeschreibung

Lfd. Nr..

ohne Formabweichungen

S5.1

mit Versatz δ , ohne Winkelfehlausrichtung

S5.2

Höchstzulässiger Druck Pmax

1,0z

2)

Kugelschalen

Alle Stumpfnähte

mit Winkelfehlausrichtung θ , ohne Versatz

S5.3

Allgemeiner Fall (Kombination von Versatz und Winkelfehlausrichtung)

S5.4

6)

Gewölbte Krempenbereich Böden Große Grundfläche ohne Krempe

Konische Große Grundfläche mit Krempe Böden Kleine Grundfläche

428

DE1

(1+η1)z Gleichung (7.4-6)

4)

Zugeordnete Nr. in Tab. 17-4

η

Bedingungen

(1+η3)z

1)

1)

1)

, η1 = 1+3δ /e

, η3 =

θ Dm 50 2e

(1+η1+η3)z

Gleichung (7.5-7)

7)

1.1 bis 1.3, 1.5

1)

R Di ≤ 0,8 und r De ≥ 0,15

2,0

Andere Parameterwerte

2,5

1.1 bis 1.3, 1.5, oder ungeschweißt

CE1.1

siehe Berechnung in 7.6.6.3

Alle Parameter

3,0

1.4

CE1.2

siehe Berechnung in 7.6.7.3

0,01 ≤ r / Dc ≤ 0,3

MAX{1; 3,0 − 9 r / Dc }

1.1 bis 1.3, 1.5

CE2

Gleichung (7.6-27)

2,5

1.1 bis 1.3, 1.4 und 1.5

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002:05)

Tabelle 17-1 — Spannungsfaktoren η und zugehörige höchstzulässige Drücke (Fortsetzung) Detailbeschreibung

OS1

ohne Stutzen

Öffnungen in der Schale (mit Dicke es)

mit durchgeschweißten Nähten

OS2.1

mit Kehlnaht oder versenkten Kehlnähten mit Nahtdicke ≥ 0,8emin

OS2.3

Stutzen (mit Dicke en), ohne Verstärkungsplatte mit Kehlnaht oder versenkten Kehlnähten 8) mit Nahtdicke < 0,8emin

mit durchgeschweißten Nähten

Stutzen (mit Dicke en) mit Verstärkungsplatte (mit Dicke ep)

Lfd. Nr..

mit Kehlnaht oder versenkten Kehlnähten mit Nahtdicke ≥ 0,8emin

mit Kehlnaht oder versenkten Kehlnähten 8) mit Nahtdicke < 0,8emin

Höchstzulässiger Druck Pmax

Bedingungen

η

Zugeordnete Nr. in Tab. 17-4

Gleichung (9.5-10) oder (9.5-12)

d i / Di ≤ 0,6

3,0

ungeschweißt

3,0

3 a)

Gleichung (9.5-10) oder (9.5-12)

Gleichung (9.5-10) oder (9.5-12)

3,0 0,7 ≤ en / es ≤ 1,5 und d i / Di ≤ 0,6

OS2.4 Pmax von Bauteil mit Dicke emin (Schale

OS3.1

4,0 Gleichung (9.5-10) oder (9.5-12)

Gleichung (9.5-10) oder (9.5-12) OS3.3 Pmax von Bauteil mit Dicke emin (Schale oder Stutzen ohne Öffnung)

3 b)

1,8 mit Klasse 32

oder Stutzen ohne Öffnung)

OS3.2

3,0 mit Klasse gemäß Tabelle 17-4

0,7 ≤ en / es ≤ 1,5 d i / Di ≤ 0,6 und ep / es ≤ 1,0

3 a)

4,0 4,0 mit Klasse nach Tabelle 17-4

3 b)

2,4 mit Klasse 32

429

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

Tabelle 17-1 — Spannungsfaktoren η und zugehörige höchstzulässige Drücke (Fortsetzung) Detailbeschreibung

Eingesetztes oder aufgesetztes Verstärkungsblech (in Schale mit Dicke es)

Verschraubte flache Böden (Mittenbereich des Bodens)

430

Höchstzulässiger Druck Pmax

Bedingung en

Zugeordnete Nr. in Tab. 17-4

η

mit durchgeschweißten Nähten

P1

Gleichung (9.514) oder (9.5-17)

3,0

5)

mit Kehlnaht oder versenkten Kehlnähten mit Nahtdicke ≥ 0,8es

P2

Gleichung (9.514) oder (9.5-17)

3,0

5)

mit Kehlnaht oder versenkten Kehlnähten 8) mit Nahtdicke < 0,8es

mit durchgeschweißten Nähten

Geschweißte flache Böden (Verbindung mit Schale)

Lfd. Nr..

Auf- oder eingeschweißter flacher Boden

P3

FE1.1

mit Kehlnaht oder versenkten FE1.2 Kehlnähten mit Nahtdicke ≥ 0,8es mit Kehlnaht oder versenkten Kehlnähten mit Nahtdicke < 0,8es FE1.3

8)

Boden durch Stumpfschweißung mit Schale verbunden, mit Entlastungsnut

FE2

Boden durch Stumpfschweißung mit Schale verbunden, mit Übergangsradius oder Krempe

FE3

FE4

Gleichung (9.514) oder (9.5-17)

3,0 mit Klasse nach Tab. 17-4

Pmax der Schale ohne Öffnung

1,8 mit Klasse 32 3,0

siehe Abschnitt 9) 10

7.3 b) und 7.4

2.1 a) und 2.1 c) 2.3 a) und 2.3 c)

3,0

siehe Abschnitt 9) 10

3,0 mit Klasse nach Tab. 17-4

Pmax der Schale

1,8 mit Klasse 32

siehe Abschnitt 9) 10

siehe Abschnitt 9) 10

7.1 b) und 7.3 a)

Kein mittiger Ausschnitt

2.1 b) und 2.3 b)

3,0

2.2

1,5

1.1 bis 1.3 1.5 und 1.6

1,0

ungeschweißt

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002:05) Tabelle 17-1 — Spannungsfaktoren η und zugehörige höchstzulässige Drücke (Fortsetzung) Detailbeschreibung Vorschweißflansch (durch Stumpfschweißung mit der Schale verbunden)

Verbindung mit der Schale Flansche (mit Dicke es)

Glatter Flansch

Lfd. Nr..

Höchstzulässiger Druck Pmax

Bedingungen

10)

F1

mittels durchgeschweißter Naht an die Schale angeschweißt

F2.1

an die Schale angeschweißt mit Kehlnaht oder versenkter Kehlnaht mit Nahtdicke ≥ 0,8es

F2.2

siehe Abschnitt 11 10) oder Anhang G

7.1 a)

1,5

Verbindung Buchse zu Platte

Ring- oder kegelförmige Verbindung des Mantels an beiden Enden mit der Zylinderschale

F2.3

1,5 siehe Abschnitt 11 10) oder Anhang G

F3

siehe Abschnitt 11 10) oder Annex G

J1

10)

-kegelförmige Verbindung: siehe Berechnung in 7.6.6.3 oder 7.6.7.3

11)

J2

Verstärkungsplatte (mit Dicke ep)

W1 W2 W3

7.2 b)

0,9 mit Klasse 32

-ringförmige Verbindung: Gleichung 7.4-3

Kegelförmige Verbindung des Mantels an einem Ende mit der Zylinderschale und am anderen Ende mit dem gewölbten Boden

Pratze oder Auflager

1,5 mit Klasse nach Tabelle 17-4

Pmax der Schale

Mäntel

Anschweiß- Rippe, Klammer oder Tragöse teile

7.2 a)

10)

siehe Abschnitt 11 10) oder Anhang G

10)

an die Schale angeschweißt mit Kehlnaht oder versenkter 8) Kehlnaht mit Nahtdicke ≥ 0,8es

Zugeordnete Nr. in Tab. 17-4

η

siehe Berechnung in 7.6.6.3 oder 7.6.7.3

siehe Schalen (Lfd. Nr. S.1 bis S.3)

1,5

D2 / D1 ≤ 1,2

2,0⋅z

ungeschweißt

1)

4 Ohne Krempe

3,0

Mit Krempe

2,5

ep ≤ 1,5 es

2,0⋅z

12)

5.2

Ohne äußere Kraft

2,0⋅z

12)

5.1

Mit konstanter Auflagerlast

2,0⋅z

12)

6.1 bis 6.5

431

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05) Tabelle 17-1 — Spannungsfaktoren η und zugehörige höchstzulässige Drücke (Fortsetzung) Anmerkungen zu Tabelle 17-1: 1)

Der zur Bestimmung von η zu verwendende Schweißnahtfaktor z ist der Wert, der für die Berechnung der Wanddicke der betrachteten Schale verwendet wird.

2)

In Bild 17-1 ist dargestellt, wie δ zu messen ist.

3)

u = 2(Dmax − Dmin ) (Dmax + Dmin )

4)

Wenn e 1 ≠ e 2 ist, ist Pmax mit der kleinen Wanddicke zu berechnen.

5)

In Ermangelung einer genaueren Schätzung wird vorläufig dieser Wert für η angenommen.

6)

θ ist der Winkel zwischen den Tangenten an die aneinanderstoßenden Platten in Grad.

7)

Für diesen Abschnitt ist Pmax gleich Py aus Gleichung (7.5-7) zu verwenden. Die anderen möglichen Bestimmungen von PS und Pb (aus den Gleichungen (7.5-6) bzw. (7.5-8)) sind an dieser Stelle nicht von Bedeutung.

8)

Für ein solches Teil muss eine zweifache Berechnung durchgeführt werden: -

eine Berechnung mit der in Tabelle 17 für das betreffende Teil angegebenen Klasse,

-

eine Berechnung mit Klasse 32,

wobei für jede Berechnung der jeweils zutreffende Wert von Pmax zu verwenden ist, der in der zugehörigen Zeile von Tabelle 17-1 angegeben ist, zusammen mit dem entsprechenden Wert von f. ANMERKUNG: Die erste Berechnung soll dazu dienen, die Gefahr einer Rissbildung vom Nahtübergang her abzudecken, während die zweite die Gefahr einer Rissbildung von der Nahtwurzel her abdecken soll. 9)

Der höchstzulässige Berechnungsdruck ist der für den ebenen Boden (nicht der für die angrenzende Zylinderschale). In Formel 17.6-1, ist der einzuführende Wert f der niedrigste der Druckwerte von Boden und Schale. Da in Abschnitt 10 keine explizite Formel für Pmax angegeben ist, ist Pmax als derjenige Druck zu berechnen, welcher eine erforderliche Enddicke ergibt, die gleich der Berechnungsdicke ist. Als konservative Vereinfachung kann Pmax = PAuslegung verwendet werden.

10)

Der höchstzulässige Berechnungsdruck ist in Abschnitt 1 nicht explizit angegeben. Er ist als derjenige Druck zu berechnen, bei dem die Spannungen ihre zulässigen Grenzwerte erreichen, oder in Anhang G ein Lastverhältnis von 1,0. Als konservative Vereinfachung kann Pmax = PAuslegung verwendet werden.

11)

Nach derzeitigem Wissensstand gibt es keinen Wert von η für Ringverbindungen in diesem Fall. Es sollte eine ausführliche Berechnung der Ermüdungslebensdauer nach Abschnitt 18 durchgeführt werden.

12)

Der zur Bestimmung von η zu verwendende Schweißnahtfaktor z ist der Wert, der für die Berechnung der Wanddicke der Schale verwendet wird, an welche das betrachtete Teil angeschweißt ist.

432

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002:05)

(a) Längsschweißnaht in einer Zylinderschale

θ

δ

(b) Schweißnaht in einer Kugelschale Bild 17-1 — Definition der Parameter für Formabweichungen bei Stumpfschweißungen 17.6.2 Korrekturfaktoren für die Spannungsschwingbreite 17.6.2.1 Wanddicke Der Korrekturfaktor zur Berücksichtigung der Wanddicke wird wie folgt berechnet: Für 25 mm < en < 150 mm :  25  C e =    en 

0,25

(17.6-2)

Der Korrekturfaktor C e ist in Bild 17–2als Funktion der Wanddicke dargestellt Der Korrekturfaktor ist bei allen Schweißverbindungen mit Ausnahme von Verbindungen der Klasse 32 und glattgeschliffenen Stumpfnähten anzuwenden. An der Verbindung von Bauteilen unterschiedlicher Wanddicke ist der Wert von en für das Teil mit der geringeren Wanddicke zu verwenden. ANMERKUNG

In dem Teil mit der geringeren Wanddicke ist die Wahrscheinlichkeit einer Ermüdungsrissbildung am höchsten.

Für en < 25 mm gilt C e = 1. Für en > 150 mm gilt der Korrekturfaktor für en = 150 mm.

433

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

1 0,9 0,8

Ce 0,7 0,6 0,5 0

25

50

75

100

125

150

e (mm)

Bild 17-2 — Korrekturfaktor zur Berücksichtigung der Wanddicke

17.6.2.2 Temperatur Der Korrekturfaktor zur Berücksichtigung der Temperatur wird wie folgt berechnet: Für t * ≥ 100 °C : — bei ferritischen Werkstoffen:

Ct = 1,03 − 1,5 × 10 −4 t* − 1,5 × 10 −6 (t* )2

(17.6-3)

— bei austenitischen Werkstoffen:

Ct = 1,043 − 4,3 × 10 −4 t*

(17.6-4)

Dabei ist t* (in °C) die angenommene mittlere Zyklustemperatur, die wie folgt definiert ist:

t* = 0,75 t max + 0,25 t min Für t * < 100 °C gilt Ct = 1. Dieser Korrekturfaktor ist in Bild 18-10 dargestellt.

434

(17.6-5)

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002:05) 17.6.2.3 Kerbwirkung In einem ungeschweißten Bereich ist der effektive Kerbfaktor (die effektive Formzahl) K f wie folgt zu berechnen:

K f = 1+

1,5 (K t − 1) ∆σ   1 + 0,5 ⋅ MAX1; K t  ∆σ D  

(17.6-6)

Dabei ist K t der theoretische Kerbfaktor im betrachteten Punkt und ∆σ D die Dauerwechselfestigkeit der Klasse UW (siehe Tabelle 17-3). Dieser Faktor ist auf die Strukturspannung anzuwenden, um die Kerbspannung zu erhalten, welche der für die Berechnung von ungeschweißten Bereichen verwendete Spannungstyp ist (siehe Gleichung 17.6-9). ANMERKUNG

Kf ist nur an Punkten von Bedeutung, an denen eine nennenswerte Kerbwirkung vorhanden ist.

An Ecken mit kleinen Übergangsradien r (z. B. am Fuß von geschmiedeten/bearbeiteten Stutzen, siehe Bild 17-3) können die folgenden Schätzungen für K t verwendet werden: für r ≥ e/4 :

K t = 1,4

(17.6-7)

für r ≥ e/8 :

K t = 1,8

(17.6-8)

Dabei ist e die Dicke der jeweils dünneren Wand an der Verbindungsstelle.

Bild 17-3 — Typische Ecken mit kleinen Übergangsradien (ungeschweißte Bereiche)

435

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05) 17.6.3 Fiktive Spannungsschwingbreite 17.6.3.1 An einer geschweißten Verbindung:  ∆σ ∆σ * =   Ce ⋅ C t

   

(17.6-9)

ANMERKUNG Dies ist die Schwingbreite der Strukturspannung (wie in 17.2.11 definiert), die in Verbindung mit den Berechnungsermüdungskurven von Schweißnähten zu verwenden ist, bei denen die Kerbwirkung mit berücksichtigt wird.

17.6.3.2 In einem ungeschweißten Bereich:  ∆σ   Kf ∆σ * =    Ce ⋅ Ct 

(17.6-10)

ANMERKUNG Dies ist die Schwingbreite der effektiven Kerbspannung (wie in 17.2.3 definiert), die in Verbindung mit der Berechnungsermüdungskurve von ungeschweißten Bereichen zu verwenden ist, bei der Keine Kerbwirkung berücksichtigt wird.

17.6.4 Berechnungsermüdungskurven 17.6.4.1 Die Berechnungsermüdungskurven sind durch die nachstehenden Gleichungen gegeben und in Bild 17-4 dargestellt. Die Kurven sind nach Klassen gekennzeichnet. Die im Bild mit UW gekennzeichnete einzelne Kurve gilt für ungeschweißte Bereiche. Die anderen Kurven gelten für geschweißte Verbindungen. ANMERKUNG

Die "Klassen"-Kennzahl entspricht der zulässigen Spannungsschwingbreite bei N = 2 × 10 6 Lastzyklen.

Bei jeder Kurve gibt es zwei Bereiche, die der Dauerwechselfestigkeit unterhalb bzw. oberhalb der Lastzyklenanzahl entsprechen, welche dem Grenzwert der Dauerwechselfestigkeit bei konstanter Amplitude ∆σ D entspricht, d. h. 5 × 10 6 Lastzyklen für geschweißte Verbindungen und 2 × 10 6 Lastzyklen für ungeschweißte Bereiche. Die punktierten Linien in Bild 17-4 gelten nur bei Belastung mit veränderlicher Amplitude, was auch Spannungsschwingbreiten einschließt, die größer sind als ∆σ D .

Die Kurven enden bei N = 1× 108 Zyklen. Die diesem Wert entsprechende Spannungsschwingbreite ist der untere Grenzwert ∆σ Cut . Es wird angenommen, dass Spannungsschwingbreiten unter diesem Grenzwert keine Ermüdungsschädigung hervorrufen und deshalb nicht berücksichtigt werden müssen.

436

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002:05)

10000

∆σ R (N/mm²)

1000

32

40

56 63 71 80 90

UW

100

10 1,0E+02

1,0E+03

1,0E+04

1,0E+05

1,0E+06

1,0E+07

1,0E+08

N

Bild 17-4 – Berechnungsermüdungskurven

17.6.4.2 Die in Bild 17-4 dargestellten Berechnungsermüdungskurven für geschweißte Verbindungen werden durch die folgenden Gleichungen beschrieben: — für N ≤ 5 × 10 6 Lastzyklen: 1

C 3 ∆σ R =  1  N

(17.6-11)

— für N ≥ 5 × 10 6 Lastzyklen: — Für die Berechnung einer Belastung mit veränderlicher Amplitude gilt: 1

∆σ R

C 5 = 2  N 

(17.6-12)

— Für die Berechnung einer Belastung mit konstanter Amplitude gilt: ∆σ R = ∆σ D

(17.6-13)

Dabei sind C1 , C2 und ∆σ D in Tabelle 17-2 angegebene Konstanten. ANMERKUNG Bei der Erstellung der Berechnungsermüdungskurven wurden die Kerbwirkungen von Schweißnähten und der größtmögliche Einfluss von Eigenspannungen berücksichtigt.

437

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05) Tabelle 17-2 – Parameter der Berechnungsermüdungskurven für geschweißte Verbindungen Dauerwechselfestigkeit (bei N = 5 × 10 6 )

Klasse

(N/mm2) ∆σ D

Konstanten der Ermüdungskurven Unterer Grenzwert für N ≥ 5 × 10 6 für N ≤ 5 × 10 6 8 (bei N = 1× 10 ) (Gleichungen 17.6-11 (Gleichungen 17.6-12 (N/mm2) und 17.6-7) und 17.6-9) ∆σ Cut

C1

C2 12

90

66,3

36,4

1,46 × 10

6,41 × 10 15

80

58,9

32,4

1,02 × 10 12

3,56 × 10 15

71

52,3

28,7

7,16 × 10 11

1,96 × 10 15

63

46,4

25,5

5,00 × 10 11

1,08 × 10 15

56

41,3

22,7

3,51 × 10 11

5,98 × 10 14

40

29,5

16,2

1,28 × 10 11

1,11 × 10 14

32

23,6

12,9

6,55 × 10 10

3,64 × 10 13

17.6.4.3 Für ungeschweißte Bereiche wird die in Bild 17-4 dargestellte Berechnungsermüdungskurve der Klasse UW durch die folgenden Gleichungen beschrieben: — für N ≤ 2 × 10 6 Lastzyklen: ∆σ R =

46000

N

+ 140

(17.6-14)

— für N ≥ 2 × 10 6 Lastzyklen: Für die Berechnung einer Belastung mit veränderlicher Amplitude gilt: 1

 C  10 ∆σ R =  3  N

(17.6-15)

Für die Berechnung einer Belastung mit konstanter Amplitude gilt: ∆σ R = ∆σ D

(17.6-16)

Dabei sind C3 und ∆σ D in Tabelle 17-3 angegebene Konstanten. Tabelle 17-3 – Parameter der Berechnungsermüdungskurve für ungeschweißte Bereiche

Klasse

UW

Konstante der Ermüdungskurve

Dauerwechselfestigkeit (N/mm2)

Unterer Grenzwert (N/mm2)

für N ≥ 2 × 10 6 (Gleichungen 17.6-15 und 17.6-20)

∆σ D

∆σ Cut

C3

172,5

116,7

4,67 × 10 28

ANMERKUNG 1 Die Klasse UW wurde für ungekerbte Bereiche abgeleitet. Kerbwirkungen (falls vorhanden) werden durch Kf in der Berechnung von ∆σ* berücksichtigt. ANMERKUNG 2 Die Ermüdungskurve für Klasse UW berücksichtigt Oberflächenrauheiten bis zu Werten gewalzter oder stranggepresster Oberflächen und erfasst auch die maximal mögliche Wirkung von Mittel- oder Eigenspannungen.

438

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002:05) 17.6.5 Klassifizierung von Schweißverbindungen Die Schweißverbindungen sind den in Tabelle 17-4 angegebenen, prüfgruppenabhängigen Klassen zuzuordnen. Zur Vereinfachung kann die Klasse für das ungünstigste Schweißdetail, das in dem gesamten Behälter vorhanden ist, für alle Schweißverbindungen verwendet werden. ANMERKUNG 1 angegeben.

Die für die verschiedenen Prüfgruppen geltenden Forderungen sind in Anhang A und in EN 13445-5:2002

ANMERKUNG 2 Schweißverbindungen der Prüfgruppe 3 sind in den meisten Fällen niedrigeren Klassen zugeordnet als solche der Prüfgruppen 1 und 2. Die Wahl einer höheren Prüfgruppe als ursprünglich gefordert ist somit in bestimmten Fällen ein mögliches Verfahren, um die Anwendung einer höheren Ermüdungsklasse zu rechtfertigen. ANMERKUNG 3 Die Klasse 32, welche die Ermüdungsbeständigkeit von Kehlnähten gegen Rissbildung durch die Nahthöhe hindurch repräsentiert, ist in Tabelle 17-4 nicht erwähnt. Der Grund besteht darin, dass diese Klasse niemals für eine Schweißverbindung allein verwendet wird, sondern nur in Verbindung mit der in Tabelle 17-4 angegebenen relevanten Klasse für die Beurteilung der Rissbildung vom Nahtübergang aus (siehe Anmerkung 12 zu Tabelle 17-1).

17.6.6 Zulässige Lastzyklenanzahl 17.6.6.1 Wenn ∆σ * > ∆σ D ist, gilt: — für geschweißte Verbindungen:

N=

C1

(17.6-17)

(∆σ * )3

— für ungeschweißte Bereiche: 46000  N =    ∆σ * −140 

2

(17.6-18)

17.6.6.2 Wenn ∆σ Cut ≤ ∆σ * ≤ ∆σ D ist, gilt: In Fällen mit sämtlichen Spannungsschwingbreiten < ∆σ D :

N = unbegrenzt (unendlich) In allen anderen Fällen: — für geschweißte Verbindungen:

N=

C2

(∆σ * )5

(17.6-19)

— für ungeschweißte Bereiche:

N=

C3

(∆σ * )10

(17.6-20)

17.6.6.3 Wenn ∆σ * < ∆σ Cut ist, ist die Ermüdungswirkung der Wechselbeanspruchung zu vernachlässigen.

439

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05) Tabelle 17-4 — Klassifizierung von Schweißverbindungen (a) Nahtschweißverbindungen Lfd. Nr. 1.1

1.2

Art der Verbindung

Detailskizze

Durchgeschweißte Stumpfnaht, bündig geschliffen, einschließlich Reparaturschweißung

Durchgeschweißte Stumpfnaht, beidseitig geschweißt oder einseitig bis zur abschmelzenden Einlage oder zur temporären nichtschmelzenden Unterlage geschweißt

1.3

Klasse PrüfPrüfBemerkungen gruppe gruppe 1 oder 2 3 Naht erwies sich bei zerstörungsfreier Prüfung als frei von 90 71 Oberflächenfehlern und größeren oberflächennahen Fehlern (siehe 17.4.5)

Ce = 1 63

Naht erwies sich bei zerstörungsfreier Prüfung als frei von größeren Fehlern (siehe 17.4.5)

S1.1 bis S2.4, S5.1 bis S5.4, DE1, CE1.2, FE3

80

63

Naht erwies sich bei zerstörungsfreier Prüfung als frei von größeren Fehlern (siehe 17.4.5)

S1.2 und S1.5, S2.3 und S2.4, S5.2 und S5.4, DE1, CE1.2, FE3

Naht erwies sich bei zerstörungsfreier Prüfung als frei von größeren Fehlern (siehe 17.4.5)

CE1.1, CE2

80 71

63 56

Falls α ≤ 30° Falls α > 30°

Tabelle 17-4 — Klassifizierung von Schweißverbindungen (Fortsetzung)

440

S1.1 bis S2.4, S5.1 bis S5.4, DE1, CE1.2, FE3

80

1.4

(a) Nahtschweißverbindungen (Fortsetzung)

Zugeordnete Nr. in Tabelle 17-1

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002:05) Klasse Lfd. Nr. 1.5

Art der Verbindung

Durchgeschweißte Stumpfnaht, einseitig geschweißt, ohne Unterlage

Detailskizze

PrüfPrüfgruppe gruppe 1 oder 2 3

Naht erwies sich bei zerstörungsfreier Prüfung als frei von größeren Fehlern (siehe 17.4.5)

63 40 40

1.6

Durchgeschweißte Stumpfnaht, einseitig geschweißt, mit bleibender Unterlage

Wenn Durchschweißung sichergestellt werden kann Wenn Innenseite für Sichtprüfung nicht zugänglich ist und vollständige Durchschweißung nicht sichergestellt werden kann In allen Fällen Nur Rundnähte (siehe 5.7) Mindestnahtdicke = Schalenwanddicke

56 40 40

1.7

Bemerkungen

Sickennaht

40 40

S1.1 bis S2.4, S5.1 bis S5.4, DE1, CE1.2, FE3

S2.1 bis S2.4

Mehrlagenschweißnaht, Nahtwurzel auf vollständige Verschmelzung mit Unterlage geprüft Einlagenschweißnaht In allen Fällen Nur Rundnähte (siehe 5.7) Mindestnahtdicke = Schalenwanddicke

56

Zugeordnete Nr. in Tabelle 17-1

S3

Mehrlagenschweißnaht, Nahtwurzel auf vollständige Verschmelzung mit Unterlage geprüft Einlagenschweißnaht In allen Fällen

441

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05) Tabelle 17-4 — Klassifizierung von Schweißverbindungen (Fortsetzung) (b) Verbindung Schale/Boden oder Schale/Rohrboden Lfd. Nr. 2.1

Art der Verbindung

Detailskizze

Klasse PrüfPrüfgruppe gruppe 1 oder 2 3

Aufgeschweißter Boden

Bemerkungen Boden muss ausreichende Festigkeitseigenschaften über die Dicke aufweisen, um Lamellenrissbildung zu vermeiden

71 80

63 63

Beidseitig durchgeschweißt: — Wie geschweißt — Wenn Nahtübergänge nachbearbeitet

63

63

Beidseitig mit versenkter Kehlnaht geschweißt

Zugeordnete Nr. in Tabelle 17-1 FE1.1 bis FE1.3

Einseitig durchgeschweißt, ohne Gegennaht: — Innenseite sichtgeprüft und frei von Schweißgutüberlauf oder Wurzelrückfall. — Wenn Innenseite für Sichtprüfung nicht zugänglich ist und vollständige Durchschweißung nicht sichergestellt werden kann — In allen Fällen

63 40 40 2.2

Aufgeschweißter Boden mit Entlastungsnut

Durchgeschweißte Naht erwies sich bei zerstörungsfreier Prüfung als frei von größeren Fehlern (siehe 17.4.5). Boden muss ausreichende Festigkeitseigenschaften über die Dicke aufweisen, um Lamellenrissbildung zu vermeiden

80

63

63 40 40

442

Beidseitig geschweißt, oder einseitig geschweißt und Wurzellage bündig geschliffen Einseitig geschweißt, wie geschweißt: — Innenseite sichtgeprüft und erwies sich als frei von Schweißgutüberlauf oder Wurzelrückfall — Wenn Innenseite für Sichtprüfung nicht zugänglich ist — In allen Fällen

FE2

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002:05) Tabelle 17-4 — Klassifizierung von Schweißverbindungen (Fortsetzung) (b) Verbindung Schale/Boden oder Schale/Rohrboden (Fortsetzung) Lfd. Nr. 2.3

Art der Verbindung

Detailskizze

Klasse PrüfPrüfgruppe gruppe 1 oder 2 3

Eingeschweißter Boden

Bemerkungen

71 80

63 63

Beidseitig durchgeschweißt (bezieht sich auf Ermüdungsrissbildung vom Nahtübergang aus in die Schale): — Wie geschweißt — Wenn Nahtübergänge nachbearbeitet

63

63

Beidseitig mit versenkter Kehlnaht geschweißt

40

Einseitig durchgeschweißt ohne Gegennaht: — Innenseite sichtgeprüft und erwies sich als frei von Schweißgutüberlauf oder Wurzelrückfall. — Wenn Innenseite für Sichtprüfung nicht zugänglich — In allen Fällen

63 40

Zugeordnete Nr. in Tabelle 17-1 FE1.1 bis FE1.3

443

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05) Tabelle 17-4 — Klassifizierung von Schweißverbindungen (Fortsetzung) (c) Verbindungen an Abzweigen Lfd. Nr. 3

Art der Verbindung Alle Nahttypen

Detailskizze

Klasse PrüfPrüfgruppe gruppe 1 oder 2 3

(a)

63

Durchgeschweißt:: — Wie geschweißt — Wenn Nahtübergänge nachbearbeitet — In allen Fällen

63

Mit versenkter Kehlnaht geschweißt, Schweißnahtdicke ≥ 0,8 x kleinere Wanddicke der verbundenen Wände: — Wie geschweißt — Wenn Nahtübergänge nachbearbeitet — In allen Fällen

71 80

(b) 63 71

444

Bemerkungen

Zugeordnete Nr. in Tabelle 17-1 OS2.1 bis OS3.3

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002:05) Tabelle 17-4 — Klassifizierung von Schweißverbindungen (Fortsetzung) (d) Doppelmäntel Lfd. Nr. 4

Art der Verbindung

Detailskizze

Klasse PrüfPrüfgruppe gruppe 1 oder 2 3

DoppelmantelVerbindungsnaht mit Formdichtungsring

Bemerkungen

Durchschweißung erforderlich, Naht erwies sich bei zerstörungsfreier Prüfung als frei von größeren Fehlern (siehe 17.4.5)

40

Einseitig geschweißt: — Mehrlagenschweißnaht, Nahtwurzel auf vollständige Verschmelzung geprüft — Einlagenschweißnaht — In allen Fällen

56

Beidseitig geschweißt oder einseitig geschweißt mit Gegennaht

63 40

71

Zugeordnete Nr. in Tabelle 17-1 J1 und J2

445

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05) Tabelle 17-4 — Klassifizierung von Schweißverbindungen (Fortsetzung) (e) Anbauteile, die mit nicht drucktragenden Schweißnähten befestigt sind Lfd. Nr.

Art der Verbindung

Detailskizze

Klasse PrüfPrüfgruppe gruppe 1 oder 2 3

Bemerkungen

Zugeordnete Nr. in Tabelle 17-1

5.1

Anbauteil beliebiger Form mit Randkehle oder Randabschrägung, mit der Oberfläche eines spannungsbeanspruchten Bauteils stumpfverschweißt, Nähte um die Enden herumgeführt oder nicht

71 80

71 80

Wie geschweißt Bei Teilen mit um die Enden herumgeführten Schweißnähten, wenn Nahtübergänge nachbearbeitet

W2

5.2

Anbauteil beliebiger Form, Oberfläche an einem spannungsbeanspruchten Bauteil anliegend, Nähte um die Enden herumgeführt oder nicht

71 80

71 80

Wie geschweißt Bei Teilen mit um die Enden herumgeführten Schweißnähten, wenn Nahtübergänge nachbearbeitet

W1

5.3

Durchgehende Versteifung

71 80

71 71

Wie geschweißt Bei durchgeschweißten Nähten, wenn Nahtübergänge nachbearbeitet

S4

446

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002:05) Tabelle 17-4 — Klassifizierung von Schweißverbindungen (Fortsetzung) (f) Auflagerungen ohne Belastung durch zusätzliche äußere Wechselbeanspruchung, Bewertung der Behälterwand Lfd. Nr.

Art der Verbindung

Detailskizze

Klasse PrüfPrüfgruppe gruppe 1 oder 2 3

Bemerkungen

Zugeordnete Nr. in Tabelle 17-1

6.1

Auflagerung eines liegenden oder stehenden Behälters, mit durchgehender Kehlnaht rundum mit dem Behälter verschweißt

71 80

71 80

Wie geschweißt Wenn Nahtübergang in die Schale nachbearbeitet

W3

6.2

Zapfenlagerung, mit durchgehender Kehlnaht rundum mit dem Behälter verschweißt

71 80

71 80

Wie geschweißt Wenn Nahtübergang in die Schale nachbearbeitet

W3

6.3

Sattelauflager, mit durchgehender Kehlnaht rundum mit dem Behälter verschweißt

71 80

71 80

Wie geschweißt Wenn Nahtübergang in die Schale nachbearbeitet

W3

Tabelle 17-4 — Klassifizierung von Schweißverbindungen (Fortsetzung) (f) Auflagerungen ohne Belastung durch zusätzliche äußere Wechselbeanspruchung, Bewertung der Behälterwand (Fortsetzung) 447

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

Lfd. Nr. 6.4

6.5

448

Art der Verbindung

Standzarge, mit durchgehender Kehlnaht rundum mit dem Behälter verschweißt

Tragpratzen (mit oder ohne Verstärkungsblech), mit durchgehender Kehlnaht rundum mit dem Behälter verschweißt

Detailskizze

Klasse PrüfPrüfgruppe gruppe 1 oder 2 3

Bemerkungen

Durchgeschweißt oder mit versenkter Kehlnaht geschweißt:

71 80

71 80

Zugeordnete Nr. in Tabelle 17-1 W3

— Wie geschweißt — Wenn beidseitig geschweißt und Nahtübergänge in die Schale nachbearbeitet

71

71

W3

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002:05) Tabelle 17-4 — Klassifizierung von Schweißverbindungen (Fortsetzung) (g) Flansche und Verstärkungsringe Lfd. Nr. 7.1

Art der Verbindung Mit Stumpfnaht durchgeschweißter Vorschweißflansch oder Ausgleichsflansch mit Schweißansatz

Detailskizze

Klasse PrüfPrüfgruppe gruppe 1 oder 2 3

Naht erwies sich bei zerstörungsfreier Prüfung als frei von größeren Fehlern (siehe 17.4.5)

a)

80

63

b)

63 40 40 7.2

Vorschweißflansch

Bemerkungen

a)

Zugeordnete Nr. in Tabelle 17-1 F1 oder P1

Naht beidseitig geschweißt, oder einseitig geschweißt mit wurzelseitiger Stützraupe, oder durchgeschweißt bis zur aufschmelzenden Einlage oder zur temporären nichtschmelzenden Unterlage Einseitig geschweißt: — Wenn vollständige Durchschweißung sichergestellt werden kann — Wenn Innenseite für Sichtprüfung nicht zugänglich ist und vollständige Durchschweißung nicht sichergestellt werden kann — In allen Fällen

71 80

63 63

Durchgeschweißt: — Wie geschweißt — Wenn Nahtübergang nachbearbeitet

63

63

Mit versenkter Kehlnaht geschweißt

F2.1 bis F2.3

b)

449

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05) Tabelle 17-4 — Klassifizierung von Schweißverbindungen (Fortsetzung) (g) Flansche und Verstärkungsringe (Fortsetzung) Lfd. Nr. 7.3

Art der Verbindung

Eingeschweißter Flansch oder Verstärkungsring

Detailskizze

Klasse PrüfPrüfgruppe gruppe 1 oder 2 3

a)

Bemerkungen

71 80

63 63

Durchgeschweißt: — Wie geschweißt — Wenn Nahtübergang nachbearbeitet

63

63

Kehlnaht auf beiden Seiten:

63

63

Zugeordnete Nr. in Tabelle 17-1 P1 bis P3

b)

7.4

450

Aufgeschweißter Flansch oder Verstärkungsring, beidseitig geschweißt

P2 und P3

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002:05)

17.7 Berechnungsregel 17.7.1 Beanspruchung mit variabler Amplitude (allgemeiner Fall) 17.7.1.1 Die Gesamtermüdungsschädigungskennzahl infolge der kumulativen Wirkung der Lastzyklen, die das Berechnungsspektrum der Spannungsschwingbreiten bilden, wird wie folgt berechnet: D=

k n n1 n ni + 2 + 3 + etc
= N1 N 2 N 3 Ni 1

∑

(17.7-1)

Dabei ist n i die Anzahl der während der erwarteten Lebensdauer des Behälters auftretenden Lastzyklen der Spannungsschwingbreite Spannungsschwingbreite

(∆σ * )i und N i die zulässige Lastzyklenanzahl der betreffenden (∆σ * )i , die gemäß 17.6.6 aus den jeweils zutreffenden Berechnungsermüdungskurven

zu entnehmen ist. ANMERKUNG Die Berechnung der Akkumulation der Schädigungen infolge der einzelnen Lastzyklustypen erfolgt gemäß der Miner’schen Regel (lineare Summation).

17.7.1.2 Die Konstruktion ist annehmbar, wenn die folgende Bedingung erfüllt ist:

D ≤1

(17.7-2)

Wird diese Bedingung nicht erfüllt, muss entweder die Konstruktion geändert oder eine ausführliche Berechnung der Ermüdungslebensdauer nach Abschnitt 18 durchgeführt werden. 17.7.2 Beanspruchung mit konstanter Amplitude (Spezialfall) Die Konstruktion ist annehmbar, wenn die folgende Bedingung erfüllt ist: ∆σ * ≤ ∆σ R

(17.7-3)

Dabei wird ∆σ R gemäß 17.6.4.2 oder 17.6.4.3 für die einwirkende Anzahl von Druckzyklen n anstelle von N berechnet.

17.8 Konstruktion und Fertigung ANMERKUNG 1 Anzahl und Größe der Druckschwankungen, denen ein Behälter während seiner Lebensdauer standhalten kann, werden von seiner Konstruktion, seinem Werkstoff und seinem Fertigungsverfahren bestimmt. ANMERKUNG 2 Hohe Spannungsspitzen sind möglichst zu vermeiden. Als Hilfe bei der Auswahl der geeigneten Konstruktion, insbesondere an den Verbindungsstellen von Bauteilen, können die Beiwerte η für verschiedene konstruktive Einzelheiten des Behälters (siehe Tabelle 17-1) oder die Ermüdungsklassen verschiedener Schweißverbindungen (siehe Tabelle 17-2) verglichen werden. ANMERKUNG 3 Allgemein niedrige Spannungswerte sind von Vorteil. Eine Überdimensionierung der Wanddicke bei der Auslegung für ruhende Beanspruchung trägt zur Reduzierung der Spannungen bei Wechselbeanspruchung bei. Dieser Vorteil kann jedoch aufgrund der nachteiligen Auswirkung der erhöhten Wanddicke auf die Ermüdungsfestigkeit (ausgedrückt durch den Korrekturfaktor zur Berücksichtigung der Wanddicke C e ) teilweise wieder verloren gehen. ANMERKUNG 4 Werkstoffe.

Für ungeschweißte Bereiche sind weichere Stähle sind im allgemeinen weniger kerbempfindlich als andere

ANMERKUNG 5 höher sein.

In Schweißverbindungen sollte Festigkeit des Schweißguts gleich der des Grundwerkstoffs oder geringfügig

ANMERKUNG 6 Eigenspannungen und Schweißfehler sollten möglichst gering gehalten werden. Bei Wechselbeanspruchung wirken sich Fertigungsfehler stärker aus als bei ruhender Beanspruchung. Es sollten die Forderungen für die Auslegung drucktragender Schweißnähte in Anhang A eingehalten werden. ANMERKUNG 7 Ein Glätten der Oberflächen (durch Nachbearbeiten, Schleifen von Schweißnähten) trägt zur Erhöhung der Ermüdungslebensdauer bei.

17.9 Prüfung Zusätzlich zu den Forderungen in Teil 5 dieser Norm sind bei der Prüfung vor, während und nach der Fertigung die folgenden Bestimmungen einzuhalten. 451

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05) 17.9.1 Erstmalige Überprüfung der Prüfbedingungen In der Konstruktionsphase ist eine erste Überprüfung vorzunehmen, um die kritischen Bereiche der Behälter (siehe Definition in 17.2.16) eindeutig zu bestimmen und zu benennen. 17.9.2 Prüfung während der Fertigung und Bauprüfung Für zerstörungsfreie Prüfungen sind in allen kritischen Bereichen, zusätzlich zu den allgemeinen Forderungen von EN 13445-5:2002, die Bestimmungen von EN 13445-5:2002, Anhang G einzuhalten. ANMERKUNG Ist kein bestimmtes Verfahren für die zerstörungsfreie Prüfung vorgeschrieben, sollte dem Ultraschall- oder dem Magnetpulverprüfverfahren der Vorzug gegeben werden.

17.9.3 Prüfung während des Betriebs ANMERKUNG Empfehlungen betreffs der Prüfung während des Betriebs und zu Maßnahmen, die während des Betriebs ergriffen werden sollten, werden in Anhang M gegeben.

452

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

18 Ausführliche Berechnung der Ermüdungslebensdauer 18.1 Zweck 18.1.1 Dieser Abschnitt enthält Regeln für die ausführliche Berechnung der Ermüdungslebensdauer von Druckbehältern und Druckbehälterbauteilen unter Wechselbeanspruchung. 18.1.2 Bei den Berechnungsregeln wird davon ausgegangen, dass der Behälter gemäß den Forderungen dieser Norm hergestellt ist. 18.1.3 Die Regeln gelten nur für ferritische und austenitische Stähle gemäß Abschnitt 2 von EN 13445. 18.1.4 Die Regeln gelten nicht für Druckbehälter der Prüfgruppe 4. Für Schweißnähte der Prüfgruppe 3 gelten die besonderen Bestimmungen in 18.10.2.1. 18.1.5 Das hier beschriebene Verfahren dient nicht für die Konstruktion im elastoplastisch beanspruchten Bereich (siehe Referenz [1]).

18.2 Zusätzliche Definitionen Folgende Definitionen gelten zusätzlich zu denen in Abschnitt 3. 18.2.1 Ermüdungskurven

  
   

R gegen N für geschweißte und ungeschweißte  


R/Rm gegen N für Schrauben. 18.2.2 Störstelle Unstetigkeit in Form oder Werkstoff, die die Spannungsverteilung beeinflusst. 18.2.3 Globale Störstelle Unstetigkeit in Form oder Werkstoff, die die Spannungs- oder Dehnungsverteilung über die gesamte Wanddicke beeinflusst. 18.2.4 Lokale Störstelle Unstetigkeit in Form oder Werkstoff, die die Spannungs- oder Dehnungsverteilung örtlich begrenzt über einen Teil der Wanddicke beeinflusst. 18.2.5 Nennspannung Spannung in Abwesenheit von Störstellen. ANMERKUNG 1 Die Nennspannung ist eine Bezugsspannung, die nach der grundlegenden Strukturtheorie berechnet wird und die Einflüsse struktureller Störstellen (z. B. Schweißnähte, Ausschnitte und Änderungen der Dicke) ausschließt (siehe Bild 18-1). ANMERKUNG 2 Die Verwendung der Nennspannung ist für einige bestimmte Schweißnähte zulässig, bei denen die Ermittlung der Strukturspannung unnötig kompliziert wäre. Sie wird auch auf Schrauben angewandt. ANMERKUNG 3 Die Nennspannung wird gewöhnlich verwendet, um die Ergebnisse von Ermüdungsversuchen an Laborproben unter einfacher einachsiger Axial- oder Biegebeanspruchung auszudrücken. Die aus diesen Ergebnissen abgeleiteten Ermüdungskurven berücksichtigen somit auch die Einflüsse von ggf. in den Proben vorhandenen Kerben und Störstellen (z.B. Schweißnähten).

453

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05) 18.2.6 Kerbspannung Gesamtspannung am Kerbgrund einschließlich des nichtlinearen Teils der Spannungsverteilung. ANMERKUNG 1 In Bild 18-1 ist die Kerbspannung am Beispiel eines geschweißten Bauteils dargestellt; Kerbspannungen treten aber ebenso an lokalen Störstellen in ungeschweißten Bauteilen auf. ANMERKUNG 2 Kerbspannungen werden gewöhnlich mit einer numerischen Analyse berechnet. Alternativ kann die Nenn- oder Strukturspannung in Verbindung mit der effektiven Formzahl Keff verwendet werden.

Legende 1 Nennspannung 2 Strukturspannung 3 Kerbspannung 4 Extrapolation zur Ermittlung der Strukturspannung am möglichen Risseinleitungspunkt

Bild 18-1 — Verteilung der Nenn-, Struktur- und Kerbspannung an einer Störstelle 18.2.7 Vergleichsspannung einachsige Spannung, die die gleiche Ermüdungsschädigung verursacht wie die tatsächlichen mehrachsigen Spannungen ANMERKUNG 1 Das Kriterium nach der Tresca-Hypothese wird hier verwendet, die Verwendung der Miles-Hypothese ist ebenfalls zulässig. ANMERKUNG 2 Die Regel zur Berechnung der Vergleichsspannung sind in C.4.1 angegeben. Die Regeln zur Berechnung des Vergleichsspannungsbereiches zwischen zwei unabhängigen Lastfällen sind in C.4.2 angegeben. In diesem Abschnitt müssen gleiche Spannungsbereiche für volle Lastzyklen definiert werden, d. h. für Unterschiede zur Abdeckung unterschiedlicher Lastbedingungen. Die entsprechenden Vorgaben sind für geschweißte Komponenten in 18.6.2.2 enthalten und für ungeschweißte in 18.7.1.2. Diese Bedingungen sind unterschiedlich, abhängig davon, ob die grundlegenden Spannungsrichtungen während eines Zyklus konstant bleiben oder nicht.

454

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 7 (2003-07)

18.2.8 Schweißnahtspannung mittlere Spannung an der Schweißnahtdicke einer Kehlnaht oder versenkten Kehlnaht ANMERKUNG 1 Im allgemeinen Fall einer nicht gleichmäßig belasteten Schweißnaht wird die Schweißnahtspannung als Quotient der Höchstbelastung je Längeneinheit der Schweißnaht und der Schweißnahtdicke berechnet; dabei wird angenommen, dass keine Lastkomponente durch Stützwirkungen zwischen den verbundenen Teilen aufgenommen wird. ANMERKUNG 2 anzuwenden.

Bei starker Verkrümmung an der Schweißnaht ist der maximale Wert der Linearspannung

ANMERKUNG 3 Die Schweißnahtspannung wird ausschließlich für die Berechnung des Ermüdungsversagens durch Rissbildung im Schweißgut von Kehlnähten oder versenkten Kehlnähten verwendet.

18.2.9 Spannungsschwingbreite (
 Wert vom Maximum bis zum Minimum eines Lastzyklus (siehe Bild 18-2) der Nenn- oder der Hauptspannung, je nach Bauteil und Festlegung in diesem Abschnitt

Legende 1 = ein Lastzyklus; Spannungsschwingbreite ∆σ Bild 18-2 — Spannungsschwingbreite 18.2.10 Strukturspannung linear über die Dicke verteilte Spannung durch die von außen einwirkenden Lastgrößen (Kräfte, Momente, Drücke usw.) und die entsprechende Reaktion der betreffenden Strukturteile ANMERKUNG 1 Die Strukturspannung schließt die Wirkungen globaler Störstellen (z. B. Abzweige, Kegel-ZylinderVerbindungen, Schale-Boden-Verbindungen, Dickenänderungen, Abweichungen von der Konstruktionsform, Anbauteile) ein, nicht aber die Kerbwirkungen lokaler Störstellen (z. B. Schweißnahtübergang), die zu nichtlinearer Spannungsverteilung über die Dicke führen (siehe Bild 18-1).

455

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 7 (2003-07) ANMERKUNG 2 Bei der Berechnung der Ermüdungslebensdauer ist die Strukturspannung am möglichen Risseinleitungspunkt zu ermitteln. ANMERKUNG 3 Strukturspannungen können nach einem der folgenden Verfahren bestimmt werden: Numerische Analyse (z. B. Finite-Elemente-Verfahren), Dehnungsmessung oder Anwendung von Formzahlen auf die analytisch ermittelten Nennspannungen. Referenz [2] enthält Hinweise zur Anwendung der numerischen Analyse. ANMERKUNG 4 betrachten.

Bei hohen Wärmespannungen ist anstelle der linear verteilten Spannung die Spannungsspitze zu

18.2.11 Schweißnahtdicke Mindestdicke im Nahtquerschnitt 18.2.12 Dauerwechselfestigkeit Spannungsschwingbreite, unterhalb derer bei Belastung mit konstanter Amplitude keine Ermüdungsschädigung eintritt 18.2.13 Unterer Grenzwert der Spannungsschwingbreite Spannungsschwingbreite, unterhalb derer Ermüdungsschäden vernachlässigt werden 18.2.14 Theoretische Formzahl (theoretischer Kerbfaktor) Verhältnis der auf Grundlage rein elastischen Verhaltens berechneten Kerbspannung zur Strukturspannung in diesem Punkt 18.2.15 Effektive Kerbspannung die Spannung, die das Ermüdungsverhalten an einer Kerbe bestimmt 18.2.16 Effektive Formzahl Verhältnis der effektiven Gesamtspannung (einschließlich Kerbeffekt) zur Strukturspannung in demselben Punkt 18.2.17 Kritischer Bereich ein Bereich, in dem die Gesamtermüdungsschädigungskennzahl den maximalen Wert Dmax übersteigt, der wie folgt definiert ist:

Dmax = 0,8 für 500 < neq ≤ 1000 Dmax = 0,5 für 1000 < neq ≤ 10000 Dmax = 0,3 für neq > 10000

18.3 Zusätzliche Symbole und Abkürzungen Die folgenden Symbole und Abkürzungen gelten zusätzlich zu denen in Abschnitt 4.

