LAUTERBACH VERFAHRENSTECHNIK

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1 Inhaltsverzeichnis Inhaltsverzeichnis...1 Stutzen mit Stutzenlasten Berechnung nach der Finite Elemente Methode...2 Spannungsberechnung für...4 Elementbeschreibung...4 Modellbeschreibung...4 Angaben zur Belastung...4 Spannungskategorisierung nach AD2000-Merkblatt S4 für den Stutzen...6 Spannungskategorisierung nach AD2000-Merkblatt S4 für den Grundkörper...7 Spannungskategorisierung nach AD2000-Merkblatt S4 für den Schweißnahtbereich...8 Grafische Darstellungen...9 Anhang : Werkstoffdokumentation...11 Darstellung Eingabewerte: oder Berechnete Werte: oder Kritische Werte: oder Schätzwerte: oder Lauterbach Verfahrenstechnik 1 Feb. 2011

2 Stutzen mit Stutzenlasten Berechnung nach der Finite Elemente Methode Stutzen in Zylinderschale Geometrische Daten: Grundkörper äußerer Grundkörperdurchmesser Da 610 mm Grundkörperwanddicke sa 7.1 mm Grundkörperlänge l 1000 mm Stutzen Stutzenspezifikation verwenden? (NozzleSpec App ) J/N N Nennweite der Stutzen DN äußerer Stutzendurchmesser d mm Stutzenwanddicke s1 7.1 mm Stutzenlänge h 200 mm Stutzenabstand vom Zylinderanfang a 500 mm Stutzenoffset in Y x1 100 mm Kippwinkel um Z x Kipprichtung in der YZ Ebene (+Y=0 ) X3 0 Verstärkungsscheibe Durchmesser Verstärkungsscheibe dv 319 mm Dicke der Verstärkungsscheibe sv 8 mm Globale Belastung: Berechnungstemperatur Temp 200 C Innerer Überdruck Werkstoffe: Grundkörper p 1 MPa Werkstoff Nr. WerkG (P Sicherheitsbeiwert S Festigkeitskennwert K 196 N/mm² Spannungsvergleichswert Sm N/mm² Wanddickenzuschlag c1 0 mm Korrosionszuschlag c2 0 mm E-Modul E N/mm² Querkontraktionszahl 0.3 Wärmeausdehnungskoeffizient (1E-6) /K Stutzen Werkstoff Nr. WerkS Sicherheitsbeiwert S Festigkeitskennwert K 185 N/mm² Spannungsvergleichswert Sm N/mm² Wanddickenzuschlag c mm Korrosionszuschlag c2 1 mm E-Modul E N/mm² Querkontraktionszahl 0.3 Wärmeausdehnungskoeffizient (1E-6) 13 1/K Verstärkung Werkstoff Nr. WerkV Sicherheitsbeiwert S Festigkeitskennwert K 185 N/mm² Spannungsvergleichswert Sm N/mm² Wanddickenzuschlag c mm Korrosionszuschlag c2 1 mm E-Modul E N/mm² Querkontraktionszahl 0.3 Wärmeausdehnungskoeffizient (1E-6) 13 1/K Lauterbach Verfahrenstechnik 2 Feb. 2011

3 Lokale Belastung Wandtemperaturen (innen/aussen) Grundkörper ti 200 C ta 200 C Stutzen ti 200 C ta 200 C Kräfte und Momente Fx N Mx Nmm Fy 0 N My 0 Nmm Fz 0 N Mz 3000 Nmm FEM-Parameter: Anzahl Berechnungskreise um den Stutzen n Abstand der Berechnungskreise 7.1 mm Anzahl Knoten auf den Kreisen n Eingepaßter Stutzen J/N J Optionen: Längsspannung im Mantel berücksichtigt J/N J Längsspannung im Stutzen berücksichtigt J/N J Steifer Stutzenrand (Flansch) J/N N Lastangriff S S=Stutzenende E=Schnittebene A=Achsenschnittpunkt R=Schnittebebe starr Ergebnis: Stutzenbewegungen Absolute Verschiebungen am Stutzenende X = mm Y = mm Z = mm Drehungen X = Y = Z = Max. Auslastung: Stutzen mit 68.8% Ausnutzung: U Lauterbach Verfahrenstechnik 3 Feb. 2011

