Eberhard Wegener

FestigkeitsberechnungVerfahrenstechnischer Apparate

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Eberhard Wegener

Festigkeitsberechnung

Verfahrenstechnischer Apparate

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Eberhard Wegener

FestigkeitsberechnungVerfahrenstechnischer Apparate

Prof. Dr.-Ing. Eberhard WegenerTechnische Fachschule WildauFachbereich Ingenieurwesen/WirtschaftsingenieurwesenApparate- und AnlagentechnikBahnhofstraße15745 Wildau

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Die Deutsche Bibliothek – CIP-EinheitsaufnahmeEin Titeldatensatz f�r diese Publikation ist beiDer Deutschen Bibliothek erh�ltlich.

�Wiley-VCH Verlag GmbH, Weinheim, 2002

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Printed in the Federal Republic of Germany

Satz K�hn & Weyh, Satz und Medien, FreiburgDruck und Bindung betzdruck GmbH, DarmstadtBindung Großbuchbinderei J. Sch�ffer GmbH &

Co. KG, Gr�nstadt

ISBN 3-527-30454-1

V

Vorwort IX

Formelzeichen und Einheiten nach dem AD-Regelwerk 11

1 Einf�hrende Bemerkungen 1

2 Gundlegende Vorschriften und Nachweise 152.1 Vorschriften 152.2 Nachweise 23

3 Ermittlung von Berechnungswerten 253.1 Allgemeines 253.2 Grundlagen 263.2.1 Berechnungsdruck 263.2.2 Berechnungstemperatur 283.2.3 Festigkeitskennwert 283.2.4 Sicherheitsbeiwert 303.2.5 Ber�cksichtigung der Ausnutzung der zul�ssigen Berechnungs-

spannung in F�geverbindungen oder zur Ber�cksichtigung vonVerschw�chungen 30

3.2.6 Zuschlag zur Ber�cksichtigung der Wanddickenunterschreitung c1 313.2.7 Abnutzungszuschlag c2 323.3 Beispiele 33

4 Methodische �bersicht 43

5 Berechnung zylindrischer Wandungen 455.1 Grundlagen 455.2 Zylindrische Wandungen unter innerem �berdruck ohne Ausschnitte,

Beispiele 525.3 Zylindrische Wandungen unter innerem �berdruck mit Ausschnitten,

Hinweise und Beispiele 62

Inhaltsverzeichnis

VI

5.4 Zylindrische Wandungen unter �ußerem �berdruck ohne Ausschnittesowie unter innerem und �ußerem �berdruck, Hinweise undBeispiele 111

5.5 Zylindrische Wandungen unter �ußerem �berdruck mit Ausschnittensowie unter innerem und �ußerem �berdruck, Hinweise undBeispiele 145

6 Berechnung gew�lbter B�den 1636.1 Grundlagen 1636.2 Gew�lbte B�den unter innerem �berdruck ohne Ausschnitte, Hinweise

und Beispiele 1686.3 Gew�lbte B�den unter innerem �berdruck mit Ausschnitten, Hinweise

und Beispiele 1776.4 Gew�lbte B�den unter �ußerem �berdruck sowie unter innerem und

�ußerem �berdruck, Hinweise und Beispiele 193

7 Berechnung kegelf�rmiger M�ntel 2117.1 Grundlagen 2117.2 Kegelf�rmige M�ntel unter innerem �berdruck ohne Ausschnitte,

Hinweise und Beispiele 2167.3 Kegelf�rmige M�ntel unter innerem �berdruck mit Ausschnitten,

Hinweise und Beispiele 2347.4 Kegelf�rmige M�ntel unter �ußerem �berdruck sowie unter innerem

und �ußerem �berdruck, Hinweise und Beispiele 237

8 Berechnung von Tellerb�den 2478.1 Grundlagen 2478.2 Tellerb�den unter innerem �berdruck ohne Ausschnitte 2498.2.1 Tellerb�den mit gleicher Wanddicke in der Kugelschale und im

Flansch 2498.2.2 Tellerb�den mit losen Flanschen 2538.2.3 Tellerb�den mit verst�rktem Flansch 2558.3 Tellerb�den mit Ausschnitten 2678.4 Tellerb�den unter �ußerem �berdruck 268

9 Berechnung von Flanschverbindungen 2739.1 Grundlagen 2739.2 Schraubenkr�fte und Schraubendurchmesser 2779.3 Berechnung von Flanschen 2869.3.1 Allgemeines 2869.3.2 Vorschweißflansche mit konischem Ansatz 2889.3.3 Vorschweißbunde mit konischem Ansatz 2919.3.4 Aufschweißflansche 2919.3.5 Aufschweißbunde 2949.3.6 Losflansche 294

Inhaltsverzeichnis

VII

9.4 Flanschblattneigung 2969.5 Sonderformen von Flanschen 2979.5.1 Nach innen liegende Aufschweißflansche 2979.5.2 Flansche mit Klappschrauben 2989.5.3 Flansche mit durchgehender Dichtung 3009.5.4 Geteilte Losflansche 3009.5.5 Losflansche mit geteiltem Einlegering 3029.5.6 Geschraubte Flansche 3049.5.7 Rechteckflansche 3049.5.8 Ovale Flansche 3079.5.9 Flansche mit O-Ring-Dichtung

