Aufgabenstellung und Berechnungsziel
Das Modul KAP12 berechnet Rohre ohne Ausschnitte sowie Rohrböden nach Kapitel 12 der DIN EN 12953-3:2016, der Konstruktions- und Berechnungsnorm für die drucktragenden Teile von Großwasserraumkesseln. Es deckt damit zwei eng verwandte Bauteile des Rauchrohrkessels ab: die glatten Rauch- und Ankerrohre, die den Boden gleichzeitig durchdringen und verankern, und die von den Rohren durchsetzten Rohrböden mit ihren Lochfeldern.
In der Praxis braucht man den Nachweis bei jeder Auslegung oder Nachrechnung eines Dreizug- oder Rauchrohrkessels: Für die Rohre ist die erforderliche Wanddicke unter Druckbelastung zu bestimmen, wobei Rauchrohre vom Wasserraum her außendruckbelastet sind und zusätzlich als Anker Zugkräfte aus den ebenen Böden aufnehmen. Für den Rohrboden ist nachzuweisen, dass die durch das Lochfeld verschwächten Stege zwischen den Rohrbohrungen die Druck- und Ankerlasten sicher tragen.
Das Modul wertet die zugehörigen Gleichungen der DIN EN 12953-3 aus und liefert erforderliche Wanddicken, zulässige Belastungen und die Ausnutzung der einzelnen Nachweise, sodass sich Rohre und Rohrböden eines Großwasserraumkessels normgerecht berechnen und dokumentieren lassen.
So läuft die Berechnung ab
- Rohrgeometrie und Belastungsart festlegen: Für die Rohre werden Außendurchmesser, Wanddicke und die Belastungsrichtung erfasst: Siederohre und Rauchrohre stehen unter Außendruck vom Wasserraum, während zum Beispiel Überhitzerrohre unter Innendruck stehen können. Zusätzlich wird festgelegt, ob das Rohr als Ankerrohr Zugkräfte aus den Böden übernimmt.
- Berechnungsdruck, Temperatur und Werkstoff eingeben: Aus Berechnungsdruck und Berechnungstemperatur sowie dem Rohr- und Bodenwerkstoff bestimmt das Modul die zulässigen Berechnungsspannungen nach den Festigkeitsregeln der Norm, einschließlich der Zuschläge für Wanddickenunterschreitung und Korrosion.
- Erforderliche Rohrwanddicke ermitteln: Mit den Gleichungen des Kapitels 12 wird die erforderliche Wanddicke der Rohre ohne Ausschnitte berechnet beziehungsweise die vorhandene Wanddicke nachgewiesen; bei Ankerrohren wird die zusätzliche axiale Zugbeanspruchung aus der Verankerung der ebenen Böden berücksichtigt.
- Rohrboden im Lochfeld nachweisen: Für den Rohrboden wird die Tragfähigkeit der Stege zwischen den Rohrbohrungen bewertet: Aus Teilung und Bohrungsdurchmesser folgt die Verschwächung des Bodens, aus Druck- und Ankerlasten die Beanspruchung der Stege in den maßgebenden Richtungen.
- Rohr-Rohrboden-Verbindung und Grenzen prüfen: Abschließend werden die Anforderungen an die Verbindung zwischen Rohr und Rohrboden (eingeschweißt oder eingewalzt) und die geometrischen Anwendungsgrenzen des Kapitels kontrolliert, damit der Nachweis im Geltungsbereich der Norm bleibt.
Eingabegrößen
| Größe | Symbol | Einheit |
|---|---|---|
| load case | case | – |
| Type of componenet | componenet | – |
| Smoke tube | tube | – |
| Type of Boiler | Boiler | – |
| Subjected to heat transfer | transfer | – |
| Gas entery temperature | tG | – |
| Nominal wall thickness | e | mm |
| Heating by | by | – |
| Type of pressure | pressure | – |
| Calculation internal pressure | pc | MPa(p) |
| Calculation external pressure | pca | MPa(p) |
| Saturation temperature | ts | °C |
| Additional temperature | tz | °C |
| Calculation temperature | tc | °C |
| Bending Radius | R | mm |
| Outside diameter | do | mm |
| Geometric condition for do | do | – |
| Condition of R/do | R/do | – |
| Design factor intrados | Ci | - |
| Design factor extrados | Co | - |
| Ratio R/do | R/do | - |
| Nominal wall thickness | et | mm |
| Minimum thickness according to table 7 | eL | mm |
| Condition acc.to.table 7 | 7 | – |
Berechnungsoptionen
load case
operation · test
Type of componenet
Tube · Tube bends
Smoke tube
No · Yes
Type of Boiler
Low Pressure Boiler · High Pressure Boiler
Subjected to heat transfer
Yes · No
Gas entery temperature
≤ 400 · 400-800 · > 800
Heating by
radiation · convection
Type of pressure
internal · external · both
Häufige Fragen
Warum werden Rauchrohre auf Außendruck gerechnet, obwohl der Kessel unter Innendruck steht?
Der Kesseldruck wirkt im Wasserraum, also auf der Außenseite der Rauchrohre; das Rauchgas im Rohrinneren steht praktisch auf Umgebungsdruck. Für das einzelne Rauchrohr ist die Belastung daher Außendruck. Bei dünnwandigen Rohren mit kleinem Durchmesser ist das meist unkritisch, muss aber nachgewiesen werden, weil unter Außendruck neben der Spannung auch die Stabilität eine Rolle spielt.
Was ist der Unterschied zwischen einem Rauchrohr und einem Ankerrohr?
Beide führen Rauchgas, aber Ankerrohre übernehmen zusätzlich eine Tragfunktion: Sie verankern die ebenen Kesselböden gegeneinander und nehmen die aus dem Druck auf die Böden resultierenden Zugkräfte auf. Ankerrohre werden deshalb in der Regel dickwandiger ausgeführt und mit der überlagerten Axialbeanspruchung nachgewiesen; ihre Anordnung im Rohrfeld bestimmt zugleich die Plattenfelder für den Bodennachweis.
Wie geht die Rohrteilung in den Nachweis des Rohrbodens ein?
Je enger die Rohrbohrungen liegen, desto schmaler sind die tragenden Stege zwischen den Bohrungen und desto größer ist die Verschwächung des Bodens. Der Nachweis erfolgt über das Verhältnis von verbleibender Stegbreite zur Teilung in den maßgebenden Richtungen des Lochfelds; die geringste Stegbreite bestimmt die erforderliche Bodendicke.
Gilt das Kapitel auch für Rohre mit Bohrungen oder abzweigenden Stutzen?
Nein. Kapitel 12 behandelt ausdrücklich Rohre ohne Ausschnitte. Sobald ein Rohr durch Bohrungen, Abzweige oder Stutzen geschwächt ist, gelten die Ausschnittsregeln der Norm, im zylindrischen Mantel etwa Kapitel 8 über Ausschnitte und Abzweige.