C, C1, C2

Konstanten in der Gleichung für Ermüdungskurven geschweißter Bauteile

D

Schädigungskennzahl

E

Elastizitätsmodul bei zulässiger Betriebstemperatur

Fe, Fs

Beiwerte

fb

Gesamtkorrekturfaktor für Schrauben

fc

Korrekturfaktor zur Berücksichtigung der Spannungen durch Druck

fe

Korrekturfaktor zur Berücksichtigung des Wanddickeneinflusses bei ungeschweißten Bauteilen

456

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 7 (2003-07)

few

Korrekturfaktor zur Berücksichtigung des Wanddickeneinflusses bei geschweißten Bauteilen und Schrauben

fm

Korrekturfaktor zur Berücksichtigung des Mittelspannungseinflusses

fs

Korrekturfaktor zur Berücksichtigung der Oberflächenrauheit

ft*

Temperatureinflussfaktor

fu

Gesamtkorrekturfaktor für ungeschweißte Bauteile

fw

Gesamtkorrekturfaktor für geschweißte Bauteile

g

Tiefe der durch Schleifen des Nahtrands verursachten Nut

Kf

Effektive Formzahl nach Gleichung (18.7-2)

Km

Vergrößerungsfaktor für Spannungen aufgrund von Formabweichungen

Kt

Theoretische Formzahl

ke

Vergrößerungsfaktor für mechanische Spannungen im überelastisch beanspruchten Bereich

kν

Vergrößerungsfaktor für Wärmespannungen im überelastisch beanspruchten Bereich

M

Mittlerer Spannungsempfindlichkeitsfaktor

m, m1, m2

Exponenten in den Gleichungen der Ermüdungskurven für geschweißte Bauteile

N

Zulässige Lastzyklenanzahl aus den Ermüdungskurven (Index i bezeichnet die zulässige Lastzyklenanzahl für die i-te Spannungsschwingbreite)

n

Tatsächliche Lastzyklenanzahl (Index i bezeichnet die Lastzyklenanzahl für die i-te Spannungsschwingbreite)

R

Mittlerer Radius des Behälters im betrachteten Punkt

Rmin

Kleinster Innenradius eines zylindrischen Behälters einschließlich Korrosionszuschlag

Rmax

Größter Innenradius eines zylindrischen Behälters einschließlich Korrosionszuschlag

Rz

Rauhtiefe

r

Radius der durch Schleifen des Nahtrands verursachten Nut

Sij

Differenz zwischen den Hauptspannungen (σi und σj) bzw. den Strukturspannungen (σstruc,i und σstruc,j)

457

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 7 (2003-07)

tmax

Höchstbetriebstemperatur

tmin

Mindestbetriebstemperatur

t*

Angenommene mittlere Temperatur während eines Lastzyklus

∆εT

Gesamtdehnungsschwingbreite

∆σ

Maximale Hauptspannungsschwingbreite (Index i bezeichnet die i-te Spannungsschwingbreite; Index w bezieht sich auf Schweißung)

∆σeq

Vergleichsspannungsschwingbreite (Index i bezeichnet die i-te Spannungsschwingbreite)

∆σR

Spannungsschwingbreite aus den Ermüdungskurven

∆σD

Dauerwechselfestigkeit

∆σcut

Unterer Grenzwert der Spannungsschwingbreite

∆σstruc Strukturspannungsschwingbreite ∆σf

Spannungsschwingbreite der Gesamtvergleichsspannung

∆σeq,l

Vergleichsspannungsschwingbreite entsprechend der Schwankung im linearen Teil der Spannungsverteilung

∆σeq,t

Kerbvergleichsspannungsschwingbreite (oder Gesamtvergleichsspannungsschwingbreite)

∆σeq,nl Spannungsschwingbreite entsprechend der Schwankung im nichtlinearen Teil der Spannungsverteilung δ

Gesamtabweichung von der mittleren Kreisform einer Schale an der Schweißnaht (Unrundheit)

δ1

Mittellinienversatz stoßgeschweißter Platten

θ

Winkel zwischen den Tangenten stoßgeschweißter Platten an einer Naht

σ

Normalspannung bzw. Normalspannungsschwingbreite (Index w bezeichnet Schweißnähte)

(σeq, t)op

gesamte Vergleichsspannung durch Betriebsdruck (zur besonderen Verwendung in 18.4.6)

(σeq, t)max

gesamte maximale Vergleichsspannung

(σeq, t)min

gesamte minimale Vergleichsspannung

σ eq

Vergleichsmittelspannung

σ eq, r Reduzierte Vergleichsmittelspannung für elastisch-plastische Bedingungen

458

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 7 (2003-07)

σstruc1 Strukturhauptspannung (Indizes 1, 2 und 3 bezeichnen die Hauptachsen) zu einem gegebenen Zeitpunkt σ1

Hauptspannung (Indizes 1, 2 und 3 bezeichnen die Hauptachsen) zu einem gegebenen Zeitpunkt

σV1, σV2 Spannungsschwingbreiten im Beispiel für das „Reservoir”-Lastzyklenzählverfahren in 18.9.3

τ

Schubspannung bzw. Schubspannungsschwingbreite (Index w bezeichnet Schweißnähte)

18.4 Geltungsbereich 18.4.1 Bei auf Ermüdung ausgelegten Behältern sind die Fertigungsverfahren aller Bauteile, einschließlich vorübergehend angebrachter Teile und Ersatzteile, vom Hersteller festzulegen. 18.4.2 Es gibt keine Einschränkungen hinsichtlich der Verwendung von Ermüdungskurven für Behälter mit Betriebstemperaturen unter 0 °C, sofern der Werkstoff, durch den sich ein Ermüdungsriss fortpflanzen könnte, nachgewiesenermaßen so zäh ist, dass ausgehend von einem Ermüdungsriss kein Bruch verursacht werden kann. 18.4.3 Diese Regeln gelten nur für Behälter mit Betriebstemperaturen unterhalb des Zeitstandbereichs des Werkstoffs, d. h. die Ermüdungskurven gelten für Temperaturen bis 380 °C bei ferritischen Stählen bzw. bis 500 °C bei austenitischen Stählen. 18.4.4 Voraussetzung für die Anwendung dieser Regeln ist die Zugänglichkeit aller ermüdungskritischen Bereiche für Sichtprüfungen und zerstörungsfreie Prüfungen. Außerdem müssen Anweisungen für die geeignete Wartungvorgesehen und in die Betriebsweisung aufgenommen werden. ANMERKUNG Empfehlungen für eine geeignete Wartung sind in Anhang M enthalten. Was Schweißnahtfehler anbelangt: Für die Anwendung dieser Regeln müssen die folgenden Bedingungen erfüllt sein (wie nach EN 13445-5:2002, Anhang G gefordert), zusätzlich zu den allgemeinen Annahmekriterien für Schweißfehler, die in Teil 5 angegeben sind: — keine Einbrandkerbe, — keine Schweißnahtwurzel-Konkavität, — keine nicht vollständig durchgeschweißten Stellen bei durchgeschweißten Nähten, — 100% Prüfung, mittels Sichtprüfung und zerstörungsfreier Prüfung, mit Annahmekriterien wie in EN 13445-

5:2002, Anhang G angegeben, für alle kritischen Bereiche. 18.4.5 Korrosive Bedingungen beeinträchtigen die Ermüdungslebensdauer von Stahl erheblich. Durch entsprechende Umgebungsbedingungen verursachte Ermüdungsrisse können bei niedrigeren Wechselbeanspruchungen auftreten als in Luft und ihre Ausbreitungsgeschwindigkeit kann höher sein. In den angegebenen Dauerfestigkeitswerten sind keine Korrosionszuschläge berücksichtigt. Wenn mit Korrosionsermüdung zu rechnen ist und wirksamer Schutz gegen das korrosive Medium nicht gewährleistet werden kann, sollte deshalb auf der Grundlage von Erfahrungen oder Prüfungen ein Korrekturfaktor zur Berücksichtigung der Korrosionswirkung gewählt werden, um den die angegebenen Dauerfestigkeitswerte reduziert werden. Besteht aufgrund mangelnder Erfahrung keine Sicherheit, dass die gewählten Dauerfestigkeitswerte niedrig genug angesetzt sind, ist die Prüfhäufigkeit zu erhöhen, bis genügend Erfahrungswerte für eine Rechtfertigung des gewählten Faktors vorliegen. Was Toleranzen anbelangt: — Die Fertigungstoleranzen dürfen nicht die in EN 13445-4:2002 angegebenen Werte übersteigen; — Für Rollennahtschweißungen muss der Hersteller gewisse Toleranzen annehmen und daraus die entsprechenden Spannungsfaktoren ableiten, die für die Ermüdungsfestigkeitsbewertung zu verwenden sind. Danach müssen die angenommenen Toleranzen nach der Fertigung geprüft und garantiert werden. 459

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 7 (2003-07)

18.4.6 Bei wasserbeaufschlagten Teilen aus nicht austenitischen Stählen, die mit Temperaturen über 200 °C betrieben werden, ist auf Erhaltung der Magnetitschutzschicht zu achten. Dies ist gewährleistet, wenn die Spannungsschwingbreite an der wasserbeaufschlagten Oberfläche stets die folgenden Gleichungen erfüllt:

(

)

(18.4-1)

(

)

(18.4-2)

( σ eq, t

)max

≤ (σ eq, t )op + 200 N/mm 2

( σ eq, t

)min

≥ (σ eq, t )op − 600 N/mm 2

ANMERKUNG Es wird vorausgesetzt, dass unter den Betriebsbedingungen, bei denen sich die Magnetitschutzschicht bildet, die Schutzschicht spannungsfrei ist.

18.4.7 Lassen sich Schwingungen (z. B. durch Maschinen, Druckschwankungen oder Wind) durch entsprechende Versteifungen, Abstützung oder Dämpfung nicht unterdrücken, so sind sie gemäß den Verfahren dieses Abschnitts zu berechnen.

18.5 Allgemeines 18.5.1 Eine Berechnung der Ermüdungslebensdauer ist an allen Stellen durchzuführen, an denen die Gefahr von Ermüdungsrissbildung besteht. ANMERKUNG Es wird empfohlen, bei der Berechnung der Ermüdungslebensdauer die tatsächlichen Betriebslasten anstelle der Nennlasten zu verwenden.

18.5.2 Da sich geschweißte Teile in Bezug auf Ermüdung anders verhalten als ungeschweißte, unterscheiden sich auch die Verfahren zu Berechnung ihrer Lebensdauer. 18.5.3 Ungeschweißte Teile können Reparaturen mit beschliffenen Schweißnähten aufweisen, deren Vorhandensein zu einer Reduzierung der Dauerfestigkeit des Werkstoffs führen kann. Als ungeschweißt sind daher nur solche Bauteile anzusehen, die definitiv schweißnahtfrei sind. 18.5.4 In Tabelle 18-1 ist der typische Ablauf bei der Auslegung eines Behälters auf Ermüdungsfestigkeit zusammengefasst. 18.5.5 Die aus den entsprechenden Ermüdungskurven (für geschweißte und ungeschweißte Bauteile sowie Schrauben) ermittelte Ermüdungslebensdauer bei konstanter Spannungsschwingbreite ist die zulässige Lastzyklenanzahl. 18.5.6 Zur Ermittlung der Schädigungsakkumulation bei veränderlichen Spannungsschwingbreiten wird die Schädigungskennzahl D wie folgt berechnet:

D=

n1 n 2 + +...... = N1 N1

∑ Nii n

(18.5-1)

Die folgende Bedingung muss erfüllt sein:

D ≤1

460

(18.5-2)

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05) Tabelle 18–1: Zusammenfassung des Verfahrens zur Berechnung der Ermüdungslebensdauer Aufgabe

Bemerkung

Bezug

1 .

Auslegung des Behälters auf ruhende Beanspruchung

Konstruktion, Schweißnähte und Maße

Teil 3

2 .

Festlegen der Wechselbeanspruchung

auf Grundlage von Betriebsmerkmalen und vom Hersteller ermittelten Zusatzbeanspruchungen, etc.

18.5, 18.9.1

3 .

Auswahl der zu berechnenden Stellen des Behälters

Störstellen, Ausschnitte, Verbindungen (geschweißt, geschraubt), Ecken, Reparaturen usw.

18.5

4 .

Ermitteln der Spannungsschwingbreite an jeder gewählten Stelle

a) Berechnung der (Kerb- oder Nenn-) Spannungsschwingbreite b) Ggf. Anwendung von Korrekturfaktoren für plastische Verformung

geschweißte Bauteile: 18.6, 18.8 und 18.10.4; ungeschweißte Bauteile: 18.7, 18.8 und18.10.4; Schrauben: 18.7.2,

5 .

Ermitteln der Vergleichsspannungsschwingbreite an jeder gewählten Stelle

a) Lastzyklenzählverfahren

18.9

b) Anwendung des Gesamtkorrekturfaktors

18.8

c) ungeschweißtes Material: Schwingbreiten der effektiven Kerbspannung ermitteln 6 .

Ermitteln der Wechselfestigkeit

a) geschweißte Bauteile b) ungeschweißte Bauteile c) Schrauben

7 .

Angabe besonderer Anforderungen und Benachrichtigung von betroffenem Fertigungs- und Prüfpersonal

a) Forderungen für die Prüfung von Schweißnähten b) Überwachung von oder Annahmen bezüglich Fluchtfehlern c) Annahmegrenzen für Schweißfehler

18.7

18.10, Tabellen 18-4 und Anhang P 18.11 18.12 Tabellen 18-4 bzw. Anhang P 18.10.4 18.10.5

8 .

Ermittlung der Dauerfestigkeit auf Grundlage der Auslegung auf Ermüdung und Prüfung

a) geschweißte Bauteile b) ungeschweißte Bauteile c) Schrauben d) Berechnungsverfahren

18.10, Tabelle 18-7 18.11, Tabelle 18-10 18.12 18.5.5, 18.5.6

9 .

Weitere Maßnahmen bei Versagen einer Stelle nach Prüfung

a) Neuberechnung anhand genauerer Spannungsanalyse b) Spannungsreduzierung durch Wanddickenerhöhung c) Änderung der Schweißnaht d) Beschleifen des Nahtübergangs, falls zutreffend

18.6 (geschweißte Bauteile), 18.7 (ungeschweißte Bauteile) Tabelle 18-4 bzw. Anhang P 18.10.2.2.

461

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05) 18.6 Geschweißte Bauteile 18.6.1 Spannungen Für die Berechnung einfacher Anbauteile und fluchtender Schweißnähte können die Nennspannungen auf elastischer Basis angewendet werden. Bei direkt beanspruchten Kehlnähten oder versenkten Kehlnähten, jedoch nicht bei Stumpfnähten (z.B. Verbindungsnähte) wird, wie in 18.6.3 dargestellt, die zulässige Spannungsschwingbreite an der Schweißnahtdicke verwendet. Bei allen anderen geschweißten Bauteilen sind die Hauptspannungen zu bestimmen, und zwar – durch Berechnung nach der Elastizitätstheorie aus den Strukturspannungen am möglichen Risseinleitungspunkt unter Berücksichtigung aller Membran-, Biege- und Schubspannungen oder – durch Ableitung aus den am Behälter gemessenen und in linearelastische Werte umgerechneten Dehnungen. Wird die Hauptspannung durch eine detaillierte Spannungsanalyse (z. B. Finite-Elemente-Methode) oder durch Messungen bestimmt, ist sie durch Extrapolation aus der Hauptspannung zu ermitteln, die am nächsten an der Senkrechten zur Schweißnaht wirkt (siehe Extrapolationsverfahren in Bild 18-3). ANMERKUNG 1 Bei der Hauptspannung müssen sämtliche Störstellen (z. B. Stutzen) und Spannungsursachen in vollem Umfang berücksichtigt werden. Spannungsursachen sind u. a. globale Formabweichungen wie Verbindungen zwischen Schale und Boden, Wanddickenänderungen und aufgeschweißte Ringe sowie Abweichungen von der Nennform wie Unrundheit, Temperaturgradienten, Aufdachungen und Schweißnahtversatz. (Dabei ist zu beachten, dass in einigen der Ermüdungskurven Fluchtfehler teilweise bereits berücksichtigt sind.) Die in diesem Abschnitt und dem angegebenen Referenz [3]...[7] beschriebenen Verfahren liefern entweder Schätzwerte dieser Spannungen für viele Behältergeometrien oder ermöglichen zumindest eine konservative Schätzung. ANMERKUNG 2 Da die maximale Spannungsschwingbreite an der Nahtdicke als Vektorsumme ausgedrückt werden kann, ist ∆σ der skalare Wert der größten Vektordifferenz zwischen den verschiedenen Spannungszuständen im Verlauf des Zyklus.

462

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

Bild 18-3 — Extrapolation zur Ermittlung der Strukturspannung aus Ergebnissen des Finite-ElementeVerfahrens oder der Dehnungsmessung Punkte zu Ermittlung der Strukturspannung durch Extrapolation auf den Punkt der Spannungskonzentration (im dargestellten Fall der Nahtübergang): a) Geringe Biegespannungskomponente, Messlänge
e, lineare Extrapolation b) Hohe Biegespannungskomponente, steife elastische Bettung, Messlänge
e, quadratische Extrapolation c) Messlänge > 0,2e, lineare Extrapolation Der Begriff „Messlänge” bezieht sich auf die Abmessung des Dehnungsmessstreifens bzw. die Teilung des FE-Netzes.

18.6.2 Spannungsschwingbreite in Grundwerkstoff und Stumpfnähten

18.6.2.1 Optionen Für die Berechnung einfacher Anbauteile und fluchtender Schweißnähte kann (sofern sie sich nicht in Bereichen befinden, die von quer hindurch verlaufenden Unstetigkeiten der Struktur betroffen sind) entweder die Nennvergleichsspannungsschwingbreite (Tabelle 18-4a) und 18-4e)) oder die Nennhauptspannungsschwingbreite (Anhang P) verwendet werden. Diese wird auf gleiche Weise berechnet wie die Strukturspannungsschwingbreite (siehe Gleichung (18.6-4), (18.6-5) und (18.6-6)), wobei anstelle der Hauptspannungen die Nennhauptspannungen verwendet werden. Je nach Berechnungsverfahren wird bei allen anderen geschweißten Bauteilen  
    
 
  
 
       mit Anhang P verwendet 

  
 
      
  Vergleichsspannungsschwingbreiten berechnet und mit Tabelle 18-4 verwendet. Zugspannungen werden mit positivem, Druckspannungen mit negativem Vorzeichen versehen. In beiden Fällen ist ein wesentlicher Aspekt, ob die Richtungen der Hauptspannungen bei kombinierter Lasteinwirkung konstant bleiben oder nicht. Ggf. sind in die elastisch berechneten Haupt- oder Vergleichsspannungsschwingbreiten um die Korrekturfaktoren für Spannungen im überelastisch beanspruchten Bereich gemäß 18.8 zu berichtigen. ANMERKUNG Bei geschweißten Bauteilen wird die gesamte Spannungsschwingbreite ungeachtet der aufgebrachten oder effektiven Mittelspannung verwendet. In den Ermüdungskurven ist die Wirkung von Restzugspannungen berücksichtigt. Wärmebehandlung nach dem Schweißen bleibt in der Ermüdungsanalyse unberücksichtigt.

463

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05) 18.6.2.2 Vergleichsspannungsschwingbreite ∆σeq 18.6.2.2.1 Konstante Hauptspannungsrichtungen Sind die Hauptspannungsrichtungen konstant, wird ∆σeq wie folgt berechnet. Die zeitlichen Verläufe der drei Hauptspannungen sind zu bestimmen. Die zeitlichen Verläufe der drei Hauptspannungsdifferenzen werden wie folgt berechnet:

S12 = σ struc1 − σ struc2 (18.6-1)

S23 = σ struc2 − σ struc3 (18.6-2)

S31 = σ struc3 − σ struc1 (18.6-3) Durch Anwendung der Tresca-Hypothese ergibt sich:

(

∆σ eq = max S12 max − S12 min ; S23 max − S23 min ; S31max − S31min

) (18.6-4)

ANMERKUNG Ein typisches Beispiel ist in Bild 18-4(a) und (b) dargestellt. ∆σeq ist das Doppelte der größten Schubspannungsschwingbreite und tritt in einer der drei Ebenen maximaler Schubspannung auf.

464

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

(a) Typischer Verlauf der Hauptspannungen

(b) Verlauf der Hauptspannungsdifferenzen und daraus resultierender Wert von ∆σeq

Bild 18-4 — Typischer Spannungsverlauf bei konstanten Hauptspannungsrichtungen

465

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 7 (2003-07) 18.6.2.2.2 Veränderliche Hauptspannungsrichtungen Sind die Hauptspannungsrichtungen nicht konstant zwischen zwei Lastbedingungen, wird ∆σeq wie folgt berechnet. Die sechs Spannungskomponenten (drei Normal- und drei Schubspannungskomponenten) bei jeder Lastbedingung bezogen auf geeignete feste Achsen zu ermitteln. Für jede Spannungskomponente die Differenz zwischen den beiden Bedingungen berechnen. Die Hauptspannungen aus den resultierenden Spannungsveränderungen berechnen und mit (∆σ)1, (∆σ)2, (∆σ)3 bezeichnen. Dann gilt

∆σ eq = max( (∆σ )1 − (∆σ )2 ; (∆σ )2 − (∆σ )3 ; (∆σ )3 − (∆σ )1 )

(18.6-5)

Sofern die zyklische Einwirkung so komplex ist, dass nicht klar erkennbar ist, welche zwei Einwirkungszustände den größten Wert von ∆σeq ergeben, so ist dies durch Anwendung obigen Verfahrens für alle Paare von Einwirkungszuständen zu ermitteln. Die zwei Einwirkungszustände die den größten Wert von ∆σeq ergeben, sind als "min" und "max" Einwirkungszustände für die Berechnung der mittleren Vergleichsspannung zu verwenden, entsprechend 18.7.1.2.2 und Verwendung von Gleichung (18.7-6). ANMERKUNG Dieses Verfahren ist Vergleichsspannungshypothese verwendete.

das

gleiche

wie

das

in

C.4.2

für

den

Fall

der

Trescaschen

18.6.2.3 Hauptspannungsschwingbreite ∆σ 18.6.2.3.1 Anwendung Liegt der mögliche Risseinleitungspunkt am Nahtübergang oder auf der Nahtoberfläche, ist für die Berechnung der Ermüdungslebensdauer die Spannungsschwingbreite im Werkstoff neben der Naht erforderlich. Da σstruc3 = 0 ist, Für die maximale Hauptspannungsermittlung werden nur die beiden Hauptspannungen σstruc1 und σstruc2 verwendet, die im wesentlichen (d. h. innerhalb von 45°) parallel bzw. senkrecht zum Nahtverlauf an den Werkstoffoberflächen wirken. 18.6.2.3.2 Konstante Hauptspannungsrichtungen Sind Hauptspannungsrichtungen konstant, wird ∆σ wie folgt berechnet: ∆σ struc1 = σ struc1max - σ struc1min

(18.6-6)

∆σ struc2 = σ struc2max - σ struc2min (18.6-7) ANMERKUNG

Ggf. müssen beide Hauptspannungsschwingbreiten in Abhängigkeit von ihrer Richtung betrachtet werden.

18.6.2.3.3 Veränderliche Hauptspannungsrichtungen Ändern sich die Hauptspannungsrichtungen zwischen zwei Belastungszuständen, wird ∆σ wie folgt berechnet. Die drei Spannungskomponenten (zwei Normal- und eine Schubspannungskomponente) in jedem Beanspruchungszustand bezogen auf geeignete feste Achsen ermitteln. Für jede Spannungskomponente dann die jeweilige Spannungsdifferenz dieser beiden Bedingungen und daraus wiederum die Hauptspannungen berechnen. ANMERKUNG Ggf. müssen beide Hauptspannungsschwingbreiten in Abhängigkeit von ihrer Richtung und die für jede Richtung zutreffende Ermüdungsklassen betrachtet werden.

Ist der Beanspruchungszyklus so komplex, dass nicht sofort ersichtlich ist, zwischen welchen beiden Beanspruchungszuständen ∆σ ein Maximum hat, ist das beschriebene Verfahren auf alle Paare von Beanspruchungszuständen anzuwenden. Alternativ kann als konservativer Ansatz angenommen werden, dass ∆σ die Differenz zwischen der algebraisch größten und kleinsten Hauptspannung während eines vollständigen Zyklus ungeachtet ihrer jeweiligen Richtung ist, hierbei ist die niedrigere der Klassen für die beiden Hauptspannungsrichtungen anzunehmen (siehe Tabellen P.1 - P.7). 466

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 7 (2003-07)

18.6.3 Spannungsschwingbreite in direkt beanspruchten Kehlnähten oder versenkten Kehlnähten Der Wert ∆σ ist die größte Spannungsschwingbreite in der Kehlschnittfläche, wie in 18.2.8 definiert. Ist die Wechselbeanspruchung durch den Wechsel zwischen Einwirken und Nichteinwirken einer einzigen Last bedingt, gilt:

(

∆σ = σ w 2 + τ w 2

)

1/ 2

Dabei ist σw die Normalspannungsschwingbreite Schubspannungsschwingbreite in der Kehlschnittfläche.

(18.6-8) in

der

Kehlschnittfläche

und

τw

die

Resultiert die Wechselbeanspruchung aus mehr als einer Last, und bleiben die Richtungen der Spannungen konstant, wird ∆σ aus der größten Lastdifferenz je Längeneinheit der Schweißnaht ermittelt. Ändert sich die Richtung des Spannungsvektors an der Nahtdicke während des Zyklus zwischen zwei extremen Belastungszuständen, ist ∆σ der Wert der Vektordifferenz zwischen beiden Spannungsvektoren. Ist der Beanspruchungszyklus so komplex, dass nicht sofort ersichtlich ist, welche beiden Beanspruchungszustände zum höchsten Wert von ∆σ führen, muss die Vektordifferenz für alle Paare extremer Beanspruchungszustände ermittelt werden. Alternativ gilt die folgende konservative Annahme: ∆σ = [( σ max - σ min )2 + ( τ 1max - τ 1min )2 + ( τ 2 max - τ 2 min )2 ]1 / 2

(18.6-9)

Dabei sind τ1 und τ2 die beiden Schubspannungskomponenten an der Nahtdicke. 18.7 Ungeschweißte Bauteile und Schrauben 18.7.1 Ungeschweißte Bauteile 18.7.1.1 Spannungen Der Bewertung von ungeschweißten Bereichen sind effektive Gesamtvergleichsspannungen zugrunde zu legen. Diese effektiven Gesamtvergleichsspannungen können entweder von Strukturspannungen oder von Gesamtspannungen ausgehend berechnet werden. Sofern sie von Strukturspannungen ausgehend berechnet werden, ist die effektive Gesamtspannungsschwingbreite durch

∆σ f = K f ⋅ ∆σ eq, struc

(18.7-1a)

gegeben. Die in dieser Berechnung verwendete Strukturspannung ist mittels eines Modells zu bestimmen, welches den vollen Effekt von globalen Störstellen erfasst, nicht jedoch den von lokalen. Sofern sie von Gesamtspannungen ausgehend berechnet werden, ist die effektive Gesamtspannungsschwingbreite gegeben durch

∆σ =

Kf ∆σ eq, total Kt

(18.7-1b)

Die in dieser Berechnung verwendete Gesamtspannung ist mittels eines Modells zu bestimmen, welches den vollen Effekt aller Störstellen, einschließlich der lokalen (d. h. der Kerbeffekte) erfasst. In diesem Fall ist es zulässig, die Berechnung der theoretischen Formzahl wegzulassen, sofern, als konservative Vereinfachung, K f / K t = 1 in Gleichung (18.7-1b) verwendet wird. 467

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 7 (2003-07) Die effektive Formzahl

K f ist gegeben durch

K f = 1+

mit

1,5 ⋅(K t − 1) ∆σ struc, eq 1 + 0,5max{1; K t ⋅ } ∆σ D

(18.7-2)

∆σ D = ∆σ R für N ≥ 2 x 10 6 Zyklen und ungeschweißten Bereich; ∆σ struc , eq ist die Schwingbreite der Strukturvergleichsspannung, korrigiert zur Berücksichtigung von plastischer Beanspruchung.

Die theoretische Formzahl

Kt =

K t ist definiert durch

σ total σ struc

(18.7-3)

und mit dieser Gleichung zu bestimmen. Sofern die theoretische Formzahl durch eine in der Literatur angegebene analytische Formel bestimmt wird, so muß sie dieser Definition entsprechen. Sofern die Gesamtspannung direkt bestimmt wird, mittels numerischer Verfahren (z. B. FEA) oder experimentell (z. B. Spannungs-Dehnungs-Messungen), so kann die Gesamtspannung in Struktur- und Spitzenspannungsanteil aufgeteilt werden, (wie in Anhang C beschrieben):

σ total = σ struc + σ peak

(18.7-4)

Dann ist

Kt =

σ peak σ struc

(18.7-5)

ANMERKUNG Die Gleichungen (18.7-3) bis (18.7-5) sind für den einfachen Fall eines einachsigen Spannungszustands angegeben, um das Prinzip zu verdeutlichen. Im allgemeinen Fall von mehrachsigen Spannungszuständen muss die Gleichung (18.7-4) für die Spannungskomponenten verwendet werden (siehe C.4.4), und die Gleichung (18.7-3) ist für die Berechnung der theoretischen Spannungskonzentration unter Verwendung der Vergleichsspannungsschwingbreiten zu verwenden (siehe 18.7.1.2.1). Wird die Gesamtspannung direkt durch Analyse ermittelt (z. B. mit dem Finite-ElementeVerfahren), muss das Modell die Kerbe in ausreichend feiner Netzteilung wiedergeben. Werden die Gesamtvergleichsspannungen direkt durch Analyse ermittelt (z. B. mit dem Finite-Elemente-Verfahren), muss das Modell die Kerbe in ausreichend feiner Netzteilung wiedergeben. Werden sie experimentell (z. B. mit Dehnungsmessstreifen) ermittelt, müssen die Messungen direkt innerhalb der Kerbe oder so nah an der Kerbe vorgenommen werden, dass die Kerbspannung durch Extrapolation bestimmt werden kann (siehe Referenz [2]). Dehnungen sind unter Zugrundelegen linearelastischer Bedingungen in Spannungen umzurechnen. Eine Korrektur zur Berücksichtigung von Spannungen im überelastischen Bereich ist in diesem Fall nicht erforderlich.

Die Vergleichsspannungsschwingbreite ∆σeq, l und die Vergleichsmittelspannung σ eq sind zu ermitteln. Welches der beiden beschriebenen Verfahren anzuwenden ist, hängt davon ab, ob unter kombinierter Beanspruchung die Hauptspannungsrichtungen konstant sind oder nicht. Zugspannungen erhalten ein positives, Druckspannungen ein negatives Vorzeichen. 18.7.1.2 Vergleichsspannungsschwingbreite und Vergleichsmittelspannung 18.7.1.2.1 Konstante Hauptspannungsrichtungen Sind die Hauptspannungsrichtungen konstant, wird ∆σeq gemäß 18.6.2.2.1 und Gleichung (18.6-4) ermittelt. Anmerkung 1 Es ist zu beachten, dass bei mehrachsigen Spannungszuständen die Vergleichsspannungsschwingbreite als Vergleichsspannung der Schwingbreite (Differenzen zwischen den beiden Zuständen) der Spannungskomponenten berechnet wird und nicht als die Schwingbreite (Differenz) zwischen den Vergleichsspannungen in den beiden Zuständen (vgl. Anhang C.4.2).

468

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 7 (2003-07) Die zugehörige Vergleichsmittelspannung σ eq ist der Mittelwert der größten und kleinsten Hauptspannungswerte in einem Zyklus als Summe der beiden Hauptspannungen σtt, i und σt, ,j, die ∆σeq ergeben, also:

σ eq =

1 2

[(σ

total, i

)

(

)

]

+ σ total, j + σ total, i + σ total, j max min

(18.7-6)

ANMERKUNG 2 In Bild 18-6(c) ist ein typisches Beispiel dargestellt. Die Vergleichsmittelspannung σ eq ist das Zweifache der über die Zeit gemittelten direkten Spannung senkrecht zur Ebene der größten Schubspannungsschwingbreite.

Bild 18-6 — Beispiel für die zeitliche Abweichung der Gesamthauptspannungsrichtung ∆σeq (d.h. in diesem Fall σtotal, 1 und σtotal, 3) und dem resultierenden Mittel

σ

eq

18.7.1.2.2 Veränderliche Hauptspannungsrichtungen Sofern die Hauptspannungsrichtungen ihre Lage ändern, – ist die Schwingbreite der Vergleichsspannung ∆σ eq wie in 18.6.2.2.2 zu bestimmen – ist die mittlere Vergleichsspannung σ eq nach Gleichung (18.7-6) zu bestimmen; in dieser Gleichung sind als Einwirkungszustände "min" und "max" die in 18.6.2.2.2 definierten zu verwenden ist (σ total, i + σ total, j )max die Summe der zwei Hauptspannungen (Indizes i und j) deren Differenz -

betragsmäßig im Zustand "max" am größten ist ist (σ total, i + σ total, j )min die Summe der zwei Hauptspannungen deren Differenz betragsmäßig im Zustand "min" am größten ist.

ANMERKUNG Da in den Einwirkungszuständen "max" und "min" die Hauptspannungen verschieden sein können, können auch die für jeden der beiden Zustände festgelegten Indizes verschieden sein.

18.7.2 Schrauben Bei Schrauben ist ∆σ die maximale Nennspannungsschwingbreite aus direkten Zug- und Biegebeanspruchungen am Querschnitt des Schraubenkerns, der aus dem kleineren Durchmesser ermittelt wird. Bei vorgespannten Schrauben kann die Vorspannung mitberücksichtigt werden, wobei für ∆σ die Gesamtschraubenkraft und nicht der veränderliche Anteil dieser Kraft zugrunde gelegt wird. Für eine auf ihre Mindestprüflast vorgespannte Schraube kann für ∆σ die tatsächlichen Veränderungen der Schraubenlast zugrundegelegt werden. ANMERKUNG In den Ermüdungskurven für Schrauben werden für alle beliebigen Gewindeformen die Spannungskonzentrationen am Gewindekern berücksichtigt.

469

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 6 (2003-04)

18.8 Korrekturfaktoren zur Berücksichtigung von Spannungen im überelastischen Bereich 18.8.1 Elastisch-plastische Bedingungen Übersteigt bei einem Bauteil die berechnete Schwingbreite der pseudoelastischen Strukturspannung für geschweißte und ungeschweißte Bauteile das Doppelte der Dehngrenze des betrachteten Werkstoffs, d. h. wenn ∆σeq,l > 2Rp0,2/t* ist (siehe Anmerkung), muss sie mit einem entsprechenden Korrekturfaktor multipliziert werden. Der Korrekturfaktor zur Berücksichtigung von mechanischer Beanspruchung ist ke, der zur Berücksichtigung von Wärmespannungen kν. ANMERKUNG

Dies gilt für ferritische Stähle; für austenitische Stähle ist Rp1,0/t* zu verwenden.

18.8.1.1 Mechanische Beanspruchung Bei mechanischer Beanspruchung ist die korrigierte Spannungsschwingbreite ∆σstruc, eq = ke ∆σeq, l. Dabei ist:  ∆σ  eq,l   k e = 1 + A0  − 1  2Rp0,2/t*    (18.8-1) Dabei ist: A0 = 0,5 für ferritische Stähle mit 800 ≤ Rm ≤ 1000(N / mm 2 ) = 0,4 für ferritische Stähle mit Rm ≤ 500(N / mm 2 ) und für alle austenitischen Stähle (siehe Anmerkung in 18.8.1); = 0,4 +

(Rm − 500) 3000

für ferritische Stähle mit 500 ≤ Rm ≤ 800(N / mm 2 )

Das Verfahren zur Ermittlung der Vergleichsmittelspannung zur Berücksichtigung elastisch-plastischer Bedingungen ist in Bild 18-5 dargestellt und wird in 18.11 angewandt.

470

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

(*) Bei ungeschweißten Bauteilen sind σ und ∆σ Kerbspannungen bzw. Kerbspannungsschwingbreiten. (**) Dies gilt für ferritische Stähle; für austenitische Stähle ist Rp1,0/t* zu verwenden. Bild 18-5 — Korrektur der Vergleichsmittelspannung zur Berücksichtigung mechanischer Spannungen im überelastischen Bereich

471

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05) 18.8.1.2 Beanspruchung durch Wärmespannungen Ist die Wärmespannungsverteilung über die Werkstoffdicke nicht linear, müssen sowohl die nichtlinearen als auch die äquivalenten linearen Spannungsverteilungen für jede Spannungskomponente ermittelt werden. Der Korrekturfaktor kν


  
 
  


   
eq,l in die nachstehende Gleichung berechnet.

kν = 0,5 +

0,7 0,4  ∆σ  eq,l    R   p0,2/t*  (18.8-3)


 


   




eq = kν · eq,l für geschweißte Bauteile und ef = kν ·
eq,t für ungeschweißte Bereiche. 18.8.1.3 Analyse des elastisch-plastischen Bereichs Ist die Gesamtdehnungsschwingbreite ∆εT (elastisch und plastisch) infolge jeder Art von Beanspruchung aus rechnerischen oder experimentellen Spannungsanalysen bekannt, ist eine Korrektur für Spannungen im überelastischen Bereich nicht erforderlich und es gilt:

∆σ = E . ∆ ε T (18.8-4)

18.9 Ermüdung 18.9.1 Wechselbeanspruchung 18.9.1.1 Es müssen sämtliche Ursachen für die am Behälter oder Bauteil wirkenden Wechselbeanspruchungen ermittelt werden. ANMERKUNG Wechselbeanspruchungen sind Druckschwankungen, Veränderungen der Füllmenge, Temperaturschwankungen, Ausdehnungs- oder Schrumpfungsbeschränkungen bei Temperaturveränderungen, erzwungene Schwingungen und Änderungen der äußeren Lasten.

Darüber hinaus müssen sämtliche in der Spezifikation des Betreibers festgelegten betriebs- oder umgebungsbedingten Einflüsse berücksichtigt werden. 18.9.2 Vereinfachtes Lastzyklenzählverfahren 18.9.2.1 Die Beanspruchungen sind in spezifischen Lastkollektiven zusammenzufassen. Diese müssen voneinander unabhängig sein und getrennt betrachtet werden. 18.9.2.2 In einer zu erstellenden Lastspezifikation müssen für jedes Lastkollektiv die Spannungsschwingbreite (je nach Bauteil und Beanspruchung berechnet nach 18.5, 18.6, 18.7 bzw. 18.8) und die Anzahl der Zyklen jeder Beanspruchung angegeben sein. Wie aus Bild 18-7 und Tabelle 18-3 zu ersehen ist, werden die Spannungsschwingbreiten gegen die Anzahl von Zyklen aufgetragen bzw. ihnen tabellarisch gegenübergestellt. Die Beanspruchung mit der kleinsten Lastzyklenanzahl muss dabei ganz oben eingetragen werden, und die Lastzyklenanzahlen sind wie dargestellt zu addieren.

472

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

∆σ ∆σ4

∆σ3

∆σ2 ∆σ1

0 ∆σ n c4 c3 c2 c1

c4

n4

c3

n3

c2

n2

c1

n1

n

kombinierte Spannungsschwingbreite Anzahl Zyklen Zyklen mit ∆σ4 + ∆σ3 + ∆σ2 + ∆σ1 Zyklen mit ∆σ3 + ∆σ2 + ∆σ1 Zyklen mit ∆σ2 + ∆σ1 Zyklen mit ∆σ1 Bild 18-7 — Vereinfachtes Lastzyklenzählverfahren

ANMERKUNG

Tabelle 18-3 enthält ein Beispiel.

473

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

Tabelle 18-3 — Beispiel für die Ermittlung der Lastzyklenanzahl nach dem vereinfachten Lastzyklenzählverfahren

Last 4

Einzelbeanspruchung SpannungsZyklenBeispiel Nummer schwingbreite anzahl n4 Gesamtdruckschw A σ4 ankungsbereich

3

σ3

n3

2 1

σ2 σ1

n2 n1

Temperaturänder ung Druckschwankung Mechanische Beanspruchung

B

Lastkollektiv Spannungsschwingbreite ∆σ4 + ∆σ3+ ∆σ2+ ∆σ1 ∆σ3+ ∆σ2+ ∆σ1

C D

∆σ2 + ∆σ1 ∆σ1

Zyklenanzahl c4 = n4 c3 = n3 - n4 c2 = n2 -n3 -n4 c1 = n1 -n2 -n3 n4

18.9.3 „Reservoir”-Lastzyklenzählverfahren 18.9.3.1 Als Alternative zu dem in 18.9.2 beschriebenen Verfahren darf das genauere „Reservoir”- oder „Rainflow“-Lastzyklenzählverfahren angewandt werden. 18.9.3.2 Für jedes Lastkollektiv des betreffenden Bauteils den zeitlichen Verlauf der Hauptspannung bzw. der Vergleichsspannung gemäß 18.6 bzw. 18.7 ableiten. ANMERKUNG Ist die genaue Lastenfolge unbekannt, sollte die größtmögliche Belastungsfolge gewählt werden, d.h. die Folge, aus der sich der höchste Wert D in Gleichung 18.5-1 ergibt.

18.9.3.3 Wie in Bild 18-8 dargestellt, jeweils die Maximal- und Minimalwerte zweier solcher Lastkollektive auftragen. 18.9.3.4 Die höchste Spannungsspitze in jedem Zyklus markieren und beide Punkte mit einer Geraden verbinden. Gibt es mehrere gleich hohe Spitzen in einem Zyklus, ist jeweils nur der erste Spitzenwert zu markieren. 18.9.3.5 Die markierten Punkte verbinden und nur den Bereich unterhalb dieser Verbindungslinie betrachten (quasi wie ein Querschnitt durch eine gefüllte Talsperre (Reservoir)). 18.9.3.6 Den Inhalt der Talsperre am untersten Punkt ablassen, wobei das Wasser, das nicht abfließen kann, in der Talsperre verbleibt. Gibt es zwei gleich tief liegende Punkte, kann das Entleeren an einem von beiden erfolgen. 18.9.3.7 Einen Zyklus mit der Spannungsschwingbreite σV1 entsprechend der Höhe des abgelassenen Wassers notieren. 18.9.3.8 Schritt 18.9.3.7 für jede verbleibende Flüssigkeitsteilmenge wiederholen, bis die Talsperre vollständig entleert ist. Dabei entspricht ein Ablassvorgang einem Zyklus. 18.9.3.9 Die einzelnen Spannungsschwingbreiten in absteigender Folge auflisten, also σV1, σV2, σV3, σV4 usw. Zyklen mit gleicher Spannungsschwingbreite getrennt vermerken. Daraus ergibt sich das Berechnungsspektrum zulässigen Spannungsschwingbreiten.

474

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

Bild 18-8 — „Reservoir”-Lastzyklenzählverfahren 18.10 Ermüdungsfestigkeit geschweißter Bauteile 18.10.1 Klassifizierung von Schweißnähten 18.10.1.1 Verwendung der Tabellen Schweißnähte werden anhand der Tabellen 18-4 oder Anhang P klassifiziert, je nachdem, ob zur Berechnung der Spannungsschwingbreite die Vergleichs- oder die Hauptspannungen verwendet wurden. Die Detaildarstellungen in den Tabellen zeigen die möglichen Rissarten in Abhängigkeit von der Lage und Richtung der dargestellten Spannungsverläufe. Bei der Ermittlung der Spannungen sind sämtliche Abweichungen von der Idealform (Fluchtfehler, Aufdachung, Unrundheit usw.) zu berücksichtigen. ANMERKUNG 1 Im allgemeinen hängt die Dauerfestigkeit von folgenden Faktoren ab: Richtung der Wechselspannung bezogen auf die Naht; Lage der möglichen Risseinleitung in der Naht; geometrische Anordnung und Proportionen der Naht; Fertigungs- und Prüfverfahren. Eine Schweißnahtart kann daher in den Tabellen mehrfach erscheinen, da sie bei verschiedenen Verbindungen zutreffend sein kann. ANMERKUNG 2 Ein bestimmtes Detail einer Schweißnaht muss ggf. von verschiedenen Punkten und unter Anwendung verschiedener Klassifikationen und entsprechenden Berechnungskurven auf Ermüdungsbruch geprüft werden. ANMERKUNG 3 Die Ermüdungslebensdauer eines Behälters oder eines Bauteils kann von einer einzigen Schweißnaht bestimmt werden. Daher müssen alle anderen Nähte, die den gleichen Wechselbeanspruchungen ausgesetzt sind, nicht höher eingestuft sein. So ist z. B. die durch fluchtfehlerfreie Ausrichtung von Nähten erreichbare hohe Nahtklasse nicht erforderlich, wenn die Ermüdungslebensdauer insgesamt durch die Festigkeit von Kehlnähten bestimmt wird.

475

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05) 18.10.1.2 Klassifizierung von Schweißnähten mit Spannungsnachweis auf Grundlage der Vergleichsspannungsschwingbreite Tabelle 18-4 enthält Schweißnähte und die zugehörigen Klassen, bei denen die Spannungsberechnung auf der Vergleichsspannungsschwingbreite beruht. Die Klassifizierung bezieht sich entweder auf Ermüdungsrisse im Grundwerkstoff ausgehend vom Nahtübergang oder Anschweißende, für die ∆σeq in dem der Risseinleitung benachbarten Grundwerkstoff maßgeblich ist, oder auf Ermüdungsrisse in der Naht selbst, ausgehend von der Nahtwurzel oder -oberfläche, für die ∆σ in der Naht maßgeblich ist mit ∆σ wie in 18.6.3 definiert. Da ∆σeq keine Richtung aufweist, ist bei der angegebenen Klasse die ungünstigste Spannungsrichtung für die jeweilige Schweißnaht mit der dargestellten Rissbildungsart zugrunde gelegt.

476

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 7 (2003-07)

Tabelle 18.4 — Klassifizierung von Schweißverbindungen auf Grundlage der Vergleichsspannungsschwingbreite 18.4(a): Nahtschweißverbindungen Klasse Lfd. Nr.

Art der Verbindung

1.1

Durchgeschweißte Stumpfnaht, bündig geschliffen, einschließlich Reparaturschweißu ng

1.2

Durchgeschweißte Stumpfnaht, beidseitig geschweißt oder einseitig bis zum aufschmelzenden Einlegering oder zur temporären nichtschmelzenden Unterlage geschweißt

Darstellung

Prüfgruppe 1 und 2

Prüfgruppe 3

90

71

Naht zerstörungsfrei geprüft und nachweislich frei von größeren Fehlern (siehe EN 13445-5); bei einseitig geschweißten Nähten Durchschweißung*

80

63

Naht zerstörungsfrei geprüft und nachweislich frei von größeren Fehlern (siehe EN 13445-5)

80

63

80 71

63 56

Bemerkungen

Ermüdungsanriss gewöhnlich an Nahtfehlern

Naht zerstörungsfrei geprüft und nachweislich frei von Oberflächenfehlern und größeren oberflächennahen Fehlern (siehe EN 13445-5) An Stelle von few ist fe zu verwenden.

1:3

1.3

e

Einfluss von Mittellinienversatz bei der Spannungsberechnung berücksichtigt*

e

1:3 1.4

Naht zerstörungsfrei geprüft und nachweislich frei von größeren Fehlern (siehe EN 13445-5).

α

α ≤ 30° α > 30°

*Bei Nahtversatz siehe 18.10.4

477

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 7 (2003-07) Tabelle 18-4 — Klassifizierung von Schweißverbindungen auf Grundlage der Vergleichsspannungsschwingbreite (Fortsetzung) 18.4(a): Nahtschweißverbindung (Fortsetzung) Klasse Lfd. Nr. 1.5

1.6

1.7

Art der Verbindung

Bemerkungen

Prüfgruppe 1 und 2

Prüfgruppe 3

Durchgeschweißte Stumpfnaht, einseitig geschweißt, ohne Unterlage

Wenn vollständige Durchschweißung sichergestellt*

63

40

Wenn Innenseite für Sichtprüfung nicht zugänglich und vollständige Durchschweißung nicht sichergestellt*

40

40

Durchgeschweißte Stumpfnaht, einseitig geschweißt, mit bleibender Unterlage

Nur Rundnähte (siehe 5.7) Mindestnahtdicke = Wanddicke Wurzellage auf vollständige Verschmelzung geprüft

56

40

Einlagenschweißnaht

40

40

Wurzellage auf vollständige Verschmelzung geprüft

56

40

Einlagenschweißnaht

40

40

Sickennaht

*Bei Nahtversatz siehe 18.10.4.

478

Darstellung

Nur Rundnähte (siehe 5.7) Mindestnahtdicke = Wanddicke

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 7 (2003-07) Tabelle 18-4 — Klassifizierung von Schweißverbindungen auf Grundlage der Vergleichsspannungsschwingbreite (Fortsetzung) 18-4(b) — Verbindung Schale-Boden bzw. Schale-Rohrboden Lfd. Nr. 2.1

Art der Verbindung

Darstellung

Aufgeschweißter Boden

Bemerkungen

Klasse PrüfPrüfgruppe gruppe 1 und 2 3

Boden muss ausreichende Festigkeitseigenschaften über die Dicke aufweisen, um Lamellenrissbildung zu vermeiden Beidseitig durchgeschweißt (Bild a): - wie geschweißt - Übergang nachbearbeitet (siehe 18.10.2.2)

71 80

63 63

- Ermüdungsrisse in der Schweißnaht*

32

32

- Ermüdungsrisse in der Schale vom Nahtübergang Einseitig durchgeschweißt, ohne Gegennaht (Bild c):

63

63

- wenn Innenseite sichtgeprüft und frei von Schweißgutüberlauf oder Wurzelrückfall. - wenn Innenseite für Sichtprüfung nicht zugänglich und vollständige Durchschweißung nicht sichergestellt Naht zerstörungsfrei geprüft und nachweislich frei von größeren Fehlern (siehe EN 13445-5:2002 vom NDT). Beidseitig oder einseitig geschweißt und erste Lage bündig geschliffen

63

40

40

40

80

63

- wenn Innenseite sichtgeprüft und frei von Schweißgutüberlauf oder Wurzelrückfall

63

40

- wenn Innenseite für Sichtprüfung nicht zugänglich

40

40

Beidseitig mit versenkter Kehlnaht geschweißt (Bild b):

2.2

Aufgeschweißter Boden mit Entlastungsnut

Einseitig geschweißt:

* für Nahtdicke < 0,8 x Schalenwanddicke

479

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 7 (2003-07) Tabelle 18-4 — Klassifizierung von Schweißverbindungen auf Grundlage der Vergleichsspannungsschwingbreite (Fortsetzung) 18-4(b) — Verbindung Schale-Boden bzw. Schale-Rohrboden (Fortsetzung) Klasse Lfd. Nr. 2.3

Art der Verbindung

Darstellung

Eingeschweißter Boden (a)

Prüfgruppe 1 und 2

Prüfgruppe 3

71 80

63 63

32

32

63

63

- wenn Innenseite sichtgeprüft und frei von Schweißgutüberlauf oder Wurzelrückfall

63

40

- wenn Innenseite für Sichtprüfung nicht zugänglich

40

40

Bemerkungen

Beidseitig durchgeschweißt oder mit versenkter Kehlnaht geschweißt (Bild a); bezogen auf Ermüdungsrisse in der Schale - wie geschweißt - Übergang nachbearbeitet (siehe 18.10.2.2).

(b)

Beidseitig mit versenkter Kehlnaht geschweißt (Bild b): - bezogen auf Ermüdungsrisse in der Naht, auf Grundlage der Spannungsschwingbreite an der Nahtdicke - Mindestnahtdicke ≥ 0,8 x Bodendicke

(c)

480

Einseitig durchgeschweißt, ohne Gegennaht (Bild c):

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 7 (2003-07) Tabelle 18-4 — Klassifizierung von Schweißverbindungen auf Grundlage der Vergleichsspannungsschwingbreite (Fortsetzung) Table 18-4(c) — Verbindungen an Abzweigen

Lfd. Nr.

Art der Verbindung

3.1

Lochrand (an Ausschnittinnensei te)

Darstellung

Bemerkungen Berechnung gewöhnlich wie bei ungeschweißten Bauteilen. Vereinfachte Berechnung gemäß 18.11.2.2 mit Werten für Klasse 100 zulässig.

Klasse PrüfPrüfgruppe gruppe 1 und 2 3 100

100

71 80

63 63

- Mindestnahtdicke ≥ 0,8 x kleinere Dicke der verbundenen Wände, wie geschweißt - Nahtdicke < 0,8 x kleinere Dicke der verbundenen Wände - Übergang nachbearbeitet (siehe 18.10.2.2)

63

63

32

32

71

63

An Stelle von few ist fe zu verwenden.

Rissverlauf von der Ecke ausgehend in das Bauteil; Rissebene dargestellt. 3.2

Nahtübergang in Schalenwand

Durchgeschweißt - wie geschweißt - Übergang nachbearbeitet (siehe 18.10.2.2) Mit versenkter Kehlnaht geschweißt:

3.3

Schweißgut unter Spannung

Mit Kehlnaht oder versenkter Kehlnaht geschweißt

32

32

3.4

Übergang in Abzweig

Wie geschweißt

71

63

Übergang nachbearbeitet (siehe 18.10.2.2).

80

63

en = Wanddicke des Abzweigs in Gleichung (18.10-6)

481

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 7 (2003-07) Tabelle 18-4 — Klassifizierung von Schweißverbindungen auf Grundlage der Vergleichsspannungsschwingbreite (Fortsetzung) 18-4(d) Doppelmäntel Klasse Lfd. Nr. 4.1

Art der Verbindung

Verbindungsnaht mit Formdichtung

Darstellung

Prüfgruppe 1 und 2

Prüfgruppe 3

- Mehrlagenschweißnaht; Wurzellage auf vollständige Verschmelzung geprüft.

63

40

- Einlagenschweißnaht

40

40

Beidseitig geschweißt oder einseitig geschweißt mit Gegennaht

71

56

Bemerkungen

Durchgeschweißt, Naht zerstörungsfrei geprüft und nachweislich frei von größeren Fehlern (siehe EN 13445-5) Einseitig geschweißt:

482

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 7 (2003-07) Tabelle 18-4 — Klassifizierung von Schweißverbindungen auf Grundlage der Vergleichsspannungsschwingbreite (Fortsetzung) 18.4(e): Anbauteile

Lfd. Nr.