10 Berechnung ebener B�den 34910.1 Allgemeines 34910.2 Ebene B�den und Platten ohne Ausschnitte 35410.2.1 Unverankerte runde ebene B�den und Platten ohne zus�tzliches Rand-

moment 35410.2.2 Unverankerte runde ebene B�den und Platten mit zus�tzlichem Rand-

moment 35510.3 Ebene B�den und Platten mit Ausschnitten 35710.4 Beispiele 35810.5 Ebene B�den an Rohrb�ndel-W�rme�bertragern 38210.5.1 Allgemeines 38210.5.2 Rohrb�den an Rohrb�ndel-W�rme�bertragern mit festem Rohrb�n-

del 38910.5.2.1 Bemessung 38910.5.2.2 Spannungen und zul�ssige Temperaturdifferenzen 39610.5.3 Rohrb�den an Rohrb�ndel-W�rme�bertragern mit U-Rohr-B�ndel 40510.5.4 Rohrb�den an Rohrb�ndel-W�rme�bertragern mit Schwimmkopf 40710.5.5 Rohrb�den an Rohrb�ndel-W�rme�bertragern mit Kompensator 415

11 Die Ber�cksichtigung lokaler Lasteinleitungen in Apparatewandungen 42111.1 Grundlagen 42111.2 Trag�sen an Apparatewandungen 42311.3 Traglaschen an Apparatewandungen 42411.4 Tragzapfen an Zylinderschalen 43011.5 Tragpratzen an Zylinderschalen 43811.6 Tragringe an Zylinderschalen und Ringtr�ger 45411.7 Apparate mit Tragf�ßen 46211.8 Apparate mit Tragmantel (Standzarge) 46811.9 Apparate auf S�tteln 47211.10 Lokale Lasteinleitungen durch Stutzenkr�fte 48111.11 Sonstige lokale Lasteinleitungen 484

Inhaltsverzeichnis

VIII

12 Komplexbeispiel 489

13 Dimensionierungsvergleich AD-Regelwerk – ASME-Codes 515

Literaturverzeichnis 539

Anlagen 547

Register 613

Inhaltsverzeichnis

IX

Verfahrenstechnische Apparate und Beh�lter m�ssen neben ihrer Funktionserf�l-lung, die durch die verfahrenstechnische Auslegung gew�hrleistet wird, vor allemSicherheit in allen Lebensphasen besitzen. Um dieses zu gew�hrleisten, ist die Ein-haltung von Vorschriften und Regeln f�r die Berechnung, die Herstellung und dieAbnahme der Apparate Voraussetzung. Innerhalb der Ausbildung von k�nftigenVerfahrens- oder Maschinenbauingenieuren steht – auch wenn Verfahren–Apparat–Anlage als Einheit gesehen werden – im allgemeinen wenig Raum f�r die Behand-lung derartiger Probleme zur Verf�gung.

Unabh�ngig hiervon wird von einem Verfahrenstechniker oder Maschinenbaueraber ein ausreichendes Grundwissen auch auf dem Gebiet der festigkeitsm�ßigenApparatedimensionierung verlangt, ohne das er die sich aus der Abh�ngigkeit vonVerfahren-Apparat-Anlage ergebenden Randbedingungen in seiner konstruktiv/rechnerischen T�tigkeit nicht ausreichend ber�cksichtigen kann. Dies betrifft ihnsowohl in einer Funktion als Mitarbeiter eines Auftraggebers, wie auch als m�gli-chen Auftragnehmer.

Die konstruktive Entwurfsarbeit von Apparaten unter Anwendung der Regel-werke bereitet den Studierenden, aber auch dem nicht unmittelbar mit dem Appa-ratebau befaßten Ingenieur, Schwierigkeiten, da ihnen einerseits ja noch die beruf-liche Erfahrung fehlt (die Studierenden h�ufig nicht einmal eine einschl�gigeBerufsausbildung absolviert haben) und die erworbenen Kenntnisse aus dem Stu-dium der F�cher Technische Mechanik, Konstruktionsgrundlagen, Werkstofftechniksowie Fertigungsverfahren nur unzureichend in Zusammenhang gebracht werden,andererseits das Regelwerk in seiner Anlage nat�rlich keinen Lehrbuchcharaktertr�gt.

Auftretende Probleme, besonders die notwendige �bereinstimmung von Gestal-tung und Bemessung unter Ber�cksichtigung von �ußeren Randbedingungen, sinddaher f�r die Studierenden nur zeitaufwendig und meist nur begrenzt l�sbar. Dievorliegende Themenbehandlung mit Beispielen soll dazu dienen, die Anwendungdes Regelwerkes zu erleichtern, die Methodik der Aufgabenl�sungen zu erlernenund die Studierenden mit L�sungsvarianten vertraut zu machen. Mit dieser Vor-gehensweise wird es auch dem Ingenieur angrenzender Fachgebiete, in denen derApparatebau eine Rolle spielt, erleichtert, sich in die Dimensionierungsproblematik

Vorwort

schnell einzuarbeiten und mit Hilfe des AD-Regelwerkes eine Bemessung derApparate und ihrer Elemente vorzunehmen.

Die unterschiedlich gestellten Aufgaben und Beispiele setzen das Studium rele-vanter Vorlesungen, aber in jedem Fall des dem Buche zugrundeliegenden Regel-werkes (AD-Merkbl�tter[1]) voraus, sie erg�nzen es im Hinblick auf Auslegung undAnwendung, insbesondere durch die Einbeziehung konstruktiv-fertigungstech-nischer Gesichtspunkte. Zu den rechnerisch ermittelten Festlegungen werden – wosinnvoll – konstruktive Details zur L�sung vorgeschlagen. Ausgew�hltes Bildmate-rial soll zum Verst�ndnis und zur Verbesserung der Anschaulichkeit beitragen unddas Vorstellungsverm�gen vor allem der Studierenden schulen.

