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TRD 303 - Kugelschalen und gewölbte Böden unter innerem und äußerem Überdruck
- Berechnung -
Technische Regeln für Dampfkessel (TRD)
Ausgabe Mai 1976
(ArbSch. 7-8/1976 S. 247; 1-2/1978 S. 60; 4/1978 S. 122; BArbBl. 3/1980 S. 58; 5/1991 S. 68.aufgehoben)
1 Geltungsbereich
1.1. Die Berechnungsregeln gelten für Kugelschalen, bei denen das Verhältnis von Außen- zu Innenradius rWa/rWi <1,5 ist, ohne und mit Ausschnitten sowie für unverankerte gewölbte Voll- und Mannloch-Böden, bestehend aus Kugelschale, Krempe und zylindrischem Bord nach Bild 1 unter vorwiegend statischem innerem oder äußerem Überdruck.
1.2. Die Berechnungsregeln gelten in erster Linie für verformungsfähige Werkstoffe (δ5 > 14 %) 1. Sie können auch bei weniger verformungsfähigen Werkstoffen angewandt 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 und äußeren Überdruck hervorgerufene Beanspruchungen. Zusätzliche 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 Kugelschalen ohne Ausschnitte, die nach diesen Regeln berechnet werden, tritt bei Anwendung der angegebenen Sicherheitsbeiwerte nur im Bereich zeitunabhängiger Festigkeitskennwerte kein nennenswertes Fließen ein. Bei Kugelschalen und gewölbten Böden 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.
2. Berechnungsgrößen und -einheiten
Siehe TRD 300 Abschnitt 2. Darüber hinaus gilt Tafel 1.
3. Allgemeines
3.1. Bei gewölbten Böden mit dem Bodendurchmesser da (Bild 1) sind allgemein folgende Bedingungen einzuhalten:
| Innerer Kugelschalenradius (Wölbungsradius) | rWi < da | |
| Krempenradius | rKi > 0,1 × da | |
| Bezogene Wanddicke | 0,001 < sv/da < 0,10 |
Insbesondere gilt für:
| Klöpperböden | rWi = da;rKi = 0,1 × da | |
| Tiefgewölbte Böden (Korbbogenform) | rWi = 0,8 × da ; rKi = 0,154 × da |
3.2. Die Höhe des zylindrischen Bordes muß bei Klöpperböden > 3,5 sK, bei Korbbogenböden > 3,0 sK sein. Sie braucht jedoch die in Tafel 2 angegebenen Maße nicht zu überschreiten.
Für vorwiegend ruhende Innendruckbeanspruchung können die Bordhöhen unterschritten werden, wenn die Anschlußnaht zerstörungsfrei geprüft und kerbfrei 4 überschliffen wird und dabei die Forderung für vN = 1 erfüllt ist. Arbeitsprüfungen werden nicht gefordert.
Bei Halbkugelböden ist kein zylindrischer Bord erforderlich.
3.3. Bei Kugelschalen und gewölbten Böden ohne Ausschnitte ist gegebenenfalls die Verschwächung durch Schweißnähte zu berücksichtigen.
3.4. Bei Kugelschalen und gewölbten Böden mit Ausschnitten, Bilder 2, 3, 4, kann der Verschwächung des Grundkörpers durch folgende Maßnahmen Rechnung getragen werden:
(1) durch eine gegenüber der ungeschwächten Kugelschale bzw. dem gewölbten Boden vergrößerte Wanddicke.
Diese Wanddicke muß mindestens bis zu einer Länge eG vom Rand des Ausschnittes vorhanden sein.
(2) durch Abzweige, die dickwandiger ausgeführt sind als vom Innendruck her erforderlich ist, ohne oder in Verbindung mit einer Wanddickenvergrößerung des Grundkörpers.
Ein nach innen überstehender Teil des Abzweiges kann nur mit dem Anteil der Länge lA2 < 0,5 eA nach Gl. (12)
als tragend in die Rechnung einbezogen werden.