Art der Verbindung

5.1

Anbauteil beliebiger Form mit Randkehle oder Randabschrägung, mit der Oberfläche eines spannungsbeanspr uchten Bauteils stumpfverschweißt, Nähte ggf. um die Enden herumgeführt

5.2

5.3

Anbauteil beliebiger Form, Oberfläche am spannungsbeanspr uchten Bauteil anliegend, Nähte ggf. um die Enden herumgeführt

Durchgehende Versteifung

Darstellung

Bemerkungen

Klasse Strukturver Nennverg leichsgleichsspannung spannung Prüfgruppe Prüfgrupp 1, 2, 3 e 1, 2, 3

Bei um die Enden herumgeführten Nähten eine Klasse höher, wenn Nahtübergang nachbearbeitet (siehe 18.10.2.2) L ≤ 160 mm, t ≤ 55 mm

71

56

L > 160 mm

71

50

L ≤ 160 mm, W ≤ 55 mm

71

56

L > 160 mm, W ≤ 55 mm

71

50

L > 160 mm, W ≤ 55 mm Bei durchgeschweißten Nähten eine Klasse höher, wenn Nahtübergang nachbearbeitet (siehe 18.10.2.2).

71

45

t ≤ 55mm

71

56

t > 55mm

71

50

Bei um die Enden herumgeführten Nähten eine Klasse höher, wenn Nahtübergang nachbearbeitet (siehe 18.10.2.2)

483

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 7 (2003-07) Tabelle 18-4 — Klassifizierung von Schweißverbindungen auf Grundlage der Vergleichsspannungsschwingbreite (Fortsetzung) 18.4(f): Auflagerungen

Klasse Lfd. Nr. 6.1

Art der Verbindung

Darstellung

Auflagerung eines liegenden oder stehenden Behälters

mit durchgehender Kehlnaht rundum verschweißt

Prüfgruppe 1 und 2

Prüfgruppe 3

Wie geschweißt

71

71

Nahtübergang zur Schale nachbearbeitet (siehe 18.10.2.2)

80

80

Wie geschweißt

71

71

Nahtübergang zur Schale nachbearbeitet (siehe 18.10.2.2)

80

80

Wie geschweißt

71

71

Nahtübergang zur Schale nachbearbeitet (siehe 18.10.2.2)

80

80

- wie geschweißt

71

71

- Nahtübergang zur Schale nachbearbeitet (siehe 18.10.2.2).

80

80

Einseitig geschweißt

56

56

71

71

Bemerkungen

Unterlegblech

6.2

Zapfenlagerung Unterlegblech

6.3

6.4

6.5

484

Sattelauflager

Standzarge

Tragpratzen (mit oder ohne Verstärkungsblech) mit umlaufender Kehlnaht mit dem Behälter verschweißt

mit durchgehender Kehlnaht rundum verschweißt

Beidseitige geschweißt:

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 7 (2003-07) Tabelle 18-4 — Klassifizierung von Schweißverbindungen auf Grundlage der Vergleichsspannungsschwingbreite (Fortsetzung) 18.4(g): Flansche und Verstärkungsscheiben Klasse Lfd. Nr. 7.1

7.2

Art der Verbindung

Vorschweißflansch oder Ausgleichsflansch, durchgeschweißt, mit Schweißansatz

Vorschweißflansch

Darstellung

Bemerkungen

Naht zerstörungsfrei geprüft und nachweislich frei von Oberflächenfehlern und größeren oberflächennahen Fehlern (siehe EN 13445-5) Beidseitig durchgeschweißt oder einseitig mit Gegennaht oder bis zum aufschmelzenden Einlegering oder zur temporären Unterlage geschweißt Einseitig geschweißt: - wenn vollständige Durchschweißung sichergestellt - wenn Innenseite für Sichtprüfung nicht zugänglich Durchgeschweißt - wie geschweißt - Nahtübergang nachbearbeitet (siehe 18.10.2.2)

Prüfgruppe 1 und 2

Prüfgruppe 3

80

63

63

40

40

40

71 80

63 63

63

63

32

32

71 80

63 63

63

40

40

40

63

32

32

32

Mit versenkter Kehlnaht geschweißt: - Nahtdicke ≥ 0,8 x Schalenwanddicke; - Nahtdicke < 0,8 x Schalenwanddicke

7.3

Einschweißflansch oder Verstärkungsring

Durchgeschweißt - wie geschweißt - Nahtübergang nachbearbeitet (siehe18.10.2.2) Einseitig geschweißt: - wenn vollständige Durchschweißung sichergestellt - wenn Innenseite für Sichtprüfung nicht zugänglich Mit versenkter Kehlnaht geschweißt: - Nahtdicke ≥ 0,8 x Schalenwanddicke; - Nahtdicke < 0,8 x Schalenwanddicke

485

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 7 (2003-07) Tabelle 18-4 — Klassifizierung von Schweißverbindungen auf Grundlage der Vergleichsspannungsschwingbreite (Schluss) 18.4(g): Flansche und Verstärkungsscheiben (Schluss) Klasse Lfd. Nr. 7.4

Art der Verbindung

Darstellung

Einschweißflansch oder Verstärkungsring, beidseitig geschweißt

Bemerkungen

Nahtdicke ≥ 0,8 x Schalenwanddicke Nahtdicke < 0,8 x Schalenwanddicke

Prüfgruppe 1 und 2

Prüfgruppe 3

63

63

32

32

18.10.1.3 Klassifizierung von Schweißnähten auf Grundlage der Hauptspannungsschwingbreite Die Einzelheiten von Schweißnähten und die entsprechenden Klassen zur Verwendung bei der Beurteilung auf Grundlage der Hauptspannungsschwingbreite sind in Anhang P dargestellt. 18.10.1.4 Ausnahmen Geschweißte Schrauben sind in den Klassifizierungstabellen nicht erfasst. Das Berechnungsverfahren dieses Abschnitts gilt nicht für derartige Schrauben. 18.10.2 Änderung der Klassifizierung 18.10.2.1 Schweißnähte in Prüfgruppe 3 Schweißnähte der Prüfgruppe 3 sind gemäß de entsprechenden Spalte „Prüfgruppe 3“ in den Tabellen 18-4 oder den Tabellen P–1 bis P–7 einzustufen. 18.10.2.2 Nachbearbeiten des Nahtübergangs Ermüdungsrisse bilden sich an spannungsbeanspruchten Teilen leicht an den Nahtübergängen. Ursache dafür sind, neben Spannungskonzentrationen aufgrund der Nahtform, hauptsächlich Schweißnahtfehler. Die Ermüdungslebensdauer von Schweißnähten, bei denen Übergangsrisse zum Versagen führen können, lässt sich erhöhen, indem durch Nachbearbeiten und/oder Beschleifen der Übergänge Spannungskonzentrationen vermindert und Nahtfehler beseitigt werden. Sofern in den Tabellen 18-4 und Anhang P angegeben, können Kehlnähte (einschließlich durchgeschweißter Nähte mit Nahtüberhöhung) höher klassifiziert werden, wenn der Nahtübergang nach dem folgenden Verfahren nachbearbeitet wird. In den Tabellen 18-4 und Anhang P sind die höheren Klassen angegeben.

486

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

g = 0,5 mm tiefer als die Einbrandkerbe r ≥ 4g Bild 18-9 — Nachbearbeiten des Nahtübergangs

Zum Nachbearbeiten wird ein rotierender kegelförmiger Wolframkarbid-Entgrater verwendet. Um sicherzustellen, dass die Übergangsfehler beseitigt werden, muss 0,5 mm tiefer als eine ggf. vorhandene Einbrandkerbe (siehe Bild 18-9) nachgearbeitet werden. Anschließend ist der Bereich einer Eindring- oder Magnetpulverprüfung zu unterziehen. Diese Prüfung wird erleichtert, wenn der nachbearbeitete Übergang beschliffen wird, was gleichzeitig auch die Ermüdungslebensdauer erhöht. Das Ergebnis sollte ein sanfter Übergang zwischen Grundwerkstoffoberfläche und Naht sein (wie in Bild 18-9 dargestellt), wobei die Bearbeitungsspuren quer zum Übergang verlaufen sollen. Das Nachbearbeiten des Nahtübergangs erhöht lediglich die Wechselfestigkeit einer Schweißverbindung im Hinblick auf Versagen am Übergang. Die Möglichkeit der Ermüdungsrisseinleitung aufgrund anderer Nahtmerkmale (z. B. Nahtwurzel bei Kehlnähten) darf deshalb nicht außer Acht gelassen werden. Unter korrosiven Umgebungsbedingungen, die Lochfraß (Pitting) an der bearbeiteten Fläche auslösen können, ist das Nachbearbeiten als nicht zweckmäßig anzusehen. 18.10.2.3 Nachbearbeiten von Verbindungsnähten Nachbearbeiten oder Bündigschleifen von Verbindungsnähten rechtfertigt eine Höherklassifizierung von Klasse 80 in Klasse 90. Eine noch höhere Klasse ist nicht vertretbar, da Nahtfehler vorhanden sein können, die für eine zuverlässige Feststellung durch zerstörungsfreie Prüfverfahren zu klein, für eine Verringerung der Ermüdungsfestigkeit der Verbindung jedoch groß genug sind. Der schädigenden Wirkung eines Nahtversatzes kann bis zu einem gewissen Grad durch Nachbearbeiten des Nahtübergangs entgegengewirkt werden (siehe 18.10.2.2). Durch das Nachbearbeiten sichtbar gewordene verdeckte Nahtfehler, die die Ermüdungsfestigkeit beeinträchtigen könnten, sind zu berücksichtigen (siehe 18.10.5).

487

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05) 18.10.3 Nicht klassifizierte Schweißnähte In den Tabellen 18-4 und Anhang P nicht erfasste Schweißnähte sind als der Klasse 32 zugehörig zu betrachten, sofern eine höhere Ermüdungsfestigkeit nicht durch besondere Prüfungen oder bereits vorliegende Ergebnisse von Ermüdungsfestigkeitsprüfungen nachgewiesen ist. Um die Zuordnung zu einer bestimmten ∆σR-N-Kurve zu rechtfertigen, müssen Prüfungen mit Probekörpern durchgeführt werden, die hinsichtlich Konstruktion, Fertigung und Güte repräsentativ für die tatsächlich ausgeführte Behälternaht sind. 6 Die Prüfspannungen sind so zu wählen, dass die Lebensdauer 2 x 10 Zyklen nicht übersteigt; gleichzeitig darf die geometrisch gemittelte Ermüdungslebensdauer, die in Prüfungen mit einer bestimmten Spannungsschwingbreite ermittelt wurde, nicht unter der Lebensdauer liegen, die sich aus der ∆σR-N-Kurve für diese Spannung multipliziert mit dem Faktor F aus Tabelle 18-6 ergibt.

Tabelle 18-6 — Korrekturfaktor F für Dauerschwingprüfung für eine Überlebenswahrscheinlichkeit von 99,8 % Anzahl Prüfergebnisse

F

1

12,5

2

10,5

3

9,8

4

9,4

10

8,8

18.10.4 Abweichungen von der Konstruktionsform Störstellen und Abweichungen von der vorgesehenen Behälterform (d. h. “Fluchtfehler”) führen als Folge sekundärer Biegung zu lokalen Erhöhungen der druckinduzierten Spannungen in der Schale und damit zu einer Verringerung der Ermüdungslebensdauer. Dies ist auch der Fall, selbst wenn die in Abschnitt 4 dieser Norm angegebenen Toleranzen eingehalten werden. Diese Formabweichungen umfassen Versatz an Stoßverbindungen, Winkel zwischen Stoßflächen, Aufdachung an ebenen Flächen von Plattenenden, Aufdachung an Schweißnähten und Unrundheit (siehe Bild 18-10). In den meisten Fällen führen diese Abweichungen zu einem lokalen Anstieg der Umfangsspannung in der Schale; Formabweichungen im Zusammenhang mit Umfangsnähten führen dagegen zu einem Anstieg der Spannung in Schalenlängsrichtung.

488

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

(a) Axialer Versatz (b) Unrundheit (c) Winkelfehler

Bild 18-10 — Formabweichungen an Längsnähten ANMERKUNG Entstehen als Folge der Formabweichungen Spannungen oberhalb der Fließgrenze, führt die Druckprüfung durch plastische Verformung zu einer Verbesserung der Behälterform. Bei Behältern aus Werkstoffen mit einer Fließgrenze erheblich über dem Mindestwert ist dieser vorteilhafte Effekt jedoch weit weniger wahrscheinlich. Die positive Wirkung der Druckprüfung auf die Form des Behälters lässt sich nicht vorhersagen. Wird dieser positive Effekt in gewissem Umfang benötigt, um die Bedingungen der Ermüdungsanalyse zu erfüllen, muss die tatsächliche Behälterform nach der Druckprüfung gemessen werden. Ebenso sind Dehnungsmessungen zur Ermittlung der tatsächlichen Formzahl erst nach der Druckprüfung durchzuführen.

Der Einfluss von Versatz muss in der Konstruktionsphase nach einem der folgenden Verfahren berücksichtigt werden. Ziel beider Verfahren ist es, Ausrichtungstoleranzen für den Zusammenbau zu ermitteln, die mit der erforderlichen Ermüdungslebensdauer vereinbar sind. a) Werte für den Versatz annehmen, die daraus resultierenden sekundären Biegespannungen berechnen und diese in die Berechnung der Strukturspannung der betrachteten Schweißnaht einfließen lassen. Die entsprechende Klasse der Tabelle 18-4 oder der Tabelle in Anhang P entnehmen und die Ermüdungslebensdauer ermitteln. Ist der ermittelte Wert nicht annehmbar, einige oder alle Toleranzen verringern, bis die geforderte Lebensdauer erzielt wird.

b) Für eine Naht der Nennklasse Ccla 1 die für die geforderte Lebensdauer tatsächlich erforderliche Klasse Ccla 2 ermitteln. Die zulässige Spannungszunahme durch Versatz beträgt dann Km = Ccla 1/Ccla 2. Anschließend die Ausrichtungstoleranzen für den Zusammenbau ableiten, für die gilt Km
Ccla1/Ccla2.

489

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05) Eine konservative Schätzung von Km ist:

Km = 1 + A1 + A2 + A3 + A4 für Zylinder

(18.10-1)

K m = 1 + A1 + A3 + A4 für Spheren

(18.10-2)

Dabei steht A1 für den Versatz und wird wie folgt berechnet:   6δ  e x A1 =  1   x n1 x   e n1   en1 + en2 

(18.10-3)

Dabei ist:

δ1 der Versatz der Mittellinien der stoßverbundenen Platten en1
en2; en1 und en2 sind die Nenndicken der beiden Platten x = 1,5 für die Umfangsnaht und 0,6 für die Längsnaht einer Zylinderschale - A2 steht für die Unrundheit einer Zylinderschale und wird wie folgt berechnet: A2 =

3(Rmax − Rmin )  P 1 − ν 2  2 ⋅ R 3  e 1 +    2E  en   

(

)

(18.10-4)

Dabei ist R der mittlere Radius.

- A3 steht für den Winkelversatz der Platten von Kugelschalen und wird wie folgt berechnet: R θ   en  A3 = 49

0,5

(18.10-5)

Dabei ist

der Winkel zwischen den Tangenten zu den Platten an der Naht (in Grad) (siehe Bild 18-10(c).

490

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

A4 steht für die örtliche Aufdachung und wird wie folgt berechnet: A4 =

6δ en

(18.10-6)

Dabei ist  die Abweichung von der wahren Form, die nicht von den vorstehenden Parametern erfasst wird; die anderen Parameter sind Bild 18-10 zu entnehmen. ANMERKUNG Der Schätzwert von A4 berücksichtigt nicht die vorteilhafte Verringerung der Aufdachung durch Druck und ist daher konservativ. Korrekturen aufgrund von nichtlinearen Effekten, die zu einer Verringerung von A4 führen, sind zulässig (siehe [11]).

Bei Verbindungsnähten hat ein Übergangskegel am Ort der Dickenänderung keinen Einfluss auf den Wert von A1. Gleichung 18.10-1 führt zu einem überhöhten Schätzwert von Km für den Fall, dass die örtliche Biegung begrenzt ist, z. B. bei kurzen Formfehlern, wenn sich eine Neuverteilung der Spannung um den Formfehler ergibt, bei Formfehlern in kurzen zylindrischen Behältern mit Stützwirkung durch die Böden oder im Bereich um Anbauteile, die die Schale versteifen. Ein niedrigerer Km-Wert ist jedoch nur nach besonderer Analyse gerechtfertigt.

18.10.5 Schweißfehler Da Ermüdungsrisse von Schweißfehlern ausgehen können, hängt es von der erforderlichen Ermüdungslebensdauer ab, ob die in EN 13445-4:2002 und EN 13445-5:2002 angeführten Schweißfehler zulässig sind. Für Behälter unter Dauerschwingbeanspruchung gilt: a) Flächenfehler sind nicht annehmbar. b) Zulässigkeitsgrenzen für eingebettete nichtflächige Fehler und geometrische Störstellen sind in Anhang G zu EN 13445-5 enthalten.

a) Kritisch sind die Abschnitte für die gilt:

mit

D >Dmax

(18.10-7)

Dmax = 0,8 für 500 < neq ≤ 1000

(18.10-8)

Dmax = 0,5 für 1000 < neq ≤ 10000

(18.10-9)

Dmax = 0,3 für neq > 10000

(18.10-10)

ANMERKUNG Alle übrigen Fehler lassen sich nach einem eingeführten Verfahren zur Bewertung ihrer Zulässigkeit (Referenz [8]) berechnen. Die Ermüdungsfestigkeit von Schweißnähten mit Fehlern lässt sich durch das Klassifizierungssystem gemäß 18.10.1 ausdrücken und so einfach mit Werten anderer Schweißnähte vergleichen.

491

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 6 (2003-04)

18.10.6 Korrekturfaktoren 18.10.6.1 Der Korrekturfaktor few zur Berücksichtigung des Einflusses von Wanddicken en > 25 mm wird wie folgt berechnet:

f ew

 25  =    en 

0,25

(18.10-11)

Bei Wanddicken en > 150 mm gilt für few der gleiche Wert wie für en = 150 mm. ANMERKUNG 1 In allen Fällen werden Ermüdungsrisse betrachtet, die vom Übergang der Naht im beanspruchten Bauteil ausgehen. Somit ist bei einigen Schweißnähten keine Korrektur erforderlich; d. h.

few = 1 (siehe Tabellen 18-4 und Anhang P). 18.10.6.2 Der Korrekturfaktor ft* zur Berücksichtigung des Einflusses von Temperaturen über 100 °C wird wie folgt berechnet: - bei ferritischen Werkstoffen:

f t* = 103 , − 15 , ⋅ 10 −4 t * −15 , ⋅ 10 −6 t * 2

(18.10-12)

- bei austenitischen Werkstoffen

f t* = 1043 , − 4,3 ⋅ 10 −4 t *

(18.10-13)

Dabei ist:

t * = 0,75t max + 0,25t min

(18.10-14)

ANMERKUNG 2 Die Temperaturen in Gleichung (18.10-10) sind in Grad Celsius (°C) angegeben.

Der Parameter ft* ist in Bild 18-11 dargestellt. 18.10.6.3 Der Gesamtkorrekturfaktor fw, für geschweißte Bauteile wird wie folgt berechnet:

fw = few ⋅ ft*

492

(18.10-15)

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

Mittlere Zyklustemperatur t* (in °C) 1) Ferritische Stähle 2) Austenitische Stähle Bild 18-10 — Korrekturfaktor ft* 18.10.7 Ermüdungskurven Die Ermüdungsfestigkeit wird durch eine Reihe von ∆σR-N- Kurven in Bild 18-12 ausgedrückt, von denen jede für ein bestimmtes Konstruktionsdetail gilt. Die Kurven werden durch die betreffenden 2 6 Ermüdungsfestigkeitswerte ∆σR (N/mm ) bei einer Lastzyklenanzahl N = 2 x 10 gekennzeichnet. ANMERKUNG 1 Die Kurven wurden anhand von Daten abgeleitet, die an Laborproben in lastgesteuerten oder, bei Dehnungen über die Fließgrenze hinaus (Ermüdung im Niedrig-Lastwechselbereich) in dehnungsgesteuerten Schwingversuchen ermittelt wurden. Kontinuität vom Niedrig- zum Hoch-Lastwechselbereich wird dadurch gewährleistet, dass die Daten im Niedrig-Lastwechselbereich durch die pseudoelastische Spannungsschwingbreite (d. h. Produkt aus Dehnung und Elastizitätsmodul, ggf. korrigiert um den Faktor zur Berücksichtigung von Spannungen im überelastischen Bereich (siehe 18.8)) ausgedrückt werden. Diese Daten sind mit Ergebnissen von Druckwechselprüfungen an ausgeführten Behältern kompatibel.

ANMERKUNG 2 Die für die Auslegung verwendeten Ermüdungskurven liegen etwa drei Standardabweichungen von log N unter der mittleren Kurve, die durch Regressionsanalyse an die ursprünglichen Prüfdaten angepasst wurde. Damit repräsentieren sie eine Versagenswahrscheinlichkeit von 0,14 % .

493

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05) Die Ermüdungskurven haben den in Bild 18-13 dargestellten Verlauf und erfüllen die folgende Gleichung:

N =

C

(18.10-16)

∆ σ Rm

Dabei sind m und C Konstanten, deren Werte Tabelle 18-7 zu entnehmen sind. 6

6

Für Zyklenanzahlen bis 5 x 10 und über 5 x 10 gelten unterschiedliche Werte. Bei konstanter Amplitudenbelastung entspricht die Ermüdungsfestigkeit (siehe Definition in 18.2.2) der 6 Spannungsschwingbreite bei 5 x 10 Zyklen. Bei veränderlicher Amplitudenbelastung entspricht die untere 8 Grenze der Spannungsschwingbreite )
cut derjenigen bei 10 Zyklen. Die Werte für 
D und 
cut für jede Ermüdungskurve sind in der Tabelle 18.7 enthalten. ANMERKUNG 3 Die Verwendung alternativer Kurven und Ermüdungsfestigkeitswerte bei konstanter 6 Amplitudenbelastung ist zulässig, sofern ihre Eignung nachgewiesen werden kann. Bei Zyklenanzahlen über 2 x 10 ergeben die Kurven gemäß Referenz [9] konservative Ergebnisse.

Die zulässige Zyklenanzahl N bei festgelegter Spannungsschwingbreite ∆σeq oder ∆σ wird wie folgt berechnet: wenn

∆σ eq

≥ ∆σ D oder

fw

∆σ ≥ ∆σ D dann fw

(18.10-17)

oder

N=

C1  ∆σ   fw

  

(18.10-18)

m1

6

wobei C1 und m1 die Werte sind entsprechend dem Bereich N
 Zyklen. Wenn ∆σ Cut
5 x 10 Zyklen ist die zulässige Spannungsschwingbreite)

∆σ D.

ANMERKUNG 4 Die Bestimmung der zulässigen Spannungsschwingbreite für eine vorgegebene Anzahl von Belastungszyklen n ist nur im Falle einer konstanten Amplitude der Wechselbeanspruchung von Interesse. Im Falle einer variablen Amplitude erfordert die Beurteilung der Ermüdung die Berechnung der kumulativen Schädigung infolge aller Typen von Wechselbeanspruchungen, welche nur durchgeführt werden kann, indem die zulässige Anzahl N für die einzelnen Typen von Wechselbeanspruchungen verwendet wird und nicht deren zulässige Spannungsschwingbreiten.

495

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 6 (2003-04)

∆σ R (N/mm²)

10000

1000

32

40 45 50 56 63 71 80 90 100

2

100

10 1,0E+02

1 1,0E+03

1,0E+04

1,0E+05

1,0E+06

1,0E+07

1,0E+08

N (1) Kurven bei veränderlicher Amplitudenbelastung 6 (2) Bei konstanter Amplitudenbelastung ist die Ermüdungsfestigkeit = ∆σD bei 5 x 10 Zyklen ANMERKUNG Bei N > 2 x 10 ist die Verwendung alternativer Kurven und ∆σR- Werte zulässig; siehe ANMERKUNG 3 in 18.10.7. 6

Bild 18-12— Ermüdungskurven für geschweißte Bauteile

Bild 18-13— Verlauf der Ermüdungskurven für geschweißte Bauteile

496

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05) Tabelle 18-7 — Beiwerte der Ermüdungskurven für geschweißte Bauteile Klasse

Konstanten der ∆σR-N-Kurve* 2

6

6

Bei 10 < N < 5x10 m1 C1

8

Bei 5x10 < N < 10 m2 C2

∆σD

∆σCut

16

74

40

15

66

36

15

58

32

15

52

29

15

46

26

14

41

23

14

37

20

14

33

18

14

29,5

16

13

24

13

12

5,0

1,09 x 10

12

5,0

6,41 x 10

12

5,0

3,56 x 10

11

5,0

1,96 x 10

11

5,0

1,08 x 10

11

5,0

5,98 x 10

11

5,0

3,39 x 10

11

5,0

2,00 x 10

11

5,0

1,11 x 10

10

5,0

3,64 x 10

100

3,0

2,00 x 10

90

3,0

1,46 x 10

80

3,0

1,02 x 10

71

3,0

7,16 x 10

63

3,0

5,00 x 10

56

3,0

3,51 x 10

50

3,0

2,50 x 10

45

3,0

1,82 x 10

40

3,0

1,28 x 10 6,55 x 10

3,0 32 5 2 * E = 2,09x10 N/mm

Spannungsschwingbreiten bei N Zyklen (N/mm²) 6 8 N = 5 x 10 N = 10

18.11 Ermüdungsfestigkeit ungeschweißter Bauteile 18.11.1 Korrekturfaktoren 18.11.1.1 Korrekturfaktor zur Berücksichtigung der Oberflächenrauheit Die Oberflächenrauheit wird durch den Korrekturfaktor fs berücksichtigt, der wie folgt berechnet wird:

f s= Fs( 0,1⋅ ln N − 0,465 ) 6 = Fs wenn N  Zyklen

(18.11-1)

Dabei ist:

Fs = 1 − 0,056 (ln R z )

0,64

⋅ ln Rm + 0,289 (ln R z )

0,53

(18.11-2)

Der Parameter Rz ist die Rauhtiefe (m). Sofern nicht anders festgelegt, sind die in Tabelle 18-8 angegebenen Werte für die herstellungsbedingte Rauhtiefe in Gleichung (18.11-2) zu verwenden. Bei polierten Oberflächen mit Rz < 6 m ist fs = 1 anzunehmen. Werte von fs für walzrauhe Oberflächen sind in Bild 18-14angegeben.

497

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

Tabelle 18-8 — Grundlegende Rauhtiefenwerte Oberflächenzustand Gewalzt oder stranggepresst Bearbeitet Beschliffen, kerbfrei

RZ (µm) 200 50 10

Ermüdungslebensdauer N (Zyklen) Bild 18-14— Korrekturfaktor fs für gewalzte Bleche

18.11.1.2 Korrekturfaktor zur Berücksichtigung des Wanddickeneinflusses Für Wanddicken 25 mm < en 

 fe wie folgt berechnet:

f e= Fe( 0,1⋅ln N − 0, 465) = Fe

wenn N ≥ 2 x10 6 Zyklen

(18.11-3)

Dabei ist  25   F e =    en 

0,182

Für Wanddicken en > 150 mm gilt für fe stets der Wert von e = 150 mm.

498

(18.11-4)

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05) 18.11.1.3 Korrekturfaktor zur Berücksichtigung des Mittelspannungseinflusses 18.11.1.3.1 Elastischer Bereich Für ∆σ eq,l < 2R p0,2/t * und eq max < Rp0,2/t* ist der Mittelspannungskorrekturfaktor fm für N ≤ 2x10 10 bei Walz- und Schmiedestahl in Abhängigkeit von der Mittelspannungsempfindlichkeit M wie folgt zu berechnen: 6

6

0,5

 M (2 + M )  2σ eq  fm = 1 −   1 + M  ∆σ R   ∆σ R für − Rp0,2/t * ≤ σ eq ≤ 2(1 + M ) bzw.

fm =

für

1 + M / 3 M  2σ eq  −   1+ M 3  ∆σ R 

(18.11.5)

(18.11-6)

∆σ R ≤ σ eq ≤ Rp0,2/t * 2(1 + M )

Dabei gilt für Walz- und Schmiedestahl:

M = 0,000 35 Rm - 0,1

(18.11-7)

6

Für N  ist der Wert von fm aus Bild 18-15 zu entnehmen.

18.11.1.3.2 Teilplastischer Bereich Für ∆σ eq,l < 2Rp0,2 / t* und eq max > Rp 0,2/t* wird fm ebenfalls nach Gleichung (18.11-5) bzw. (18.11-6) berechnet. Dabei ist jedoch anstelle σ eq die reduzierte Vergleichsmittelspannung nach Gleichung (18.11-8) bzw. (18.11-9) zu verwenden (siehe Bild Anhang P). Für σ eq > 0 gilt:

σ eq,r = R p 0,2/t * −

∆ σ eq

2

(18.11-8)

Für σ eq < 0 gilt:

σ eq, r =

∆ σ eq

2

− R p 0,2/t *

(18.11-9)

499

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 6 (2003-04)

Mittelspannung σ

eq

(N/mm²)

Bild 18-15 — Korrekturfaktor fm zur Berücksichtigung des Mittelspannungseinflusses in 6 ungeschweißten Bauteilen bei N
 Zyklen 18.11.2 Gesamtkorrekturfaktor für ungeschweißte Bauteile

Der Gesamtkorrekturfaktor fu für ungeschweißte Bauteile wie folgt berechnet:

f u = f s ⋅ f e ⋅ f m ⋅ f t*

(18.11-10)

Dabei sind fs, fe, und fm aus 18.11.1.1 bis 18.11.1.3 und ft* aus 18.10.6.2 zu entnehmen. 18.11.3 Auslegungswerte Die Ermüdungsfestigkeitswerte ungeschweißter Bauteile werden durch eine Reihe von
R-N-Kurven ausgedrückt, von denen jede einzelne für eine bestimmte Zugfestigkeit von Stahl gilt (siehe Bild 18-16). ANMERKUNG 1 Die Kurven wurden von Daten für ungekerbte, polierte Probestäbe aus ferritischen und austenitischen Walz- und Schmiedestählen bei Raumtemperatur in lastgesteuerten Schwingversuchen (Mittelspannung = 0) bzw. - bei Dehnungen über die Fließgrenze hinaus (Ermüdung im Niedrig-Lastwechselbereich) - in dehnungsgesteuerten Schwingversuchen abgeleitet.

ANMERKUNG 2 Verglichen mit den Mittelkurven nach den ursprünglichen Ergebnissen ist in diese Kurven ein Sicherheitsfaktor von 10 auf die Ermüdungslebensdauer und von 1,5 auf die Spannungsschwingbreite eingerechnet.

500

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 7 (2003-07) 6

Die Ermüdungskurven sind für Zyklenzahlen bis 2 x 10 gegeben durch   4,6. 104 N =   ∆ 0 , 63 115 , + Rm  σ R 

2

(18.11-12)

6

8

Für Schadensakkumulationsberechnungen nach Gleichung (18.5-1) sind die Kurven für N = 2 x 10 bis 10 Zyklen linear und gegeben durch  2,69Rm + 89,72  N=  ∆σ R  

10

(18.11-13)

Werte der Dauerfestigkeit ∆σD und der Grenzwerte

∆σ cut sind für einige Werte der Zugfestigkeit in Tabelle 18-10

angegeben. Zur Bestimmung der für eine bestimmte Spannungsschwingbreite zulässigen Zyklenzahl, N, ist wie folgt vorzugehen: ∆σ f ≥ ∆σ D : Für fu     46000  N =   ∆σ f − 0,63Rm + 11,5   f  u 

Für

-

∆σ cut
2 x 10 wird die zulässige Spannungsschwingbreite nach Formel 18.11-6 für n = 2 x 10 berechnet. ANMERKUNG 3 Die Bestimmung der zulässigen Spannungsschwingbreite für eine vorgegebene Anzahl von Belastungszyklen n ist nur im Falle einer konstanten Amplitude der Wechselbeanspruchung von Interesse. Im Falle einer variablen Amplitude erfordert die Beurteilung der Ermüdung die Berechnung der kumulativen Schädigung infolge aller Typen von Wechselbeanspruchungen, welche nur durchgeführt werden kann, indem die zulässige Anzahl N für die einzelnen Typen von Wechselbeanspruchungen verwendet wird und nicht deren zulässige Spannungsschwingbreiten.

6

Tabelle 18-10 — Spannungsschwingbreite
R bei N
 im Ermüdungsfestigkeitsbereich für ungekerbte, polierte Probestäbe aus ferritischen und austenitischen Walz- und Schmiedestählen bei Raumtemperatur und Mittelspannung = 0

Zugfestigkeit Rm (N/mm²)

400 600 800 1000

Spannungsbereich bei N Zyklen; (N/mm²) 8 6 N = 10 N = 2x10 
Cut 
D 273 185 399 270 525 355 651 440

Spannungsschwingbreite ∆σ R (N/mm²)

10.000

Rm (N/mm2) 1000 800 600 400

1.000

100 1,0E+02 1,0E+03

1,0E+04 1,0E+05 1,0E+06

1,0E+07 1,0E+08

Ermüdungslebensdauer N (Lastzyklen) Bild 18-16 — Ermüdungskurven für ungeschweißte Probestäbe aus ferritischen und austenitischen Schmiede- und Walzstählen (Mittelspannung = 0)

502

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 6 (2003-04)

18.12 Ermüdungsfestigkeit von Stahlschrauben 18.12.1 Allgemeines Die Anforderungen dieses Abschnitts gelten nur für axial belastete Stahlschrauben. Sie gelten nicht für andere Gewindeteile wie Flansche, Böden und Ventile. 18.12.2 Korrekturfaktoren 18.12.2.1 Der Korrekturfaktor fe für Schrauben mit einem Durchmesser > 25 mm wird mit Gleichung (18.113) berechnet. Dabei wird für en der Schraubendurchmesser eingesetzt. Für Schrauben mit einem Durchmesser
 fe = 1. 18.12.2.2 Gesamtkorrekturfaktor für Schrauben Der Gesamtkorrekturfaktor fb wird wie folgt berechnet:

fb = f e ⋅ f t*

(18.12-1)

Die Werte für fe und ft* sind aus 18.12.2.1 bzw. 18.10.6.2 zu entnehmen. 18.12.3 Auslegungsdaten Die Ermüdungsfestigkeit axial belasteter Schrauben wird durch das folgende Verhältnis ausgedrückt:

Maximale Nennspannungsschwingbreite ∆σ = Nominelle maximale Zugfestigkeit des Schraubenwerkstoffs R m 6

In Bild 18-16 ist die Ermüdungskurve für Schrauben mit einer Ermüdungsfestigkeit von 2 x 10 Lastzyklen nach der folgenden Gleichung dargestellt: 3

 ∆σ R    ⋅ N = 285  Rm 

(18.12-2)

∆σ D 6 = 0,0522 bei 2 x 10 Zyklen, siehe Bild 18-17, wird für alle Rm Gewindeformen (geschnitten, geschliffen oder gewalzt) und Kerndurchmesser bis 25 mm verwendet. Unabhängig von der tatsächlichen Zugfestigkeit des Schraubenwerkstoffs sollte für Rm keinesfalls ein Wert über 785 N/mm² bei Berechnungen angenommen werden. mit einer Dauerwechselfestigkeit

503

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

R meff = m in(R m ,785)

Ermüdungsfestigkeit (N Lastzyklen)

Bild 18-17 — Ermüdungskurve für Schrauben ANMERKUNG Die Ermüdungskurve wurde aus Ergebnissen von Schwingversuchen mit axial belasteten Schraubverbindungen abgeleitet. Sie liegt drei Standardabweichungen von log N unter der mittleren Kurve, die durch Regressionsanalyse an die ursprünglichen Prüfdaten angepasst wurde. Damit repräsentiert sie eine Versagenswahrscheinlichkeit von ca. 0,1 %.

Die zulässige Zyklenanzahl N bei festgelegter Spannungsschwingbreite
: wird wie folgt berechnet: Wenn

∆σ ≥ 0,0522 : Rm

R ⋅f N = 285 m b   ∆σ  Wenn

3

(18.12-3)

∆σ < 0,0522 : N = Infinit (d. h. n/N in Gleichung 18.5-1 ist Null) Rm

Alternativ gilt folgende Gleichung zur Verwendung als Ermüdungskurve, nach der die zulässige Spannungsschwingbreite
 bei einer festgelegten Zyklenanzahl n ermittelt wird: 1

285  3 ∆σ = ∆σ R ⋅ fb = R m    n  für

n ≤ 2⋅106.

Für n > 2⋅106 ist der zulässige Spannungsbereich gleich der Spannungsschwingbreite:

∆σ = ∆σD = 0,0522Rm

504

(18.12-4)

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

Anhang A (normativ)

Anforderungen an die Ausführung von drucktragenden Schweißverbindungen Dieser Anhang legt die Ausführungsforderungen für dauerhafte Schweißnähte für die Konstruktion von Druckbehältern fest. Die Forderungen umfassen folgende Angaben: — eine Zeichnung jeder Schweißverbindung in fertigem Zustand; — Ausführungsforderungen im wesentlichen für die geometrische Form; — Angabe der jeweiligen Prüfgruppen (siehe Teil 5); — Angabe der jeweiligen Ermüdungsklasse (siehe Teil 3, Abschnitte 17und 18) (dies gilt nicht für Behälter der Prüfgruppe 4); — Empfehlungen zur Verhinderung von Lamellenrissbildung; — Empfehlungen zur Korrosionsverhinderung; — Verweisung auf die empfohlenen schweißtechnischen Einzelheiten in prEN 1708-1; Folgende Schweißnahtgruppen sind enthalten: — Gruppe M: Längsnähte an Zylindern und Kegeln, Nähte an Kugeln und gewölbten Böden (Tabelle A-1); — Gruppe C: Rundnähte in Zylindern und Kegeln, Verbindungsnaht zwischen gewölbtem Boden und Schale (Tabelle A-2); — Gruppe E: Schweißverbindungen von ebenen Böden und Schalen (Tabelle A-3); — Gruppe TS: Schweißverbindungen von Rohrböden und Schalen (Tabelle A-4); — Gruppe T: Schweißverbindungen von Rohren und Rohrböden (Tabelle A-5); — Gruppe S: Schweißverbindungen an Muffen (Tabelle A-6); — Gruppe F: Schweißverbindungen an Flanschen und Bunden (Tabelle A-7); — Gruppe N: Schweißverbindungen an Stutzen (Tabelle A-8); — Gruppe B: Rundnähte an Kompensatoren (Tabelle A-9). Für jede Gruppe sind die bevorzugt anzuwendenden Schweißverbindungen zuerst angegeben.

505

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05) Tabelle A-1 — Drucktragende Schweißverbindungen - Längsnähte an Zylindern und Kegeln, Nähte an Kugeln und gewölbten Böden Bez. Nr.

Schweißverbindung

Ausführungsforderungen

Prüfgruppe

1, 2, 3, 4

M1

e2 − e1 ≤ 0,30 e1 ≤ 6 mm

M2

prEN 1708-1

A

N

1.1.4

3)

A

N

1.1.4

1, 2, 3, 4

s. Tab. 18.4, lfd. Nr. 1.1 und 1.2

A

N

1.1.6

1, 2, 3, 4

s. Tab. 18.4, lfd. Nr. 1.1 und 1.2

A

N

1.1.6

e2 − e1 ≤ 0,15 e1 ≤ 3 mm 1, 2, 3, 4

s. Tab. 18.4, lfd. Nr. 1.3

A

N

1.1.4

l1 / l2 ≤ 1 / 4

l3 ≥ 2 e1 l1 / l2 ≤ 1 / 4

M5

Korrosion

s. Tab. 18.4, lfd. Nr. 1.1 und 1.2

l3 ≥ 2 e1

M4

Laminarrissanfälligkeit 2)

1, 2, 3, 4

a2 ≤ 3 mm

M3

Ermüdungsklasse 1) s. Tab. 18.4, lfd. Nr. 1.1 und 1.2

l1 / l2 ≤ 1 / 4

M6

Steigungsverhältnis: siehe M3 mit glattem Übergang

1, 2, 3, 4

s. Tab. 18.4, lfd. Nr. 1.3

A

N

1.1.5

M7

Steigungsverhältnis: siehe M3 mit glattem Übergang

1, 2, 3, 4

s. Tab. 18.4, lfd. Nr. 1.3

A

N

1.1.4

M8

l1 / l2 ≤ 1 / 4

4

A

N

1.1.5

mit glattem Übergang

506

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

Tabelle A-1 — Drucktragende Schweißverbindungen - Längsnähte an Zylindern und Kegeln, Nähte an Kugeln und gewölbten Böden (Forts.) Bez. Nr.

M9

M 10

Schweißverbindung

Ausführungsforderungen

Prüfgruppe

Ermüdungsbeanspruchun 1, 2, 3, 4 g nur zulässig, wenn mindestens Sichtprüfung auf volle Durchschweißung möglich e − e ≤ 0,30 e ≤ 6 mm 1, 2, 3, 4 2

1

1

a3 ≤ 0,1 e1 ≤ 2 mm

M 11

siehe M 9 bei Ermüdungsbeanspruchun g siehe M 4 1, 2, 3, 4 siehe M 10

M 12

UNZULÄSSIG

M 13

UNZULÄSSIG

M 14

UNZULÄSSIG

M 15

UNZULÄSSIG

1) 2) 3)

Ermüdungs klasse 1) s. Tab. 18.4, lfd. Nr. 1.1 und 1.5

Laminarrissanfälligkeit 2) A

Korrosion 3) N

prEN 1708-1 1.1.1

s. Tab. 18.4, lfd. Nr. 1.1 und 1.5

A

N

1.1.1

s. Tab. 18.4, lfd. Nr. 1.1 und 1.5

A

N

1.1.3

Ermüdungsklasse: siehe Abschnitt 17 und 18. Laminarrissanfälligkeit: A = kein Risiko, B = mögliches Risiko. Korrosion: N = normale Bedingungen, S = unzulässig.

507

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

Tabelle A-2 — Drucktragende Schweißverbindungen - Rundnähte an Zylindern und Kegeln, Verbindungsnaht zwischen gewölbtem Boden und Schale Bez. Nr.

Schweißverbindung

Ausführungsforderungen

Prüfgruppe

Korrosion 3)

prEN 1708-1

N

1.1.4

s. Tab. 18.4, lfd. Nr. 1.1 und 1.2

A

N

1.1.4

1, 2, 3, 4

s. Tab. 18.4, lfd. Nr. 1.1 und 1.2

A

N

1.1.4

1, 2, 3, 4

s. Tab. 18.4, lfd. Nr. 1.1 und 1.2

A

N

1.1.6

1, 2, 3, 4

C2

e2 − e1 ≤ 0,15 e1 ≤ 3 mm 1, 2, 3, 4

C3

e2 − e1 ≤ 0,3 e1 ≤ 6 mm

a2 ≤ 3 mm

l3 ≥ 2 e1

Laminarrissanfälligkeit 2) A

C1

C4

Ermüdungsklasse 1) s. Tab. 18.4, lfd. Nr. 1.1 und 1.2

l1 / l2 ≤ 1 / 3

C5

l1 / l2 ≤ 1 / 3

1, 2, 3, 4

s. Tab. 18.4, lfd. Nr. 1.3

A

N

1.1.4

C6

siehe C 4

1, 2, 3, 4

s. Tab. 18.4, lfd. Nr. 1.1 und 1.2

A

N

1.1.6

l1 / l2 ≤ 1 / 3

1, 2, 3, 4

s. Tab. 18.4, lfd. Nr. 1.3

A

N

1.1.5

siehe C 5

1, 2, 3, 4

s. Tab. 18.4, lfd. Nr. 1.3

A

N

1.1.4

l1 / l2 ≤ 1 / 3

3, 4

s. Tab. 18.4, lfd. Nr. 1.3 für Prüfgrupp e3

A

N

1.1.5

C7

mit glattem Übergang

C8

C9

mit glattem Übergang

1), 2), 3) siehe Tabelle A-1

508

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

Tabelle A-2 — Drucktragende Schweißverbindungen - Rundnähte an Zylindern und Kegeln, Verbindungsnaht zwischen gewölbtem Boden und Schale (Forts.) Bez. Nr.

Schweißverbindung

Ausführungsforderungen

Prüfgruppe

N

prEN 1708-1 1.1.1

s. Tab. A 18.4, lfd. Nr. 1.1 und 1.5

N

1.1.1

1, 2, 3, 4

s. Tab. A 18.4, lfd. Nr. 1.1 und 1.5

N

1.1.3

1, 2, 3, 4

s. Tab. A 18.4, lfd. Nr. 1.3 und 1.5

N

1.1.2

Bei unterschiedlichen Wanddicken begrenzt auf:

1, 2, 3, 4

s. Tab. A 18.4, lfd. Nr. 1.4

N

-

Bei unterschiedlichen Wanddicken begrenzt auf:

1, 2, 3, 4

s. Tab. A 18.4, lfd. Nr. 1.4

N

-

C 10

Nur zulässig, wenn Prüfung auf volle Durchschweißung möglich

1, 2, 3, 4

C 12

siehe C 3

1, 2, 3, 4

C 13

siehe C 4

C 14

siehe C 9 mit glattem Übergang

C 15

UNZULÄSSIG

C 16

α ≤ 30°

e2 − e1 ≤ 0,3 e1 ≤ 4 mm

C 17

α > 30°

e2 − e1 ≤ 0,3 e1 ≤ 4 mm

Ermüdungs- Laminarrissklasse 1) anfälligkeit 2) s. Tab. A 18.4, lfd. Nr. 1.1 und 1.5

Korrosion 3)

— Berechnung der Spannungen — Schweißnaht an der Innenseite rundschleifen 1), 2), 3) siehe Tabelle A-1

509

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

Tabelle A-2 — Drucktragende Schweißverbindungen - Rundnähte an Zylindern und Kegeln, Verbindungsnaht zwischen gewölbtem Boden und Schale (Forts.) Bez. Nr.

Schweißverbindung

Ausführungsforderungen

Prüfgruppe

Ermüdungs klasse 1)

Laminarris sanfälligkeit

Korrosion 3)

prEN 1708-1

2)

C 18

a ≤ 30°

Bei unterschiedlichen Wanddicken begrenzt auf:

1, 2, 3, 4

63 bei 100%-ZfP der Oberfläche 80 bei bündig geschliffener Nahtwurzel

A

N

-

Bei unterschiedlichen Wanddicken begrenzt auf:

1, 2, 3, 4

50 bei 100%-ZfP der Oberfläche 71 bei bündig geschliffener Nahtwurzel

A

N

-

siehe 5.7.3.2 s. Tab. 18.4, lfd. Nr. 1.6

A

S

-

e2 − e1 ≤ 0,3 e1 ≤ 4 mm

C 19

a > 30°

e2 − e1 ≤ 0,3 e1 ≤ 4 mm

d o ≤ 600 mm C 20

C 21

siehe 5.7.3.1

siehe 5.7.3.1 s. Tab. 18.4, lfd. Nr. 1.7

A

S

-

C 22

siehe 5.7.3.1

siehe 5.7.3.1 s. Tab. 18.4, lfd. Nr. 1.7

A

S

-

C 23

l ist die erforderliche Mindestdicke

siehe 5.7.3.2 s. Tab. 18.4, lfd. Nr. 1.6

A

S

-

C 24

siehe C 2

siehe 5.7.3.2

s. Tab. 18.4, lfd. Nr. 1.6

A

S

-

C 25

siehe C 4

siehe 5.7.3.2

s. Tab. 18.4, lfd. Nr. 1.6

A

S

-

1), 2), 3) siehe Tabelle A-1

510

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

Tabelle A-2 — Drucktragende Schweißverbindungen - Rundnähte an Zylindern und Kegeln, Verbindungsnaht zwischen gewölbtem Boden und Schale (Forts.) Bez. Nr.

Schweißverbindung

Ausführungsforderungen

Prüfgruppe

Ermüdungs klasse 1) siehe 5.7.3.2 Prüfgruppe 4

Laminarrissanfälligkeit 2) A

Korrosion S

prEN 1708-1 -

3)

C 26

siehe C 9

C 27

UNZULÄSSIG

C 28

siehe C 4

siehe 5.7.3.2 s. Tab. 18.4, lfd. Nr. 1.6

A

S

-

C 29

siehe C 4

siehe 5.7.3.2 unzulässig Prüfgruppe 4

A

S

-

C 30

UNZULÄSSIG

4

-

B

N

-

4

-

B

S auf Seite L N auf Seite R

9.1.2

4

-

B

S auf Seite L N auf Seite R

9.1.2

C 31

C 32

C 33

A = Rundnaht

l > 2 min (e1 , e2 ) siehe

C 35 L linke Seite R rechte Seite Druck auf beiden Seiten einwirkend A = Lochnaht l > 2 min (e1 , e2 ) siehe C 35 L linke Seite R rechte Seite Druck auf beiden Seiten einwirkend

1), 2), 3) siehe Tabelle A-1

511

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

Tabelle A-2 — Drucktragende Schweißverbindungen - Rundnähte an Zylindern und Kegeln, Verbindungsnaht zwischen gewölbtem Boden und Schale (Forts.) Bez. Nr.

Schweißverbindung

C 34

Ausführungsforderungen

l > 2 min (e1 , e2 )

Prüfgruppe

Laminarrissanfälligkeit 2)

Korrosion 3)

prEN 1708-1

4

Ermüdungsklasse 1) -

B

N

-

4

-

B

S auf Seite L N auf Seite R

siehe C 35 L linke Seite R rechte Seite Druck auf beiden Seiten einwirkend

C 35

l > 2 min (e1 , e2 )

C 36

Liegt die Naht am Ende einer Schale, muss der Abstand zwischen Naht und Schalenende min. 5 mm betragen. L linke Seite R rechte Seite Druck auf beiden Seiten einwirkend UNZULÄSSIG

C 37

UNZULÄSSIG

C 38

UNZULÄSSIG

1), 2), 3) siehe Tabelle A-1

512

9.1.1

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05) Tabelle A-3 — Drucktragende Schweißverbindungen – Ebene Böden Bez. Nr.

Schweißverbindung

E1

Ausführungsforderungen

Prüfgruppe

Alle Rundnahtformen sind zulässig

1, 2, 3, 4

Alle Rundnahtformen sind zulässig

1, 2, 3, 4

Alle Rundnahtformen sind zulässig

Alle Rundnahtformen sind zulässig

siehe entsprechende lfd. Nr. in Tab. A-2

siehe entsprechende lfd. Nr. in Tab. A-2

A

N

siehe entsprechende lfd. Nr. in Tab. A-2

1, 2, 3, 4

s. Tab. 18.4, lfd. Nr. 2.2

B

N

8.1.9

1, 2, 3, 4

s. Tab. 18.4, lfd. Nr. 2.2

A, falls geschmiedet, B, falls aus einem Schmiedestück ausgedreht

N

-

r ≥ 0,2 er

E4

r ≥e/ 3

prEN 1708-1

N

r ≥ 1,3 e und r ≥ 8 mm

E3

Laminarriss- Korrosion anfälligkeit 2) 3) A

r ≥ 1,3 e

E2

Ermüdungsklasse 1) siehe entsprechende lfd. Nr. in Tab. A-2

1), 2), 3) siehe Tabelle A-1

513

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

Tabelle A-3 — Drucktragende Schweißverbindungen – Ebene Böden (Forts.) Bez. Nr.

Schweißverbindung

Ausführungsforderungen

Prüfgruppe

E5

3, 4

E6

3, 4

E7

4

E8

3, 4 1, 2, falls beschliffen und mit Gegenlage geschweißt

E9

4

1), 2), 3) siehe Tabelle A-1

514

Ermüdungsklasse 1) s. Tab. 18.4, lfd. Nr. 2.1 für Prüfgrupp e3

Laminarrissanfälligkeit 2)

Korrosion 3)

prEN 1708-1

A, falls α ≥ 15° B, falls α < 15°

N

8.1.2

s. Tab. 18.4, lfd. Nr. 2.1 für Prüfgrupp e3

A, falls α ≥ 15° B, falls α < 15°

N

8.1.3

-

A, falls α ≥ 15° B, falls α < 15°

S

-

s. Tab. 18.4, lfd. Nr. 2.1 a oder b für Prüfgruppen 1, 2 und 3

A, falls α ≥ 15° B, falls α < 15°

N

8.1.8

-

A, falls α ≥ 15° B, falls α < 15°

S

8.1.7

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

Tabelle A-3 — Drucktragende Schweißverbindungen – Ebene Böden (Forts.) Bez. Nr.