4 Spannungsberechnung für Die Spannungsverteilung in Stutzen und Grundkörper infolge äußerer Zusatzlasten, innerem Überdruck und Behinderung thermischer Dehnung (soweit vorhanden) wurde unter Anwendung der Finite Element Methode ermittelt. Elementbeschreibung Verwendet werden Hexaeder Elemente. Diese Elemente berechnen die Verschiebungen und die Spannungen im 3 Dimensionalen. Die Elemente können verformt, keilförmig und schiefwinkelig sein. Jedes Element wird numerisch nach dem Gauss-Legendre Verfahren entlang der drei lokalen Koordinatenachsen integriert. Das Hexaeder Element ist besonders gut geeignet, um typische Probleme des Apparatebaus zu lösen und die Verbindung Stutzen-Grundkörper mit der Schweißnaht abzubilden. Das Element wird durch eine Steifigkeitsmatrix der Größe 24x24 beschrieben. Modellbeschreibung Das Finite Element Modell des Stutzens auf zylindrischer Schale besteht aus 4838 Knoten und 2500 Hexaeder-Elementen. Alle Knoten am Zylinderanfang sind gegen alle Bewegungen fixiert. Die Knoten am Zylinderende sind axial verschieblich. Angaben zur Belastung Querkräfte in Y- und Z-Richtung sowie Stutzenlängskräfte in X-Richtung und Momente um alle drei Koordinatenrichtungen greifen Stutzenende an. Das Vorzeichen ist entscheidend für die Kraftrichtung bzw. den Drehsinn der Momente. Kraft in x-richtung: N Kraft in y-richtung: N 0 Kraft in z-richtung: N 0 Zusätzliche Axialkraft durch Innendruck: N Moment um x-achse: Nmm Moment um y-achse: Nmm 0 Moment um z-achse: Nmm 3000 Innerer Überdruck: MPa 1 Lauterbach Verfahrenstechnik 4 Feb. 2011

5 Die Berechnung erfolgte für duktile Werkstoffe gemäß folgender Spezifikation: Stutzen Elastizitätsmodul: N/mm Querkontraktionszahl:.3 Werkstoffbezeichnung: = St 35.8: DIN 17175; AD W-4; Nahtloses Rohr Zulässige Spannung nach AD-Merkblatt S3/0: N/mm Grundkörper Elastizitätsmodul: N/mm Querkontraktionszahl:.3 Werkstoffbezeichnung: (P) = X 6 CrNiMoTi : EN ; AD W-2; warmgewalztes Blech Zulässige Spannung nach AD-Merkblatt S3/0: N/mm Verstärkungsscheibe (falls vorhanden) Elastizitätsmodul: N/mm Querkontraktionszahl:.3 Werkstoffbezeichnung: = St 35.8: DIN 17175; AD W-4; Nahtloses Rohr Zulässige Spannung nach AD-Merkblatt S3/0: N/mm Folgende geometrische Daten wurden der Berechnung zugrunde gelegt: Stutzendurchmesser außen mm Grundkörperdurchmesser außen mm 610 Stutzenwanddicke ohne Zuschläge mm Grundkörperwanddicke ohne Zuschläge mm 7.1 Stutzenhöhe mm 200 Grundkörperlänge mm 1000 Winkel zwischen Stutzen und Grundkörper Verstärkungsscheibe (falls vorhanden): Breite mm 319 Höhe mm 8 Berechnungsprogramm: LV-modifiziertes Z 88 A Finite Elements Analysis Program in ANSI C for the UNIX OS and WINDOWS. Composed and edited and copyright by Professor Dr.-Ing. Frank Rieg, University of Bayreuth, Germany frank.rieg@uni-bayreuth.de dr.frank.rieg@t-online.de V10.0 December 12, 2001 Die installierte Version ist nicht veränderbar und wird durch das LV Qualitätsmanagement-System überwacht. Zertifiziert nach DIN EN ISO 9001:2008 Lauterbach Verfahrenstechnik 5 Feb. 2011