Vom Aufbau her erfolgt die Problembehandlung beginnend mit einfachen Bau-teilen, um das Grundlagenwissen zu festigen, anschließend werden auch einigeBeispielrechnungen vorgestellt, die nicht mit dem Regelwerk gel�st werden k�n-nen, um den Blick auch auf weitere Berechnungsmethoden nach dem Stand derTechnik zu richten.

In den Rechnungen wird auf das jeweilig anzuwendende AD-Merkblatt verwie-sen, wo n�tig, werden Querverweise auf andere Quellen bzw. zu beachtende Rand-bedingungen gegeben. In den F�llen, wo eine L�sung mit weiterf�hrender Literaturvorgestellt wird, sind Unterlagen beigef�gt, die die Nachvollziehbarkeit gew�hr-leisten und eigene Berechnungen gestatten. Jedem Abschnitt ist ein Leitfaden vor-angestellt. Damit wird dem Interessentenkreis eine geeignete Unterlage zur Ver-f�gung gestellt, die es ihm erm�glicht, L�sungswege anhand des Regelwerkes nach-zuvollziehen und auf analoge praktische Problemf�lle selbst�ndig anzuwenden,oder sich vertiefend auch der weiteren genannten Literatur zu widmen.

Dem WILEY-VCH Verlag sei an dieser Stelle f�r die Unterst�tzung und sehr guteZusammenarbeit bei der Gestaltung des Buches, insbesondere bei der Bearbeitungdes umfangreichen Bildmaterials gedankt. Der Dank gilt weiterhin den VerlagenCarl Heymanns, Stahleisen, T�V Rheinland sowie Linde KCA, die mit der Geneh-migung zur �bernahme von Bild- und Textmaterial das Vorhaben wohlwollendunterst�tzt haben, sowie den Firmen, die freundlicherweise Informationsmaterialzur Verf�gung gestellt haben.

Der Autor ist sich dar�ber klar, daß mit dieser ersten Auflage nicht in allen F�lleneine ausgewogene Darstellung des umfangreichen Fachgebietes erfolgt ist, da vonden unterschiedlichen Anwendern – vom Studierenden bis zum praktisch t�tigenIngenieur – auch ein unterschiedlicher Erwartungsanspruch besteht. Deshalb wer-den Hinweise und Anregungen zu Verbesserungen dankbar entgegen genommen.

F�rstenwalde, im Oktober 2001 Eberhard Wegener

VorwortX

XI

AD-Merkblatt B 0 Berechnung von Druckbeh�ltern, Ausgabe Januar 1995

a Hebelarm mmb Breite mmc1 Zuschlag zur Ber�cksichtigung der Wanddicken-

unterschreitung mmc2 Abnutzungszuschlag mmd Durchmesser eines Ausschnittes, eines Flansches,

einer Schraube mmda Außendurchmesser eines Rohres, Stutzens, Flansches mmdi Innendurchmesser eines Rohres, Stutzens, Flansches mmdt Teilkreisdurchmesser mmdD mittlerer Dichtungsdurchmesser mme breite Seite einer rechteckigen oder elliptischen Platte mmf schmale Seite einer rechteckigen oder elliptischen Platte mmg Schweißnahtdicke mmh H�he mmk0 Dichtungskennwert f�r die Vorverformung mmk1 Dichtungskennwert f�r den Betriebszustand mml L�nge mmn Anzahl –p Berechnungsdruck barp¢ Pr�fdruck barr Radius allgemein, z. B. �bergangsradius mms erforderliche Wanddicke einschl. Zuschl�gen mmse ausgef�hrte Wanddicke mmv Faktor zur Ber�cksichtigung der Ausnutzung der

zul�ssigen Berechnungsspannung in F�geverbindungenoder Faktor zur Ber�cksichtigung von Verschw�chungen –

x Abklingl�nge –A Fl�che mm2

C, b Berechnungswerte –D Durchmesser des Grundk�rpers mm

Formelzeichen und Einheiten nach dem AD-Regelwerk[1]

Da Außendurchmesser, z. B. einer Zylinderschale mmDi Innendurchmesser, z. B. einer Zylinderschale mmE Elastizit�tsmodul bei Berechnungstemperatur N/mm2

F Kraft NJ Fl�chentr�gheitsmoment mm4

K Festigkeitskennwert bei Berechnungstemperatur N/mm2

KD Form�nderungswiderstand des Dichtungswerkstoffesbei Raumtemperatur N/mm2

K20 Festigkeitskennwert bei 20 �C N/mm2

M Moment NmmR Radius einer W�lbung mmS Sicherheitsbeiwert beim Berechnungsdruck –S¢ Sicherheitsbeiwert beim Pr�fdruck –SD Sicherheitsbeiwert gegen Undichtheit –SK Sicherheitsbeiwert gegen elastisches Einbeulen beim

Berechnungsdruck –S¢K Sicherheitsbeiwert gegen elastisches Einbeulen beim

Pr�fdruck –SL Lastspielsicherheit –W Widerstandsmoment mm3

Z Hilfswert –l Querkontraktionszahl –r Spannung N/mm2

W, T Temperatur �C

AD-Merkblatt B1 Zylinder- und Kugelschalen unter innerem �berdruck, Ausgabe Juni 1986

