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TRD 301 - Zylinderschalen unter innerem Überdruck *, **
- Berechnung -
Technische Regeln für Dampfkessel (TRD)

Ausgabe April 1975
(ArbSch. 7-8/1975 S. 293; 4/1976 S. 135; 1-2/1978 S. 59; BArbBl. 5/1981 S. 68; 4/1984 S. 60; 7-8/1996 S. 78; 10/1997 S. 85; 12/1997 S. 71 aufgehoben)



1 Geltungsbereich

1.1. Die nachstehenden Berechnungsregeln [1] gelten für Zylinderschalen ohne und mit Ausschnitten (Rohre, Trommeln, Trenngefäße Sammler, Mäntel, Schosse und dgl.) unter innerem Überdruck, bei denen das Verhältnis da/di < 1,7 ist. Darüber hinaus sind Durchmesserverhältnisse da/di bis 2,0 zulässig, wenn die Wanddicke sv < 80 mm beträgt. Die Berechnung von Armaturengehäusen ist in TRD 110 geregelt.

1.2. Die Berechnungsregeln gelten in erster Linie für verformungsfähige Werkstoffe (δ5 > 14 % 1). Sie können für Ausführungen nach den Bildern 1 bis 6 auch bei weniger verformungsfähigen Werkstoffen angewendet werden, wenn dem geringeren Verformungsvermögen durch einen höheren Sicherheitsbeiwert Rechnung getragen wird (siehe TRD 300 Tafel 6) und die Wanddicke des Grundkörpers sv < 50 mm ist.

1.3. Die Berechnungsregeln berücksichtigen nur durch inneren Überdruck hervorgerufene Beanspruchungen. Zusätzlichen Kräfte und Momente nennenswerter Größe müssen gesondert berücksichtigt werden 2. In diesem Fall gibt der Kesselhersteller die Größe der Kräfte und Momente an und weist nach, daß diese beachtet sind.
Systemschwingungen werden durch die folgende Rechnung nicht erfaßt. Ihnen ist beispielsweise durch konstruktive Maßnahmen zu begegnen.

1.4 Bei Zylinderschalen ohne Ausschnitte, die nach diesen Regeln berechnet werden, tritt bei Anwendung der angegebenen Sicherheitsbeiwerte nur im Bereich zeitunabhängiger Festigkeitskennwerte kein nennenswertes Fließen ein. Bei Zylinderschalen mit Ausschnitten können an den höchstbeanspruchten Stellen, insbesondere bei der ersten Belastung, plastische Verformungen auftreten, die bei Anwendung dieser Berechnungsregeln in tragbaren Grenzen bleiben 3.

1.5. Für Zylinderschalen unter äußerem Überdruck gilt TRD 306.

2. Berechnungsgrößen und -einheiten

Siehe TRD 300 Abschnitt 2. Darüber hinaus gilt Tafel 1.

3. Allgemeines

3.1. Bei Zylinderschalen ohne Ausschnitte ist gegebenenfalls die Verschwächung durch die Schweißnaht zu berücksichtigen.

3.2. Bei Zylinderschalen mit Ausschnitten kann der Verschwächung des Grundkörpers durch folgende Maßnahmen Rechnung getragen werden:

(1)durch eine gegenüber der ungeschwächten Zylinderschale vergrößerte Wanddicke des Grundkörper. Diese Wanddicke muß mindestens bis zu einer Länge eG, vom Rand des Ausschnittes gemessen, vorhanden sein, Bild 1.
(2)durch Abzweigt, die auf eine Länge lA1, von der Außenwand des Grundkörpers gemessen, dickwandiger ausgeführt sind, als vom Innendruck her erforderlich ist, ohne oder in Verbindung mit einer Wanddickenvergrößerung des Grundkörpers; siehe Bilder 2, 3, 4. Die Schweißverbindung zwischen Grundkörper und Abzweig muß volltragend sein, wobei bei Abzweigen entsprechend Bild 3 ein wurzelseitiger Restspalt < 1,5 mm vorhanden sein darf. Ein Wanddickenverhältnis sA0/sv bis 2 ist zulässig für dAi < 50 mm. Dies gilt auch für Abzweigt mit dAi > 50 mm, sofern das Durchmesserverhältnis dAi/di < 0,2 ist. Bei Abzweigen mit dAi > 50 mm und einem Durchmesserverhältnis dAi/di > 0,2 soll sA0/sv den Wert 1 nicht überschreiten. Diese Bedingungen gelten nicht für Befahr- und Besichtigungsöffnungen.

