Aufgabenstellung und Berechnungsziel
Das Modul UG37 führt den Ausschnittsverstärkungs-Nachweis für Stutzen nach ASME BPVC Section VIII Division 1, Absatz UG-37 – die klassische Flächenersatzmethode (area replacement). Berechnet werden durchgesteckte und aufgesetzte Stutzen jeweils mit oder ohne Verstärkungsscheibe, in Zylinderschalen, Kugeln, gewölbten und ebenen Böden. Über UG-42 lassen sich zusätzlich benachbarte Stutzen nachweisen, wobei die Werte der Einzelstutzen übernommen werden.
Der Grundgedanke: Jeder Ausschnitt entfernt tragenden Querschnitt aus der druckbeanspruchten Wand. Die entfernte Fläche A = d·tr·F muss in den Grenzlängen um den Ausschnitt wieder verfügbar sein – als Wanddickenreserve des Mantels (A1), Reserve der Stutzenwand außen und innen (A2, A3), Schweißnahtquerschnitte (A41–A43) und Verstärkungsscheibe (A5). Der Korrekturfaktor F nach Fig. UG-37 berücksichtigt die Lage der Nachweisebene zur Umfangsrichtung, die Festigkeitsverhältnisse fr die unterschiedlichen Werkstoffe von Stutzen, Scheibe und Grundkörper.
Das Modul weist erforderliche und vorhandene Flächen samt Auslastung aus, berechnet den zulässigen Druck des verstärkten Ausschnitts, prüft die Grenzlängen nach UG-40 sowie die erforderlichen Kehl- und Wurzelnahtdicken der Stutzenanschweißung. Wer eine Stutzenverstärkung nach ASME berechnen muss, erhält damit den vollständigen Nachweis in einem Rechengang.
Regelwerk und Berechnungsbasis: ASME BPVC VIII-1 UG-37: 2025
Berechnungsumfang
- Durchgesteckte Stutzen mit Verstärkung
- Durchgesteckte Stutzen ohne Verstärkung
- Aufgesetzte Stutzen mit Verstärkung
- Aufgesetzte Stutzen ohne Verstärkung
- Benachbarte Stutzen (UG-42)
So läuft die Berechnung ab
- Erforderliche Wanddicken des ungestörten Bauteils bestimmen: Zunächst werden die rechnerisch erforderlichen Wanddicken tᵣ des Grundkörpers (nach UG-27 bzw. UG-32) und tᵣₙ des Stutzens ermittelt – jeweils mit E = 1, da die Flächenmethode nahtlose Verhältnisse am Ausschnitt voraussetzt.
- Erforderliche Verstärkungsfläche berechnen: Die erforderliche Fläche folgt aus A = d·tᵣ·F, mit dem Ausschnittsdurchmesser d im korrodierten Zustand und dem Korrekturfaktor F nach Fig. UG-37 (F = 1 in der Ebene quer zur Behälterachse, bis 0,5 in Längsrichtung bei Zylindern).
- Grenzlängen festlegen: Die mittragenden Bereiche werden begrenzt: parallel zur Wand auf den größeren Wert aus d und Rₙ + t + tₙ je Seite, senkrecht dazu auf 2,5·t bzw. 2,5·tₙ (zuzüglich Scheibendicke) nach UG-40. Nur Material innerhalb dieser Grenzen zählt als Verstärkung.
- Vorhandene Flächen aufsummieren: Mantelreserve A₁, Stutzenreserven A₂ und A₃, Schweißnahtflächen A₄ und ggf. die Verstärkungsscheibe A₅ werden – mit den Festigkeitsverhältnissen fᵣ bei abweichenden Werkstoffen – zur vorhandenen Fläche ∑A addiert und mit der erforderlichen Fläche verglichen; daraus ergibt sich die Auslastung.
- Schweißnähte und Lastpfade prüfen: Die erforderlichen Kehlnaht- und Wurzelnahtdicken der Stutzenanbindung werden nach UG-41/UW-16 geprüft, einschließlich der Lastpfadbetrachtung, welche Kraft über welche Nahtkombination übertragen wird.
- Benachbarte Stutzen nach UG-42 bewerten: Liegen zwei Ausschnitte näher als das Zweifache ihres mittleren Durchmessers, wird der Steg zwischen ihnen nachgewiesen: Die verfügbare Gesamtfläche ∑Aab und die erforderliche Stegfläche werden verglichen; keine Fläche darf doppelt angesetzt werden.
Eingabegrößen
| Größe | Symbol | Einheit |
|---|---|---|
| Berechnungsdruck | p0 | MPa(p) |
| Berechnungstemperatur | T0 | °C |
| Faktor (Innendruck=1;Außendruck=2) | Γ | – |
| Wanddicke ohne Zuschläge | t | mm |
| Erforderliche Wanddicke ohne Zuschläge | tr | mm |
| Werkstoff | Mantel | – |
| Zulässige Spannung | Sv | MPa |
| Schweißnahtfaktor (oder Qualitätsfaktor Stahlguss) | E1 | – |
| Korrekturfaktor (Fig.UG-37 Innendruck) | F | – |
| Stutzen | Nº | – |
| Ausgeführte Wanddicke mit Zuschlägen | tn1 | mm |
| Zuschlag (Wanddicke) | c1 | mm |
| Zuschlag (Korrosion) | c2 | mm |
| Wanddicke ohne Zuschläge | tn | mm |
| Außendurchmesser | da | mm |
| Innendurchmesser korrodiert = da-2·tn | d | mm |
| Innerer Überstand | h | mm |
| Erforderliche Wanddicke Stutzen | trn | mm |
| Kehlnahtdicke Stutzen/Mantel außen | leg1 | mm |
| Kehlnahtdicke Verst./Grundk. außen | leg2 | mm |
| Werkstoff | Stutzen | – |
| Sicherheitsfaktor | S | – |
| Zulässige Spannung | Kn/S Sn | MPa |
| Dicke ohne Zuschläge | te | mm |
Berechnungsergebnisse
| Größe | Symbol | Einheit |
|---|---|---|
| Stegfläche > erf. Gesamtfläche / 2 | anw | – |
Berechnungsoptionen
Faktor (Innendruck=1;Außendruck=2)
Innendruck · Außendruck
Zugangsöffnung
Nein · Ja
Form des Grundkörpers
zylindrisch · kugelförmig · Sonstige
Option
Durchgesteckter Stutzen mit Verstärkung · Durchgesteckter Stutzen ohne Verstärkung · Aufgesetzter Stutzen mit Verstärkung · Aufgesetzter Stutzen ohne Verstärkung · Benachbarte Stutzen nach UG-42
Gelöstes Beispiel
Ein durchgesteckter Stutzen ohne Verstärkungsscheibe in einer Zylinderschale ist nach ASME BPVC VIII-1, UG-37 nachzuweisen. Stutzen und Mantel bestehen aus demselben Werkstoff (fᵣ = 1), die Nachweisebene liegt quer zur Behälterachse (F = 1). Die Schweißnahtflächen werden im Beispiel konservativ vernachlässigt.
