Aufgabenstellung und Berechnungsziel
Das Modul KAP8 berechnet Ausschnitte und Abzweige in zylindrischen Mänteln nach Kapitel 8 der DIN EN 12953-3:2016, der Berechnungsnorm für die drucktragenden Teile von Großwasserraumkesseln. Jeder Stutzen, jedes Mannloch und jede sonstige Öffnung unterbricht den tragenden Querschnitt des innendruckbelasteten Kesselmantels; die dadurch fehlende Tragfähigkeit muss durch mitwirkende Wandbereiche, verstärkte Stutzen oder Verstärkungsscheiben ausgeglichen werden.
Der Nachweis erfolgt nach dem in den europäischen Kesselnormen üblichen Druckflächenverfahren: Der vom Druck belasteten Fläche wird die spannungstragende Querschnittsfläche von Mantel, Stutzen und Verstärkung gegenübergestellt, jeweils begrenzt auf die mittragenden Längen beiderseits des Ausschnitts. So lässt sich ein Stutzen im Kesselmantel berechnen, ob er unverstärkt zulässig ist oder wie viel Verstärkungsquerschnitt fehlt.
Gebraucht wird das Modul bei jeder Neuauslegung und bei Änderungen an Bestandskesseln, etwa wenn ein zusätzlicher Abzweig in einen vorhandenen Mantel geschnitten werden soll: Es liefert den vollständigen Ausschnittsnachweis nach DIN EN 12953-3 einschließlich der Prüfung benachbarter Öffnungen auf gegenseitige Beeinflussung.
So läuft die Berechnung ab
- Manteldaten erfassen: Zunächst werden Durchmesser und ausgeführte Wanddicke des zylindrischen Mantels sowie Berechnungsdruck und Berechnungstemperatur eingegeben. Aus dem Mantelwerkstoff folgt die zulässige Berechnungsspannung; die über die erforderliche Grundwanddicke hinausgehende Wanddicke steht als Verstärkung zur Verfügung.
- Ausschnitt und Abzweig definieren: Der Ausschnitt wird nach Durchmesser, Lage und Ausführung beschrieben: unverstärkte Öffnung, durchgesteckter oder aufgesetzter Stutzen mit Wanddicke und überstehenden Längen oder eine Verstärkungsscheibe mit Breite und Dicke. Bei abweichenden Werkstoffen von Stutzen und Scheibe wird deren geringere zulässige Spannung berücksichtigt.
- Mittragende Längen bestimmen: Die Norm begrenzt die Bereiche von Mantel und Stutzen, die zur Kompensation des Ausschnitts herangezogen werden dürfen, über mittragende Längen, die aus Durchmesser und Wanddicke folgen. Nur der Werkstoff innerhalb dieser Grenzen zählt als tragender Querschnitt.
- Druckflächenvergleich auswerten: Der Nachweis vergleicht die vom Druck belastete Fläche mit den spannungstragenden Querschnittsflächen von Mantel, Stutzen und Verstärkung. Ist die Bedingung nicht erfüllt, wird der fehlende Verstärkungsquerschnitt ausgewiesen und die Ausführung angepasst, etwa durch dickeren Stutzen oder eine Verstärkungsscheibe.
- Nachbarausschnitte und Grenzen prüfen: Liegen mehrere Öffnungen nahe beieinander, wird geprüft, ob sich ihre Störbereiche überlappen; dann ist der Steg zwischen den Ausschnitten gesondert nachzuweisen. Abschließend werden die geometrischen Anwendungsgrenzen des Kapitels kontrolliert, etwa zulässige Durchmesserverhältnisse von Abzweig zu Mantel.
Eingabegrößen
| Größe | Symbol | Einheit |
|---|---|---|
| Load Case | Case | – |
| Subjected to heat transfer | transfer | – |
| Gas entery temperature | tG | – |
| Nominal shell thickness | e | mm |
| Heating by | by | – |
| Calculation pressure | pc | MPa(p) |
| Saturation temperature | ts | °C |
| Additional temperature | tz | °C |
| Calculation temperature | tc | °C |
| Type of Reinforcement | Reinforcement | – |
| Number of Nozzle | Nozzle | – |
| Branch inclination | inclination | – |
| Branch inclination | inclination | – |
| Cut method | method | – |
| With additional Reinforcement | Reinforcement | – |
| Reinforcement for nozzle | nozzle | – |
| Methods of Reinforcement | Reinforcement | – |
| Type of Nozzle 1 | 1 | – |
| Full welded | welded | – |
| Type of Nozzle 2 | 2 | – |
| Full welded | welded | – |
| Shell | Shell | – |
| Material Strength | Ks | N/mm² |
| Material strength shell | Rp0.2 | N/mm² |
Berechnungsoptionen
Load Case
operation · test
Subjected to heat transfer
Yes · NO
Gas entery temperature
≤ 400 · 400-800 · > 800
Heating by
radiation · convection
Type of Reinforcement
Block Flange · Nozzle
Number of Nozzle
one · two
Branch inclination
radial · non radial · oblique
Branch inclination
radial · non radial
Häufige Fragen
Wann ist ein Ausschnitt im Kesselmantel ohne Verstärkung zulässig?
Wenn die vorhandene Mantelwanddicke deutlich über der rechnerisch erforderlichen liegt, kann der Wanddickenüberschuss innerhalb der mittragenden Länge kleine Öffnungen allein kompensieren. Ob das reicht, zeigt der Druckflächenvergleich; feste Grenzdurchmesser ohne Nachweis gibt es nur für sehr kleine Öffnungen. Je größer der Ausschnitt und je knapper die Mantelauslegung, desto eher ist ein verstärkter Stutzen oder eine Scheibe nötig.
Was ist der Unterschied zwischen Verstärkung durch Stutzen und durch Verstärkungsscheibe?
Ein dickwandiger, eingeschweißter Stutzen wirkt mit seinem Querschnitt innerhalb der mittragenden Länge direkt an der Störstelle und ist thermisch robust. Eine aufgeschweißte Scheibe verstärkt nur die Mantelaußenseite; sie ist fertigungstechnisch einfach, aber bei schroffen Temperaturwechseln und bei Spaltkorrosion ungünstiger. Die Norm begrenzt zudem die anrechenbare Breite und Dicke der Scheibe.
Wie werden zwei nahe beieinanderliegende Stutzen behandelt?
Unterschreitet der Abstand zweier Öffnungen die Summe ihrer Störbereiche, dürfen sie nicht mehr als Einzelausschnitte gerechnet werden. Dann ist der Steg zwischen den Ausschnitten maßgebend: Für ihn wird ein gemeinsamer Druckflächenvergleich in der ungünstigsten Schnittrichtung geführt, wobei die Orientierung des Stegs zur Mantelachse eingeht, weil die Umfangsspannung doppelt so groß ist wie die Längsspannung.
Gilt Kapitel 8 auch für Öffnungen in Böden?
Nein. Kapitel 8 der DIN EN 12953-3 behandelt Ausschnitte und Abzweige im zylindrischen Mantel. Öffnungen in gewölbten Böden werden nach den Bodenregeln, Einzelausschnitte in ebenen Kesselböden nach Kapitel 11 der Norm nachgewiesen.