Kraftwerksrohrleitungen
- Regelwerke und Praxis
Unrundheit, Ovalität
und Zusatzlasten
Dr.-Ing. Robert Gillessen,
Beratender Ingenieur im Anlagenbau /Aachen
Bei bestimmten physikalische Konstellationen
wird jeder Stahl und auch Beton = Stein zerbrechen und ist keine Frage des
Werkstoffes. Solche Fälle sind Ansammlungen von Kondensat, welches nicht ordnungsgemäß
abgeführt wird in verschiedenen Betriebszuständen. Es hilft kein Hinrechnen mit
Ansätzen von Unrundheit, Ovalität und zusätzlichen Lasten.
Bei den zusätzlichen Lasten
werden meist die äußeren Lasten gemeint, die nach angelsächsischer Theorie
zumindest in „primär
oder sekundär“ unterteilt werden müssen, was in unseren Deutschen Regeln
nie so deutlich gesagt wird aber im Prinzip mit den Grundlagen abgedeckt ist.
Führen Sie sich einmal die Kräfte vor Augen, die beim Biegeprozeß erforderlich
sind und das bei erheblich höheren Temperaturen, dann kommen Sie leicht zu dem
Schluß, das halten unsere Gebäude nicht aus, wenn auch zugegebener Maßen die
Hebelarme im Gebäude größer werden können. Sicher gilt auch hier, keine Regel
ohne Ausnahmen.
An Hand der Gliederung:
¨
Einführung und Grundlagen
¨
Auslegung der Bauteile nach Regelwerke, DIN, TRD u. a.
¨
Zusätzliche Lasten nach DIN, FDBR und ASME (KTA)
¨
Auswirkungen im Betrieb und Lebensdauerbeurteilung
¨
Schlußfolgerung und Empfehlung
möchte ich eine Übersicht über
diese Problematik geben und abschließend einige Empfehlungen formulieren.
1
Einführung
und Grundlagen
Beginnen wir auch hier mit den
Unrundheiten und der Ovalität.
1.1
Unrundheit (Ovalität)
Hierbei setze ich die Ovalität
bereits bewußt in Klammern, denn die meisten Rohre und Biegungen sind in Praxis
weniger oval und schon gar nicht elliptisch, wie es der Berechnungsansatz vor
sieht. Die Praktiker (Hersteller) wollen dies vielleicht nicht so offenlegen,
denn trotz mehrfacher Rückfragen hat mir dies niemand bestätigen wollen. Aber
machen Sie sich selber einmal Gedanken dazu und folgen Sie meinen Ausführungen.
In der
Literatur fand ich Veröffentlichungen aus dem Anfang der 60iger Jahre, die beim
VGB veröffentlicht wurden und wovon eine die Grundlage einer Werksnorm bei Babcock
ist. Es sind sicher kleinere Abmessungen, eher „tube“ als „pipe“, um die amerikanische
Unterscheidung zu nutzen. Diese Untersuchungen [1] sind Basis meiner Überlegungen
und ich glaube man braucht zur Übertragung nicht unbedingt
Groß-Bauteil-Versuche.
Das Bild 1 zeigt daraus
eine echte Ovalität von 35,6 % mit den typischen Schäden an der Innenseite, d.
h. keine Zeitstandschäden! Diese Form entspricht angenähert dem damals entwickelten
mathematischen Ansatz zur Berechnung dieser zusätzlichen Beanspruchungen, aber
immer unter der Voraussetzung der wirkende Innendruck ist in der Lage das Rohr
„rund“ zu drücken.
Nach
Einteilung des ASME – Code [2] sind diese Spannungen als „sekundär“ ein zu
stufen, was zunächst nicht ganz einsichtig, da Innendruck doch als „primär“
gilt. Nur runder als rund schafft es auch ein höherer Druck nicht und im
Zeitstandbereich relaxiert diese Spannung aus, wenn auch nicht ganz heraus.
Deshalb zeigen die Versuche seinerzeit auch nur geringere Zeitstandschäden an
der äußere Oberfläche, sondern vornehmlich Wechselschäden an der inneren
Oberfläche.
