Apparatebau. Fachhochschule Kaiserslautern. Prof. Dr.-Ing. B. Platzer. Verfahrenstechnik. Apparatebau. Thermodynamik. Seite 1

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1 Fachhochschule Kaiserslautern Prof. Dr.-Ing. B. Platzer Verfahrenstechnik Thermodynamik Seite 1

2 INHALTSVERZEICHNIS 1 EINFÜHRUNG BEDEUTUNG DES APPARATEBAUS APPARATEBAU ALS TEIL DES ANLAGENBAUS PROZESSTECHNIK ANLAGENTECHNIK SICHERHEITSTECHNIK BAUAUSFÜHRUNG, MONTAGETECHNIK INBETRIEBNAHME APPARATEKONSTRUKTION SYSTEMATISCHE KONSTRUKTION KONSTRUKTIONSANFORDERUNGEN / RANDBEDINGUNGEN FUNKTIONSGERECHT BEANSPRUCHUNGSGERECHT WERKSTOFFGERECHT KORROSIONSSCHUTZGERECHT FERTIGUNGSGERECHT PRÜFGERECHT SICHERHEITSGERECHT VORSCHRIFTENGERECHT BETRIEBSGERECHT PREISGERECHT FESTIGKEITSBERECHNUNGEN AD-MERKBLÄTTER ASME - BERECHNUNGEN APPARATEBAUELEMENTE ALLGEMEIN BEHÄLTERMANTEL BEHÄLTERVERSCHLÜSSE ANSCHLÜSSE FÜR DEN ROHRLEITUNGSBAU SCHWEIßVERBINDUNGEN FLANSCHVERBINDUNGEN SCHRAUBENVERBINDUNGEN KLEMMVERBINDUNGEN SCHIEBEVERBINDUNGEN ANSCHLÜSSE FÜR EMR- UND SICHERHEITSEINRICHTUNGEN DRUCK-, TEMPERATURMESSSTUTZEN SICHERHEITSEINRICHTUNGEN BESICHTIGUNGSEINRICHTUNGEN ÜBERDRUCK-/ UNTERDRUCKSICHERUNGEN ÜBERTEMPERATURSICHERUNGEN FABRIKSCHILD ERDUNG Seite 2

3 3.6 ANSCHLÜSSE FÜR DEN STAHL- / BETONBAU UNTERSTÜTZUNGEN VERANKERUNGSMATERIAL ANSCHLUSS VON BÜHNEN, LEITERN UND TREPPEN FEUERSCHUTZ EINRICHTUNGEN FÜR TRANSPORT, MONTAGE UND BETRIEB ANSCHLAGVORRICHTUNGEN HEBEVORRICHTUNGEN BEGEHUNGSVORRICHTUNGEN DÄMMUNG LICHT- UND SCHAUGLÄSER WERKSTOFFE RANDBEDINGUNGEN BEI DER WERKSTOFFAUSWAHL FESTIGKEIT UND DUKTILITÄT KORROSIONSBESTÄNDIGKEIT STÄHLE ALLGEMEINE BAUSTÄHLE FEINKORNBAUSTÄHLE VERGÜTUNGSSTÄHLE WARMFESTE STÄHLE HITZEBESTÄNDIGE STÄHLE KALTZÄHE STÄHLE DRUCKWASSERSTOFFBESTÄNDIGE STÄHLE NICHTROSTENDE STÄHLE FERRITISCHE STÄHLE GUSS SONDERWERKSTOFFE TITAN TANTAL ZIRKONIUM KUPFER ALUMINIUM BLEI (DIN EN 12659) ZINK KERAMIK NICKEL UND NICKELBASISLEGIERUNGEN APPARATEFERTIGUNG WALZEN, PRESSEN, SCHMIEDEN SCHNEIDEN SCHEREN BRENNSCHNEIDEN PLASMASCHNEIDEN LASERSCHNEIDEN BIEGEN ABKANTEN BIEGEN SCHWEIßEN SCHWEIßNAHTVORBEREITUNG SCHWEIßVERFAHREN Seite 3

4 5.5 WÄRMEBEHANDLUNG VORWÄRMEN SPANNUNGSARMGLÜHEN PRÜFUNG VORPRÜFUNG (KONSTRUKTIVE AUSFÜHRUNG UND FESTIGKEITSBERECHNUNG) WERKSTOFFE FERTIGUNG DRUCKPRÜFUNG BESCHEINIGUNG ÜBER BAU- UND DRUCKPRÜFUNG KORROSIONSSCHUTZ DOKUMENTATION VERPACKUNG, TRANSPORT, LAGERUNG MONTAGE UND INBETRIEBNAHME DESTILLATIONSKOLONNEN ALLGEMEINE BEMERKUNGEN WÄRMEAUSTAUSCHER (S. BEI_WAT, BEI_WT_1) ALLGEMEINE BEMERKUNGEN THERMISCHE AUSLEGUNG BAUARTEN Seite 4

5 1 Einführung 1.1 Bedeutung des s Der ist von großer Bedeutung für die deutsche Wirtschaft ~ 300 firmen ~ Beschäftigte ~ t/a Apparategewicht ~ 1,5 Mrd. /a Umsatz ~ % Exportanteil Bestellvolumen der BASF für Neuanlagen im Jahr 1995 ~ 350 Mio. Zahlen gelten für die chemische Industrie. Nicht berücksichtigt sind z.b. - Lebensmittelindustrie - Medizintechnik - Pharmaindustrie - Kosmetikindustrie Wahre Zahlen dürfen um ca. 50 % höher liegen. Seite 5

6 1.2 als Teil des Anlagenbaus Wichtigste Schritte bei der Findung und Errichtung einer neuen Produktionsanlage Forschung (Chemie) Versuche im Labormaßstab. Erprobung einzelner Herstellungsschritte meist ohne Verknüpfung. Forschung + Erprobung * Technische Entwicklung Versuche in Technikum (im Pilotmaßstab) einzelner oder zusammenhängender Verfahrensschritte * Durchführungs- Studie Feasibility study Erste sicherheitstechnische Betrachtung, erste Kostenschätzung, Standortplanungen, etc Freigabe zur Ausarbeitung * Realisierung des Projekts Basic Engineering Erste techn. Spezifikation der Apparate. Erstellen von Grundfließbildern für Massen und Energieflüsse. Erste Aufstellungsplanung (Styropormodell) Zweite Stufe sicherheitstechnischer Betrachtung Anlagenbau * Realisierung des Projekts Detailplanung Erstellen Technischer Blätter für Apparate zur Anfrage und Bestellung beim er. EMR- Fließbilder. Erstellen der Dokumentation. Modell Bauplanung (Fundamente / Stahlbau etc.) (*) Montage (*) Inbetriebnahme * Schritte unter Beteiligung des er Seite 6

7 Anlagenbau beinhaltet u. a.: Prozesstechnik (siehe 1.2.1) Anlagentechnik (siehe 1.2.2) Sicherheitstechnik (siehe 1.2.3) Bau- und Montagetechnik ( siehe 1.2.4) Inbetriebnahmetechnik ( siehe 1.2.6) Definition: Eine Anlage ist ein zusammengebautes, funktionsfähiges und autonomes System aus: Apparaten Maschinen Transporteinrichtungen Geräten Bauten Straßen in dem Prozesse mit Stoff-, Energie- und Signalverarbeitung ablaufen Prozesstechnik Definition: Mit Hilfe der Signalverarbeitung werden Veränderungen von Stoff- und Energieströmen in einer Anlage durchgeführt Anlagentechnik Ausrüstung, Materialien: - Apparatetechnik Stoffumwandlung (Reaktor) Energieübertragung (WAT) Lagerung (Tank) - Maschinentechnik Energieumwandlung (Pumpe) Seite 7

