Fachübersicht
Vor der Inbetriebnahme muss jeder Druckbehälter nach ASME BPVC Section VIII Division 1 einer Druckprüfung unterzogen werden – standardmäßig hydrostatisch nach UG-99, in begründeten Fällen pneumatisch nach UG-100. Dieses Modul berechnet den erforderlichen Prüfdruck und stellt ihn den Tragfähigkeiten der Bauteile nach UG-27 (Zylinder- und Kugelschalen), UG-32 (gewölbte Böden) und UG-34 (ebene Böden und Deckel) gegenüber.
Der hydrostatische Prüfdruck beträgt nach UG-99(b) mindestens das 1,3-Fache des maximal zulässigen Arbeitsdrucks (MAWP), multipliziert mit dem niedrigsten Verhältnis der zulässigen Spannung bei Prüftemperatur zur zulässigen Spannung bei Auslegungstemperatur (LSR, Lowest Stress Ratio). Bei der pneumatischen Prüfung nach UG-100 gilt der Faktor 1,1 mit demselben Spannungsverhältnis. Das Spannungsverhältnis stellt sicher, dass ein bei hoher Temperatur ausgelegter Behälter bei der kalten Prüfung tatsächlich entsprechend höher belastet wird.
Den Prüfdruck nach UG-99 berechnen muss der Hersteller für jede Neuabnahme, aber auch bei wiederkehrenden Prüfungen, nach Reparaturen und bei Re-Rating-Verfahren. Kritisch ist dabei stets die Gegenprüfung, ob alle Bauteile – einschließlich Flanschen und ebener Böden – den Prüfzustand ohne unzulässige Beanspruchung ertragen.
Typischer Arbeitsablauf
Prüfart festlegen
Standard ist die hydrostatische Prüfung nach UG-99 mit Wasser. Die pneumatische Prüfung nach UG-100 ist nur zulässig, wenn der Behälter nicht mit Flüssigkeit gefüllt werden kann (Traglast, Prozessgründe) oder Restfeuchte unzulässig ist – wegen der hohen gespeicherten Energie gelten dafür strengere Randbedingungen.
Maßgebenden Druck bestimmen
Basis des Prüfdrucks ist der MAWP des Behälters (oder ersatzweise der Auslegungsdruck). Er ergibt sich als kleinster zulässiger Druck aller Bauteile nach UG-27, UG-32 und UG-34 im korrodierten Zustand, bezogen auf den höchsten Punkt des Behälters.
Spannungsverhältnis LSR bilden
Für jedes drucktragende Bauteil wird das Verhältnis der zulässigen Spannung bei Prüftemperatur zur zulässigen Spannung bei Auslegungstemperatur gebildet; maßgebend ist der kleinste Wert (Lowest Stress Ratio). Bei Raumtemperaturauslegung ist das Verhältnis 1,0; bei Hochtemperaturauslegung deutlich größer.
Prüfdruck berechnen
Hydrostatisch gilt Pt = 1,3 · MAWP · LSR, pneumatisch Pt = 1,1 · MAWP · LSR, jeweils gemessen am höchsten Punkt; bei der hydrostatischen Prüfung ist zusätzlich der statische Höhendruck der Wassersäule für tiefer liegende Bauteile zu berücksichtigen.
Bauteile im Prüfzustand gegenprüfen
Das Modul prüft, ob Schalen, Böden und Deckel nach UG-27/UG-32/UG-34 den Prüfdruck ertragen: Die Membranspannung darf im Prüfzustand die dort üblichen Grenzen (typisch 90 % der Streckgrenze als Sichtgrenze für bleibende Verformung) nicht überschreiten; andernfalls ist der Prüfdruck zu begrenzen oder die Prüfung abschnittsweise zu planen.
Häufige Fragen
Warum wird der Prüfdruck mit dem Spannungsverhältnis multipliziert?
