Aufgabenstellung und Berechnungsziel
Vor der Inbetriebnahme muss jeder Druckbehälter einer Druckprüfung unterzogen werden – üblicherweise als hydrostatische Prüfung mit Wasser. Dieses Modul berechnet den Prüfdruck für ein komplettes Projekt nach DIN EN 13445-5, Abschnitt 10.2: Für jedes Bauteil wird der erforderliche Prüfdruck aus dem maximal zulässigen Druck PS und dem Verhältnis der Werkstofffestigkeiten bei Prüf- und Berechnungstemperatur ermittelt; maßgebend für den Apparat ist der am höchsten Punkt anzusetzende Wert.
Der Hintergrund: Bei der Prüfung mit kaltem Wasser ist der Werkstoff fester als bei Berechnungstemperatur. Die Norm nutzt das aus und verlangt den größeren Wert aus zwei Kriterien – dem temperaturkorrigierten Ansatz mit dem Faktor 1,25 und dem Verhältnis der Nennspannungen fa/fTd sowie dem pauschalen Ansatz 1,43 · PS. Das Modul wertet beide Kriterien werkstoffbezogen für alle Bauteile des Projekts aus und liefert die zugrunde liegenden Materialkennwerte gleich mit.
Optional lassen sich Schrauben und Flansche in die Betrachtung einbeziehen oder ausschließen – relevant, wenn Flanschverbindungen den Prüfdruck begrenzen würden. Damit ist der Prüfdruck nach EN 13445 für den Gesamtapparat in einem Schritt bestimmt und dokumentiert.
Regelwerk und Berechnungsbasis: DIN EN 13445-5/10.2: 2021-12
So läuft die Berechnung ab
- Bauteile und Werkstoffe des Projekts einlesen: Das Modul übernimmt aus dem Projekt alle drucktragenden Bauteile mit ihren Werkstoffen, Berechnungstemperaturen und maximal zulässigen Drücken. Über die Eingabeoption kann gesteuert werden, ob Schrauben und Flansche bei der Ermittlung berücksichtigt werden sollen.
- Nennspannungen bei Prüf- und Berechnungstemperatur ermitteln: Für jeden Werkstoff werden die Nennspannung f_a bei Prüftemperatur (üblicherweise Raumtemperatur) und die Nennspannung f_Td bei Berechnungstemperatur bestimmt. Das Verhältnis f_a/f_Td bildet die Festigkeitsreserve ab, die der kalte Werkstoff gegenüber dem Betriebszustand besitzt.
- Prüfdruck je Bauteil nach beiden Kriterien berechnen: Für jedes Bauteil wird der Prüfdruck als Maximum aus 1,25 · PS · f_a/f_Td und 1,43 · PS gebildet. Bei warmfesten Stählen mit deutlichem Festigkeitsabfall bei Betriebstemperatur wird meist das erste Kriterium maßgebend, bei niedrigen Berechnungstemperaturen das zweite.
- Maßgebenden Prüfdruck am höchsten Punkt festlegen: Aus den Bauteilwerten wird der für den Apparat maßgebende Prüfdruck am höchsten Punkt des Behälters bestimmt. Bei der hydrostatischen Prüfung kommt an tiefer liegenden Stellen der statische Druck der Wassersäule hinzu – das ist bei hohen Apparaten für die Bewertung der unteren Schüsse zu beachten.
- Prüfbedingungen kontrollieren: Abschließend ist sicherzustellen, dass kein Bauteil im Prüfzustand unzulässig beansprucht wird: Für den Prüflastfall gelten eigene, höhere zulässige Spannungen (bezogen auf die Dehngrenze bei Prüftemperatur). Das Modul stellt die Materialkennwerte aller verwendeten Werkstoffe zusammen und macht die Bewertung nachvollziehbar.
Eingabegrößen
| Größe | Symbol | Einheit |
|---|---|---|
| Größtes (G) oder kleinstes (K) Verhältnis der Kennwerte wählen | Verhältni | - |
| Schrauben und Flansche berücksichtigen (1=Nein, 0=Ja) | 0=Ja) | - |
| Standard-Berechnungstemperatur | Ts | °C |
| Werkstoff 1 des Druckbehälters | Druckbehälters | - |
| Werkstoff 2 des Druckbehälters | Druckbehälters | - |
| Werkstoff 3 des Druckbehälters | Druckbehälters | - |
| Werkstoff 4 des Druckbehälters | Druckbehälters | - |
| Werkstoff 5 des Druckbehälters | Druckbehälters | - |
| Werkstoff 6 des Druckbehälters | Druckbehälters | - |
| Werkstoff 7 des Druckbehälters | Druckbehälters | - |
| Werkstoff 8 des Druckbehälters | Druckbehälters | - |
| Werkstoff 9 des Druckbehälters | Druckbehälters | - |
| Werkstoff 10 des Druckbehälters | Druckbehälters | - |
| Dokumentation Werkstoff 1 | 1 | - |
| Dokumentation Werkstoff 2 | 2 | - |
| Dokumentation Werkstoff 3 | 3 | - |
| Dokumentation Werkstoff 4 | 4 | - |
| Dokumentation Werkstoff 5 | 5 | - |
| Dokumentation Werkstoff 6 | 6 | - |
| Dokumentation Werkstoff 7 | 7 | - |
| Dokumentation Werkstoff 8 | 8 | - |
| Dokumentation Werkstoff 9 | 9 | - |
| Dokumentation Werkstoff 10 | 10 | - |
| Dicke Werkstoff 1 | 1 | mm |
Berechnungsoptionen
Druckprobe
liegend · stehend
Gelöstes Beispiel
Für einen Behälter aus P265GH mit maximal zulässigem Druck PS = 16 bar und Berechnungstemperatur 200 °C ist der Prüfdruck nach DIN EN 13445-5, Abschnitt 10.2.3.3.1, für die hydrostatische Prüfung bei Raumtemperatur zu bestimmen.