8 - Nebenanlagentechnik Versorgung und Aufbereitung von Hilfs- und Betriebsmitteln (Kälteaggregat) - EMR-Technik Elektro-, Mess- und Regelungstechnik - Bautechnik Fundamente, Stahlbau, Gebäude, Straßen - Betriebseinrichtungen Labor- und Werkstatteinrichtungen Sicherheitstechnik Entwicklung eines Sicherheitskonzeptes. Beachtung von sicherheitstechnischen Aspekten bei der Planung und Ausführung Fluchtwege, Anordnung der Anlagen, etc Bauausführung, Montagetechnik Errichtung von Gebäuden, Rohrbrücken, Straßen, Fundamente etc. innerhalb der Anlage. Montage der Anlagenteile Inbetriebnahme Durchführung von: - Probeläufen - Einstellen der EMR-Geräte - Druck- und Dichtheitsproben Spülen der Anlage, Überprüfung der Sicherheitsgeräte Danach Anfahren der Anlage und Garantienachweis (Garantielauf) der Anlage Seite 8

9 2 Apparatekonstruktion Die Konstruktion im unterscheidet sich stark vom Maschinenbau. Beispiel: Lagerbehälter P Oberer Boden N M RN LN O Zyl. Mantel Stutzenplan NW Medium M N O P Unterer Boden Füße NW = Nennweite lichte Weite M N P O 2.1 Systematische Konstruktion VDI-Richtlinien 2221 und 2222 Unterscheiden zwischen Konstruktionsphasen - Planen Klären + Fixieren der Aufgabenstellung - Konzipieren Was muss der Apparat können und was nicht? Randbedingungen - Entwerfen Erstellen detaillierter Pläne - Ausarbeiten Seite 9

10 Im findet man: - Neukonstruktionen - Anpassungskonstruktionen - Variantenkonstruktionen ca % aller Fälle Apparate zum: Wandeln von Stoffen Speichern von Stoffen - Filter - Behälter - Reaktoren - Tanks - Kolonnen - Bunker, Silos, etc - Extraktoren etc. Verknüpfen von Stoffen Ändern des Energieinhalts - Zerkleinerer - Wasserkühler - Agglomerierer - Luftkühler - Trenner / Sichter - Öfen etc. - Sammler 2.2 Konstruktionsanforderungen / Randbedingungen Funktionsgerecht Beherrschen aller Prozessbedingungen, d.h. Erfüllen der Aufgabenstellung unter allen Randbedingen im Rahmen vorgegebener Toleranzen / Garantien - Druck / Temperatur - Produkt- und Betriebsmittelströme - Übertragung von Wärme und Arbeit - Verschmutzung (vermeiden) Seite 10

11 2.2.2 Beanspruchungsgerecht - Material gleichmäßig beanspruchen - Biegespannungen vermeiden - Spannungsspitzen vermeiden - Wärmespannungen vermeiden - Beachtung der Belastungen aus der Umwelt ( Wind-, Schneelasten, Erdbeben etc.) aber auch von anderen Ausrüstungen (z.b. Rohrleitungskräfte Bühnenlasten etc.) Werkstoffgerecht (s. Beiblätter: Werkstoffgerecht, Graphit-konstr., Überzugsgerecht ) Die Werkstoffauswahl hängt ab von: - Festigkeit, Duktilität - Korrosionsbeständigkeit - Fertigungsmöglichkeiten - Betriebs- und Sicherheitsaspekten - Preis, Verfügbarkeit - Lebensdauer Korrosionsschutzgerecht (s. BEI_Korrosionsschutzgerecht) - Korrosion (innen und außen) darf unter allen zugelassenen Betriebsbedingungen nicht zu Korrosionsschäden führen - Korrosionsbeständige Werkstoffe sind häufig sehr teuer Beschichten, Überziehen, Plattieren von un- bzw. niedrig legierten Grundwerkstoff. Grundwerkstoff mechanische Festigkeit Überzug, Plattierung, etc. Korrosionsbeständigkeit Seite 11

12 2.2.5 Fertigungsgerecht (s. BEI_Fertigungsgerecht) Ziel ist eine wirtschaftliche Fertigung: - Materialgerechtes Fertigungsverfahren - Maschinenpark und Personal berücksichtigen - Werkstoff sollte problemlos schweißbar sein - Anzahl der Schweißnähte minimieren - Allgemein gilt: So viel wie nötig, so wenig wie möglich Prüfgerecht (s. BEI_Prüfgerecht) Druckbehälter unterliegen einmaligen bzw. wiederkehrenden Prüfungen Das erfordert, dass Schweißnähte leicht zugänglich prüfbar sind. - optische Prüfung Begehbarkeit, Spiegel, Sichtkontrolle - Schweißnahtprüfverfahren Röntgen Ultraschall Farbeindringverfahren Wichtig: Zugänglichkeit und Oberflächenbeschaffenheit Sicherheitsgerecht - Konstruktion muss den definierten, auftretenden Belastungen in der vorgesehenen Betriebszeit standhalten - Primäre vor Sekundärer Sicherheitstechnik - Sicherheitsfaktoren Höhe abhängig von der Höhe des Unwissens (S>1) - Riss vor Bruch Werkstoffauswahl in der Konstruktion so, dass nur ein Riss und nicht ein Bruch auftritt. Seite 12

13 - Sicherheit umfasst: Herstellung Transport Betrieb des Einzelapparates Betrieb der Anlage Umfeld Vorschriftengerecht (s. Beiblätter: Vorschriftengerecht, Druckbehälterverordnung, Werkstoffprüfungen) Zu beachten sind: 1) gesetzliche Auflagen 2) örtlich gültige Normen, Vorschriften, Regeln 3) Kundenvorschriften 4) eigene Herstellungsstandards Der Kaufvertrag regelt über technische Blätter (Spezifikationen) die Funktionalität, bestimmte Details und erklärt allgemein technische Regeln für verbindlich: - BImSchG (TA-Luft) - UVV - Arbeitsstättenrichtlinien - Regeln und Merkblätter: der Berufsgenossenschaften des TÜV der Industrieverbände TRD TRB TRbF AD-Merkblätter etc. Überwachungsbedürftige Anlagen sind z.b.: - Druckbehälter Seite 13

14 - Dampfkesselanlagen - Aufzugsanlagen - Acetylenanlagen - Anlagen zur Lagerung, Abfüllung und Beförderung brennbarer wassergefährdender Stoffe Die Güteüberwachung der Werkstoffe erfolgt gemäß DIN EN (s. BEI_Werkstoffprüfungen). Liegen keine verbindlichen Regelungen vor, so können anerkannte Standards bzw. Veröffentlichungen (z.b. ASME-CODE, AD-Merkblätter, Arbeiten von Wichmann, Hepper und Mershom Beulverhalten) herangezogen werden. Bei Druckbehälter müssen alle druckbelasteten Teile den Anforderungen der Regelwerke entsprechen Betriebsgerecht Ein Apparat muss allen üblichen oder spez. Belangen im Betrieb genügen. Insbesondere müssen z.b.: - Mess- und Sicherheitseinrichtungen gut zugänglich sein. - Hilfsmittel für Wartungs-, Inspektions- und Montagearbeiten vorgesehen sein (z.b. Treppen, Leitern, Bühnen, Öffnungshilfen, etc.) - Ausrüstung muss robust sein - Ersatz- und Verschleißteile normgerecht sein, wenn möglich Normapparate! Preisgerecht (s. Beiblätter: Preisgerecht, Kostenschätzung von Apparaten) Primär sind die Kosten so niedrig wie möglich zu halten. Seite 14

15 2.3 Festigkeitsberechnungen Die Festigkeitsberechnung erfordert die Definition von Lastfällen entsprechend der auftretenden Belastungen. Die Berechnung der Wanddicken erfolgt dann mit Hilfe anerkannter Normen. Im weiteren AD-Merkblätter AD-Merkblätter Folgende Lastfälle / Belastungen werden betrachtet: a) Betriebsbedingungen (AD-Merkblätter) - Innendruck (statisch / dynamisch) - Außendruck - hydrostatischer Druck - Betriebstemperatur b) Prüfbedingungen (AD-Merkblätter) - Innendruck (statisch) - Außendruck - hydrostatischer Druck - Prüftemperatur 1,3 x Betriebsdruck c) Äußere Belastungen - Windkräfte (DIN 1055 / 4133) - Erdbeben (DIN 4149) - Rohrleitungskräfte - Kräfte aus Abstützungen d) Besondere Belastungen - Transport / Umschlag - Montage - An- und Abfahren - Betriebsstörungen - außergewöhnliche Belastungen Seite 15