6 Spannungskategorisierung nach AD2000-Merkblatt S4 für den Stutzen (Alle Spannungen in N/mm 2, Vergleichsspannungen nach GEH) Zulässige Spannung nach AD-Merkblatt S3/0 f = 123 Maximale primäre und sekundäre Vergleichsspannungsschwingbreite: (Pl + Pb + Q) = (Pm + Pb + Q) = Maximale primäre Vergleichsspannung (Pl + Pb) = (Pm + Pb) = 67.5 Maximale Membranspannung: Pl = Pm = 54.1 Maximale primäre Biegespannung: Pb = 0 Pb = 49.4 Maximale sekundäre Spannungen: Q = 58.6 Q = 48.8 Maximale Hauptsspannungsschwingbreiten: ( ) 1 = ( ) 2 = ( ) 3 = ( ) 1 = 45.5 ( ) 2 = 54.9 ( ) 3 = 32.1 Begrenzung der primären Vergleichsspannungen nach AD2000-M. S4 6.2: Pm <= f 54.1 <= 123 Pl <= 1,5 f <= (Pm + Pb) <= 1,5 f 67.5 <= (Pl + Pb) <= 1,5 f <= Begrenzung der primären u. sekundären Vergleichsspannungsschwingbreite nach AD2000-M. S4 6.3: (Pm + Pb + Q)<= 3 f <= 369 (Pl + Pb + Q) <= 3 f <= 369 Die Spannungen im Stutzen sind nach AD2000-M. S4 6.3 zulässig Lauterbach Verfahrenstechnik 6 Feb. 2011

7 Spannungskategorisierung nach AD2000-Merkblatt S4 für den Grundkörper (Alle Spannungen in N/mm 2,Vergleichsspannungen nach GEH) Zulässige Spannung nach AD2000-Merkblatt S3/0 f = 131 Maximale primäre und sekundäre Vergleichsspannungsschwingbreite: (Pl + Pb + Q) = (Pm + Pb + Q) = Maximale primäre Vergleichsspannung: (Pl + Pb) = 93.6 (Pm + Pb) = 76 Maximale Membranspannung: Pl = 93.6 Pm = 69.9 Maximale primäre Biegespannung: Pb = 0 Pb = 32.4 Maximale sekundäre Spannungen: Q = 7.5 Q = 11.8 Maximale Hauptsspannungsschwingbreiten: ( ) 1 = 36.5 ( ) 2 = 92.8 ( ) 3 = 45.6 ( ) 1 = 16.4 ( ) 2 = 35.6 ( ) 3 = 42.7 Begrenzung der primären Vergleichsspannungen nach AD-M. S4 6.2: Pm <= f 69.9 <= 131 Pl <= 1,5 f 93.6 <= (Pm + Pb) <= 1,5 f 76 <= (Pl + Pb) <= 1,5 f 93.6 <= Begrenzung der primären u. sekundären Vergleichsspannungsschwingbreite AD2000-M. S4 6.3: (Pm + Pb + Q) <= 3 f <= 393 (Pl + Pb + Q) <= 3 f <= 393 Die Spannungen im Grundkörper sind nach AD2000-M. S4 6.3 zulässig Lauterbach Verfahrenstechnik 7 Feb. 2011

8 Spannungskategorisierung nach AD2000-Merkblatt S4 für den Schweißnahtbereich In dieser Berechnung wird gleiches mechanisches Verhalten von Stutzen- und Grundkörperwerkstoff vorausgesetzt. Falls die Spannungsauswertung nahezu gleiche Spannungen in Stutzen und Grundkörper ergibt, ist davon auszugehen, dass die maximale Spannung in der Verbindungsstelle zwischen Stutzen und Grundkörper auftritt. Die Spannungen im Bereich der Schweißnaht werden hier separat ausgewiesen. Die Schweißnaht wird als zum Stutzen gehörig betrachtet. (Alle Spannungen in N/mm 2 ) Zulässige Spannung nach AD-Merkblatt S3/0 f = 123 Maximale primäre und sekundäre Vergleichsspannungsschwingbreite: (Pl + Pb + Q) = Maximale primäre Vergleichsspannung: (Pl + Pb) = 126 Maximale Membranspannung: Pl = 126 Maximale primäre Biegespannung: Pb = 0 Maximale sekundäre Spannung: Q = 24.5 Maximale Hauptsspannungsschwingbreiten: ( ) 1 = 13.7 ( ) 2 = ( ) 3 = Begrenzung der primären Vergleichsspannungen nach AD-M. S4 6.2: Pl <= 1,5 f 126 <= (Pl + Pb) <= 1,5 f 126 <= Begrenzung der primären u. sekundären Vergleichsspannungsschwingbreite AD2000-M. S4 6.3: (Pl + Pb + Q) <= 3 f <= 369 Die Spannungen in der Schweißnaht sind zulässig Lauterbach Verfahrenstechnik 8 Feb. 2011