Schweißverbindung

E 10

Ausführungsforderungen

a ≥ es

Prüfgruppe

3, 4 falls

a ≥16 mm

4 falls

a < 16 mm

E 11

a ≥ es

3, 4 falls

a < 16 mm

Unzulässig

E 13

Unzulässig

Laminarriss Korrosion anfälligkeit 3)

s. Tab. 18.4, lfd. Nr. 2.1 b für Prüfgruppe 3

B

N

-

s. Tab.

B

N

8.1.1

a ≥16 mm 18.4, lfd.

4 falls

E 12

Ermüdungs klasse 1)

2)

prEN 1708-1

Nr. 2.1 b für Prüfgruppe 3

E 14

1, 2, 3, 4

s. Tab. 18.4, lfd. Nr. 2.3 a

B

N

8.1.5

E 15

1, 2, 3, 4

s. Tab. 18.4, lfd. Nr. 2.3 c

B

N

8.1.5

1), 2), 3) siehe Tabelle A-1

515

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

Tabelle A-3 — Drucktragende Schweißverbindungen – Ebene Böden (Forts.) Bez. Nr.

Schweißverbindung

Ausführungsforderungen 4

E 16

E 17

Prüfgruppe

b ≥ es

3, 4 falls

b < 16 mm

Ermüdungs klasse 1) -

Laminarrissanfälligkeit 2) B

Korrosion S

prEN 1708-1 -

s. Tab. 18.4, lfd. Nr. 2.3 b

B

N

8.1.5

-

B

N

8.1.6

s. Tab. 18.4, lfd. Nr. 2.3 b für Prüfgruppe 3

B

N

8.1.5

3)

1, 2, 3, 4 falls

b ≥ 16 mm

E 18

a ≥1,4 es

4

E 19

a ≥ 0,7 es

3, 4 falls

a ≥ 16 mm

4 falls

a < 16 mm

1), 2), 3) siehe Tabelle A-1

516

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05) Tabelle A-3 — Drucktragende Schweißverbindungen – Ebene Böden (Forts.) Bez. Nr.

Schweißverbindung

Ausführungsforderungen

Prüfgruppe

E 20

a ≥1,4 es

4

Ermüdungsklasse 1) -

Laminarrissanfälligkeit 2)

Korrosion 3)

prEN 1708-1

B

S

-

E 21

a ≥1,4 es

4

-

B

S

-

E 22

a ≥ 0,7 es

4

-

B

S

-

E 23

UNZULÄSSIG

1), 2), 3) siehe Tabelle A-1

517

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

Tabelle A-3 — Drucktragende Schweißverbindungen – Ebene Böden (Forts.) Bez. Nr.

Schweißverbindung

Ausführungsforderungen

a ≥ 0,7 es

E 24

Prüfgruppe

Laminarrissanfälligkeit 2)

Korrosion 3)

prEN 1708-1

4

Ermüdungsklasse 1) -

B

N

-

4

-

B

N

-

b ≥ es

E 25

a ≥ es

E 26

UNZULÄSSIG

1), 2), 3) siehe Tabelle A-1

518

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

Tabelle A-4 — Rohrböden - Schweißverbindungen von Rohrböden und Schalen Bez. Nr.

Schweißverbindung

Ausführungsforderungen

Prüfgruppe

ErmüLaminarrissdungsanfälligkeit 2) klasse 1) Siehe Schweißverbindungen von ebenen Böden und Schalen mit folgenden zusätzlichen Ausführungen 1, 2, 3, 4

TS 1

b ≥ 2 es

TS 2

s. Tab. 18.4, lfd. Nr. 2.2

4

-

Korrosion

prEN 1708-1

3)

A, falls geschmiedet B, falls aus einem Schmiedestück ausgedreht

N

8.1.9

A

S

8.1.7

1), 2), 3) siehe Tabelle A-1

Tabelle A-5 — Rohrböden - Schweißverbindung von Rohren und Rohrböden Bez. Nr.

Schweißverbindung

Ausführungsforderung en

Prüfgruppe

Ermüdungsklasse 1) s. Tab. 18.4, lfd. Nr. 1.5

Laminarrissanfälligkeit 2)

Korrosion 3)

prEN 1708-1

A

N

-

T1

1, 2, 3, 4

T2

1, 2, 3, 4

Unzulässi A g

N

-

T3

1, 2, 3, 4

Unzulässi A g

N

-

1), 2), 3) siehe Tabelle A-1

519

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

Tabelle A-5 — Rohrböden - Schweißverbindung von Rohren und Rohrböden (Forts.) Bez. Nr.

Schweißverbindung

Ausführungsforderungen

Prüfgruppe

1, 2, 3, 4

T4

ErmüLaminarrissdungsanfälligkeit 2) klasse 1) Unzulässi A g

Korrosion 3)

N

7.1.8

prEN 1708-1

T5

w = et

1, 2, 3, 4

Unzulässi A g

N

-

T6

w = et

1, 2, 3, 4

Unzulässi A g

N

7.1.7

T7

et ≤ l ≤ 1,4 et

1, 2, 3, 4

Unzulässi B g

S

7.1.6

T8

et ≤ l ≤ 1,4 et

1, 2, 3, 4

Unzulässi B g

S

7.1.5

T9

l1 ≥ 1,4 et l2 ≤ 4 et

1, 2, 3, 4

40

A

S

-

T 10

l2 ≤ 4 et l1 ≥ et + 3 mm

1, 2, 3, 4

40

A

S

-

bei Ankerrohren

l1 ≥ et + 2 mm bei anderen Rohren 1), 2), 3) siehe Tabelle A-1

520

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

Tabelle A-5 — Rohrböden - Schweißverbindung von Rohren und Rohrböden (Forts.) Bez. Nr.

Schweißverbindung

Ausführungsforderungen

T 11

l ≥ et

1, 2, 3, 4

Ermüdungsklasse 1) 40

T 12

l ≥ 1,4 et

1, 2, 3, 4

40

B

S

-

T 13

l ≥ et

1, 2, 3, 4

40

B

S

-

l ≥ 0,7 et

1, 2, 3, 4

40

B

S

-

T 14

max 2et

Prüfgruppe

Laminarrissanfälligkeit 2)

Korrosion 3)

prEN 1708-1

B

S

-

l et kein Abstand 1), 2), 3) siehe Tabelle A-1

521

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

Tabelle A-5 — Rohrböden - Schweißverbindung von Rohren und Rohrböden (Forts.) Bez. Nr.

Schweißverbindung

Ausführungsforderungen

Prüfgruppe

T 15

l ≥ et

1, 2, 3, 4

Ermüdungsklasse 1) 40

Laminarrissanfälligkeit 2)

Korrosion 3)

prEN 1708-1

B

S

-

T 16

et ≤ l ≤1,4 et

1, 2, 3, 4

40

A

S

7.1.1

T 17

l ≥ 1,4 et

1, 2, 3, 4

32

B

S

-

1, 2, 3, 4

40

B

S

7.1.2

a ≤ et

T 18

l ≥ 1,4 et

T 19

UNZULÄSSIG

1), 2), 3) siehe Tabelle A-1

522

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

Tabelle A-6 — Schweißmuffenverbindungen Bez. Nr.

Schweißverbindung

Ausführungsforderungen

Ermüdungsklasse 1) s. Tab. 18.4, lfd. Nr. 7.1

Laminarrissanfälligkeit 2) -

N

1, 2, 3, 4

s. Tab. 18.4, lfd. Nr. 7.1

-

N

-

S3

1, 2, 3, 4

s. Tab. 18.4, lfd. Nr. 7.1

-

N

-

S4

3, 4 falls

s. Tab. 18.4, lfd. Nr. 7.1

-

N

-

s. Tab. 18.4, lfd. Nr. 7.2

-

N

-

s. Tab. 18.4, lfd. Nr. 7.2

-

N

-

s. Tab. 18.4, lfd. Nr. 7.4

-

N

-

s. Tab. 18.4, lfd. Nr. 7.4

-

N

2.1.8

1, 2, 3, 4

S1

S2

Prüfgruppe

Ermüdungsbeanspruchung nur zulässig, wenn volle Durchschweißung geprüft werden kann

d >150 mm

Korrosion 3)

prEN 1708-1

1, 2, 3, 4 falls

d ≤150 mm

S5

a ≥ 0,7 emin für jede Schweißverbindung

3, 4 falls

d >150 mm

1, 2, 3, 4 falls

d ≤150 mm

S6

a ≥ 0,7 emin für jede Schweißverbindung

3, 4 falls

d >150 mm

1, 2, 3, 4 falls

d ≤150 mm

S7

a ≥ 0,7 emin für jede Schweißverbindung

3, 4 falls

d >150 mm

1, 2, 3, 4 falls

d ≤150 mm

S8

a ≥ 0,7 emin für jede Schweißverbindung

3, 4 falls

d >150 mm

1, 2, 3, 4 falls

d ≤150 mm

1), 2), 3) siehe Tabelle A-1

523

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 7 (2003-07) Tabelle A-7 — Flansche und Bunde Bez. Nr.

Schweißverbindung

Ausführungsforderungen

Prüfgruppe

Ermüdungs1) klasse s. Tab. 18.4, lfd. Nr. 7.1

Laminarriss2) anfälligkeit

Korrosion

A

N

5.1.2

3)

prEN 1708-1

F1

Alle Rundnahtformen zulässig

1, 2, 3, 4

F2

Volle Durchschweißung

1, 2, 3, 4

s. Tab. 18.4, lfd. Nr. 7.2

A

N

5.1.1

F3

g1 + g2 ≥ 1,4 e

3, 4 if

s. Tab. 18.4, lfd. Nr. 7.4

A N B, falls Werkstoff St1 oder St2

-

s. Tab. 18.4, lfd. Nr. 7.4

A N B, falls Werkstoff St1 oder St2

5.1.8

s. Tab. 18.4, lfd. Nr. 7.2

A

N

5.1.1

A

N

-

d >150mm

1, 2, 3, 4 if

d ≤150mm

F4

g1 + g2 ≥ 1,4 e

3, 4 if

d >150mm

1, 2, 3, 4 if

d ≤150mm

F5

g1 + g2 ≥ 2 e g1 − g2 < 0,25 e

3, 4 if

d >150mm

1, 2, 3, 4 if

d ≤150mm

F6

Volle Durchschweißung

63 50, falls keine d >150mm Sichtprüfung der 1, 2, 3, 4 Innenif seite 3, 4 if

d ≤150mm

1), 2), 3) siehe Tabelle A-1

524

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 7 (2003-07)

Tabelle A-7 — Flansche und Bunde (Forts.) Bez. Nr.

Schweißverbindung

F7

Ausführungsforderungen

g1 + g2 ≥ 2 e g1 − g2 < 0,25 e

Prüfgruppe 3, 4 if

d >150mm

Ermüdungs1) klasse s. Tab. 18.4, lfd. Nr. 7.2

Laminarriss2) anfälligkeit

Korrosion

A N B, falls Werkstoff St1 oder St2

3)

prEN 1708-1 5.1.5

1, 2, 3, 4 if

d ≤150mm

F8

Alle Rundnahtformen zulässig

F9

a ≥ 0,7 emin für jede Schweißverbindung

1, 2, 3, 4

siehe F 1

A

N

-

3, 4 if

32

A N B, falls Werkstoff St1 oder St2

5.1.4

d >150mm

1, 2, 3, 4 if

d ≤150mm

F 10

UNZULÄSSIG

1), 2), 3) siehe Tabelle A-1

525

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 7 (2003-07)

Tabelle A-8 — Stutzen Bez. Nr.

Schweißverbindung

Ausführungsforderungen

Prüfgruppe

Ermüdungsklas 1) se s. Tab. 18.4, lfd. Nr. 3.2

Laminarriss3) 2) Korrosion anfälligkeit

prEN 1708-1

B

N

2.2.6 2.3.3

N1

Volle Durchschweißung

1, 2, 3, 4

N2

Volle Durchschweißung

1, 2, 3, 4

s. Tab. 18.4, lfd. Nr. 3.2

B

N

2.2.6

N3

Volle Durchschweißung

1, 2, 3, 4

s. Tab. 18.4, lfd. Nr. 3.2

B

N

2.1.5

N4

Volle Durchschweißung

1, 2, 3, 4

s. Tab. 18.4, lfd. Nr. 3.2

B

N

2.1.1

N5

Volle Durchschweißung

1, 2, 3, 4

siehe entsprechende lfd.Nr. in Tab. A-2

A

N

2.4.1

N6

a ≥ 0,7 emin

s. Tab. 18.4, lfd. Nr. 3.2 >150mm oder 3.3

B

N

2.2.2

B

N

2.2.5

B

S

-

für jede Schweißverbindung

d ≤ 600 mm d / D ≤1 / 3

3, 4 if

d

1, 2, 3, 4 if

d ≤150mm

N7

a ≥ 0,7 emin für jede Schweißverbindung

d ≤ 800 mm d / D ≤1 / 3

s. Tab. 18.4, lfd. Nr. 3.2 >150mm oder 3.3

3, 4 if

d

1, 2, 3, 4 if

d ≤150mm

N8

a ≥ 0,7 emin für jede Schweißverbindung

1), 2), 3) siehe Tabelle A-1

526

3, 4

unzulässig

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

Tabelle A-8 — Stutzen (Forts.) Bez. Nr.

Schweißverbindung

Ausführungsforderungen

N9

UNZULÄSSIG

N 10

Alle Rundnahtformen zulässig

Prüfgruppe

1, 2, 3, 4

Ermüdungsklas se 1)

siehe entsprechende lfd.Nr. in Tab. A-2

Laminarrissanfälligkeit 2)

A

Korrosion 3)

N

1), 2), 3) siehe Tabelle A-1

527

prEN 1708-1

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

Tabelle A-9 — Rundnähte an Kompensatoren Bez. Nr.

Schweißverbindung

Ausführungsforderungen

Prüfgruppe

Ermüdungsklasse 1)

Laminarrissanfälligkeit 2)

Korrosion 3)

prEN 1708-1

B1

Volle Durchschweißung

1, 2, 3

A

N

-

B2

a ≥ 0,7 eb

1, 2, 3

B

S

-

B3

a ≥ 0,7 eb

1, 2, 3

A

S

-

B4

a ≥ 0,7 eb

1, 2, 3

A

N

-

B5

a ≥ 0,7 eb

1, 2, 3

B

S

-

1), 2), 3) siehe Tabelle A-1

528

EN 13445-3:2002 Ausgabe 3 (2002-09)

Anhang B (normativ) Direkte Auslegung mit Analyse Verfahren B.1 Zweck Dieser Analytische Zulässigkeitsnachweis (AZ) gibt Regeln für den Zulässigkeitsnachweis von Bauteilen unter allen Arten von Einwirkungen und dient als: — Alternative zur Auslegung nach Formeln (siehe 5.4.1), — Ergänzung zur Auslegung nach Formeln in den Fällen — die dadurch nicht erfasst werden, — die eine Überlagerung von Umgebungseinwirkungen erfordern, — in denen die in Teil 4, Abschnitt 5 angegebenen Fertigungstoleranzen überschritten werden. Im letzten Fall müssen die Abweichungen klar dokumentiert werden. Wegen der Verwendung fortschrittlicher Verfahren ist bei der Überprüfung der Berechnungen und bei der eventuellen Festlegung von spezifischen zfP-Anforderungen die Einschaltung einer, auf dem Gebiet des Analytischen Zulässigkeitsnachweises entsprechend qualifizierten, unabhängigen Stelle erforderlich, bis hinreichende innerbetriebliche Erfahrung nachweisbar ist.

B.2 Zusätzliche Definitionen Die folgenden Definitionen gelten zusätzlich zu denen in Abschnitt 3. B.2.1 Anwendungsregel Allgemein anerkannte Regel die einer Verbindlichen Regel folgt und deren Anforderungen erfüllt. ANMERKUNG Abweichende Anwendungsregeln, abweichend von den in dieser Norm angegebenen, sind zulässig, sofern sie mit der Verbindlichen Regel übereinstimmen und hinsichtlich Zuverlässigkeit, Instandhaltung und Haltbarkeit mit angegebenen Anwendungsregeln zumindest gleichwertig sind, siehe B.5.1.

B.2.2 Beanspruchung Reaktion (z. B. Spannung, Dehnung, Verformung, resultierende Kraft oder Moment, Vergleichsspannung) eines Bauteils auf eine bestimmte Einwirkung oder eine Kombination von Einwirkungen. B.2.3 Berechnungsmodell (Physikalisches) Modell des Bauteils zur Bestimmung der Beanspruchung, siehe B.2.2 und B.7 B.2.4 Charakteristischer Wert / charakteristische Funktion Ein charakteristischer Wert einer Einwirkung ist ein repräsentativer Wert der die Variabilität, die statistischen Eigenschaften der Einwirkung berücksichtigt, siehe B.6.2.

529

EN 13445-3:2002 Ausgabe 3 (2002-09) ANMERKUNG Eine charakteristische Funktion einer Einwirkung ist eine, für die Einwirkung repräsentative Funktion (der Zeit), benötigt bei Einwirkungen, bei denen in bestimmten Nachweisen die Zeitabhängigkeit von Bedeutung ist, z. B. Temperatur-Druck-Transienten während der Anfahr- oder Abfahrphase, siehe B.6.2.3

B.2.5 (Maßgebende) Dicke Kürzester Abstand (eines kritischen Punktes) auf einer Oberfläche zu einem beliebigen Punkt auf einer anderen Oberfläche. B.2.6 Einwirkung Eingeprägte thermomechanische Einwirkung die im Tragwerk Spannung und/oder Dehnung hervorruft, z. B. eingeprägter Druck, Kraft, Verschiebung, Temperatur, siehe Unterabschnitt B.6. B.2.7 Einwirkungsart Klassifizierung von Einwirkungen nach statistischen Eigenschaften und Einwirkungsdauer. B.2.8 Gesamtspannung, Gesamtdehnung Gesamte Spannung bzw. Dehnung in einem Berechnungsmodell das alle Spannungs- bzw. Dehnungserhöhungseffekte erfasst, globale und lokale. B.2.9 Grenzzustand Zustand bei dessen Überschreiten das Tragwerk seine auslegungsgemäßen Funktionsanforderungen nicht mehr erfüllt. ANMERKUNG Grenzzustände werden eingeteilt in Grenzzustände der Tragfähigkeit und Grenzzustände der Gebrauchstauglichkeit, siehe B.4.

B.2.10 Kombinationsfaktor Faktor mit dem der Bemessungswert variabler Einwirkungen mit stochastischen Eigenschaften multipliziert wird, sofern die Einwirkung mit dem Druck kombiniert wird, oder sofern zwei oder mehr dieser Einwirkungen in einem Lastfall kombiniert werden, siehe B.2.3. B.2.11 (Äquivalentes) Konzentrationsfreies Modell Ein äquivalentes idealisiertes Modell eines Tragwerks ohne lokale Spannungs- bzw. Verzerrungserhöhungen. B.2.12 Lastfall Eine Kombination von gleichzeitig auftretenden Einwirkungen. Lastfälle werden eingeteilt in Normalbetriebslastfälle, spezielle Lastfälle und außergewöhnliche Lastfälle, siehe B.5.1. B.2.13 Lokale Spannungskonzentration, lokale Verzerrungskonzentration Spannungs- bzw. Verzerrungsverteilung durch (sehr) lokale geometrie- oder werkstoffbedingte Störstellen, oder Temperaturfelder, welche die Spannungs- oder Verzerrungsverteilung nur über einen Teil der Wanddicke beeinflussen. ANMERKUNG Diese lokalen Konzentrationen sind nur mit eng lokalisierten Deformationen oder Verzerrungen verbunden, ohne wesentliche nicht-lokalen Effekte. Beispiele sind Spannungskonzentrationen an kleinen Ausrundungen von Kehlnähten, an kleinen Anschweißteilen, an Schweißnähten, etc.

B.2.14 Nachweis Bewertung der Sicherheit eines Bauteils hinsichtlich bestimmter Grenzzustände (Versagensarten) und unter bestimmten Kombinationen von Einwirkungen, siehe B.6. 530

EN 13445-3:2002 Ausgabe 3 (2002-09) B.2.15 Strukturdehnung Dehnung in einem (äquivalenten) konzentrationsfreien Modell des Tragwerks, d. h. die Dehnung in einem idealisierten Modell, entsprechend der realen Geometrie des Tragwerks aber ohne lokale Details, die nur lokale Spannungs- oder Verzerrungs-konzentrationen verursachen. ANMERKUNG 1 Die Strukturdehnung enthält Effekte von globalen Strukturdetails (z. B. Stutzenanschlüsse, Kegel-Zylinder-Verbindungen, Mantel-Boden-Verbindungen, Dickensprünge, Anschweißteile, geometrische Formfehler mit globalen Wirkungen wie Unrundheit zylindrischer Mäntel), nicht jedoch Kerbeffekte lokaler Tragwerksdetails, wie kleine Kerbradien an Kehlnähten, Schweißnahtdetails, Schweißnahtunregelmäßigkeiten, kleine Sacklochbohrungen, lokale Temperaturverteilungsdetails. ANMERKUNG 2 Finite Elemente Modelle mit Schalen- oder Balkenelementen können die Strukturdehnung direkt ergeben.

B.2.16 Teilsicherheitsbeiwert Beiwert mit dem der charakteristische Wert einer Einwirkung multipliziert oder der einer Werkstoffkenngröße dividiert wird, um den entsprechenden Bemessungswert zu erhalten. ANMERKUNG Der Beiwert hängt vom Nachweis, der Einwirkung bzw. der Werkstoffkenngröße ab, siehe B.6.3 und B.7.3.

B.2.17 Tragwerk Alle wesentlichen kraftaufnehmenden Teile einer Konstruktion, z. B. des Behälters, seiner kraftübertragenden Anbauten, Stützungen, Unterstützungs- und Tragkonstruktionen. B.2.18 Variationskoeffizient Maß für die statistische Streuung (Standardabweichung dividiert durch den Mittelwert). B.2.19 Verbindliche Regel Allgemeingültige Aussagen, Definitionen oder Anforderungen zu einer Versagensart, zu denen es keine Alternativen gibt, sofern dies nicht ausdrücklich angegeben ist, siehe B.6.

B.3 Zusätzliche Symbole und Abkürzungen Die folgenden Symbole und Abkürzungen gelten zusätzlich zu denen in Abschnitt 4. B.3.1 Indizes d

Bemessungswert

i

i-ter Wert

inf

untere Schranke

j

j-ter Wert

k

k-ter Wert

A

Einwirkung (allgemein)

G

ständige Einwirkung

P

Druckeinwirkung

Q

veränderliche Einwirkung

sup

obere Schranke 531

EN 13445-3:2002 Ausgabe 3 (2002-09)

B.3.2 Symbole D

Ermüdungsmaß

RM

Festigkeitskennwert

γ

Teilsicherheitsbeiwert

B.4 Versagensarten und Grenzzustände In Tabelle B.4-1 sind die wesentlichen Versagensarten mit den zugehörigen Grenzzuständen zusammengestellt. Die Grenzzustände werden danach unterteilt, ob die Belastung von kurzzeitiger, langzeitiger oder zyklischer Natur ist. In Tabelle B.4-1 sind die Versagensarten getrennt betrachtet. Kombinationen von Versagensarten, z. B. Ermüdung und Verformungsbruch, Kriechen und Verformungsbruch, Kriechen und Ermüdung, sind gesondert zu betrachten. ANMERKUNG 1 Die Liste der Versagensarten, Tabelle B.4-1, gilt sehr allgemein, enthält auch Versagensarten außerhalb des Anwendungsbereiches der Norm.

Grenzzustände werden unterteilt in Grenzzustände der Tragfähigkeit und Grenzzustände der Gebrauchstauglichkeit. Grenzzustände der Tragfähigkeit sind Zustände (einer Komponente oder des Behälters), bei denen es zu einem Versagen kommt, das zu einer Gefährdung von Menschenleben führen kann (Bersten, Zusammenbruch oder anderen Formen des Versagens). ANMERKUNG 2 Grenzzustände der Tragfähigkeit sind Versagen durch globale plastische Deformation, Ermüdungsbruch, Instabilität des Behälters oder von Teilen, Verlust des Gleichgewichts (Umstürzen) von Behältern oder Behälterteilen (bei Betrachtung als starrer Körper) und die Sicherheit beeinträchtigende Leckagen,. ANMERKUNG 3 Einige Zustände vor Eintritt des Gesamtversagens, die, zur Vereinfachung, an Stelle der Grenze selbst betrachtet werden, werden ebenfalls als Grenzzustände der Tragfähigkeit klassifiziert und als solche behandelt.

Grenzzustände der Gebrauchstauglichkeit sind Zustände (einer Komponente oder des Behälters), bei deren Überschreiten der Behälter nicht länger die Gebrauchstauglichkeitskriterien erfüllt. ANMERKUNG 4 Grenzzustände der Gebrauchstauglichkeit sind: — Verformungen oder Durchbiegungen, die eine auslegungsgemäße Nutzung des Behälters (einschließlich ordnungsgemäßer Funktionsfähigkeit von Maschinen und normalem Betriebsverhalten) beeinträchtigen oder Schäden an tragenden und nichttragenden Teilen verursachen; — Leckagen, die zwar die auslegungsgemäße Nutzung, nicht aber die Sicherheit beeinträchtigen und die keine unakzeptable Umweltgefahr sind. ANMERKUNG 5 Leckagen sind abhängig von der von ihnen ausgehenden Gefährdung als Grenzzustand der Tragfähigkeit oder der Gebrauchtauglichkeit zu klassifizieren.

532

EN 13445-3:2002 Ausgabe 3 (2002-09)

Tabelle B.4-1 — Versagensarten und Grenzzustände Einwirkungsart Kurzzeitig Versagensart Einmalig Mehrmalig Sprödbruch U 3) Verformungsbruch U 4) 1) S, U Unzulässige Verformung, Typ 1 5) Unzulässige Verformung, Typ 2 U 6) S Unzulässige Verformung, Typ 3 7) U Unzulässige örtliche Dehnungen 8) 2) U, S Instabilität Fortschreitende plastische DeforU 9) mation 10) Alternierende Plastizität U Kriechbruch 11) Unzul. Kriechverformung, Typ 1 12) Unzul. Kriechverformung, Typ.2 13) Unzul. Kriechverformung, Typ 3 Kriechinstabilität Erosion, Korrosion Medienbeschleunigte Rissbil14) dung Kriechbruch 11) Unzul. Kriechverformung, Typ 1 12) Unzul. Kriechverformung, Typ 2 13) Unzul. Kriechverformung, Typ 3 Kriechinstabilität Erosion, Korrosion Medienbeschleunigte Rissbil14) dung Ermüdung Medienbeschleunigte Ermüdung U Grenzzustand der Tragfähigkeit S Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit

Langzeitig Einmalig

Zyklisch

Mehrmalig

U 1) S, U U S 2) U, S S U U 1) S, U U S 2) U, S S U U U

1) Bei Gefahren durch Austritt des Behälterinhalts (giftige, brennbare Stoffe, Dampf usw.) 2) Bei ausreichender Tragfähigkeit im nachinstabilen Zustand 3) Instabiles unzulässiges plastisches Fließen oder instabiles Risswachstum 4) Unzulässige Verformung an mechanischen Verbindungen 5) Unzulässige Verformung, die zu nicht annehmbarer Lastübertragung führt. 6) Unzulässige Verformung durch betriebsbedingte Behinderungen. 7) Rissbildung oder Verformungsbruch durch Erschöpfung der Werkstoffduktilität. 8) Elastisch, plastisch oder elastisch-plastisch 9) Fortschreitende plastische Deformation 10) Alternierende Plastizität (siehe auch Abschnitt 6) 11) Unzulässige Kriechdeformation an mechanischen Verbindungen 12) Unzulässige Kriechdeformation, die zu nicht annehmbarer Lastübertragung führt 13) Unzulässige Kriechdeformation bei betriebsbedingten Behinderungen 14) Spannungsrisskorrosion (SCC), wasserstoffinduzierte Rissbildung (HIC), spannungsorientierte wasserstoffinduzierte Rissbildung (SOHIC).

533

EN 13445-3:2002 Ausgabe 3 (2002-09) B.5 Methodik B.5.1 Allgemeines, Nachweise Jeder hinsichtlich des Anwendungsbereiches dieser Norm wesentlichen Versagensart entspricht ein einzelner Nachweis (N). Jeder Nachweis erfasst eine oder mehrere Versagensarten. Die zu führenden Nachweise sind — Tragfähigkeitsnachweis (TN), siehe B.8.2; — Einspielnachweis (EN), siehe B.8.3; — Stabilitätsnachweis (SN), siehe B.8.4; — Ermüdungsnachweis (ZEN), siehe B.8.5; — Nachweis des statischen Gleichgewichts (GN), siehe B.8.6; ANMERKUNG 1 Die Bezeichnung "Tragfähigkeitsnachweis" entspricht der oft verwendeten Bezeichnung "Nachweis gegen Globale Plastische Deformation", und der englischen "Global Plastic Deformation Design Check GPD-DC" ANMERKUNG 2 In der Bezeichnung "Einspielnachweis" steht der Begriff des "Einspielens" für Einspielen auf linearelastisches Verhalten und auch für elastisch-plastisches Einspielen im Sinne alternierender Plastizität. Die Bezeichnung entspricht der oft verwendeten Bezeichnung "Nachweis gegen Fortschreitende Plastische Deformation" und der englischen "Progressive Plastic Deformation Design Check PD-DC". ANMERKUNG 3 Die Bezeichnung eines Nachweis gibt einen Hinweis auf die Haupt-Versagensart des Nachweises. Für spezifische Bauteile können einige Nachweise offenkundig nicht erforderlich sein. Die Liste der Nachweise ist nicht erschöpfend. In manchen Fällen kann es erforderlich sein, weitere Grenzzustände zu untersuchen. So sollte z. B. bei austenitischen Stählen neben dem Tragfähigkeitsnachweis auch die Gefahr von Leckagen untersucht werden - als Grenzzustand der Tragfähigkeit oder der Gebrauchstauglichkeit, siehe Tabelle B.4-1.

Die Nachweise sind, falls zutreffend, für folgende Gruppen von Lastfällen zu führen: — Normalbetriebslastfälle, für die normale Anforderungen gelten; — besondere Lastfälle, für die Anforderungen für Prüfungen, der Herstellung, der Errichtung und für Reparaturen gelten; — außergewöhnliche Lastfälle, siehe 5.3.5. Im allgemeinen umfasst ein Nachweis mehrere Lastfälle. Lastfälle sind Kombinationen von gleichzeitigen Einwirkungen die nach vernünftigem Ermessen auftreten können. Für jeden Nachweis ist eine einfache Verbindliche Regel angegeben. Für jede Verbindliche Regel können mehrere Anwendungsregeln angegeben sein, um verschiedene Möglichkeiten der Erfüllung der Verbindlichen Regel aufzuzeigen. Die zutreffendsten Anwendungsregeln sind zu wählen. Es ist zulässig andere Anwendungsregeln zu verwenden, vorausgesetzt sie stimmen mit der einschlägigen Verbindlichen Regel überein und sind hinsichtlich Zuverlässigkeit, Instandhaltung und Haltbarkeit zumindest gleichwertig. B.5.2 Vorgehensweise Die Vorgehensweise erfasst die folgenden Teile: a) Mindestens alle in B.5.1 angeführten Nachweise sind zu berücksichtigen, siehe Anmerkung 3 in B.5.1; b) In jedem Nachweis sind alle wesentlichen Lastfälle zu berücksichtigen; c) Für jeden Lastfall ist eine passende Anwendungsregel zu wählen;

534

EN 13445-3:2002 Ausgabe 3 (2002-09) d) Für jeden Nachweis und jeden Lastfall ist der Nachweis der Erfüllung der Verbindlichen Regel zu erbringen, direkt oder unter Verwendung der gewählten Anwendungsregel und folgender Schritte: 1) Festlegung des Nachweises und des Lastfalls mit zugehörigen Einwirkungen; 2) Bestimmung der charakteristischen Werte bzw. charakteristischen Funktionen der Einwirkungen; 3) Berechnung der Bemessungswerte bzw. Bemessungsfunktionen der Einwirkungen; 4) Nachweis der Erfüllung der Verbindlichen Regel; 5) Angabe ob die Verbindliche Regel für den Lastfall erfüllt ist.

B.6 Einwirkungen B.6.1 Klassifizierung Einwirkungen werden in folgende vier Arten unterteilt: — ständige Einwirkungen; — Temperatur, Druck und von diesen deterministisch abhängige Einwirkungen; — veränderliche Einwirkungen (ausgenommen Temperatur, Druck und von diesen deterministisch abhängige Einwirkungen); — außergewöhnliche Einwirkungen (siehe 5.3.5 und 6.1.1). Betriebsdrücke und Betriebstemperaturen sind zwar ebenfalls veränderliche Einwirkungen, sie besitzen jedoch besondere Merkmale hinsichtlich der Abhängigkeit von der Zeit, der stochastischen Eigenschaften, etc. Wegen der häufig starken Korrelation zwischen Betriebsdruck und Betriebstemperatur sind sie als simultan wirkend zu betrachten, und die Druck-TemperaturAbhängigkeit ist passend festzulegen. ANMERKUNG 1 Einwirkungen mechanischer, physikalischer, chemischer oder biologischer Art können zwar die Sicherheit eines Behälters beeinflussen, beim Analytischen Zulässigkeitsnachweis werden jedoch nur die Einwirkungen betrachtet, die Spannungen oder Dehnungen verursachen. Beispiele hierfür sind Volumenkräfte (z.B. Eigengewicht), Oberflächenkräfte (Druck, Flächenlasten usw.), Einzelkräfte (Resultierende z. B. aus einwirkenden Flächenkräften), Linienkräfte, Punktkräfte, Temperaturänderungen, Verlagerungen des Tragwerks an Verbindungen oder Bettungen z. B. durch Temperaturänderungen oder Setzen. ANMERKUNG 2 Beispiele für ständige Einwirkungen sind Eigengewicht des Tragwerks , von Verbindungsstücken, Zubehör- und Anbauteilen. ANMERKUNG 3 Beispiele für veränderliche Einwirkungen sind Verkehrslasten, Wind- oder Schneelasten. ANMERKUNG 4 Beispiele für außergewöhnliche Einwirkungen sind Einwirkungen auf einen äußeren Behälter durch Versagen des inneren Behälters oder Einwirkungen durch extreme Erdbeben – Einwirkungen die nicht zu den (Normal) Betriebslastfällen zählen Einwirkungen, die nicht zu denen zählen die nach vernünftigem Ermessen vorhersehbar auftreten können. ANMERKUNG 5 Temperaturänderungen wirken auf zweifache Weise: sie verursachen Spannungen in einem Tragwerk und sie beeinflussen dessen Festigkeit und die Werkstoffeigenschaften. ANMERKUNG 6 Einflüsse des Behälterinhalts oder der Umgebung können die Sicherheit und Gebrauchstauglichkeit des Behälters beeinträchtigen. Dies ist durch entsprechende Werkstoffauswahl, Wanddickenzuschläge (siehe 5.2.2) oder entsprechende Festlegung der Werkstoffparameter bei der Festigkeitsermittlung zu berücksichtigen (siehe B.7.2). ANMERKUNG 7 Die Druck-Temperatur-Abhängigkeit kann in Form von Wertepaaren gleichzeitig wirkender Einwirkungen, die den Bereich der Betriebsbedingungen umfassen, oder durch Druck-TemperaturFunktionen angegeben werden.

535

EN 13445-3:2002 Ausgabe 3 (2002-09) Bei Einwirkungen, die ständige und veränderliche Komponenten aufweisen, können die einzelnen Anteile getrennt betrachtet werden. Zu den veränderlichen Einwirkungen können so unterschiedliche Einflüsse gehören wie: — Einwirkungen, die deterministisch von Druck und/oder Temperatur abhängen. Diese sind in der Druck-Temperatur-Einwirkung zusammenzufassen und in diesem Zusammenhang, genau oder näherungsweise, für die Auslegung zu verwenden.; — Einwirkungen, die von Druck oder Temperatur unabhängig sind, jedoch genau festgelegte Extremwerte (Grenzwerte) haben; — Einwirkungen, z. B. Windlasten, die nur als stochastische, von Druck und/oder Temperatur unabhängige Vorgänge beschrieben werden können. B.6.2 Charakteristische Werte und charakteristische Funktionen von Einwirkungen Die Anforderungen für die Bestimmung der charakteristischen Werte der verschiedenen Arten von Einwirkungen sind in Tabelle B.6-1 und nachstehend zusammengestellt. Tabelle B.6-1: Charakteristische Werte der verschiedenen Einwirkungen Einwirkung Ständig

Variationskoeffizient ≤ 0,1 1)

Ständig > 0,1 3)

Symbol

Gk

G k, inf

Veränderlich

≤ 0,1 1)

Qk

Veränderlich

> 0,1

Qk

Außergewöhnlich

-

Psup

Druck und Temperatur

2)

-

Tsup Pinf

Tinf 1)

2)

3)

4)

5)

6)

Mittelwert der Extremwerte

2)

G k, sup

Charakteristischer Wert

2) 2)

Oberer Grenzwert, der mit einer Wahrscheinlichkeit von 95% nicht überschritten wird 4); Unterer Grenzwert, der mit einer Wahrscheinlichkeit von 95% nicht unterschritten wird 4) Mittelwert der Extremwerte 97% Perzentil des Extremwerts in einem festgelegten Zeitraum 5) Individuell festzulegen Der nach vernünftigem Ermessen vorhersehbar zu erwartende höchste Druck Die nach vernünftigem Ermessen vorhersehbar zu erwartende höchste Temperatur Der nach vernünftigem Ermessen vorhersehbar zu erwartende niedrigste Druck 6) Die nach vernünftigem Ermessen vorhersehbar zu erwartende niedrigste Temperatur

Der Mittelwert der Extremwerte kann auch angewendet werden, wenn die Differenz zwischen dem nach vernünftigem Ermessen vorhersehbaren Größt- und Kleinstwert höchstens 20 % ihres arithmetischen Mittels beträgt. Der Index k in Tabelle B.6-1 weist darauf hin, dass ein Lastfall gewöhnlich aus mehreren Einwirkungen gebildet wird, die einzeln nummeriert sind. Dies gilt auch für Einwirkungen die sich während der Lebensdauer des Behälters voraussichtlich ändern (z.B. bestimmte überlagerte ständige Lasten). Ist eine statistische Vorgangsweise nicht möglich, dürfen der höchste und der niedrigste realistisch anzunehmende Wert verwendet werden. Bei veränderlichen Einwirkungen mit festgelegten Grenzen dürfen Grenzwerte als charakteristische Werte verwendet werden. Dies ist gewöhnlich 0 oder -1,0 (Vakuum).

536

EN 13445-3:2002 Ausgabe 3 (2002-06) Der obere charakteristische Wert des Drucks, Psup, darf vom maximal zulässigen Druck PS ausgehend ermittelt werden, die (kurzfristige) Druckerhöhung über den maximal zulässigen Druck bei Ansprechen der Sicherheitseinrichtung gegen Drucküberschreitung muss nicht berücksichtigt werden. Die charakteristischen Werte für Druck und Temperatur beschreiben die Einhüllende des DruckTemperatur-Feldes der Drücke und Temperaturen die unter vernünftigerweise vorhersehbaren Bedingungen auftreten können, siehe Bild B.6-1. P Psup1 1 Tsup 1 Tinf 5 Tinf 1

Psup 2 2

Psup 5 5 Pinf 3

3

Tsup 2

Tinf 4 Tsup 3 4

Pinf 4 T

Bild B.6-1 — Typische Darstellung gleichzeitiger Druck- und Temperatureinwirkungen Es sind folgende charakteristische Werte festzulegen: — — — —

der obere charakteristische Wert des Drucks (Psup) der untere charakteristische Wert des Drucks (Pinf) der obere charakteristische Wert der Temperatur (Tsup) der untere charakteristische Wert der Temperatur (Tinf).

ANMERKUNG 1 Für ständige Einwirkungen die in einigen Kombinationen mit anderen Einwirkungen günstig und mit anderen aber ungünstig wirken, sind obere und untere charakteristische Werte erforderlich.

In Fällen, in denen die Temperatur nicht umgebungsbedingt ist oder in denen eine Kombination von Psup und Tsup unwirtschaftlich ist, kann es erforderlich sein, bestimmte Druck-TemperaturWertepaare, z. B. (Psup,i, Tsup,i), (Pinf,i, Tinf,i) festzulegen, die die Begrenzung des DruckTemperatur-Bereichs der nach vernünftigem Ermessen vorhersehbar zu erwartenden Extremwerte angeben, siehe Bild B.6-1. Das Eigengewicht von Tragwerk und nicht zum Tragwerk gehörenden Teilen darf auf Grundlage ihrer Nennabmessungen und ihrer mittleren spezifischen Masse berechnet werden. Für Wind- und Schneelasten und für Erdbebeneinwirkungen dürfen die in zugehörigen regionalen Normen festgelegten Werte, d. h. die landesspezifischen Werte, verwendet werden.

537

EN 13445-3:2002 Ausgabe 3 (2002-09) In Fällen, in denen (konstante oder variable) Wärmespannungen die Sicherheit des Tragwerks beeinflussen können, sind als charakteristische Werte von gleichzeitigen Druck- und Temperatureinwirkungen die Extremwerte anzunehmen, die nach vernünftigem Ermessen vorhersehbar unter normalen Betriebsbedingungen während der Lebensdauer des Behälters zu erwarten sind. Für Einwirkungen bei denen in bestimmten Nachweisen die Zeitabhängigkeit von Bedeutung ist, werden für den Einspielnachweis und den Ermüdungsnachweis charakteristische Funktionen, der Zeit oder eines Reihenfolgeparameters, benötigt, siehe auch Abschnitte 17 und 18 (für die Ermüdungsberechnung). Eine realistische Festlegung dieser Funktionen ist für die Ergebnisse der Nachweise von besonderer Bedeutung, insbesondere beim Ermüdungsnachweis. Daher müssen diese Funktionen einem "Schätzwert einer oberen Schranke" der fluktuierenden Einwirkungen entsprechen, welche an dem Bauteil nach vernünftigem Ermessen während der gesamten Lebensdauer auftreten können – in statistischem Sinn wie bei charakteristischen Werten. In verschiedenen Nachweisen dürfen verschiedene charakteristische Funktionen festgelegt werden, unter Berücksichtigung der Verbindlichen Regeln dieser Nachweise. ANMERKUNG 2 Die charakteristischen Funktionen sind vom Kunden vorzugeben. Sofern sie nicht vorgegeben werden, sind vernünftige Extremwerte vom Hersteller anzunehmen.

Die verwendeten charakteristischen Werte und charakteristischen Funktionen sind klar zu dokumentieren. B.6.3 Bemessungswerte und Bemessungsfunktionen von Einwirkungen Der Bemessungswert Ad einer Einwirkung ist durch Multiplikation des charakteristischen Wertes mit dem entsprechenden Teilsicherheitsbeiwert der Einwirkung zu ermitteln - allgemein

Ad = γ A ⋅ A

(B.6-1)

Dabei ist A der charakteristische Wert der Einwirkung und γ A der in B.8 festgelegte Teilsicherheitsbeiwert der Einwirkung entsprechend dem betrachteten Nachweis. Für außergewöhnliche Einwirkungen sind die Teilsicherheitsbeiwerte für die Einwirkungen im Einvernehmen der Beteiligten – Hersteller, Verantwortliche Stelle, Betreiber (oder der von ihm Beauftragte) – festzulegen; sie dürfen jedoch nicht günstiger sein als die entsprechenden der Prüflastfälle. ANMERKUNG Durch den Teilsicherheitsbeiwert γ A wird folgenden Umständen Rechnung getragen: — einer möglichen ungünstigen Abweichung der Einwirkungen von ihren charakteristischen Werten; — möglichen Ungenauigkeiten bei der Darstellung der Einwirkung und der Beanspruchung im Modell; — möglichen Unsicherheiten bei der stochastischen Darstellung der Einwirkung; — der Tatsache, dass eine bestimmte Einwirkung einen günstigen oder ungünstigen Effekt haben kann. So kann in einem Lastfall die Einwirkung durch das Eigengewicht eines Teils der Druckkraft entgegen wirken und damit einen günstigen Effekt haben, in einem anderen Lastfall kann sie dagegen mit dem Druck wirken und damit einem ungünstigen Effekt haben. Die Teilsicherheitsbeiwerte γ A EINBETTEN haben dann unterschiedliche Werte. Sofern der bestimmende Lastfall nicht offenkundig ist, sind getrennte Lastfälle erforderlich.

Die im Einspielnachweis und die im Ermüdungsnachweis benötigten Bemessungsfunktionen von Einwirkungen sind mit den entsprechenden charakteristischen Funktionen identisch, d. h. Teilsicherheitsbeiwerte dieser Einwirkungen sind in diesen Nachweisen gleich Eins.

538

EN 13445-3:2002 Ausgabe 3 (2002-09) B.7 Berechnungsmodelle B.7.1 Allgemeines Zur Ermittlung der Beanspruchung durch (Bemessungs-) Einwirkungen sind bestimmte (physikalische) Modelle zu verwenden, in Abhängigkeit vom Nachweis. Detailfestlegungen für diese Modelle sind in den, bestimmte Nachweise betreffenden Unterabschnitten von B.8 angegeben, allgemeine Beschreibungen und Bedingungen im folgenden. Falls in einem Nachweis der anfängliche (gewichtslose) Spannungszustand des Modells von Bedeutung ist, so ist immer vom spannungslosen Zustand auszugehen. Mit Ausnahme der im folgenden angeführten zwei Fälle ist die Theorie 1. Ordnung zu verwenden, d. h. Theorie mit linearen kinematischen Beziehungen und Gleichgewichtsbedingungen am unverformten Bauteil. Instabilitätsnachweise sind mit nichtlinearen kinematischen Beziehungen und Gleichgewichtsbedingungen am verformten Bauteil zu führen. Theorie 2. Ordnung – Theorie mit linearen kinematischen Beziehungen und Gleichgewichtsbedingungen am verformten Körper –darf verwendet werden, sofern ausreichende Genauigkeit vorliegt. Im Fall von Bauteilen und Einwirkungen bei denen (einwirkungsbedingte) Deformationen das Verhalten nicht verbessern, sondern die Tragfähigkeit verringern, bei denen diese Deformation einen ungünstigen (verschwächenden) Einfluss haben, sind im Tragfähigkeitsnachweis und im Ermüdungsnachweis geometrisch nichtlineare Effekte zu berücksichtigen. ANMERKUNG Beispiele von Bauteilen und Einwirkungen mit einem derartigen ungünstigen Einfluss sind — Stutzen in Zylinderschalen unter Einwirkung eines transversalen Moments; — Stutzen in Zylinderschalen unter Einwirkung einer (nach Innen wirkenden) axialen Druckkraft; — Rohrbögen unter Einwirkung eines die Krümmung erhöhenden Biegemoments; — Zylinderschalen mit Unrundheit oder Aufdachung unter Außendruck;

B.7.2 Geometrie Mit Ausnahme von Dicken, für die Berechnungsdicken – Nenndicken abzüglich Zuschläge –- zu verwenden sind, sind für Abmessungen Nennwerte, und nicht Minimalwerte zu verwenden. ANMERKUNG Im Fall von Teilmodellen oder Teilbereichsuntersuchungen ist zu achten, dass das verwendete Modell entsprechend umfassend ist, sodass mögliche elastische Nachwirkungen vom Modell erfasst werden.

B.7.3 Plattierte Teile Bei plattierten Teilen ist als Druckangriffsfläche die Nennoberfläche der Plattierung zu verwenden. Im Tragfähigkeitsnachweis, B.8.2, darf ein Beitrag der Plattierung zur Tragfähigkeit nur im Fall einer Vollverbundplattierung und auch dann nur im Einvernehmen der Beteiligten berücksichtigt werden. Im Stabilitätsnachweis, B.8.4, darf ein eventueller Festigkeitsbeitrag der Plattierung nicht berücksichtigt werden.

539

EN 13445-3:2002 Ausgabe 3 (2002-09) Im Einspielnachweis, B.8.3, und im Ermüdungsnachweis, B.8.5, ist die Plattierung bei der Temperatur- und der Spannungsermittlung zu berücksichtigen. Im Fall einer Vollverbund-Plattierung mit einer Plattierungsdicke von nicht mehr als 10% der gesamten Nenndicke darf der Einfluss der Plattierung vernachlässigt werden, d. h. die Grundwerkstoffgeometrie der Modellgeometrie zugrunde gelegt werden. B.7.4 Werkstoffgesetze Das zu verwendende Werkstoffgesetz hängt vom Nachweis ab: — im Tragfähigkeitsnachweis, B.8.2, ein linearelastisch-idealplastisches Werkstoffgesetz mit Trescascher Fließbedingung (Hauptschubspannungshypothese) und assoziiertem Fließgesetz; — im Einspielnachweis, B.8.3, ein linearelastisch-idealplastisches Werkstoffgesetz mit Misesscher Fließbedingung (Gestaltsänderungsenergiehypothese) und assoziiertem Fließgesetz; — im Ermüdungsnachweis, B.8.5, ein linearelastisches Werkstoffgesetz; — im Stabilitätsnachweis, B.8.4, je nach Verfahren ein linearelastisches oder ein linearelastisch-idealplastisches Werkstoffgesetz. Im TN darf die Misessche Fließbedingung ebenfalls verwendet werden, es ist jedoch dann der Bemessungswert der Werkstoffestigkeit (Bemessungswert der Fließgrenze) entsprechend zu verringern, siehe ANMERKUNG in B.8.2.1 Im ZEN, der unter Verwendung von Abschnitt 18 zu führen ist, wird unelastisches Verhalten durch den Plastizitätskorrekturfaktor berücksichtigt, siehe 18.8. B.7.5 Werkstoffkennwerte B.7.5.1 Festigkeitskennwerte Der Bemessungswert RM d des Festigkeitskennwertes des Werkstoffs (Bemessungswert der Fließgrenze) der plastischen Werkstoffgesetze ist durch Division des entsprechenden charakteristischen Wertes durch den entsprechenden Teilsicherheitsbeiwert zu ermitteln - allgemein

RM d = RM / γ R

(B.7-1)

Dabei ist RM der charakteristische Wert des maßgebenden Festigkeitskennwerts und γ R der entsprechende Teilsicherheitsbeiwert. Details zur Bestimmung der charakteristischen Werte der Festigkeitskennwerte und der entsprechenden Teilsicherheitsbeiwerte sind in den Unterabschnitten der Nachweise, B.8.2 bis B.8.5, angegeben. Der Teilsicherheitsbeiwert γ R für außergewöhnliche Lastfälle ist zwischen den Beteiligten zu vereinbaren, er darf aber nicht kleiner sein als der für Prüfsituationen angegebene.

540

EN 13445-3:2002 Ausgabe 3 (2002-09)

Bei der Bestimmung der charakteristischen Werte RM sind die spezifizierten Mindestwerte zu verwenden, d. h. Werte für ReH , R p 0.2 / t , R p1.0 / t , Rm / t entsprechend dem Zustand des Werkstoffs nach Fertigung und eventueller Wärmebehandlung, ein Zustand der dem in den entsprechenden Werkstoffnormen oder –datenblättern festgelegten entsprechen muss. ANMERKUNG

Diese Werte werden im allgemeinen durch Wärmebehandlung nach EN 13445-4 erreicht

Diese für den Lieferzustand garantierten Mindestwerte dürfen verwendet werden, sofern nicht bekannt ist, dass Wärmebehandlungen zu geringeren Werten führen. Sofern Schweißungen oder Wärmebehandlungen zu geringeren Festigkeitskennwerten führen, sind diese (geringeren Werte) zu verwenden. Bei der Bestimmung der charakteristischen Festigkeitskennwerte verwendete temperaturabhängige Werkstoffkennwerte, R p 0.2 / t , R p1.0 / t , Rm / t , sind für die in den maßgebenden Unterabschnitten der Nachweise, B.8.2 bis B.8.5, angegebenen Bezugstemperaturen zu ermitteln. B.7.5.2 Andere Werkstoffkennwerte

Für Elastizitätsmodul, Querdehnzahl und linearen Wärmeausdehnungskoeffizient dürfen zeitunabhängige Werte verwendet werden, Werte gleich den momentanen Werkstoff-kennwerten, siehe Anhang 0, für eine, vom Nachweis, der Einwirkungssituation und dem Lastfall abhängigen Bezugstemperatur. Diese Bezugstemperatur darf nicht geringer sein als — 0.75 tcmax + 5 K im Tragfähigkeitsnachweis, mit der maximalen Berechnungstemperatur des jeweiligen Lastfall tcmax — 0.25 tcmax + 0.75 tcmax im Einspielnachweis und im Ermüdungsnachweis, mit der minimalen und maximalen Berechnungstemperatur im jeweiligen Lastfall tcmin bzw. tcmax — tcmax im Stabilitätsnachweis, mit der maximalen Berechnungstemperatur im jeweiligen Lastfall tcmax B.7.6 Strukturdehnung

In einigen Nachweisen werden Strukturdehnungen benötigt. Einige (mathematische) Modelle ergeben diese direkt, z. B. Finite Elemente Modelle mit Schalen- oder Stabelementen. In den Fällen in denen ein Modell die Strukturwerte nicht direkt ergibt, wie z. B. Finite Elemente Modelle mit Volumenelementen, ist der Wert der interessierenden Größe im kritischen Punkt (hot spot) durch quadratische Extrapolation mit Oberflächen-Stützpunkten in Abständen von 0.4e, 0.9e und 1.4e vom kritischen Punkt zu ermitteln, siehe 18.6.1; es ist dabei e die (maßgebende) Dicke des Bauteils im kritischen Punkt, siehe B.2.18. Bezeichnet man den Wert der interessierenden Größe im kritischen Punkt mit yo, den entsprechenden im Stützpunkt Pi mit yi, so kann yo mit folgender Formel errechnet werden y o = y 1 − 1.52 ( y 2 − y 1 ) + 0.72 ( y 3 − y 2 ) = 2.52y 1 − 2.24 y 2 + 0.72y 3

(B.7-2)

Dabei ist P1 der im Abstand 0.4e vom kritischen Punkt liegende Stützpunkt, P2 der nächste. ANMERKUNG In Zweifelsfällen und in Fällen in denen die Extrapolation zu unsinnigen Ergebnissen führt, darf die Gesamtspannung bzw. Gesamtdehnung eines Modells, das sich ausschließlich in lokalen Störstellendetails unterscheidet verwendet werden.