16 Die Berechnung erfolgt dann getrennt für die einzelnen Apparateteile. Dabei werden die Lastfälle a, b und c (nur Wind und Erdbeben) zur Auslegung der Wanddicke herangezogen, während bei dem Fall d nur geprüft wird ob die Wandstärke ausreichend ist. Gegebenenfalls wird örtlich verstärkt (z.b. an Stutzen, Auflagen). Stufung von Druck und Temperatur: siehe DIN Niedrige Lastwechselzahlen quasistatisch Hohe Lastwechselzahlen dynamisch (z. B. Batch-Prozess) Berechnung nach AD-S1 und S2. Vermeiden von Kerben bei Konstruktion und Fertigung. Gefährdungspotential des Apparates berücksichtigen. - bei Apparaten mit hohen Drücken - explosive oder toxische Stoffe - Aggregatzustand (flüssig oder gasförmig) erhöhter Aufwand an Sicherheit - Prüfumfang höher - Toleranzen geringer - Besondere Fertigung (Personal, Verfahren) - Besondere Aufstellung (Einhausung etc.) ASME - Berechnungen (American Society of Mechanical Engineers) Regelwerk gültig für die USA, jedoch auch häufig als Vertragsgrundlage für Auslandsgeschäfte vereinbart (z.b. China). Prüfung geht stark in die Wanddickenberechnung ein. Das Regelwerk ist in verschiedene Spannungskategorien unterteilt. Im Gegensatz zu deutschen Regelwerken, die plastische Verformungen erfassen und be- Seite 16

17 grenzen, können hier Einzelspannungen durchaus unterschiedliche, einmalige und wechselnde plastische Verformungen hervorrufen. Seite 17

18 3 elemente 3.1 Allgemein Grundsätzlich besteht ein Apparat aus: - Behältermantel: eben, zylindrisch, kegel- und kugelförmig - Behälterverschluss: ebener Boden, Teller-, Klöpper-, Korbbogenboden, etc. - Anschlüsse: für Produktionsrohrleitungen MSR- und Sicherheitseinrichtungen Anbauten (Rührer etc.) Wartung - Unterstützungen: ausgeführt als Sattel, Fuß, Pratze, Zarge oder flach z.b. Tragring Komplizierter Apparat (s. BEI_Behälter mit Rührwerk): Darüber hinaus weitere Bauteile: - Doppelmäntel - Rührwerk - Kühlschlangen - Stromstörer - Schau- und Lichtgläser Vorschriften: - zur Berechnung im wesentlichen AD - zum Betrieb im wesentlichen UVV und TRB Seite 18

19 3.2 Behältermantel Behälter unter Innendruck sind meist eigensteif. Während Behälter unter äußerem Überdruck oder unter Vakuum auf Einbeulen ausgelegt werden müssen. häufig Versteifungen notwendig Mäntel und Schüsse 2-3 m Länge mit Längs- und Rundnähten zusammen geschweißt. Wichtig: Längsnähte versetzen! Keine Kreuzstöße! Kegelförmige Mäntel dienen als Übergangsstücke (z.b. Kolonnen, Auslauftrichter bei Silo etc.) Kugelförmige Behälter aus gepressten Kalottenteilen und Segmenten (hoher Fertigungsaufwand). Beheizung oder Kühlung durch Halbrohrschlangen, Doppelmäntel etc. (s. BEI_Doppelmantel) Berechnung des Behältermantels nach AD-Merkblätter B0, B1, B2, B6, B9, B10 (für Da/Di bis 1,2) z.b. Behälter unter Innendruck AD-B0 Wanddicke s=? Zylinderschale Kugelschale Da p s = + c1 + c K 20 v + p S Da p s = + c1 + c K 40 v + p S Da = Behälteraußendurchmesser in mm p = Berechnungsdruck (zul. Betriebsüberdruck oder Prüfdruck) in bar K = Festigkeitskennwert (z.b. nach AD-W) in N/mm² 2 2 Seite 19

20 S = Sicherheitsbeiwert (z.b. für Stähle gegenüber der 0,2% Dehngrenze R p0,2 ) V = Schweißfaktor c 1 = Zuschlag zur Berücksichtigung der Wanddickenunterschreitung c 2 = Abnutzungszuschlag Pulsierend belastete Apparate sind zusätzlich nach AD-S1und S2 zu berechnen. Hochdruckapparate (Wandstärken wobei Da/Di > 1,2) müssen nach gesonderten Verfahren berechnet werden. Sie unterscheiden sich im Wesentlichen von den dünnwandigen, da hier versucht wird, mit verschiedenen Verfahren gezielt Druckspannungen an der Behälterinnenseite zu erzeugen. (s. BEI_Hochdruckapparate) 3.3 Behälterverschlüsse (s. Beiblätter: Böden, Kräfte-Momente-Spannungen, Schnellverschlüsse (niedr. Druck), Schnellverschlüsse (hoher Druck)) Behälter (insbesondere Druckbehälter) werden an beiden Enden mit angeschweißten Böden verschlossen. Berechnung nach AD- B1, B, B3, B4, B5 Geringste Wanddicke ergibt sich für kugelförmige Böden / Behälter. Bei geringeren Drücken oder aus anderen Gründen auch Flanschverbindungen. 3.4 Anschlüsse für den Rohrleitungsbau Schweißverbindungen Feste Schweißverbindung zwischen Rohrleitung und Behälter nur bei absolut wartungsfreien Anlagen, bzw. wenn die Betriebssicherheit es erfordert. Vorteile: - absolut dicht - billig Seite 20

21 Nachteile: - Schweißnaht muss meist auf Baustelle gefertigt werden - Demontage schlecht möglich - Druckprobe Rohrleitung bis zum nächsten Absperrorgan Flanschverbindungen Üblichste Art der Verbindung im Anlagenbau Stutzenrohranschlüsse (vgl. Beiblätter: Stutzenrohranschlüsse, Spann. u. Dehn. am Stutzen, Spannungsverlauf) Stutzenrohre: wenn immer möglich Normrohre verwenden. Anschluss an Behälter sollte möglichst elastisch sein (ausgehalst hier besonders gut, aber teuer). Berechnung nach AD-B9, S1, S2 Flanschverbindungen (vgl. Beiblätter: Stutzenflansche, Blockflansch, Formen v. Dichtflächen) Auswahl nach Nenndruckstufen (DIN 28002) Bei Berechnungstemperatur t > 120 C gilt für den erforderlichen Nenndruck PN t = PN 120 C R p0,2 120 C R p0,2t Berechnung von Flanschverbindungen an Druckbehältern im Allgemeinen nicht erforderlich, wenn Flansch entsprechend Druck- und Temperaturstufen gewählt wurde (s. BEI_Druckstufen nach DIN u. ANSI). Ansonsten nach AD-B8 und -S3. In Amerika ANSI-class (s. BEI_Explosionsklappe) und auch in der BRD bes. Raffinerien Normale Beanspruchung Höhere Beanspruchungen Flansch mit glatter Dichtleiste (vgl. BEI_Formen v. Dicht flächen) Flansch mit Nut und Feder oder Vor- und Rücksprung. Dichtung wird exakt fixiert, Innendruck kann Dichtung nicht herausquetschen. Seite 21

22 Höchste Drücke Linsendichtung (BASF Polyethylen) Bei höheren Drücken (ab ~ 20 bar) und höheren Temperaturen (ab ~ 350 C) Ring-Joint Dichtungen Dichtungsarten Berechnung nach AD-B7 bzw. DIN EN bis 2 Schrauben und Muttern Werkstoffe für Schrauben AD-W2, -W7 und W10. Berechnung nach AD-B7 bzw. DIN EN und Schraubenverbindungen Bei geringen mechanischen Belastungen und kleinen Durchmessern (bis ~ 1 ). Häufig Schneidringverschraubungen Klemmverbindungen Verwendung selten, nur bei geringen mechanischen Belastungen Schiebeverbindungen Bei geringen Drücken. Vorteil: Nachteil: Ausgleich bei Längenänderungen Leckageprobleme Seite 22

