Aufgabenstellung und Berechnungsziel
Für Ausschnitte und Stutzen in druckbeanspruchten Schalen existieren im deutschen Regelwerk zwei verwandte Ansätze: das Druckflächen-Verfahren des AD 2000-Merkblatts B9 und die Ausschnittsberechnung der TRD 301/303 für Dampfkessel. Das Modul B9N kombiniert beide und stellt die Bilanz aus Druckkraft und Haltekraft direkt dar: Die vom Druck erzeugte Kraft auf die druckbelasteten Flächen wird der Haltekraft der spannungstragenden Querschnitte gegenübergestellt, die Ausnutzung ergibt sich als Verhältnis von vorhandener zu zulässiger Kraft.
Der Anwendungsbereich ist bewusst breit: Einzelstutzen in Zylinderschalen mit und ohne Verstärkungsscheibe, Einzelstutzen in Kugelschalen, schräge Abzweige in Kugel- oder Zylinderschale, aufgesetzte und eingesetzte Blockflansche sowie benachbarte Ausschnitte in Längs- und in Umfangsrichtung einer Zylinderschale und in der Kugelschale. Für die Umfangsrichtung werden die zutreffenden Abminderungsfaktoren angesetzt, für schräge Abzweige der Winkel zwischen den Stutzenachsen.
Das Modul eignet sich damit für die Stutzenberechnung an Behältern und kesselnahen Bauteilen gleichermaßen – überall dort, wo aufgeschweißte oder durchgesteckte Stutzen, ovale Öffnungen oder eng benachbarte Abzweige nachzuweisen sind. Grundlage ist AD 2000 B9 in der berichtigten Fassung 2016-09 in Kombination mit TRD 301/303.
Regelwerk und Berechnungsbasis: AD 2000 B9: 2010-02, berichtigte Fassung 2016-09
Berechnungsumfang
- Benachbarte Ausschnitte in Kugelschale
- Schräger Abzweig in Kugel- oder Zylinderschale
- Einzelstutzen in Zylinderschale ohne Verstärkungsscheibe
- Einzelstutzen in Zylinderschale mit Verstärkungsscheibe
- Einzelstutzen in Kugelschale
- Blockflansch aufgesetzt auf Zylinderschale
- Blockflansch eingesetzt in Zylinderschale
- Benachbarte Ausschnitte in Längsrichtung einer Zylinderschale
- Benachbarte Ausschnitte in Umfangsrichtung einer Zylinderschale
So läuft die Berechnung ab
- Bauform wählen: Über die Bauformauswahl wird der Nachweisfall festgelegt: Einzelstutzen in Zylinder- oder Kugelschale, mit oder ohne Verstärkungsscheibe, schräger Abzweig, Blockflansch aufgesetzt oder eingesetzt, oder benachbarte Ausschnitte in Längs- bzw. Umfangsrichtung.
- Geometrie von Schale und Stutzen erfassen: Benötigt werden Außendurchmesser und ausgeführte Dicken von Grundschale und Stutzen, innerer und äußerer Überstand sowie bei benachbarten Öffnungen der Achsabstand und der Winkel zwischen den Stutzenachsen. Korrosionszuschläge führen zu korrigierten Innendurchmessern und Netto-Innendurchmessern.
- Mittragende Längen und anrechenbare Überstände bestimmen: Für Schale und Stutzen werden die mittragenden Längen berechnet; vom inneren Stutzenüberstand wird nur der anrechenbare Anteil berücksichtigt. Diese Größen begrenzen die Querschnittsflächen, die als Haltekraft-Querschnitte wirken dürfen.
- Druckkraft und Haltekraft bilanzieren: Die Druckkraft ergibt sich aus dem Berechnungsdruck auf die druckbelasteten Flächen, die Haltekraft aus den spannungstragenden Querschnitten mal zulässiger Spannung K/S. Bei Ausschnitten in Umfangsrichtung und bei schrägen Abzweigen werden die Abminderungsfaktoren des Regelwerks angesetzt.
- Ausnutzung auswerten: Das Modul weist die Ausnutzung als Verhältnis von vorhandener zu zulässiger Kraft aus. Bei Überschreitung wird die Konstruktion angepasst – dickerer Stutzen, Verstärkungsscheibe, größerer Öffnungsabstand – und der Nachweis wiederholt.
