TRD 301 - Zylinderschalen unter innerem Überdruck (2)

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5.3. Zylinderschalen mit Einzelausschnitt und senkrechtem Einzelabzweig

5.3.1. Für den Einzelausschnitt mit senkrechtem Abzweig und zusätzlicher Verstärkungsscheibe werden die Bereiche I und II von Bild 9 symmetrisch; die Berechnung erfolgt für Werkstoffe gleicher zulässiger Spannung noch Gl. (8). Werden Werkstoffe unterschiedlicher zulässiger Spannung verwendet so gelten die Abschnitte 5.2.3 und 5.2.4.

5.3.2. Für den Einzelausschnitt mit senkrechtem Abzweig ohne zusätzliche Verstärkung gilt die Festigkeitsbedingung

(13)

Werden Werkstoffe unterschiedlicher zulässiger Spannung verwendet, so gelten die Abschnitte 5.2.3 und 5.2.4.

Die mittragenden Längen sind nach den Gln. (10) und (11) zu bestimmen.

Werden bei ausgehalsten Abzweigen die druckbelasteten Flächen A_p und die tragenden Querschnittsflächen A_σ, wie bei aufgeschweißten oder durchgesteckten Abzweigen ermittelt, d.h. ohne Berücksichtigung der Aushalsungsradien, sind die tragenden Querschnittsflächen A_σ, mit 0,9 zu multiplizieren, um den Querschnittsverlust bei der üblichen Formgebung zu berücksichtigen. Im Fall der exakten Ermittlung der Flächen A_pund A_σ (z.B. durch Planimetrierung) braucht der Faktor 0,9 nicht angewendet zu werden.

5.3.3. Die der Gl. (13) entsprechende Wanddicke des Grundkörpers läßt sich auch berechnen zu

  (14)

wofür der Verschwächungsbeiwert v_A bei nicht ausgehalsten Abzweigen für s_v/d_i < 0,05 aus Bild 10 entnommen werden kann; Zwischenwerte sind zu interpolieren. Die Bilder 11, 12, 13, 14, 15, 16 sind geeignet zur Nachrechnung ausgeführter Konstruktionen. (Man beachte zwischen dem Bild 10 und den Bildern 11, 12, 13, 14, 15, 16 die unterschiedlichen Bezugsgrößen s_v und s₀). Die Bilder gelten stets für den gleichen Werkstoff von Grundkörper und Abzweig. Bei ausgehalsten Abzweigen ist der v_A-Wert mit 0,9 zu multiplizieren, um den Querschnittsverlust bei der üblichen Formgebung zu berücksichtigen.

5.3.4. Der Verschwächungsbeiwert kann bei gleicher zulässiger Spannung der Werkstoffe von Grundkörper und Abzweig auch errechnet werden zu

(15)

Für s_v/d_i = 0,05, Bild 12, ergibt sich volle Übereinstimmung des Verschwächungsbeiwertes nach Gl. (15) und denen der Bilder 10 und 11 Für s_v/d_i < 0,05 können sich rechnerisch etwas höhere Werte als noch den Bildern 10 und 11 ergeben. In Zweifelsfällen ist der nach Gl. (15) errechnete Wert maßgebend.

Bestehen Grundkörper und Abzweig aus Werkstoffen mit unterschiedlichen zulässigen Spannungen, so gelten die Abschnitte 5.2.3 und 5.2.4. In Übereinstimmung mit Gl. (12) ergibt sich der Verschwächungsbeiwert zu

(15a)

Die Art der Wanddickenermittlung ist in den Vorprüfunterlagen anzugeben.

5.3.5. Die Verschwächungsbeiwerte gelten für bündig mit der Innenwand des Grundkörpers abschließende Abzweige und für den Fall, daß die mittragenden Längen e_G nach Gl. (10) am Grundkörper sowie e_A nach Gl. (11) am Abzweig vorhanden sind. In dies nicht der Fall, gelten die Bilder 11, 12, 13, 14, 15, 16 nicht, und Gl. (13) muß angewendet werden. Ist der Bohrungsdurchmesser im Grundkörper < d_Ai, dann ist trotzdem mit d_Ai zu rechnen.

5.3.6. Abzweigstücke nach den Bildern 5 und 6 oder ähnliche sind nach Gl. (13) zu berechnen. Hierzu sind planimetrierbare Zeichnungen vorzulegen.
Kegelige Ansätze und Ausrundungen werden bei der Flächenvergleichsrechnung durch flächengleiche Schnittflächen gemäß Bild 17 ersetzt.

