TÜV NORD DIALOGTAGE 2018 Thema: Standsicherheitsnachweis für Behälter mit Stutzenlasten U. Klinger, TÜV NORD Systems GmbH & Co. KG
THEMENGEBIET ENTWURFSPRÜFUNG STANDSICHERHEITSNACHWEIS FÜR BEHÄLTER MIT STUTZENLASTEN Meilensteine in Regelwerken für Druckgeräte Relevante Stutzenlasten und erforderliche Angaben Erforderliche Nachweise Stutzenlasten & Standsicherheit (EN 13445 und AD 2000) Unterscheidung von Stutzenlasten Globaler Standsicherheitsnachweis (AD 2000-S3/0) Empfehlungen (Berechnung von Stutzenlasten und Tragösen) 2
Meilensteine in Regelwerken für Druckgeräte Lastwechselberechnung Kap. 17, 18 EN 13445-3, AD 2000-S1/-S2 Standsicherheitsnachweise Kap. 16 EN 13445, AD 2000-S3/ Finite-Element-Methoden DGRL & Erstausgabe der EN 13445 etc. (Entwicklung von ASME Division VIII-2) Globaler Standsicherheitsnachweis - VCI-Leitfaden von 10/2012 - Entwurf AD 2000-S3/0 von 12/2015 3
Auswirkung von Stutzenlasten auf Behälter Rohrleitungsanschlusslasten müssen mit den zulässigen Stutzenlasten des Behälters abgeglichen werden! Stutzenlasten wirken auch auf die Sattellager! globaler Standsicherheitsnachweis 4
Wann sind Rohrleitungslasten relevant? Typ B Typ C Typ C: Detaillierte Rohrsystemberechnung Typ A Typ B Typ B: Visuelle Prüfung durch Stress-Berechner Typ A: Rohrleitungskonstrukteur 5
Angabe von Stutzenlasten Jede Rohrleitung hat Anschlusslasten, die auf Stutzen von Behältern, Pumpen etc. und deren Flansche wirken. Bei - kleinen Nennweiten ( DN 50), - kaltgehenden (bis ca. 150 C) und - weich verlegten Rohrleitungen (mit vielen Rohrbögen) sind Anschlusslasten oft nicht relevant. 6 F ax. F y F z M t M b y M b z Axialkraft Querkraft Querkraft Torsion Biegung Biegung 1500 N 2000 N 2000 N 500 Nm ±1200 Nm 1200 Nm Vorzeichen?
Standardlasten (Planzahlen) 100 C 200 C 300 C 400 C nur 1 Kraft & 2 Momente ( mit der größten Schädigungswirkung) 7
Stutzengröße DN 300, PN 10 Angabe von Stutzenlasten Kräfte und Momente an Stutzen in Zylindern 3 Kräfte 3 Momente F 1 [N] F 2 [N] F 3 [N] M 1 [Nm] M 2 [Nm] M 3 [Nm] 14.000 14.000 10.000 13.000 9.000 11.000 Axialkraft Querkräfte Torsion Längs- und Querrichtung LWN-Stutzen Long Welding Neck mögliche Bezugspunkte für Stutzenlasten 8
Nachweise am Stutzen Kehlnaht Verstärkungsscheibe Stutzeneinschweißung D a 4 3 s Scheibenbreite ca. bb = DD aa ss 2 1 Flansch und Schrauben (Dichtung) dünner Flanschansatz äußere Kräfte & Momente (z.b. Wärmedehnung, Gewicht, Wind, Erdbeben, Rückstoß von Ventilen ) kritischer Querschnitt 9