Das weitere Beispiel der in Bild 2, welches
den typischen Querschnitt einer Sand- (Füllung-) Biegung zeigt, zumindest kann
man sich das so vorstellen. Hier trifft das gleiche zu, die Anrisse sind Lastwechselrisse,
wie es dort nachzulesen ist. Die MPA – Stuttgart machte zu der Zeit Versuche
[3+4] an oval gepreßte Rohren für besondere Anwendungen und kam zu ähnlichen
Ergebnissen einer geringen Gefährdung.
Die heutigen Biegungen, sollten sowohl
nach TRD [5] und AD [6] eher die Form gemäß Bild 3 haben. Die gezeichnete, theoretische
Abweichung sollte nach den dortigen Festlegungen erreicht werden, auch dazu bekam
ich leider aus der Fertigung keine Bestätigung. Alle Beteuerungen der heutigen
„Rohrbieger“ mit Induktiv-Biegemaschinen, lassen dies aber voraussetzen. Sie
sehen, wie der geometrische Mittelpunkt der Bohrung zwar nach außen (hier nach
links) wandert, der Schwerpunkt, wenn auch nicht im gleichen Maße, sich nach
rechts verlagert. Dies hat eine Veränderung des Trägheits- und Widerstandsmomentes
zur Folge. Der Faktor (k) formuliert die Veränderung des Widerstandsmomentes gegenüber
dem konzentrischen Rohr, in der folgen
den Tabelle 1, Bild 4 in Folie
(7) ist der Kehrwert ganz rechts aufgelistet. Die oberen Zeilen zeigen nur geringen
Einfluß durch diese Veränderung und ist sicher durch die, in Praxis ermittelten
Faktoren aus dem ASME – Code [2], mit abgedeckt. Die letzten Zeilen sind rein
theoretisch, würde die letzte Zeile doch bedeuten, die Wanddicke im Extrados
ist Null (= 0!) und für die Praxis nicht verwendbar.
Zusätzliche
Lasten
Die zusätzlichen Lasten, die im
Prinzip nur schätzungsweise bekannt sind, trotz Berechnung können die Ergebnisse
nicht besser sein als die Vorgaben, Randbedingungen und Annahmen, die zur Berechnung
erforderlich sind. Dies sind aber im Grunde nur die Schnittlasten, sprich
äußere Lasten. Die eigentlichen „innere Lasten“ sind damit nicht erfaßt, auf
die ich hiermit besonders aufmerksam machen möchte. Die Aufteilung dieser
Lasten in „primär“ und „sekundär“ ist aber
bereits dazu erforderlich, denn die Berechnungsmethode und Faktoren sind dem
ASME – Code [2] entlehnt und diese Regeln sollten deshalb genau befolgt werden,
sonst wird aus unserer Anlage ein Schiff was nicht mehr schwimmt!
1.2
Hinweise
Was aber sagen unsere Regelwerke
zu dieser Problematik und wie sind diese zu interpretieren? Hier wird es
schwierig, wie so immer wenn man so etwas tut, spricht jeder von etwas Anderem.
Deshalb möchte ich im folgenden zunächst auf diese Regeln eingehen, wenn Sie
auch alle glauben, dies sei „kalter Kaffee“
d. h. hinreichend bekannt. Ich glaube hingegen, die Ersteller der Regelwerke
haben in gewisser Hinsicht weiter gedacht und im Grunde wie die angelsächsische
Überlegung bedacht, ohne dies genau zu beschreiben.
Abschließend will ich dann
versuchen einen Anstoß zu geben für weitere Schritte der Vereinbarung zwischen
Hersteller, Überwacher und Betreiber.
2
Auslegung der Bauteile nach Regelwerke
Hier will ich mit der einfachsten
Regel, der DIN 2413, Teil 1 und Teil 2
[7] beginnen, obwohl die Ergebnisse sich heute nur noch unwesentlich
unterscheiden in der Auslegung bei gleichen Daten natürlich.