Bei ein- bzw. angeschweißten Stutzen ist ein Wanddickenverhältnis sA0/sv bis 2 zulässig für dAi < 50 mm. Dies gilt auch für Abzweige mit dAi > 50 mm, sofern das Verhältnis dAi/rwi < 0,4 ist. Bei Abzweigen mit dAi > 50 mm und einem Verhältnis dAi/rwi > 0,4 soll das Verhältnis sA0/sv den Wert 1 nicht überschreiten. Diese Bedingungen gelten nicht für Besichtigungs- und Befahröffnungen.
Allgemein ist auf sanfte Übergänge besonderer Wert zu legen. Wanddickenübergänge sind unter einem Winkel < 30° auszuführen. Bei Abzweigen soll die zylindrische Länge bis zur Schweißnaht lA0 > sAe sein, siehe Bilder 4 f und 14.
(3) durch scheibenförmige Verstärkungen. Diese Ausführungsarten dürfen nur bis zu Berechnungstemperaturen < 250 °C angewendet werden. Scheibenförmige Verstärkungen müssen gut an den Grundkörper angepaßt sein. Ihre tragende Breite darf höchstens mit bs = eG nach Gl. (11) eingesetzt werden. Die Dicke sS solcher Verstärkungen darf nicht größer sein als die ausgeführte Wanddicke se des Grundkörpers beträgt. Gegen Biegemomente, die an einem am Ausschnitt angesetzten Abzweig angreifen, sind solche Verstärkungen wenig wirksam.
Ausschnittverstärkungen durch innen aufgeschweißte Scheiben sind nicht zulässig.
3.5. Die unterschiedliche Wirksamkeit der Verstärkungen ist gemäß dem Bewertungsfaktor f1 nach Tafel 3 in der Rechnung zu berücksichtigen.
3.6. Bei elliptischen Ausschnitten für Befahr- und Besichtigungsöffnungen wird vorausgesetzt, daß das Verhältnis von großer zu kleiner Achse den Wert 1,5 nicht übersteigt. Bei elliptischen Ausschnitten gilt als Berechnungsdurchmesser die große Achse des Ausschnittes.
3.7. Das folgende Berechnungsverfahren setzt Übergänge mit weitgehend kerbfreier Oberfläche 4 voraus. Kanten müssen abgerundet sein.
3.8. Ausschnitte sollen ausreichenden Abstand von den Schweißnähten des Grundkörpers haben, sowohl von den Längsnähten (Meridiannähte) als auch von den Rundnähten (Breitenkreisnähte). 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, so 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.
4. Erforderliche Wanddicken
Die erforderliche Wanddicke einer Kugelschale oder eines Bodens beträgt
s = sv + c1 + c2 (1)
Die erforderliche Wanddicke eines Abzweiges beträgt
sA = sA0 + c1 + c2 (2)
Bei der Nachrechnung ausgeführter Kugelschalen oder Böden mit der Wanddicke se ist zu setzen
sv = se - c1 - c2 (3)
Für einen Abzweig gilt
sA0 = sAe - c1 - c2 (4)
 | weiter | |
Tafel 1. Berechnungsgrößen mit Symbolen und Einheiten
| Symbol | Berechnungsgröße | Einheit |
| bs | Breite der scheibenförmigen Verstärkung | mm |
| c1 | Zuschlag zur Wanddicke zur Berücksichtigung von Wanddickenunterschreitungen | mm |
| c2 | Abnutzungszuschlag | mm |
| da | äußerer Durchmesser der Kugelschale oder des gewölbten Bodens | mm |
| dAa | Außendurchmesser eines Abzweiges | mm |
| dAi | Durchmesser von Ausschnitten oder innerer Durchmesser von Abzweigen | mm |
| eA | größte mittragende Länge eines Abzweiges | mm |
