Fachübersicht
Das Modul weist Zylinderschalen unter Außendruck nach TRD 306 nach. Typische Anwendungsfälle im Dampfkesselbau sind Flammrohre und andere rauchgasseitig beheizte, außendruckbeanspruchte Rohre und Schüsse: Der Wasserdruck wirkt hier von außen auf das Flammrohr, das gegen elastisches Einbeulen und plastisches Verformen nachzuweisen ist. Das Modul berechnet aus der ausgeführten Wanddicke die zulässigen äußeren Überdrücke für beide Versagensarten und vergleicht sie mit dem Betriebsüberdruck.
In den Beulnachweis gehen der äußere Durchmesser, die größte unversteifte Länge zwischen wirksamen Versteifungen, die Unrundheit der Schale sowie Elastizitätsmodul und Querkontraktionszahl des Werkstoffs ein. Der Verformungsnachweis stützt sich auf den Festigkeitskennwert bei Berechnungstemperatur mit eigenem Sicherheitsbeiwert; für Flammrohre wird ein zusätzlicher Temperaturzuschlag berücksichtigt. Versteifungen — etwa Wellrohre oder aufgesetzte Versteifungsringe — verkürzen die unversteifte Länge und erhöhen den zulässigen Beuldruck.
Die TRD wurden zum Jahresende 2012 zurückgezogen. Für die Nachrechnung bestehender Flammrohr- und Rauchrohrkessel bleibt die TRD 306 relevant; Neuauslegungen erfolgen nach EN 12953-3 (Großwasserraumkessel) bzw. EN 12952-3, die den Außendrucknachweis mit vergleichbaren Sicherheitskonzepten regeln.
Anwendungsbereich
- Zylinderschalen unter Außendruck
Typischer Arbeitsablauf
Betriebsbedingungen und Temperatur festlegen
Der Betriebsüberdruck wirkt als Außendruck auf die Schale. Die Berechnungstemperatur ergibt sich aus Betriebstemperatur und Temperaturzuschlag; bei Flammrohren kommt ein zusätzlicher Temperaturzuschlag für die Beheizung hinzu.
Geometrie und Imperfektionen erfassen
Maßgebend sind der äußere Durchmesser, die ausgeführte Wanddicke abzüglich der Zuschläge für Wanddickenunterschreitung und Korrosion sowie die größte unversteifte Länge zwischen Böden, Wellrohrabschnitten oder Versteifungsringen. Die gemessene bzw. zulässige Unrundheit geht als Imperfektion in den Nachweis ein.
Nachweis gegen elastisches Einbeulen
Mit Elastizitätsmodul, Querkontraktionszahl, Wanddicken-Durchmesser-Verhältnis und unversteifter Länge wird der elastische Beuldruck der Schale berechnet. Dividiert durch den Sicherheitsbeiwert gegen Beulen ergibt sich der zulässige äußere Überdruck für diese Versagensart.
Nachweis gegen plastisches Verformen
Parallel wird das plastische Verformen der unrunden Schale bewertet: Aus Festigkeitskennwert, Sicherheitsbeiwert gegen Verformen und Unrundheit folgt der zulässige äußere Überdruck für das Fließversagen.
Maßgebenden zulässigen Druck bestimmen
Der kleinere der beiden zulässigen Überdrücke (Beulen bzw. Verformen) muss über dem Betriebsüberdruck liegen. Reicht die Tragfähigkeit nicht aus, sind eine größere Wanddicke oder zusätzliche Versteifungen zur Verkürzung der unversteiften Länge vorzusehen.
Häufige Fragen
Warum ist die Unrundheit beim Außendrucknachweis so wichtig?
Unter Außendruck wirken schon kleine Formabweichungen als Anfangsimperfektion, die örtliche Biegespannungen erzeugt und den Verformungswiderstand deutlich reduziert. Die TRD 306 setzt die Unrundheit deshalb explizit im Nachweis gegen plastisches Verformen an. Bei der Nachrechnung von Bestandsanlagen sollte die tatsächlich gemessene Unrundheit verwendet werden, nicht der Neubauwert.
Wie wirken sich Versteifungen und Wellrohre aus?
Versteifungsringe und Wellungen unterteilen die Schale in kürzere unversteifte Längen. Da der elastische Beuldruck mit abnehmender unversteifter Länge stark ansteigt, lässt sich so bei gleicher Wanddicke ein deutlich höherer zulässiger Außendruck erreichen. Wellrohre erhöhen zudem die Flexibilität gegenüber Wärmedehnungen des Flammrohrs.
Warum gibt es zwei getrennte Sicherheitsbeiwerte?
Elastisches Beulen ist imperfektionsempfindlich und tritt schlagartig auf, deshalb wird der rechnerische Beuldruck mit einem hohen Sicherheitsbeiwert abgemindert. Das plastische Verformen ist gutmütiger und erhält einen kleineren Beiwert. Beide Nachweise sind unabhängig zu erfüllen; welcher maßgebend wird, hängt vom Schlankheitsgrad (Länge, Durchmesser, Wanddicke) ab.
Wofür steht der Temperaturzuschlag für Flammrohre?
Flammrohre sind rauchgasseitig hoch beheizt; die Wandtemperatur liegt deutlich über der Sattdampftemperatur des umgebenden Wassers. Der Temperaturzuschlag hebt die Berechnungstemperatur an, wodurch Festigkeitskennwert und Elastizitätsmodul mit realistischen, niedrigeren Werten angesetzt werden.
Technische Inhaltsbasis: LV-Solved-Problems-Content 628d313247e7