2.1 Deutsche
Industrie Norm, DIN 2413 Teil 1 und Teil 2
Die Regel gilt im Grunde nur für
Rohre aus Stahl, also keine Rohrleitung, obwohl bezüglich des Druckstoßes
Aussagen getroffen werden. Ein Druckstoß ist aber abhängig von der Leitungsführung,
was zu bedenken ist. Nun hier werden für gerade Rohre und im Teil 2 für Bogen
Formeln für die Auslegung festgelegt, die in drei Gruppen (I bis III)
unterteilt sind. I steht für vorwiegend ruhend Beanspruchung und III für
schwellende Beanspruchung, beides bis 120° C, II gilt für ruhende Beanspruchung
über 120° C, nochmals unterteilt nach Durchmesserverhältnisse da / di
.
Die Auslegung erfolgt, wie im
Grunde bei allen Regeln nur auf Innendruck und die verwendeten zulässigen Spannungen
werden bei den deutschen Regel in Abhängigkeit von der Betriebs- bzw.
Auslegungstemperatur gebildet. Die Angelsachsen geben diese in Abhängigkeit von
der Temperatur fest vor, d. h. in vergleichbarer Form. Trotzdem kommt es im
Allgemeinen zu dickwandigeren Bauteilabmessungen nach
ASME, was für das Anfahrverhalten aber von Nachteil ist.
Da diese DIN aber im Gegensatz zu
TRD und AD für sich alleine steht und für alle Rohrleitungen gelten soll, sind
hier Abminderungen für schwellende Beanspruchungen gemacht. Dies gilt besonders
für Unrundheit bzw. Ovalität, aber es wird keine Berechnungsformel vorgegeben
im Gegensatz zur TGL. Diese Abminderungen beginnen bei 2 %, diese Grenze ist
identisch mit der in TRD - und AD – Regeln, welche dort eigentlich nicht überschritten
werden darf.
Bei neuerlichen Veröffentlichungen
hat man den Eindruck, als wolle man die Methode der TGL für alle Anwendungen
und vor allem für die Auslegung gültig machen, was dann zur Folge hätte, noch
größere Sicherheiten zu erhalten und die Erschöpfung von >800 % und mehr,
ohne Schäden erreicht würden.
2.1
Technische Regel Dampfkessel, TRD 300
Bei der Auslegung nach TRD [5]
werden Voraussetzungen zu Grunde gelegt, die in den zugehörenden Regelungen für
Werkstoffe, Herstellung und Prüfung festgelegt sind. So ist hier die Unrundheit
in TRD 201 = Herstellung mit 1 % bei ungeglühtem Material bis max. 2 % bei
normalgeglüht oder vergütet Trommeln nur für Längsnaht geschweißten Halbzeugen
limitiert. Bei kleinen Wanddicken < 1 % vom Dm und nahtlosen Zylindern
verzichtet man ganz auf diese Einschränkung!
Für die Berechnung ist nur auf
Wechselerschöpfung ein Unrundheitsfaktor f0 zu berücksichtigen, nach
TRD 301 Anlage 1, also nur bei der Nachrechnung. Eine Besonderheit dieser Regel
ist allerdings in der zulässigen Temperaturdifferenz und
Temperatur-Änderungs-Geschwindigkeit zu finden, welches in der dortigen Darstellung
so manchem Betreiber Schwierigkeiten bereitet. Auch wenn dies quasistationär
gerechnet werden kann, bereitet das nicht nur diesen alleine Schwierigkeiten.
Zum besseren Verständnis habe ich Bild 4 eingefügt und möchte dies daran
erläutern. Wie gesagt quasistationär berechnet bzw. betrachte ist das eine
Geometriekonstante, d. h. von der Form des Bauteils abhängig und abgesehen von
der Unterscheidung Ferrit oder Austenit kaum vom Werkstoff abhängig. So ist die
Schädigung rein vom Gradient der Erwärmung abhängig. Selbst bei gleichem
Δt, wie hier dargestellt, ist das Δϑ erheblich unterschiedlich
und für die Schädigung verantwortlich. Dies zu kontrollieren und ab zu sichern
bedeutet einen nicht zu geringen Aufwand beim Betrieb einer solchen Anlage.