| eG | größte mittragende Länge des Grundkörpers | mm |
| f1 | Bewertungsfaktor für die Tragfähigkeit einer scheibenförmigen Verstärkung bei vorwiegend ruhender Beanspruchung | - |
| hB | Höhe des zylindrischen Bords eines gewölbten oder kugelförmigen Bodens | mm |
| hW | Höhe der Wölbung eines gewölbten Bodens | mm |
| lA0 | zylindrische Auslauflänge am Abzweig | mm |
| lAl | noch außen überstehende ausgeführte Länge einer rohrförmigen Ausschnittsverstärkung | mm |
| lA2 | nach innen überstehende ausgeführte Länge einer rohrförmigen Ausschnittsverstärkung | mm |
| p7 | Einbeulüberdruck bei Krempenbeulung (innerer Überdruck) | N/mm2 |
| p8 | Einbeulüberdruck bei Kugelschalenbeulung (äußerer Überdruck) | N/mm2 |
| rKi | innerer Radius der Krempe gewölbter Böden | mm |
| rwa | äußerer Radius einer Kugelschale bzw. der Wölbung gewölbter Böden | mm |
| rWi | innerer Radius einer Kugelschale bzw. der Wölbung gewölbter Böden | mm |
| sv | Wanddicke des Grundkörpers mit Verschwächung und ohne Zuschläge | mm |
| sA0 | Wanddicke von Abzweigen ohne Zuschläge | mm |
| sA1,sA2 | erforderliche Wanddicke von Abzweigen mit Zuschlägen | mm |
| sAe | ausgeführte Wanddicke von Abzweigen | mm |
| sK | erforderliche Wanddicke der Krempe gewölbter Böden ohne Zuschläge | mm |
| sN | Mindestdicke einer Kehlschweißnaht | mm |
| sS | Dicke einer scheibenförmigen Verstärkung | mm |
| t | Mittenabstand benachbarter Ausschnitte, bezogen auf die Wandmitte | mm |
| vA | Verschwächungsbeiwert für einen Einzelausschnitt | - |
| vN | Schweißnahtfaktor | - |
| Ap | druckbelastete Fläche (ohne Berücksichtigung der Zuschläge c1 und c2) | mm2 |
| Aσ | tragende Querschnittsfläche (ohne Berücksichtigung der Zuschläge c1 und c2) | mm2 |
| Eϑ | Elastizitätsmodul bei Berechnungstemperatur ϑ | N/mm2 |
| SB | Sicherheitsbeiwert gegen elastisches Einbeulen der Kugelschale bzw. des Kugelschalenteils bei äußerem Überdruck | - |
| S'B | Sicherheitsbeiwert gegen elastisches Einbeulen der Kugelschale bzw. des Kugelschalenteils bei äußerem Überdruck für die Druckprüfung | - |
| β'K | Berechnungsbeiwert für die Beanspruchung der Bodenkrempe | - |
| β'KF | Berechnungsbeiwert für die Beanspruchung in der Bodenkrempe unter Einbeziehung der Berechnung gegen Faltenbildung | - |
Tafel 2. Bordhöhe hB in Abhängigkeit von Wanddicke sK
| Wanddicke sK in mm | Bordhöhe hB in mm |
| sK < 50 | 150 |
| 50 < sK < 80 | 120 |
| 80 < sK < 100 | 100 |
| l00 < sK < 120 | 75 |
| 120 < sK | 50 |
1) Eine weitergehende Definition der Verformungsfähigkeit ist vorgesehen.
2) Berechnungsregeln sind in Vorbereitung.
3) Kugelschalen und gewölbte Böden, bei denen z.B. wegen einer spröden Innenauskleidung die Verformungen zu begrenzen sind, müssen unter Umständen dickwandiger ausgeführt werden.
4) Schweißnähte gelten als weitgehend kerbfrei, wenn sie frei von Einbrand- und Wurzelkerben sind.
Muldenförmige flache Anschmelzungen fallen nicht unter den Begriff Einbrandkerbe.