Eingewalzte oder eingesteckte und nur dichtgeschweißte Abzweigt und durch Kehlnähte mit wurzelseitigem Restspalt > 1,5 mm mit dem Grundkörper verbundene Abzweigt können nicht als tragende Verstärkung gewertet werden.

Bei Abzweigen soll die zylindrische Länge bis zur Schweißnaht l0 > sv bzw. lA0 > sAe sein; siehe Bilder 2, 3, 4.

Für Abzweigt mit dAi/di , > 0,7, die mit der Warmstreckgrenze berechnet werden, wird auf Abschnitt 5.3.7 verwiesen. Bei Abzweigen, die mit Zeitstandfestigkeitswerten berechnet werden, soll dAi/di < 0,8 und lA1 > eA sein. Zusätzlich ist für dAi/di > 0,5 die Bedingung sA0 > sv · dAi/di einzuhalten.

Allgemein ist auf sanfte Übergänge besonderer Wert zu legen. Wanddickenübergänge sind unter einem Winkel < 30 auszuführen; siehe Bilder 2, 3, 4.

Ausschnittverstärkungen durch innen aufgeschweißte Ringe bzw. Scheiben sind nicht zulässig.

(3)durch Verdickung der hochbeanspruchten Zonen im Ausschnittbereich, siehe Bilder 5 und 6, wie es durch Schmieden oder durch Schmieden und spanabhebende Bearbeitung erfolgen kann.
(4)durch scheibenförmige Verstärkungen, Bilder 7 und 8. Diese Ausführungsorten dürfen nur für Berechnungstemperaturen < 250 °C verwendet werden; die Anlage 1 dieser TRD gilt nicht für diese Ausführung. Scheibenförmige Verstärkungen müssen gut an den Grundkörper angepaßt sein. Ihre tragende Breite, Bilder 7 und 8, darf höchstens mit bs = eG nach Gl. (10) eingesetzt werden. Die Dicke sS solcher Verstärkungen darf nicht größer in die Rechnung eingesetzt werden, als die ausgeführte Wanddicke se des Grundkörpers ist. Gegen Biegemomente, die an einem am Ausschnitt angesetzten Abzweig angreifen, sind solche Verstärkungen wenig wirksam.

3.3. Die unterschiedliche Wirksamkeit der Verstärkungen ist gemäß dem Bewertungsfaktor f1 nach Tafel 2 in der Rechnung zu berücksichtigen.

3.4. Bei elliptischen Ausschnitten für Befahr- und Besichtigungsöffnungen wird vorausgesetzt, daß das Verhältnis von großer Achse zu kleiner Achse 1,5 nicht übersteigt. Bei elliptischen Ausschnitten gilt als Berechnungsdurchmesser die in Richtung der Mantellinie liegende Achse. (Schrägstutzen siehe Abschnitte 5.2 und 5.3).

3.5. Das Berechnungsverfahren setzt Übergänge mit weitgehend kerbfreier Oberfläche 5 voraus. Kanten müssen abgerundet sein.

3.6. Ausschnitte sollen ausreichenden Abstand von den Schweißnähten (Längs- oder Rundnähte) den Grundkörpers haben. Der Abstand ist ausreichend, wenn der äußere Rand eines Abzweiges oder einer aufgeschweißten Verstärkung bei einer Grundkörperwanddicke sv < 25 mm einen Abstand von 2 · sv und bei sv > 25 mm von mindestens 50 mm vom Rand der Schweißnaht hat.