23 3.5 Anschlüsse für EMR- und Sicherheitseinrichtungen Druck-, Temperaturmessstutzen Siehe Kapitel Sicherheitseinrichtungen - Besichtigungs- und Befahröffnungen - Anforderungen an Verschlüsse und Verschlussschrauben - Kennzeichnung - Sicherheitseinrichtungen gegen: Drucküberschreitung Ventile, Explosionsklappe, Berstscheibe Temperaturüberschreitung Notkühlung - Absperreinrichtungen - Abblaseeinrichtungen - Flüssigkeitsanzeiger, Schaugläser - Ablasseinrichtungen - Druckmindereinrichtungen Besichtigungseinrichtungen - Mannlöcher - Kopflöcher - Handlöcher - Schaulöcher Konstruktion, Abmessungen nach AD-A5 Seite 23

24 Überdruck-/ Unterdrucksicherungen Primäre Sicherheit gibt die Berechnung der exakten Wandstärke für den max. Betriebsdruck. Sekundäre Maßnahmen: - Sicherheitsventile, Berstscheiben (wirken selbsttätig) - Absicherung über Steuer- und Regelgeräte Höhere Sicherheit z.b. 2 von 3 Schaltungen a) Sicherheitsventile Normal-Sicherheitsventil (üblich im Anlagenbau), keine Anforderungen an Öffnungscharakteristik Vollhub-Sicherheitsventile (explosive Stoffe), öffnen nach Ansprechen bei 5% Drucksteigerung voll. Proportional-Sicherheitsventile Hub proportional zum Druck Bei niedrigen Drücken Feder- oder gewichtsbelastete Klappen (s. BEI_Explosionsklappe). Konstruktion unter Berücksichtigung von AD-A2 b) Berstelemente Geben schlagartig beim Ansprechen den gesamten Öffnungsquerschnitt frei Entspannung auf Umgebungsdruck Sie werden angewendet wenn: Schneller Druckanstieg möglich Anbackungen möglich Hohe Anforderungen an Dichtheit im Normalbetrieb Große Entlastungsquerschnitte erforderlich Seite 24

25 Man unterscheidet: Berstscheiben Brechkappen Brechbolzen Knickstäbe Konstruktion von Berstscheiben unter Berücksichtigung von AD-A Übertemperatursicherungen Apparatewandtemperatur nie höher als die Berechnungstemperatur! Die Einhaltung dieser Bedingung erfolgt durch Prozess-Steuerung auf der Basis einer Temperaturmessung Fabrikschild Jeder Druckbehälter muss ein Fabrikschild mit folgenden Daten haben: - Hersteller oder Lieferant - Fabriknummer, Baujahr - zul. Betriebsüberdruck, zul. Betriebstemperatur - Inhalt der Druckräume - Art und Anzahl der Klammerschrauben (wenn vorhanden) Erdung (s. VDE 0100 und 0185) Alle Behälter müssen gegen elektrische Ströme mit Erdungslasche und Fundament- Erder geerdet sein. Behälter mit Ø 3m mehrere Erdungslaschen. Zweck der Erdung : - Personenschutz (Berührungsspannung 65V) - Objektschutz (Blitzschutz, stat. Aufladung) Seite 25

26 3.6 Anschlüsse für den Stahl- / Betonbau Unterstützungen Abstützung des Behälters auf dem Fundament: a) Sättel nach DIN (s. BEI_Behältersättel) für liegende Behälter Berechnung nach AD-S3/2 und BS b) Zargen nach DIN (s. BEI_Standzargen) für hohe, stehende Apparate. Gesamthöhe / Ø > 5 : 1 Zusatzkräfte aus Wind, Erdbeben, Rohrleitungsanschlüssen, Montage usw. sind bei Berechnung nach AD-S3/1 zu berücksichtigen. c) Füße nach DIN (s. BEI_Ehälterfüße) für stehende kleinere Behälter. Berechnung der Wandstärke durch Zusatzkräfte der Abstützung nach AD-S3/3 d) Pratzen nach DIN (s. BEI_Tragpratzen) für hängende Apparate. Berechnung der Behälterwand nach AD-S3/ Verankerungsmaterial Geringe Vertikal- und Horizontalkräfte: Ankerschrauben nach DIN 529 im Fundament mit Ankerschraubenkorb. Große Vertikal- und Horizontalkräfte: Hammerschrauben nach DIN 188 bzw Mit Ankerhülsen oder baren / -ringe (teuer). Alternative: Fußringe fest im Fundament eingegossen Anschluss von Bühnen, Leitern und Treppen Clipse aus Stahlbauprofilen. Angeschweißt an Apparat vor der Druckprobe. Bei größeren Belastungen ist eine Nachrechnung auf Beulen (nach AD-S3/4) notwendig. Seite 26

27 3.6.4 Feuerschutz Alle Bauteile, die im Brandfall eine Gefährdung der Umgebung beinhalten (z. B. Unterstützung einer Rohrbrücke), werden zur Sicherung gegen Feuer mit einem Feuerfestbetonmantel und äußerem Blechmantel versehen. 3.7 Einrichtungen für Transport, Montage und Betrieb Anschlagvorrichtungen (s. Beiblätter: Hebeösen u. Traglaschen, Tragzapfen) - Hebeösen DIN Traglaschen DIN Tragzapfen DIN (größere Gewichte) Anschlagvorrichtung und Anschluss an den Behältermantel sind für das Montagegewicht und Stoßzuschlag zu berechnen Hebevorrichtungen - Bügel - Schwenkvorrichtungen größere Gewichte (z. B. Mannlochdeckel) - Davit Montagehilfe (z.b. Kolonnenböden) BEI_Schwenkvorrichtung u. Davit Begehungsvorrichtungen - Steigeisen (unterhalb des Mannloches, Abstand 300 mm) - Haltegriff (unterhalb des Mannloches) Seite 27

28 3.7.4 Dämmung Gründe: - Berührungsschutz (t > 60 C) - Verringerung der Energieverluste - Schutz vor Übertemperatur (Ausmauerung eines Ofens) Materialien (je nach Anforderung bzw. Temperaturbereich): - Mineralwolle (t 500 C) - Kalzium-Silikat-Schalen (t 900 C) - Schüttungen (z.b. Perlite Kältedämmung) - Feuerfeste Ausmauerung bzw. Stampfmassen Bei Außenisolierung mit Fasermatten zusätzliche Verkleidung mit 0,5 bis 1mm dicken Dämmblechen. Die Bleche werden überlappend angeordnet, gerändelt und mit Blechschrauben verbunden. Dämmdicke ist zwischen mm Auswahl nach Wirtschaftlichkeitsrechnung. Dämmkosten Energieeinsparung Licht- und Schaugläser (s. BEI_Licht- u. Schaugläser) Dienen der Beobachtung des Prozesses (teilweise mit Spülvorrichtung). Seite 28

29 4 Werkstoffe Eingesetzte Werkstoffe sehr verschiedenartig - unlegierte - niedrig-, mittellegierte - hochlegierte Stähle 4.1 Randbedingungen bei der Werkstoffauswahl Auswahl nach folgenden Kriterien: - Festigkeit, Duktilität - Korrosionsbeständigkeit - Verarbeitbarkeit - Betriebs-, Sicherheitsverhalten - Einsatzbeschränkungen durch Vorschriften - Preis, Verfügbarkeit - Prozessbedingungen - Betriebsbedingungen - Größe des Apparates Festigkeit und Duktilität Festigkeit bestimmt wesentlich (neben der Korrosionsbeständigkeit) die Werkstoffauswahl. Wichtige Betriebsgröße ist die Temperatur, da im allg. die Festigkeit mit steigender Temperatur abnimmt. Duktilität plastisches Verformen, damit sprödes Versagen verhindert wird. Plastisches Verformen Verfestigung, Abbau von Spannungsspitzen. Festigkeitskennwert geht direkt in die Berechnung ein. Duktilität nur als Erfahrungswert vorgegeben. Seite 29