EN 13445-3 Korrodierter und nicht korrodierter Behälter mit Lasten (s. Nr. 22.4.2). Stutzenlasten an Behältern Nachweis mit 90 % Innendruck oder 70 % Windlast (< 12 Monate) bzw. 60 % Windlast (max. 3 Tage) (s. Tab. 22-1 EN 13445-3, Fußnote 4 Tafel 2, AD 2000-S3/0). Stutzenlasten: Berücksichtigung der Lasten ist die Verantwortung des Konstrukteurs (s. Nr. 22.4.6). Nur horizontale und vertikale Reaktionskräfte sind zu berücksichtigen, Biegemomente sollten vernachlässigt werden (s. Nr. 22.4.6). (Empfehlungen und Regeln in Kapitel 22, 9 Seiten, Behälter auf Standzarge) innere Belastungen : äußere Belastungen : lokale Lasten ohne Einfluss auf das globale Gleichgewicht des Druckgerätes (selbstausgleichend) (das Gegenteil) Lokale und globale Elastizität des Behälters berücksichtigen (s. Nr. 22.4.6). Gewichte von Rohren mit Ø Stutzen 4 % Ø Behälter dürfen vernachlässigt werden (s. Nr. 22.4.2). Angeschlossene Rohrleitungen können sichern oder belasten (s. Nr. 22.2.6). Dies ist abhängig vom Gesamtverhalten der Säule (z.b. Eigenfrequenz; s. Nr. 22.4.6) Es muss nicht angenommen werden, dass alle Horizontalkräfte in dieselbe Richtung wirken (s. Nr. 2.2.4.6). 10
AD 2000 Stutzenlasten an Behältern Statische Zusatzkräfte sind ( ) anzugeben, wenn dadurch die Beanspruchung der Behälterwand um mehr als 5 % erhöht wird ( ) (s. Nr. 4.5 in AD 2000-B0). Nachweisverfahren für Stutzenlasten nach AD 2000-S3/6: PD 5500, WRC 107, WRC 297, KTA 3211.2 Problem: Geltungsbereiche, zusätzliche Lastwechsel oder Zeitstandbereich Stutzenlasten bei DN 50 können beim Standsicherheitsnachweis vernachlässigt werden (s. Nr. 4.1.4.10, AD-S3/0). Wind & Schnee: Abminderung auf 90 % (außer in Kombination mit Gewicht/Druck/Temperatur; s. Fußnote 4 Tafel 2, AD 2000-S3/0) Erdbeben: Plastische Verformung von Behälter und Auflager ist zulässig (aber nicht an den Ankerschrauben; s. Nr. 4.3.4.3 in AD 2000-S3/0). Stutzenlasten sind (falls relevant) auch bei Prüf- oder Montagelastfällen zu berücksichtigen (s. Fußnote 5 Tafel 2, AD 2000-S3/0). 11
AD 2000 Unterscheidung von Stutzen 1. Ohne Lasten (z.b. Mannloch, Mess-/Probenahmestutzen) s. Nr. 4.1.4.10.1 in AD-S3/0 2. Stutzen nach HP 100 R (Flexibilitätsnomogramm, Stützweitentabelle) s. Nr. 1 in AD-S3/6 10 % höherer Berechnungsdruck für Stutzen und >DN 600-Flansche. Kein globaler Standsicherheitsnachweis (s. Nr. 4.1.4.10.2 in AD-S3/0). 3. Standardlasten nach Tabellen (Planzahlenverfahren) Die ungünstigste Wirkrichtung (+/-) der Lasten aller Stutzen annehmen! (s. Nr. 4.1.4.10.3 und Nr. 5.3 Anh. 2 in AD-S-3/0). Quadratische Überlagerung der Lasten aller Stutzen Anzahl Stutzen Abminderungsfaktor 1 αα = 100 % 2 αα = 90 % 3 αα = 80 % 4 αα = 70 % 12
Addition von Kräften Quadratische Überlagerung von Kräften F 3 Satz von Pythagoras F 2 F 3 F 2 F 1 F 1 42 % Abminderung bei 3 gleich großen Lasten 13
M 2 M 3 M 4 Standardlasten nach Tabellen (Planzahlenverfahren) M 1 M1 -M 7 M 7 M 6 M 5 14
AD 2000 Unterscheidung von Stutzen 4. Stutzen mit realen Lasten und bekannter Wirkrichtung Stutzenlasten wurden - durch eine Rohrleitungsberechnung ermittelt, - sind von einem Rührwerk bekannt (max. Anfahrmoment aus der Getriebe-Übersetzung, außermittiger Motor/Getriebe), - Gewicht einer angeflanschten Armatur. Reale Lasten sind bei Stutzen, Flanschen und Tragelementen zu berücksichtigen. 15