2.2
Arbeitsgemeinschaft Druckbehälter, AD oder Technische Regel
Behälter, TRB
Für die Berechnung gilt hier
ähnliches, die Unrundheit wird in HP 1 eingegrenzt, unterschieden für inneren oder äußeren
Überdruck. Der Maximalwert bei dünnwandigen Bauteilen, unabhängig wie
hergestellt liegt bei 2 % für Innendruck und 1,5 % bei Außendruck. Ein Nachweis
wird aber nur für plastische Verformungen bei Außendruck in AD-B 6
gefordert, d. h. für den Stabilitätsnachweis.
Zusätzlich werden hier im Regelteil „AD-S“ Nachweise für die Wechselbeanspruchungen
jeglicher Belastungen gefordert, also nicht nur auf Grund der Temperaturänderung,
aber nirgends speziell für Unrundheiten. Dafür findet man aber umfangreiche
Anweisungen für örtliche Lasteinleitungen, angelehnt an den British Standard BS
[8] und Spannungsbewertungen nach ASME [9].
Sie finden auch hier den Verweis auf die
eingangs erwähnte Literatur, ohne jegliche Konsequenz für die Auslegung noch
Nachrechnung in diesem Regelwerk.
2.3
Amerikanischer und Britischer Standard, ASME und BS
Die bereits erwähnten und
zitierten angelsächsischen Regeln verfahren nicht wesentlich anders und legen
nach dem primären Berechnungsüberdruck aus. Lediglich sind die Sicherheitsfaktoren
in den zulässigen Werkstoffkennwerten in Abhängigkeit von der Einsatztemperatur
versteckt, was gewisse Vorteile des Kochbuches aber auch Nachteile beinhalten.
Große Vorteile bieten diese
Regeln für den Rohrleitungsbau durch die seit Jahren bestehende Regelung „ANSI
B 31.1“ [2], die faktisch in KTA [10] und FDBR-Richtlinie [11] übernommen
wurden. Allerdings kommt es hier zu einer Vermischung der angelsächsischen und
deutschen Philosophie, die zu erheblichen Fehleinschätzungen führt, sind aber
derzeit die einzigen gültigen Hilfsmittel für den Rohrleitungskonstrukteur und
sind als Nachrechnungen bzw. Abschätzungen zu betrachten.
Allgemein werden die Bauteile
dickwandiger nach Auslegung zumindest nach ASME, was aber für die Anfahrgeschwindigkeit
Nachteile hat, wie bereits ausgeführt.
2.4
Kerntechnische Regeln, KTA
Die Kerntechnischen Regeln will
ich nur der vollständigkeitshalber erwähnen, sind sie doch politisch verpönt.
Es ist technisch zwar nicht richtig, denn es sind die einzigen zusammenhängenden
Regeln, die einigermaßen aufeinander abgestimmt sind, in deutscher Sprache. Für
die Auslegung wird aber auf die Regeln AD und TRD verwiesen, für die immer noch
Anwendungsregeln für zusätzliche Lasten in Vorbereitung sind. Daher rührt sicherlich das
große Dilemma bei der Diskussion dieser Lasten und wie sie zu berücksichtigen
sind. Es wäre aber sehr überheblich, diesem mit dem Hinweis auf eine bessere
Verfügbarkeit in Deutschen Anlagen dies ab zu tun.
3
Zusätzliche Lasten
nach DIN, FDBR und ASME (KTA)
Zu diesem Thema herrscht eine
babylonische Sprachverwirrung und jeder versteht etwas anderes darunter, je
nachdem aus welchem Blickwinkel er dies betrachtet.
3.1
DIN – Hinweise
Die DIN [12] unterscheidet nur
für den Stahlbau solche Lasten und sind auf H, HZ und HS beschränkt.
¨
H = Hauptlasten,
planmäßig auftretende äußere Lasten und Einwirkungen, die nicht nur kurzzeitig
auftreten.
¨
HZ = Haupt- und Zusatzlasten, alle übrigen bei der
planmäßigen Nutzung auftretenden Lasten und Einwirkungen
¨
HS = Hauptlasten, die mit Sonderlasten und gegebenenfalls
auch Zusatzlasten wirken.
