Aufgabenstellung und Berechnungsziel
Das Modul A189 berechnet Schwimmkopf-Rohrböden (Floating Tubesheets) von Rohrbündel-Wärmeübertragern nach ASME BPVC Section VIII, Division 2, Abschnitt 4.18. Bei der Schwimmkopf-Bauart ist nur ein Rohrboden fest mit Mantel und Vorkammer verbunden, während der zweite Rohrboden mit dem Schwimmkopf axial beweglich bleibt. Die Wärmedehnung des Rohrbündels wird dadurch weitgehend zwängungsfrei aufgenommen – ein entscheidender Vorteil bei großen Temperaturdifferenzen zwischen Rohr- und Mantelseite.
Berechnet werden der feststehende und der schwimmende Rohrboden für die maßgebenden Druck-Lastfälle, dazu die angrenzenden Bauteile: Das Modul weist unter anderem die erforderliche Vorkammerdicke und Manteldicke ohne Zuschläge aus und berücksichtigt bei geflanschten Konfigurationen die Schraubenlasten einschließlich der Dichtungssetzkraft nach Appendix 2-5, die als Randmoment auf den Rohrboden wirkt.
Gebraucht wird diese Berechnung im Apparatebau überall dort, wo Rohrbündel gezogen und mechanisch gereinigt werden müssen oder wo Festkopf-Bauarten wegen der Differenzdehnung ausscheiden – typisch bei Prozesswärmetauschern in Raffinerien und Chemieanlagen nach TEMA-Bauformen P, S, T oder W.
Regelwerk und Berechnungsbasis: ASME BPVC VIII-2, A4189 2025
So läuft die Berechnung ab
- Bauart und Konfiguration festlegen: Zuerst wird die Schwimmkopf-Konfiguration nach 4.18 gewählt (z. B. innenliegender Schwimmkopf mit Flanschring oder außengedichteter Schwimmkopf). Sie bestimmt die Randbedingungen beider Rohrböden und welche Bauteile – Vorkammer, Mantel, Flansche – in die Berechnung eingehen.
- Geometrie des Rohrfelds erfassen: Rohrbodendurchmesser, Rohrteilung, Rohrabmessungen und Rohranzahl liefern die Ligamenteffizienz und die effektiven elastischen Kenngrößen der perforierten Platte, mit denen beide Rohrböden als äquivalente Vollplatten behandelt werden.
- Lastfälle aus den Drücken aufstellen: Rohrseitiger und mantelseitiger Druck werden einzeln und gemeinsam angesetzt. Anders als beim Festkopf entfallen thermische Zwangslastfälle weitgehend, weil der Schwimmkopf die Differenzdehnung freigibt – die Drucklastfälle bleiben jedoch für beide Rohrböden nachzuweisen.
- Randlasten aus Flansch und Dichtung ansetzen: Bei geflanschten Rohrböden gehen Schraubenkräfte und die Dichtungssetzkraft 0,5·(Aₘ+Aᵇ)·Kₛₚ/Sₛₚ nach Appendix 2-5 als Randmomente ein. Sie können die Biegebeanspruchung des Rohrbodens maßgeblich erhöhen, insbesondere im Einbauzustand.
- Nachweise führen: Für jeden Lastfall werden Biege- und Schubspannungen beider Rohrböden, die axialen Rohrspannungen samt Knicknachweis sowie die erforderlichen Wanddicken von Vorkammer und Mantel im Anschlussbereich mit den zulässigen Werten verglichen. Bei Überschreitung wird die Rohrbodendicke iterativ angepasst.
Eingabegrößen
| Größe | Symbol | Einheit |
|---|---|---|
| Variable 1 | T= < | – |
| Werkstoff Boden | – | – |
| Dicke | < | – |
| Auß.durchm. | – | – |
| Kennwert | *) | – |
| Be.Kennwert | – | – |
| Sicherheit | – | – |
| Betr.Sich. | – | – |
| E-Modul | **) | – |
| Zuschlag c1 | – | – |
| Korr.Zus.c2 | – | – |
| Figur | – | – |
| Wärmedehng. | – | – |
| Lastfall (1=Betrieb, 2+3=Prüfung bei 20°C, 4=sonstige) | – | – |
| Variable 17 | *) | – |
| Fließgrenze | – | – |
| Streckgrenze | – | – |
| Zugfestigk. | – | – |
| Zul.Spann. | *) | – |
| Fall 4-7 | *) | – |
| Werkst. Mantel (Typ abc) | – | – |
| Betriebs-Innendruck mantelseitig | Ps | – |
| Dicke | – | – |
| Auß.durchm. | – | – |
Berechnungsergebnisse
| Größe | Symbol | Einheit |
|---|---|---|
| Vorkammerdicke ohne Zuschläge | tc | – |
| Manteldicke ohne Zuschläge | ts | – |
| Dichtungssetzkraft = 0.5(Am+Ab)·Ksp/Ssp, App.2-5 | W | – |
Häufige Fragen
Wann wählt man einen Schwimmkopf statt eines Festkopf-Rohrbodens?
Wenn die Temperaturdifferenz zwischen Rohrbündel und Mantel so groß ist, dass beim Festkopf unzulässige Zwangsspannungen entstehen würden, oder wenn das Bündel zum Reinigen gezogen werden muss. Der Schwimmkopf entkoppelt die axiale Dehnung, erkauft dies aber mit einer aufwendigeren Konstruktion, einer zusätzlichen inneren Dichtstelle und etwas geringerer Rohrfeldausnutzung.
Müssen beim Schwimmkopf trotzdem thermische Lastfälle betrachtet werden?
Die axiale Differenzdehnung wird durch den beweglichen Rohrboden freigegeben, daher entfallen die für Festköpfe typischen Zwangslastfälle. Radiale Temperaturgradienten im Rohrboden selbst und unterschiedliche Betriebszustände (nur eine Seite unter Druck, Anfahren, Drucktest) sind aber weiterhin als eigene Lastfälle nachzuweisen.
Warum erscheint die Dichtungssetzkraft nach Appendix 2-5 in der Rohrbodenberechnung?
Beim geflanschten Rohrboden wirkt die Schraubenkraft nicht nur auf den Flanschring, sondern erzeugt über den Hebelarm zur Dichtung ein Randmoment auf die Platte. Im Einbauzustand (gasket seating) ist die Schraubenkraft 0,5·(Aₘ+Aᵇ)·Sᵇ maßgebend; sie kann die Plattenbiegung stärker beanspruchen als der Betriebsdruck und darf deshalb nicht vernachlässigt werden.
Was begrenzt den zulässigen Betriebsbereich des außengedichteten Schwimmkopfs?
Bei außengedichteten Bauarten (TEMA W) trennt nur eine Packung Rohr- und Mantelseite gegen Atmosphäre. Regelwerke und Betreibervorschriften begrenzen solche Konstruktionen üblicherweise auf moderate Drücke und unkritische Medien, weil ein Packungsversagen direkt zur Leckage nach außen führt. Für höhere Anforderungen sind innenliegende Schwimmköpfe mit verschraubtem Deckel vorzusehen.