Formelzeichen und Einheiten nach AD-Merkblatt B 0

AD-Merkblatt B 2 Kegelf�rmige M�ntel unter innerem und �ußerem �berdruck,Ausgabe Januar 1995

Zus�tzlich zu AD-Merkblatt B 0 gilt:Da1 Außendurchmesser des angeschlossenen Zylinders mmDa2 Außendurchmesser an einer wirksamen Versteifung mmDK Berechnungsdurchmesser mmDS Manteldurchmesser am Stutzen gem�ß Bild 2 mml Kegell�nge zwischen wirksamen Versteifungen mmsg erforderliche Wanddicke außerhalb des Abklingbereiches mmsi erforderliche Wanddicke innerhalb des Abklingbereiches mmxi Abklingl�nge (i = 1,2,3; siehe Bild 1 und Formel (5)) mmj Kegel�ffnungswinkel Grad

Formelzeichen und Einheiten nach dem AD-RegelwerkXII

AD-Merkblatt B 3 Gew�lbte B�den unter innerem und �ußerem �berdruck,Ausgabe Oktober 1990

Zus�tzlich zu AD-Merkblatt B 0 gilt:r innerer Krempenradius mm

AD-Merkblatt B 4 Tellerb�den, Ausgabe Mai 1999

Zus�tzlich zu AD-Merkblatt B 0 gilt:b Breite des Flanschblattes mmhf H�he des Flanschblattes mmr �bergangsradius vom Flanschblatt zur Kugelschale mms0 erforderliche Wanddicke der ungest�rten Kugelkalotte mmF Kr�fte am Flanschblatt NM Moment am Flanschblatt Nmmj hier: Flanschblattneigung Grad�xx Hilfswert mm

AD-Merkblatt B 5 Ebene B�den und Platten nebst Verankerungen, Ausgabe Januar 1995

Zus�tzlich zu AD-Merkblatt B 0 gilt:d1,d2 Berechnungsdurchmesser mmlK Knickl�nge mmlW Walzl�nge mmpi, pu Berechnungsdruck in den Rohren bzw. um die Rohre barD1, D2, D3, D4 Berechnungsdurchmesser mmFA Axialkraft NFK Knickkraft NFR Rohrkraft Nt hier: Teilung mmk Schlankheitsgrad –

AD-Merkblatt B 6 Zylinderschalen unter �ußerem �berdruck, Ausgabe Januar 1995

Zus�tzlich zu AD-Merkblatt B 0 gilt:bm zweifache Abklingl�nge mml Zylinderl�nge zwischen wirksamen Versteifungen mmlm mittragende Schalenl�nge mmpe elastischer Beuldruck der Versteifung barq hier: Abflachung mmu Unrundheit %G Berechnungshilfsgr�ße –H Berechnungshilfsgr�ße –

Formelzeichen und Einheiten nach dem AD-Regelwerk XIII

AD-Merkblatt B 7 Schrauben, Ausgabe Juni 1986

Zus�tzlich zu AD-Merkblatt B 0 gilt:bD wirksame Dichtungsbreite mmc5 Konstruktionszuschlag f�r Starrschrauben mmdK Kerndurchmesser eines Schraubengewindes mmdS Schaftdurchmesser einer Schraube mmn Anzahl der Schrauben –AD druckbelastete Fl�che mm

2

KDW Form�nderungswiderstand des Dichtungswerkstoffesbei Berechnungstemperatur N/mm2

UD mittlerer Dichtungsumfang mmX Anzahl der K�mme –j hier: Hilfswert –

AD-Merkblatt B 8 Flansche, Ausgabe Februar 1998

Zus�tzlich zu AD-Merkblatt B 0 gilt:dF Flankendurchmesser mmdL Schraubenlochdurchmesser mmhA Gesamth�he des Flansches mmhE H�he eines Einlegeringes mmhF H�he des Flanschblattes mmpF Fl�chenpressung N/mm

2

sF Flanschdicke am �bergang mms1 Zargenwanddicke mmW Flanschwiderstand mm3

AD-Merkblatt B 9 Ausschnitte in Zylindern, Kegeln und Kugeln, Ausgabe Juni 1995

Zus�tzlich zu AD-Merkblatt B 0 gilt:b Breite einer scheibenf�rmigen Verst�rkung oder

mittragende Breite des Grundk�rpers mmh H�he einer scheibenf�rmigen Verst�rkung mml Stegl�nge zwischen zwei Stutzen mm

Mittragende Stutzenl�nge mmlS, lS neu verringerte mittragende Stutzenl�nge mmm innerer Rohr�berstand mmsA erforderliche Wanddicke am Ausschnittsrand mmsS Stutzenwanddicke mmt hier: Mittenabstand zweier Stutzen mmvA Faktor zur Ber�cksichtigung von Verschw�chungen

durch Ausschnitte –

Formelzeichen und Einheiten nach dem AD-RegelwerkXIV

AD-Merkblatt B 10 Dickwandige zylindrische M�ntel unter innerem �berdruckAusgabe Juni 1986