Gegebene Werte
| Maximal zulässiger Druck PS | 16 bar |
| Berechnungstemperatur | 200 °C |
| Prüftemperatur | 20 °C |
| Werkstoff | P265GH (Rp0,2/20 °C = 265 MPa; Rp0,2/200 °C = 192 MPa; Rm = 410 MPa) |
Lösungsweg
Nennspannungen bei Prüf- und Berechnungstemperatur
Nennspannung bei Prüftemperatur (20 °C):
fa = min(Rp0,2/20 °C/1,5; Rm/2,4) = min(265/1,5; 410/2,4) = min(176,7; 170,8) = 170,8 MPa
Nennspannung bei Berechnungstemperatur (200 °C):
fTd = min(192/1,5; 410/2,4) = min(128,0; 170,8) = 128,0 MPa
Beide Prüfdruck-Kriterien auswerten
Kriterium 1 (temperaturkorrigiert):
Pt1 = 1,25 · PS · fa/fTd = 1,25 · 16 · 170,8/128,0 = 26,69 bar
Kriterium 2 (pauschal):
Pt2 = 1,43 · PS = 1,43 · 16 = 22,88 bar
Maßgebenden Prüfdruck festlegen
Maßgebend ist das Maximum beider Kriterien:
Pt = max(26,69; 22,88) = 26,69 bar am höchsten Punkt des Behälters.
Wegen des Festigkeitsabfalls von P265GH zwischen 20 °C und 200 °C (Verhältnis fa/fTd = 1,33) ist hier das temperaturkorrigierte Kriterium bestimmend.
Ergebnis
| Nennspannung f_a (20 °C) | 170,8 MPa |
| Nennspannung f_Td (200 °C) | 128,0 MPa |
| Prüfdruck Pt | 26,69 bar (≈ 26,7 bar) |
Alle Werte sind beispielhaft. Maßgeblich sind das jeweils gültige Regelwerk und die projektspezifischen Randbedingungen.
Häufige Fragen
Warum enthält die Prüfdruckformel das Verhältnis f_a/f_Td?
Die Druckprüfung soll das Bauteil mindestens so stark beanspruchen, wie es der Auslegungszustand bei Betriebstemperatur tut. Da der Werkstoff bei Prüftemperatur (kalt) eine höhere Festigkeit besitzt als bei Berechnungstemperatur, wird der Prüfdruck mit dem Verhältnis der Nennspannungen hochskaliert. Ohne diese Korrektur würde ein bei 300 °C ausgelegter Behälter im kalten Zustand nur unvollständig auf sein Auslegungsniveau geprüft.
Wann ist 1,25 · PS · f_a/f_Td maßgebend und wann 1,43 · PS?
Das erste Kriterium dominiert, sobald f_a/f_Td > 1,144 ist – also bei Werkstoffen mit deutlichem Festigkeitsabfall zwischen Prüf- und Berechnungstemperatur, typisch ab Berechnungstemperaturen von etwa 150–200 °C aufwärts. Bei Behältern mit niedriger Berechnungstemperatur (f_a ≈ f_Td) liefert der pauschale Faktor 1,43 den größeren und damit maßgebenden Wert. Die Norm verlangt stets das Maximum beider Kriterien.
Warum kann es sinnvoll sein, Schrauben und Flansche aus der Prüfdruckermittlung auszunehmen?
Flanschverbindungen sind häufig das Bauteil mit dem geringsten zulässigen Druck, ohne dass ihre Grenze die Schalenfestigkeit widerspiegelt – etwa wegen der Dichtungskennwerte oder der Schraubenauslastung. Würden sie den Prüfdruck bestimmen, könnte der Apparat unter seinem eigentlich erforderlichen Niveau geprüft werden. Die Option erlaubt es, den Prüfdruck aus den drucktragenden Wandungen abzuleiten und die Flanschverbindung für den Prüflastfall gesondert zu bewerten.
Muss die Wassersäule bei der hydrostatischen Prüfung berücksichtigt werden?
Ja. Der berechnete Prüfdruck gilt am höchsten Punkt des Behälters. Bei stehenden Apparaten wirkt an den unteren Schüssen zusätzlich der statische Druck der Füllung – bei einer 20 m hohen Kolonne immerhin rund 2 bar. Die unteren Bauteile müssen diesen erhöhten Druck im Prüfzustand ertragen; umgekehrt darf das Manometer am Fußpunkt nicht als Referenz für den Prüfdruck am Scheitel dienen.