Aufgabenstellung und Berechnungsziel
Das Modul UHXb berechnet Festkopf-Rohrböden (Fixed Tubesheets) von Rohrbündelwärmetauschern nach ASME BPVC Section VIII Division 1, Teil UHX-13. Beim Festkopfapparat sind beide Rohrböden starr mit dem Mantel verschweißt – Rohrbündel und Mantel bilden ein statisch unbestimmtes System, in dem sich Druckbelastungen und behinderte Wärmedehnung gegenseitig beeinflussen. Wer einen Rohrboden nach ASME UHX berechnen will, muss deshalb Mantel, Rohre, Rohrboden, Kanal (Channel) und gegebenenfalls einen Kompensator (Expansion Joint) gemeinsam betrachten.
Das Modul deckt die Rohrbodenkonfigurationen a bis d nach Figure UHX-13.1 ab (integral, mit Dichtung, verlängert als Flansch) und unterscheidet die Lastfälle Auslegung/Betrieb, Druckprüfung und Sonderfälle. Neben mantel- und rohrseitigem Berechnungsdruck (jeweils Maximal- und Minimalwert) gehen die Berechnungstemperaturen von Rohrboden, Mantel, Kanal und Rohren sowie die mittleren Metalltemperaturen und Wärmeausdehnungskoeffizienten entlang von Rohr und Mantel ein – daraus resultiert die äquivalente Druckdifferenz aus behinderter Wärmedehnung.
Ergebnisse sind unter anderem die Spannungsnachweise für Rohrboden, Rohre, Mantel und Kanal in allen Lastfallkombinationen, die wirksamen Schraubenlasten bei gedichteten Konfigurationen sowie die erforderliche Dicke der Rohrbodenverlängerung (tubesheet extension), wenn diese als Flansch wirkt.
Regelwerk und Berechnungsbasis: ASME BPVC VIII-1, UHX-13: 2021
So läuft die Berechnung ab
- Konfiguration und Lastfälle festlegen: Zunächst werden die Rohrbodenkonfiguration nach Figure UHX-13.1 (integral oder gedichtet, mantel- und/oder kanalseitig), der Kanaltyp (Zylinder oder Halbkugelboden) und der Berechnungsfall (Auslegung/Betrieb, Druckprüfung, Sonstiges) gewählt. Für jede Kombination aus maximalem und minimalem mantel- und rohrseitigem Druck entstehen eigene Lastfälle.
- Geometrie- und Steifigkeitskennwerte des Bündels bestimmen: Aus Rohrteilung, Rohrabmessungen und Lochfeld werden die wirksamen Kenngrößen des perforierten Bodens ermittelt (Ligament-Wirkungsgrad, effektive elastische Konstanten). Mantel-, Rohr- und Kanalsteifigkeiten fließen in die dimensionslosen Systemparameter der UHX-Theorie ein.
- Thermische Zwangsbeanspruchung berechnen: Aus den mittleren Metalltemperaturen von Rohren und Mantel und den zugehörigen Wärmeausdehnungskoeffizienten wird die Differenzdehnung zwischen Bündel und Mantel bestimmt. Sie wirkt wie ein zusätzlicher äquivalenter Druck; ein Kompensator im Mantel reduziert diese Zwangskraft über seine Federrate.
- Schnittgrößen und Spannungen je Lastfall ermitteln: Nach dem elastischen Modell der UHX-13-Regeln werden Biegespannungen im Rohrboden, Axialspannungen in den Rohren (einschließlich Knick- bzw. Beulnachweis der Druckrohre), sowie die Spannungen in Mantel und Kanal am Übergang berechnet und mit den zulässigen Werten verglichen.
- Schraubenlasten und Rohrbodenverlängerung nachweisen: Bei gedichteten Konfigurationen gehen die wirksamen Schraubenlasten und der Hebelarm der Dichtung (gasket moment arm) ein; für die als Flansch wirkende Rohrbodenverlängerung wird die erforderliche Dicke für jeden Lastfall bestimmt, der Größtwert ist maßgebend.
- Iteration bis alle Nachweise erfüllt sind: Erfüllt eine Komponente den Nachweis nicht, werden Rohrbodendicke, Wanddicken oder die Kompensatorausführung angepasst und die Rechnung wiederholt – die UHX-Regeln erlauben zudem definierte Entlastungen, etwa plastische Reserven an Mantel und Kanal in bestimmten Lastfällen.