Zus�tzlich zu AD-Merkblatt B 0 gilt:a hier: lineare W�rmeausdehnungszahl 1/ �C

AD-Merkblatt B 13 Einwandige Balgkompensatoren, Ausgabe Mai 1999

Zus�tzlich zu AD-Merkblatt B 0 gilt:b zylindrische Balgbordh�he mmca Biegefederkonstante einer Balgwelle Nm/Gradcw Axialfederkonstante einer Balgwelle N/mmd mittlerer Innendurchmesser eines Kompensators mmc¢k Lateralfederkonstante eines Kompensatorbalges oder

eines Kompensators aus zwei gleichen B�lgen mitZwischenrohr N/mm2

f1 Wechselfestigkeitskennwert f�r Rundn�hte im Balg –f2 Kennwert f�r teilplastische Verformung –h Wellenh�he mmn hier: St�tzziffer –n1 St�tzziffer bei Verwendung der 1%-Dehngrenze –n0,2 St�tzziffer bei Verwendung der 0,2%-Dehngrenze –r Krempenradius (bei unterschiedlichen Radien an der

Innen- bzw. Außenkrempe gilt das arithmetische Mittel) mmw einseitiger Axialweg einer Balgwelle, gemessen aus der

neutralen Lage mmwa �quivalenter Axialweg einer Balgwelle f�r den

Biegewinkel a mmwk �quivalenter Axialweg der h�chstbeanspruchten Balgwelle

f�r den Lateralweg k¢ des Kompensators mmz Wellenzahl des Kompensators –zl Wellenzahl eines Kompensatorbalges eines Kompensators

aus zwei gleichen B�lgen mit Zwischenrohr –E20 Elastizit�smodul bei 20 �C N/mm

2

L1 Baul�nge eines Kompensators (Bild 6) mmL2 L�nge des Zwischenrohres mmMT auf den Kompensatorbalg wirkendes Torsionsmoment NmN hier: Lastspielzahl –Nzul zul�ssige Lastspielzahl –R hier: Rechenst�tzwert –R(cw) Rechenst�tzwert f�r Axialfederkonstante –R(p) Rechenst�tzwert f�r Druckbeanspruchung –R(w) Rechenst�tzwert f�r Axialbeanspruchung –Sum Sicherheitsbeiwert f�r die Umgangsspannung –Svp Sicherheitsbeiwert f�r die Vergleichsspannung –

Formelzeichen und Einheiten nach dem AD-Regelwerk XV

a hier: einseitiger Biegewinkel einer Balgwelle, gemessenvon der geraden Lage aus Grad

k¢ einseitiger Lateralweg eines Kompensators mit einemBalg bzw. mit zwei gleichen B�lgen und Zwischenrohr,gemessen von der geraden Lage aus (Bild 6) mm

2 · eages effektive Gesamtdehnungsschwingbreite %drvges Gesamtvergleichsspannungsschwingbreite N/mm

2

AD-Merkblatt S 3/0 Allgemeiner Standsicherheitsnachweis f�r Druckbeh�lter; Grunds�tze,Ausgabe Mai 1998

Zus�tzlich zu AD-Merkblatt B 0 gilt:dF Teilkreisdurchmesser der Auflagerelemente mmn Anzahl der Auflagerelemente –Gd betrieblich m�gliches maximales Gesamtgewicht des

Beh�lters in der betrachteten Schnittebene NGz betrieblich m�gliches minimales Gesamtgewicht des

Beh�lters in der betrachteten Schnittebene NM Gesamtmoment in der betrachteten Schnittebene der

Auflagerelemente aus �ußeren Lasten NmmNFd Druckkraft an Auflagerelementen NNFz maximale Zugkraft an Auflagerelementen N

AD-Merkblatt S 3/2 Allgemeiner Standsicherheitsnachweis f�r Druckbeh�lter;Beh�lter auf S�tteln, Ausgabe Februar 1998

Zus�tzlich zu AD-Merkblatt B 0 gilt:a1 Kragl�nge des Zylinders (Bild 2) mma2 Abstand der neutralen Faser des Versteifungsringes zur

Beh�lterwand (siehe Tabelle 3) mma3 Kragl�nge des Tanks (Bild 1) mmb1 Breite des Sattellagers (Bild 2) mmb2 Breite des Verst�rkungsbleches (Bild 2) mmb3 Verst�rkungsblech�berstand nach Bild 2 mmbe effektive Plattenbreite (Bild 6) mmee Ersatzwanddicke mmeef effektive Wanddicke nach Formel (11) mme2 Dicke des Sattelbleches mmf zul�ssige Spannung in der Beh�lterwand nach

AD-Merkblatt S 3/0 N/mm2

le mittragende L�nge der Zylinderwand nach Bild 2 mml2 L�nge des Sattellagerbleches mmn Anzahl der Lager –pf zul�ssiger �ußerer �berdruck barr Radius zur neutralen Faser des Verst�rkungsringes mm

Formelzeichen und Einheiten nach dem AD-RegelwerkXVI

t Dicke des mit der Schale verschweißtenVersteifungsringes mm

D Innendurchmesser der Zylinderschale mmFe Ersatz-Axialkraft aus den �rtlichen Membranspannungen

am Lager i nach Formel (6) NFi vorhandene Sattellast im Lager i NFN zul�ssige Axialkraft aus Stabilit�t NG Gesamtgewicht je Lastfall NK1 bis K14 Beiwerte –L Zylinderl�nge einschließlich h1Mi vorhandenes Moment �ber Lager i NmmQi vorhandene Querkraft �ber Lager i NW Widerstandsmoment mm3

b Beiwert f�r die Lagerbreite radd1 Umschlingungswinkel des Sattellagers Gradd2 Umschlingungswinkel des Sattelbleches Gradj Stabilit�tsbeiwert f�r Plattenbeulung nach Formel (19) –w Beiwert zur Bestimmung von Fi nach Bild 9 –W1 Verh�ltnis der lokalen Membranspannungen zu den

lokalen Biegespannungen –W2,i Auslastungsgrad der Schale durch globale Membran-

spannungen an Stelle i –e Dehnzahl –c Beiwert f�r den Bodenabstand –rmx Globale Membranspannung aus Biegung in