541

EN 13445-3:2002 Ausgabe 3 (2002-09) B.8 Nachweise B.8.1 Allgemeines

Alle in den folgenden Unterkapiteln festgelegten Nachweise sind zu behandeln und alle einschlägigen Lastfälle sind zu berücksichtigen. B.8.2 beschäftigt sich vor allem mit Globalem Plastischen Versagen, im Betriebsfall oder im Prüffall, er erfasst aber auch Unzulässige Lokale Verzerrung. Die anderen Unterabschnitte behandeln Versagen durch Fortschreitende Plastische Deformation, siehe B.8.3; Versagen durch Instabilitäten, siehe B.8.4; Versagen durch zyklische Ermüdung, siehe B.8.5; Versagen durch Umstürzen, oder Verschiebung, als starrer Körper, siehe B.8.6. B.8.2 Tragfähigkeitsnachweis (TN) (Nachweis gegen Globales Plastisches Versagen) B.8.2.1 Verbindliche Regel

Für jeden Lastfall darf die Tragfähigkeit eines Berechnungsmodells mit — linearelastisch-idealplastischem Werkstoffgesetz; — Trescascher Fließbedingung (Hauptschubspannungshypothese) und assoziiertem Fließgesetz; — in B.8.2.3 c) bzw. B.8.2.4 c) festgelegtem Bemessungswert der Fließgrenze RMd und — in B.8.2.3 c) bzw. B.8.2.4 c) festgelegten Teilsicherheitsbeiwerten γ R und — proportionaler Zunahme aller Einwirkungen aus dem spannungsfreien Ausgangszustand mit einem größten Absolutwert der Hauptstrukturdehnung nicht größer als — 5% in Normalbetriebslastfällen; — 7% in Prüflastfällen nicht kleiner sein als der Bemessungswert der Einwirkung bzw. der Einwirkungskombination. ANMERKUNG 1 Für außergewöhnliche Lastfälle gilt die Dehnungsbegrenzung nicht. ANMERKUNG 2 Im Fall der in EN 13445-5 festgelegten normalen Druckprobe und vernachlässigbaren Einwirkungen außer Druck ist der Druckprobennachweis nicht erforderlich.

An Stelle der Trescaschen Fließbedingung darf die Misessche verwendet werden; es ist dann jedoch der Bemessungswert der Fließgrenze mit

3 / 2 zu multiplizieren.

Mit Ausnahme der Fälle in denen (einwirkungsbedingte) Deformation verschwächend wirkt, siehe B.7.1, ist der Nachweis mit Theorie 1. Ordnung zu führen. In Fällen in denen die (einwirkungsbedingte) Deformation verschwächend wirkt, sind geometrisch nichtlineare Effekte zu berücksichtigen.

B.8.2.2 Anwendungsregel: Untere Schranke der Grenztragfähigkeit

Sofern nachgewiesen werden kann, dass irgendeine untere Schranke der Tragfähigkeit des in der Verbindlichen Regel festgelegten Berechnungsmodells, für eine Einwirkung oder eine Kombination von Einwirkungen, ohne Verletzung der in der Verbindlichen Regel festgelegten Dehnungsbegrenzung erreicht wird, darf folgende Anwendungsregel verwendet werden:

542

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 7 (2003-07)

Der Bemessungswert einer Einwirkung oder die Kombination der Bemessungswerte von Einwirkungen ist nicht größer als die entsprechende untere Schranke der Tragfähigkeit des in der Verbindlichen Regel festgelegten Berechnungsmodells. B.8.2.3 Nachweis für Normalbetriebslastfälle a) Die Teilsicherheitsbeiwerte sind nach Tabelle B.8-1 festzulegen. Tabelle B.8-1 — Teilsicherheitsbeiwerte der Einwirkungen des TN für Normalbetriebslastfälle Einwirkung Ständig

Bedingung Bei ungünstigen Einwirkungen

Teilsicherheitsbeiwert γ G = 1,2

Ständig

Bei günstigen Einwirkungen

γ G = 0,8

Veränderlich

Bei nicht begrenzten veränderlichen Einwirkungen

γ Q = 15 ,

Veränderlich

Bei begrenzten veränderlichen Einwirkungen und bei Extremwerten Bei Einwirkungen ohne einen auf einem Naturgesetz beruhenden Grenzwert Bei Einwirkungen mit einem auf einem Naturgesetz beruhenden Grenzwert, z.B. bei Vakuum

γ Q = 10 ,

Druck Druck

, γ P = 12

γ P = 10 ,

Für Wind, Schnee und Erdbeben sind die in einschlägigen regionalen Regelwerken festgelegten (landesspezifischen) Werte zu verwenden, sofern sie größer als die angegebenen sind. Die Übereinstimmung mit den entsprechenden charakteristischen Werten ist zu überprüfen – die im regionalen Regelwerk angestrebte (Gesamt-) Sicherheit muss gegeben sein. Entspricht nur ein Anteil des Drucks einem auf einem Naturgesetz beruhenden Grenzwert, z.B. die Druckkomponente aufgrund des hydrostatischen Drucks, so kann diese mit γ P = 1,0 multipliziert werden, und nur der Rest mit γ P = 1,2 . b) Kombinationsregeln Alle ständigen Einwirkungen sind in jeden Lastfall aufzunehmen. Jede Druckeinwirkung ist mit der jeweils ungünstigsten veränderlichen Einwirkung zu kombinieren. Jede Druckeinwirkung ist mit der entsprechenden Summe der veränderlichen Einwirkungen zu kombinieren; die Bemessungswerte stochastischer Einwirkungen (siehe B.6-1 und Tabelle B.6-1) dürfen mit dem Kombinationsfaktor Ψ = 0,9 multipliziert werden, sofern die stochastischen Einwirkungen mit dem Druck und/oder mit zumindest einer anderen stochastischen Einwirkung kombiniert wird. ANMERKUNG Da es äußerst unwahrscheinlich ist, dass alle veränderlichen stochastischen Einwirkungen gleichzeitig ihr Maximum annehmen, darf jede einzeln mit Ψ = 0,9 multipliziert werden, wenn sie mit der Druckeinwirkung oder einer anderen stochastischen Einwirkung kombiniert wird.

Veränderliche Einwirkungen mit günstigem Effekt dürfen nicht berücksichtigt werden. c) Werkstofffestigkeitskennwerte RM und Teilsicherheitsbeiwerte γ R sind nach Tabelle B.8-2 festzulegen.

543

EN 13445-3:2002 Ausgabe 3 (2002-09) Tabelle B.8-2 — RM und γ R im TN für Normalbetriebslastfälle

Werkstoff 1

Ferritischer Stahl

γR

RM

1,25 für

R eH oder R p0,2/t

R p0,2/t

æ R p0,2/t 1,5625 çç è R m/20 Austenitischer Stahl (30%≤ A5 0,5

R m/t R p0.2/t R m/20

≤ 0,5

≤ 19 / 24

sonst

Andere Stähle als Austenitischer nach 6.3 und 6.4

Als Bezugstemperatur der temperaturabhängigen Festigkeitskennwerte ist eine Temperatur zu wählen, die nicht geringer ist als die maximale Berechnungstemperatur ANMERKUNG Die Deformation kann bei austenitischen Stählen und diesen Werkstoffkennwerten groß sein. Es ist daher ratsam, den Nachweis gegen Leckagen an Schraubenverbindungen, geschraubten Deckeln, etc. zu führen.

B.8.2.4 Nachweis für Prüflastfälle

a) Die Teilsicherheitsbeiwerte sind nach Tabelle B.8-3 festzulegen.

Tabelle B.8-3 — Teilsicherheitsbeiwerte der Einwirkungen des TN für Prüflastfälle Einwirkung Ständig

Bedingungen Bei ungünstigen Einwirkungen

Teilsicherheitsbeiwert γ G = 1,2

Ständig

Bei günstigen Einwirkungen

γ G = 0,8

Druck

-

γ P = 10 ,

Die Berücksichtigung veränderlicher Einwirkungen ist nicht erforderlich.

544

EN 13445-3:2002 Ausgabe 3 (2002-09)

b) Kombinationsregeln Alle ständigen Einwirkungen sind in jeden Lastfall aufzunehmen. Sofern mehr als eine Druckprüfung durchzuführen ist, z. B. bei Mehrkammerbehältern, ist jeder einzelne Druckprüflastfall zu berücksichtigen. c) RM und γ R sind nach Tabelle B.8-4 festzulegen. Tabelle B.8-4 — RM und γ R des TN für Prüflastfälle

Ferritischer Stahl

R eH or Rp0,2

γR 1,05

Austenitischer Stahl (30%≤ A5 FG? + FR0 aufgebracht und in den Folgezuständen tritt unter Umständen eine gewisse plastische Verformung auf. Durch die Berechnung von Lastgrenzen in G.7 wird eine globale plastische Verformung vermieden und eine Häufung von plastischer Deformation beim Wiederzusammenbau auf ein akzeptables Maß beschränkt.

610

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002:05)

G.7 Lastgrenzen G.7.1 Allgemeines Die Auslastung des Systems muss sicher begrenzt sein. Die Grenzwerte werden durch errechnete Auslastungsgrade ermittelt. Jeder Auslastungsgrad sollte kleiner oder gleich dem der Gesamtheit aller Lasten sein:

Φ I ≤ 10 , ;

( I = 0, 1, 2...)

(G.7-1)

Der Index I für den Lastzustand wird im folgenden zur Verkürzung weggelassen. ANMERKUNG G.6.5.2b)).

Für den Einbauzustand (I = 0) sind die zu betrachtenden Kräfte die größtmöglichen Kräfte (siehe

Für Einbauzustand und Prüfzustand gelten die gleichen Werte der Berechnungsnennspannungen. Bei Festflanschen mit χ = d4/d0 > 2,0 und Losflanschen mit χ = d4/d6 > 2,0 anstelle von Ф < 1,0 ist der Auslastungsgrad auf folgenden Wert zu begrenzen:

ì 1 ï Φ ≤ Φ ma x = miní10 , ; 0,6 + ïî 5,25 + ( χ − 1) 2

ü ï ý ïþ

(G.7-2)

G.7.2 Schrauben Die Berechnungsnennspannungen von Schrauben werden nach denselben Regeln ermittelt wie bei Flanschen und Schalen. Der Auslastungsgrad der Schrauben ist wie folgt zu begrenzen:

ΦB =

FB ⋅ 1 + (C ⋅ 3,2 ⋅ µ )2 AB ⋅ fB

≤ 1,0

(G.7-3)

Der Term berücksichtigt den Drehmoment beim Verschrauben. Der Wert C ist wie folgt festgelegt: Für Einbauzustand nach Verschrauben mit Drehmomentschlüssel an den Schrauben: Wenn kleine plastische Deformationen an den Schrauben akzeptiert werden, was im allgemeinen für ausreichend verformbare Schrauben empfohlen wird (minimale Bruchdehnung A ≥ 10%): C = 1 = 1,000

(G.7-3a)

Wenn eine Elastizität der Schrauben unbedingt notwendig ist, was bei nicht ausreichend verformbaren Schrauben (minimale Bruchdehnung A < 10%) und/oder für sehr häufige De-/Remontage empfohlen wird: C = 4 / 3 = 1,333

(G.7-3b)

Für Einbauzustand nach Verschrauben mit Drehmomentschlüssel an den Schrauben, z.B. mit hydraulischer Spannvorrichtung und für alle Folgezustände: C = 0 = 0,000

(G.7-3c)

Indikative Werte für den Reibungskoeffizienten µ sind in G.8.4 angegeben. 611

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05) ANMERKUNG Es ist empfehlenswert, im Einbauzustand einen Mindestauslastungsgrad von ΦB,min = 0,3 einzuhalten. Ein kleinerer Auslastungsgrad ist nicht üblich, da dann die Schrauben zu dick werden.

G.7.3 Dichtung Der Auslastungsgrad der Dichtung ist wie folgt zu begrenzen:

ΦG =

FG AGt ⋅ c G ⋅ Qmax

cG = 1 +

≤

10 ,

(G.7-4)

bGt 20 ⋅ e G

ANMERKUNG

(G.7-5)

Die Dichtungseigenschaften sind G.5.3 und G.9 zu entnehmen.

G.7.4 Festflansch, Bund oder Bördel Für den Auslastungsgrad von Flansch, Bund oder Bördel (für Bund oder Bördel Φ max = 10 , ) gilt:

ΦF = WF =

FG ⋅ h G + FQ ⋅ (hH − hP ) + FR ⋅ hH WF

{

≤

Φ max

(G.7-6)

}

π ⋅ f ⋅ 2 ⋅ bF ⋅ eF2 ⋅ (1 + 2 ⋅ Ψopt ⋅ ΨZ − ΨZ2 ) + fE ⋅ dE ⋅ eD2 ⋅ cM ⋅ jM ⋅ kM 4 F

ì ï eD = e1 ⋅ í1 + ïî

( β − 1) ⋅ lH 4 (β

/ 3)4 ⋅ (d1 ⋅ e1)2 + lH4

ü ï ý ïþ

(G.7-7)

(G.7-8)

fE = min(fF; fS )

(G.7-9)

δQ =

P ⋅ dE fE ⋅ 2 ⋅ eD ⋅ cos ϕ S

(G.7-10)

δR =

FR fE ⋅ π ⋅ d E ⋅ e D ⋅ cos ϕ S

(G.7-11)

Für Kegel- und Zylinderschalen gilt:

, ⋅ [1 − 0,75 ⋅ (0,5 ⋅ δ {1333

cM = cS =

612

π 4

Q

][

]}

+ δR ) 2 ⋅ 1 − (0,75 ⋅ δQ 2 + 1 ⋅ δR 2 )

é ù ⋅ ê 1 − 0,75 ⋅ (0,5 ⋅ δQ + δR ) 2 + j S ⋅ (0,5 ⋅ δR − 0,75 ⋅ δQ )ú ë û

(G.7-12)

(G.7-13)

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002:05)

Für Kugelschalen gilt: , ⋅ [1 − 0,75 ⋅ (0,5 ⋅ δ {1333

cM = cS =

π 4

Q

][

+ δR ) 2 ⋅ 1 − (0,25 ⋅ δQ 2 + 3 ⋅ δR 2 )

]}

(G.7-14)

é ù ⋅ ê 1 − 0,75 ⋅ (0,5 ⋅ δQ + δR ) 2 + j S ⋅ (15 , ⋅ δR − 0,25 ⋅ δ Q )ú ë û

(G.7-15)

Für alle Fälle gilt:

{

}

j M = sign FG ⋅ h G + FQ ⋅ (hH − hP ) + FR ⋅ h H = ±1

(G.7-16)

j S = ±1

(G.7-17)

−10 , ≤ kM ≤ +10 ,

(G.7-18)

0,0 ≤ k S ≤ 10 ,

(G.7-19)

ANMERKUNG 1Die Werte für j S , k M , k S sind in dem nach der Tabelle G.7-1 angegebenen Berechnungsverfahren definiert.

Ψ( j

S , kM , k S )

=

fE ⋅ dE ⋅ eD ⋅ cos ϕ S ⋅ fF ⋅ 2 ⋅ bF ⋅ eF ìï δ ⋅ 2 ⋅ eP e ⋅ c ⋅ c ⋅ (1 + j ⋅ k ) üï ⋅ í(0.5 ⋅ δ Q + δR ) ⋅ tan ϕ S − Q + j S ⋅ kS ⋅ D M S 3 S M ý dE dE ⋅ cos ϕ S îï þï

Ψ opt = jM ⋅ ( 2 ⋅ eP / e F − 1);

( −10 , ≤ Ψ opt ≤ +10 , )

(G.7-20)

(G.7-21)

Ψ max = Ψ ( +1, +1, +1)

(G.7-22)

Ψ 0 = Ψ ( 0, 0, 0 )

(G.7-23)

Ψ min = Ψ ( −1, −1, +1)

(G.7-24)

Der Wert Ψ Z in Gleichung (G.7-7) hängt ab von j M und Ψ opt aus Tabelle G.7-1. Tabelle G.7-1 — Ermittlung von Ψ Z

jM j M = +1

Bereich von Ψ opt

kM

ΨZ

Ψmax ≤ Ψopt

( kM = +1)

Ψ Z = Ψmax

Ψ 0 ≤ Ψ opt < Ψmax

( kM = +1)

Ψ Z = Ψ opt

Ψ opt < Ψ 0 j M = −1

k M < +1

Ψ Z = Ψ ( −1, kM , +1)

Ψ opt ≤ Ψ min

( kM = −1)

Ψ Z = Ψ min

Ψ min < Ψ opt ≤ Ψ 0

( kM = −1)

Ψ Z = Ψ opt

Ψ 0 < Ψ opt

k M > −1

Ψ Z = Ψ ( +1, kM , +1)

613

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 7 (2003-07) Das Berechnungsverfahren ist wie folgt: a) Zunächst aus Gleichung (G.5-16) ß berechnen, dann eD aus Gleichung (G.7-8) berechnen. b) Die Werte von fE, δQ, δR und cM aus den Gleichungen (G.7-9) bis (G.7-12) bzw. (G.7-14) berechnen. Ist der Wert unter der Wurzel von cM negativ, ist der Ansatz überlastet und muss neu entworfen werden. c) Die Werte von c S ( jS = +1) ; c S( jS = −1) ; ;Ψopt, Ψ0, Ψmax, Ψmin und ψmin aus den Gleichungen (G.7-13) oder (G.7-15), (G.7-16) und (G.7-21) bis (G.7-24) berechnen. Ist Ψmax < -1,0 oder Ψmin > +1,0, ist das Flanschblatt überlastet und muss neu entworfen werden. d) Die Werte von kM und ψZ nach Tabelle G.7-1 ermitteln. Ist nach der Tabelle kM < +1 oder kM > -1, einen Wert für kM bestimmen, bei dem WF aus Gleichung (G.7-7) seinen Höchstwert hat (siehe nachstehenden Schritt e). Der zu kM gehörende Wert ψZ ist durch Gleichung (G.7-20) gegeben. e) Die Werte von W F und ΦF aus den Gleichungen (G.7-7) bzw. (G.7-6) berechnen. ANMERKUNG 2: Für den typischen Fall eines Flansches an einer Zylinderschale (ϕS = 0), der mit Innendruck (P > 0) und einer Zugkraft (FR ≥ 0) beaufschlagt ist, gilt: jM = +1 und ψ0 < 0 < min (ψopt; ψmax). In diesem Fall gilt für ψZ die Vereinfachung ψZ = min (ψopt; ψmax). ANMERKUNG 3: Im Fall eines Flansches mit ungewöhnlich geringen Wanddicken eX < e2 wird die zusätzliche Prüfung mit Gleichung (G.7-27) für Festflansche empfohlen.

G.7.5 Blindflansch Der Auslastungsgrad für Blindflansche wird wie folgt ermittelt:

 FB ⋅ hG + FQ ⋅ (1 − ρ 3 ) ⋅ d Ge / 6 + FR ⋅ (1 − ρ ) ⋅ d Ge / 2 ; 1   Φ F = max  ≤1,0 ⋅ 3  FB ⋅ hG + FQ ⋅ (1 − ρ ) ⋅ d Ge / 6 ; FR ⋅ (1 − ρ ) ⋅ d Ge / 2  WF WF =

{

π ⋅ fF ⋅ 2 ⋅ bF ⋅ eF2 + d0 ⋅ (1 − ρ ) ⋅ e0 2 4

}

(G.7-25)

(G.7-26)

Ist ein möglicherweise kritischer Querschnitt mit eX < eF (Bild G.3-9) vorhanden, muss zusätzlich der Auslastungsgrad wie folgt berechnet werden:

ΦX =

FB ⋅ (d 3 − d X ) 2 ⋅WX

WX =

π ⋅ fF ⋅ (d4 − 2 ⋅ d5 e − d X ) ⋅ eF2 + d X ⋅ e X2 4

≤

, 10

{

G.7.6 Losflansch mit Bund oder Bördel Der Auslastungsgrad für Losflansche ist:

614

(G.7-27)

}

(G.7-28)

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 7 (2003-07)

ΦL =

FB ⋅ hL WL

WL =

π ⋅ fL ⋅ bL ⋅ eL2 2

≤

Φ max

(G.7-29)

(G.7-30)

Der Auslastungsgrad für Bund oder Bördel kann beliebig nach G.7.4 (stets mit Φmax = 1,0) oder aus Gleichung (G.7-31) ermittelt werden. Das günstigere Ergebnis (d. h. der kleinere der ΦF-Werte) ist der zu verwendende Wert. Gleichung (G.7-31) gilt nur für Flachdichtungen mit (dG2 - d7) > 0.

ΦF =

FQ + FR ⋅ hH

{

π  ⋅ d ⋅ f ⋅ min eE2 ; eF 2 + min fF ⋅ eF 2 ; Qma x ⋅ dG2 − d7 4 E  E

{

}

(

)

2

}

 /4  

≤

, 10

(G.7-31)

Die Hebelarme hG, hH und hL können durch Veränderung des Durchmessers d7 so festgelegt werden, dass sich aus den Gleichungen (G.7-29) bis (G.7-31) und (G.7-6) bis (G.7-24) der günstigste Ergebniswert, d. h. ein Minimum von max.(ΦL; ΦF), ergibt. Im Fall von FQ + FR > 0 wird das günstigste Ergebnis im allgemeinen nahe bei d7min nach Gleichung (G.5-28) erzielt. Im Einbauzustand dagegen (mit FQ = 0 und FR = 0) liegt das Optimum nahe bei d7max nach Gleichung (G.5-29). ANMERKUNG Der Durchmesser d7 kann in den einzelnen Lastzuständen unterschiedliche Werte annehmen. Im Einbauzustand (I = 0) können die Lastgrenzen mit d7 ≠ d70 berechnet werden (Gleichung (G.5-63)).

G.8 Ergänzende Erläuterungen G.8.1 Begrenzung der Ungleichförmigkeit der Dichtungsspannung Um die Ungleichförmigkeit der Dichtungsspannung bei weit auseinander liegenden Schrauben zu begrenzen, muss nachstehende Gleichung erfüllt sein.

EGm ⋅ bGe ⋅ pB 1 − (Φ G0 ) ⋅ E F ⋅ eG ⋅ bF 10

2

eF ≥

3

(G.8-1)

Dabei ist E Gm aus Tabelle G.5-1 zu entnehmen, Φ G 0 ist durch Gleichung (G.7-4) für I = 0 gegeben mit

FG0 = FB 0,nom ⋅ (1 − ε − ) − FR0

(G.8-2)

Für Losflansche werden eL, bL und EL anstelle von eF, bF und EF verwendet.

615

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

G.8.2 Abmessungen genormter metrischer Schrauben Tabelle G.8-1 — Durchmesser metrischer Schrauben (Maße in mm)

d B0

Schraubengröße Siehe ANMERKUNG 1 M 6 M 8 M 10 M 12 M 14 M 16 M 18 M 20 M 22 M 24 M 27 M 30 M 33 M 36 M 39 M 42 M 45 M 48 M 52 M 56 M 64 M 72*6 M 80*6 M 90*6 M 100*6 ANMERKUNG 1 ANMERKUNG 2 ANMERKUNG 3 ANMERKUNG 4

616

6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 27 30 33 36 39 42 45 48 52 56 64 72 80 90 100

d Be

Siehe ANMERKUNG 2 5,06 6,83 8,59 10,36 12,12 14,12 15,65 17,65 19,65 21,19 24,19 26,72 29,72 32,25 35,25 37,78 40,78 43,31 47,31 50,84 58,37 66,37 74,37 84,37 94,37

d Bs

Siehe ANMERKUNG 3 8,5 10,0 12,0 13,0 15,0 17,0 18,0 20,5 23,0 25,5 27,5 30,5 32,5 35,5 37,5 41,0 44,0 51,0 58,5 66,0 75,0 84,0

Siehe ANMERKUNG 4 5,3 7,1 9,0 10,8 14,6 18,3 22,0 27,7 33,3 39,0 44,7 52,4 60,0 68,0 76,0 86,0 96,0

Für Schrauben M6...M64 entspricht die Steigung der in den Normalreihen gemäß ISO 261:1998. Die Werte für dBe sind wie folgt definiert: dBe = (dB2 + dB3)/2 (siehe Bild G.3-2); dBe = dB0 - 0,9382 pt Schaftdurchmesser bei Dehnschrauben. Schaftdurchmesser bei gewalztem Gewinde.

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002:05)

G.8.3 Streuung bei den verschiedenen Einbauverfahren G.8.3.1 Streuungswerte Tabelle G.8-2 — Anzusetzende Werte für ε1+ und ε1-für Gleichung (G.6-14)

Anzugwerkzeug Messverfahren

Einflussfaktoren

Schraubenschlüssel, nach Gefühl, ohne Kontrolle Schlagschrauber Drehmomentschlüssel = Schraubenschlüssel mit (ausschließlicher) Messung des Anzugmoments Hydraulische Spannvorrichtung, Messung des Hydraulikdrucks Schraubenschlüssel oder hydraulische Spannvorrichtung, Messung der Schraubenlängung Schraubenschlüssel, Messung der Drehung der Mutter (fast bis zur Streckgrenze der Schraube) Schraubenschlüssel Messung von Drehmoment und Drehung der Mutter (fast bis zur Streckgrenze der Schraube)

Streuung ε−

Streuung ε+

Reibung, Steifigkeit, Qualifikation des Personals Reibung, Steifigkeit, Kalibrierung Reibung, Kalibrierung, Schmierung

0,3 + 0,5 µ

0,3 + 0,5 µ

0,2 + 0,5 µ

0,2 + 0,5 µ

0,1 + 0,5 µ

0,1 + 0,5 µ

Steifigkeit, Schraubenlänge, Kalibrierung Steifigkeit, Schraubenlänge, Kalibrierung

0,20

0,40

0,15

0,15

Steifigkeit, Reibung, Kalibrierung

0,10

0,10

Kalibrierung

0,07

0,07

ANMERKUNG 1 Erfahrenes Personal kann eine geringere als die angegebene Streuung erreichen (z. B. ε1+ = 0,15 statt ε1+ = 0,20 mit einem Drehmomentschlüssel bei µ = 0,20); bei unerfahrenem Personal kann die Streuung größer sein. ANMERKUNG 2 Die angegebenen Werte gelten für eine einzelne Schraube; aus statistischen Gründen ist die Streuung der Schraubenkraft insgesamt geringer. ANMERKUNG 3 Beim Anziehen mit einer hydraulischen Spannvorrichtung sind die Werte für ε1+ und ε1- nicht gleich, weil vor der Kraftübertragung auf die Mutter bereits beim Aufschrauben der Mutter bis zum Anliegen eine zusätzliche Kraft auf die Schraube aufgebracht wird. ANMERKUNG 4 µ ist der Reibungskoeffizient zwischen Schraube und Mutter, siehe G.8.4.

G.8.3.2 Anziehen der Schrauben mit Handwerkzeug

Die geschätzte mittlere Anfangsschraubenkraft beim Anziehen mit Standardringschlüsseln (ohne zusätzliche Hebelkraft und ohne Hammerschläge) beträgt: Mittlere Schraubenkraft: FB0,av = AB ⋅

1000 dB0

(G.8-3)

617

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

ANMERKUNG 1

Die Einheiten in Gleichung (G.3-3) sind: AB in [mm²], dB0 in [mm] und FB0,av in [N].

ANMERKUNG 2

Es ist nicht empfehlenswert, Schrauben auf diese unkontrollierte Art anzuziehen.

G.8.4 Anziehen der Schrauben mit Drehmomentschlüssel Das Nenndrehmoment zum Anziehen einer Schraube ist aus folgender Gleichung zu berechnen: M t, nom = kB ⋅ FB0, nom / n B

(G.8-4)

kB ≈ 1,2 ⋅ µ ⋅ d B0

(G.8-5)

Der Reibungsbeiwert µ ist hier ein Mittelwert, mit dem die Reibung am Gewinde und unter der Mutter oder dem Schraubenkopf berücksichtigt wird. (Im folgenden ist er gegenüber den tatsächlichen Werten etwas höher angesetzt und schließt daher einige Folgen der Gewindesteigung ein.) Die nachstehenden Werte für µ sind Richtwerte, von denen der höchste für austenitische Stähle gilt. Bei glatten, geschmierten Oberflächen:

µ ≈ 0,10...0,15

G.8-6)

Unter mittleren, "normalen" Bedingungen:

µ ≈ 0,15...0,25

(G.8-7)

Bei rauhen, trockenen Oberflächen:

µ ≈ 0,20...0,35

(G.8-8)

ANMERKUNG 1 Mit einem Drehmomentschlüssel ohne Drehmomentverstärker wird ein Höchstwert Mt,nom ≈ 1 000 Nm erreicht. ANMERKUNG 2 Erläuterung zu Gleichung (G.8-5):

Die allgemeine Gleichung für kB lautet: kB = p t / (2 ⋅ π ) + µt ⋅ d t / (2 ⋅ cos α ) + µn ⋅ dn / 2

Dabei ist: dn

der mittlere Kontaktflächendurchmesser unter Mutter oder Schraubenkopf

dt

der mittlere Kontaktflächendurchmesser am Gewinde

µn

der Reibungsbeiwert unter Mutter oder Schraubenkopf

µt

der Reibungsbeiwert am Gewinde

pt

die Gewindesteigung

α

der halbe Flankenwinkel

618

(G.8-9)

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002:05)

In Gleichung (G.8-6) ergibt sich der erste Term aus der Gewindesteigung, der zweite aus der Reibung am Gewinde und der dritte aus der Reibung unter Mutter oder Schraubenkopf. Für ISO-Regelgewinde berechnet sich kB nach folgender Gleichung: kB = 0,159 ⋅ p t + 0,577 ⋅ µt ⋅ dB2 + 0,500 ⋅ µn ⋅ dn

(G.8-10)

Dabei ist dB2 der mittlere Gewindedurchmesser (siehe Bild G.3-2). Eine näherungsweise Berechnung kann durchgeführt werden mit:

µt ≈ pt ≈ dB2 ≈ dn ≈

µn ≈ µ 0,1⋅dB0 0,9⋅dB0 1,3⋅dB0

(Annahme) (gemittelte Beziehung) (gemittelte Beziehung) (gemittelte Beziehung)

Dabei ist d B0 der Nenndurchmesser (siehe Bild G.3-2). Hieraus ergibt sich folgende vereinfachte Gleichung, die kB gut darstellt und alternativ zu Gleichung (G.8-5) verwendet werden kann: kB ≈ 0,16 ⋅ pt + 1,17 ⋅ µ ⋅ dB0

(G.8-811)

Eine gröbere Näherung dieser Gleichung führt zu Gleichung (G.8-5) kB ≈ 12 , ⋅ µ ⋅ d B0 ANMERKUNG 3

Erläuterung zum Drehmoment in einer im Schraubenschaft, wie in Gleichung (G.7-3):

M tB,nom = {pt (2 ⋅ π ) + µ t ⋅ d t (2 ⋅ cos α )}⋅ FB0,nom nB

(G.8-12)

Mit denselben Annäherungen, wie in Gleichung (G.8-5) ergibt sich: M tB,nom = {0,16 ⋅ pt + 0,52 ⋅ µ ⋅ dB0 }⋅ FB0,nom nB

(G.8-13)

oder vereinfacht M tB,nom = {0,55 ⋅ µn ⋅ d B0 }⋅ FB0,nom nB

(G.8-14)

Aus dieser Gleichung (G.8-14), die in die Gleichung prEN 1591-1 (71) aufgenommen wurde, ergibt sich die folgende primäre Form der schließlich vereinfachten (und durch C modifizierten) Gleichung (G.7-3): æ 3 ⋅ 0,55 ⋅ dB0 FB ΦB = ⋅ 1+ 3 ⋅ ç µ ⋅ ç AB ⋅ fB è min dBe; d Bs

(

)

ö ÷ ÷ ø

2

(G.8-15)

619

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

G.8.5 Flanschneigung G.8.5.1 Allgemeines ANMERKUNG Das in der Praxis zu erwartende Ausmaß der Flanschneigung hängt von der Schraubenkraft beim Einbau ab, die selbst wiederum Schwankungen unterliegt. Das Verfahren erlaubt eine gewisse (geringfügige) plastische Verformung sowohl beim Einbau als auch in den Folgezuständen. Daher −

werden nur untere und obere Grenzwerte für die Neigung bewertet, wobei für die Anfangsschraubenkraft mögliche Mindest- und Höchstwerte angenommen werden;

−

werden nur die elastischen Anteile der Neigung berechnet.

G.8.5.2 Nutzung der Flanschneigung

Der berechnete Höchstwert für die Flanschneigung muss unter dem für die Dichtung festgelegten zulässigen Höchstwert liegen, soweit dieser bekannt ist. ~

~

ANMERKUNG Anhand der gemessenen Werte für ΘF + ΘF bzw. ΘL + ΘL lässt sich die Schraubenkraft beim Einbau kontrollieren.

G.8.5.3 Berechnung der Flanschneigung

Die elastische Neigung von Flanschen, Bunden oder Bördeln lässt sich aus Gleichung (G.8-12), von Losflanschen aus Gleichung (G.8-13) berechnen. ΘF = (ZF / EF ) ⋅ {FG ⋅ hG + FQ ⋅ (hH − hP + hQ ) + FR ⋅ (hH + hR )}

(

)

ΘL = Z L / EL ⋅ FB ⋅ hL

(G.8-16) (G.8-17)

Diese Gleichungen gelten für alle Lastzustände (I = 0, 1, 2...), sofern geeignete Werte für EF, EL und FB, FG, FQ, FR für jeden Lastzustand eingesetzt werden. FQI, FRI

sind Werte nach den Gleichungen (G.6-1) und (G.6-2).

FBI, FGI

sind mögliche Mindestwerte (zur Berechnung der minimalen Neigung) bzw. mögliche Höchstwerte (zur Berechnung der maximalen Neigung).

Die Werte sind durch die folgenden Gleichungen festgelegt: −

Einbauzustand (I = 0): FB0, min = FB0, nom ⋅ (1 − ε − )

(G.8-18)

FB0, max = FB0, nom ⋅ (1 + ε + )

(G.8-19)

FG0, min = FB0, min − FR0

(G.8-20)

FG0, max = FB0, max − FR0

(G.8-21)

620

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002:05)

Folgezustände (I = 1, 2): ANMERKUNG Die Mindest- und Höchstwerte ergeben sich aus den Gleichungen (G.6-26) und (G.6-27), indem FG0,d durch FG0,min bzw. FG0,max ersetzt wird. Die Gleichungen lauten entsprechend:

{

[

FGI, min = FG0, min ⋅ YG0 − FQI ⋅ YQI + ( FRI ⋅ YQI − FR0 ⋅ YR0 ) + ∆U I

{

[

]} / YGI

FGI, max = FG0, max ⋅ YG0 − FQI ⋅ YQI + ( FRI ⋅ YQI − FR0 ⋅ YR0 ) + ∆U I

]} / YGI

(G.8-22) (G.8-23)

FBI, min = FGI, min + ( FQI + FRI )

(G.8-24)

FBI, max = FGI, max + ( FQI + FRI )

(G.8-25)

G.9 Dichtungseigenschaften G.9.1 Allgemeines Dieser Abschnitt enthält die Dichtungskennwerte, die in diesem Verfahren verwendet werden. ANMERKUNG Die nachstehenden Werte beruhen auf Messungen bzw. Erfahrungen oder Schätzungen. Sie gelten zwar als die besten verfügbaren Informationen zu diesen Werkstoffen, sind aber dennoch nur als allgemeine Richtwerte anzusehen. Die Einhaltung der Werte ist nicht vorgeschrieben. Liegen validierte Daten vor, ist diesen der Vorzug zu geben.

G.9.2 Zusätzliche Symbole und Abkürzungen ANMERKUNG 1

Die folgende Aufzählung enthält zur Vereinfachung teilweise Wiederholungen aus G.3.3.

EG

Kompressionsmodul bei entlasteter Dichtung bei Druckspannung Q > 0 [MPa]

E0

Durch Extrapolation gemessener Werte erhaltener Wert für EG bei Druckspannung Q = 0 [MPa], siehe Tabelle G.9-1...G.9-5

K1

Beiwert zur Berücksichtigung der Änderung von EG mit der Druckspannung [-], siehe Tabelle G.9-1 bis G.9-5.

ANMERKUNG 2 Es wird davon ausgegangen, dass sich der Kompressionsmodul EG linear mit der maximalen Druckspannung Q(max) ändert, der die Dichtung vorher ausgesetzt war.

EG = E0 + K1 ⋅ Q(max)

(G.9-1)

Hinweis: Der Parameter Q(max) ist in diesem Zusammenhang nicht der Grenzwert Qmax, sondern der tatsächliche Höchstwert von Q. Als konservative Vereinfachung wird empfohlen, EG mit Q(max) = Q(I = 0) für alle I zu berechnen. ANMERKUNG 3 Die Messung von EG erfolgt entlang einer Sehne von Q = Q(max) nach Q = (0,2...0,3) Q(max) in einem Spannungs-Dehnungs-Diagramm der Dichtung bei Entlastung.

gC

Kriechfaktor der Dichtung [-], siehe Tabelle G.9-1...G.9-5.

621

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05) ANMERKUNG 4 Der Kriechfaktor gC ist ein empirischer Beiwert zum Kompressionsmodul EG, mit dem näherungsweise eine mögliche zusätzliche Druckverlagerung UG durch Kriechen der Dichtung berücksichtigt wird. Er ist definiert als:

g G = U G(t = 0 ) / U G(t Þ∞ )

(G.9-2)

und wird wie folgt verwendet: EG( mit Kriechen ) = gC ⋅ EG( ohne Kriechen ) ANMERKUNG 5

I

(G.9-3)

Es ist zulässig, bei Messungen von UG(tÞ∞) die Zeit auf z. B. t = 1 000 h zu begrenzen.

Kennwert für den Lastzustand der Dichtung: I = 0 ist der Einbauzustand; I = 1, 2, 3.. sind Folgezustände, die die Druckprüfung und erheblich abweichende Betriebszustände umfassen.

mI

Dichtungsbeiwert [-], siehe Tabelle G.9-1 bis G.9-5. Mit diesem Wert kann durch eine Gleichung der Näherungswert von QI,min bestimmt werden, soweit keine genaueren Daten vorliegen.

ANMERKUNG 6 Dieser Beiwert hat eine ähnliche Funktion wie der Beiwert 'm' in ASME-Normen und ähnlichen Normen (einschließlich BS 5500 und CODAP), kann aber aufgrund der unterschiedlichen Berechnung der effektiven Dichtungsbreite nicht mit dem Beiwert 'm' in ASME gleichgesetzt werden.

QI,min

Mindestdruckspannung [Mpa] für einen Ladungszustand I = 1, 2, 3, … Sie ist im allgemeinen je größer desto höher die Dichtheitskriterien (desto geringer die mögliche Leckrate [mg/(m⋅s)]) und desto größer der Fluiddruck P [Mpa] für diesen Ladungszustand I. Sie hängt außerdem von der Temperatur und der Art der Flüssigkeit ab. Die ursprüngliche Höchstdruckspannung Q(max) hat ebenfalls einen wesentlichen Einfluss; dabei handelt es sich in der Regel um die Druckspannung im Einbauzustand Q0: Je größer Q(max) desto kleiner QΙ,min . Diese Einflüsse werden wurden an einigen Beispielfällen untersucht, zur Zeit gibt es jedoch keine ausreichenden allgemeingültigen Daten. Deshalb sollte zunächst die folgende klassische Methode angewandt werden: Realisierung einer Mindestdruckspannung für Einbauzustand Q0,min (um eine ausreichende anfängliche Dichtungsvorverformung zu erreichen) und dann für QΙ,min folgendes anzunehmen: QΙ ,min = mΙ ⋅ PΙ (G.9-4) Qmin Mindestdruckspannung der Dichtung im Einbauzustand [MPa] unter der Bedingung I = 0; sie ist nicht notwendig, wenn alle QI,min auf Dichtheitskriterien basieren.

Qmax Höchstzulässige Druckspannung der Dichtung [MPa] unter jeder Bedingung ANMERKUNG 7 Die Parameter Qmin und Qmax legen den Bereich der Dichtungsspannung fest, in dem die Dichtung zuverlässig ein gleichmäßiges Verhalten aufweist. Unterhalb des Grenzwertes Qmin kann die Leckrate untypisch hoch sein oder schwanken, oberhalb von Qmax können untypische Werkstoffeigenschaften der Dichtung auftreten und Dichtungen dauerhafte Schäden davontragen. Wenn empirische Gleichungen an gemessene Dichtungseigenschaften (z. B. Last-Druck-Kurven oder Spannungs-Dichtheits-Diagramme) angepasst werden, legt dieser Bereich die Gültigkeitsgrenzen der Gleichungen fest. ANMERKUNG 8 In dem hier beschriebenen Verfahren wird mit Qmin der absolute Mindestwert der Dichtungskraft beim Einbau wie folgt festgelegt: FG0,min = Age · Qmin) (siehe Gleichung (G.6-8)) Hierbei handelt es sich effektiv um eine Definition von Qmin.

622

(G.9-5)

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002:05) ANMERKUNG 9 Der Parameter Qmin hat teilweise die gleiche Funktion wie der Parameter 'y' in ASME-Normen und ähnlichen Normen (einschließlich BS 5500 und CODAP), unterscheidet sich aber wie folgt: a) Aufgrund von Unterschieden in der Berechnung der effektiven Dichtungsbreite zwischen ASME-Norm und diesem Verfahren ist der Wert von Qmin nicht mit dem von 'y' gleichzusetzen. b) Qmin legt darüber hinaus den unteren Grenzwert für den Gültigkeitsbereich der empirischen Gleichungen zur Berechnung der Dichtungseigenschaften fest. ANMERKUNG 10 Qmax wird in diesem Verfahren wie folgt verwendet. Bei einer gegebenen größtmöglichen Fläche AGt und unter Berücksichtigung der plastischen Nachgiebigkeit auf Grundlage der größtmöglichen Dichtungsbreite bGt und der ursprünglichen Dicke der Dichtung eG0 muss die maximal zulässige Dichtungskraft FG die folgende Bedingung erfüllen:

FG ≤ AGt ⋅ Qmax ⋅ {1 + bGt / ( 20 ⋅ e G0 )}

(siehe Gleichung (G.7-4) und (G.7-5))

(G.9-6)

G.9.3 Tabellen der Dichtungskennwerte

Die in den Tabellen angegebenen Kennwerte dienen lediglich der Information (siehe G.9-1). Die Verwendung anderer validierter Daten ist im allgemeinen mit folgender Einschränkung zulässig: ANMERKUNG 1 Der theoretisch mögliche absolute Mindestwert mI = 0,5 ist in der Praxis nicht anwendbar, da gewisse Sicherheitsmaßnahmen eingehalten werden müssen. ANMERKUNG 2 Die in den Tabellen angegebenen Werte basieren auf einer Leckrate von Stickstoffgas von 1 ml/min (Normzustand) bei einem Druck P = 40 bar, einem Dichtungsaußendurchmesser dGo = 90 mm und einem Dichtung-

sinnendurchmesser dGi = 50 mm. ANMERKUNG 3 Nur wenige Dichtungstypen, für die thermische Expansionskoeffizienten αG gemessen wurden, sind nicht in den Tabellen G9-1 bis G.9-6 aufgeführt. Wenn keine Werte αG angegeben sind, kann die Berechnung mit der Annahme αG ≈ αF oder einer anderen logischen Annahme für αG erfolgen, da die Auswirkungen von αG in der Regel sehr geringfügig sind.

623

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05) Tabelle G.9-1 — Nichtmetallische Weichstoff-Flachdichtungen

Dichtungsart und werkstoff Gummi 1)

PTFE

Poröser PTFE

t °C

Q0,min Mpa

Qmax Mpa

E0 Mpa

K1

mΙ

gC

0...20

0,5

28

200

10

0,9

0,9

100

-

18

200

10

0,9

0.9

150

-

12

200

10

0,9

0.9

10

50

600

20

1,3

0,9

100

-

35

500

20

1,3

0,7

200

-

20

400

20

1,3

0,5

0...20

0…20

12

150

500

40

1,3

1,0

100

-

150

1500

35

1,3

0,9

200

-

150

2500

30

1,3

0,8

Poröser Graphit ohne Metalleinsatz

0...20 100 200 300

10 -

100 100 95 90

1 1 1 1

26 26 26 26

1,3 1,3 1,3 1,3

1,0 1,0 1,0 1,0

Poröser Graphit mit perforiertem Metalleinsatz

0...20 100 200 300

15 -

150 145 140 130

1 1 1 1

31 31 31 31

1,3 1,3 1,3 1,3

1,0 1,0 1,0 1,0

Poröser Graphit mit flachem Metalleinsatz

0...20 100 200 300 0…20

10 15

100 90 80 70 270

1 1 1 1 1

28 28 28 28 33

1,3 1,3 1,3 1,3 1,3

0,9 0,9 0,9 0,9 1,0

100

-

250

1

33

1,3

1,0

200

-

230

1

33

1,3

1,0

300 0...20 100 200

40 -

210 100 90 70

1 500 500 500

33 20 20 20

1,3 1,6 1,6 1,6

1,0 -

0...20 100 200

35 -

80 70 60

500 500 500

20 20 20

1,6 1,6 1,6

-

Poröser Graphit und dünne Lagen laminierte Metallplatten für hohe Beanspruchung Asbestfreie Fasern mit Bindemittel, eG < 1mm Asbestfreie Fasern mit Bindemittel, eG ≥ 1mm

1) Als Dichtungsdicke eG für die Berechnung gilt die Dicke im Ladezustand. ANMERKUNG Für die gestrichenen Felder liegen keine Werte vor.

624

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002:05)

Tabelle G.9-2 — Kammprofildichtungen aus Metall mit beidseitiger Weichstoffauflage

Dichtungsart und

t

Q0,min

Qmax

E0

K1

mΙ

gC

-werkstoff

°C

Mpa

Mpa

Mpa

Weichstahl oder -eisen mit PTFE-Auflage

0...20 100 200 300

10 -

350 330 290 250

16000 16000 16000 16000

-

1,3 1,3 1,3 1,3

0,9 0,8 0,7 0,6

Rostfreier Stahl mit PFTE-Auflage

0...20 100 200 300

10 -

500 480 450 420

16000 16000 16000 16000

-

1,3 1,3 1,3 1,3

0,9 0,8 0,7 0,6

Weichstahl oder -eisen mit Graphitauflage

0...20 100 200 300

15 -

350 330 290 250

16000 16000 16000 16000

-

1,3 1,3 1,3 1,3

1,0 1,0 1,0 1,0

Niedriglegierter hitzebe- 0...20 ständiger Stahl mit Gra100 phitauflage 200 300 400 500

15 -

400 390 360 320 270 220

16000 16000 16000 16000 16000 16000

-

1,3 1,3 1,3 1,3 1,3 1,3

1,0 1,0 1,0 1,0 0,9 0,8

Rostfreier Stahl mit Graphitauflage

0...20 100 200 300 400 500

15 -

500 480 450 420 390 350

16000 16000 16000 16000 16000 16000

-

1,3 1,3 1,3 1,3 1,3 1,3

1,0 1,0 1,0 1,0 0,9 0,8

Hitzebeständiger rostfreier Stahl mit Silberauflage

0...20 100 200 300 400 500 600

125 -

600 570 540 500 460 400 250

20000 20000 20000 20000 20000 20000 20000

-

1,8 1,8 1,8 1,8 1,8 1,8 1,8

1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 0,9 0,8

ANMERKUNG Für die gestrichenen Felder liegen keine Werte vor.

625

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05) Tabelle G.9-3 — Spiraldichtungen mit Weichstoffeinlage

t

Q0,min

Qmax

E0

°C

Mpa

Mpa

Mpa

PTFE-Einlage, Stützring auf einer Seite

0...20 100 200 300

20 -

110 100 90 80

PFTE-Einlage, Stützring auf beiden Seiten

0...20 100 200 300

20 -

Graphiteinlage, Stützring auf einer Seite

0...20 100 200 300 400

Graphiteinlage, Stützring auf beiden Seiten

0...20 100 200 300 400

Ç

K1

mΙ

gC

6000 6000 6000 6000

-

1,6 1,6 1,6 1,6

0,9 0,8 0,7 0,6

180 170 160 150

6000 6000 6000 6000

-

1,6 1,6 1,6 1,6

0,9 0,8 0,7 0,6

20 -

110 110 100 90 80

8000 8000 8000 8000 8000

-

1,6 1,6 1,6 1,6 1,6

1,0 1,0 1,0 1,0 0,9

50 -

300 280 250 220 180

10000 10000 10000 10000 10000

-

1,6 1,6 1,6 1,6 1,6

1,0 1,0 1,0 1,0 0,9

ANMERKUNG 1 Für die gestrichenen Felder liegen keine Werte vor. ANMERKUNG 2 Inzwischen werden gewöhnlich 2 Ringe, ein innerer und ein äußerer, benutzt

626

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002:05) Tabelle G.9-4 — Metalldichtungen

Stützring auf beiden Seiten

t

Q0,min

Qmax

E0

K1

mΙ

gC

°C

Mpa

Mpa

Mpa

Aluminium (Al) (weich)

0…20 100 200 300

50 -

100 85 60 20

70000 65000 60000 50000

0 0 0 0

2,0 2,0 2,0 2,0

1,0 0,9 0,8 0,7

Kupfer (Cu) oder Messing (weich)

0…20 100 200 300 (400)

100 -

210 190 155 110 50

115000 110000 105000 95000 85000

0 0 0 0 0

2,0 2,0 2,0 2,0 2,0

1,0 1,0 1,0 0,9 0,7

Eisen (Fe) (weich)

0...20 100 200 300 400 (500)

175 -

380 340 280 220 160 100

210000 205000 195000 185000 175000 165000

0 0 0 0 0 0

2,0 2,0 2,0 2,0 2,0 2,0

1,0 1,0 1,0 1,0 0,9 0,7

Stahl (weich)

0...20

200

440

210000

0

2,0

1,0

100

-

410

205000

0

2,0

1,0

200

-

360

195000

0

2,0

1,0

300

-

300

185000

0

2,0

1,0

400

-

220

175000

0

2,0

0,9

(500)

-

140

165000

0

2,0

0,7

Stahl, niedriglegiert, hitzebeständig

0...20 100 200 300 400 500

225 -

495 490 460 420 370 310

210000 205000 195000 185000 175000 165000

0 0 0 0 0 0

2,0 2,0 2,0 2,0 2,0 2,0

1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 0,9

Rostfreier Stahl

0...20

250

550

200000

0

2,0

1,0

100

-

525

195000

0

2,0

1,0

200

-

495

188000

0

2,0

1,0

300

-

460

180000

0

2,0

1,0

400

-

425

170000

0

2,0

0,9

500

-

370

160000

0

2,0

0,8

(600)

-

300

150000

0

2,0

0,7

300 -

660 630 600 560 510 445 360

210000 205000 200000 194000 188000 180000 170000

0 0 0 0 0 0 0

2,0 2,0 2,0 2,0 2,0 2,0 2,0

1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 0,9 0,8

Rostfreier Stahl, hitzebeständig

0...20 100 200 300 400 500 600

ANMERKUNG Für die gestrichenen Felder liegen keine Werte vor.