5.3.7. Bei Abzweigstücken, die mit der Warmstreckgrenze berechnet werden, mit d_Ai/d_i > 0,7 und gleichzeitig s_A0/s_v < d_Ai/d_i ist im Querschnitt senkrecht zur Achse des Grundkörpers im Übergangsbereich Grundkörper/Abzweig zusätzlich folgende Bedingung zu erfüllen:

  (15b)

Bei Nachprüfungen gefertigter Bauteile ist in Gl. (15b) anstelle von s_v die tatsächlich ausgeführte Wanddicke im Übergangsbereich einzusetzen.

Bestehen Grundkörper und Abzweige aus Werkstoffen unterschiedlicher zulässiger Spannungen, ist in die Gl. (15b) für σ_zul der kleinste Wert einzusetzen.

5.4. Zylinderschalen mit mehreren Ausschnitten und Abzweigen

5.4.1. Benachbarte Ausschnitte oder Abzweige werden wie Einzelausschnitte oder Einzelabzweige behandelt, wenn für den Mittenabstand t_Φ gemäß Bild 18 und 19 die Beziehung gilt

  (16)

5.4.2. Im anderen Fall muß zusätzlich zu Abschnitt 5.3 die Festigkeitsbetrachtung für den durch die benachbarten Ausschnitte oder Abzweige unter dem Winkel Φ_A zur Mantellinie gelegten Schnitt gemäß Bild 18 und 19 durchgeführt werden, wobei die Festigkeitsbedingung gilt

 (17)

Schräg- und/oder Umfangsteilungen werden rechnerisch auf eine Längsteilung zurückgeführt, wobei in der Festigkeitsbedingung nach Gl. (17) die Druckfläche 2A_p0 durch den Faktor (1+cos² Φ_A)/2 korrigiert wird.

Bestehen Grundkörper, Abzweig und Verstärkung aus Werkstoffen unterschiedlicher zulässiger Spannung und weist der Werkstoff des Grundkörpers den kleinsten Wert auf, so ist nach Abschnitt 5.2.3 zu verfahren. Ist die zulässige Spannung der Abzweige geringer als die des Grundkörpers, so gilt

  (18)

In Übereinstimmung mit Gl. (18) kann der Verschwächungsbeiwert bestimmt werden zu:

(18a)

5.4.3. Bei benachbarten Ausschnitten oder Abzweigen gleichen Durchmessers aus Werkstoffen gleicher zulässiger Spannung mit einem kleineren Mittenabstand t_Φ , als noch Gl. (16) ergibt sich die Mittelspannung σ_Φ im Schnitt unter dem Winkel Φ_A zur Achsrichtung mit A_σ1 = A_σ2 sowie A_p1 = A_p2, Bild 18, zu

(19)

Werden Werkstoffe unterschiedlicher zulässiger Spannung verwendet, so ist sinngemäß nach Abschnitt 5.4.2 zu verfahren.

5.4.4. Bei ungleichen Teilungsabständen t_Φ1 und t_Φ2 nach Bild 20 ist die größte Stegbeanspruchung für die Bemessung der Wanddicke maßgebend. Diese Wanddicke des Grundkörpers muß allseitig bis zu einer Länge e_G nach Gl. (10), vom Rand der Ausschnitte gemessen, vorhanden sein.

5.4.5. Bei Lochfeldern ist die Festigkeitsbetrachtung für die in Längs-, Umfangs- und Schrägrichtung verlaufenden Stege durchzuführen, wobei die größte Beanspruchung für die Bemessung der Wanddicke s_v maßgebend ist.

5.4.6. Für den Fall, daß an die Ausschnitte Rohre mit dem Außendurchmesser d_Aa, anschließen, die entsprechend ihrer Wanddicke s_A0 nur den Innendruck aufnehmen können, ergibt sich die mittlere Beanspruchung zu

(20)

Mit dem Verschwächungsbeiwert

 (21)

der für eine Längsteilung (Φ_A = 0) zu

  (22)

und für eine Umfangsteilung (Φ_A = 90°) zu

  (23)

wird, ergibt sich die Wanddicke

(24)

Für Lochfelder mit symmetrisch versetzter Anordnung gilt der kleinste für Umfangs-, Längs- oder Schrägstege berechnete oder der aus Bild 21 zu entnehmende Verschwächungsbeiwert als v_L-Wert.