L�ngsrichtung N/mm2

rgr Biegegrenzspannung N/mm2

y Teilumschließungswinkel nach Bild 8 Grad

AD-Merkblatt S 3/3 Allgemeiner Standsicherheitsnachweis f�r Druckbeh�lter;Beh�lter mit gew�lbten B�den auf F�ßen, Ausgabe Mai 1999

Zus�tzlich zu AD-Merkblatt B 0 gilt:a �ußere, d. h. der Symmetrieachse abgewandte

Schalenoberfl�che –b hier: Abstand der Ankerschrauben mme Bodenwanddicke ohne Zuschl�ge mmf zul�ssige Beanspruchung (s. AD-Merkblatt S 3/0) N/mm2

i innere, d. h. der Symmetrieachse zugewandteSchalenoberfl�che –

l Fußplattenl�nge mmm hier: Exentrizit�t mmnS Anzahl der Schrauben je Fuß –q hier: Hilfswert –r0 Ersatzradius mm

Formelzeichen und Einheiten nach dem AD-Regelwerk XVII

� �berstand Fußplatte mmz hier: Traglastfaktor –A Querschnittsfl�che mm2

FV auf Symmetrieachse bezogene Kraft NM Schnittmoment NmmN Schnittkraft NRm hier: mittlerer Radius des Kalottenteiles mmU Hilfswert –W Widerstandsmoment mm3

a hier: Hilfswert –

AD-Merkblatt S 3/4 Allgemeiner Standsicherheitsnachweis f�r Druckbeh�lter;Beh�lter mit Tragpratzen, Ausgabe Mai 1999

Zus�tzlich zu AD-Merkblatt B 0 gilt:ab Abstand der Stegbleche mmae Exentrizit�t der Normalkraft im Stegblech mmap Exentrizit�t des Lastangriffs auf die Zylinderwand mmas Exentrizit�t des Lastangriffs auf das Stegblech mmba Breite des Auflagerblechs mmbs Breite des Ersatzstegblechens mmbv Breite des Verst�rkungsbleches mm

Blechdicken ohne Zuschl�ge:e Zylinderwanddicke ohne Zuschl�ge mmea Dicke des Auflagerblechs mmes Dicke des Stegblechs mmev Dicke des Verst�rkungsbleches mmhp H�he der Pratze mmhv H�he des Verst�rkungsbleches mmk Hilfswert –ls L�nge des Ersatzstegblechs mmtp Tiefe der Pratze mmCL Hilfswert –Cp Plattenbemessungswert –Fs Ankerschraubenkraft NH H�he des Beh�lters mmKL Hilfswert –M Schnittmoment NmmML Lastmoment NmmN Schnittkraft NNF PratzenkraftNS Normalkraft im Stegblech NRm mittlerer Radius des Zylinders mma Stegneigungswinkel �

Formelzeichen und Einheiten nach dem AD-RegelwerkXVIII

b Beiwert –bM Hilfswert –c Beiwert –k Schlankheitsgrad –

AD-Merkblatt S 3/5 Allgemeiner Standsicherheitsnachweis f�r Druckbeh�lter;Beh�lter mit Ringlagerung, Ausgabe Februar 1995

Zus�tzlich zu AD-Merkblatt B 0 gilt:d1, d2 Innen-, Außendurchmesser des Beh�lters mmd3, d4 Innen-, Außendurchmesser des Ringes mmd5 Durchmesser zum Querkraftmittelpunkt mmd6 Durchmesser zur Streckenlast mmd7 Durchmesser zur St�tzkraft mme1 Wanddicke des Beh�lters mme3, e4, e5 Wanddicke des Ringes mme6 Wanddicke der Versteifungsrippe mmf zul�ssige Beanspruchung (siehe AD-Merkblatt S 3/0) N/mm2

fB zul�ssige Beanspruchung des Beh�lterwerkstoffes N/mm2

fR zul�ssige Beanspruchung des Rippenwerkstoffes N/mm2

fT zul�ssige Beanspruchung des Ringwerkstoffes N/mm2

f*T reduzierte zul�ssige Beanspruchung des Ringwerkstoffes N/mm2

g Schweißnahtdicke mmmb zul�ssiges Einheitsbiegemoment (Tafel 1) Nmmmt zul�ssiges Einheitstorsionsmoment (Tafel 1) Nmmns St�tzenzahl –q vorhandene Linienlast Nqt zul�ssige Einheitsquerkraft Nt0 Abstand mmu Rippenbreite mmw Rippenh�he mmy Verh�ltnis Rippenh�he zu -breite –AT Querschnitt des Ringes (Bild 2) mm

2

F vorhandene Gesamtkraft, je nach Lastfall Nzul Fs zul�ssige Kraft pro St�tze, je nach Lastfall NG Eigenlast des Beh�lters, je nach Lastfall NM Biegemoment im Beh�lter aus �ußeren Lasten auf

Ringh�he, je nach Lastfall NmmMt Torsionsmoment im Ringquerschnitt, je nach Lastfall Nmmzul Mt zul�ssiges Torsionsmoment (f�r Ringquerschnitt nur

durch Torsion belastet) NmmMb Biegemoment im Ringquerschnitt Nmmzul Mb zul�ssiges Biegemoment (f�r Ringquerschnitt nur durch