627

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05) Table G.9-5 — Deckeldichtungen mit Mantel

Dichtungsart und – werkstoff

t

Q0,min

Qmax

E0

°C

Mpa

Mpa

Mpa

K1

mΙ

gC

Rostfreier Stahlmantel mit PTFE-Einlage und Deckel

0...20 100 200 (300)

10 -

150 150 150 150

1 1 1 1

69 69 69 69

1,3 1,3 1,3 1,3

1,0 0,9 0,8 0,7

Mantel aus niedriglegiertem Nickel PTFE-Einlage und Deckel

0...20 100 200 (300)

10 -

150 150 150 150

1 1 1 1

69 69 69 69

1,3 1,3 1,3 1,3

1,0 0,9 0,8 0,7

Weicheisen- oder Weichstahlmantel mit Graphiteinlage und Deckel

0...20 100 200 300 400 (500)

20 -

300 300 300 300 300 300

1 1 1 1 1 1

48 48 48 48 48 48

1,3 1,3 1,3 1,3 1,3 1,3

1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0

Mantel aus niedriglegiertem (4 % bis 6 % Chrom) oder rostfreiem Stahl mit Graphiteinlage und Deckel

0...20 100 200 300 400 500

20 -

300 300 300 300 300 300

1 1 1 1 1 1

48 48 48 48 48 48

1,3 1,3 1,3 1,3 1,3 1,3

1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0

ANMERKUNG Für die gestrichenen Felder liegen keine Werte vor.

628

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002:05) Table G.9-6 — Dichtungen mit Metallmantel

Dichtungsart und – werkstoff

t

Q0,min

Qmax

E0

K1

mΙ

gC

°C

MPa

MPa

MPa

Aluminiummantel (weich) mit Graphiteinlage

0...20 100 200 (300)

50 -

135 120 90 60

500 800 1100 1400

25 25 25 25

1,6 1,6 1,6 1,6

1,0 1,0 1,0 1,0

Kupfer- oder Messingmantel (weich) mit Graphiteinlage

0...20 100 200 300 (400)

60 -

150 140 130 120 100

600 900 1200 1500 1800

25 25 25 25 25

1,8 1,8 1,8 1,8 1,8

1,0 1,0 1,0 1,0 1,0

Weicheisen- oder Weichstahlmantel mit Graphiteinlage

0...20 100 200 300 400 (500)

80 -

180 170 160 150 140 120

800 1100 1400 1700 2000 2300

25 25 25 25 25 25

2,0 2,0 2,0 2,0 2,0 2,0

1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0

Mantel aus niedriglegiertem Stahl (4 % bis 6 % Chrom) oder rostfreiem Stahl mit Graphiteinlage

0...20 100 200 300 400 500

100 -

250 240 220 200 180 140

800 1100 1400 1700 2000 2300

25 25 25 25 25 25

2,2 2,2 2,2 2,2 2,2 2,2

1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0

ANMERKUNG Für die gestrichenen Felder liegen keine Werte vor.

629

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

G.10 Literaturhinweise [1]

prEN 1591-1: Flanges and their joints. Design rules for gasketed circular flange connections. Part 1: Calculation method.

[2]

CR 13642: Flanges and their joints. Design rules for gasketed circular flange connections. Background information (to prEN 1591).

[3]

Wesstrom, D.B.; Bergh, S.E.: "Effect of Internal Pressure on Stresses and Strains in BoltedFlanged Connections"; Transactions of the ASME, July 1951, pp.553-568

[4]

Richtlinienkatalog Festigkeitsberechnungen (RKF), Behälter und Apparate; Teil 1, BR-A13: "Behälter- und Apparateelemente. Flanschverbindungen"; Institut für Chemieanlagen, Dresden 1971; VEB Komplette Chemieanlagen Dresden, 1979;

[5]

DIN 2505: "Berechnung von Flanschverbindungen"; Entwurf November 1972; Entwurf April 1990.

[6]

TGL 20360: "Flanschverbindungen. Berechnung auf Festigkeit und Dichtigkeit"; Februar 1977

[7]

TGL 32903/13: "Behälter und Apparate. Festigkeitsberechnung. Flanschverbindungen"; Dezember 1983.

[8]

Wölfel, J.; Räbisch, W.: "Berechnung und Standardisierung von Flanschverbindungen"; Chemische Technik, Leipzig, 1975, S.470-478.

[9]

Wölfel, J.: "Berechnung der Dichtigkeit und Festigkeit von Flanschverbindungen"; Maschinenbautechnik, Berlin, 1985, S.244-247.

630

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

Anhang H (informativ)

Dichtungsbeiwerte m und y

Tabelle H.1 enthält eine Zusammenstellung vieler üblicher Dichtungswerkstoffe mit Angabe der Beiwerte m und y sowie von Ausführungen von Dichtflächen, die sich im Betrieb allgemein als zufriedenstellend erwiesen haben, wenn sie nach den in Abschnitt 11 beschriebenen Verfahren verwendet werden. Die Kennwerte und weiteren Angaben dieser Tabelle dienen lediglich zur Information und sind nicht vorgeschrieben. Liegen Angaben des Herstellers vor, ist diesen der Vorzug zu geben.

Tabelle H-1 — Dichtungsbeiwerte m und y Dichtungswerkstoff

Dichtungsbeiwert m

Mindestflächenpressung y N/mm

Mindestabmessung w

2

mm -

Gummidichtung ohne Gewebe oder hohen 1) Asbestfaseranteil : - unter 75° IRH (Internationaler Gummihärtegrad);

Darstellung

0,50

0

-

1,00

1,4

-

(3.2 mm dich

2,0

11,0

-

(1,6 mm dick

2,75

25,5

-

(0,8 mm dick

3,50

44,8

-

Gummidichtung mit Baumwollgewebeeinlage

1,25

2,8

- 75° IRH oder darüber. 1)

Asbestdichtung mit einem für die jeweilige Anwendung geeigneten Bindemittel

Gummidichtung mit

(dreilagig)

2,25

15,2

1)

Asbestgewebeeinlage , mit

-

oder ohne Drahtverstärkung

(zweilagig)

2,50

20,0

-

(einlagig)

2,75

25,5

-

Pflanzenfaserdichtung Spiralmetalldichtung 1)

mit Asbestfüllung

Wellmetalldichtung mit

1,75

7,6

10

(Kohlenstoff)

2,50

-

(Nichtrostender oder Monelstahl)

3,00

69,0

-

Weichaluminium

2,50

20,0

-

631

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05) Dichtungswerkstoff

Dichtungsbeiwert m

Mindestflächenpressung y N/mm

1)

Asbesteinsatz

Darstellung

Mindestabmessung w

2

mm

Weichkupfer oder –messing

2,75

25,5

-

Eisen oder Weichstahl

3,00

31,0

-

Monelstahl oder Stahl mit 4 bis 6 % Chrom

3,25

37,9

-

Nichtrostender Stahl

3,50

44,8

-

Weichaluminium

2,75

25,5

-

Weichkupfer oder –messing

3,00

31,0

-

Eisen oder Weichstahl

3,25

37,9

-

Monelstahl oder Stahl mit 4 bis 6 % Chrom

3,50

44,8

-

Nichtrostender Stahl

3,75

52,4

-

Weichaluminium

3,25

37,9

-

Metallflachdichtung mit

Weichkupfer oder –messing

3,50

44,8

-

Mantel und

Eisen oder Weichstahl

3,75

52,4

-

Asbestfüllung

Monelstahl

3,50

55,1

-

Stahl mit 4 bis 6 % Chrom

3,75

62,0

-

Nichtrostender Stahl

3,75

62,0

-

Weichaluminium

3,25

37,9

-

Weichkupfer oder –messing

3,50

44,8

-

Eisen oder Weichstahl

3,75

52,4

-

Monelstahl oder Stahl mit 4 bis 6 % Chrom

3,75

62,0

-

Nichtrostender Stahl

4,25

69,5

10

Weichaluminium

4,00

60,6

-

Weichkupfer oder –messing

4,75

89,5

6

Eisen oder Weichstahl

5,50

124

-

oder Wellmetalldichtung mit Mantel und mit 1) Asbestfüllung

Wellmetalldichtung

Metallkammprofildichtung

Massive Metallflachdichtung

632

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05) Dichtungswerkstoff

Dichtungsbeiwert m

Mindestflächenpressung y N/mm

Metallringdichtung 2) (Ring-Joint-Dichtung)

Darstellung

Mindestabmessung w

2

mm

Monelstahl oder Stahl mit 4 bis 6 % Chrom

6,00

150

-

Nichtrostender Stahl

6,50

179

-

Eisen oder Weichstahl

5,50

124

-

Monelstahl oder Stahl mit 4 bis 6 % Chrom

6,00

150

-

Nichtrostender Stahl

6,50

179

-

0,7

-

1,4

-

Gummirunddichtring: unter 75° IRH

0 bis 0,25

zwischen 75° und 85° IRH

-

Gummidichtring mit rechteckigem Querschnitt: unter 75° IRH

0 bis 0,25

1,0

-

2,8

-

zwischen 75° und 85° IRH

-

Gummidichtring mit T-Profil-Querschnitt:

-

unter 75° IRH zwischen 75° und 85° IRH

0 bis 0,25

1,0

-

2,8

1) Neue nichtasbesthaltige Verbundfaserdichtungen sind nicht notwendigerweise unmittelbare Ersatzmaterialien für asbesthaltige Dichtungswerkstoffe. Insbesondere Beschränkungen hinsichtlich Druck, Temperatur und Schraubenkraft sind zu beachten. Die Verwendung soll nach den aktuellen Herstellerempfehlungen erfolgen. 2) b = w/8.

633

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

Anhang I (informativ)

Zusätzliche Angaben zu Rohrböden für Wärmeaustauscher I.1 Belastungsfälle bei Festkopf-Wärmeaustauschern I.1.1 Allgemeines Dieser Anhang enthält Angaben zur Bestimmung der Belastungsfälle, die bei der Auslegung von FestkopfWärmeaustauschern zu betrachten sind in Ergänzung zu 13.5.4.1. Für diese Bestimmung werden zwei Verfahren vorgeschlagen: 

ein in I.1.4 beschriebenes allgemeines Verfahren zur Ermittlung sämtlicher Belastungsfälle, welche bei der Auslegung eventuell berücksichtigt werden müssen;



ein in I.1.5 beschriebenes vereinfachtes Verfahren, das es ermöglicht, die Zahl der zu untersuchenden Belastungsfälle zu begrenzen. Es darf nur für normale Betriebsbedingungen verwendet werden.

I.1.2 Zusätzliche Begriffe Keine zusätzlichen Begriffe.

I.1.3 Zusätzliche Symbole Keine zusätzlichen Symbole.

I.1.4 Allgemeines Verfahren Diese Regel gilt für alle in 13.5.4.1 angesprochenen Lastzustände, und zwar die normalen Betriebszustände, außergewöhnlichen Betriebszustände und Druckprüfzustände. Lastzustände und zugehörige Parameter werden nach dem folgenden Verfahren ermittelt: a)

Sämtliche Lastzustände auflisten, die die Auslegung des Wärmeaustauschers bei normalen Betriebszuständen, außergewöhnlichen Betriebszuständen und Druckprüfzuständen bestimmen können. Für jeden dieser Lastzustände sind die in 13.5.4.1 angeführten sieben möglichen Belastungsfälle zu berücksichtigen.

b)

Für jeden dieser Belastungsfälle folgende Werte aufzeichnen (siehe Tabelle I.1.4-1):   

c)

634

Rohrseitigen (Pt ) und schalenseitigen (Ps ) Auslegungsdruck Wärmeausdehnungsdifferenz (γ ) .

Auslegungstemperaturen von Rohrboden (θ ) , Rohren (θ t ) , Schale (θ s ) und Vorkammer (θ c ) .

Für jeden dieser ggf. bestimmenden Belastungsfälle muss die Berechnung unter Verwendung der Werte der mechanischen Eigenschaften (E-Modul, Berechnungsnennspannung, Wärmeausdehnungsbeiwert usw.) bei Auslegungstemperatur des jeweiligen Bauteils erfolgen (siehe Tabelle I.1.4-1).

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05) Tabelle I.1.4-1 — Tabelle für die Lastzustände

Pt

Ps

γ

t

tt

ts

tc

1

Pt,1

Ps,1

γ1

t1

t t,1

t s,1

t c,1

2

Pt,2

Ps,2

γ2

t2

t t,2

t s,2

t c,2

















tn

t t,n

t s,n

t c,n

Zustand

Normale Betriebszustände

Außergewöhnliche Betriebszustände

Druckprüfzustände

n

Pt,n

Ps,n

γn

n+1

Pt,n +1

Ps,n +1

γ n+1

t n +1

t t,n +1

t s,n +1

t c,n +1

n+2

Pt,n + 2

Ps,n+ 2

γ n+ 2

t n+2

t t,n + 2

t s,n+ 2

t c,n + 2















Pt,n +p

Ps,n+p

γ n+p



n+p

t n +p

t t,n +p

t s,n+p

t c,n +p

n+p+1

Pt,n +p +1

Ps,n+p +1

t n+p +1

t t,n +p +1

t s,n+p +1

t c,n +p +1

n+p+2

Pt,n +p + 2

Ps,n+p + 2

t n +p + 2

t t,n +p + 2

t s,n +p + 2

t c,n +p + 2







n+p+q

Pt,n +p + q

Ps,n +p + q

0









t n +p + q

t t,n +p + q

t s,n +p + q

t c,n +p + q

Auslegung eines Wärmeaustauschers unter Berücksichtigung von (n + p + q) Lastzuständen: -

n normale Betriebszustände: 1 bis n, p außergewöhnliche Betriebszustände: (n + 1) bis (n + p), q Druckprüfzustände: (n + p + 1) bis (n + p + q).

I.1.5 Vereinfachtes Verfahren für normale Betriebszustände Dieses Verfahren ist nur für normale Betriebszustände anwendbar. Es ermöglicht die Untersuchung einer begrenzten Anzahl von Belastungsfällen durch eine generalisierte Betrachtung, die alle Belastungsfälle einschließt. Dabei ist wie folgt vorzugehen: a)

Alle Belastungsfälle der normalen Betriebszustände wie in I.1.4a beschrieben auflisten.

b)

Für jeden dieser Belastungsfälle folgende Werte aufzeichnen (siehe Tabelle I.1.4-1):   

Rohrseitigen (Pt ) und schalenseitigen (Ps ) Auslegungsdruck Wärmeausdehnungsdifferenz (γ ) .

Auslegungstemperaturen von Rohrboden (θ ) , Rohren (θ t ) , Schale (θ s ) und Vorkammer (θ c ) .

635

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05) c)

Für jeden Belastungsfall folgende Werte ermitteln: die Extremwerte (mit mathematischem Vorzeichen), zwischen denen (Pt ) , (Ps ) und γ variieren:



Pt,min ≤ Pt ≤ Pt,max Ps,min ≤ Ps ≤ Ps,max

γ min ≤ γ ≤ γ max und die gegeben sind durch:

{ (P ), (P ), L , (P ) } = min { (P ), (P ), L , (P ) }

Pt,min = min

t,1

Ps,min

s,1

γ min = min 

t,2

t,n

s,2

s,n

{ (γ 1), (γ 2 ), L , (γ n ) }

{ (P ), (P ), L , (P ) } = max { (P ), (P ), L , (P ) }

Pt,max = max

t,1

Ps,max

s,1

γ max = max

t,2

t,n

s,2

s,n

{ (γ 1), (γ 2 ), L , (γ n ) }

den Höchstwert der Auslegungstemperatur für jedes Bauteil des Wärmeaustauschers:

t max

,

t t,max

,

,

t s,max

t c,max

und der gegeben ist durch: t t,max = max { (t t,1 ), (t t,2 ),L, (t t,n ) }

t max = max { (t 1 ), (t 2 ),L, (t n ) }

t s,max = max { (t s,1 ), (t s,2 ),L, (t s,n ) }

d)

t c,max = max { (t c,1 ), (t c,2 ),L, (t c,n ) }

Die zu betrachtenden generalisierten Lastzustände sind die acht in Tabelle I.1.5-1 aufgeführten Belastungsfälle: Tabelle I.1.5-1 — Generalisierte Lastzustände

Belastungsfall

Pt

Ps

γ

E0

Pt,min

Ps,min

γ min

E1

Pt,max

Ps,min

γ min

E2

Pt,min

Ps,max

γ min

E3

Pt,max

Ps,max

γ min

E4

Pt,min

Ps,min

γ max

E5

Pt,max

Ps,min

γ max

E6

Pt,min

Ps,max

γ max

E7

Pt,max

Ps,max

γ max

t

t max

tt

t t,max

ts

t s,max

tc

t c,max

Da einige der acht Belastungsfälle in der Praxis eventuell nicht eintreten, kann dieses vereinfachte Verfahren zu größeren Dicken führen als bei Anwendung des allgemeinen Verfahrens nach I.1.4.

636

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

I.2 Berechnung eines Schwimmkopf-Wärmeaustauschers nach 13.5 I.2.1 Allgemeines Dieser Abschnitt enthält Angaben für die Berechnung von Schwimmkopf-Wärmeaustauschern unter Verwendung der Regeln in 13.5 für Festkopf-Wärmeaustauscher.

I.2.2 Zusätzliche Begriffe

Keine zusätzlichen Begriffe.

I.2.3 Zusätzliche Symbole

Keine zusätzlichen Symbole.

I.2.4 Auslegungsverfahren

Unter rein mechanischen Gesichtspunkten betrachtet, ist ein Schwimmkopf-Wärmeaustauscher ein Sonderfall eines Festkopf-Wärmeaustauschers, für dessen Schale gilt:



keine Axialsteifigkeit



keine Kompensatoren :

:

K s = 0 , d. h.: K s,t = 0 K J = ∞ , d. h.: J = 1

Hieraus ergibt sich: Pe = Ps − Pt = P

(I.2-1)

Die Gleichungen zur Berechnung der Spannung in Rohrböden, Rohren, Schale und Vorkammer bleiben dabei unverändert. Folglich können nach dem Verfahren in 13.5 Schwimmkopf-Wärmeaustauscher berechnen werden, indem Pe durch P aus 13.6.4.1 ersetzt wird.

637

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

Anhang J (normativ) Alternativverfahren zur Auslegung von Rohrböden für Wärmeaustauscher J.1 Zweck Dieser Anhang enthält Anforderungen an die Auslegung von Wärmeaustauscher-Rohrböden, durch die ein zu den in Abschnitt 13 angegebenen Regeln alternatives Verfahren beschrieben wird. Sie gelten für folgende Typen von Wärmeaustauschern: -

U-Rohr-Wärmeaustauscher (siehe Bild J-1), auch Wärmeaustauscher mit Rohren mit Verschlusskappen und nur einem Rohrboden, jedoch auch Wärmeaustauscher mit gekrümmten Rohren und einer beliebigen Anzahl separater Rohrböden

-

Wärmeaustauscher mit eingetauchtem Schwimmkopf (siehe Bild J-2)

-

Wärmeaustauscher mit außen abgedichtetem Schwimmkopf (siehe Bild J-3)

-

Wärmeaustauscher mit innen abgedichtetem Schwimmkopf (siehe Bild J-4)

-

Festkopf-Wärmeaustauscher mit Kompensator (siehe Bild J-5)

-

Festkopf-Wärmeaustauscher ohne Kompensator (siehe Bild J-6)

J.2 Zusätzliche Definitionen Die folgenden Definitionen gelten zusätzlich zu denen in Abschnitt 3.

J.2.1 Äußerer Rohrbodenrand Kreis, innerhalb dessen alle Rohre liegen.

J.2.2 Auslastungsgrad Quotient aus berechneter Last oder berechnetem Moment an einem Bauteil und zulässiger Last bzw. zulässigem Moment.

J.3 Zusätzliche Symbole und Abkürzungen J.3.1 Allgemeines Die folgenden Symbole und Abkürzungen gelten zusätzlich zu denen in Abschnitt 4. Die Bilder J-1 bis J-6 zeigen in sehr vereinfachter Form (schematisch) die sechs Haupttypen von Wärmeaustauschern. Die Bilder J-7 bis J-13 sind zur Erläuterung gewisser Einzelheiten bestimmt. Alle Bilder dienen nur zur Veranschaulichung allgemeiner Merkmale und der verwendeten Bezeichnungen. Es wurde nicht beabsichtigt, in ihnen sämtliche Einzelheiten und alle verschiedenen Auslegungen, für welche das Verfahren anwendbar ist, darzustellen. ANMERKUNG In den Bildern J-1 bis J-6 sind außerhalb des stationären Rohrbodens (links, in den Bildern J-5 und J-6 auch rechts) "dunkle Flansche" skizziert. Für die Bestimmung der hauptsächlichen axialen Kräfte (Berechnung Parameter PR), die am Außendurchmesser des Rohrbodens skizziert sind, ist es nicht erforderlich, ihre Einzelheiten zu kennen. Ebenfalls zur Vereinfachung sind im allgemeinen flache (nicht gewölbte) Enden dargestellt. Leitbleche und Stützelemente sind in diesen Bildern im allgemeinen nicht dargestellt.

638

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05) Nicht dargestellt sind z. B. die folgenden anderen Varianten der Typen: Bild J-1: Gerade Rohre mit Verschlusskappen; allgemeine gekrümmte Rohre mit zwei oder mehr Rohrböden. Bild J-2: Schwimmkopf, verlängert als Flansch; Schwimmkopf vollständig geschweißt. Bild J-3: Andere Formen der Abdichtung (O-Ring); Position der Dichtung in der Schale (nicht am Schwimmkopf). Bild J-4: Andere Formen der Abdichtung (z. B. gefüllte Stopfbuchse, eventuell gleichzeitig als Flanschdichtung). Bild J-5: Andere Formen von Kompensatoren. Bild J-6: Eventuell äußerst dünne Rohrböden.

PS

dC

dS

d1

PT

Bild J-1 – U-Rohr-Wärmeaustauscher

PS

PS PT dC

dS

dC

d1

PT

Bild J-2 – Schwimmkopf-Wärmeaustauscher mit eingetauchtem Schwimmkopf

639

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

PS PT dC

dC

dS

d1

dK

PT

Bild J-3 – Schwimmkopf-Wärmeaustauscher mit außen abgedichtetem Schwimmkopf

PS

dC

dS

d1 dC

PT

dK

PT

Bild J-4 – Schwimmkopf-Wärmeaustauscher mit innen abgedichtetem Schwimmkopf

PS

PS PT

Bild J-5 – Festkopf-Wärmeaustauscher mit Kompensator

640

dC

dS

dC

d1

dK

PT

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

PS PT dC

dS

dC

d1

PT

Bild J-6 – Festkopf-Wärmeaustauscher ohne Kompensator

J.3.2 Tiefgestellte Symbole ANMERKUNG Lateinische Großbuchstaben beziehen sich auf Bauteile oder Bereiche von Bauteilen oder Arten von Werten. Lateinische Kleinbuchstaben bezeichnen Eigenschaften oder Arten von Belastungen oder Arten von Reaktionen.

A

für

Außenbereich des berohrten Bereiches

B

für

Bolzen; oder Leitblech

C

für

Vorkammer

D

für

Differenz von Werten

E

für

Effektive Werte

F

für

Flansch

G

für

Dichtung

I

für

Innenbereich des berohrten Bereiches

J

für

Kompensator {Abschnitt 13};

K

für

Kompensation

M

für

Momentbezogene Werte

P

für

Platte (Rohrboden); oder Druckbezogene Werte

Q

für

Allgemeine lastbezogene Werte {vergleichbar zu "P" und "R"};

R

für

Resultierende Last; oder Rohrbündel, berohrter Bereich; oder beliebiger Wert zwischen "Q" und "S"

S

für

Schale

641

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

T

für

Rohre oder Rohrseite (Vorkammer-Seite)

U

für

Unberohrter Bereich

W

für

Gewicht; oder Schweißnaht

X

für

Verbindung Rohr-Rohrboden

av

für

Durchschnittswert

b

für

Biegung

c

für

zusammendrückend, Druck- (Beanspruchung oder Kraft)

e

für

Außen-, äußerer (Druck); oder effektiv

i

für

Innen-, innerer (Druck)

l

für

Längs-

min

für

minimaler Wert

max für

maximaler Wert

opt

für

optimaler Wert

red

für

reduzierter Wert

t

für

Zug- (Beanspruchung oder Kraft); oder Gesamt-, wahr.

J.3.3 Symbole ANMERKUNG: Maßeinheiten sind in eckigen Klammern angegeben; [1] bezeichnet eine "dimensionslose" Größe; {[-] bezeichnet eine Größe, die tatsächlich keine Maßeinheit besitzt, z. B. das Symbol ∆ für Differenz oder Bereich}. 2

AR

Querschnittsfläche des berohrten Bereiches, [mm ]

AX

Querschnittsfläche der Verbindung zwischen Rohr und Rohrboden, [mm ]

aT

effektive Nahthöhe der Schweißnaht am Rohrende, [mm], wie folgt präzisiert: aT,P an der Platte (Rohrboden); aT,T am Rohr; aT,R zwischen Platte und Rohr

B0

Determinante aller Nachgiebigkeiten, [1]

2

BR1, BR2, BR3

Nachgiebigkeiten des Rohrbündels, [1]

BS1, BS2, BS3

Nachgiebigkeiten von Schale und Vorkammer, [1]

bF

wahre Breite eines Flansches als Teil des Rohrbodens, [mm] (siehe Bilder J-10 bis J-13)

bR

mittlere Breite des unberohrten Randes, auf den beidseitig Druck einwirkt, [mm] (siehe J.5.1)

bS

wahre Breite des unberohrten Randes, auf den einseitig Druck einwirkt, [mm], Wert kann positiv oder negativ sein (siehe J.5.1)

bU

größte Breite des unberohrten Randes, [mm], gemäß Konstruktionszeichnung des Rohrbodens (siehe Bild J-7 und J.9.3)

C0, CA, CC, CAA, CAC, CCC C1, C2

642

Koeffizienten, [1], zur Bestimmung der Knicklänge (siehe J.7.1.3)

Faktoren für die Auslegung auf Ermüdung, [1] (siehe Bild J-15)

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

DJ

Innendurchmesser des Kompensators, [mm] (siehe Unterabschnitt 13.5)

dC, dS

Innendurchmesser der Vorkammer (C) bzw. der Schale (S), [mm]

d0, d0,e

Rohrlochdurchmesser [mm], d0 ist der tatsächliche Wert, d0,e ist der effektive Wert

d1

mittlerer Außendurchmesser des berohrten Bereiches, [mm] (siehe J.5.1)

d2

wahrer Außendurchmesser, [mm], an dem PS und PT wirken

d3, d3,e

Lochkreisdurchmesser, [mm]; d3 für den tatsächlichen Wert, d3,e für den effektiven Wert

dGC, dGS effektive Dichtungsdurchmesser, [mm], für Vorkammerseite (C) bzw. Schalenseite (S) dK

Durchmesser für die Kompensation von Axialkräften, [mm]; für Schwimmköpfe ist dies der Durchmesser der Gleitfläche an einer gefüllten Stopfbuchse oder einer O-Ring-Dichtung; für Kompensatoren ist dies der mittlere Innendurchmesser des Kompensators: dK = DJ + hJ

dT

Rohraußendurchmesser, [mm]

EP, ET

E-Moduln von Rohrboden (P = Platte) bzw. Rohren (T), [MPa]

EC, ES

E-Moduln von Vorkammer (C) bzw. Schale (S), [MPa]

E*

effektiver E-Modul des Rohrbodens [MPa] (siehe Bilder 13.7.6-1, 13.7.6-2)

eC

Berechnungswanddicke der Vorkammer im an den Rohrboden angrenzenden Abschnitt, [mm]

eF

Berechnungswanddicke eines Flansches als Teil des Rohrbodens, [mm] (siehe Bilder J-10 bis J-13)

eP

Berechnungswanddicke des Rohrbodens (Platte), [mm], im berohrten Bereich und unberohrten Rand

eP,red eventuell reduzierte Dicke des Rohrbodens (Platte) an seinem Außenumfang, [mm]; eP,red ≤ eP eS

Berechnungswanddicke der Schale im an den Rohrboden angrenzenden Abschnitt, [mm]

eS,av mittlere Schalenwanddicke über die Gesamtlänge LT [mm] eT

Rohrwanddicke [mm]

eU

Berechnungswanddicke des Rohrbodens in seinem größten unberohrten Bereich, [mm]; normalerweise eU = eP

FB

Gesamtkraft durch die Schrauben (Gesamtkraft für eine Flanschverbindung) [N], siehe Anhang G

FG,C, FG,S

Gesamt-Reaktionskraft der Dichtung, [N], Vorkammerseite (C) bzw. Schalenseite (S)

[Ft], [Fc] zulässige Gesamt-Axialkräfte in der Schale, [N], [Ft] für Zugbeanspruchung, [Fc] für Druckbeanspruchung (siehe J.7.5)

FR

Gesamt-Axialkraft, die auf Rohrbündel und Schale wirkt, [N] (siehe J.7.5)

FW

Gesamtgewicht, das als Kraft auf einen Rohrboden wirkt, [N] (siehe J.9.4)

fC

Berechnungsnennspannung der Vorkammer im an den Rohrboden angrenzenden Abschnitt, [MPa]

fF

Berechnungsnennspannung des Flansches als Teil des Rohrbodens (Platte), [MPa]; normalerweise fF = fP

fP

Berechnungsnennspannung des Rohrbodens (Platte), [MPa]

fS

Berechnungsnennspannung der Schale im an den Rohrboden angrenzenden Schalenabschnitt, [MPa]

fT

Berechnungsnennspannung der Rohre, [MPa]

fT,t

zulässige Längsspannung in zugbeanspruchten Rohren, [MPa] (siehe J.7.3) 643

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

fT,c

zulässige Längsspannung in druckbeanspruchten Rohren, [MPa] (siehe J.7.3)

fX

zulässige Berechnungsspannung für die Verbindung Rohr/Rohrboden, [MPa] (siehe J.7.3); fX,E und fX,W sind spezielle Werte von fX

H1, H2, H3 Faktoren (Nachgiebigkeiten), die bei der Auslegung auf Ermüdung verwendet werden, [1] (siehe Bild J-15) hJ

Innenhöhe des Kompensators, [mm] (siehe Unterabschnitt 13.5)

Ke1, Ke2, Ke3 wirksame Spannungserhöhungsfaktoren, [1], die bei der Auslegung auf Ermüdung verwendet werden (siehe J.10) L1 , L2 , L3 Belastungsparameter, [1], die bei der Berechnung eines Auslastungsgrades verwendet werden (siehe J.9.1) LT

wahre Gesamtlänge der Rohre, [mm]; in Bild J-9 zwischen den Außenflächen der Rohrböden dargestellt

lA

Länge der Rohre, [mm], zwischen dem ersten Rohrboden und dem ersten Stützblech (siehe Bild J-9)

lB

Rohrlänge, [mm], zwischen zwei benachbarten Stützblechen (siehe Bild J-9). Falls längs eines Rohres mehr als ein lB existiert, werden alle lB als gleich vorausgesetzt

lC

Rohrlänge, [mm], zwischen dem letzten Stützblech und dem zweiten Rohrboden (siehe Bild J-9)

lR

charakteristische Länge des Rohrbündels, [mm], die für die Auslegung auf Ermüdung verwendet wird (siehe J.10.3)

lT,K

Knicklänge der Rohre, [mm], (siehe J.7.1)

lX

Länge der Verbindung zwischen Rohr und Rohrboden, [mm] (siehe J.5.2.1)

M1

resultierendes Biegemoment [Nmm/mm] am Durchmesser d1

M2

resultierendes Biegemoment [Nmm/mm] am Durchmesser d2

MA

aktives Biegemoment durch Bolzenbelastung [Nmm/mm] am Durchmesser d2 (siehe J.8.1)

MB

aktives Biegemoment durch Fluiddruck [Nmm/mm] am Durchmesser d2 (siehe J.8.2)

MC

reaktives Biegemoment [Nmm/mm] von verbundenen Bauteilen (siehe J.8.3)

MD

Begrenzung des reaktiven Biegemoments [Nmm/mm] am Durchmesser d2 (siehe J 8.4)

NB

Anzahl der Leitbleche [1]; NB,t ist die tatsächliche Anzahl, NB,e die wirksame Anzahl

NC

Anzahl der Lastzyklen [1]

NI

Anzahl von im Idealfall möglichen, in Wirklichkeit nicht existierenden Rohren (allgemein), [1] (siehe J.5.1)

NI,min

kleinster möglicher Wert von NI = Anzahl zusätzlicher Rohre, die, mit derselben Teilung angeordnet, die von Trennwänden und Längsankern eingenommene Fläche ausfüllen würden (siehe J.5.1)

NI,max

größter möglicher Wert von NI = Anzahl zusätzlicher Rohre, die, mit derselben Teilung angeordnet, die gesamte unberohrte Fläche innerhalb des äußeren Rohrbodenrands ausfüllen würden (siehe J.5.1)

NT

Anzahl tatsächlich existierender Rohre, [1]; bei einem U-Rohr-Wärmeaustauscher die Anzahl der Rohrlöcher, [1]

nB

Anzahl der Schrauben, [1], in einer Flanschverbindung

PA, PI PD

644

Resultierende von aktiven und reaktiven Axialkräften pro Flächeneinheit im Rohrbündel im 2 berohrten Bereich, [N/mm = MPa] ; PA im Außenbereich, PI im Innenbereich (siehe J.7.6) Direkte Fluiddruckdifferenz zwischen Rohrseite und Schalenseite, [MPa] (siehe J.6.2, J.7.2)

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

PE

effektive Druckdifferenz im berohrten Bereich, [MPa] (siehe J.7.2)

PM

"Druck", [MPa], welcher das resultierende Biegemoment M1 (resultierendes Moment aus aktivem und reaktivem Moment, kann den Wert null haben) am Außenrand des berohrten Bereiches repräsentiert (siehe J.8.6)

PQ

"Druck", [MPa], welcher die resultierende effektive Axialkraft (resultierende Kraft aus aktiver und reaktiver Kraft, kann den Wert null haben) am Außenrand des berohrten Bereiches repräsentiert, [MPa] (siehe J.6.3, J.7.6)

PR

"Druck", [MPa], welcher die resultierende aktive axiale Schubkraft am Außenrand des berohrten Bereiches repräsentiert, [MPa] (siehe J.6.2, J.7.5)

p

Rohrteilung im berohrten Bereich, [mm] (siehe Bild J-7) 2

QA, QI

reaktive Axialkräfte pro Flächeneinheit des Rohrbündels im berohrten Bereich, [N/mm = MPa]; QA im Außenbereich, QI im Innenbereich (siehe J.7.4) 2

[Qt], [Qc] zulässige Axialkräfte pro Flächeneinheit des Rohrbündels im berohrten Bereich, [N/mm ]; [Qt] für Zugbeanspruchung, [Qc] für Druckbeanspruchung (siehe J.7.3)

q

Parameter für die Rohrabstützung, [1] (siehe J.9.3)

ro

Radius des Kreises durch den Mittelpunkt des am weitesten außen liegenden Rohrlochs, wie in Bild J.13.7.2-1 dargestellt

tS, tT Temperaturbereiche, [K], zwischen Maximal- und Minimaltemperatur von Schale (S) bzw. Rohren (T). Für ihre Berechnung wird die Temperatur im Einbauzustand mit +20 °C angenommen u, v, w

Hilfswerte, [1], die in J.7.6 verwendet werden

xS, xT

relative Flächen des Rohrbodens, [1], auf die PS bzw. PT einwirkt (siehe J.7.1)

Y αS, αT

Hilfswert, [1], der in J.7.1 verwendet wird -1

Wärmeausdehnungsbeiwerte von Schale bzw. Rohren, [K ]

β

Hilfsparameter, der durch Gleichung (J.10.2-3) festgelegt ist

γR

Steifigkeitsbeiwert des unberohrten Randes (siehe J.10.3))

∆M1, ∆M2 Schwingbreite der Biegemomente im Rohrboden, [Nmm/mm], für die Ermüdungsanalyse verwendet ∆PF, ∆PS, ∆PT Schwingbreite der Drücke, [MPa], für die Ermüdungsanalyse verwendet (siehe J.10.2) ∆S1, ∆S2 Schwingbreite der Schubkräfte im Rohrboden, [N/mm], für die Ermüdungsanalyse verwendet (siehe J.10.3) ∆σb1, ∆σb2 Schwingbreite der rechnerischen Biegespannungen im Rohrboden, [Nmm ], für die Ermüdungsanalyse verwendet (siehe J.10.3) 2

∆σlT

Schwingbreite der rechnerischen Längsspannungen in den Rohren, [Nmm ], für die Ermüdungsanalyse verwendet

∆σR

zulässige Spannungsschwingbreite im Rohrboden (Platte), [Nmm ], für die Ermüdungsanalyse verwendet

δX

Beiwert für die relative Festigkeit der Verbindung Rohr/Rohrboden, [1] (siehe J.5.2)

ζ

Kraftverteilungsparameter, [1], für gestützte Rohrböden; dies ist der relative Radius der Grenze zwischen den Reaktionen QI und QA (siehe J.7.1.1 und J.7.6.2)

η

Momentverteilungsparameter, [1], für alle Rohrböden; dies ist der relative Radius der Grenze zwischen konstantem und variablem tangentialem Biegemoment im Rohrboden (siehe J.6.3, J.7.1.1 und J.7.6.3)

θ

von der Rohrteilung abhängiger Faktor, [1] (siehe J.5.1)

ϑ

relative Querschnittsfläche der Rohre, [1] (siehe J.7.1)

2

2

645

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

κP relative Schubfestigkeit des Rohrbodens, [1] (siehe J.5.2) λA , λC geometrische Parameter für das Knicken von Rohren, [1] (siehe J.7.1) λR , λS geometrische Parameter für unberohrte Ränder, [1] (siehe J.5.1) µX Reibungsbeiwert, [1], der Verbindung Rohr/Rohrboden bei Dehnung (siehe J.7.3) µ* Rohrlochsteg-Verschwächungsbeiwert des Rohrbodens bei Biegebeanspruchung (Abschnitt 13); wird in diesem Anhang durch ϕP ersetzt νP Querkontraktionszahl von unberohrtem Rohrboden (Platte), [1] νS Querkontraktionszahl der Schale, [1] νT Querkontraktionszahl der Rohre, [1] ν* effektive Querkontraktionszahl für den gebohrten Rohrboden, [1], aus Unterabschnitt 13.7 erhalten 2 σ allgemeines Symbol für aktive Spannung, [Nmm ], das durch tiefgestellte Symbole näher zu bezeichnen ist (siehe J.7.3, σT(P) ) 2 [σ] allgemeines Symbol für zulässige Spannung, [Nmm ], das durch tiefgestellte Symbole näher zu bezeichnen ist (siehe J.7.5) σT(P) mittlere Längsspannung in den Rohren, [MPa], dividiert durch den Sicherheitsfaktor 1,50 (siehe J.7.3) ΦB , ΦS , ΦU , ΦW und ΦP,t Auslastungsgrade, [1] (siehe J.2.2 und J.9) ϕP relative Biegefestigkeit des Rohrbodens, [1] (siehe J.5.2) χ Parameter für den unberohrten Bereich am Rand, [1] (siehe J.9.3) ψE Steifigkeitsparameter des berohrten Bereiches, [1] (siehe J.10.3) ωR Steifigkeitsbeiwert des berohrten Bereiches, [1] (siehe J.10.3)

J.4 Allgemeines J.4.1 Bedingungen für die Anwendbarkeit J.4.1.1 Geometrie und Werkstoffe Das Verfahren ist für Rohrbündel (und einige angeschlossene Bauteile) unter den folgenden Bedingungen anwendbar: -

Das gesamte Rohrbündel(als Hauptbestandteil eines Rohrboden-Wärmeaustauschers) ist achsensymmetrisch. Zulässige Abweichungen von der Achsensymmetrie werden weiter unten definiert und eingeschränkt.

-

Jeder Rohrboden (auch "Platte" genannt, tiefgestelltes Symbol P) weist nur einen zentralen berohrten Bereich auf (annähernd kreisförmig). Innerhalb des berohrten Bereiches sind kleine unberohrte Flächen zulässig, z. B. für Trennwände und Längsanker. Der Außenrand des berohrten Bereiches muss nicht genau kreisförmig, jedoch annähernd kreisförmig sein.

-

Die Rohrbodendicke eP und die Teilung p haben für den gesamten berohrten Bereich denselben Wert (sind konstant). Für einen zweiten Rohrboden innerhalb des Rohrbündels kann die Dicke einen anderen Wert haben, muss jedoch ebenfalls konstant sein.

-

Außerhalb des berohrten Bereiches weist die Platte einen unberohrten Bereich auf, der nicht zu groß sein darf. Ihr Außenrand muss genau kreisförmig sein, ebenso wie alle anderen außen befindlichen Bauteile (wobei nur die kleinen Abweichungen zulässig sind, welche durch die endliche Anzahl der Flanschbolzen bedingt sind).

-

Alle (inneren) Rohre haben denselben Querschnitt dT∗eT und bestehen aus demselben Werkstoff.

-

Bei Rohrbündeln mit zwei Rohrböden haben alle Rohre dieselbe gerade Länge LT; kein Längsanker ist mit beiden Rohrböden verbunden. (Bei einem Rohrbündel mit nur einem Rohrboden können die Längen der gekrümmten Rohre beliebig unterschiedlich sein. Falls ein Rohrbündel mit zwei Rohrböden gekrümmte Rohre aufweist, muss es als ein U-Rohr-Typ berechnet werden, wobei jeder Rohrboden gesondert zu berechnen ist.)

646

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05) -

Die Parameter genügen den folgenden Bedingungen: Die Breite des unberohrten Randes darf nicht zu groß sein:

λR,max ≤ 0,30

(J.4.1-1)

Die Geometrie sollte annähernd achsensymmetrisch sein:

λR,min/λR,max ≥ 0,20

(J.4.1-2)

Der berohrte Bereich kann als eine homogene geschwächte Platte berechnet werden:

NT ≥ 20

(J.4.1-3)

Bei einem vertikalen Rohrbündel kann dessen Eigenlast durch die Rohrbiegung aufgenommen werden:

NT ≤ 30·{(fT/MPa)/(LT/m)}2

(J.4.1-4)

Die Rohrbodendicke sollte weder zu klein noch zu groß sein: 0,005 ≤ eP/d1 ≤ 0,50

(J.4.1-5)

Mit einer gewissen Vorsicht kann das Verfahren auch angewendet werden, wenn die genannten Bedingungen nicht erfüllt sind. J.4.1.2 Belastungen Das Verfahren ist für die folgenden Belastungen anwendbar: -

Fluiddrücke auf der Rohrseite (PT) und auf der Schalenseite (PS), beide beliebig innen oder außen;

-

Randmomente am Außenrand der Rohrböden;

-

Eigenlast des vertikalen Rohrbündels;

-

Axiale Wärmedehnung (zu berechnen nur für Rohrbündel mit festen Rohrböden ohne Kompensator).

J.4.2 Mechanisches Modell Das Verfahren beruht auf dem folgenden mechanischen Modell: -

Der Hauptbestandteil eines Rohrboden-Wärmeaustauschers ist stets ein Rohrbündel, das sich im allgemeinen in einem Behälter befindet. Der Behälter, der das Rohrbündel umgibt und mit diesem verbunden ist, kann im allgemeinen in eine Schale und zwei Vorkammern an den Enden der Schale eingeteilt werden (möglicherweise nur eine Vorkammer und ein Kopf), einschließlich Behälterflansche, Düsen sowie Stützelemente. Mit dem angegebenen Verfahren wird die Festigkeit des Rohrbündels so vollständig wie nötig berechnet. Falls erforderlich, werden gewisse Eigenschaften des Behälters berücksichtigt, was auch deren Prüfung mit einschließt. Es werden jedoch nicht alle notwendigen Nachweise für den gesamten Behälter erbracht.

-

Das Rohrbündel besteht im allgemeinen aus zwei Rohrböden (eventuell nur aus einem), einer großen Zahl von (inneren) Rohren und (normalerweise) einigen Leitblechen. Mit dem angegebenen Verfahren wird die Festigkeit der Rohrböden und der Rohre berechnet, einschließlich ihrer Verbindungsstellen.

-

Die Leitbleche werden als Abstützungen gegen ein Knicken der inneren Rohre behandelt. Dabei sollte berücksichtigt werden, dass im allgemeinen nicht alle Rohre von allen Leitblechen gestützt werden. Die Abstände zwischen den Leitblechen und zu den Rohrböden müssen nicht gleich sein. Die Dicke der Leitbleche kann gering sein, ihre Festigkeit ist im allgemeinen nicht kritisch und wird bei dem angegebenen Verfahren nicht berechnet.

647

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05) -

Das Berechnungsmodell für den berohrten Bereich des Rohrbodens ist eine geschwächte, quasihomogene flache Platte, die durch Reaktionskräfte (oder Reaktionsmomente) pro Flächeneinheit der Platte von den Rohren gestützt wird. Deshalb werden die Ergebnisse ungenau, wenn die Anzahl der Rohre zu klein ist. Die Rohrreaktionen können eventuell den Wert Null haben oder auch negativ sein. Für den ersten unberohrten Rand um den berohrten Bereich herum (durchschnittliche Breite bR, beaufschlagt mit beiden Fluiddrücken) ist das Modell dieselbe Platte, die jedoch nicht geschwächt ist und nicht gestützt wird. Außerhalb des ersten unberohrten Randes befindet sich im allgemeinen ein zweiter unberohrter Rand (wahre Breite bS , beaufschlagt mit nur einem Fluiddruck), welcher als Teil eines "Flansch"-Ringes behandelt wird (wahre Breite bF, mittlere Dicke eF ). Diese Ringe werden als Flanschringe berechnet, um (soweit möglich) korrekte Randmomente zu erhalten. Die Breite der Ringe sollte jedoch nicht zu groß sein, und sie sollten zumindest näherungsweise achsensymmetrisch sein.

-

Die zusätzliche Wirkung der Eigenlast bei vertikalen Rohrbündeln wird berechnet, indem die Biegung der Rohre berücksichtigt wird, welche normalerweise für diese Art von Belastung ausreichend ist, um die ganze Wirkung aufzunehmen. Nur bei sehr langen Rohrbündeln und/oder geringer Festigkeit der Rohre ist diese Annahme nicht erfüllt.

-

Die benötigten Flanschbolzen-Belastungen und Dichtungskräfte sind aus einer separaten Berechnung zu entnehmen, z. B. aus Anhang G oder aus Abschnitt 11. (Einige spezielle Effekte bei mit Flanschen versehenen Rohrbündeln werden bei diesen Verfahren nicht berücksichtigt, deshalb bleiben gewisse Ungenauigkeiten.)

-

Alle Festigkeitsberechnungen (außer der Berechnung auf Ermüdungslebensdauer, Unterabschnitt J.10) beruhen auf der Grenzbelastungs-Analyse (insofern progressiv), unter Verwendung des statischen Verfahrens (insofern entweder exakt oder konservativ).

-

Alle Berechnungsmodelle (mit Ausnahme der Nachweise für die Belastungsgrenze unberohrter Bereiche, Unterabschnitt J.9.3) sind achsensymmetrisch.

J.4.3 Berechnungsverfahren J.4.3.1 Erforderliche Prüfungen Sämtliche Rohrböden sind innerhalb des berohrten Bereiches und an dessen Rand auf Biegung zu prüfen (siehe J.9.1). Sämtliche Rohrböden sind auf Schubbeanspruchung am Rand des berohrten Bereiches zu prüfen (siehe J.9.2). Dünne Rohrböden sind auch auf lokale Belastung in den unberohrten Bereichen zu prüfen (siehe J.9.3). Dünne Rohrböden in vertikalen Rohrbündeln sind zusätzlich auf die Wirkung der Eigenlast zu prüfen (siehe J.9.4). Festkopf-Wärmeaustauscher ohne Kompensatoren sind darüber hinaus nach J.10 (Berechnung auf Ermüdungslebensdauer) auf Wechselbeanspruchung zu prüfen. Festkopf-Wärmeaustauscher mit Kompensatoren sind nicht nach J.10 zu prüfen, sondern ihr Kompensator muss nach Abschnitt 14 geprüft werden. Alle benötigten Flanschbolzen-Belastungen und Dichtungsdurchmesser sind aus einer geeigneten Berechnung für Rohrboden-Flansch-Verbindungen zu bestimmen. Solange ein solches spezielles Berechnungsverfahren nicht zur Verfügung steht, müssen die benötigten Daten entweder auf der Grundlage von Abschnitt 11 oder auf der Grundlage von Anhang G bestimmt werden. Für die Dichtungsdurchmesser dGC und dGS gilt Folgendes: Abschnitt 11: Für dGC und dGS ist der Wert von G an den Vorkammer- bzw. Schalendichtungen zu verwenden. Anhang G: Für dGC und dGS ist der Wert von dGe an den Vorkammer- bzw. Schalendichtungen zu verwenden. J.4.3.2 Zu berechnende Lastfälle J.4.3.2.1 Es müssen Grenzlastberechnungen (J.5 bis J.9) durchgeführt werden 648

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05) -

für alle Arten von Rohrbündeln

-

unter Verwendung aller in der Praxis möglichen Kombinationen von Auslegungsdrücken und zusätzlichen Auslegungslasten.

ANMERKUNG 1 Eine Beschränkung auf eine Berechnung für das absolute Maximum von PT - PS ist im allgemeinen nicht ausreichend. ANMERKUNG 2 Beachten Sie, dass die real möglichen Auslegungslasten (nicht die normalerweise einwirkenden Betriebslasten) zu verwenden sind.

J.4.3.2.2 Die Berechnung auf Ermüdungslebensdauer (J.10) ist durchzuführen -

nur für feste Rohrböden ohne Kompensator

-

unter Verwendung aller normalen gleichzeitig wirkenden Betriebsdrücke, zusätzlichen Lasten und Temperaturen.

ANMERKUNG 3 In vielen Fällen ist es ausreichend, die Berechnung nur für die ungünstigste Laständerung durchzuführen, welche durch den höchsten Wert von ∆PF aus Gleichung (J.10.2-2) gegeben ist. In anderen Fällen mit unterschiedlichen vergleichbaren Laständerungen, insbesondere wenn etwas höhere Lastwerte mit nur etwas geringeren Anzahlen von Lastzyklen verknüpft sind, kann es jedoch notwendig sein, mehrere Berechnungen durchzuführen und die Annehmbarkeit gemäß Unterabschnitt 17.7 zu prüfen. ANMERKUNG 4: Beachten Sie, dass die normalerweise einwirkenden Betriebslasten (nicht die real möglichen Auslegungslasten) zu verwenden sind.

J.4.3.3 Anwendung des Verfahrens J.4.3.3.1 Grundregeln Die Berechnung muss im korrodierten Zustand durchgeführt werden. Eventuell sind mehrere Iterationen erforderlich. Wenn sich die zwei Rohrböden in einem Rohrbündel hinsichtlich der Maße, des Werkstoffes oder der Randabstützungs-Bedingungen unterscheiden, muss für jeden Rohrboden eine separate Berechnung durchgeführt werden. Die Berechnung beginnt mit J.5.1. Wenigstens in J.5.2 muss ein Wert für die Rohrbodendicke eP angenommen werden. Anschließend ist - in Abhängigkeit vom Typ des Wärmeaustauschers - entweder der Unterabschnitt J.6 oder der Unterabschnitt J.7 zu verwenden. Die Unterabschnitte J.8 und J.9 sind in jedem Falle anzuwenden. ANMERKUNG: Viele Berechnungen in J.5 bis J.7 sind von eP unabhängig; es muss jedoch beachtet werden, dass lX und eF eventuell geändert werden müssen, wenn sich eP ändert; ebenso können fP und FB von eP abhängen. Um sicherzugehen, wird deshalb empfohlen, nach jeder Änderung von eP die Berechnungen zu wiederholen, beginnend bei J.5.2.

J.4.3.3.2 Hauptsächliche Schlussfolgerungen Wenn der berechnete Gesamt-Auslastungsgrad ΦP,t kleiner als 1,0 ist, so ist das Ergebnis annehmbar; die tatsächlich erforderliche Rohrbodendicke kann jedoch kleiner sein als die angenommene, und die Berechnung sollte unter Verwendung eines kleineren eP wiederholt werden. Wenn der berechnete Gesamt-Auslastungsgrad ΦP,t größer ist als 1,0, so ist das Ergebnis nicht annehmbar; die angenommene Rohrbodendicke eP muss erhöht werden, und die Berechnung ist zu wiederholen. J.4.3.3.3 Zusätzliche Regeln Falls für Rohrbündel mit festen Rohrböden ohne Kompensator die Ermüdungskriterien bestimmend sind, muss die Auslegung auf Unterabschnitt J.10 Berechnung auf Ermüdungslebensdauer beruhen. In diesen Fällen kann nicht nur eine größere Rohrbodendicke zu annehmbaren Ergebnissen führen; in manchen Fällen kann z. B. eine weniger steife Auslegung ebenfalls eine ausreichend verbesserte Auslegung darstellen.