30 4.1.2 Korrosionsbeständigkeit Angaben dazu z. B.: DECHEMA: Werkstofftabellen Mannesmann: ABC der Stahlkorrosion Böhler GmbH: chemische Beständigkeit nicht rostender Stähle. Komplexes Gebiet Hauptkorrosionsarten (s. BEI_Korrosionsarten) Gleichmäßig abtragende Korrosion häufigster Fall, lässt sich sehr leicht labortechnisch messen Korrosionsrate in (g/m²h) oder (mm/a) Loch- oder Punktkorrosion (Lochfraß) Passivschicht wird an Schwachstellen örtlich durchbrochen z. B. durch Cl-, Brom- oder Jodionen. Gefährlich, da in kurzer Zeit selbst dickwandige Behälter durchlöchert sein können. Säuregrad und Oxidationsvermögen erhöhen diese Korrosionsart. Abhilfe: - glatte, saubere Oberfläche - Zulegieren Mo und höhere Chromanteile - besonders im ruhenden Medium höhere Strömungsgeschwindigkeit - Totgebiete vermeiden Spaltkorrosion In Spalten erreicht der Stahl wegen ungenügender Sauerstoffzufuhr keine Ausreichende Passivschicht. Dabei ablaufende Reaktionen erhöhen die Korrosion. Tritt auf an Schraubverbindungen, unter Dichtungswerkstoffen, festhaftenden Ablagerungen, Konstr. Spalte, Schweißfehler usw. Zunehmender ph- Wert reduziert diese Korrosionsart, ab ph=12 nicht mehr vorhanden. Abhilfe: - Konstrukt. Maßnahmen - gute Oberflächenausführung - höhere Strömungsgeschwindigkeit (s. Lochfraß) Seite 30

31 Kontaktkorrosion Tauchen zwei unterschiedlich beständige Metalle in eine elektrisch leitende Lösung, so wird das unedlere Metall stärker, das edlere, beständigere Metall weniger angegriffen. Werden beide miteinander elektr. leitend verbunden, wird das unedlere noch stärker angegriffen, während das edlere geschützt wird. Gewollt oder ungewollt z.b. - Opferanode, verzinktes Blech (gewollt) - Falsche Scheißelektrode (ungewollt) Wo sich eine Verbindung zweier verschieden beständiger Stoffe nicht vermeiden lässt ausreichend elektr. Isolation. Spannungsrisskorrosion Für Auftreten müssen 3 Bedingungen erfüllt sein: - Werkstoff muss anfällig sein für Spannungsrisskorrosion - Oberfläche muss unter Zugspannung stehen (Last- oder Eigenspannung) - Angriffsmittel muss vorhanden sein. Vorwiegend wird diese Korrosionsart durch Halogen-Ionen-haltige Angriffsmittel und besonders solche mit Chloriden der Alkali- bzw. Erdalkalimetalle (z. B. Natrium-, Kalzium- oder Magnesiumchlorid beinhaltende Lösungen) verursacht. Austenitische Chrom-Nickel-Stähle zeigen für Chloridinduzierte Spannungsrisskorrosion eine relativ starke Anfälligkeit. Ferritische Chromstähle unterliegen dieser Art der Spannungsrisskorrosion weitgehend nicht. Charakteristisch für die Spannungsrisskorrosion ist, dass sie durch solche Mittel ausgelöst wird, gegen die das Material von der Korrosionsrate her gesehen weitgehend beständig ist. Erkennbar ist diese Korrosionsart durch senkrecht zur Zugspannung auftretende Risse, die mehr oder weniger stark verästelt sind. Seite 31

32 Abhilfe: - Vermeiden von Zugspannungen - höhere Nickel-Gehalte - austenitische Stähle nicht Löten mit: Cu, Messing, Zinn, Blei - Grobe Oberflächen schlechter als feingeschliffene oder polierte - Kaltverdichtete Oberflächen günstig Interkristalline Korrosion oder Kornzerfall Chemischer Angriff entlang der Korngrenzen. Bei anfälligen Stählen kann dieser Angriff soweit gehen, dass das Metall buchstäblich zerfällt. Werden austenitische Chrom-Nickel-Stähle längere Zeit in einem Temperaturbereich von C gehalten, so scheiden sich an den Korngrenzen chromreiche Karbide aus, wodurch die Korngrenznahen Bereiche an Chrom verarmen und dadurch anfällig gegen Korrosion werden. Ursprünglich war diese Korrosionsart besonders beim Schweißen eine unangenehme Erscheinung. Abhilfe: - Absenken des Kohlestoffgehalts auf Werte unter 0,03% - Stabilisierung durch Zusatz von Titan oder Niob Ferritische Chromstähle neigen auch zu dieser Korrosion Abhilfe: - Glühen bei C - schweißbare Stähle stabilisiert mit Titan oder Niob Vergütete martensitische Stähle zeigen keine Neigung zu dieser Korrosion. Einteilung nach AD HP0 Weitere Bezeichnungsmerkmale nach DIN Gewährleistungsumfang - Behandlungszustand - Werkstoffnummer Seite 32

33 Daneben gilt auch die Werkstoffnummer nach DIN z.b Cr 6 Baustahl X 6 Cr Ni Ti Stähle Allgemeine Baustähle (St33 bis St70) DIN EN bis -2 Als Baustähle werden unlegierte oder niedrig legierte Stähle, die im warmgeformten Zustand nach einem Normalglühen oder nach einer Kaltumformung im Wesentlichen aufgrund ihrer Festigkeitseigenschaften verwendet werden. Gasschmelzen oder Lichtbogenschweißen C-Gehalt < 0,20% ab St 46 nicht ohne weiteres schweißbar Einschränkungen für Druckbehälter nach AD-W1 Im besonders St 37.2 für Bleche und St37.8 für Rohre Feinkornbaustähle (WStE 26 bis WStE 51) SEW 088, 089, 092, DIN 1702 Grundsätzlich bereinigt, vergossen mit geringen Anteilen von Al, Nb, V Nitride und / oder Karbide hohe Festigkeit (σ S = N/mm²). Schweißbarkeit ist schwierig, aber nicht unmöglich (Elektroden trocken, vorwärmen etc.) Gerade mittlere Güte WStE 36 bis 47 wird häufig für größere Apparate bei höheren Drücken und höheren Temperaturen verwendet. Preis höher als z.b. St37.2, aber auch Festigkeitskennwert (20 C) σ S St37.2 = 235 N/mm², σ S St37.2 =235 N/mm² Wirtschaftlichkeitsbetrachtung Seite 33

34 4.2.3 Vergütungsstähle (C 22-C 60, Ck 22 Ck 60) DIN EN Ck = unlegierter Edelstahl C = unlegierter Qualitätsstahl Niedrig oder unlegierte Baustähle mit C-Gehalten zwischen 0,18 0,65 %. Legierungsbestandteile sind: Cr, Mo, Ni, Mn. hohe Festigkeit mit guter Zähigkeit. Haben größere Reinheit d.h. geringere Gehalte an S und P. Schweißbarkeit ist stark eingeschränkt Im hauptsächlich bei geschraubten Teilen, wie z.b. Flansche, Schrauben, Muttern, geflanschte Wellen etc Warmfeste Stähle (HI bis HIV, niedrig legiert, Mn, Cr; Mo-Stähle) DIN EN Haben ausreichende Festigkeit bei Langzeitbeanspruchung bei Betriebstemperatur bis ~ 550 C. Je nach Anforderung legiert oder unlegiert. C<0,25% gut schweißbar. werden im bei Temperaturen oberhalb 200 C bis etwa 500 C häufig eingesetzt. Werkstoffe wie HII, 15 Mo 3, 13 Cr Mo 4 4 gehören zu den Standardwerkstoffen Hitzebeständige Stähle (z.b. X10 Cr Al 18, X10 Ni Cr Al Ti 3220 Incoloy 800) Eingesetzt bei Temperaturen oberhalb von 550 C bis max. ~ 800 C im Dauerbetrieb. Hohe Festigkeit bei guter bis sehr guter Korrosionsbeständigkeit. Gut schweißbar. Bezeichnungen: Hastelloy B, C, Inconel, Monel Seite 34

