Aufgabenstellung und Berechnungsziel
Das Modul ASME B31.3 berechnet die erforderliche Wanddicke von Geradrohren, Rohrbögen und Abzweigen für Prozessrohrleitungen (Process Piping). Die druckbedingte Mindestwanddicke wird nach ASME B31.3, Abschnitt 304.1.2 ermittelt; die Rohrabmessungen selbst kommen aus den Maßnormen ASME B36.10 (Stahlrohre) bzw. B36.19 (Edelstahlrohre), sodass direkt eine ausgeführte Nennwanddicke – der nächstliegende Schedule – gewählt werden kann.
Neben dem druckbedingten Anteil berücksichtigt die Berechnung die Summe der Zuschläge (Korrosion, Abrasion, Gewindetiefe), die Herstellungstoleranz (Mill Tolerance, bei nahtlosen Rohren typisch 12,5 %) und eine gegebenenfalls vorgegebene Mindestwanddicke nach Bestellspezifikation. Bei Rohrbögen wird über den Biegeradius die Wanddickenverteilung erfasst: An der Bogeninnenseite (Intrados) steigt die erforderliche Wanddicke, an der Außenseite (Extrados) sinkt sie – zugleich dünnt das Biegen die Außenseite aus.
Wer eine Rohrwanddicke nach ASME B31.3 berechnen muss, braucht dieses Modul bei jeder Rohrklassenerstellung und Leitungsauslegung im Chemie-, Petrochemie- und Industrieanlagenbau, in dem der ASME-Piping-Code die Vertragsbasis bildet.
Regelwerk und Berechnungsbasis: ASME B31.3 2022
So läuft die Berechnung ab
- Norm, Abmessung und Werkstoff festlegen: Zunächst werden die zu verwendende Norm, Nennweite und Rohrmaße nach ASME B36.10/B36.19 sowie der Werkstoff mit seiner zulässigen Spannung S bei Berechnungstemperatur aus Tabelle A-1 gewählt. Dazu kommen der Qualitätsfaktor E (Längsnahtfaktor) und der Schweißnaht-Festigkeitsfaktor W.
- Druckbedingte Wanddicke berechnen: Die Mindestwanddicke t folgt aus Gleichung (3a): t = P·D/(2·(S·E·W + P·Y)), mit dem Y-Koeffizienten nach Tabelle 304.1.1, der die Spannungsverteilung über die Wand berücksichtigt (0,4 für duktile Stähle unterhalb des Kriechbereichs).
- Zuschläge und Toleranzen aufschlagen: Zur druckbedingten Dicke werden die Summe der Zuschläge c (Korrosion, Erosion, Gewinde) addiert und die Herstellungstoleranz berücksichtigt: Die bestellte Nennwanddicke muss so groß sein, dass auch bei minus 12,5 % Toleranz die erforderliche Dicke t + c nicht unterschritten wird. Eine Mindestwanddicke aus der Bestellspezifikation wird zusätzlich geprüft.
- Rohrbogen bewerten: Für Bögen wird nach 304.2.1 mit dem Biegeradius R der Korrekturfaktor an Intrados und Extrados gebildet. Maßgebend ist die Bogeninnenseite, an der die erforderliche Wanddicke über der des Geradrohrs liegt; die Ausdünnung beim Biegen ist über die Ausgangswanddicke abzudecken.
- Nennwanddicke wählen: Abschließend wird der nächstgrößere Schedule aus B36.10/B36.19 als ausgeführte Nennwanddicke gewählt und die Ausnutzung dokumentiert. Bemerkungen und die Rohrlänge fließen in die Dokumentation der Rohrklasse ein.
Eingabegrößen
| Größe | Symbol | Einheit |
|---|---|---|
| Erforderliche Wanddicke | Wandstärke | mm |
| Außendurchmesser | Da | mm |
| Berechnungsdruck | p | bar |
| Festigkeitskennwert | K | N/mm² |
| Sicherheitsbeiwert | SF | – |
| Schweißnahtreduktion | W | – |
| Zuschlag für Wanddickenunterschreitung | c1 | mm |
| Korrosions- / Abnutzungszuschlag | c2 | mm |
| Mindestwanddicke nach Bestellspezifikation | Th | mm |
| Länge | l | m |
| Teilgewicht | Gewicht | kN |
| Volumen | Teilvolumen | m³ |
| Sicherheitsbeiwert (Test) | SF' | – |
| Probedruck | p' | bar |
| Festigkeitskennwert (Test) | K' | N/mm² |
| Erforderliche Wanddicke Rohr für Betrieb | Betrieb | mm |
| Erforderliche Wanddicke Rohr für Test | Probe | mm |
| Max. zulässiger unverstärkter Ausschnitt | Ausschnitt | mm |
| Werkstoff | Werkstoff | – |
| Bemerkungen | Bemerkung | – |
| Berechnungstemperatur | T | °C |
| Bemerkung 2 | 2 | – |
| Schedule | Schedule Sch | – |
| Nennweite in Zoll | NW | – |
Berechnungsoptionen
Prüfdruck berücksichtigen?
Kein Prüfdruck · ANSI · ASME UG99 · Prüfdruckeingabe
Auswahl
nach Schedule · nach Wanddickenschlüssel · freie Eingabe
Auswahl der Wanddicke Abzweig 1
nach Schedule · nach Wanddickenschlüssel · freie Eingabe
Auswahl der Wanddicke Abzweig 2
nach Schedule · nach Wanddickenschlüssel · freie Eingabe
Auswahl der Wanddicke Abzweig 3
nach Schedule · nach Wanddickenschlüssel · freie Eingabe
Gelöstes Beispiel
Für eine Prozessleitung DN 100 (NPS 4) aus nahtlosem Rohr A106 Grade B ist die erforderliche Wanddicke nach ASME B31.3 zu bestimmen. Berechnungsdruck 25 bar, Berechnungstemperatur 200 °C, Korrosionszuschlag 2 mm.
Gegebene Werte
| Rohraußendurchmesser D (NPS 4) | 114,3 mm |
| Berechnungsdruck P | 25 bar = 2,5 N/mm² |
| Zulässige Spannung S (A106 B, 200 °C, Tab. A-1) | 137,9 N/mm² (20,0 ksi) |
| Qualitätsfaktor E (nahtlos) | 1,0 |
| Schweißnaht-Festigkeitsfaktor W | 1,0 |
| Y-Koeffizient (Tab. 304.1.1) | 0,4 |
| Korrosionszuschlag c | 2,0 mm |
| Herstellungstoleranz (nahtlos) | 12,5 % |
Lösungsweg
Druckbedingte Wanddicke t nach Gl. (3a)
t = P·D / (2·(S·E·W + P·Y))
t = 2,5 · 114,3 / (2 · (137,9 · 1,0 · 1,0 + 2,5 · 0,4)) = 285,75 / (2 · 138,9) = 1,03 mm
Erforderliche Mindestwanddicke t_m
tm = t + c = 1,03 mm + 2,0 mm = 3,03 mm
Erforderliche Nennwanddicke mit Herstellungstoleranz
Die bestellte Wanddicke darf um 12,5 % unterschritten werden, daher:
tnom ≥ tm / 0,875 = 3,03 / 0,875 = 3,46 mm
Schedule-Auswahl nach ASME B36.10
Gewählt: Schedule 40 mit t = 6,02 mm für NPS 4. Auch der dünnere Schedule 10 (3,05 mm) würde die erforderlichen 3,46 mm unterschreiten; Schedule 40 ist zugleich die übliche Standardausführung und bietet Reserve für Biegungen und Gewindeanschlüsse.
Ergebnis
| Druckbedingte Wanddicke t | 1,03 mm |
| Mindestwanddicke t_m (mit Zuschlag) | 3,03 mm |
| Erforderliche Nennwanddicke | ≥ 3,46 mm |
| Gewählt (ASME B36.10) | Schedule 40, t = 6,02 mm |
Alle Werte sind beispielhaft. Maßgeblich sind das jeweils gültige Regelwerk und die projektspezifischen Randbedingungen.
Häufige Fragen
Wofür steht der Y-Koeffizient in der Wanddickenformel?
Y berücksichtigt, wo die Umfangsspannung über der Wanddicke bewertet wird. Y = 0,4 (duktile Stähle unter 482 °C) entspricht näherungsweise einer Bewertung zwischen Innen- und Außenfaser und macht die Formel für dünn- und mittelwandige Rohre genau. Im Kriechbereich steigt Y bis 0,7, weil sich die Spannungen umlagern. Für dickwandige Rohre mit t ≥ D/6 verlangt die Norm eine gesonderte Betrachtung.
Was ist der Unterschied zwischen Qualitätsfaktor E und Schweißnaht-Festigkeitsfaktor W?
E (Tabelle A-1A/A-1B) bewertet die Herstellart der Längsnaht – nahtlos E = 1,0, ERW typischerweise 0,85, je nach Prüfumfang. W erfasst dagegen die Zeitstandschwächung von Schweißnähten im Kriechbereich: Unterhalb von etwa 510 °C ist W = 1,0, darüber fällt er ab. Beide Faktoren wirken multiplikativ auf die zulässige Spannung.
Warum wird die Mill Tolerance so oft vergessen – und was bewirkt sie?
Die druckbedingte Wanddicke plus Zuschläge ist eine Mindestdicke, die an keiner Stelle unterschritten werden darf. Nahtlose Rohre dürfen nach ASTM-Spezifikationen aber bis zu 12,5 % unter Nennwanddicke liegen. Deshalb muss die Nennwanddicke mindestens (t + c)/0,875 betragen. Wer die Toleranz weglässt, bestellt bis zu 14 % zu dünn – ein klassischer Auslegungsfehler.
Deckt die Wanddickenberechnung die komplette Rohrleitungsauslegung ab?
Nein. Sie weist nur den Innendruck nach. ASME B31.3 verlangt zusätzlich die Flexibilitäts- und Spannungsanalyse für thermische Dehnung, Eigengewicht und Zusatzlasten (Sustained-, Displacement- und Occasional-Load-Nachweise), die Halterungsauslegung sowie gegebenenfalls Nachweise für Außendruck und Abzweigverstärkung. Die Wanddicke ist der erste, nicht der letzte Schritt.