5.4.7. Die Art der Wanddickenermittlung ist in den Vorprüfunterlagen anzugeben.

5.5. Zylinderschalen mit einem nicht radial angeordneten Abzweig ⁸

5.5.1. Für Zylinderschalen, Bild 22 Teilbilder a und b, bei denen der Abzweig nicht radial, sondern unter dem Winkel Ψ_A1 zur Tangente an den Grundkörper angeordnet ist, kann die größere Beanspruchung im Querschnitt, Bild 22 Teilbild a, oder im Längsschnitt, Bild 22 Teilbild b, auftreten. In beiden Fällen gilt die Festigkeitsbedingung nach Gl. (13), wobei jeweils die in den Bildern gekennzeichneten Flächen Ap und A_σ einzusetzen sind.

Die mittragenden Längen dürfen höchstens eingesetzt werden für den Grundkörper noch Gl. (10) und für den Abzweig nach Gl. (11), wobei Ψ_A = Ψ_A1 zu setzen ist.

5.5.2. Die Abzweigwanddicke s_A0 soll nicht größer sein als die Wanddicke s_v des Grundkörpers. Die Schweißverbindung zwischen Grundkörper und Abzweig muß volltragend sein, wie in Bild 22 angedeutet.

5.6. Zylinderschalen mit Y-förmigem Abzweig ⁸

5.6.1. Zylinderschalen, die sich gabelförmig verzweigen (Y-Stücke), können als Schmiedestücke, Bild 23, oder als Schweißkonstruktionen, beispielsweise nach Bild 24, ausgeführt werden mit Ψ_A > 15°. Die Festigkeitsbedingungen für die beiden hochbeanspruchten Bereiche I und II, Bilder 23, 24 und 27, lauten für den Bereich I

  (25)

bzw.   (26)

für den Bereich II

  (27)

Die mittragenden Längen dürfen höchstens eingesetzt werden für den Grundkörper nach Gl. (10) und für den Abzweig nach Gl. (11).

Der Faktor f₅ in den Gl. (25) und (26) beträgt für Abzweige

5.6.2. Eine rippenförmige Verstärkung muß volltragend mit Grundkörper und Abzweigen verschweißt sein. Für die Breite b_s der Verstärkungsrippe gilt s_v < b_s < 2 s_v

5.6.3. Der Bewertungsfaktor f₁ für die Tragfähigkeit einer solches Verstärkung richtet sich noch dem Verhältnis s_s/b_s und der Ausführung der Schweißnähte und ist nach Tafel 2 Ziffer 3 einzusetzen. Zwischenwerte können interpoliert werden

5.7. Zylinderschalen als geschmiedete Formstücke (Krümmer)

Für geschmiedete und aufgebohrte Formstücke mit s_v/di > 0,1 und di < 90 mm z.B. nach Bild 28, gilt im Bereich der Warmstreckgrenze die Festigkeitsbedingung

Die mittragenden Längen dürfen höchstens nach Gleichung (10) eingesetzt werden. Der Neigungswinkel Ψ_A muß gleich oder größer 45° sein.

6. Berechnung auf Wechselbeanspruchung durch schwellenden Innendruck bzw. durch kombinierte Innendruck- und Temperaturänderungen

6.1. Vereinfachte Berechnung für Stähle bis einschließlich 17 Mn 4

Zylinderschalen mit Ausschnitten aus unlegierten und niedriglegierten Kesselstählen bis einschließlich Stahlsorte 17 Mn 4 brauchen bis zu 10000 Kaltstarts ⁹ nicht auf Wechselbeanspruchung durch Innendruck- und/oder Temperaturänderungen nachgerechnet zu werden, wenn der zulässige Betriebsüberdruck p₁ bzw. der zulässige Gesamtüberdruck p₂ < 3,2 N/mm² beträgt oder wenn oberhalb dieses Druckes die Nennspannung

  (28)

kleiner als 150 N/mm² bleibt.

6.2. Berechnung auf Wechselbeanspruchung allein durch schwellenden Innendruck (Sonderfälle für vernachlässigbare Temperaturänderungen)

6.2.1. Falls vom Besteller keine anderslautenden Angaben über Lastwechselzahlen gemacht werden, ist bei Zylinderschalen mit Ausschnitten eine Lastwechselzahl von 2000 Druckwechseln mit der Berechnung zugrunde zu legen.

Weitere 10000 Druckwechsel, bei denen der Druck zwischen 0,6 p und p schwankt, werden dann im Rahmen der Lastwechselsicherheit von S_L = 5 als abgedeckt angesehen.