Muß dieser Abstand aus konstruktiven Gründen unterschritten werden, na ist dies nur zulässig bei Schweißnähten, die im Einflußbereich des Ausschnitts zerstörungsfrei geprüft werden und dabei die Forderung für vN = 1 erfüllen. Arbeitsprüfungen werden nicht gefordert. Weiterhin soll die Schweißnahtdecklage im Gebiet des Ausschnittes kerbfrei überschliffen sein. Längs- und Rundnähte werden in diesem Falle hinsichtlich des Schweißnahtfaktors vN gleich behandelt,

3.7. Aushalsungen sind nur mit dAi/di < 0,8, solche, die mit Zeitstandfestigkeitswerten berechnet werden, jedoch nur mit dAi/di < 0,7 zulässig. Bei Aushalsungen ist darauf zu achten, daß die ausgeführte Wanddicke von der gezeichneten und der Rechnung zugrunde gelegten Wanddicke nicht nennenswert abweicht. Hinsichtlich des in der Berechnung zu berücksichtigenden Verschwächungsbeiwertes vA wird auf Abschnitt 5.3.3 verwiesen. Bei ausgehalsten Abzweigen, die mit Zeitstandfestigkeitswerten berechnet werden, wird außerdem auf Abschnitt 9 verwiesen.

3.8. Für geschmiedete Abzweigstücke nach den Bildern 5 und 6 gelten die für ausgehalste Abzweige gemachten Einschränkungen nicht. sofern die hierbei unterstellten Materialanhäufungen auch sichergestellt werden können.

4. Erforderliche Wanddicken

Die erforderliche Wanddicke beträgt:

s = sv + c1 + c2 bzw.  (1)

sA = sA0 + c1 + c2   (2)

wobei s bzw. sv für den Grundkörper und sA bzw. sA0 für anschließende Stutzen gilt.

Für die Nachrechnung ausgeführter Bauteile mit der Wanddicke s0 bzw. sAe ist zu setzen

sv = s0 - c1 - c2 bzw. (3)

sA0 = sAe - c1 - c2 (4)

5. Berechnung gegen vorwiegend ruhende Innendruckbeanspruchung 6

5.1. Zylinderschalen ohne Ausschnitte

5.1.1. Die Wanddicke ohne Zuschläge beträgt

Druck- und Lokalversion (5)

oder

  (6)

Gl. (5) und Gl. (6) liefern nur gleiche Ergebnisse, wenn

di = da - 2sv    (7)

gesetzt wird.

5.2. Zylinderschalen mit schrägem Einzelabzweig

5.2.1. Das nachfolgende Berechnungsverfahren ist zulässig, sofern der Winkel ΨA > 45° ist, Bild 9. Eine unmittelbare Berechnung der Wanddicke des Grundkörpers ist im allgemeinen Falle des schrägen Abzweigen ohne und mit zusätzlich aufgebrachter Verstärkung wegen der verschiedenen Einflußgrößen nicht möglich. Die Wanddicke sv muß zunächst auf Grund der Erfahrung angenommen und die Richtigkeit der Annahme nachgeprüft werden.

5.2.2. Mit einer druckbelasteten Fläche Ap (einfach schraffiert) sowie mit den tragenden Querschnittsflächen Aσ, (kreuzschraffiert) lautet die Festigkeitsbedingung für den Bereich I, Bild 9,

(8)

für den Bereich II, Bild 9,

  (9)

Die mittragenden Längen dürfen höchstens eingesetzt werden für den Grundkörper mit

(10)

und für den Stutzen mit

 (11)

Bei einem nach innen überstehenden Stutzenteil kann nur der Anteil lA2 < 0,5 eA als tragend in die Rechnung einbezogen werden.

Der Bewertungsfaktor f1 ist aus Tafel 2 zu entnehmen. Die auf Grund der Gl. (8) bzw. (9) ermittelte Wanddicke sv darf nicht kleiner sein als die Wanddicke s0, die für die Zylinderschale ohne Ausschnitte und ohne Zuschläge erforderlich ist.

5.2.3. Bestehen Grundkörper, Abzweig und Verstärkung aus Werkstoffen unterschiedlicher zulässiger Spannung, so ist, wenn der Werkstoff des Grundkörpers die kleinste zulässige Spannung σzul aufweist, diese für die Berechnung der gesamten Konstruktion maßgebend. Vorausgesetzt wird, daß das Verformungsvermögen von Abzweig und Verstärkung nicht nennenswert 7 kleiner ist als das des Grundkörpers.

5.2.4. Hat der Werkstoff des Abzweigs mit σ´zul oder der zusätzlichen Verstärkung σ"zul eine kleinere zulässige Spannung als der Grundkörper mit σzul, so kann die Bemessung auf Grund der Festigkeitsbedingung für den Bereich I

  (12)

und für den Bereich II sinngemäß durchgeführt werden.

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