9 Grafische Darstellungen Lauterbach Verfahrenstechnik 9 Feb. 2011

10 Lauterbach Verfahrenstechnik 10 Feb. 2011

11 Anhang : Werkstoffdokumentation Abschnitt Nr 1: Schale/FEM Werkstoffspezifikation: Regelwerk: AD W-2 Liefernorm: EN Erzeugnis: warmgewalztes Blech / hot rolled plate Werkstoffnummer: (P) Kurzname: X 6 CrNiMoTi Betriebsbedingungen und Abmessungen: Temperatur [ C]: 200 Druck [bar]: 10 Dicke [mm]: 7,1 Außendurchmesser [mm]: 610 Werkstoffkennwerte für Probe- und Betriebszustand: Probezustand Betriebszustand Festigkeitskennwert [N/mm²]: 260,00 196,00 Sicherheitsbeiwert: 1,10 1,50 zulässige Spannung [N/mm²]: 236,36 130,67 Elastizitätsmodul [kn/mm²]: Wanddickenunterschreitung [mm]: 0,00 nach - EN Tabellen 7-10: 0,2%- 1%- Zug- Zug- Bruch- Bruch- Dehngr. Dehngr. festig. festig. dehnung dehnung min min min max A 80 mm A N/mm² N/mm² N/mm² N/mm² % % EN Tabellen & F.1: Dehngrenze bei einer Temperatur in C von N/mm² N/mm² N/mm² N/mm² N/mm² N/mm² N/mm² N/mm² N/mm² N/mm² N/mm² N/mm² N/mm² ,2% % Rm EN Tabelle A.1 & A.2: Elastizitätsmodul bei.. C Wärmeausdehnung zw. 20 C und Dichte Wärme (20 C) C 200 C 300 C 400 C 500 C leitf. kg/dm³ kn/mm² kn/mm² kn/mm² kn/mm² kn/mm² kn/mm² /1e6 K /1e6 K /1e6 K /1e6 K /1e6 K W/Km , ,7 17,2 17,7 18,1 18,4 0 Kommentar: EN : Juni 2000 ersetzt DIN 17441: teilweise Ersatz für DIN 17440: und DIN 17460: DIN 17441: wird mit EN zurückgezogen. Lauterbach Verfahrenstechnik 11 Feb. 2011

12 Abschnitt Nr 1: Stutzen/FEMAbschnitt Nr 1: Verstärkung/FEM Werkstoffspezifikation: Regelwerk: AD W-4 Liefernorm: DIN Erzeugnis: Nahtloses Rohr / Seamless pipe Werkstoffnummer: Kurzname: St 35.8 Betriebsbedingungen und Abmessungen: Temperatur [ C]: 200 Druck [bar]: 10 Dicke [mm]: 7,1 Außendurchmesser [mm]: 0 Werkstoffkennwerte für Probe- und Betriebszustand: Probezustand Betriebszustand Festigkeitskennwert [N/mm²]: 235,00 185,00 Sicherheitsbeiwert: 1,10 1,50 zulässige Spannung [N/mm²]: 213,64 123,33 Elastizitätsmodul [kn/mm²]: Wanddickenunterschreitung [mm]: 0,64 nach DIN Normalwanddicke: nach DIN 2448 Zeitstandfestigkeit für h [N/mm²]: Zeitstandfestigkeit für h [N/mm²]: DIN Tabelle 5 (auszugsweise): Zug- Zug- Streck- Streck- Streck- Bruch- Bruch- Kerbschlagfestigkeit festigkeit grenze grenze grenze dehnung dehnung arbeit von bis <=16mm <=40mm <=60mm längs quer quer N/mm² N/mm² N/mm² N/mm² N/mm² % min % min J min DIN Tabelle 6 (auszugsweise): 0,2%-Dehngrenze bei einer Wanddicke bis mm in N/mm² 200 C 250 C 300 C 350 C 400 C 450 C 500 C 550 C DIN Tabelle A.1 (auszugsweise): Temperatur 1%-Zeitdehngr. 1%-Zeitdehngr. Zeitstandfest. Zeitstandfest. Zeitstandfest h h h h h C N/mm² N/mm² N/mm² N/mm² N/mm² Kommentar: Lauterbach Verfahrenstechnik 12 Feb. 2011