6.2.2. Der Forderung nach Abschnitt 6.2.1 ist entsprochen, wenn mit au' nach den Bildern 25 und 26 und α nach Tafel 3 die Bedingung

α · ₀ < _zul (29)

erfüllt ist ¹⁰.

Bei wasserberührten Teilen ist mit Rücksicht auf die Magnetitschutzschicht neben Gl. (29) auch die Bedingung α · ₀ < 600 N/mm² zu erfüllen.

6.2.3. Für Zylinderschalen mit Ausschnitten, die entweder dem Abschnitt 6.2.2 nicht genügen oder andere Anforderungen als in Abschnitt 6.2.1 erfüllen müssen, ist die zulässige Lastwechselzahl n noch Anlage 1 zu dieser TRD (Abschn. 5.2) ohne Berücksichtigung der Wärmespannungen zu ermitteln. Hierbei ist an Stelle der in Anlage 1 zu dieser TRD definierten Berechnungswanddicke s_b die Wanddicke s_v, einzusetzen.

6.2.4. Die vorgesehenen Lastwechselzahlen sind in den Unterlagen für die rechnerische Vorprüfung anzugeben, wenn sie von den Festlegungen in Abschnitt 6.2.1 abweichen.

Die Berechnung ist nur für diejenigen Bauteile durchzuführen, die die Fahrweise der Kesselanlage begrenzen.

6.3.1. Die zulässigen An- und Abfahrgeschwindigkeiten für die zylindrischen Bauteile, die nur die Festlegungen von Abschnitt 6.2.1 erfüllen sollen, können nach der Beziehung

   (30)

ermittelt werden. Hierin sind _zul noch Bild 25 oder 26 und f₂ noch Tafel 4 einzusetzen.

Bei wasserberührten Teilen ist zusätzlich zu fordern

  (31)

  (32)

6.3.2. Die Anlage 1 zu dieser TRD ist für Zylinderscholen mit Ausschnitten anzuwenden,

6.3.3. Die zulässigen Temperaturänderungsgeschwindigkeiten bzw. Temperaturdifferenzen und die Temperaturmeßstellen der betreffenden Bauteile sind in den Unterlagen für die rechnerische Vorprüfung anzugeben.

7. Berechnungsdruck

Siehe TRD 300 Abschnitt 7.

8. Berechnungstemperatur

Siehe TRD 300 Abschnitt 8.

9. Zulässige Spannung

Siehe TRD 300 Abschnitt 9.

Darüber hinaus ist zu beachten, daß bei ausgehalsten Abzweigen, die mit Zeitstandfestigkeitswerten berechnet werden, in Gl. (1) der TRD 300 der K-Wert mit 0,9 zu multiplizieren ist.

Bei der Berechnung auf Wechselbeanspruchung gelten bezüglich der zulässigen Spannungen die Ausführungen nach Anlage 1 zu dieser TRD.

10. Zuschläge zur Wanddicke

Siehe TRD 300 Abschnitt 10.

10.1. Berücksichtigung von zulässigen Wanddickenunterschreitungen

Abweichend von Abschnitt 10.1.1 der TRD 300 kann bei beheizten Zylinderschalen mit d_a < 44,5 mm der Zuschlag c₁ entfallen, sofern nicht die axial Zugbeanspruchung für die Bemessung der Zylinderschale maßgebend ist. Ferner brauchen bei Zylinderschalen ohne Längsnaht nur die auf größeren Längen als 2 · d_a < 300 mm zulässigen Abweichungen berücksichtigt zu werden.

11. Kleinste zulässige Wanddicke

Die kleinste zulässige Wanddicke s_e bzw. s_Ae beträgt:

(1) bei ferritischem Stahl 3 mm

(2) bei Nichteisenmetallen 2 mm

(3) bei nichtrostendem (austenitischem und ferritischem) Stahl 1 mm

Diese kleinsten zulässigen Wanddicken können unterschritten werden, wenn die ausgeführte Wanddicke s_e bzw. s_Ae mindestens 2 · s_v bzw. 2 · s_A0 beträgt.

12. Höchstwanddicke von Kesselrohren

Die auszuführende Wanddicke von stark beheizten Kesselrohren (z.B. bei Wasserrohrkesseln mit einer Heizgastemperatur von mehr als 800 °C) soll nicht mehr als 6,3 mm betragen. Dies gilt nicht für Überhitzerrohre.

13. Schrifttum