Dies sind aber allesamt
sogenannte Primärlasten nach ASME und stehen in keinem Zusammenhang mit diesen
Unterscheidungen. Deshalb ist es auch schwierig sich mit den Stahlbaustatikern
zu verständigen und kommt teilweise zu unlösbaren Konfrontationen.
3.2
FDBR – Richtlinie
Diese Regel zur Berechnung von
Kraftwerksrohrleitungen [11] ist an und für sich die jüngste und ist erstellt
worden „für eine Vergleichbarkeit der Rechenergebnisse, für eine bessere Verständigung
und eindeutige Interpretation“, wie es im Vorwort heißt. Böswillig könnte man
das auch anders interpretieren, denn es ist im wesentlichen eine Übersetzung
des ASME / ANSI B 31.1 von 1983 [2] mit einige verschärfende Bedingungen und
Ergänzungen (z. B. für Kugelformstücke) auf unsere Belange zugeschnitten.
Die Auslegung entspricht der nach
DIN, TRD oder AD unter Vernachlässigung der Bedingungen des amerikanischen
Codes von gewissen Übergangsradien! Die bisherigen, schon langzeitigen Erfahrungen
zeigen aber, daß man dies ungestraft tun kann.
In dieser Regel werden die Lasten
aufgeteilt wie das amerikanische Regelwerk es fordert in Haupt- und Zusatzprimärlasten,
sowie in Sekundär- und Halterungslasten, damit wird eine gewisse Eindeutschung
erzwungen, wenn man so will. Diese werden dann in H, Z und S eingeteilt, die zu
den Lastfällen nach DIN [12] H, HZ und HS zusammengefaßt sind. Wenn sie sich
dies genauer ansehen werden einige doppelt bezeichnet wie Erdbeben und Randpunktverschiebung,
die nicht so eindeutig und erstere für unseren Raum weniger von Bedeutung sind.
Der vorhin besonders herausgestellte Temperaturgradient ist aber nicht zu
geordnet und somit auch nicht abgedeckt.
Es folgen die sogenannten
Stützbedingungen, dort unter Abschnitt 7 aufgelistet. Hier werden wohl die
häufigsten Fehler gemacht, da die praktische Ausführung nicht der theoretischen
Annahme entspricht. Erst in Kapitel 8 folgt die Definition der Lastfälle unter
den acht Unterpunkten ist nur einer über die Betriebslastfälle allerdings mit
11 Unterpunkten die bei Vollast, Teillast und Stillstand alles abdecken sollen.
Ich will an dieser Stelle darauf nicht näher eingehen, welche Gefahren darin
bestehen.
Die Systemanalyse erfolgt, wenn
sie verlangt wird fast ausnahmslos mit Programmen, die Rohrleitung wird mit
wenigen Ausnahmen als Balken abgebildet. Eine Lösung nach FDBR ist allerdings
nur mit „ROHR 2“ [14] möglich, ohne für diesen Vertreiber Reklame zu machen,
damit auch die Idealisierung von den in Deutschland als Besonderheit verwendeten
Kugelformstücken, was häufig nicht bedacht wird. Sicher kann man hier die Frage
stellen, ob dies so wichtig und richtig, aber auch hier gilt die lange positive
Erfahrung.
Letzter Hinweis in dieser Sache
sollte auf dem dortigen Abschnitt 12 erfolgen, in dem die Standard- und zusätzlichen
Berechnungen, sowie die IST- Statik aufgeführt werden. Die IST- Statik ist dort
nur empfohlen, aber im Rahmen der Euphorie in Sachen Lebensdauer unumgänglich
anzusehen.
3.3
ASME- und BS- Folgerungen
Diese beiden angelsächsischen
Regelwerke sind Ausgangspunkt für die Erstellung der FDBR – Richtlinie gewesen,
weisen aber weitere Detaillierungen und Besonderheiten auf, die in der KTA zum
Teil enthalten. Diese Technologie ist inzwischen politisch verpönt und wird nur
zur Vollständigkeit aufgeführt. Hilft aber sicher manchem Anwender zu einer
akzeptablen Lösung, auch und vor allem in Bezug der Lasten und Lastfälle und
deren Abgrenzungen.
