Fachübersicht
Dieses Modul führt die Ermüdungsberechnung (Fatigue Analysis) nach ASME BPVC Section VIII Division 2, Appendix 5, Paragraph 5-110 in der Ausgabe 2013 durch – dem klassischen wöhlerlinienbasierten Verfahren der „alten“ Division 2. Dieser Normteil ist zurückgezogen: Mit der Neustrukturierung der Division 2 im Jahr 2007 wurde die Ermüdungsbewertung in Part 5 (heute 5.5) überführt. Für Nachrechnungen, Lebensdauerbewertungen und Änderungen an Bestandsapparaten, die nach der alten Division 2 ausgelegt wurden, bleibt das Verfahren jedoch weiterhin relevant.
Das Modul ermittelt aus der Spannungsschwingbreite (Stress Intensity Range, Max Sij) die Amplitude der Spannungsintensität Salt, korrigiert sie über das Verhältnis des Kurven-E-Moduls zum vorhandenen E-Modul und liest die maximal zulässige Lastspielzahl aus der zutreffenden Design-Fatigue-Kurve der jeweiligen Materialgruppe ab. Zugfestigkeit und Streckgrenze bestimmen die Kurvenauswahl; Abfragen zum Schweißnahtabstand (kleiner 3-fache Wanddicke) und zur Bedingung (PL + Pb + Q) < 188 MPa steuern erforderliche Zusatzkorrekturen bei der Mittelspannungsberücksichtigung.
Eine Ermüdungsanalyse nach ASME VIII-2 berechnen muss man immer dann, wenn ein Apparat zyklisch belastet wird – An- und Abfahrvorgänge, Druck- und Temperaturwechsel, Chargenbetrieb – und die Screening-Kriterien für den Verzicht auf die Ermüdungsbewertung nicht erfüllt sind.
Anwendungsbereich
- Ermüdungsberechnung
Typischer Arbeitsablauf
Spannungsschwingbreite bestimmen
Aus der Spannungsanalyse der maßgebenden Lastwechsel (Superposition der Lastfälle) wird für jeden Zyklus die Spannungsschwingbreite als Maximum der Hauptspannungsdifferenzen Sij zwischen den Extremzuständen ermittelt.
Alternierende Spannungsintensität bilden
Die Amplitude der Spannungsintensität S_alt ergibt sich als halbe Schwingbreite. Spannungskonzentrationen an Kerben und Schweißnähten sind über Formzahlen bereits in der Spannungsanalyse zu erfassen; die Abfrage zum Schweißnahtabstand kleiner der dreifachen Wanddicke steuert die Behandlung benachbarter Nähte.
E-Modul-Korrektur anwenden
Da die Design-Fatigue-Kurven für einen festen Referenz-E-Modul gelten, wird die Eingangsspannung mit dem Verhältnis E_Kurve/E_vorhanden korrigiert: S_eingang = S_alt · E/E_vorh. Erst dieser Wert darf in die Kurve eingesetzt werden.
Fatigue-Kurve auswählen
Anhand von Materialgruppe, Zugfestigkeit und Streckgrenze wird die zutreffende Wöhlerkurve (Design Fatigue Curve) gewählt; bei hochfesten Werkstoffen und erfüllter Bedingung (PL + Pb + Q) < 188 MPa darf gegebenenfalls die günstigere Kurve ohne volle Mittelspannungskorrektur verwendet werden.
Zulässige Lastspielzahl ablesen und Schädigung bewerten
Aus der Kurve folgt die maximal zulässige Lastspielzahl N für die korrigierte Spannungsamplitude. Bei mehreren Zyklustypen wird die Teilschädigung n/N je Typ nach der linearen Schadensakkumulation (Miner-Regel) aufsummiert; die Summe muss kleiner oder gleich 1 bleiben.
Häufige Fragen
Warum ist dieses Verfahren zurückgezogen und was gilt heute?
Mit der Ausgabe 2007 wurde ASME VIII-2 vollständig neu strukturiert; die Ermüdungsbewertung des alten Appendix 5 ging in Part 5 (heute Abschnitt 5.5) auf, ergänzt um moderne Verfahren wie die Structural-Stress-Methode für Schweißnähte. Für Neuauslegungen ist die aktuelle Division 2 Part 5 zu verwenden. Das alte Appendix-5-Verfahren bleibt für die Nachrechnung von Bestandsapparaten maßgeblich, die nach der Vorgängerausgabe gebaut wurden.
Warum muss die Spannung mit dem E-Modul-Verhältnis korrigiert werden?
Die Design-Fatigue-Kurven wurden aus dehnungsgeregelten Versuchen abgeleitet und in Pseudo-Spannungen (Dehnung mal Referenz-E-Modul) aufgetragen. Rechnet man mit dem tatsächlichen, temperaturabhängigen E-Modul des Bauteils, muss die Amplitude mit E_Kurve/E_vorhanden skaliert werden, sonst wird die zulässige Lastspielzahl bei hohen Temperaturen überschätzt.
Enthalten die Fatigue-Kurven bereits Sicherheiten?
Ja. Die ASME-Design-Kurven liegen deutlich unter den Mittelwertkurven der Versuche: eingearbeitet sind Faktoren von 2 auf die Spannungsamplitude bzw. 20 auf die Lastspielzahl (je nachdem, was konservativer ist), die Streuung, Größeneinfluss und Oberflächen-/Umgebungseinflüsse abdecken. Zusätzliche pauschale Sicherheitsfaktoren sind daher nicht anzusetzen.
Welche Rolle spielt die Abfrage (PL + Pb + Q) < 188 MPa?
Diese Grenze entscheidet über die Behandlung der Mittelspannung bei bestimmten Werkstoffkurven: Bleibt die primär-plus-sekundäre Spannungsschwingbreite unter dem Grenzwert, tritt kein zyklisches Plastifizieren mit Mittelspannungsabbau auf, und es ist die Kurvenvariante mit Mittelspannungseinfluss (z. B. für hochfeste Schrauben-/Stahlkurven) zu verwenden. Eine falsche Beantwortung dieser Abfrage führt zu nicht konservativen Lebensdauern.
Technische Inhaltsbasis: LV-Solved-Problems-Content 628d313247e7