649

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

J.5 Parameter für alle Typen J.5.1 Durchmesser und Breiten J.5.1.1 Außendurchmesser d1 des berohrten Bereiches J.5.1.1.1 Anhand der Rohrbodenkonstruktionszeichnung den Außendurchmesser des berohrten Bereiches wie folgt bestimmen:

d1(o) = 2·ro + dT (J.5.1-1) J.5.1.1.2 Die Anzahl NI der Rohre ermitteln, die innerhalb von d1 zwar nicht vorhanden sind, jedoch (I = im Idealfall) eingesetzt werden könnten: Zunächst die minimale Anzahl NI,min bestimmen, die in jedem Falle offensichtlich eingesetzt werden kann. Danach NI bis zur maximalen Anzahl NI,max erhöhen, welche durch die Begrenzung nach Gleichung (J.5.1-2) definiert ist.

d1(max) ≤ d1(o) .

(J.5.1-2)

Bild J-7 zeigt zwei kleine Beispiele, wie gezählt werden kann. J.5.1.1.3 Nach Gleichung (J.5.1-3) die den Zahlen NI entsprechenden Durchmesser d1 berechnen:

d1 = d1(min) d1 = 2 ⋅ p ⋅

für NI = NI,min

und

d1 = d1(max)

für NI = NI,max :

NT + NI π ⋅Θ

(J.5.1-3)

wobei zu verwenden ist:

Θ = 1,155 für eine dreieckige Rohranordnung, Θ = 1,000 für eine rechteckige Rohranordnung. J.5.1.1.4 Prüfen, ob die Bedingung nach Gleichung (J.1.5-2) tatsächlich erfüllt ist. Andernfalls muss NI,max korrigiert werden. Danach den folgenden Mittelwert berechnen:

d1(av) = 0,5·(d1(min) + d1(max))

(J.5.1-4)

J.5.1.1.5 Wenn die folgende Bedingung nach Gleichung (J.5.1-5) erfüllt ist,

d1(max) - d1(min) ≤ min( 1,5·p ; 0,05·d1(av) )

(J.5.1-5)

so ist d1 = d1(av) der gesuchte Wert, der in allen nachfolgenden Berechnungen zu verwenden ist. Falls die Bedingung nach Gleichung (J.5.1-5) nicht erfüllt ist, sollten alle nachfolgenden Berechnungen mindestens zweimal für die separaten Werte d1 = d1(min) und d1 = d1(max) ausgeführt werden, möglicherweise auch dreimal oder öfter mit Zwischenwerten von d1. Schließlich gilt dann das Ergebnis mit dem größten Auslastungsgrad oder der größten erforderlichen Plattendicke. ANMERKUNG: Die wiederholten Berechnungen können erforderlich sein, um die Ungenauigkeit zu minimieren, die sich daraus ergibt, dass Berechnungen, die für achsensymmetrische Bauteile gelten, für in Wirklichkeit nicht achsensymmetrische Bauteile durchgeführt werden.

650

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

bU

NT

NI,min NI,max

0

0

3

4

0

1

5

0

1

6

0

1

7

0

0

6

0

1

5

0

1

4

0

1

2

1

1

39

1

10

p d1 d2

bU

NT

p

NI,min NI,max

0

0

4

6

0

0

6

0

1

0

6

7

6

0

1

6

0

0

4

0

0

28

6

13

d1 d2

Bild J-7 – Bohren von Rohrböden, dreieckige und rechteckige Anordnung; Beispiele für NT, NI, d1 und bU

651

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05) d0

hP

hP

hR

wT

wP

eT

eT

eT

dT

a)

b)

hP = hR = hT = 0; w P = w R = w T = eT .

hT = 0; wR = 0; wT = eT.

c)

hT = 0; wP = 0.

hP

hT

hP

hT

hT

d0

wP

wP

wP

eT

eT

eT

dT

d)

e)

wT = 0.

f)

wT = 0.

hP = 0; wT = 0.

lX

lX

lX

d0

eT

eT

eT

dT

g)

h)

i)

Bild J-8 – Verbindungen Rohr/Rohrboden

652

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 2 (2002-06) J.5.1.2 Andere Durchmesser, Breiten und Parameter Der Außendurchmesser des beidseitig druckbeaufschlagten Rohrbodenbereichs wird wie folgt berechnet: d2 = min{ max(dC , dGC ); max(dS , dGS )}

(J.5.1-6)

Danach sind folgende Werte zu berechnen: bR = (d2 - d1 )/2

(J.5.1-7)

lR = 2·bR/d1

(J.5.1-8)

bS = { max(dC ; dGC ) - max(dS ; dGS ) }/2

(J.5.1-9)

lS = 2·bS/d2

(J.5.1-10)

ANMERKUNG Die Werte von bS und lS können positiv oder negativ sein; das Vorzeichen ist unbedingt zu beachten.

J.5.2 Rohrbodenbohrungen J.5.2.1 Effektive Rohrlöcher Der effektive Durchmesser der Rohrlöcher wird wie folgt ermittelt: d0,e = max{ d0 - 2·dX·AX/eP ; dT - 2·eT }

(J.5.2-1)

Dabei ist: @X = min{ 1,0 ; fT/fP }

(J.5.2-2)

AX = (l X + d T ·eT )·eT

(J.5.2-3)

Für geschweißte Rohr/Rohrboden-Verbindungen ist die Länge lX die Schweißnahthöhe hT am Rohr; für aufgeweitete Rohre ist es die aufgeweitete Länge lX ; beide Parameter sind in Bild J-8 dargestellt. ANMERKUNG Gleichung (J.5.2-1) kann nur berechnet werden, wenn eP bekannt ist; deshalb muss für das erste eP eine Annahme getroffen werden.

J.5.2.2 Parameter der äquivalenten geschwächten Platte Die relative Biegefestigkeit und die relative Schubfestigkeit kP sind wie folgt zu berechnen: jP = 1 - d0,e/p

(J.5.2-4)

Für jP < 0,50: k P = jP × (1 - jP )

(J.5.2-5)

Für jP ³ 0,50: kP = 0,50

(J.5.2-6)

J.6 Nicht durch Rohre gestützte Rohrböden J.6.1 Allgemeines ANMERKUNG 1 Bei folgenden Wärmeaustauschertypen wird der Rohrboden nicht durch die Rohre abgestützt: U-Rohr-Wärmeaustauscher (Bild J-1); Wärmeaustauscher mit durch Kappen verschlossenen Rohren und einem einzigen Rohrboden, z. B. elektrische Heizgeräte; Wärmeaustauscher mit allgemein gekrümmten Rohren und einem, zwei oder mehr Rohrböden.

653

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 7 (2003-07)

ANMERKUNG 2 Für die späteren Berechnungen werden die aktiven Axialkräfte durch entsprechende aktive Drücke (PD , PR ; Kräfte pro Flächeneinheit des Rohrbodens) ausgedrückt. Reaktive Kräfte wirken an nicht gestützten Rohrböden nicht (oder sind vernachlässigbar; daher ist PQ = PD ). Der Momentverteilungsparameter η wird für spätere Berechnungen benötigt.

J.6.2 Aktive Drücke J.6.2.1 Direkte Fluiddruckdifferenz am gesamten Rohrboden:

PD = PT - PS

(J.6.2-1)

J.6.2.2 Resultierender Schubkraftdruck am Außenrand des berohrten Bereiches

PR = PD

(J.6.2-2)

J.6.3 Bestimmender Druck und Verteilungsparameter PQ = PD

(J.6.3-1)

 12 ⋅ κ P ⋅ ϕ P ⋅ f P ⋅ eP 2 η 2 = min 1; 2  PD ⋅ d 1 

   

(J.6.3-2)

Nach diesem Unterabschnitt ist die Berechnung mit Unterabschnitt J.8 fortzusetzen. Bis zu dieser Stelle wurde die Rohrbodendicke nur in den Gleichungen (J.5.2-1) und (J.6.3-2) benötigt. Unter Beachtung dieser Ausnahmen sind alle späteren iterativen Rücksprünge auf Unterabschnitt J.8.3 und die folgenden Unterabschnitte beschränkt. Diese Regel gilt nicht für die Wiederholung vollständiger Berechnungen mit unterschiedlichen Durchmessern d1 (siehe J.5.1.1.5).

J.7 Durch gerade Rohre gestützte Rohrböden J.7.1 Allgemeines und konstante Parameter J 7.1.1 Geltungsbereich ANMERKUNG 1: Bei folgenden Typen von Wärmeaustauschern werden die Rohrböden durch die Rohre abgestützt: Wärmeaustauscher mit eingetauchtem Schwimmkopf; mit außen abgedichtetem Schwimmkopf; mit innen abgedichtetem Schwimmkopf; mit festen Rohrböden mit Kompensator; mit festen Rohrböden ohne Kompensator. (Bilder J-2 bis J-6) ANMERKUNG 2: Für die späteren Berechnungen werden die aktiven Axialkräfte durch entsprechende aktive Drücke (PD , PE , PR ; Kräfte pro Flächeneinheit des Rohrbodens) ausgedrückt. Reaktive Drücke an den Rohrböden (QA , QI , hervorgerufen durch Axialkräfte in den Rohren) können die bestimmende resultierende effektive Axialkraft PQ verringern. Die Kraft- und Momentverteilungsparameter ζ und η werden für die Bestimmung von PQ und für spätere Berechnungen benötigt.

J.7.1.2 Relative Flächen in dem berohrten Bereich Die relativen mit Fluiddruck beaufschlagten Flächen im berohrten Bereich sind:  d − 2 ⋅ eT   xT = 1 − NT ⋅  T  d1   d  xS = 1 − NT ⋅  T   d1 

654

2

(J.7.1-1)

2

(J.7.1-2)

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

Die Differenz zwischen den beiden Flächen ist die relative Querschnittsfläche der Rohre im berohrten Bereich:

ϑ = xT - xS = 4·NT·(dT - eT)·eT/d12

(J.7.1-3)

J.7.1.3 Knicklänge der Rohre Die Knickbelastung der Rohre wird mittels der Knicklänge lT,K ausgedrückt. Diese Länge ist von der Abstützung durch die Leitbleche, jedoch nicht von den Belastungen abhängig. Die Knicklänge ist für das ungünstigste Rohr im Rohrbündel zu bestimmen, welches das Rohr mit der größten Knicklänge ist. Bild J-9 zeigt, wie die effektive Anzahl von abstützenden Leitblechen NB,e zu bestimmen ist, in Abhängigkeit von der wahren Gesamtzahl NB,t. Falls, anders als im Bild J-9, alle Leitbleche alle Rohre stützen, gilt NB,e = NB,t . In Abhängigkeit von der effektiven Anzahl NB,e wird die Knicklänge wie folgt bestimmt: Für NB,e = 0:

lT,K = 0,50·LT (J.7.1-4) Für NB,e = 1 und lC ≤ lA :

l T,K = 0,250 ⋅ l A 2 + 0,106 ⋅ l A ⋅ l C + 0,132 ⋅ l C 2

(J.7.1-5)

655

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05) LT

NB,e = 0

NB,t = 0

LT

NB,e = 0

LT

NB,e = 0

NB,t = 1

lA

lC

NB,e = 1

lA

lC

NB,e = 1

NB,t = 2

lA

lC

lA

NB,e = 1

lC

NB,e = 1

NB,t = 3

lA

lB

lA

lC

lB

NB,e = 2

lC

NB,e = 2

NB,t = 4

lA

lB

lA

lC

lB

NB,e = 2

lC

NB,e = 2

NB,t = 5

lA

lB

lB

lC

NB,e = 3

Bild J-9 – Definition der Rohrbereichslängen lA, lB, lC, im wesentlichen für das Knicken

656

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05) Für NB,e ≥ 2:

lT,K = max{ 0,70·lA ; Y·lB ; 0,70·lC }

(J.7.1-6)

Für lC ≤ lA :

λA = lA/lB = lA:lB

(J.7.1-7)

λC = lC/lB = lC:lB (J.7.1-8) Y = C0 + CA ⋅ λA + CC ⋅ λC + CAA ⋅ λA 2 + CAC ⋅ λA ⋅ λC + CCC ⋅ λC2

(J.7.1-9)

Die Koeffizienten C0 bis CCC sind in Tabelle J-1 angegeben. Die Auswertung der Gleichung (J.7.1-9) ist für λA > 1,43 nicht erforderlich. Dann kann Y = 1,00 angenommen werden, was in diesen Fällen nicht bestimmend ist. ANMERKUNG 3: Im allgemeinen Fall ist 0,50 ≤ Y ≤ 1,00.

Für NB,e > 10 ist zu verwenden:

Y = 1,00

(J.7.1-10)

ANMERKUNG 4: Die angegebene Bestimmung der Knicklänge lT,K beruht auf neuen Berechnungen. Sie unterscheidet sich von der in Unterabschnitt 13.9; weshalb eine von lT,bk verschiedene Bezeichnung gewählt wurde. {Bem.: Das tiefgestellte Symbol "K" weist auf "Knickung" hin.} ANMERKUNG 5: Falls erforderlich, kann die Voraussetzung lC ≤ lA leicht erfüllt werden, indem lC und lA miteinander vertauscht werden. ANMERKUNG 6: Bei innen abgedichteten Schwimmköpfen muss, wenn ein Knicken des Rohres in Verbindung mit einer gleichzeitigen Verdrehung des gesamten Rohrbündels nicht durch Konstruktionseinzelheiten verhindert wird (z. B. eine Schraube in einer Längsnut), abweichend von der angegebenen Bestimmung immer lT,K = 1,0·LT angenommen werden.

Tabelle J-1 – Koeffizienten zur Bestimmung von Knicklängen

NB,e

=

2

C0

=

0,2500

0,4888

0,6635

0,7723

0,8391

0,8816

0,9092

0,9292

0,9431

3

4

5

6

7

8

9

10

CA

=

0,106

0,102

0,069

0,039

0,029

0,015

0,011

0,009

0,007

CC

=

0,114

0,110

0,067

0,039

0,029

0,015

0,011

0,009

0,007

CAA =

0,132

0,091

0,069

0,057

0,038

0,032

0,024

0,018

0,014

CAC =

0,000

0,000

0,000

0,000

0,000

0,000

0,000

0,000

0,000

CCC =

0,080

0,010

0,000

0,000

0,000

0,005

0,005

0,004

0,004

J.7.1.4 Effektive Nahthöhen der Schweißnähte am Rohrende Für die verschiedenen Formen von Rohr-Rohrboden-Schweißnähten (siehe Bild J-8) werden in den folgenden Berechnungen drei verschiedene effektive Nahthöhen (unabhängig von den Belastungen) verwendet, wie folgt:

aT,P =

0,6 ⋅ hP2 + wP2

hP2 + wP2

(J.7.1-11)

657

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 7 (2003-07)

0,6 ⋅ hR + wR 2

a T,R =

hR + wR 2

0,6 ⋅ hT + wT h T + wT 2

(J.7.1-12)

2

2

a T, T =

2

2

(J.7.1-13)

2

Falls in Bild J-8 hR und/oder wR nicht definiert sind, ist für diese Werte der Mittelwert zwischen Platte und Rohr zu verwenden:

hR = (hP + hT)/2

(J.7.1-14)

wR = (wP + wT)/2

(J.7.1-15)

J.7.2 Aktive direkte Drücke Direkte Fluiddruckdifferenz am gesamten Rohrboden:

PD = PT - PS

(J.7.2-1)

Effektive Fluiddruckdifferenz im berohrten Bereich des Rohrbodens:

PE = PT·xT - PS·xS

(J.7.2-2)

J.7.3 Rohrabstützung J.7.3.1 Zulässige Längsspannungen in den Rohren J.7.3.1.1 Die zulässige Zugspannung in Längsrichtung in den Rohren wird wie folgt berechnet:

f T,t = f T −

PS ⋅ d T

(J.7.3-1)

2 ⋅ eT

Ist fT,t negativ, ist die Rohrbelastung durch den Fluiddruck PS zu groß, und die Rohre müssen neu ausgelegt werden. J.7.3.1.2 Die zulässige Druckspannung in Längsrichtung in den Rohren wird wie folgt berechnet:

fT,c = σ T(P) +

fT − σ T(P) 2

(J.7.3-2)

2   l   1,216 ⋅ 1,30 ⋅ fT − σ T(P) ⋅  T,K   1+   dT − eT    ET

(

)

Dabei ist

σ T(P) =

PS ⋅ d T 2 − PT ⋅ (d T − 2 ⋅ eT )2 6 ⋅ (d T − eT ) ⋅ eT

(J.7.3-3)

ANMERKUNG 1 Ist fT,c negativ, könnten die Rohre infolge des Fluiddruckes PT knicken, selbst ohne eine axiale Druckkraft. Dann stützen die Rohre die Rohrböden nicht, sondern belasten sie zusätzlich. Eine solche Situation ist ungünstig, jedoch nicht unzulässig. Es ist Vorsicht geboten. ANMERKUNG 2 Diese Berechnung der zulässigen Druckspannung in Längsrichtung der Rohre beinhaltet eine höhere Sicherheit und ist insofern konservativer als die in 13.9.3, da hier eine Grenzlastberechnung angewendet wird.

658

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

J.7.3.2 Berechnete Auslegungsspannung für die Verbindung Rohr/Rohrboden J.7.3.2.1 Für nur geschweißte Rohrenden ist die Auslegungsspannung für die Verbindung wie folgt zu berechnen:

fX = fXW = min( fP·aT,P ; fR·aT,R ; fT·aT,T )/eT

(J.7.3-4)

Dabei ist:

fR = (fP + fT)/2

(J.7.3-5)

J.7.3.2.2 Für nur aufgeweitete Rohrenden ist die Auslegungsspannung für die Verbindung wie folgt zu berechnen:

fX = fXE = 2·fT·lX·µX/(dT - eT)

(J.7.3-6)

Dabei ist zu verwenden: µ = 0,25 für Rohrlöcher ohne Nut; µ = 0,35 für Rohrlöcher mit einer Nut; µ = 0,50 für Rohrlöcher mit zwei oder mehr Nuten. Bild J-8 zeigt einige typische aufgeweitete Verbindungen, bei denen z. B. die Länge lX dargestellt ist. J.7.3.2.3 Für aufgeweitete und geschweißte Rohrenden kann die Auslegungsspannung für die Verbindung wie folgt angesetzt werden:

fX = fXW + 0,6·fXE

(J.7.3-7)

ANMERKUNG Wenn die Aufweitungslänge groß ist und die Aufweitung nach der Schweißung erfolgt, so ist anstelle des Faktors 0,6 in Gleichung (J.7.3-7) ein erhöhter Faktor 0,8 ... 1,0 gestattet.

J.7.3.3 Zulässige Axialkräfte pro Flächeneinheit des Rohrbündels [Qt ] = ϑ·min{ fT,t ; fX }

(J.7.3-8)

[Qc] = ϑ·min{ fT,c ; fX }

(J.7.3-9)

ANMERKUNG Normalerweise ist -[Qc ] < +[Qt ]. Ist diese Bedingung in Ausnahmefällen nicht erfüllt (fT,c < 0 ), so ist das Rohrbündel überlastet und muss neu ausgelegt werden.

J.7.4 Reaktive Drücke Die erwarteten reaktiven Axialkräfte pro Flächeneinheit des Rohrbündels im berohrten Bereich sind QI im inneren Bereich und QA im äußeren Bereich. Sie sind wie folgt zu bestimmen: Für PE > +[Qc ]:

QI = -[Qc ]

(J.7.4-1)

QA = +[Qt ]

(J.7.4-2)

Für -[Qt ] ≤ PE ≤ +[Qc ]:

QI = -PE

(J.7.4-3)

Für PR > 0:

QA = +[Qt ]

(J.7.4-4)

Für PR < 0:

QA = -[Qc ]

(J.7.4-5)

659

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 2 (2002-06) Für PE < -[Qt ]: QI = +[Qt ]

(J.7.4-6)

QA = -[Qc ]

(J.7.4-7)

J.7.5 Aktiver resultierender Druck J.7.5.1 Allgemeines Die resultierende aktive axiale Schubkraft am Außenrand des berohrten Bereiches wird durch einen entsprechenden Druck PR ausgedrückt. Sie ist eine aktive Last für alle Typen, mit Ausnahme von Festkopf-Wärmeaustauschern ohne Kompensator, bei denen auch reaktive Kräfte mit in PR enthalten sind. J.7.5.2 Wärmeaustauscher mit eingetauchtem Schwimmkopf (siehe Bild J-2) PR = +PD = +PT - PS

(J.7.5-2)

J.7.5.3 Wärmeaustauscher mit außen abgedichtetem Schwimmkopf (dK in Bild J-3 dargestellt) PR = +PD + PS·(dK/d1)2 = +PT + PS·{(dK/d1)2 - 1}

(J.7.5-3)

J.7.5.4 Wärmeaustauscher mit innen abgedichtetem Schwimmkopf (dK in Bild J-4 dargestellt) PR = -PD·{(dK/d1)2 - 1}= +(PS - PT)·{(dK/d1)2 - 1}

(J.7.5-4)

J.7.5.5 Festkopf-Wärmeaustauscher mit Kompensator (dK in Bild J-5 dargestellt) PR = + PD + PS·(dK/d1)2 = +PT + PS·{(dK/d1)2 - 1}

(J.7.5-5)

J.7.5.6 Festkopf-Wärmeaustauscher ohne Kompensator (siehe Bild J-6) Hier ist PR statisch unbestimmt. Im Folgenden werden nur die extremen möglichen und zulässigen Werte angegeben. Die späteren Berechnungen können unter Verwendung eines beliebigen Wertes PR zwischen den angegebenen Extremwerten durchgeführt werden; es ist dann das günstigste Endergebnis zu verwenden. Es wird empfohlen, die erste Berechnung für PR = 0 durchzuführen, falls dies möglich ist (falls PR,min < 0 und PR,max > 0). ANMERKUNG Die erwähnte Optimierung der axialen Resultierenden PR ist korrekt, wenn die Dichtigkeit von Rohrboden-Flanschverbindungen nicht beachtet wird. Falls keine solchen Flanschverbindungen vorhanden sind, gibt es keine Zweifel; andernfalls ist eine gewisse Vorsicht empfehlenswert. Ein vollständigeres Berechnungsverfahren steht noch nicht zur Verfügung.

PR,max = min{ PE + [Qt ] ; ( FR + [Fc] )/AR }

(J.7.5-6)

PR,min = max{ PE - [Qc ] ; ( FR - [Ft ] )/AR }

(J.7.5-7)

In diesen Gleichungen werden die folgenden Parameter verwendet: AR = d12·F/4 FR = PD·AR +

(J.7.5-8) PS·dS2·F/4

=

{ PT·d12

+

PS·(dS2

-

d12) }·F/4

(J.7.5-9)

Die zulässige axiale Zug- und Druckkraft in der Schale ([Ft ] und [Fc ]) sollte nach 16.14 bestimmt werden. Aus praktischen Gründen sind die entsprechenden Formeln nachfolgend angegeben: [Ft ] = F·dS·eS·[ISxt ]·min{ 1; 1 + PS/[PSi ] }

(J.7.5-10)

[Fc] = F·dS·eS·[ISxt ]·min{ [ISxc]/[ISxt ]; 1 - PS/[PSi ] ; 1 + PS/[PSe] - PS/(2·[PSi ]) }

(J.7.5-11)

In diesen Formeln werden die folgenden zusätzlichen Symbole verwendet: [PSi ]

660

zulässiger Fluid-Innendruck für die Schale; [PSi ] = Pmax(Unterabschnitt 7.4)

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 7 (2003-07)

[PSe]

zulässiger Fluid-Außendruck für die Schale;

[PSc] = Pe,max(Unterabschnitt 16.14)

[σSxt ]

zulässige Zugspannung in Längsrichtung in der Schale;

[σSxt ] = fS

[σSxc]

zulässige Druckspannung in Längsrichtung in der Schale;

[σSxc] = σc,all(Unterabschnitt 16.14)

J.7.6 Bestimmender Druck (P0), der die resultierende effektive Axialkraft repräsentiert J.7.6.1 Resultierende der aktiven und reaktiven Axialkräfte pro Flächeneinheit im Rohrbündel

PI = PE + QI

(J.7.6-1)

PA = PE + QA

(J.7.6-2)

ANMERKUNG Falls die Festigkeit der Rohre genügend groß ist, um die optimale Abstützung für die Rohrböden zu gewährleisten, ist PI = 0. Auch wenn dieses Optimum nicht erreicht wird, kann das Rohrbündel eine ausreichend gute Auslegung aufweisen.

J.7.6.2 Kraftverteilungsparameter Der Kraftverteilungsparameter ζ ist wie folgt zu berechnen:

ζ = (PA - PR)/(PA - PI) 2

(J.7.6-3)

Eine notwendige Minimalanforderung an die Festigkeit des Rohrbündels ist: 0 ≤ ζ ≤ 1 2

(J.7.6-4)

Ist diese Anforderung nicht erfüllt, so ist das Rohrbündel nicht in der Lage, den aktiven Belastungen standzuhalten, und muss neu ausgelegt werden. J.7.6.3 Bestimmender Druck J.7.6.3.1 Die bestimmende resultierende effektive Axialkraft wird durch den Druck PQ repräsentiert; sie hängt vom Kraftverteilungsparameter ζ und vom Momentverteilungsparameter η. ab. PQ und η sind gleichzeitig mit Hilfe des folgenden Algorithmus zu bestimmen: Zuerst berechnen:

η min = 2

12 ⋅ κ P ⋅ ϕ P ⋅ f P ⋅ eP PA ⋅ d 1

2

2

(J.7.6-5)

J.7.6.2 Spezialfall PI > 0 und ζ > ηmax Berechnen:

η

2 max

=η

2 min·PA/PI

(J.7.6-6)

Falls tatsächlich ζ > ηmax ist, so sind die folgenden Ergebnisse zu verwenden, und mit der Berechnung ist in J.8 fortzufahren; andernfalls ist mit J.7.6.3 fortzufahren.

η = ηmax = ηmax 2

(J.7.6-7)

PQ = (PA - PI )·{1 - ζ + ζ ·lnζ } + PI 2

2

2

(J.7.6-8)

661

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05) J.7.6.3 Andere Fälle Die folgenden Hilfsparameter berechnen:

u = ζ2·PI/PA

(J.7.6-9)

v = η2min - u

(J.7.6-10)

Einen Anfangswert w = 1,5 annehmen und berechnen:

η 2 = ς 2 + [(v − u ⋅ w ) / 2] +

[(v − u ⋅ w ) / 2]2 + ς 2 ⋅ v ⋅ w

(J.7.6-11)

Genauer bestimmen

w = 2·(η/ζ + 1)/(η/ζ + 2)

(J.7.6-12)

und η erneut mit Hilfe der Gleichung (J.7.6-11) berechnen. 2

ANMERKUNG Die Gleichungen (J.7.6-11) und (J.7.6.12) können als iterativer Zyklus bis zu einer beliebigen Genauigkeit behandelt werden; der vorgeschlagene Algorithmus ohne Wiederholung von Gleichung (J.7.6-12) ist jedoch für praktische Zwecke ausreichend genau.

WENN η < 1,0 DANN

verwende η als bestimmt und berechne

2

PQ = (PA - PI )·{1 - 3·ζ + 2·ζ /η + ζ2·lnη2 } + PI 2

SONST (η ≥ 1,0) 2

3

(J.7.6-13)

setze

η = 1,0

(J.7.6-14)

und berechne

PQ = (PA - PI )·{1 - 3·ζ2 + 2·ζ3 } + PI

(J.7.6-15)

ENDE

J.8 Randbiegemomente Die Bilder J-10 bis J-13 zeigen (schematisch vereinfacht) vier wesentliche unterschiedliche Randkonfigurationen, jeweils in zwei Varianten ( bS > 0 Vorkammerseite; bS < 0 Schalenseite). Auf diese Bilder wird bei der folgenden Bestimmung von MA , MB , MC , MD Bezug genommen.

J.8.1 MA = aktives Biegemoment durch Schraubenbelastung Randkonfiguration gemäß Bild J-10: Beidseitig verschweißter Rohrboden (keine Dichtung):

MA = 0

(J.8.1-1)

Randkonfiguration gemäß Bild J-11: Beidseitig angeflanschter Rohrboden (zwei Dichtungen)

MA = -FB·bS/(π·d2)

662

(J.8.1-2)

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 2 (2002-06)

dC = d2 + 2·|bS|

eC

PT

PT

bF PT eF

bS

eC

eF

bR

dC = d2

PS

PS bF

dS = d2

bR

PS |bS|

dsdC = d2 + 2·|bS|

eS

a)

eS

b)

Bild J-10 – Beidseitig verschweißter Rohrboden (keine Dichtung)

FB

FB

dC

dC

FGC

dGC = d2 + 2·b bS

PT

dGC = d2 FGC

bF PT

FGC

eF

PT

bS

PS dGS = d2

eF

bR

FGC

PS

FGS

bR

bF

FGS

|bS|

dGS = d2 + 2·|bS|

FGS

FGS

dS

dS FB

a)

PS

FB

b)

Bild J-11 – Beidseitig angeflanschter Rohrboden (zwei Dichtungen)

663

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

FB

dC

FGC

dGC = d2 + 2·b bS bS PT

bF FGC

eF

PT

FGC

eF

PT

FGC

dGC = d2

eF

bR

FB

dC

PS

PS

PS

FB

FB bR

bF dS = d2

eS

|bS|

dS = d2 + 2·|bS|

a)

eS

b)

Bild J-12 – Vorkammerseitig angeflanschter Rohrboden (eine Dichtung)

dC = d2 + 2·b bS

eC bR

bF

bS

dC = d2

eC

FB

FB PT PS

PS

PS

FGS bF

dGS = d2

bR

PS

eF

PT eF

PT

FGS

|bS|

dGS = d2 + 2·|bS|

FGS

FGS

dS

dS FB

a)

FB

b)

Bild J-13 – Schalenseitig angeflanschter Rohrboden (eine Dichtung)

664

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 2 (2002-06) Randkonfiguration gemäß Bild J-12: Vorkammerseitig angeflanschter Rohrboden (eine Dichtung): MA = +FB·(d3e - dGC)/(2·p·d2)

(J.8.1-3)

Randkonfiguration gemäß Bild J-13: Schalenseitig angeflanschter Rohrboden (eine Dichtung): MA = -FB·(d3e - dGS)/(2·p·d2)

(J.8.1-4)

Dabei ist: d3e = d3·(1 - 2/nB2)

(J.8.1-5)

J.8.2 MB = aktives Biegemoment durch Fluiddruck Für alle Fälle mit ½lS½ < 0,05 kann einfach MB = 0 angenommen werden. Genauer: Alle Randkonfigurationen mit bS > 0, lS > 0: MB = +PT·(d2 + 2·bS)·bS/4

(J.8.2-1)

Alle Randkonfigurationen mit bS < 0, lS < 0: MB = +{PS·(d2 - 2·bS) + (PD - PR)·d12/d2 }·bS/4

(J.8.2-2)

J.8.3 MC = reaktives Biegemoment von verbundenen Bauteilen Randkonfiguration gemäß Bild J-10: Beidseitig verschweißter Rohrboden (keine Dichtung): f ×e 2 MC = F F 4

2

æP ×d ö æP ×d ö æ 2 × bF ö eC2 e 2 ÷÷ + × fC2 - 3 × çç T C ÷÷ + S × fS2 - 3 × çç S S ÷÷ × çç 4 4 è d2 ø è 4 × eC ø è 4 × eS ø

2

(J.8.3-1)

Randkonfiguration gemäß Bild J-11: Beidseitig angeflanschter Rohrboden (zwei Dichtungen): f ×e 2 MC = F F 4

æ 2 × bF ö ÷÷ × çç è d2 ø

(J.8.3-2)

Randkonfiguration gemäß Bild J-12: Vorkammerseitig angeflanschter Rohrboden (eine Dichtung): f ×e 2 MC = F F 4

æP ×d ö æ 2 × bF ö eS2 ÷÷ + × fS2 - 3 × çç S S ÷÷ × çç 4 è d2 ø è 4 × eS ø

2

(J.8.3-3)

Randkonfiguration gemäß Bild J-13: Schalenseitig angeflanschter Rohrboden (eine Dichtung): f ×e 2 MC = F F 4

æP ×d ö æ 2 × bF ö eC2 ÷÷ + × fC2 - 3 × çç T C ÷÷ × çç d 4 è 2 ø è 4 × eC ø

2

(J.8.3-4)

J.8.4 MD = Begrenzung des reaktiven Biegemoments durch den Rohrboden Für alle Randkonfigurationen gilt dieselbe Begrenzung: MD

fP × eP,red 2 ìï = × í1 4 ïî

æ PR × d 2 ç ç2×f ×e P P,red è

ö ÷ ÷ ø

2ü

ï ý ïþ

(J.8.4-1)

665

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 2 (2002-06) ANMERKUNG Wenn der gesamte Rohrboden dieselbe konstante Dicke aufweist, gilt eP,red = eP .

J.8.5 Resultierendes optimales Randbiegemoment Das resultierende Biegemoment M2 (im Rohrboden pro Kreislängeneinheit am Durchmesser d2 ) kann innerhalb des Intervalls M2,min £ M2 £ M2,max variieren. Infolge geringer plastischer Verformungen ist der reale Wert M2 eine Näherung für einen Wert M2,opt , welcher für die Grenzbelastung optimal ist. Diese Werte werden wie folgt berechnet: M2,max = min{ MA + MB + MC ; +MD }

(J.8.5-1)

M2,min = max{ MA + MB - MC ; -MD }

(J.8.5-2)

M 2,opt =

2 PQ ì ü - d1 2 ×í + PR × l R + PD × l R × 1 + l R / 3ý 8 × 1 + l R  î 2 × 2 + k P  þ

M2 = max{ M2,min ; min( M2,opt ; M2,max )}

(J.8.5-3) (J.8.5-4)

Dabei ist der modifizierte Festigkeitsparameter kP wie folgt definiert: kP = kP·(1 - lnh2)

(J.8.5-5)

ANMERKUNG Man beachte, dass wegen h2 £ 1,0 stets gilt lnh2 £ 0 und kP ³ kP.

J.8.6 Druck, welcher das Moment repräsentiert PM = M2·8·(1 + lR)/d12 + PR·lR + PD·lR2·(1 + lR/3)

(J.8.6-1)

J.9 Grenzlastbedingungen für sämtliche Rohrböden J.9.1 Biegung innerhalb des berohrten Bereiches Die erforderlichen Belastungsparameter und anschließend den Auslastungsgrad für das Biegen .B berechnen. L1 =

3 * PQ



3 × PQ + PM × (2 - l R ) + PM × l R

L2 = L3 =

(J.9.1-1)

2 + kP  * jP

1 + k P  × j P + l R



PQ + PQ + PM × 6

(J.9.1-3)

jP + lR

.B = max L1; L2; L3  ×

(J.9.1-2)

d12 12 × fP × eP2

£ 1,0

(J.9.1-4)

J.9.2 Schubbeanspruchung am Rand des berohrten Bereiches Der Auslastungsgrad bei Schubbeanspruchung am Rand des berohrten Bereiches ist wie folgt zu berechnen:

FS =

666

PR × d 1 2 × j P × f P × eP

£ 1,0

(J.9.2-1)

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

J.9.3 Örtliche Belastung nicht berohrter Bereiche Die folgende zusätzliche Prüfung auf örtliche Belastung unberohrter Bereiche ist nur für dünne Rohrböden erforderlich, z. B. für PR < PD·2·bU/d1 ; sie ist nur für PI = 0 anwendbar. Eine solche Situation kann im allgemeinen bei Festkopf-Wärmeaustauschern ohne Kompensator sowie bei Wärmeaustauschern mit innen abgedichtetem Schwimmkopf vorliegen. Die folgende Prüfung ist örtlich und unabhängig von den in J.9.1, J.9.2 und J.9.4 durchgeführten Gesamtprüfungen. Wenn PD < 0:

m2 =

q=

+4 ⋅ M 2,max

(J.9.3-1)

fP ⋅ eP 2

(1,1 ⋅ [Q t ] + PE ) ⋅ 4 ⋅ bU 2

(J.9.3-2)

fP ⋅ eP 2

Wenn PD > 0:

m2 =

q=

−4 ⋅ M 2,min

(J.9.3-3)

f P ⋅ eP 2

(1,1 ⋅ [Qc ] − PE ) ⋅ 4 ⋅ bU 2

(J.9.3-4)

f P ⋅ eP 2

Die Randbiegemomente M2,max und M2,min sind durch die Gleichungen (J.8.5-1) bzw. (J.8.5-2) gegeben. Die Breite bU ist der Konstruktionszeichnung des Rohrbodens zu entnehmen (siehe Bild J-7). Falls dies in Ausnahmefällen nicht möglich ist, ist in jedem Falle bU ≥ 1,5·bR anzunehmen. Dabei ist anzumerken, dass die Breite bU in manchen Fällen für die erforderliche Rohrbodendicke eP bestimmend sein kann. Bestimmender Parameter und Auslastungsgrad:

χ (1) = ϕ P + m 2 + 2 ⋅ q ⋅ ϕ P   1 + ϕP χ (2) =  + 1 + m2   1 + 2 ⋅ χ (1) / q 

(J.9.3-5) 2

χ = min{ χ(1) ; χ(2) } ΦU =

2 2 ⋅ PD ⋅ bU

χ ⋅ fP ⋅ eP2

(J.9.3-6) (J.9.3-7)

≤ 1,0

(J.9.3-8)

J.9.4 Zusätzliche Wirkung der Eigenlast Die Wirkung der Eigenlast muss bei vertikalen Rohrbündeln mit dünnen Rohrböden berücksichtigt werden, z. B. für eP/d2 < 0,02; sie kann auch bei dickeren Rohrböden betrachtet werden.

667

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05) Die Kraft FW umfasst die Eigenlasten aller Bauteile und Fluide, die vom Rohrboden getragen werden. Bei einem Wärmeaustauscher mit Festkopf-Rohrböden und ohne Kompensator kann davon ausgegangen werden, dass die Gesamteigenlast gleichmäßig auf beide Rohrböden verteilt ist.

ΦW =

2 ⋅ FW ⋅ λR

π ⋅ (ϕP + λR )⋅ fP ⋅ eP2

≤ 1,0

(J.9.4-1)

J.9.5 Zusammenwirken verschiedener Belastungen Die folgende Endbedingung muss erfüllt sein:

ΦP,t = max{ ΦB + ΦW ; ΦS ; ΦU } ≤ 1,0

(J.9.5-1)

Falls diese Bedingung nicht erfüllt ist, so ist die Berechnung von den Unterabschnitten 5.2 bis 9.5 mit einer größeren Rohrbodendicke eP = eP,neu zu wiederholen, welche wie folgt angesetzt werden kann:

eP,neu ≥ (eP,alt)·(ΦP,t )0,5...1,0

(J.9.5-2)

Diese Gleichung kann auch verwendet werden, um eine neue, verringerte Rohrbodendicke zu schätzen, falls der Gesamtauslastungsgrad kleiner als 1,0 ist. Dann ist auch die Berechnung zu wiederholen. ANMERKUNG 1 In Gleichung (J.9.5-2) hängt der Exponent vom bestimmenden Auslastungsgrad ab; der Wert 1,0 gilt nur, wenn ΦS bestimmend ist. ANMERKUNG 2 In der neuen Berechnung sollte die Tatsache benutzt werden, dass nicht alle Werte gegenüber der früheren (alten) Berechnung geändert sind.

J.10 Berechnung auf Ermüdungslebensdauer für Festkopf-Wärmeaustauscher ohne Kompensator J.10.1

Ausnahme

Eine Berechnung auf Ermüdungslebensdauer muss nicht durchgeführt werden, wenn die nachstehende Bedingung erfüllt ist: αT·tT - αS·tS < 0,2·10

-3

(J.10.1-1)

J.10.2 Vereinfachte Berechnung auf Ermüdungslebensdauer Eine ausführliche Berechnung auf Ermüdungslebensdauer muss nicht durchgeführt werden, wenn eine vereinfachte Berechnung auf Ermüdungslebensdauer ergibt, dass die nachstehende Bedingung erfüllt ist:  e 0,5 ⋅ bR 2 ∆PF <  2 ⋅ P +  LT L T ⋅ eP 

 ϑ ⋅ ∆σ R ⋅  K e2 

(J.10.2-1)

In dieser Gleichung ist die Schwingbreite des fiktiven Druckes festgelegt durch:

∆PF = ET·ϑ·(αT·tT - αS·tS) - ∆PT·(xT + 2·λR + 2·νT·(1 - xT + ϑ/4) + β)} + + ∆PS·(xS + 2·λR + 2·νT·(1 - xS - ϑ/4) + 2·β·νS)}

(J.10.2-2)

Dabei ist:

β =

668

ϑ ⋅ ET ⋅ dS 4 ⋅ E S ⋅ eS,av

(J.10.2-3)

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

Die effektive Spannungs-Dehnungsformzahl Ke2 ist Bild J-14 zu entnehmen. Die zulässige fiktive Spannungsschwingbreite ∆σR wird wie folgt berechnet:

 40000  ∆σ R = f e ⋅ f t* ⋅  + 200  MPa  N  C  

(J.10.2-4)

Die Korrekturfaktoren fe und ft* zur Berücksichtigung von Rohrbodendicke bzw. Temperatur sind aus Abschnitt 18 zu entnehmen. ANMERKUNG Der Einfachheit halber sind nachfolgend die Formeln aus Abschnitt 18 (in einer komprimierteren Schreibweise) angegeben:

f e = Fe ( 0,1∗ln(NC / 100 ))

(J.10.2-5)

Dabei ist

Fe = min{1,0; max[(25mm/eP)0,182 ; 0,722]}

(J.10.2-6)

Für ferritische Werkstoffe gilt:

ft* = min{1,0; 1,030 - 0,015·(t*/100oC) - 0,015·(t*/100oC)2}

(J.10.2-7)

Für austenitische Werkstoffe gilt:

ft* = min{1,0; 1,043 - 0,043·(t*/100oC)}

(J.10.2-8)

Die Auslegungstemperatur des Rohrbodens ist:

t* = 0,75·tP,max + 0,25·tP,min

J.10.3

(J.10.2-9)

Ausführliche Berechnung auf Ermüdungslebensdauer

J.10.3.1 Parameter Die charakteristische Länge (für die Wirkung der Randlasten des Rohrbodens in radialer Richtung) ist:

lR =

4

D * ⋅LT 2 ⋅ϑ ⋅ ET

(J.10.3-1)

Dabei ist:

D* =

E * ⋅eP 3 12 ⋅ (1 − ν * 2 )

(J.10.3-2)

E* und ν* sind dabei Bild 13.7.6-1 (a) bis Bild 13.7.6-2 (b) zu entnehmen, indem der Wert von µ* mit dem von ϕP gleichgesetzt wird. D=

E P ⋅ eP 3 12 ⋅ (1 − ν P 2 )

ψE = D*/D

(J.10.3-3) (J.10.3-4)

669

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 7 (2003-07) Die Steifigkeitsbeiwerte des Rohrbündels für den berohrten Bereich und den unberohrten Rand sind wie folgt zu berechnen:

ωR = d1/(2·lR)

(J.10.3-5)

γR = bR/lR = ωR·λR

(J.10.3-6)

Die dimensionslosen Nachgiebigkeiten werden wie folgt berechnet:

BR1 = H1 + H2·2·γR + H3·γR + ψE·γR /3

(J.10.3-7)

BR2 = H2 + H3·γR + ψE·γR /2

(J.10.3-8)

BR3 = H3 + ψE·γR

(J.10.3-9)

2

3

2

Die Parameter H1, H2 und H3 sind Bild J-15 zu entnehmen.

BS1 =

ET ⋅ ϑ ⋅ lR E S ⋅ eS,av

(J.10.3-10)

BS2 = 0 BS3 =

(J.10.3-11)

D* lR ⋅ (kS + kC )

(J.10.3-12)

Die darin enthaltenen Rotationssteifigkeiten kS und kC werden in 13.5.3 berechnet. 2

B0 = (BR1 + BS1)·(BR3 + BS3) - BR2

(J.10.3-13)

J.10.3.2 Kräfte und Momente Für die Schwingbreiten der Kräfte und Momente aufgrund der Schwingbreiten von ∆PF und ∆MA gilt Folgendes: ∆S2 und ∆M2 wirken bei d2 und ∆S1 und ∆M1 wirken bei d1 . Sie werden wie folgt berechnet:

∆S2·lR = -{∆PF·lR ·(BR3 + BS3) + ∆MA·BS3·BR2 }/B0

(J.10.3-14)

∆M2 = +{∆PF·lR ·BR2 + ∆MA·BS3·(BR1 + BS1)}/B0

(J.10.3-15)

∆S1·lR ≈ ∆S2·lR

(J.10.3-16)

∆M1 ≈ ∆M2 + ∆S2·lR·γR

(J.10.3-17)

2

2

J.10.3.3 Spannungen Die Schwingbreiten der pseudo-elastischen Biegespannungen im Rohrboden und der Längsspannungen in den Rohren sind wie folgt zu berechnen:

∆σb1 = max{∆M1; ∆S1·lR·C1 + ∆M1·C2 }·6·Ke1/(ϕP·eP ) 2

∆σb2 =

2 ∆M2·6·Ke2/eP,red

(J.10.3-18) (J.10.3-19)

∆σl,T = {(∆S1·lR·H1 + ∆M2·H2 )/lR - ∆PE)·Ke3/ϑ 2

(J.10.3-20)

Die Parameter C1 und C2 sind Bild J-15 zu entnehmen. Die effektive Spannungs-Dehnungsformzahl Ke2 ist Bild J-14 zu entnehmen. Für die anderen Faktoren sind folgende Werte zu verwenden: Ke1 = 1,2; Ke3 = 1,6. Wenn die Lebensdauer des Druckbehälters durch die Ermüdung von Schale oder Vorkammer begrenzt wird, sind die zugehörigen Spannungsschwingbreiten neu zu berechnen, wobei ∆S2 und ∆M2 zusätzlich zu den anderen Belastungen des Druckbehälters berücksichtigt werden müssen.

670

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

Bild J-14 – Werte für Ke2 für unterschiedliche Verbindungen von Schale und Rohrboden

671

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

J.10.3.4 Annahmegrenze Die Annahmegrenze wird wie folgt berechnet: max{∆σb1; ∆σb2; ∆σlT} ≤ ∆σR

(J.10.3-21)

J.10.3.5 Formeln zu Bild J-15

x = ωR/3

(J.10.3-22)

H1 = {0,667/x + 2,27·x3 - 0,18·x4 + 0,14·x5 - 0,03·x6 + 0,25·x7 + 1,141·x8 }/(1 + x4 + x8 ) (J.10.3-23) 2

6

7

8

4

8

H2 = {1,731·x + 0,17·x + 0,05·x + 1,000·x }/(1 + x + x ) 5

6

7

8

(J.10.3-24) 4

8

H3 = {2,308·x + 0,96·x - 0,19·x + 0,13·x + 1,414·x }/(1 + x + x )

(J.10.3-25)

C1 = (3,0·x + 6,0·x5 )/(2,4 + 2,0·x4 + 11,5·x5 )

(J.10.3-26)

5

4

5

C2 = (2,4 + 8,5·x )/(2,4 + 2,0·x + 11,5·x )

672

(J.10.3-27)

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

2 1.9 1.8 1.7 1.6 H1 1.5 H3 1.4 1.3 1.2 1.1

H2

1 0.9 0.8 C2

0.7 0.6 C1

0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15 ωR

16

Bild J.15 – Parameter für die Berechnung auf Ermüdungslebensdauer

673

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

Anhang K (informativ) Ergänzende Angaben für die Auslegung von Kompensatoren K.1 Richtlinien für die Auslegung von Kompensatoren K.1.1 Allgemeines a)

Diese Regeln basieren auf der 7. Ausgabe der E.J.M.A Standards (1998).

b)

Die Regeln gelten für die Auslegung auf:

c)

—

Innendruckfestigkeit durch Berechnung der maximalen Druckspannungen und ihre Begrenzung auf zulässige Werte;

—

die kompensatorspezifische Instabilität aufgrund von Innendruck (Säulen- und Welleninstabilität) durch Berechnung eines Grenzauslegungsdruckes;

—

Ermüdung durch Berechnung eine zulässigen Lastzyklenanzahl. Für ferritische und austenitische Werkstoffe sind spezifische Ermüdungskurven angegeben. Für andere Werkstoffe können spezifische Ermüdungskurven nach 14.9 erstellt werden;

—

Instabilität aufgrund von Außendruck durch Verifizierung der maximalen Spannungen und Nachweis der Stabilität.

Die Auslegung von Kompensatoren ist aus folgenden Gründen komplex: —

Kompensatoren müssen gegensätzliche Forderungen erfüllen: sie müssen einerseits eine hohe Druckfestigkeit aufweisen, was große Wanddicken und geringe Wellenhöhen erforderlich macht; andererseits müssen sie ausreichend flexibel sein, um Bewegungen aufnehmen zu können, was im Gegensatz dazu geringe Wanddicken und große Wellenhöhen erfordert;

—

Sie müssen ausreichenden Widerstand gegen kompensatorspezifische Instabilität infolge Innendruck aufweisen;

—

Sie müssen ausreichende Festigkeit gegen Außendruck und Ermüdung aufweisen;

—

Bei der Berechnung müssen eine Vielzahl von Variablen betrachtet werden, die das mechanische Verhalten des Kompensators beeinträchtigen und nur schwer durch entsprechende Gleichungen erfasst werden können. Dazu gehören Kompensatortyp, Werkstoff, Durchmesser, Wanddicke, Länge sowie Höhe und Anzahl der Balgwellen, Anzahl der Lagen, Verstärkungselemente sowie Fertigungsverfahren, Wärmebehandlung oder Abweichungen von den Nennabmessungen;

—

Berechnungsgleichungen beruhen auf bestimmten Annahmen (konstante Dicke, isotrope Werkstoffe, lineare Schalentheorie), die in der Praxis nicht immer erfüllt sind.

Bei der Auslegung von Kompensatoren sollte der Konstrukteur folgende Punkte beachten.

674

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

K.1.2 Kompensatortyp Kompensatoren mit U-förmigem Balgwellenprofil weisen im Vergleich zu Kompensatoren mit torusförmigem Wellenprofil eine höhere Flexibilität zur Bewegungsaufnahme, jedoch eine geringere Innendruckfestigkeit auf. Diese kann durch Verstärkungen im Wellental verbessert werden, die die Festigkeit gegenüber Versagen durch Innendruck erhöhen. K.1.3 Mehrwandige Kompensatoren Durch eine mehrlagige Auslegung lässt sich die Innendruckfestigkeit gegenüber einwandigen Kompensatoren erheblich steigern, ohne gleichzeitig die Steifigkeit des Kompensators nennenswert zu erhöhen. Dies führt zu hoher Bewegungsaufnahme bei verhältnismäßig kleinen Abmessungen (Länge, Höhe der Balgwellen). Bei der Berechnung wird vorausgesetzt, dass jede Lage unabhängig von den anderen ist. In der Praxis stehen die einzelnen Lagen miteinander in Wechselwirkung infolge geometrie- und reibungsbedingter Effekte, die erheblichen Einfluss auf Druckfestigkeit, Steifigkeit, Flexibilität und Ermüdungsverhalten haben können. Diese Wirkung ist bei der Auslegung von Kompensatoren mit mehr als fünf Lagen zu berücksichtigen. K.1.4 Innendruckfestigkeit —

Die Innendruckfestigkeit von Kompensatoren lässt sich im wesentlichen durch Erhöhen der Wanddicke und Verringern der Wellenhöhe steigern;

—

Die Innendruckfestigkeit wird bestimmt, indem die maximalen Druckspannungen in den Gleichungen von 14.5.3 (unverstärkte Kompensatoren mit U-förmigem Wellenprofil) auf zulässige Werte begrenzt werden. Übermäßig hohe Umfangsspannungen in den Borden oder in den Wellen können zu Fließen in Umfangsrichtung bis hin zum Bruch führen. Übermäßige meridionale Spannungen in Kompensatoren mit U-förmigem Wellenprofil können zum Ausbeulen der Wellenflanken und, durch Verringerung des Abstands zwischen benachbarten Wellen, zu einer Verminderung der Flexibilität und der Lebensdauer des Kompensators führen. Übermäßig hohe meridionale Spannungen in Kompensatoren mit torusförmigem Wellenprofil können zu Fließen in meridionaler Richtung bis hin zum Bruch führen;

— Druck auf die Wellenflanken verursacht eine Axialbelastung am Bordring, die dazu führen kann, dass der Bordring weggedrückt wird, der deshalb durch entsprechende außen angebrachte Arretierungen in seiner Lage gehalten werden muss.