35 4.2.6 Kaltzähe Stähle (z.b. TTSt 35/41, 10 Ni 14, X10 CrNi 189) nach SEW 680 Weisen auch bei Temperaturen unter -10 C eine ausreichende Zähigkeit auf. Werkstoffkennwert ist die Kerbschlagzähigkeit oder Kerbschlagarbeit als Funktion der Temperatur. Grundsätzlich gilt: Temp., Festigkeit, Zähigkeit Leg.-Elemente: Cr, Mo-Stähle oder Ni-Stähle Im besonders 18/8 CrNi Stähle Druckwasserstoffbeständige Stähle (Cr Mo Stähle, z.b. 24 CrMo 10) nach SEW 590 Sind beständig gegen Entkohlung durch Wasserstoff bei höheren Drücken und Temperaturen. Das geeignete Leg.-Element ist Chrom. Da aber erhöhte Warmfestigkeitskennwerte notwendig sind, müssen weitere Leg.-Elemente zugesetzt werden (vor allem Mo, evtl. auch Vanadium und Wolfram). Anwendung der Werkstoffe geht aus dem Nelson-Diagramm (s. BEI_Nelson-Diagramm) hervor. Absolut beständig sind z.b. die austenitischen rostfreien Stähle z.b. X 10 CrNiMoTi ( V4) Stähle sind schweißbar, da C-Gehalt gering und stabilisiert mit Mo, Ti Nichtrostende Stähle (Cr,Ni-, CrNiMo-Stähle) DIN EN Haben auf Grund ihrer ausgezeichneten Beständigkeit gegen atmosphärische Korrosion und viele Cl-freie Säuren ein breites Einsatzfeld im chemischen, der Lebensmittel- und Pharmaindustrie. Seite 35

36 Gute Festigkeit bei guter Zähigkeit. Problemlos schweißbar. Nachteile: - hoher Preis - Anfälligkeit gegen Loch- und Spannungsrisskorrosion in Gegenwart von Cl-Ionen. Konzentration von ppm bei Temperatur > 60 C Vorsicht bei Flusswasser-, Industriewasserkühler. Bekannteste Vertreter: X 10 CrNiMoNb (V4AE) X 10 CrNiMoTi (V4AE) X 10 CrNiMo (V4A) X 10 CrNiNb 18 9 (V2AE) X 10 CrNiTi 18 9 (V2AE) X 10 CrW 18 9 (V2A) Wesentliches Kriterium für Verarbeitbarkeit ist der C-Gehalt Ferritische Stähle Die ferritischen Stähle enthalten 12 bis 18% Cr, teilweise bis zu 30%,, weniger als 0,1% C und zur Verbesserung der Eigenschaften eventuell bestimmte Anteile an Ni, Mo, Ti, Nb und Al. Wärmebehandlungen wie Normalisieren oder Härten sind nicht möglich. Ferritische Stähle neigen nach dem Schweißen zur interkristallinen Korrosion. Erst mit Hilfe von Ti-Zusätzen (>7 x % C) bzw. Nb-Zusätze (> 12 x % C) werden die Stähle stabilisiert. Bei sehr niedrigen C-Gehalten von 0,002%, N-Gehalten von 0,01% Sowie 25 % Cr und 1% Mo werden die Stähle unempfindlich gegen Karbidausscheidung und damit gegen interkristalline Korrosion sowie Versprödung wegen Grobkornbildung. Seite 36

37 Die Hochreinen ferritischen Stähle werden wegen ihrer sehr guten Korrosionsbeständigkeit zunehmend im chemischen bei Betriebstemperaturen bis etwa 350 C angewendet. 4.3 Guss Beim unlegierten Gusseisen unterscheidet man - Grauguss mit Lamellengraphit (GG) DIN EN Grauguss mit Kugelgraphit (GGG) DIN EN Temperguss (GT) DIN EN Stahlguss (GS) DIN EN Bei den hochlegierten Gusseisensorten sind folgende genormt: - austen. Gusseisen mit Lamellengraphit (GGL) DIN EN austen. Gusseisen mit Kugelgraphit (GGG) DIN EN hitzebeständiger Stahlguss (GX...) SEW nichtrostender Stahlguss (GX...) DIN EN und -4 DIN EN SEW 410 Das Gusseisen wird in der Regel für Maschinen- und Armaturengehäuse verwendet, weniger für den. Dennoch gibt es heute noch Apparate, die man auf Grund der Korrosionsbeanspruchung in Grauguss ausführt: z.b. Naphtalin-Abtreiber in der Waschölregenerierung von Kokereien (Kolonnen mit Glockenböden): 4.4 Sonderwerkstoffe Titan Ausgezeichnete chemische Beständigkeit bei hoher mechanischer Festigkeit, guter Schweißbarkeit und guter Wärmeleitfähigkeit Vielseitige Anwendung: Seite 37

38 - Druckapparate - Wärmetauscher - Pumpen - Armaturen / Rohrleitungen Vorzugsweise in der Chlorproduktion, Harnstoffanlagen, Essigsäuren, Mehrwasserentsalzung, etc. Titan bis 10 mm wirtschaftlich als Vollmaterial darüber als Plattierung. Schweißbar: Vorsicht bei Temperaturen über 300 C im Werkstoff Gefügeveränderungen (Schutzgas: Argon oder Helium) Tantal Sehr hohe Korrosionsbeständigkeit. Weitgehend beständig gegen konzentrierte Salzund Salpetersäure und heiße Laugen. Wird im Wesentlichen angegriffen von Fluor und heißen Gasen (z. B. Sauerstoff, Stickstoff, Wasserstoff) H 2 reagiert mit Ta bei 260 C H reagiert mit Ta bei 20 C O 2, N 2 reagiert mit Ta bei 300 C Schweißen deshalb im Hochvakuum oder unter inerter Atmosphäre Zirkonium Hervorragend beständig im Kontakt mit Salpetersäure. Unbeständig gegen Flusssäure, Schwefelsäure (Konz. > 70%) und feuchtes Chlor. Außerdem reagiert es wie Ti, Ta mit H 2, O 2, N 2 ähnliche Sorgfalt beim Schweißen. Zirkonium lässt sich nicht mit Stahl verschweißen. Seite 38

39 4.4.4 Kupfer Anfällig gegen NH 3 Spannungsrisskorrosion Kupfer wird eingesetzt häufig wegen der sehr guten Wärmeleitfähigkeit. Bis ca. 9 mm vollwandig, dann Plattierung erforderlich! Schweißen erfordert sehr viel Erfahrung Aluminium Einsatz besonders im Tieftemperaturbereich, d. h. bis Temperatur um ca. 190 C. Mit MiG und WiG gut schweißbar. Einsatz z. B. in Luftzerlegungsanlagen, Flüssiggaslagerung Blei (DIN EN 12659) Blei ist sehr weich: R p0,2 = 3 N/mm² nur als Auskleidung von Druckbehältern. Korrosionsbeständig gegen die meisten Säuren und Salzlösungen. In der Pharmaindustrie und bei der Herstellung von schwer entflammbaren Materialien früher eingesetzt Zink Zink gehört nach der Elektrochemischen Spannungsreihe zu den unedelsten Metallen. Heißwasser, Dampf, Säuren und Laugen (ph>12,5) zerstören Zink. Wichtig: Im nur als Oberflächenschutz von Anbauteilen (Bühnen, Leitern, etc.) Seite 39

40 Als bezeichnet man die diversen Glasartigen Schichten auf einer metallischen Oberfläche aufgeschmolzen. Sie besteht aus Fluorverbindungen (Quarz, Feldspat, Ton, etc.), Silizium, Boraluminium gemischt mit Metalloxyden. Behälter muss gerecht konstruiert werden sandstrahlen und säubern E- mailschichten (Grund , Deck ) Gesamtschichtdicke ca. 0,8 1,8 mm Haftung zu Behälter Korrosionsschutz Grundwerkstoff Festigkeit Korrosionsschutz, Reinigbarkeit Vorteile: - glatte Oberfläche - gute Korrosionsbeständigkeit gepaart mit hoher Festigkeit Nachteile: - sorgfältige Herstellung - sorgfältige Behandlung im Betrieb Keramik Im selten. Nur als Auskleidung (insb. Für Wärmedämmung / Feuerschutz). Ausmauerungen oder Stampfmassen. Seite 40