Biegung belastet) NmmQ Querkraft im Ringquerschnitt N

Formelzeichen und Einheiten nach dem AD-Regelwerk XIX

zul Q zul�ssige Querkraft (f�r Ringquerschnitt nur durchQuerkraft belastet) N

Wb Widerstandsmoment gegen Biegung mm3

Wt Widerstandsmoment gegen Torsion mm3

Z0, Z1 Beiwerte, Parameter –a �ffnungswinkel zwischen zwei St�tzen Gradb bezogener Hebelarm der St�tzenkraft –d bezogener Hebelarm der Streckenlast –e Dehnungszahl f�r Beulnachweis –s Winkelkoordinate (Bild 1) Grad

AD-Merkblatt S 3/6 Allgemeiner Standsicherheitsnachweis f�r Druckbeh�lter;Beh�lter mit Stutzen unter Zusatzbelastung,Ausgabe Februar 1998

Zus�tzlich zu AD-Merkblatt B 0 gilt:a(eS/eA) Formelabk�rzung –b(eS/eA) Formelabk�rzung –ci (i= 1, 2) Zuschl�ge zur Wanddicke gem AD-Merkblatt B 0 mmdi Innendurchmesser des Stutzenrohres mmeA Wanddicke am Ausschnittsrand der Grundschale ohne

Zuschl�ge mmeS Wanddicke am Stutzen ohne Zuschl�ge mm�KK fiktive Festigkeitsreserve f�r Stutzenzusatzlasten mmDi Innendurchmesser des Grundrohres mma Spannungserh�hungsfaktor –r Ausnutzung der Festigkeit durch Druck –y Geometriefaktor –

Erg�nzungen zu Bezeichnungen: F�r die zeichnerische Darstellungwerden in Anlehnung an den Konstruktionskatalog[2] folgende Bezeichnungen�bernommen:

a1...an Kehlnahtdicke mmd1B Innendurchmesser des Beh�lters mmd2B Außendurchmesser des Beh�lters mmd1R Innendurchmesser des Rohres mmd2R Außendurchmesser des Rohres mmd3B Ausschnittsdurchmesser im Beh�lter mmd2F Außendurchmesser des Blockflansches mme Tiefe sonstiger N�hte mmh2 Abstand zwischen Beh�lterinnenkante und dem nicht

durchgesteckten Stutzenrohres oder Blockflanschesgemessen an der ung�nstigsten Stelle mm

h3 H�he des Blockflansches mm

Formelzeichen und Einheiten nach dem AD-RegelwerkXX

m �berstand des durchgesteckten Stutzens an der Stelle desMinimums mm

t1...tn Dicke der Plattierung mms2 Wanddicke des Beh�lters mms4 Breite des Blockflansches mms5 Wanddicke des Stutzenrohres mma �ffnungswinkel Grad

Formelzeichen und Einheiten nach dem AD-Regelwerk XXI

Verfahrenstechnische Anlagen sind durch eine Vielzahl von Apparaten und Beh�l-tern gekennzeichnet, in denen Prozesse ablaufen oder Medien gelagert werden,und die in ihrer funktionellen Abh�ngigkeit voneinander aufgestellt und durchKopplungen f�r die Medien-, Energie- und Informationsstr�me auf der Basisdistanzminimierender Wege verbunden sind, wobei Restriktionen aus den anlagen-bestimmenden Randbedingungen – wie z. B. Sicherheitsforderungen, Umwelt-schutz und Gestaltungsanforderungen aus Sicht der Montage, der Inbetriebnahme,des Betreibens und der Instandhaltung – zus�tzlich zu beachten sind.

Apparate m�ssen den funktionellen Ablauf des Verfahrens sicherstellen unddamit den aus dem Prozeß, aber auch den aus den Pr�f-, Transport- und Auf-stellungsbedingungen resultierenden Belastungen gen�gen. Erstere sind Gegen-stand des vorliegenden Buches, auf die weiteren wird an entsprechender Stelle ver-wiesen. Das Buch war in erster Linie f�r Studierende der Studieng�nge/Fachrich-tungen Verfahrenstechnik und Maschinenbau an Fachhochschulen gedacht undsoll ihnen durch das methodische L�sen von Aufgabenstellungen die Arbeit mitden z. Zt. g�ltigen Vorschriften – dem AD-Regelwerk[1] – erleichtern. Es dient f�rdiese deshalb nicht als Ersatz der theoretischen Grundlagen und Zusammenh�ngein der Festigkeits- und Stabilit�tsberechnung von Apparaten und ihren Bauteilen,wie sie in unterschiedlichem Maße Vorlesungsstoff relevanter Lehrveranstaltungensind. Hierf�r steht umfangreiche Fachliteratur mit differenzierendem Anforde-rungsniveau zur Verf�gung (z. B. Kantorowitsch[2], Drescher[3], Klapp[4], [5], Schwai-gerer[6], Lewin/L�ssig/Woywode[7] und Wagner[8], [9]. Dar�berhinaus soll es aber denIngenieuren dieser und artverwandter Fachrichtungen im Berufsleben eine Unter-st�tzung sein und vor allem durch die weiterf�hrende Literatur bei der L�sung vonProblemstellungen helfen.