K.1.5 Ermüdungslebensdauer —

Die Ermüdungslebensdauer hängt von der maximalen Spannungsschwingbreite ab, der der Kompensator in jedem vollständigen Betriebszyklus ausgesetzt ist. Dabei ist die Spannungsschwingbreite durch Bewegung im allgemeinen von größerer Bedeutung als die Spannungsschwingbreite durch Druck. Entsprechend sinkt die Ermüdungslebensdauer mit zunehmender axialer Bewegung bzw. Wanddicke oder abnehmender Wellenhöhe. Werkstofftyp, Wellenform, Fertigungsverfahren und mögliche Wärmebehandlung beeinflussen die Ermüdungslebensdauer in starkem Maße. So erhöht zum Beispiel eine Kaltverfestigung austenitischer Stähle im Verlauf der Kaltumformung im allgemeinen die Ermüdungslebensdauer;

—

Die maximale Spannungsschwingbreite σeq durch Wechselbeanspruchung ist durch die Gleichung in 14.5.6 gegeben.

675

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05) Für austenitische und ferritische Stähle werden Gleichungen zur Auslegung auf Ermüdung in Abhängigkeit von St vorgeschlagen, anhand derer eine zulässige Lastzyklenanzahl erhalten werden kann. Eine übermäßig konservative Schätzung der Lastzyklenanzahl führt zu einer erhöhten Wellenanzahl und dies wiederum zu einer erhöhten Anfälligkeit des Kompensators für Instabilität. Für andere Werkstoffe müssen anhand praktischer Ermüdungsversuche mit einer Reihe von Kompensatoren spezifische Ermüdungskurven erstellt werden.

K.1.6 Durch Innendruck verursachte Instabilität —

Zu hoher Innendruck kann zu Instabilität und Verformung des Kompensators führen. Instabilität beeinträchtigt die Leistung des Kompensators und kann seine Innendruckfestigkeit, Lebensdauer und Flexibilität erheblich vermindern.

—

Es gibt zwei Arten der Instabilität: Die Säuleninstabilität ist definiert als eine starke seitliche Verlagerung der Kompensatormittellinie (siehe Bild K.1-1a). Sie tritt im allgemeinen bei Kompensatoren mit einem relativ großen Länge/Durchmesser-Verhältnis auf. Wie beim Knicken eines Stabes unter Druckbelastung gibt es einen elastischen und einen plastischen Bereich, woraus sich zwei verschiedene Berechnungsgleichungen ergeben.

a) Säuleninstabilität

b) Welleninstabilität Bild K.1-1 – Instabilität

Die Welleninstabilität ist definiert als die Verschiebung oder Drehung der Ebene einer oder mehrerer Wellen, so dass diese Wellenebenen nicht mehr senkrecht zur unverändert geradlinigen Kompensatorachse liegen (siehe Bild K.1-1b). Dieser Zustand steht im allgemeinen mit hohen meridionalen Biegespannungen in Zusammenhang, die plastische Gelenke am Wellental und Wellenscheitel verursachen. Diese Art der Instabilität tritt im allgemeinen bei relativ kleinem Länge/Durchmesser-Verhältnis auf. —

676

In 14.5.4 sind Gleichungen angegeben, anhand derer der zulässige Auslegungsdruck ermittelt werden kann, bei dem es zu keiner Instabilität kommt. Diese Gleichungen enthalten Sicherheitsfaktoren von 2,25 auf den kritischen Knickdruck.

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

K.1.7 Durch Außendruck verursachte Instabilität Bei Kompensatoren unter Außendruck ist die Stabilität auf gleiche Weise zu verifizieren wie bei einem Zylinderschalenabschnitt. Siehe 14.5.7.

K.1.8 Axialsteifigkeit Die Axialkraft Fx, die für eine Axialbewegung erforderlich ist, hängt von der Geometrie (im wesentlichen Dicke und Höhe) und dem Werkstoff des Kompensators ab. Die Kurve, in der die Bewegung x als Funktion der Kraft Fx dargestellt ist, hat einen klassischen Verlauf und zeigt das im allgemeinen elastische Verhalten des Kompensators (Bild K.1-2). Der erste Abschnitt AB (Gerade) entspricht dem elastischen Bereich, der zweite Abschnitt BC zeigt das Verhalten im plastischen Bereich. Wirkt keine Kraft mehr, ist der fallende Abschnitt CD linear und weist in D eine Restbewegung auf, die durch eine entsprechende Rückstellkraft (Abschnitt DE) aufgehoben werden kann. Die Steifigkeit des Kompensators im elastischen Bereich (Abschnitt AB) kann mit ausreichender Genauigkeit analytisch ermittelt werden. Sie erhöht sich mit der Wanddicke stark und nimmt mit der Wellenhöhe ab. Ihre Verwendung anstelle der tatsächlichen Steifigkeit, die im allgemeinen im plastischen Bereich liegt, ergibt Vorhersagewerte, die die tatsächlichen Kräfte erheblich überschreiten und zu Problemen führen können.

Bild K.1-2 – Axialsteifigkeit

In einigen Fällen wird die auf Grundlage der Geraden EC ermittelte Federkonstante angewendet, die vom Hersteller angegeben wird.

K.1.9 Durchführung von Korrelationstests Die in Unterabschnitt 14.5 angegebenen Gleichungen ergeben sich aus einer theoretischen Spannungsanlalyse auf der Grundlage der Theorie der dünnen Schalen im elastischen Bereich und sollen eine ungefähre Vorhersage des tatsächlichen Verhaltens von Kompensatoren ermöglichen. Dabei wurden jedoch verschiedene Annahmen getroffen (idealisierte Kompensatorform, gleichmäßige Dicke, homogener isotroper Werkstoff, elastisches Verhalten), die in Wirklichkeit eventuell nicht erfüllt sind. Gewöhnlich werden Kompensatoren im plastischen Bereich betrieben, und durch Formgebung verursachte Kaltverformung kann die mechanischen Eigenschaften des Werkstoffs wesentlich beeinflussen. Deshalb können die für die Auslegung der Kompensatoren im Hinblick auf Innendruckfestigkeit (14.5.3), Instabilität (14.5.4), Außendruckfestigkeit (14.5.5) und Ermüdung (14.5.6) vorgesehenen Gleichungen nur verwendet werden, wenn ihre Korrelation zu realen Testdaten untersucht worden ist, insbesondere bei neuen Fertigungen von Kompensatoren.

677

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05) Zum Nachweis der Anwendbarkeit dieser Formeln für eine Vorhersage werden die folgenden Versuche empfohlen: —

mindestens 5 meridionale Streck-Zerreiß-Versuche zur Überprüfung der Gleichungen 14.5.3-5 und 6;

—

mindestens 10 Versuche zur Prüfung auf Instabilität zur Überprüfung der Gleichungen 14.5.4-1 oder 2;

—

mindestens 25 Ermüdungsversuche zur Überprüfung der Gleichungen 14.5.6-4 oder 14.5.6-5 und 6.

Diese Versuche sollten an Kompensatoren mit unterschiedlichen Durchmessern, Anzahlen von Balgwellen und Dicken, die für die Produktion des Herstellers repräsentativ sind, durchgeführt werden.

K.2 Polynomische Näherungen der Koeffizienten Cp, Cf, Cd K.2.1 Koeffizient Cp C p = α 0 + α 1 C 1 + α 2 C12 + α 3 C13 + α 4 C14 + α 5 C15

(K.2-1)

Die Koeffizienten α i sind gegeben durch: —

Tabelle K.2.1-1, falls C1 < 0,3 Tabelle K.2.1-1 – Polynomialkoeffizienten α i zur Bestimmung von Cp, wenn C1 < 0,3 ist

α0 C2 = 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 2 2,5 3 3,5 4

678

1,001 0,999 0,961 0,955 0,95 0,95 0,95 0,95 0,95 0,95 0,95 0,95 0,95

α1

α2

-0,448 -0,735 -1,146 -2,708 -2,524 -2,296 -2,477 -2,027 -2,073 -2,073 -2,073 -2,073 -2,073

-1,244 0,106 3,023 7,279 10,402 1,63 7,823 -5,264 -3,622 -3,622 -3,622 -3,622 -3,622

α3 1,932 -0,585 -7,488 14,212 -93,848 16,03 -49,394 48,303 29,136 29,136 29,136 29,136 29,136

α4 -0,398 1,787 8,824 -104,242 423,636 -113,939 141,212 -139,394 -49,394 -49,394 -49,394 -49,394 -49,394

α5 -0,291 -1,022 -3,634 133,333 -613,333 240 -106,667 160 13,333 13,333 13,333 13,333 13,333

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

—

Tabelle K.2.1-2, falls C1 > 0,3 Tabelle K.2.1-2 – Polynomialkoeffizienten α i zur Bestimmung von Cp, wenn C1 > 0,3 ist

α0 C2 = 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 2 2,5 3 3,5 4

1,001 0,999 0,961 0,622 0,201 0,598 0,473 0,477 0,935 1,575 1,464 1,495 2,037

α1 -0,448 -0,735 -1,146 1,685 2,317 -0,99 -0,029 -0,146 -3,613 -8,646 -7,098 -6,904 -11,037

α2 -1,244 0,106 3,023 -9,347 -5,956 3,741 -0,015 -0,018 9,456 24,368 17,875 16,024 28,276

α3 1,932 -0,585 -7,488 18,447 7,594 -6,453 -0,03 0,037 -13,228 -35,239 -23,778 -19,6 -37,655

α4 -0,398 1,787 8,824 -15,991 -4,945 5,107 0,016 0,097 9,355 25,313 15,953 12,069 25,213

α5 -0,291 -1,022 -3,634 5,119 1,299 -1,527 0,016 -0,067 -2,613 -7,157 -4,245 -2,944 -6,716

K.2.2 Koeffizient Cf

C f = β 0 + β 1 C1 + β 2 C12 + β 3 C13 + β 4 C14 + β 5 C15

(K.2-2)

Die Koeffizienten β i sind durch Tabelle K.2.2 gegeben. Tabelle K.2.2 – Polynomialkoeffizienten ßi zur Bestimmung von Cf

β0

β1

β2

β3

β4

β 5

C2 = 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 2 2,5 3 3,5 4

1,006 1,007 1,003 1,003 0,997 1 1 1,001 1,002 1 0,999 0,998 1

2,375 1,82 1,993 1,338 0,621 0,112 -0,285 -0,494 -1,061 -1,31 -1,521 -1,896 -2,007

-3,977 -1,818 -5,055 -1,717 -0,907 -1,41 -1,309 -1,879 -0,715 -0,829 -0,039 1,839 1,62

8,297 2,981 12,896 1,908 2,429 3,483 3,662 4,959 3,103 4,116 2,121 -2,047 -0,538

-8,394 -2,43 -14,429 0,02 -2,901 -3,044 -3,467 -4,569 -3,016 -4,36 -2,215 1,852 -0,261

3,194 0,87 5,897 -0,55 1,361 1,013 1,191 1,543 0,99 1,555 0,77 -0,664 0,249

679

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

K.2.3 Koeffizient Cd

C d = γ 0 + γ 1 C11 + γ 2 C12 + γ 3 C13 + γ 4 C 44 + γ 5 C 55 Die Koeffizienten

γi

(K.2-3)

sind durch Tabelle K.2.3 gegeben.

Tabelle K.2.3 – Polynomialkoeffizienten γi zur Bestimmung von Cd

γ0 C2 = 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 2 2,5 3 3,5 4

1 0,999 1,003 1,005 1,001 1,002 0,998 0,999 1 1 1 1 1,001

γ1

γ2

1,151 1,31 2,189 1,263 0,953 0,602 0,309 0,122 -0,133 -0,323 -0,545 -0,704 -0,955

1,685 0,909 -3,192 5,184 3,924 2,11 1,135 0,351 -0,46 -1,118 -0,42 -0,179 0,577

γ3 -4,414 -2,407 5,928 -13,929 -8,773 -3,625 -1,04 -0,178 1,596 3,73 1,457 0,946 -0,462

K.3 Verfahren zum Erstellen einer Ermüdungskurve ANMERKUNG Wird derzeit von CEN/TC54/WG C ausgearbeitet.

680

γ4

γ5

4,564 2,273 -5,576 13,828 10,444 5,166 1,296 0,942 -1,521 -4,453 -1,561 -1,038 0,181

-1,645 -0,706 2,07 -4,83 -4,749 -2,312 -0,087 -0,115 0,877 2,055 0,71 0,474 0,08

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

Anhang L (informativ) Berechnungsgrundlage für drucklose Lasten L.1 Verfahren für die Berechnung von Streckenlasten, Aufhängeösen, Auflagersätteln und Tragpratzen Dieses Berechnungsverfahren beruht auf einer in [2] veröffentlichten Arbeit von Dr.-Ing. Ziegenbalg [1]. Seine Anwendung war in der früheren DDR und anderen osteuropäischen Ländern [3] weit verbreitet. Spannungen in Behältern werden als radiale Streckenlasten in Längsund Umfangsrichtung berechnet. Diese Streckenlasten ergeben lokale Normalkräfte und Biegemomente sowohl in Längs- als auch in Umfangsrichtung. Die Lösungen sind auf Aufhängeösen ohne Verstärkungsbleche direkt anwendbar. Die Übertragung dieser Lösungsverfahren bietet die Grundlage zur Berechnung von Tragpratzen mit und ohne Verstärkungsbleche und von Auflagersätteln. Die Spannungsgrenzen erlauben gewisse lokale plastische Verformungen im Behälterquerschnitt. Formelmäßig stellt sich diese begrenzte plastische Verformung in der sogenannten „Biegespannungsgrenze“ σb,all dar, die in den meisten Fällen höher ist als die zulässige Spannung f. Die Biegespannungsgrenze σb,all wird wie folgt berechnet: a) Elastische Spannungen:

σb = 6 M /e2

und

σm = N /e

mit

M max = f e2 / 4 und

b) Grenzlast für einen Behälterabschnitt: | M | / M max + (N / Nmax)2 ≤ 1

Nmax = f e

c) Ersetzen von M und N durch σb bzw. σm:

2 σb æ σm ö +ç ÷ è f ø 3f

2

≤1

681

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

mit υ1 = σm,loc / Φb

und υ 2 = σm,glob / f

(siehe Definition)

σm = σm,loc + σm,glob = σb υ1 + f υ 2 d) Gleichungen zur Begrenzung von σb und Berechnung von K1 = σb,all / f 2 σb æσb ö υ + υ2 ÷ +ç è f 1 ø 3f

(

2

≤1

)

2 2 K1 + K1 υ1 + υ 2 = 1 3

L.2 Literaturhinweise [1]

Dr.-Ing. Ziegenbalg G. "Beanspruchung zylindrischer Apparatewandungen durch örtliche Lasten. Dissertation TU Dresden 1969

[2]

Richtlinienkatalog Festigkeitsberechnungen (RKF) Behälter und Apparate, Teile 1 to 6

[3]

TGL 32903/17 "Behälter und Apparate, Festigkeitsberechnung, Schalen bei Belastung durch Tragelemente" - June 1982

[4]

Local Loads, Supports and Saddles : “Work completed and in Progress at the University of Strathclyde, Glasgow, UK” by A.S. Tooth - March 1995

[5]

WRC Bulletin 297 “Local Stresses in Cylindrical Shells due to External Loadings on Nozzles - Supplement to WRC Bulletin No 107 (Revision 1) - September 1987 by J.L. Mershon, K. Mokhtarian, G.V. Ranjan and E.C. Rodabaugh

[6]

British Standard BS 5500 : 1997 “Specification for Unfired fusion welded pressure vessels”

[7]

DIN 18 800 - Teil 4 - November 1990 - “Stahlbauten - Stabilitätsfälle, Schalenbauten”

682

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

Anhang M (informativ)

Maßnahmen während des Betriebs M.1 Zweck Dieser Anhang enthält Empfehlungen für die Überwachung des Geräts im Betrieb. Alle Empfehlungen bilden ein einheitliches Ganzes und sind auch als solches anzuwenden.

M.2 Zusätzliche Definitionen Keine.

M.3 Zusätzliche Symbole und Abkürzungen Keine.

M.4 Prüfungen während des Betriebs Jeder Druckbehälter muss nach einer Frist von maximal 20 % der Ermüdungslebensdauer von innen und wenn nötig von außen geprüft werden (durch VT, RT, UT, bzw. PT etc.). ANMERKUNG Diese Frist entspricht 20 % der zulässigen Zyklenzahl, wenn das Spektrum der zulässigen Spannung nur eine Art von Zyklus einschließt; für komplexere Ladungsspektren, entspricht sie dem Zeitraum, in dem der Index des absoluten Ermüdungsschadens einen Wert von 0,2 (entsprechend der Definitionen in Abschnitt 17 oder 18) erreicht hat.

Der Betreiber muss die Lastzyklenanzahl in geeigneter Form aufzeichnen und erforderlichenfalls die innere Prüfung veranlassen. ANMERKUNG Aus den Aufzeichnungen kann sich die Notwendigkeit einer Prüfung vor dem ursprünglich angenommenen Zeitpunkt ergeben.

Bei Druckbehältern unter Wechselbeanspruchung sind die Prüfungen während des Betriebs von besonderer Bedeutung, um beginnende Schädigungen frühzeitig zu erkennen. Daher sind neben den inneren Prüfungen auch zerstörungsfreie Prüfungen an hochbeanspruchten Stellen durchzuführen, und zwar insbesondere Prüfungen auf Oberflächenrisse und Ultraschallprüfungen. Zur Überwachung unzugänglicher Bereiche werden Ultraschallprüfungen von der Behälteraußenseite empfohlen. Weichen die Betriebsbedingungen von den in der Berechnung nach Abschnitt 17 oder 18 zugrunde gelegten Bedingungen dahingehend ab, dass die Lastzyklenanzahl höher ist oder aufgrund anderer Betriebseinflüsse Schäden an der drucktragenden Wand vor Ablauf der Prüffrist zu erwarten sind, müssen die Prüffristen verkürzt werden. Umgekehrt kann der Behälter, sofern bei einer fristgemäßen Prüfung keine Anfangsrisse festgestellt werden, bis zu der nächsten vorgeschriebenen oder vereinbarten Prüfung weiter in Betrieb bleiben, selbst wenn die zulässige Lebensdauer nach Abschnitt 17 oder 18 erreicht oder überschritten wurde.

683

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05) ANMERKUNG Berechnungen gemäß Abschnitt 18 (ausführliche Berechnung der Ermüdungslebensdauer) können möglicherweise längere Prüffristen ergeben als Berechnungen gemäß Abschnitt 17 (vereinfachte Berechnung der Ermüdungslebensdauer).

M.5 Maßnahmen bei Ermüdungslebensdauer

Erreichen

der

rechnerisch

zulässigen

M.5.1 Behälter der Testgruppen 1, 2 oder 3 Wenn die zulässige Ermüdungslebensdauer eines Bauteils erreicht ist (d. h. die zulässige Lastzyklenanzahl erreicht ist oder die Schädigungskennzahl nach Abschnitt 17 oder 18 den Wert 1 hat), müssen möglichst umfassende zerstörungsfreie Prüfungen an einer Reihe von hochbeanspruchten Stellen vorgenommen werden. Werden bei dieser Prüfung und bei den fristgerecht durchgeführten Prüfungen keine Risse festgestellt, ist ein Weiterbetrieb des Behälters zulässig. Werden Risse, rissartige oder andere weitergehende Schädigungen festgestellt, muss das betreffende Bauteil oder Konstruktionselement ausgewechselt werden, sofern nicht eine Fortsetzung des Betriebs nach Durchführung geeigneter Maßnahmen zulässig erscheint. Dabei kommen für einen Weiterbetrieb folgende konstruktive, herstellungs- und verfahrenstechnische Maßnahmen in Frage: 1) Beseitigung von Rissen durch Ausschleifen. Mögliche Verringerungen der Wanddicke infolge des Ausschleifens sind durch eine spezielle Analyse zu untersuchen; 2) Kerbfreischleifen der Schweißnähte; 3) Beseitigung von Verformungsbehinderungen, z. B. Austausch von anrissbehafteten starren Verstrebungen gegen flexible Verbindungselemente; 4) Änderung der Betriebsweise.

M.5.2 Prüfung von Behältern der Gruppe 4 Zur Prüfung von Behältern der Gruppe 4 sollte nach 500 gleichen Druckzyklen ein hydraulischer Test durchgeführt werden. Ist das Testergebnis positiv, kann der Betrieb fortgesetzt werden.

684

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

Anhang N (informativ)

Literaturhinweise zu Abschnitt 18

[1] [2] [3] [4] [5] [6]

[7]

[8] [9] [10]

[11]

Baylac, G.C.: "Fatigue and inelastic analysis", in Computational Mechanics '88, S.N. Atluri, G. Yagawa editors, Springer Verlag, 1988. Niemi, E. (Ed): "Stress determination for fatigue analysis of welded components", International Institute of Welding, Abington Publishing, Abington, Cambridge, 1995. Peterson, R.E.: "Stress concentration factors", J. Wiley and Sons, New York, 1974. Heywood R.B.: "Designing against fatigue", Chapman and Hall, 1962. Engineering Sciences Data, Fatigue Endurance Data Sub-series, Vol. 3, "Stress concentrations", ESDU International Limited, London. Wichman, K.R., Hopper, A.G. and Mershon, J.L.: "Local stresses in spherical and cylindrical shells due to external loadings", Welding Research Council Bulletin, Vol. 107, March 1979 revision. Decock, J.: "Determination of stress concentration factors and fatigue assessment of flush and extended nozzles in welded pressure vessels", Second International Conference on Pressure Vessel Technology, Part II, ASME, 1973, pp. 821-834. BSI PD 6493:1991 "Guidance on methods for assessing the acceptability of flaws in fusion welded structures", BSI, London, 1991. EUROCODE 3 Gorsitzke, B.: "Recent calculation rules for detailed fatigue analysis of pressure vessels" (in German), Part 1, TÜ 36 (1995), No 6, pp. 239-244, Part 2, TÜ 36 (1995), No 718, pp. 301310. Schwarz, M. and Zeman, J.L.: "Bending stresses at longitudinal weld joints of pressurized cylindrical shells due to angular distortion", ASME, Journal of Pressure Vessel Technology, May 1997, Vol. 119, pp. 245-246.

685

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

Anhang O (informativ) Physikalische Eigenschaften von Stahl

O.1 Zweck Anhang O gilt für die am häufigsten verwendeten Stähle und kann im Zusammenhang mit diesem Teil dieser Norm verwendet werden.

O.2 Symbole und Abkürzungen Es werden nur die Symbole und Abkürzungen aus Abschnitt 4 verwendet.

O.3 Definitionen Die Definitionen der physikalischen Eigenschaften von Stahl sind unten aufgeführt.

O.3.1 Dichte Die Dichte ρ ist abhängig von der Temperatur t. Sie kann errechnet werden mit:

ρt =

ρ 20

[

(O.3-1)

]

1 + β 20,t ⋅ (t − 20 )

3

In dieser Gleichung ist der lineare Koeffizient der Wärmedehnung von 20 °C zu Temperatur t eingesetzt werden. Dieser ist definiert durch

β 20,t =

1

l 20

⋅

l t − l 20 t − 20

(O.3-2)

wobei lt die Länge eine Objekts bei der Temperatur t ist. Zur Berechnung der Masse eines Teils sollte die Dichte ρ20 bei 20 °C eingesetzt werden, siehe Tabelle O-1. Tabelle O-1 – Dichte bei 20°C Stahlgruppe 1 to 4, 5.1 and 5.2 5.3, 5.4, 6 and 7 8.1 and 8.2

Dichte ρ 3 kg/m 7850 7760 7930

O.3.2 Differenzkoeffizient von linearer Wärmeausdehnung Zur Berechnung der Wärmespannung durch einen Temperaturunterschied ∆t = t2 - t1, sollen die Differenzkoeffizienten von linearer Wärmeausdehnung βdiff,t* bei der Temperatur

t * = 0,75 max (t1, t 2 ) + 0,25 min (t1, t 2 ) eingesetzt werden.

686

(O.3-3)

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

Die Beziehung zwischen β20,t und βdiff,t lautet

β diff,t = β 20,t +

∂ β 20, t ∂t

(t − t 0 )

(O.3-4)

wobei to = 20 °C. O.3.3 Spezifische Wärmekapazität Die Beziehung der mittleren spezifischen Wärmekapazität von 20 °C zur Temperatur Cp,20,t zur differentiellen spezifischen Wärmekapazität Cp,diff,t ist (ähnlich dem Koeffizienten von linearer Wärmeausdehnung):

Cp,diff,t = Cp,20,t +

∂Cp,20,t ∂t

(t − t 0 )

(O.3-5)

O.3.4 Wärmeleitzahl Die Wärmeleitzahl Dth ist definiert durch

Dth =

λt ρ tCp,diff,t

(O.3-6)

wobei λt die in O.5.3 angegebene temperaturabhängige Wärmeleitfähigkeit ist. O.3.5 Poisson’sche Zahl Die Poisson’sche Zahl ν kann für alle Stahlsorten im elastischen Zustand unabhängig von der Temperatur gewählt werden

ν

= 0,3

(O.3-7)

687

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

O.4 Physikalische Eigenschaften von Stahl ANMERKUNG Zur Klassifizierung der Stahlsorten siehe Referenz [5].

O.4.1 Allgemeines Die physikalischen Eigenschaften können durch Polynome unter der Verwendung von Gleichung (O.4-1) berechnet oder aus den Bildern O-1 bis O-4 abgelesen werden. Die Eigenschaft Z, wie die in den nachstehenden Tabellen angegebenen Einheiten für die Temperatur t in °C, kann errechnet werden mit:

Z = c 0 + c1t + c 2t 2 + c 3t 3 +....

(O.4-1)

t darf die folgenden Grenzen nicht überschreiten: ferritischer Stahl, Gruppe 1.1 bis 7: austenitischer rostfreier Stahl, Gruppe 8.1 und 8.2:

20°C ≤ t < 600°C 20°C ≤ t < 800°C.

Die Werte von 20°C können auch für Temperaturen zwischen 0°C und 20°C verwendet werden. Anmerkung: Alle Werte weichen weniger als 1 % von den Daten in der Referenzliteratur ab. Soweit Werte in EN Normen angegeben sind, können diese alternativ eingesetzt und lineare Interpolation angewandt werden.

O.4.2 Polynomischer Koeffizienten Die polynomischen Koeffizienten sind in den Tabellen O-2 bis O-5 angegeben, die entsprechenden Bilder sind Bilder O-1 bis O- 4. Tabelle O-2 – Polynomischer Koeffizient für den Elastizitätsmodul Elastizitätsmodul Et 2 kN/mm Stahlgruppe 1 bis 4, 5.1 und 5.2 5.3, 5.4, 6 und 7 8.1 und 8.2

Polynomischer Koeffizient für Temperatur t in °C

c0 213,16 215,44 201,66

c1 -6.91 E-2 -4.28 E-2 -8.48 E-2

c2 -1,824 E-5 -6,185 E-5 0

Tabelle O-3 – Polynomischer Koeffizient für lineare Wärmeausdehnung Lineare Wärmeausdehnung βt -6 -1 µm/(m K) (= 10 K ) Stahlgruppe 1 bis 4, 5.1 und 5.2 β20,t βdiff,t 5.3, 5.4, 6 und 7 β20,t βdiff,t 8.1 und 8.2 β20,t βdiff,t

688

Polynomischer Koeffizient für Temperatur t in °C

c0 11,14 10,98 10,22 10,11 15,13 14,97

c1 8,03 E-3 1,623 E-2 5,26 E-3 1,062 E-2 7,93 E-3 1,599 E-2

c2 -4,29 -1,287 -2,5 -7,5 -3,33 -9,99

E-6 E-5 E-6 E-6 E-6 E-6

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

Tabelle O-4 – Polynomischer Koeffizient für Wärmeleitfähigkeit Wärmeleitfähigkeit λt W/(m K) Stahlgruppe 1.1 1.2 2.1 4 5.1 5.2 5.3 und 5.4 6 8.1 und 8.2

Polynomischer Koeffizient für Temperatur t in °C

c0 55,72 49,83 39,85 46,85 45,0 36,97 28,05 22,97 13,98

c1 -2,464 -1,613 1,111 7,2 -1,287 6,40 1,85 8,73 1,502

E-2 E-2 E-2 E-4 E-2 E-3 E-3 E-3 E-2

c2 -1,298 -1,372 -3,611 -3,305 -1,075 -2,749 -5,58 -4,82 0

E-5 E-5 E-5 E-5 E-5 E-5 E-6 E-6

Tabelle O-5: Polynomischer Koeffizient für die spezifische Wärmekapazität spezifische Wärmekapazität Cp,xx,t . J/(kg K) Stahlgruppe 1 to 5 Cp,20,t Cp,diff,t 6 Cp,20,t Cp,diff,t 8.1 and 8.2 Cp,20,t Cp,diff,t

Polynomischer Koeffizient für Temperatur t in °C

c0 454, 93 449,30 433,33 424,66 467,77 462,69

c1 0,28139 0,57830 0,43342 0,89672 0,24905 0,52026

c2 -3,8815 -1,1930 -7,4702 -2,2892 -5,5393 -1,7117

E-4 E-3 E-4 E-3 E-4 E-3

c3 4,7542 1,9017 8,0289 3,2116 8,3266 3,3658

c4 E-7 0 E-6 0 E-7 0 E-6 0 E-7 -4,3916 E-10 E-6 -2,1958 E-9

O.4.3 Bilder zu den physikalischen Eigenschaften von Stahl

modulus of elasticity [kN/mm²]

220

200

180

1.1 - 5.2 5.3, 5.4, 6 and 7 8.1 and 8.2

160

steel group 140

120 0

100

200

300

400

500

600

700

800

Temp. [°C]

Bild O-1 –Elastizitätsmodul für Stahl

689

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

22

20 ß20,t 1.1 - 5.2 ßxx,t [10-6 K-1]

18

ßdiff,t 1.1 - 5.2 ß20,t 5.3 - 7

16 ßdiff,t 5.3 - 7 ß20,t 8.1 - 8.2

14

ßdiff,t 8.1 - 8.2 steel group

12

10 0

100

200

300

400

500

600

700

800

Temp. [°C]

Bild O-2 – Koeffizient für lineare Wärmeausdehnung

800

Cp,20,t

700 Cp,xx,t [J/(kg.K)]

Cp,diff,t

600

500

400 0

100

200

300

400

500

600

Temp. [°C]

a) Gruppe 1 bis 5.3 Bild O-3 – Spezifische Wärmekapazität von Stahl

690

700

800

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

800

Cp,20,t

Cp,xx,t [J/(kg.K)]

700

Cp,diff,t

600

500

400 0

100

200

300

400

500

600

700

800

500

600

700

800

Temp. [°C]

b) Gruppe 6.1 bis 6.4

800

Cp,20,t

700 Cp,xx,t [J/(kg.K)]

Cp,diff,t

600

500

400 0

100

200

300

400 Temp. [°C]

c) Gruppe 8.1 und 8.2 Bild O-3 – Spezifische Wärmefähigkeit von Stahl

691

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 4 (2002-11)

55,0

lambda t [W/(m K)]

50,0

1.1

45,0

1.2

40,0

2.1 4

35,0

5.1 30,0 5.2 25,0

5.3 and 5.4

20,0

6

15,0

8.1 and 8.2

10,0

steel group 0

100

200

300

400

500

600

700

800

Temp. [°C]

Bild O-4 – Wärmeleitfähigkeitskoeffizient

O.5 Literaturhinweise [1]

EN 12952-3:2001, Anhang D „Wasserrohrkessel und Anlagenkomponenten – Teil 3: Konstruktion und Berechnung für drucktragende Teile – Anhang D : Physikalische Kennwerte von Stahlen“

[2]

SEW 310 (Stahl-Eisen-Werkstoffblätter des Vereins Deutscher Eisenhüttenwerke) „Physical properties of steels“ in German, 1. Edition, August 1992, Düsseldorf

[3]

British Standard BS 3059, Part 2: „Steel Boiler and Superheater Tubes“ 1990 edition

[4]

CODAP (French code for construction of unfired pressure vessels), Part C „Calculation rules“ 1995 edition, SNCT, Paris

[5]

CR ISO 15608:2000, Welding – Guidelines for a metallic grouping system (ISO/TR 15608:2000)

692

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

Anhang P (normativ) Klassifizierung von Einzelheiten von Schweißnähten, die unter Verwendung von Hauptspannungen zu beurteilen sind P.1 In den Tabellen P.1 bis P.7 sind Einzelheiten von Schweißnähten und ihre entsprechenden Klassen zur Verwendung bei der Beurteilung auf der Grundlage der Hauptspannungsschwingbreite angegeben. Die Dauerschwingfestigkeiten von Einzelheiten von Schweißnähten, für welche die relevante potentielle Ausfallart in einem Ermüdungsanriss vom Nahtübergang oder von der Nahtoberfläche aus besteht, werden unter Verwendung der Hauptspannungsschwingbreite an der Grundmetalloberfläche in dem an die Risseinleitungsstelle angrenzenden Bereich ausgedrückt (siehe 18.6.2.3.1). Kurze oder unterbrochene Nähte, bei denen der relevante potentielle Ausfall durch Ermüdungsanriss vom Nahtende oder Nahtübergang aus in das Grundmetall hinein erfolgt, werden auf der Grundlage der maximalen Hauptspannungsschwingbreite ∆σ beurteilt und auf der Basis der Annahme klassifiziert, dass die Naht in die ungünstigste Richtung bezüglich ∆σ orientiert ist. Durchlaufende Nähte (z. B. Nahtschweißungen, Ringversteifungs-Schweißungen) können auf andere Weise behandelt werden, wenn die maximale Hauptspannungsschwingbreite in der Richtung wirkt, welche mit der Richtung der Schweißnaht einen Winkel von weniger als 45° bildet. Dann kann die Naht als parallel zur Belastungsrichtung im Hinblick auf die maximale Hauptspannungsschwingbreite und als senkrecht zur Belastungsrichtung im Hinblick auf die minimale Hauptspannungsschwingbreite klassifiziert werden.

693

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 6 (2003-04)

Tabelle P.1 — Schweißnähte Lfd. Nr.

1.1

Art der Verbindung

Detailskizze

Klasse

Durchgeschweißte Stumpfnaht, bündig geschliffen, einschließlich Reparaturschweißung

Bemerkungen

Prüfgruppe 1 oder 2

Prüfgruppe 3

90

71

90

71

80

63

80

63

80

71

63

40

80

63

80

63

80

63

71

56

80

71

Naht erwies sich bei zerstörungsfreier Prüfung als frei von Oberflächenfehlern und größeren oberflächennahen Fehlern (siehe EN 13445-5:2002). few = 1.

Ermüdungsrisse gewöhnlich an Nahtfehlern eingeleitet 1.2

Durchgeschweißte Stumpfnaht, beidseitig geschweißt oder einseitig bis zur abschmelzenden Einlage oder zur temporären nichtschmelzenden Unterlage geschweißt

1.3

e

1.4

694

Naht erwies sich bei zerstörungsfreier Prüfung als frei von größeren Fehlern (siehe EN 13445-5:2002). Bei Nahtversatz siehe 18.10.4.

Klasse umfasst den Einfluss eines Mittellinienversatzes von e/10 infolge einer Dickenänderung. Der Einfluss des Versatzes muss bei der Spannungsberechnung berücksichtigt werden. Bei anderen Fällen von Versatz siehe 18.10.4.

Naht erwies sich bei zerstörungsfreier Prüfung als frei von größeren Fehlern (siehe EN 13445-5:2002).

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

Tabelle P.1 — Schweißnähte (fortgesetzt) Lfd. Nr.

1.5

Art der Verbindung

Detailskizze

Durchgeschweißte Stumpfnaht, einseitig geschweißt, ohne Unterlage

Klasse

Bemerkungen

Prüfgruppe 1 oder 2

Prüfgruppe 3

80

71

63 40

1.6

Durchgeschweißte Stumpfnaht, einseitig geschweißt, mit bleibender Unterlage

40

(a)

63

63

56

40

40

40

Wenn vollständige Durchschweißung sichergestellt werden kann. Wenn Innenseite für Sichtprüfung nicht zugänglich ist. Bei Nahtversatz siehe 18.10.4. Nur Rundnähte (siehe 5.7). Unterlegstreifen muss durchlaufend sein, und wenn er mittels Schweißung befestigt ist, müssen die Heftschweißungen ausgeschliffen oder in die Hauptstumpfnaht eingebettet sein, oder es sind durchgehende Kehlnähte zugelassen. Mindestnahtdicke = Wanddicke. Wurzellage muss auf vollständige Verschmelzung mit der Unterlage geprüft werden. Einlagenschweißnaht. Nur Rundnähte (siehe 5.7).

(b)

63

1.7

Naht erwies sich bei zerstörungsfreier Prüfung als vollständig durchgeschweißt und frei von größeren Fehlern (siehe EN 13445-5:2002).

63

Unterlegstreifen mit nicht durchlaufender Kehlnaht.

few =1

Nur Rundnähte (siehe 5.7).

Sickennaht

63

63

Mindestnahtdicke = Wanddicke. few = 1

56

40

Wurzellage muss auf vollständige Verschmelzung geprüft werden.

40

40

Einlagenschweißnaht.

695

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05) Tabelle P.2 — Verbindung Schale-Kopf oder Schale-Rohrboden

Lfd. Nr.

Art der Verbindung

Für Hauptspannungen, die im wesentlichen senkrecht zur Naht wirken Detailskizze

Prüfgruppe 1 oder 2 2.1

Prüfgruppe 3 Bodenplatte muss ausreichende Festigkeitseigenschaften über die Dicke aufweisen, um Lamellenrissbildung zu vermeiden.

Aufgeschweißter Boden

71 80

2.2

Bemerkungen

Klasse

63 63

63

63

32

32

63

40

40

40

Aufgeschweißter Boden mit Entlastungsnut

Beidseitig mit versenkter Kehlnaht geschweißt: - gilt für Ermüdungsrisse in der Schale vom Nahtübergang aus - gilt für Ermüdungsrisse in der Schweißnaht, auf Grundlage der Spannungsschwingbreite an der Schweißnahtdicke Einseitig durchgeschweißt, ohne Gegennaht: - wenn Innenseite sichtgeprüft werden kann und sich als frei von Schweißgutüberlauf oder Wurzelrückfall erweist. - wenn Innenseite nicht sichtgeprüft werden kann. Durchgeschweißt

80

63

40

Einseitig geschweißt und Innenseite bündig geschliffen Einseitig geschweißt: - wenn Innenseite sichtgeprüft werden kann und sich als frei von Schweißgutüberlauf oder Wurzelrückfall erweist;

63

696

Beidseitig durchgeschweißt: - wie geschweißt; - Übergänge nachbearbeitet (siehe 18.10.2.2).

40

- wenn Innenseite nicht sichtgeprüft werden kann.

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

Tabelle P.2 — Verbindung Schale-Kopf oder Schale-Rohrboden (fortgesetzt) Lfd. Nr.

Art der Verbindung

Für Hauptspannungen, die im wesentlichen senkrecht zur Naht wirken Detailskizze

Prüfgruppe 1 oder 2 2.3

Eingeschweißter Boden

Bemerkungen

Klasse Prüfgruppe 3

Beidseitig durchgeschweißt: gilt für Ermüdungsrisse vom Nahtübergang aus in der Schale:

(a)

71

63

80

63

(b)

(c)

- wie geschweißt; - Übergänge nachbearbeitet (siehe 18.10.2.2).

32

32

71

71

63

63

Beidseitig mit versenkter Kehlnaht geschweißt: - gilt für Ermüdungsrisse in der Naht, auf Grundlage der Spannungsschwingbreite an der Nahtdicke; - gilt für Dauerbruch in der Schale; - gilt für Dauerbruch im Boden.

56

40

Einseitig durchgeschweißt.

697

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05) Tabelle P.3 — Verbindungen an Abzweigen

Lfd. Nr.

3.1

Art der Verbindung

Detailskizze

Verzweigungsecke

Klasse

Bemerkungen

Prüfgruppe 1 oder 2

Prüfgruppe 3

100

100

71 80

63 71

Durchgeschweißt: - wie geschweißt; - Übergänge nachbearbeitet (siehe 18.10.2.2).

63

63

Mit versenkter Kehlnaht geschweißt

Normalerweise Beurteilung wie bei ungeschweißten Bauteilen, auf der Grundlage der Vergleichsspannung. Es ist jedoch eine vereinfachte Beurteilung unter Verwendung von Klasse 100 gemäß Anhang Q zulässig, ebenfalls auf der Grundlage der Vergleichsspannung. few = 1.

Riß verläuft von der Ecke aus in das Bauteil. In den Skizzen ist die Rißebene dargestellt. 3.2

698

Nahtübergang in der Schale

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

Tabelle P.3 — Verbindungen an Abzweigen (fortgesetzt) Lfd. Nr.

Art der Verbindung

Detailskizze

Klasse Prüfgruppe 1 oder 2

3.3

Schweißgut Spannung

unter

Bemerkungen Prüfgruppe 3 Auf Grundlage der Spannungsschwingbreite parallel zu Naht-auf-NahtQuerschnitt few = 1.

Durchgehende Naht unter Spannung in Längsrichtung

71

71

Durchgeschweißt

71

71

Mit versenkter Kehlnaht geschweißt

32

32

Auf Grundlage der Spannungsschwingbreite an der Schweißnahtdicke. few = 1.

71

63

Wie geschweißt;

80

71

Übergang nachgearbeitet (siehe 18.11.2.2) en = Wanddicke des Abzweigs in Gleichung 18.10-6

Schweißgut unter Spannung senkrecht zu seiner Länge

3.4

Übergang in Abzweig

699

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05) Tabelle P.4 — Mäntel Lfd. Nr.

Art der Verbindung

Für Hauptspannungen, die im wesentlichen senkrecht zur Naht wirken Detailskizze

Prüfgruppe 1 oder 2 4.1

Bemerkungen

Klasse Prüfgruppe 3

Durchgeschweißt; mit zerstörungsfreier Prüfung nachzuweisen, dass Naht frei von größeren Fehlern (siehe EN 13445-5:2002)

Verbindungsnaht zwischen Mantel und Formdichtungsring

Einseitig geschweißt: - Mehrlagenschweißnaht, Wurzellage auf vollständige Verschmelzung geprüft.

63

40 40

71

700

56

- Einlagenschweißnaht. - in allen Fällen Beidseitig geschweißt oder einseitig geschweißt mit Gegennaht.

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 7 (2003-07)

Tabelle P.5 — Anbauteile Klasse zur Verwendung bei:

Lfd. Nr.

5.1

Art der Verbindung

Detailskizze

Struktur-vergleichs- Nenn-vergleichsspannung spannung PrüfPrüfPrüfPrüfgruppe gruppe 3 gruppe gruppe 3 1 oder 2 1 oder 2

Anbauteil beliebiger Form mit Randkehle oder Randabschrägung – mit der Oberfläche eines spannungsbeanspruchten Bauteils Spannungen wirken im stumpfverschweißt, Nähte wesentlichen parallel zur Naht: um die Enden herum-geführt oder nicht

Bemerkungen

Bei Teilen mit um die Enden herumgeführten Nähten eine Klasse höher, wenn Nahtübergang nachbearbeitet (siehe 18.10.2.2). 71

71

56

56

L ≤ 160 mm

71

71

50

50

L > 160 mm few = 1. Eine Klasse höher, wenn Nahtübergänge nachbearbeitet (siehe 18.10.2.2)

Spannungen wirken im wesentlichen senkrecht zur Naht

71

71

56

56

t
55 mm

71

71

50

50

t > 55 mm few = 1

5.2

Anbauteil beliebiger Form, Oberfläche am spannungsbeanspruchten Bauteil anliegend, Nähte um die Enden herumgeführt oder nicht

Bei Teilen mit um die Enden herumgeführten Nähten eine Klasse höher, wenn Nahtübergänge nachbearbeitet (siehe 18.10.2.2) 71

71

56

56

L
 w


71

71

50

50

L > 160 mm, w


71

71

45

45

L > 160 mm, w > 55 mm

701

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05) Tabelle P.5 — Anbauteile (fortgesetzt) Lfd. Nr. Art der Verbindung

Detailskizze

Strukturvergleichsspannung Prüfgruppe 1 oder 2 5.3

Durchgehende Versteifung

Bemerkungen

Klasse zur Verwendung bei:

Nenn-vergleichsspannung

PrüfPrüfgruppe 3 gruppe 1 oder 2

Prüfgruppe 3

Spannungen wirken im wesentlichen parallel zur Naht:

Auf Grundlage der Spannungsschwingbreite parallel zur Naht in der Versteifung. few = 1. 80

71

80

71

Durchgeschweißt.

71

71

71

71

Mit versenkter Kehlnaht geschweißt.

Bei durchgeschweißten Nähten eine Klasse höher, wenn Nahtübergang nachbearbeitet (siehe 18.10.2.2).

Spannungen wirken im wesentlichen senkrecht zur Naht

702

71

71

56

56

t ≤ 55 mm

71

71

50

50

t > 55 mm

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05) Tabelle P.6 — Auflagerungen Lfd. Nr. Art der Verbindung

6.1

Für Hauptspannungen, die im wesentlichen senkrecht zur Naht wirken Klasse Bemerkungen Detailskizze

Auflagerung eines liegenden oder stehenden Behälters (mit durchgehender Kehlnaht rundum verschweißt)

Prüfgruppe 1 oder 2

Prüfgruppe 3

71

71

Wie geschweißt;

80

80

Nahtübergang in die Schale nachbearbeitet (siehe 18.10.2.2)

71

71

Wie geschweißt;

80

80

Nahtübergang in die Schale nachbearbeitet (siehe 18.10.2.2)

71

71

Wie geschweißt;

80

80

Nahtübergang in die Schale nachbearbeitet (siehe 18.10.2.2)

(Unterlegblech) 6.2

Zapfenlagerung (Unterlegblech)

6.3

Sattelauflager (mit durchgehender Kehlnaht rundum verschweißt)

6.4

6.5

Standzarge

Tragpratzen (mit oder ohne Verstärkungsblech) mit durchgehender umlaufender Kehlnaht mit dem Behälter verschweißt.

Beidseitig geschweißt:

a b

71

71

Wie geschweißt;

80

80

Nahtübergang in die Schale nachbearbeitet (siehe 18.10.2.2).

56

56

Einseitig geschweißt.

80

80

a) Gilt für Ermüdungsrisse in der Schale.

71

71

b) Gilt für Ermüdungsrisse in der Tragpratze.

703

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05) Tabelle P.7 — Flansche und Verstärkungsringe Lfd. Nr. Art der Verbindung

Für Hauptspannungen, die im wesentlichen senkrecht zur Naht wirken Detailskizze

Prüfgruppe 1 oder 2 7.1

Bemerkungen

Klasse Prüfgruppe 3

Naht erwies sich bei zerstörungsfreier Prüfung als frei von Oberflächenfehlern und größeren oberflächennahen Fehlern (siehe EN 13445-5) .

Mit Stumpfnaht durchgeschweißter Vorschweißflansch oder Ausgleichsflansch mit Schweißansatz. 80

63

Naht beidseitig geschweißt oder einseitig geschweißt mit Stützraupe oder Naht bis zur aufschmelzenden Einlage oder zur temporären Unterlage. Naht einseitig geschweißt:

63 40

7.2

Vorschweißflansch

40

- wenn vollständige Durchschweißung sichergestellt werden kann; - wenn Innenseite für Sichtprüfung nicht zugänglich ist. Durchgeschweißt::

a

71

63

a) wie geschweißt;

80

63

Nahtübergänge nachbearbeitet (siehe 18.10.2.2). Mit versenkter Kehlnaht geschweißt:

a

b

a

704

63

63

32

32

a) gilt für vom Nahtübergang ausgehende Ermüdungsrisse; b) gilt für Ermüdungsrisse in der Naht auf Grundlage der Spannungsschwingbreite an der Nahtdicke.

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

Tabelle P.7 — Flansche und Verstärkungsringe (fortgesetzt) Lfd. Nr. Art der Verbindung

Für Hauptspannungen, die im wesentlichen senkrecht zur Naht wirken Detailskizze

7.3

Bemerkungen

Klasse

Einschweißflansch oder Verstärkungsring

Prüfgruppe 1 oder 2

Prüfgruppe 3

71 80

63 63

Durchgeschweißt: - wie geschweißt - Nahtübergänge nachbearbeitet (siehe 18.10.2.2). Beidseitig mit Kehlnaht geschweißt:

7.4

Beidseitig geschweißter Einschweißflansch oder Verstärkungsring

a

63

63

32

32

63

63

32

32

b) 71

b) 71

b

- gilt für vom Nahtübergang ausgehende Ermüdungsrisse - gilt für Ermüdungsrisse in der Naht auf Grundlage der Spannungsschwingbreite an der Nahtdicke. a) gilt für vom Nahtübergang ausgehende Ermüdungsrisse a) gilt für Ermüdungsrisse in der Naht auf Grundlage der Spannungsschwingbreite an der Nahtdicke. b) auf Grundlage der Tangentialspannung in der Schale an der Nahtwurzel. few = 1.

705

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

Anhang Q (normativ)

Vereinfachte Methode zur Berechnung der Werkstoffermüdung für ungeschweißte Bereiche Anhang zu Abschnitt 18 Es ist möglich, zur Berechnung der Werkstoffermüdung von ungeschweißtem Stahl eine vereinfachte Methode unter Verwendung der Auslegungsdaten „Klasse 90“ für verschweißte Teile, unabhängig von der statischen Festigkeit oder der Oberflächenendbearbeitung, anzuwenden. Die Daten werden in Verbindung mit Gleichung 18.10-12 verwendet, wobei fw durch fu ersetzt wird. Handelt es sich bei der angewandten Spannung teilweise um eine Druckspannung, kann der relevante Wert von ∆σeq angenommen werden als die Summe aus Zugbeanspruchung und 60 % Druckbeanspruchung. Das heißt, für die mittlere Spannung σ eq ist der Korrekturfaktor fu hier fe ⋅ ft * ⋅ fc / Keff , wobei:

fc

æ σ eq = 125 , - çç è 2 ∆σ R

ö ÷ ÷ ø

fe ist in 18.11.1.2 und ft* in 18.10.5.2 gegeben.

706

(Q-1)

EN 13445-3:2002 (D) Ausgabe 1 (2002-05)

Anhang ZA (informativ)

Abschnitte in dieser Europäischen Norm, die grundlegende Anforderungen oder andere Vorgaben der EU Richtlinien betreffen

Diese Europäische Norm wurde im Rahmen eines Mandats, das dem CEN von der Europäischen Kommission erteilt wurde, erarbeitet und unterstützt grundlegende Anforderungen von DGRL1 im Hinblick auf die Konstruktion von unbefeuerten Druckbehältern. WARNHINWEIS: Für Produkte, die in den Anwendungsbereich dieser Norm fallen, können weitere Anforderungen und EU-Richtlinien anwendbar sein. Die Übereinstimmung mit den Abschnitten dieser Norm ist eine Möglichkeit, die relevanten grundlegenden Sicherheitsanforderungen der betreffenden Richtlinie und der zugehörigen EFTAVorschriften zu erfüllen. Tabelle ZA-1 — Übereinstimmung zwischen dieser Europäischen Norm und der Druckgeräte–Richtlinie 97/23/EG Abschnitte in dieser Europäischen Norm

Inhalt

Druckgeräte–Richtlinie 97/23/EG Anhang I

Alle Abschnitte 5 6

Auslegung für notwendige Stärke Berechnungsmethode - DBF Quantitative Anforderungen

2.2 2.2.3 7

7 to 18

Berechnungsmethode - DBF

2.2.3

Anhang A Anhang E Anhang F Anhang G Anhang J Anhang P Anhang Q Anhang B, Anhang C

Berechnungsmethode - DBF

2.2.3

Berechnungsmethode - Auslegung mit Analyseverfahren

2.2.3

1 Richtlinie 97/23/EG des Europäischen Parlaments und des Rates vom 29. Mai 1997 zur Angleichung der

Rechtsvorschriften der Mitgliedsstaaten über Druckgeräte [Abl EG Nr. L 181, 9. Juli 1997]

707