41 Nickel und Nickelbasislegierungen Nickel und Nickelbasislegierungen werden eingesetzt: - bei hohen Korrosionsbeanspruchungen - bei Dauerbeanspruchung im Bereich hoher Temperaturen Reinnickel (Ni > 99%) Reinnickel hat eine besonders gute Korrosionsbeständigkeit bei ätzenden Laugen (z.b. Ätznatron), Brominen, Phenol etc. Außerdem ist es sehr gut einsetzbar bei Fluorwasserstoffen und organischen Säuren. Bei Chlorisierung von Kohlenwasserstoffen wird es bis 550 C eingesetzt. Es ist für Druckbehälter im Temperaturbereich von -10 bis 650 C zugelassen. Monel 400, K500 (ca. 65% Ni, 31% Cu) Monel ist ein sehr häufig eingesetzter Werkstoff. Er kommt unter anderem bei reduzierender Schwefelsäure zum Einsatz. Außerdem ist er einer der ganz wenigen Werkstoffe, die von Salzsäure (HCl) nicht angegriffen werden. Gegenüber Meerwasser ist es ebenfalls hervorragend beständig. Der Werkstoff kann für Druckbehälter von -10 bis 425 C eingesetzt werden. Inconel 600, 625 (61 76 % Ni, % Cr, 7% Fe bei Typ 600, 9% Mo bei Typ 625) Inconel wird eingesetzt bei hoher Korrosionsbeanspruchung und hoher Temperatur. Es ist besser beständig als reines Nickel unter oxidierenden Bedingungen und hat einen hohen Korrosionswiderstand bei reduzierenden Bedingungen. Es ist Immun gegen Spannungsrißkorrosion durch Cl und ätzende Alkalien. Es wird auch bei hohen Temperaturen, z.b. für Gebläse in SO 2, H 2 S-Anlagen (Entschwefelung, Reformer) eingesetzt. Incoloy 800, 800H, 802, 825 (30 42 % Ni, % Cr, % Fe) Incoloy ist eine Legierung, die sich im Hochtemperaturbereich um C sehr gut bewährt hat, wobei auch die gute Korrosionsbeständigkeit hervorzuheben ist; Einsatz z.b. in Reformer-, Äthylen- und Pyrolyseöfen, Crackern etc. Da bei hohen Seite 41

42 Temperaturen die Festigkeitskennwerte sehr niedrig werden, können bei gleichzeitig auftretenden hohen Drücken nur noch Rohre unausgekleidet eingesetzt werden. Hastelloy B, C (50 66 % Ni, % Mo, ca. 6 % Fe; bei Typ C noch % Cr) Beide Legierungen sind besonders wegen ihrer Korrosionsbeständigkeit hervorzuheben. - Hastelloy B ist widerstandsfähig gegen Cl-H-Gas und Schwefel-, Salz- und Phosphorsäuren. Es wurde als Werkstoff für Salzsäureanlagen entwickelt und ist deshalb gegen diese Säure bei allen Konzentrationen beständig. - Hastelloy C ist widerstandsfähig gegen stark oxidierende Mittel wie Eisenchlorid, Kupferchlorid und heiße Cl-Lösung bis zu Temperaturen um 1000 C. Hastelloy wird auf Grund seines Preises bis ca. 7 8 mm Wanddicke vollwandig verarbeitet; darüber als Plattierungsmaterial eingesetzt. Seite 42

43 5 Apparatefertigung 5.1 Walzen, Pressen, Schmieden Stahl wird aus Erzen verschiedener Herkunft, Schrott und Zuschlagstoffen in verschiedenen Verfahren hergestellt. Daraus ergeben sich unterschiede in der Zusammensetzung und in den Festigkeitskennwerten je Charge. Bei kritischen Prozessen, wie z.b. Hochtemperaturbereich, ist darauf Rücksicht zu nehmen. Durch Walzen werden Bleche, Rohre und Profilstähle hergestellt, deren Toleranzen in den DIN-Normen fixiert sind. Die ausgeprägte Faserrichtung bewirkt Unterschiede der Festigkeitskennwerte in Längs- und Querrichtung (Anisotropie). Das Pressen/Tiefziehen dient im Bereich hauptsächlich dem 3- dimensionalen Umformen von Blechen bei Böden, Kegel- und Kugelschalen sowie ausgehalsten Formteilen. 5.2 Schneiden (s. BEI_Schneiden) Verfahren: - Scheren - Brennschneiden - Plasmaschneiden - Laserschneiden Scheren Mechanische Trennung zwischen einem festen Unter- und beweglichen und schräg gestellten Obermesser (bis ca. 20mm Blechdicke). Seite 43

44 5.2.2 Brennschneiden Beim Brennschneiden wird Material durch eine Brennerflamme auf Weißglut erhitzt und durch Zuhalten von O 2 unter Druck verbrannt und aus der Schweißzone geschleudert. (Dicken bis ca. 2m bei Freiformschneiden). Es wird üblicherweise nur bei C-Stählen verwendet. Bei hochlegierten Stählen kommen folgende Brennschneideverfahren in Frage: - Pulverbrennschneiden (Powdercat-Verfahren): Zuführen von Eisenpulver mit Pressluft zur Erhöhung der Temperatur an der Schnittstelle durch Verbrennung des Eisenpulvers (Blechdicken bis zu mehreren 100mm) - Cinoxverfahren: Verwendung von Quarzpulver statt Eisenpulver zur mechanischen Entfernung von Schlacken (Blechdicken bis zu 250mm). Nachteile beider Verfahren: - Erforderliche Nacharbeit der Schnittkanten - Beeinträchtigung der Korrosionsbeständigkeit Plasmaschneiden Bei diesem Verfahren handelt es sich nicht um einen Verbrennungsvorgang, sondern ein Aufschmelzen des Werkstoffs durch den Plasmastrahl (Temperatur bis ca C) und Herausblasen aus der Trennfuge. Das Verfahren eignet sich praktisch für alle stromleitenden Werkstoffe, insbesondere für hochlegierte Stähle, Al und Blechdicken bis etwa 170mm Laserschneiden Ein Gasgemisch aus Helium, Stickstoff und CO 2, wird in einem Resonator eingesetzt und dort ionisiert. Die durch eine Öffnung austretenden Strahlen werden in einer Schneidlinse zum Laserstrahl fokussiert. Dabei entsteht eine sehr hohe Energiedichte, die das Material in einem eng begrenzten Bereich aufschmilzt. Durch zusätzliches Seite 44

45 Blasen von O2 in die Schnittfuge wird der Stahl verbrannt und aus der Fuge geschleudert. Vorteile: - schmale Schnittfuge - geringe Wärmebeeinflusste Zone - geräuscharm Nachteile: - teure Anlagen - geringere Schnittgeschwindigkeiten als das Autogenschneiden bei einer Blechdicke > 5 mm 5.3 Biegen Abkanten Das Abkanten (Anbiegen der Blechenden) erfolgt vor dem Biegen der Schüsse von Apparatemänteln auf Abkantpressen, die ähnlich wir Scheren arbeiten Biegen (s. BEI_Biegen) Das Biegen erfolgt mit Hilfe von 3 Walzen im Ständer, deren obere schwenkbar gelagert ist. Das Biegen von Kegelstümpfen kann ggf. mit Übung durch Schrägstellen der Walzen erfolgen. Der Biegeradius wird durch den Walzenabstand beeinflusst. Seite 45

46 5.4 Schweißen Schweißnahtvorbereitung Die Schweißnahtformen sind in DIN 1912 (zeichnerisch) und DIN 8551 (ausführungsgemäß) genormt. Üblich sind für Stumpfstöße V-, Y-, KV- und HV-Nähte, da sie sich durch Brennschneiden herstellen lassen. Bei hoch beanspruchten Apparaten bzw. rissempfindlichen Werkstoffen sind sie zusätzlich zu schleifen und einer Oberflächenrissprüfung zu unterziehen. Bei größeren Unterschieden der Wanddicken, z.b. zwischen Boden und Mantel, ist durch Anschrägungen des dickeren Blechs ein sanfter Übergang zu schaffen (s. DIN 8563 und AD HP 5/1) Schweißverfahren Man unterscheidet: 1. Pressschweißen - Abbrennschweißen - Widerstandspunkt- oder Rollnahtschweißung - Walzplattieren - Sprengplattieren 2. Schmelzschweißen - Gasschmelzschweißen (Autogenschweißen) - offenes Lichtbogenschweißen - Uz-Schweißen - Schutzgasschweißen WiG-Verfahren MIG/MAG-Verfahren Seite 46