3.4
KTA – Hinweise
Wie bereits gesagt, erfolgt hier
eine detaillierte Lastfalleinteilung mit Zuordnung der Spannungsabgrenzungen.
Vor allen die Einteilung der Betriebslastfälle in Bestimmungsmäßigen Betrieb,
Sonder- und Störfälle, zeigt diese Regel andere Schwerpunkte auf. Damit ebenso
bessere Handhabung, auch wenn so, als „Kerntechnik verseucht“ heute abgeschrieben.
4
Auswirkungen
im Betrieb und Lebensdauerbeurteilung
Die Auswirkungen möchte ich
natürlich an Beispielen erläutern, die ich aus Vorfällen der letzten Jahre entnehmen
will.
4.1
Betrieb
Hilfreich sind Schadensfälle die
veröffentlicht wurden, so ist Bild 5 auf einer VGB-Fachtagung [13] gezeigt
worden. Es ist mit Sicherheit
nicht an zu nehmen, daß dieser Schaden bei normalem, Bestimmungsmäßigen Betrieb
erfolgt ist, um an dem vorherigen anknüpfen zu können. Andere Beispiele, die
nicht veröffentlicht wurden, kann ich nur prinzipiell darstellen. So das
Beispiel eines Überströmsammles Bild 6 aus einer Anlage, die naß
angefahren wird. Das dargestellte Kondensat ist nicht zu entwässern und für
eine gewisse Zeit beim Anfahren zumindest vorhanden. Welche Zustände sonst noch
wirken, bleibt offen und wird nicht kontrolliert. Dies ist eine kritische
Situation, wie ebenfalls vor einigen Jahren im GKM festgestellt und veröffentlicht
[14] wurde. Das Bild 7 zeigt die Beanspruchung eines Rohrquerschnittes aus dieser
Veröffentlichung, die nicht zu spontanem Versagen führte.
Es handelt sich hier um den
gefürchteten Ratcheting Prozeß, die von der Häufigkeit des Vorganges abhängt.
Hier zu folgern, es hat 30 Jahre gehalten, also wird dies auch weitere Jahre
halten bei verändertem Betrieb, wäre sträflicher Leichtsinn.
Da dies aber nicht so leicht
einsichtig, weil in den Regeln bewußt ausgeklammert und zyklisch = betrieblich
abgesichert werden muß. Weist zumindest der ASME – Code unmißverständlich
darauf hin und ist vielen auch über den Weg gekommen mit dem berüchtigten 3Sm – Kriterium. In Bild 8 erfolgt
prinzipiell die Aufteilung des ungleichmäßigen Temperaturverlaufs über den
Durchmesser. Es ist zu erkennen, der gleichmäßige Anteil, der das Rohr nur verlängert.
Der linear veränderliche Teil biegt das Rohr, soweit dies möglich und die
innere Kraft wird so groß, das selbst einbetonierte Rohre sich verformen würde
im Gegensatz zu den äußeren Lasten. Kritisch wird der nicht lineare Rest, der
für bleibende Verformungen sorgt, die auf dem ersten Blick nicht erklärbar
sind. Was an der Spitze da unten geschieht, die noch harmlos dargestellt ist,
will ich im Bild
9 erläutern.
In Bild 9 wird der Dehnungsverlauf von
Teilbereichen prinzipiell dargestellt. Der kleinere Teil des Querschnittes
(links) überschreitet deutlich die Streckgrenze und plastiziert, während der
größere Teil dies womöglich gar nicht erreicht. So kommt es zu der gefürchteten
schrittweise Deformation des betroffenen Bereiches bis zum Schaden =
Ratcheting. Dies um so mehr an Übergängen Böden, Reduzierungen und auch
T-Stücken, wie am gezeigten Schadensbild (Bild 5) zu erkennen. Dies hat wenig mit
dem Werkstoff zu tun und ebenso nichts mit Ovalität oder sonstige Ausgangsformen,
wie aus den Messungen im GKM zu folgern. Auch der erhoffte „Notanker“
zusätzliche Lasten hilft nichts, insbesondere die sogenannten äußern Lasten,
wie aufgelistet. Es sind Innere Lasten dafür verantwortlich, die in den Regeln
nicht zugeordnet, um nicht vergessen zu sagen.
