Fachübersicht
Das Modul TEM weist die Longitudinalspannungen (Axialspannungen) in Mantel und Rohren von Rohrbündelwärmeübertragern mit zwei festen Rohrböden nach TEMA (Ausgabe 1999) nach. Bei dieser Bauart sind Mantel und Rohrbündel über die Rohrböden starr gekoppelt: Betriebsdrücke und die unterschiedliche Wärmedehnung von Mantel und Rohren erzeugen axiale Zug- und Druckkräfte, die über Vergleichsdrücke nach RCB-7.161 bis RCB-7.164 erfasst und in Spannungen umgerechnet werden. Auf der Druckseite ist zusätzlich die Stabilität (Knicken der Rohre, Beulen des Mantels) über den Faktor A nach ASME UG-23 zu prüfen.
Das Verfahren nach TEMA 1999 ist zurückgezogen bzw. in dieser Form abgelöst: Für Neuauslegungen nach ASME Section VIII-1 ist heute die Rohrboden- und Längsspannungsberechnung nach Part UHX verbindlich, die die elastische Wechselwirkung des Systems Rohrboden–Rohrfeld–Mantel strenger abbildet. Das Modul bleibt dennoch relevant für die Nachrechnung von Bestandsapparaten, die nach TEMA 1999 ausgelegt und dokumentiert sind — etwa bei Reparaturen, Umbewertungen oder geänderten Betriebsbedingungen.
Typische Anwendung ist die Beantwortung der Frage, ob ein fester Rohrboden ohne Kompensator auskommt oder ob die axiale Zwangsbeanspruchung der Rohre und der Rohr-Rohrboden-Verbindung einen Kompensator im Mantel erfordert.
Anwendungsbereich
- Longitudinalspannungen
Typischer Arbeitsablauf
Betriebszustände definieren
Erfasst werden Betriebsdruck und -temperatur von Mantel- und Rohrseite sowie die Geometrie (Mantelaußendurchmesser, Mantelwanddicke, Rohrabmessungen). Neben dem Normalbetrieb sind An- und Abfahrzustände zu betrachten, in denen nur eine Seite unter Druck oder Temperatur steht.
Äquivalenten Ausdehnungsdruck bilden
Die thermische Längendifferenz zwischen Mantel und Rohren wird nach RCB-7.161 in den äquivalenten Ausdehnungsdruck umgerechnet; ein Kompensator geht über seine Federkonstante ein und reduziert diesen Anteil.
Vergleichsdrücke der Lastfälle berechnen
Nach RCB-7.163 und RCB-7.164 werden die Vergleichsdrücke gebildet, die die Kombinationen aus Mantel- und Rohrseitendruck sowie Ausdehnungsdruck zusammenfassen — einschließlich der Differenzgröße P1 = Pt − Pt'.
Axialspannungen ermitteln
Aus den Vergleichsdrücken folgen die Longitudinalspannungen im Mantel und in den Rohren für jeden Lastfall — als Zug oder Druck, je nach Vorzeichen der resultierenden Axialkraft.
Zulässige Werte gegenüberstellen
Zugspannungen werden gegen die zulässige Zugspannung bei Berechnungstemperatur geprüft; Druckspannungen gegen die zulässige Druckspannung, die über den Faktor A nach ASME UG-23 aus der Beul-/Knickstabilität folgt. Zusätzlich ist die Belastbarkeit der Rohr-Rohrboden-Verbindung (Auszugskraft der Einwalzung bzw. Schweißnaht) nachzuweisen.
Häufige Fragen
Warum können die Rohre axial auf Druck versagen, obwohl der Apparat unter Innendruck steht?
Die axiale Kraftrichtung in den Rohren folgt aus dem Zusammenspiel beider Drücke und der Differenzdehnung. Dehnt sich der Mantel stärker als die Rohre (heißer Mantel, kalte Rohre), werden die Rohre auf Zug gezogen; im umgekehrten Fall geraten sie unter Axialdruck. Da Wärmeübertragerrohre schlank sind, ist dann nicht die Fließgrenze, sondern das Knicken zwischen den Stützstellen maßgebend — deshalb die Begrenzung über die Stabilitätswerte nach UG-23 mit der freien Knicklänge zwischen den Umlenkblechen.
Was bedeutet 'Ersetzt durch UHX-Module' konkret?
ASME hat die TEMA-Längsspannungs- und Rohrbodenrechnung durch Part UHX in Section VIII-1 abgelöst, der auf der elastizitätstheoretischen Lösung der gelochten Platte mit elastischer Rohrfeld-Bettung basiert. Für neue Code-Apparate ist UHX zwingend; die TEMA-1999-Rechnung dieses Moduls dient der Nachrechnung von Bestandsapparaten im ursprünglichen Auslegungsregelwerk. Ergebnisse beider Verfahren können insbesondere bei dünnen Rohrböden und steifen Mänteln merklich abweichen.
Welcher Lastfall wird bei festen Rohrböden typischerweise maßgebend?
Häufig nicht der stationäre Volllastbetrieb, sondern ein instationärer Zustand: etwa Anfahren mit heißem Medium auf nur einer Seite, Abfahren oder der Druckprobenfall einer Seite bei kaltem Apparat. In diesen Zuständen fehlt die teilweise Kompensation der Anteile, und der äquivalente Ausdehnungsdruck bzw. die Differenz P1 = Pt − Pt' erreicht ihr Maximum. TEMA verlangt deshalb die systematische Untersuchung aller Kombinationen.
Wann hilft ein Kompensator — und was ist der Preis?
Ein Mantelkompensator senkt über seine geringe axiale Federsteifigkeit die Zwangskräfte aus Differenzdehnung oft um eine Größenordnung und entlastet Rohre, Rohrböden und die Rohr-Rohrboden-Verbindung. Nachteile: zusätzliches ermüdungsbeanspruchtes Bauteil mit begrenzter Lastspielzahl, Einschränkungen bei Druck (dünnwandige Bälge) und zusätzlicher Prüfaufwand. Alternativ lösen U-Rohr- oder Schwimmkopfbauarten das Problem konstruktiv, erschweren aber die rohrseitige Reinigung bzw. verteuern den Apparat.
Technische Inhaltsbasis: LV-Solved-Problems-Content 628d313247e7