Eingabegrößen
| Größe | Symbol | Einheit |
|---|---|---|
| Tubesheet configuration (figure UHX-13.1) | UHX-13.1) | – |
| Calculation case (design/operation, test, other) | other) | – |
| Channel type (cylinder/hemispherical head) ctype | ctype | – |
| Calculation of radial differential | differential | – |
| Operation is different from design pressure ? | ? | – |
| Max. shell design pressure Psd,max | Psd,max | MPa(p) |
| Min. shell design pressure Psd,min | Psd,min | MPa(p) |
| Max. tube design pressure Ptd,max | Ptd,max | MPa(p) |
| Min. tube design pressure Ptd,min | Ptd,min | MPa(p) |
| Max. shell operation pressure Psox,max | Psox,max | MPa(p) |
| Min. shell operation pressure Psox,min | Psox,min | MPa(p) |
| Max. tube operation pressure Ptox,max | Ptox,max | MPa(p) |
| Min. tube operation pressure Ptox,min | Ptox,min | MPa(p) |
| Delta Psmax \u0394Psmax | ΔPsmax | MPa(p) |
| Delta Ptmax \u0394Ptmax | ΔPtmax | MPa(p) |
| Delta Psmin \u0394Psmin | ΔPsmin | MPa(p) |
| Delta Ptmin \u0394Ptmin | ΔPtmin | MPa(p) |
| Tubesheet design temperature T | T | °C |
| Shell design temperature Ts | Ts | °C |
| Channel design temperature Tc | Tc | °C |
| Tube design temperature Ttt | Ttt | °C |
| Tubesheet | Tubesheet | – |
| Tube | Tube | – |
| Shell | Shell | – |
Berechnungsoptionen
Tubesheet configuration (figure UHX-13.1)
a - integral with shell and channel · b - integral with shell and gasketed with channel and extended as a flange · c - integral with shell and gasketed with channel and not extendet as a flange · d1 - gasketed with shell and channel and without bolt loads · d2 - gasketed with shell and channel and with bolt loads
Calculation case (design/operation, test, other)
design/operation · hydrostatic test · pneumatic test · others
Channel type (cylinder/hemispherical head) ctype
cylinder · hemispherical head
Calculation of radial differential
Nein · Ja
Operation is different from design pressure ?
Nein · Ja
Tube welded
welded · unwelded
Pattern (triangular/square)
triangular · square
Tube-to-tubesheet joint (extended/backwelded)
extended · backwelded
Häufige Fragen
Warum müssen bei Festkopfapparaten auch Lastfälle mit nur einseitigem Druck gerechnet werden?
Weil Mantel und Rohre gekoppelt sind, ist nicht der Differenzdruck allein maßgebend: Jede Kombination aus maximalem und minimalem mantel- und rohrseitigem Druck – einschließlich Ausfall einer Seite – erzeugt eine andere Verteilung von Rohrzug- und Rohrdruckkräften. UHX-13 verlangt deshalb die Prüfung aller Druckkombinationen, jeweils mit und ohne thermische Zwangsbeanspruchung.
Wann ist ein Kompensator im Mantel erforderlich?
Wenn die behinderte Differenzdehnung zwischen Rohrbündel und Mantel zu unzulässigen Axialspannungen in den Rohren, zum Überschreiten der zulässigen Rohr-Rohrboden-Verbindungskraft oder zu Überlastung von Mantel bzw. Rohrboden führt. Ein Expansion Joint senkt die axiale Systemsteifigkeit; seine Federrate geht direkt in die UHX-Berechnung ein und muss zur Kompensatorauslegung (z. B. nach Appendix 26) konsistent sein.
Was bedeutet die mittlere Metalltemperatur und warum genügt die Auslegungstemperatur nicht?
Die Zwangskräfte entstehen aus der tatsächlichen Dehnungsdifferenz im Betrieb, also aus den über die Länge gemittelten Metalltemperaturen von Rohren und Mantel im jeweils betrachteten Betriebszustand – nicht aus den Auslegungstemperaturen der Festigkeitsnachweise. Wer hier pauschal die Auslegungstemperatur beider Seiten ansetzt, überschätzt oder unterschätzt die thermische Last je nach Fahrweise erheblich; auch An- und Abfahrzustände können maßgebend sein.
Können Rohre unter Druckbeanspruchung ausknicken und wie wird das geprüft?
Ja. Je nach Lastfall geraten Randrohre oder Kernrohre in Axialdruck; UHX-13 begrenzt die Druckspannung über einen Knicknachweis mit der maßgebenden Knicklänge zwischen den Umlenkblechen. Zu große Umlenkblechabstände sind eine typische Ursache, wenn der Rohrnachweis scheitert, obwohl der Rohrboden selbst ausreichend dick ist.