Aufgabenstellung und Berechnungsziel
Halbrohrschlangen sind im Apparatebau die robuste Alternative zum Doppelmantel: Auf die Behälterwand aufgeschweißte, längs oder wendelförmig geführte Halbrohre bilden Heiz- oder Kühlkanäle für Dampf, Thermalöl oder Kühlsole. Da die Halbrohre selbst unter Druck stehen, muss nicht nur das Halbrohr, sondern auch die Behälterwand für diese Beanspruchung ausgelegt sein – der Druck im Halbrohrkanal biegt die Mantelwand zwischen den Schweißnähten wie eine Platte.
Das Modul HLB ermittelt die erforderlichen Wanddicken für Behälter mit aufgeschweißten Halbrohren auf Grundlage der AD 2000-Merkblätter B1 und B5. Das Halbrohr wird als druckbeanspruchtes Schalenelement nach B1 bemessen; die Behälterwand unter dem Halbrohrkanal wird als lange rechteckige Platte nach B5 behandelt, deren Stützweite der lichten Breite des Halbrohrs entspricht. Die Orientierung der Halbrohre – in Längs- oder Umfangsrichtung – wird bei der Überlagerung mit den Membranspannungen aus dem Behälterinnendruck berücksichtigt.
Typische Anwendungen sind Rührbehälter, Reaktoren und Lagertanks mit Temperierung, bei denen Halbrohrschlangen wegen ihrer Drucksteifigkeit gegenüber Doppelmänteln bevorzugt werden – insbesondere bei höheren Heizmitteldrücken, wo ein Doppelmantel unwirtschaftlich dick würde.
Regelwerk und Berechnungsbasis: AD 2000 B1 & B5
So läuft die Berechnung ab
- Orientierung und Geometrie der Halbrohre festlegen: Zunächst wird die Orientierung der Halbrohre gewählt – in Umfangsrichtung (wendelförmig) oder in Längsrichtung des Behälters. Dazu kommen Halbrohrdurchmesser, Teilung der Schlangen, Behälterdurchmesser und die Drücke in Behälter und Halbrohrraum mit den zugehörigen Temperaturen.
- Halbrohr nach AD 2000 B1 bemessen: Das Halbrohr wird mit seinem Durchmesser, dem Heizmitteldruck und dem Festigkeitskennwert K/S des Halbrohrwerkstoffs als druckbeanspruchte Schale nach Merkblatt B1 nachgewiesen; Zuschläge für Wanddickenunterschreitung und Korrosion werden addiert.
- Behälterwand als lange rechteckige Platte berechnen: Die Mantelwand unter dem Halbrohrkanal wirkt als lange rechteckige Platte nach Merkblatt B5, gestützt durch die beiden Kehlnähte des Halbrohrs. Aus dem Halbrohrdruck, der Stützweite und dem zutreffenden Plattenbeiwert folgt die erforderliche Wanddicke der Behälterwand aus dieser Biegebeanspruchung.
- Überlagerung mit dem Behälterinnendruck prüfen: Die Behälterwand trägt gleichzeitig die Membranspannungen aus dem Behälterdruck nach B1. Je nach Orientierung der Halbrohre überlagert sich die Plattenbiegung mit der Umfangs- oder der Längsspannung; maßgebend ist die ungünstigste Kombination der Lastfälle, einschließlich des Falls, dass nur einer der beiden Räume unter Druck steht.
- Schweißnähte und Ausführung festlegen: Abschließend werden die Anschlussnähte der Halbrohre bewertet, welche die Kanalkräfte in die Behälterwand einleiten, und die ausgeführten Wanddicken für Mantel und Halbrohr gegen die erforderlichen Werte bestätigt.