Um nun aber einen Anhaltswert zu
erhalten, wurde im Zusammenhang mit einem andern Schaden, der sicherlich nicht
so spektakulär wie eingangs gezeigt war. Aber mindesten sehr unangenehm für den
Hersteller, den ich seinerzeit vertreten habe und eine Untersuchung am System
durchgeführt habe. Das Ergebnis will ich mit den beiden folgenden Bildern
vorstellen und für diesen jetzigen Zweck auswerten. Das Bild 10 zeigt
einen Ausschnitt von dem Rohrleitungssystem, eingeweihte werden dies viel
geschmähte System gleich erkennen. Es wurde das System mit den üblichen
Betriebslasten nach FDBR-Richtlinie in grüner Farbe geplottet. Rot ist ein Sonderfall
durch Temperaturschichtung dargestellt, deutlich ist dabei die wohl bekannte
Bananenkrümmung
zu erkennen. Die daraus resultierenden
Spannungen sind im folgenden Bild 11 aufgeführt, es sind die Spalten
3 bis 6, für normale Temperatur / Sonderfall / Eigengewicht / Innendruck, in
dieser Reihenfolge. In Spalte 1 ist die gemessene bzw. angenommene
Temperaturdifferenz aufgelistet und dazu die mit FEM berechneten zugehörigen
Spannung im geraden Rohr. Sie erkennen deutlich die Bedeutung solcher Beanspruchungen
und brauche ich nicht zu unterstreichen 137 >>18,4 N/mm2.
Ich glaube diese Zahlen sprechen
für sich und ich brauche das übrige nicht weiter zu erklären, die eine andere
Zielrichtung hatten.
4.2
Lebensdauer
Die vorher aufgezeigte
Beanspruchung ist eine zyklische = Ermüdungsbeanspruchung, die wir mangels
einer besseren Lösung zum Erschöpfungsgrad zur Bewertung zusammen fassen. Wenn
wir uns aber die Einflußfaktoren auf die Lebensdauer anschauen, was ich mit Bild 12 abschließend
tun möchte, ist die dargestellte Gefahr nicht abgedeckt.
Vielleicht ist der große Balken
der Zeitstandfestigkeit ein Grund dafür, das in Deutschland ein übergroßer
Schwerpunkt im Werkstoffbereich gelegt wurde und alles andere zu vergessen?
5
Schlußfolgerungen
und Empfehlungen
Die neu aufgeflammte Diskussion
über die Ovalität ist nach den Recherchen wohl kaum notwendig und unter den
dort aufgezeigten Bedingungen nicht erfolgversprechend. Auch die Systemauslegung,
sofern sie sorgfältig und richtig gemacht ist, auf dem richtigen Weg. Allerdings
sollte uns dies nicht verleiten, die bekannten Probleme von Anfahr-, Abfahr-
und anderen Schieflagen mit dem Bestimmungsmäßigen Betrieb abgedeckt seien.
Hier sollte mehr Sorgfalt von Hersteller und Betreiber erwartet werden, als
sogenannte „Sachkundige“! Die Ableitung des Kondensats wird im Rahmen dieser
Selbstsicherheit zunehmend weniger beachtet. In Anbetracht des zunehmenden
Kostendruckes finden mehr und mehr Profiteure mit Ausführungsforen die nicht
den VGB Empfehlungen [16] entsprechen, weil die Betreiber und Besteller dies
nicht erkennen. So sind z. B. ebene Böden in warmgehenden Leitungen eher eine
Verschlimmbesserung über 250° C, wie kragenförmige Verstärkungen auch. Diese
sind zwar kostengünstiger aber damit keineswegs immer preiswerten, sondern nur
billiger im wahrsten Sinne des Wortes.
