Fachübersicht
Das Modul berechnet Kugelschalen und gewölbte Böden unter Innen- und Außendruck nach TRD 303. Für den Innendruckfall wird aus Berechnungsdruck, Festigkeitskennwert, Sicherheitsbeiwert und Schweißnahtfaktor die erforderliche Wanddicke ermittelt; für den Außendruckfall werden der elastische Beuldruck und der zulässige Außendruck mit den zugehörigen Sicherheitsbeiwerten nachgewiesen. Zusätzlich deckt das Regelwerk Ausschnitte und Ausschnittverstärkungen ab, etwa Stutzen in Klöpper- oder Korbbogenböden sowie Mehrfachausschnitte.
Gebraucht wird die Berechnung im Dampfkesselbau: kugelförmige Schüsse, Halbkugelböden sowie gewölbte Böden von Wasser- und Großwasserraumkesseln müssen sowohl für den Betriebszustand als auch für den Probedruck nachgewiesen werden. Das Modul führt beide Lastfälle parallel und weist Zuschläge für Wanddickenunterschreitung sowie Korrosion und Abnutzung getrennt aus.
Die TRD 303 gehört zu den Technischen Regeln für Dampfkessel, die mit Ablauf des Jahres 2012 zurückgezogen wurden. Für Nachrechnungen, Umbauten und wiederkehrende Prüfungen von Bestandsanlagen bleibt sie in der Praxis weiterhin relevant; für Neuauslegungen treten die europäischen Normenreihen EN 12952 (Wasserrohrkessel) und EN 12953 (Großwasserraumkessel) an ihre Stelle.
Anwendungsbereich
- Kugelschalen und gewölbte Böden unter Innen- und Außendruck
Typischer Arbeitsablauf
Lastfälle und Temperaturen festlegen
Für Betrieb und Druckprüfung werden Berechnungsdruck und Probedruck angesetzt. Die Berechnungstemperatur ergibt sich aus der Betriebstemperatur zuzüglich eines Temperaturzuschlags, der die Beheizungsart des Bauteils berücksichtigt.
Werkstoffkennwerte und Sicherheiten bestimmen
Aus dem gewählten Werkstoff folgen die Festigkeitskennwerte für Betrieb und Prüfung bei den jeweiligen Temperaturen. Mit den Sicherheitsbeiwerten für beide Zustände ergibt sich die zulässige Spannung.
Erforderliche Wanddicke für Innendruck berechnen
Aus Außen- bzw. Innenradius der Kugelschale, Berechnungsdruck, zulässiger Spannung und Schweißnahtfaktor wird die rechnerische Wanddicke bestimmt. Zuschläge für Wanddickenunterschreitung sowie Korrosion und Abnutzung liefern die erforderliche Wanddicke mit Zuschlägen, die der ausgeführten Wanddicke gegenübergestellt wird.
Außendrucknachweis führen
Für außendruckbeanspruchte Kugelschalen und Böden wird der elastische Beuldruck aus Geometrie und Elastizitätsmodul berechnet. Mit den Sicherheitsbeiwerten gegen elastisches Einbeulen und plastisches Verformen folgt der zulässige Außendruck, der über dem Berechnungsdruck liegen muss.
Ausschnitte und Verstärkungen nachweisen
Stutzen und Öffnungen werden über das Flächenvergleichsverfahren nachgewiesen; bei Mehrfachausschnitten sind zusätzlich die Stegbreiten zwischen benachbarten Öffnungen zu prüfen. Verstärkungen können als Scheiben, verstärkte Stutzen oder erhöhte Grundwanddicke ausgeführt werden.
Häufige Fragen
Darf die TRD 303 heute noch für Neuauslegungen verwendet werden?
Nein. Die TRD wurden zum 31.12.2012 zurückgezogen. Neue Dampfkesselbauteile werden nach EN 12952-3 bzw. EN 12953-3 (in Verbindung mit der Druckgeräterichtlinie) ausgelegt. Die TRD 303 wird aber weiterhin für die Nachrechnung von Bestandskesseln, für Reparaturbewertungen und für den Abgleich alter Auslegungsunterlagen benötigt.
Warum werden Betriebs- und Prüfzustand getrennt gerechnet?
Beim Probedruck liegt zwar ein höherer Druck an, gleichzeitig gelten aber Raumtemperatur-Festigkeitswerte und ein kleinerer Sicherheitsbeiwert. Welcher Zustand die Wanddicke bestimmt, hängt vom Verhältnis der Festigkeitskennwerte bei Berechnungs- und Prüftemperatur ab. Das Modul weist beide Zustände aus, maßgebend ist der größere Wanddickenbedarf.
Was ist beim Außendrucknachweis der Unterschied zwischen Beulen und Verformen?
Gegen elastisches Einbeulen wird der elastische Beuldruck der Kugelschale mit einem hohen Sicherheitsbeiwert abgemindert, weil das Beulversagen empfindlich auf Formabweichungen reagiert. Zusätzlich wird das plastische Verformen über den Festigkeitskennwert mit eigenem Sicherheitsbeiwert begrenzt. Der zulässige Außendruck ist der kleinere Wert beider Nachweise.
Welche Zuschläge gehen in die erforderliche Wanddicke ein?
Der Zuschlag c1 deckt die zulässige Wanddickenunterschreitung des Halbzeugs ab (bei Blechen die Minustoleranz, bei Rohren häufig prozentual). Der Zuschlag c2 berücksichtigt Korrosion und Abnutzung; er kann bei korrosionsbeständiger Auslegung oder ausreichend dicken Wänden entfallen. Beide Zuschläge werden zur rechnerischen Wanddicke addiert, bevor mit der ausgeführten Wanddicke verglichen wird.
Rechenbeispiel
Für einen halbkugelförmigen Boden eines Dampferzeugers ist die erforderliche Wanddicke nach TRD 303 für den Betriebszustand zu ermitteln. Der Boden wird aus P265GH gefertigt und ist geschweißt.
Gegeben
| Außendurchmesser da | 2 000 mm |
|---|---|
| Berechnungsdruck p | 16 bar = 1,6 N/mm² |
| Berechnungstemperatur | 200 °C |
| Festigkeitskennwert K (P265GH, 200 °C) | 205 N/mm² |
| Sicherheitsbeiwert S | 1,5 |
| Schweißnahtfaktor v | 0,85 |
| Zuschlag c1 (Wanddickenunterschreitung) | 0,3 mm |
| Zuschlag c2 (Korrosion/Abnutzung) | 1,0 mm |
Lösungsweg
Zulässige Spannungsausnutzung bilden
Für die Kugelschale unter Innendruck gilt die Membranformel mit dem Außendurchmesser:
s = da · p / (4 · (K/S) · v + p)
Der Nenner ergibt sich zu 4 · (205/1,5) · 0,85 + 1,6 = 464,67 + 1,6 = 466,27 N/mm².
Rechnerische Wanddicke
s = 2 000 mm · 1,6 N/mm² / 466,27 N/mm² = 6,86 mm
Zuschläge addieren
serf = 6,86 + 0,3 + 1,0 = 8,16 mm
Gewählt wird die nächste verfügbare Blechdicke, z. B. 10 mm. Damit ist auch für den Probedruckzustand ausreichend Reserve vorhanden; dieser ist gesondert mit den Prüfkennwerten nachzuweisen.
Ergebnis
| Rechnerische Wanddicke | 6,86 mm |
|---|---|
| Erforderliche Wanddicke mit Zuschlägen | 8,16 mm |
| Ausgeführte Wanddicke | 10 mm |
Technische Inhaltsbasis: LV-Solved-Problems-Content 628d313247e7