Eingabegrößen
| Größe | Symbol | Einheit |
|---|---|---|
| Außendurchmesser der Halbrohre | d | mm |
| Außendurchmesser des Mantels | M | mm |
| Zuschlag c1 Halbrohr | c1R | mm |
| Zuschlag c2 Halbrohr | c2R | mm |
| Zuschlag c1 Mantel | c1M | mm |
| Zuschlag c2 Mantel | c2M | mm |
| Berechnungstemperatur | δ | °C |
| Verschwächungsbeiwert | v | – |
| Festigkeitskennwert Halbrohr | KR | N/mm² |
| Festigkeitskennwert Mantel | KM | N/mm² |
| Sicherheitsbeiwert nach B0 Tafel 2 | S1 | – |
| Sicherheitsbeiwert nach B6 Tafel 1 | S2 | – |
| Überdruck in den Halbrohren | p1 | bar |
| Überdruck im Mantel Vakuum = -1 | p2 | bar |
| Ausgeführte Wanddicke Halbrohre | s1 | mm |
| Ausgeführte Wanddicke Mantel | s2 | mm |
| Erforderliche Wanddicke Mantel Umfangspannung | s2' | mm |
| Erforderliche Wanddicke Mantel Longitudinalspannung | s2'' | mm |
| Maßgebende Wanddicke Longitudinal- / Umfangsspannung | s21 | mm |
| Erforderliche Wanddicke Mantel nach AD | s22 | mm |
| Erforderliche Wanddicke Mantel | s2 | mm |
| Berechnungsdruck Mantelraum | p3 | bar |
| Erforderliche Wanddicke Halbrohre | s1 | mm |
| Werkstoff Halbrohr | Rohr | – |
Berechnungsoptionen
Auswahl Orientierung der Halbrohre:
Halbrohre in Umfangsrichtung · Halbrohre in Längsrichtung
Häufige Fragen
Warum wird die Behälterwand als lange rechteckige Platte gerechnet?
Der Halbrohrkanal spannt die Mantelwand streifenweise zwischen seinen beiden Schweißnähten ein. Da die Kanäle lang gegenüber ihrer Breite sind, verhält sich der belastete Wandstreifen wie eine lange rechteckige Platte unter gleichmäßigem Druck – die Biegung über die Breite dominiert. Merkblatt B5 stellt für diesen Fall die passende Plattenformel mit dem zugehörigen Beiwert bereit.
Halbrohrschlange oder Doppelmantel – wann lohnt sich was?
Halbrohrschlangen versteifen den Mantel und tragen den Heizmitteldruck über kleine Querschnitte, sodass auch hohe Drücke (z. B. Dampf ab 6 bar oder Thermalöl-Systeme) ohne dicke Wandungen beherrschbar sind; zudem erzwingt die Schlange eine definierte Strömung mit gutem Wärmeübergang. Der Doppelmantel bietet die größere Übertragungsfläche, macht aber bei höheren Manteldrücken schnell dicke Wände oder eine Außendruck-Problematik für den Innenbehälter.
Muss der Behälter auch ohne Innendruck nachgewiesen werden, wenn nur die Halbrohre unter Druck stehen?
Ja. Der Lastfall „Halbrohre unter Druck, Behälter drucklos“ ist häufig maßgebend für die Plattenbiegung der Wand, weil die stützende Membranzugspannung aus dem Behälterdruck fehlt. Umgekehrt ist auch der Fall Behälterdruck ohne Heizmitteldruck zu prüfen. Beide Grenzlastfälle gehören neben dem kombinierten Betriebszustand zur vollständigen Auslegung.
Welchen Einfluss hat die Orientierung der Halbrohre?
Bei wendelförmig bzw. in Umfangsrichtung geführten Halbrohren verläuft der belastete Wandstreifen in Umfangsrichtung und die Plattenbiegung überlagert sich mit der Längsspannung des Behälters; bei längs geführten Halbrohren mit der doppelt so großen Umfangsspannung. Die Orientierung beeinflusst daher die Spannungsüberlagerung in der Behälterwand und wird im Modul als Auswahl geführt.