47 - Plasmaschweißen - Elektronenstrahlschweißen 3. Besondere Schweißverfahren - Engspaltschweißen - Auftragsschweißen/Schweißplattieren - Schweißen plattierter Bleche 5.5 Wärmebehandlung Vorwärmen Das Vorwärmen ist bei vielen Werkstoffen, insbesondere bei großen Wanddicken, notwendig, um Schweißeigenspannungen zu vermindern, die Vorwärmtemperaturen liegen üblicherweise zwischen 80 bis 200, manchmal bis 400 C. Die Vorwärmung erfolgt üblicherweise durch Gas-Ring-Brenner und muss während des gesamten Schweißvorganges aufrechterhalten und überprüft werden (z. B. mit Thermokreide.) Spannungsarmglühen Das Spannungsarmglühen dient dem Abbauen der Schweißeigenspannungen. Es findet im Bereich zwischen 500 und 600 C statt (bei Vergütungsstählen mindestens 30 C unter der Anlasstemperatur). Das Spannungsarmglühen ist auch nach größeren Kaltverformungen durchzuführen. Zum Spannungsarmglühen werden hochbeanspruchte Druckbehälter komplett in besonderen Glühöfen geglüht. Bei zu großen Abmessungen muss manchmal das Glühen, z. B. auf das Induktivglühen einzelner Partien, beschränkt werden. Seite 47

48 Austenitische Stähle Erwärmung auf über 950 C (Bereich des Diffusionsglühens), verbunden mit schneller Abkühlung. Achtung: bei langsamer Erwärmung auf Temperaturen von C tritt die so genannte Sigma-Phasenversprödung auf (Mischkristallbildung). Ferritische Stähle Erwärmung auf ca. 680 C, verbunden mit schneller Abkühlung im Bereich von 475 C (475 - Versprödung). Diese Versprödung tritt bei allen Cr-Stählen mit mehr als 15 % Cr-Gehalt auf. 5.6 Prüfung Die Prüfung von Druckbehältern generell ist in den AD-Merkblättern der Reihe HP geregelt. Die speziellen Anforderungen, die sich aus dem Betrieb des Apparates in einer Anlage ergeben, werden in der technischen Spezifikation des Apparates niedergelegt. Diese Anforderungen sind stets weitergehend als in den offiziellen Regelwerken (DIN, AD). Je enger die zul. Toleranzen gewählt werden, desto größer ist die Gefahr von Ausschuss und desto umfangreicher und aufwendiger müssen die Prüfungen sein. Die Kosten können dadurch erheblich steigen. So kann z. B. bei der US-Prüfung von Blechen nach SEL die Wahl der Prüfklasse bzw. des Prüfrasters die Materialkosten insbesondere bei größeren Blechdicken um 20 bis 100 % und darüber ansteigen lassen Vorprüfung (konstruktive Ausführung und Festigkeitsberechnung) Die Vorprüfung der Konstruktionszeichnungen sowie der schweißtechnischen Details erfolgt bei Druckbehältern durch den TÜV. Zu diesem Zweck reicht der Apparateher- Seite 48

49 steller seine Konstruktionszeichnungen mit Fertigungshinweisen beim TÜV ein. Dieser prüft mit üblicherweise eigenen Berechnungen die Auslegung und die vorgesehene Ausführung des Druckbehälters. Wenn keine Bedenken bestehen, werden die Unterlagen für die Fertigung freigegeben. Erst jetzt dürfte der Apparatehersteller mit der Fertigung beginnen. Aus Terminzwängen beginnt er allerdings vielfach wesentlich früher, was jedoch auf eigenes Risiko (z. B. bei Auslegungsmängeln) geht Werkstoffe Anforderungen und Prüfungen sind in den AD-Merkblättern der Reihe W geregelt. Werkstoffe sind in der Regel vom Rohmaterialhersteller mit einem Prüfzeugnis entsprechend DIN EN versehen Fertigung Für die Fertigung der Druckbehältern und Druckbehälterteilen sind nur solche Firmen zugelassen, die die so genannte HP O-Zulassung besitzen. Dazu gehören auch die Verfahrensprüfungen für die Schweißungen (s. AD-HO 2/1), die Regeln für die zur Druckbehälterschweißung zugelassenen Schweißer und die erforderliche Schweißaufsicht (s. AD-HP 3). Während der Fertigung müssen laufend die Maße gemäß den Ausführungsunterlagen sowie die Schweißnähte und die Wärmebehandlung geprüft werden. Die Überwachung ( Bauprüfung ) erfolgt durch: - den Werkssachverständigen - den TÜV - das Ingenieurbüro - den Betreiber Seite 49

50 Zulässige Maßabweichungen: s. DIN 28005/6/7. Prüfungsumfang und Fertigungstoleranzen: s. AD-HP-Reihe und DIN 8524 bis 8570, speziell Da die Schweißnahtbereiche zu den kritischen Stellen der fertigung zählen, ist der Schweißnahtprüfung stets besonders Beachtung zu schenken Druckprüfung Die Druckprüfung (s. AD-HP 30) erfolgt durch den TÜV nach Fertigstellung des Apparates, aber vor Aufbringen des Korrosionsschutzes (Schweißnähte müssen sichtbar sein). Die Druckprobe wird üblicherweise mit Wasser bei 1,3-fachem zulässigem Betriebsdruck durchgeführt. Die Druckprüfung des Druckbehälters erfolgt durch den Hersteller im Beisein des TÜV-Sachverständigen und ggf. weiterer Sachkundiger. Nach erfolgreicher Abnahme eines Druckbehälters wird das Fabrikschild vom TÜV abgestempelt Bescheinigung über Bau- und Druckprüfung Über seine durchgeführten Prüfungen wird vom TÜV ein Bericht erstellt, der u. a. folgende Prüfungen beinhaltet (s. auch AD-HP 20): - Vorprüfung - Werkstoffprüfung - Bauprüfung - Schweißprüfungen - Wärmebehandlung - Druckprobe Sind vom Auftraggeber weitere Prüfungen verlangt, so werden diese ebenfalls mit aufgenommen. Seite 50

51 5.7 Korrosionsschutz Nach Abnahme des Behälters erfolgt das Aufbringen des Korrosionsschutzes, je nach den Erfordernissen, üblicherweise nur auf der Außenseite. Zu diesem Zweck müssen die Apparate zuerst gereinigt werden (s. a. VDI / VDE 240): - nicht rostender Stahl: Beizen oder Strahlen mit Glaskugeln ( μm Durchmesser) - un- und niedrig legierter Stahl: Strahlen mit Quarzsand u. ä. Das Beizen erfolgt werkstoffabhängig. Eine übliche Beizlösung für den austenitischen Stahl ist z. B.: Salpetersäure (HNO3) 8,0 Vol. % Flusssäure (HF) 1,5 Vol. % Wasser (H2O) 90,5 Vol. % (möglichst chloridfrei) Nach dem Beizen ist der Apparat mit Frischwasser zu spülen, bis auch in Spalten keine Säure mehr nachgewiesen werden kann. Das früher vielfach propagierte Neutralisieren (z. B. mit alkalischer Sodalösung) kann bei CI-freien Beizlösungen entfallen, ebenso das erneute Passivieren der Oberfläche mit verdünnter Salpetersäure, da die Passivierung bereits mit dem Luftsauerstoff und dem Frischwasser erfolgt. Durch das Beizen wird die Oberfläche von Fremdrost und Anlauffarben (vom Schweißen) befreit. Während nicht rostende Stähle üblicherweise kein Korrosionsschutzbeschichtung erhalten, erhalten Apparate aus rostanfälligem Material beim Hersteller unmittelbar nach dem Strahlen eine ein- oder zweifache Grundbeschichtung (DIN EN ISO bis 8), die den Betriebsbedingungen anzupassen ist. Flanschdichtflächen erhalten keine Grundbeschichtung, höchstens eine temporäre Beschichtung mit einem wachsartigen Konservierungsmittel. (Die Deckbeschichtung erfolgt erst auf der Seite 51