6
Internationaler
Vergleich der Regelwerke und Tagungen
Mit den weiteren Folien erlauben
sie mir einen Vergleich der deutschen Aktivitäten ohne jegliche Bewertung zwischen
den amerikanischen Regeln [17] und Aktivitäten zu unseren in Deutschland. Diese
Hinweise sollten nicht leichtfertig oder gar überheblich mit der Feststellung
der besseren Verfügbarkeiten vom Tisch gefegt werden, wie ich es bereits
vernommen habe. Möchte damit einen Anstoß geben hier eine entsprechende Weichenstellung
zu beeinflussen.
7
Schrifttum:
[1]
E. Ulrich, Babcock – Oberhausen (DBS
31-Teil 3). Sonderdruck aus Mitteilungen der VGB, Februar 1960. Über die Festigkeit
von Rohrbogen mit elliptischen Querschnitten bei Innendruck und zusätzlicher
Auffederung.
[2] ASME,
Boiler and Pressure Vessel Code, Sekt. III, Div. 1 Subsect. NB. The American
Society of Mechanical Engineers,
[3] Ch. Doltsinis, MPA, Material Prüfungsanstalt
Stuttgart. Ein numerisches Verfahren zur Ermittlung der Ovalisierungseinflüsse
in Rohrleitungen aus Versuchsergebnissen. Forschung im Ingenieurwesen, Bd. 51
(1985) Nr. 1
[4] J. Jekerle, SHG-Schack GmbH, Kassel. Spannungsanalyse
an einem flachovalen Rohr unter Innendruck.
[5] TRD, Technische Regel für Dampfkessel, Taschenbuch-Ausgabe
1995 aus Carl Heymanns
Verlag KG, Köln und Beuth Verlag GmbH, Berlin
[6] AD-Merkblätter, Arbeitsgemeinschaft Druckbehälter, Technische
Regel für Druckbehälter,
Taschenbuch-Ausgabe 1995 aus Carl Heymanns Verlag KG, Köln und Beuth Verlag
GmbH, Berlin
[7] DIN, Deutsches Institut für Normung e. V.,
Rohre aus Stahl nach DIN 2313 Teil 1 und Teil 2,
Ausgabe 10.93
[8] BS =
British-Standards Institution. Design and construction of ferrows piping and
Specifications for unfired fusion welded pressure vessels.
[9] W. C.
Kroenke, Classification of Finite Element Stresses According to ASME Section
III Stress Categories, Babcock & Wilcox, Akran, Ohio / USA (1971)
[10] KTA = Kerntechnischer Ausschuß, KTA 3101.2
Komponenten des Primärkreislaufes von LWR, Teil 2 = Auslegung, Konstruktion und
Berechnung
[11] FDBR-Richtlinie, Berechnung von Kraftwerksrohrleitungen
(01.1987) 2. Ausgabe, Vulkan-Verlag, Essen 1993 des Fachverband Dampfkessel-,
Behälter- und Rohrleitungsbau e. V., Düsseldorf
[12] DIN, Deutsches Institut für Normung e. V., Stahlbau DIN 17000
Teil 1 bis 5, Ausgabe
[13] VGB – Fachtagung am 10.11.1998 in Essen, Beitrag
V4, Thermische Wechselermüdung ... von B. Hahn, et. al., Mannesmann Demag AG
und B. Kempkes, PreußenElektra Engineering.
[14] VGB Kraftwerkstechnik 64 (1984, Heft 10). Verlagerungen von Heißdampfrohrleitungen, H. Welter, GKM und B. Pfau, IVD der UNI Stuttgart
[15] Rohrsystem-Berechnung-Programm „ROHR 2“, Beratungs-
und Programmierdienst „SIGMA“ Dortmund
[16] Richtlinie VGB-R 509 L, Wiederkehrende
Prüfungen an Rohrleitungen in fossilbefeuerten Wärmekraftwerken, 1. Ausgabe
1984, VGB-Kraftwerkstechnik GmbH, Essen
[17] ASME-Code Case N 47, Class 1 Components in Elevated Temperature
Service. ASME,