Globaler Standsicherheitsnachweis Min./max. betriebliches Gesamtgewicht, Ein-, Anbauten, evtl. Füllungen, Ausmauerungen Windlast, Stutzenlasten addieren und auf die Tragpratzenebene transformieren (für alle Lastfälle). Schneelast, Verkehrslasten Erdbeben etc. Tragpratzenebene 16
Diese Lasten können Regelwerke berücksichtigen 16.8 EN 13445-3 AD 2000-S3/2 Gewichtskraft leer/voll 16.12 EN 13445-3 AD 2000-S3/1 leer/voll Axialkräfte & Biegemoment Schweißnaht Sattellagerung Standzarge Ausschnitte Fußring Ankerschrauben, Fundamentlasten Für diese Lasten wäre ein finite-element-nachweis erforderlich Vakuum 17
Maßgebende Last: Längskraft Ein Nachweis bei Vakuum ist möglich (s. Nr. 16.8.6.2 EN 13445-3) bei 2 Sätteln: αα = 1 (s. Nr. 5.3 Anh. 2 AD-S3/0) Das feste Sattellager trägt Längskräfte allein Für diese Lasten wäre ein finite-element- Nachweis erforderlich. 18 Festlager Sattellagerung Gleitlager
Gewichtskraft, Momente, Horizontalkraft Gewichtskraft, Momente 16.11 EN 13445-3 AD 2000-S3/3 leer/voll leer/voll Viele Geometriebedingungen 16.10 EN 13445-3 AD 2000-S3/4 nur für Rohrfüße Vakuum Vakuum Ø d F = 0,7-0,8 D a Füße 19 Tragpratzen
Gewichtskraft, Momente Gewichtskraft, Momente leer/voll Tragring leer/voll Ringträger Vakuum Vakuum 16.13 EN 13445-3 AD 2000-S3/5 16.13 EN 13445-3 AD 2000-S3/5 20
Liegende Behälter mit Ringlagerung Äußerer Ring - mit Füßen - Innenliegender Ring - Sattellager - Äußerer Ring - Sattellager - Nr. 16.9 EN 13445-3 Äußerer Ring - Aufhängung - 21
Empfehlung für die Vordimensionierung von Stutzen mit Innendruck, Axialkraft und Biegemomenten PD 5500: Stutzenlastenberechnung incl. Verstärkungsscheibe s. Nr. G.2.5 (Stutzen in Kugeln) oder Nr. G.2.3.5 (Stutzen in Zylindern) in British Standard PD 5500 DIMy-Modul Nr. 42 DIMy-Modul Nr. 41 EN 13445-3: Stutzenlastenberechnung (incl. Verstärkungsscheibe und Wärmespannungen) s. Nr. 16.4 (Stutzen in Kugeln) oder Nr. 16.5 (Stutzen in Zylindern) in EN 13445-3 DIMy-Modul Nr. 132 DIMy-Modul Nr. 133 Tangentiale oder schräge Stutzen in Zylindern und Stutzen im Krempenbereich gewölbter Böden können nur mit finite-element-modellen nachgewiesen werden. 22
Nachweis von Tragösen nach EN 13445-3 an Zylindern, Kugeln, Kegeln, Böden mit/ohne Verstärkungsblech s. Nr. 16.6 / 16.7 in EN 13445-3, DIMy-Modul Nr. 134 Gesonderter Nachweis für das Ösenblech erforderlich. 23
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Uwe Klinger TÜV NORD Systems GmbH & Co. KG Technikzentrum Abt. Entwurfsprüfung Festigkeit und Konstruktion Große Bahnstr. 31 22525 Hamburg Tel.: +49 40 8557-2870 E-Mail: uklinger@tuev-nord.de entwurfspruefung@tuev-nord.de Kontaktdaten: