Aufgabenstellung und Berechnungsziel
Das Modul APA ermittelt die zulässigen Axiallasten der Verbindung Rohr/Rohrboden nach ASME BPVC Section VIII, Division 1, Nonmandatory Appendix A. Die Rohr-Rohrboden-Verbindung – eingewalzt, eingeschweißt oder kombiniert – muss die axialen Rohrkräfte übertragen, die sich bei Festkopf-Wärmetauschern aus Druck- und Temperaturlastfällen ergeben. Appendix A definiert dafür die maximal zulässige Axiallast je Rohr in beide Richtungen (Push-out und Pull-out).
Die zulässige Last ergibt sich aus dem Rohrquerschnitt, der zulässigen Spannung des Rohrwerkstoffs und dem Verbindungsfaktor fr (joint efficiency): Für typisierte Verbindungen liefert Tabelle A-2 tabellierte Faktoren ohne Versuch; alternativ wird fr aus Auszieh- bzw. Scherlastversuchen nach A-4 bestimmt – mit Sicherheitsbeiwert auf die kleinste Versagenslast und Umrechnung von Raum- auf Betriebstemperatur über das Zugfestigkeitsverhältnis des Rohrwerkstoffs. Bei rein eingewalzten Verbindungen gehen zusätzlich die Einwalzlänge (über den Beiwert fe) und der Unterschied der Streckgrenzen von Rohr- und Plattenwerkstoff (Beiwert fy) ein, außerdem der nach Fertigung und Betrieb verbleibende Fugendruck zwischen Rohr und Rohrboden.
Gebraucht wird die Berechnung bei jedem Rohrbündel-Wärmeübertrager nach ASME, dessen Rohrbodenberechnung (z. B. nach VIII-1 Part UHX oder VIII-2, 4.18) Axialkräfte je Rohr liefert: Der Nachweis, dass die Verbindung diese Kräfte trägt, ist häufig das begrenzende Element bei großen Temperaturdifferenzen.
Regelwerk und Berechnungsbasis: ASME BPVC VIII Nonmandatory Appendix A, Edition 2019
So läuft die Berechnung ab
- Verbindungstyp einordnen: Zunächst wird der Verbindungstyp festgelegt: nur eingewalzt (mit oder ohne Nuten), nur geschweißt (Dichtschweißung oder Festigkeitsschweißung) oder kombiniert. Der Typ bestimmt, welcher Verbindungsfaktor fr aus Tabelle A-2 gilt und ob eine Qualifikation durch Versuche nach A-4 erforderlich oder vorteilhaft ist.
- Geometrie und Werkstoffdaten erfassen: Eingegeben werden Rohraußendurchmesser, Nennwanddicke und daraus der Rohrquerschnitt, die Länge des eingewalzten Teils des Rohres sowie die Werkstoffe von Rohr und Platte mit zulässiger Spannung, Streckgrenzen bei Berechnungstemperatur und Zugfestigkeiten bei Raum- und Betriebstemperatur.
- Verbindungsfaktor bestimmen: Ohne Versuche wird fr(no test) direkt aus Tabelle A-2 entnommen. Mit Versuchen wird aus der kleinsten Versagenslast der Probenserie – bei Betriebstemperatur oder an heat-soak-getesteten Proben bei Raumtemperatur – unter Ansatz des Sicherheitsbeiwerts und des Zugfestigkeitsverhältnisses Betriebs-/Raumtemperatur ein fr(test) berechnet; maßgebend ist der zutreffende bzw. kleinere Wert.
- Korrekturbeiwerte für Walzverbindungen ansetzen: Bei eingewalzten Verbindungen reduzieren der Beiwert fe für kurze Einwalzlängen und der Beiwert fy für den Fall, dass die Streckgrenze der Platte unter der des Rohres liegt, die übertragbare Last. Auch der nach dem Einwalzen verbleibende Fugendruck und sein Abbau durch unterschiedliche Wärmedehnung im Betrieb werden bewertet.
- Zulässige Axiallast berechnen und vergleichen: Die maximal zulässige Axiallast Lmax der Verbindung ergibt sich aus Rohrquerschnitt, zulässiger Rohrspannung und den Faktoren fr, fe und fy. Sie wird mit der größten auftretenden Rohraxialkraft aus der Rohrbodenberechnung für alle Betriebszustände verglichen; bei Überschreitung sind Festigkeitsschweißung, Nuten oder längere Einwalzung vorzusehen.
Eingabegrößen
| Größe | Symbol | Einheit |
|---|---|---|
| Rohrquerschnitt | At | m² |
| Zulässige Spannung des Rohrwerkstoffs | Sa | N/mm² |
| Schweißnahtfaktor, gleichgesetzt mit fr(test) or fr(no test) | fr | - |
| Beiwert für die Länge des eingewalzten Teils des Rohrs | fe | - |
| Beiwert für den Unterschied der mechanischen Eigenschaften des Plattenwerkstoffes und des Rohrwerkstoffes | fy | - |
| Beiwert für Verbindungsfestigkeit Rohr | fT | - |
| Druck zwischen Rohr und Rohrplatte, der nach dem Einwalzen des Rohres bei der Fertigung übrig bleibt | P0 | MPa(p) |
| Druck zwischen Rohr und Rohrplatte, verursacht durch unterschiedliche thermische Ausdehnung | Pt | MPa(p) |
| Maximal zulässige Spannung, wie im anwendbaren Teil von Section II Part D angegeben | S | N/mm² |
| Streckgrenze des Plattenwerkstoffs bei T | Sy | N/mm² |
| Streckgrenze des Rohrwerkstoffs bei T | Sy,t | N/mm² |
| Berechnungstemperatur Rohrplatte | T | °C |
| Sicherheitsbeiwert | k | - |
| Art der Rohrverbindung | joint | – |
| Maximal zulässige Axilallast in jeder Richtung der Verbindung Rohrplatte-Rohr | Lmax | N |
| Nennweite Außendurchmesser Rohr | d0 | mm |
| Nennwanddicke Rohr | t | mm |
| Eingewalzte Rohrverbindung mit Verbesserungen? | enhancements? | – |
| Länge des eingewalzten Teils des Rohres | l | mm |
| Lastfall | conditions? | – |
| Schweißnahtfaktor berechnet aus Ergebnissen von Tests gemäß A-4 oder entnommen aus Tabelle A-2 für getestete Rohrverbindungen. Der kleinere Wert von beiden, es sei denn, er ist zugelassen in A-3(k) | fr(test) | - |
| Schweißnahtfaktor aus Tabelle A-2 für Rohrverbindungen, die nicht durch Test überprüft wurden | fr(notest) | - |
| Kleinste Axiallast, bei der Versagen bei Betriebstemperatur auftritt | L1(test) | N |
| Kleinste Axiallast, bei der Versagen der Heat-Soak-getesteten Werkstoffprobe bei Raumtemperatur auftritt | L2(test) | N |
Berechnungsergebnisse
| Größe | Symbol | Einheit |
|---|---|---|
| Betriebszustand A-5 (6) | (6) | – |
| Betriebszustand A-5 (7) | (7) | – |
Berechnungsoptionen
Art der Rohrverbindung
1 · 2 · 3 · 4 · 5 · 6 · 7 · 8 · 9 · 10 · 11 · 12
Eingewalzte Rohrverbindung mit Verbesserungen?
Nein · Ja
Art der Axialkräfte
Durch Druck verursacht · Durch Wärme oder durch Druck und Wärme verursacht (Schweissnahtdicke kleiner als Rohrwanddicke t) · Durch Wärme oder durch Druck und Wärme verursacht (alle übrigen)
Häufige Fragen
Wann lohnt sich die Qualifikation der Verbindung durch Versuche nach A-4?
Die tabellierten fr-Werte ohne Versuch sind bewusst konservativ – für nur eingewalzte Verbindungen ohne Nuten teils sehr niedrig. Auszieh- bzw. Push-out-Versuche an repräsentativen Probekörpern erlauben deutlich höhere Faktoren und damit schlankere Konstruktionen. Sie lohnen sich bei Serienfertigung, hohen Axialkräften oder wenn die Tabellenwerte den Nachweis knapp verfehlen. Die Proben müssen Fertigungsverfahren, Werkstoffe und Lochgeometrie der realen Verbindung abbilden.
Warum verliert eine reine Walzverbindung bei hoher Temperatur an Tragfähigkeit?
Die Walzverbindung trägt über Reibung aus dem Fugendruck, der beim Einwalzen als elastisch-plastische Vorspannung entsteht. Dehnt sich das Rohr im Betrieb stärker als die Platte (oder relaxiert der Werkstoff), baut sich dieser Fugendruck ab – Appendix A erfasst das über den Interface-Druck aus unterschiedlicher thermischer Ausdehnung und über Heat-Soak-Tests. Bei größeren Temperaturdifferenzen oder zyklischer Fahrweise ist deshalb eine zusätzliche Schweißung die robustere Lösung.
Was unterscheidet Dichtschweißung und Festigkeitsschweißung am Rohrboden?
Die Dichtschweißung (seal weld) soll nur Leckagen zwischen Rohr- und Mantelraum verhindern; ihre Tragfähigkeit wird nicht angerechnet, die Axiallast trägt die Walzverbindung. Die Festigkeitsschweißung (strength weld) ist mit definierter Nahtdicke für die volle Axiallast bemessen und erhält entsprechend hohe fr-Werte. Die Einstufung entscheidet über Nahtgeometrie, Prüfumfang und den anzusetzenden Verbindungsfaktor.
Gilt Appendix A verbindlich – und wie verhält er sich zu UHX?
Appendix A ist nonmandatory, wird aber praktisch immer herangezogen, wenn die Rohrbodenregeln (UHX bzw. VIII-2, 4.18) einen Nachweis der Rohr-Rohrboden-Verbindung gegen die berechneten Axialkräfte verlangen. Er liefert die zulässige Last der Verbindung; die auftretende Last kommt aus der Rohrbodenberechnung. Vertraglich kann der Kunde zusätzlich strengere Regeln (z. B. HEI, kundenspezifische Spezifikationen) fordern.