Fachübersicht
Das Modul führt den Ermüdungsnachweis für Kugelschalen unter Wechselbeanspruchung nach TRD 303 Anlage 1. Aus den Druck- und Temperaturzyklen des Betriebs — minimaler und maximaler Zyklusdruck, minimale und maximale Zyklustemperatur sowie die Temperaturdifferenzen beim An- und Abfahren — wird die zulässige Lastwechselzahl bis zum technischen Anriss bestimmt. Formzahlen für Wärmespannungen und für den Lochrand von Ausschnitten erfassen dabei die örtliche Spannungserhöhung.
Der Nachweis ist immer dann erforderlich, wenn ein Dampfkesselbauteil nicht überwiegend statisch, sondern zyklisch gefahren wird: häufige An- und Abfahrvorgänge, Lastwechselbetrieb oder Gleitdruckfahrweise erzeugen wechselnde Druck- und Wärmespannungen, die die Lebensdauer begrenzen. Werkstoffseitig gehen Streckgrenze, Zugfestigkeit, Elastizitätsmodul, Wärmeausdehnungskoeffizient und Temperaturleitfähigkeit ein; für wasserberührte Bauteile wird der Korrosionseinfluss auf die Anrisskennlinie berücksichtigt.
Die TRD wurden zum Jahresende 2012 zurückgezogen. Für die Lebensdauerbewertung von Bestandskesseln bleibt TRD 303 Anlage 1 jedoch das vertraute Referenzverfahren; bei Neuauslegungen übernehmen EN 12952-3 (Ermüdungsnachweis) und EN 12952-4 (betriebsbegleitende Lebensdauerüberwachung) diese Aufgabe.
Anwendungsbereich
- Kugelschalen unter Wechselbeanspruchung
Typischer Arbeitsablauf
Lastzyklen definieren
Aus dem Betriebsprofil werden minimaler und maximaler Zyklusdruck sowie die zugehörigen Zyklustemperaturen festgelegt. Die maßgebende Zyklustemperatur bestimmt, mit welchen Werkstoffkennwerten gerechnet wird; die Temperaturdifferenzen beim Anfahren (negativ) und Abfahren (positiv) beschreiben die instationären Wärmespannungsanteile.
Geometrie und Werkstoffkennwerte erfassen
Aus Außen- und Innendurchmesser folgt der mittlere Durchmesser der Kugelschale; die Berechnungswanddicke ergibt sich abzüglich der Zuschläge für Wanddickenunterschreitung und Korrosion. Werkstoffseitig werden Streckgrenze bei 20 °C und bei maßgebender Zyklustemperatur, Zugfestigkeit, Elastizitätsmodul, Querdehnzahl, Wärmeausdehnungskoeffizient und Temperaturleitfähigkeit benötigt.
Spannungsschwingbreite ermitteln
Die druckinduzierte Membranspannungsschwingbreite wird mit dem Formfaktor der Kugelschale und der Formzahl am Lochrand von Ausschnitten überhöht. Die thermischen Spannungsanteile aus den An- und Abfahr-Temperaturdifferenzen werden über die Formzahl für Wärmespannungen erfasst und mit den Druckanteilen überlagert.
Zulässige Lastwechselzahl bestimmen
Mit der maßgebenden Spannungsschwingbreite wird die Anriss-Lastwechselzahl aus den Anrisskennlinien abgelesen, wobei zwischen wasserberührten und nicht wasserberührten Oberflächen unterschieden wird. Sicherheitsbeiwerte auf Lastwechselzahl bzw. Spannungsschwingbreite liefern die zulässige Lastwechselzahl; abschließend wird geprüft, ob die Bedingungen des Nachweises erfüllt sind.
Häufige Fragen
Wann genügt der statische Nachweis nach TRD 303 und wann ist Anlage 1 erforderlich?
Die TRD sehen eine vereinfachte Abgrenzung über die Zahl und Schwingbreite der zu erwartenden Druck- und Temperaturzyklen vor. Bei überwiegend ruhender Beanspruchung — seltene An- und Abfahrten, geringe Druckschwankungen — genügt der Festigkeitsnachweis der TRD 303. Bei Lastwechselbetrieb, Gleitdruckfahrweise oder häufigen Anfahrvorgängen muss die Wechselbeanspruchung nach Anlage 1 quantifiziert werden.
Warum wird unterschieden, ob das Bauteil wasserberührt ist?
Auf wasser- bzw. dampfberührten Oberflächen wirkt das Medium korrosiv auf entstehende Mikrorisse (Schwingungsrisskorrosion in Verbindung mit der Magnetitschutzschicht). Die Anrisskennlinien für wasserberührte Bauteile liegen daher deutlich unter denen an Luft, insbesondere bei hohen Lastwechselzahlen. Die falsche Zuordnung führt zu einer erheblichen Überschätzung der zulässigen Zyklen.
Was bedeutet die Anriss-Lastwechselzahl im Unterschied zur Bruchlastwechselzahl?
Das Verfahren bewertet die Zyklenzahl bis zum technischen Anriss an der höchstbeanspruchten Stelle, meist am Lochrand eines Ausschnitts. Ein Anriss bedeutet noch kein Versagen des Bauteils, ist aber das Kriterium, ab dem verstärkte wiederkehrende Prüfungen bzw. Maßnahmen erforderlich werden. Sicherheitsbeiwerte auf Zyklenzahl und Schwingbreite decken die Streuung der Kennlinien ab.
Welche Rolle spielen die Temperaturdifferenzen beim An- und Abfahren?
Beim Anfahren ist die Innenoberfläche wärmer als die mittlere Wand, es entstehen Druckeigenspannungen (negative Temperaturdifferenz); beim Abfahren kehrt sich das Vorzeichen um. Diese Wärmespannungen überlagern sich den Druckspannungen und können die Gesamtschwingbreite dominieren. Die zulässigen Temperaturänderungsgeschwindigkeiten eines Kessels leiten sich direkt aus diesem Nachweis ab.
Technische Inhaltsbasis: LV-Solved-Problems-Content 628d313247e7