Eingabegrößen
| Größe | Symbol | Einheit |
|---|---|---|
| Berechnungstemperatur | T | °C |
| Berechnungsdruck | p | bar |
| Bezeichnung | Grundkörper | – |
| Bezeichnung | Stutzen1 | – |
| Bezeichnung | 2 | – |
| Festigkeitskennwert | K | MPa |
| Festigkeitskennwert | K K1 K2 | MPa |
| Festigkeitskennwert | K K1 K2 | MPa |
| Sicherheitsbeiwert | S | - |
| Sicherheitsbeiwert | S S1 S2 | - |
| Sicherheitsbeiwert | S S1 S2 | - |
| Wanddickenunterschreitung | c1 | mm |
| Zuschlag | c1 c11 c12 | mm |
| Zuschlag | c1 c11 c12 | mm |
| Korr.zuschlag | c2 | mm |
| Korr.zuschlag | c2 c21 c22 | mm |
| Korr.zuschlag | c2 c21 c22 | mm |
| Zulässige Spannung | K/S | MPa |
| Zulässige Spannung | σ σ1 σ2 | MPa |
| Zulässige Spannung | σ σ1 σ2 | MPa |
| Ausgeführte Mantelwanddicke | se | mm |
| Mantelaußendurchmesser | Da | mm |
| Mantelinnendurchmesser (korrodierter Zustand) | Di | mm |
| Stutzeninnendurchmesser (korrodiert) | di | mm |
Berechnungsoptionen
Bauform
Einzelstutzen auf zyl. Grundkörper mit optionaler Verstärkungsscheibe nach AD B9 · Einzelstutzen auf zyl. Grundkörper mit Verstärkungsscheibe nach AD B9 · Einzelstutzen auf kugeligem Grundkörper nach AD B9 · Auf zylindrischen Grundkörper aufgesetzter Blockflansch nach AD B9 · In zylindrischen Grundkörper eingesetzter Blockflansch nach AD B9 · In Zylinderlängsrichtung benachbarte Stutzen nach AD B9 · In Zylinderumfangsrichtung benachbarte Stutzen nach AD B9 · Auf kugeligem Grundkörper benachbarte Stutzen nach AD B9 · Schräger Abzweig in Zylindern und Kugeln nach AD-B9/4.7
Häufige Fragen
Wann B9N statt B9 verwenden?
B9N bietet die mit der TRD 301/303 kombinierte Darstellung über Druckkraft, Haltekraft und Ausnutzung und deckt zusätzliche Fälle wie schräge Abzweige und Blockflansche in eingesetzter oder aufgesetzter Ausführung explizit ab. Für Bauteile im Umfeld der Dampfkesselregeln oder für Nachrechnungen bestehender TRD-Auslegungen ist B9N die passende Wahl; für die reine Umsetzung des aktuellen Merkblatts B9 steht das Modul B9 bereit.
Warum gelten für Ausschnitte in Umfangsrichtung Abminderungsfaktoren?
In einer Zylinderschale ist die Umfangsspannung doppelt so groß wie die Längsspannung. Der Steg zwischen zwei in Umfangsrichtung benachbarten Ausschnitten liegt quer zur größeren Spannung nur scheinbar günstig – das Regelwerk erfasst die tatsächliche Beanspruchungssituation über Abminderungsfaktoren, die den zulässigen Kraftanteil des Steges reduzieren. Sie zu vergessen führt zu unsicheren Ergebnissen.
Wie geht der Winkel eines schrägen Abzweigs in die Rechnung ein?
Ein schräg angeschnittener Stutzen erzeugt in der Schale eine ovale Öffnung, deren maßgebende Abmessung mit flacher werdendem Winkel wächst. Die druckbelastete Fläche steigt entsprechend, während der tragende Querschnitt kaum zunimmt – die Ausnutzung wächst also mit der Schräge. Der Winkel zwischen den Stutzenachsen ist deshalb eine direkte Eingangsgröße des Nachweises.
Was bedeutet der anrechenbare innere Stutzenüberstand?
Ein in den Behälter hineinragender Stutzen trägt mit seinem inneren Überstand zur Verstärkung bei, allerdings nur bis zu der im Regelwerk begrenzten Länge – darüber hinausragendes Material liegt außerhalb des mittragenden Bereichs und ist zudem korrosionsexponiert. Das Modul berücksichtigt automatisch nur den anrechenbaren Anteil.