Gegebene Werte
| Innenradius Mantel R | 600 mm |
| Wanddicke Mantel t | 14 mm |
| Innendurchmesser Stutzen d | 200 mm |
| Wanddicke Stutzen tn | 10 mm |
| Berechnungsdruck P | 1,6 MPa (16 bar) |
| Zulässige Spannung S | 138 N/mm² |
| Faktoren | E = 1; F = 1; fr1 = fr2 = 1 |
Lösungsweg
Erforderliche Wanddicken nach UG-27 (E = 1)
Mantel: tr = P·R/(S·E − 0,6·P) = 1,6 · 600 / (138 − 0,96) = 7,01 mm
Stutzen: trn = P·Rn/(S·E − 0,6·P) = 1,6 · 100 / 137,04 = 1,17 mm
Erforderliche Verstärkungsfläche
A = d · tr · F = 200 · 7,01 · 1 = 1 401 mm²
Vorhandene Fläche A1 (Mantelreserve)
A1 = Größtwert aus d·(E1·t − F·tr) = 200 · (14 − 7,01) = 1 399 mm²
und 2·(t + tn)·(E1·t − F·tr) = 2 · 24 · 6,99 = 336 mm²
A1 = 1 399 mm²
Vorhandene Fläche A2 (Stutzenreserve außen)
A2 = Kleinstwert aus 5·t·(tn − trn) = 5 · 14 · 8,83 = 618 mm²
und 5·tn·(tn − trn) = 5 · 10 · 8,83 = 442 mm²
A2 = 442 mm²
Nachweis
∑A = A1 + A2 = 1 399 + 442 = 1 841 mm² ≥ A = 1 401 mm²
Auslastung: 1 401 / 1 841 = 76 % — der Ausschnitt ist ohne Verstärkungsscheibe ausreichend verstärkt; die real vorhandenen Schweißnahtflächen erhöhen die Reserve zusätzlich.
Ergebnis
| Erforderliche Fläche A | 1 401 mm² |
| Vorhandene Fläche ∑A (ohne Nähte) | 1 841 mm² |
| Auslastung | ca. 76 % |
Alle Werte sind beispielhaft. Maßgeblich sind das jeweils gültige Regelwerk und die projektspezifischen Randbedingungen.
Häufige Fragen
Wann darf auf einen rechnerischen Verstärkungsnachweis verzichtet werden?
UG-36(c)(3) nimmt kleine Öffnungen aus: In Wänden bis 10 mm Dicke sind Ausschnitte bis DN 89 (3½ Zoll), in dickeren Wänden bis DN 60 (2⅜ Zoll) ohne Einzelnachweis zulässig, sofern Mindestabstände zwischen unverstärkten Öffnungen eingehalten werden. Achtung: Für Gruppen solcher Öffnungen und bei schnellen Druckwechseln gelten Einschränkungen.
Warum wird die erforderliche Wanddicke im Nachweis mit E = 1 gerechnet?
Die Flächenmethode vergleicht lokal entnommenen und lokal verfügbaren Querschnitt. Der Schweißnahtfaktor E der Mantellängsnaht hat damit nichts zu tun, solange der Ausschnitt nicht in der Naht liegt; deshalb wird tᵣ mit E = 1 bestimmt. Durchdringt der Stutzen eine geschweißte Naht mit E < 1, ist das gesondert zu berücksichtigen.
Was bewirkt das Festigkeitsverhältnis fᵣ bei unterschiedlichen Werkstoffen?
Hat der Stutzen oder die Verstärkungsscheibe eine niedrigere zulässige Spannung als der Grundkörper, zählt seine Fläche nur anteilig (fᵣ = Sₙ/Sᵥ ≤ 1). Ein höherfester Stutzenwerkstoff bringt dagegen keinen Bonus – fᵣ wird auf 1 begrenzt. Ein häufiger Fehler ist, Scheiben aus niederfestem Material mit voller Fläche anzusetzen.
Reicht der UG-37-Nachweis auch für Stutzen mit hohen Rohrleitungslasten?
Nein. Die Flächenersatzmethode deckt nur die Druckbeanspruchung ab. Äußere Kräfte und Momente aus der angeschlossenen Rohrleitung erfordern einen zusätzlichen Nachweis der lokalen Membran- und Biegespannungen, etwa nach WRC 107/537 bzw. WRC 297 oder per FEM. Gerade bei großen Stutzen in dünnwandigen Behältern wird dieser Nachweis oft maßgebend.