Ein für 350 °C ausgelegter Behälter nutzt bei Auslegungstemperatur eine reduzierte zulässige Spannung. Bei der kalten Druckprüfung ist der Werkstoff fester – würde man nur mit 1,3·MAWP prüfen, wäre die Prüfbeanspruchung relativ zur Kaltfestigkeit geringer als die Betriebsbeanspruchung relativ zur Warmfestigkeit. Das Verhältnis S_Prüftemperatur/S_Auslegungstemperatur gleicht das aus, sodass die Prüfung eine echte Überlastprobe darstellt.
Was ist der Unterschied zwischen MAWP und Auslegungsdruck als Prüfdruckbasis?
Der MAWP ist der höchste zulässige Druck am obersten Punkt im korrodierten Zustand – die eigentliche Tragfähigkeitsgrenze des schwächsten Bauteils. UG-99 erlaubt vereinfachend, den Auslegungsdruck als Basis zu nehmen, wenn der MAWP nicht berechnet wird. Wird der MAWP berechnet und liegt über dem Auslegungsdruck, ergibt er einen höheren Prüfdruck – relevant für spätere Re-Ratings, da der einmal gefahrene Prüfdruck das spätere Rating begrenzen kann.
Gibt es eine Obergrenze für den hydrostatischen Prüfdruck?
1,3·MAWP·LSR ist ein Mindestwert. Nach oben begrenzt UG-99(d) die Prüfung dadurch, dass keine sichtbare bleibende Verformung auftreten darf; als übliche Rechengrenze gilt, dass die Membranspannung im Prüfzustand 90 % der Streckgrenze nicht überschreiten soll. Flansche, ebene Böden und Dichtverbindungen sind häufig die begrenzenden Bauteile – deshalb prüft das Modul den Prüfzustand gegen UG-27, UG-32 und UG-34 gegen.
Wann ist eine pneumatische Prüfung nach UG-100 gerechtfertigt?
Nur wenn eine Wasserfüllung nicht praktikabel ist: Fundament oder Stützkonstruktion tragen das Füllgewicht nicht, der Prozess verträgt keine Restfeuchte (z. B. Sauerstoff-, Kälte- oder Katalysatoranlagen) oder der Behälter kann nicht entleert werden. Wegen der um Größenordnungen höheren gespeicherten Energie des Gases gelten der niedrigere Faktor 1,1, ein gestuftes Druckfahrprogramm und erweiterte Sicherheitsabstände; viele Betreiberspezifikationen verlangen zusätzlich eine Sprödbruchbewertung bei Prüftemperatur.
Rechenbeispiel
Für einen Behälter nach ASME VIII-1 mit Auslegungstemperatur 350 °C ist der hydrostatische Prüfdruck nach UG-99(b) zu bestimmen; zum Vergleich wird der pneumatische Prüfdruck nach UG-100 angegeben.
Gegeben
| MAWP (am höchsten Punkt, korrodiert) | 16,0 bar |
|---|---|
| Zulässige Spannung bei Prüftemperatur (Raumtemperatur) | 138 MPa |
| Zulässige Spannung bei Auslegungstemperatur (350 °C) | 118 MPa |
| Prüfmedium | Wasser (hydrostatisch) |
Lösungsweg
Spannungsverhältnis (LSR)
LSR = SPrüftemperatur / SAuslegungstemperatur = 138 / 118 = 1,169
(Maßgebend ist das kleinste Verhältnis aller drucktragenden Bauteile; hier vereinfachend ein Werkstoff.)
Hydrostatischer Prüfdruck nach UG-99(b)
Pt = 1,3 · MAWP · LSR = 1,3 · 16,0 · 1,169 = 24,3 bar
Für tiefer liegende Bauteile kommt der statische Druck der Wassersäule hinzu.
Vergleich: pneumatischer Prüfdruck nach UG-100
Pt,pneu = 1,1 · MAWP · LSR = 1,1 · 16,0 · 1,169 = 20,6 bar
Ergebnis
| Spannungsverhältnis LSR | 1,169 |
|---|---|
| Hydrostatischer Prüfdruck (Mindestwert) | 24,3 bar |
| Pneumatischer Prüfdruck (Mindestwert) | 20,6 bar |
Technische Inhaltsbasis: LV-Solved-Problems-Content 628d313247e7