Das AD-Regelwerk[1] gibt hinreichend Anleitung zur wirtschaftlichen und siche-ren Bemessung der wichtigsten druckf�hrenden Bauteile bei Druckbelastung undwird nur in auf einen notwendigen Umfang beschr�nktem Maße dargestellt. Dieumfangreichen Beispiele und �bungen erg�nzen es nur aus methodischer Sicht –deshalb ist die L�sung einiger Beispiele nur unter gleichzeitiger Benutzung desRegelwerkes und auch ohne Nutzung einschl�giger Software m�glich – mit einigenzus�tzlichen Bemerkungen aus der Notwendigkeit der Einheit von Bemessung und

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Einleitende Bemerkungen

1 Einleitende Bemerkungen

Gestaltung sowie einigen Hinweisen, welche Problemstellungen mit dem AD-Regelwerk nicht gel�st werden k�nnen.

In diesem Zusammenhang und in Erg�nzung der vorgenannten Fachb�cherwird es zur Festigung des Gesamtverst�ndnisses der Bemessungsprobleme desApparatebaues f�r notwendig erachtet, auch Ver�ffentlichungen in den einschl�gi-gen Fachzeitschriften, (z. B. Chemie-Ing.-Techn.[10], Chemieanlagen und Verfah-ren[11], Verfahrenstechnik[12] ) zu verfolgen in Zusammenhang mit der konstruk-tiven Ausf�hrung. F�r die aktuelle und schnelle Information �ber das ganze Spek-trum der Fachzeitschriften zu Problemen des Apparatebaues bilden dieVerfahrenstechnischen Berichte vtB[13] eine Grundlage. Problemstellungen, wie vonZwingenberger[14], [15] oder Schwind[16] erweitern das Verst�ndnis des in den Vor-lesungen angebotenen Lehrinhaltes und den allgemeinen Kenntnisstand wesent-lich. Dazu geh�ren auch Forschungsberichte, z. B.[17], [18].

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Abb. 1.1 Steamcracker. (Werksfoto BASF AG Ludwigshafen)

Obwohl im Vordergrund die festigkeitsm�ßige Auslegung der Apparate und ihrerElemente steht, darf nicht vergessen werden, daß sie nicht losgel�st vom Werkstoffund seiner Bearbeitung betrachtet werden darf. Grundkenntnisse der wichtigstenFertigungsverfahren, wie sie im Apparatebau zur Anwendung kommen, werdendaher vorausgesetzt bzw. k�nnen f�r den Werkstoffeinsatz in �bersichtlicher Formz. B. in Sattler/Kasper[19] nachgelesen werden. Die auch zu diesem Thema im Buchenthaltenen Abbildungen sollen immer wieder die notwendige Einheit von Bemes-sung und Gestaltung verdeutlichen.

Die verfahrenstechnischen Apparate, stehend oder liegend auf einem Fundamentoder in einem Ger�st verankert, bestehen aus �hnlichen Apparateelementen. Jedesdieser Bauteile unterliegt aufgrund seiner geometrischen Form speziellen Bean-spruchungen, die sich aus den Belastungen ergeben. Diese sind einteilbar nachZwingenberger[14] in

. Hauptbelastungen: Druck, unterschiedliche Dehnungen, Eigengewicht, F�ll-gewicht, Kr�fte aus verbindenen Rohrleitungen, durch Abst�tzungen, dyna-mische Kr�fte, Windkr�fte

. Nebenbelastungen: Aggressivit�t der Produkte (Korrosion), mechanischerAbtrag (Erosion), Temperatur (Kriechen, Alterung), Zahl der Lastspiele beiinstation�ren Betriebsvorg�ngen (Wechsel- oder Schwellbeanspruchung).

Hauptbelastungen �ußern sich unmittelbar in Spannungen, Nebenbelastungenbestimmen die Lebensdauer. Geometrische Formen sind M�ntel (zylinderf�rmig,kugel- oder kegelf�rmig, torusf�rmig (gew�lbte B�den in Kl�pper- oder Korbbogen-bodenform)) als Rotationsschalen, Stutzen mit oder ohne Verst�rkung der Schale,Flansche, Schrauben und Deckel, erg�nzt durch Prozeßeinbauten, Trag- und St�tz-elemente.

Aus str�mungs- und reaktionstechnischen Gr�nden herrscht im Apparatebau diekreisf�rmige Querschnittsform vor. Sie erm�glicht damit auch eine Festigkeits- undStabilit�tsrechnung mit guter �bereinstimmung zwischen Realit�t und Berech-nungsmodell mit f�r die praktischen F�lle zugeschnittenen einfachen Berech-nungsformeln sowie eine wirtschaftliche Fertigung.

Wie in den zitierten Fachliteratur nachgewiesen ist, treten in Rotationsschalen anden Stoßstellen verschiedener Schalensysteme (z. B. zylindrischer Mantel – gew�lb-ter Boden), an Verst�rkungen, an den Stoßstellen von Teilen unterschiedlicherWanddicke oder mit verschiedenen W�rmeausdehnungszahlen hohe Spannungs-spitzen auf, bedingt durch die unl�sbare Verbindung dieser Teile an den Stoßstel-len. Sie verhindert die unterschiedliche Einzelausdehung der Apparateelementedurch die Kontinuit�t der Konstruktion, die an den Stoßstellen nur gleiche Dehnun-gen gestattet und damit die Spannungsspitzen verursacht. Konstruktiv ist also dar-auf zu achten, daß sogenannte Steifigkeitsspr�nge m�glichst vermieden werdenoder durch konstruktive Maßnahmen die Spannungen auf ein zul�ssiges Maßbegrenzt werden.

Der Bezug zum verfahrenstechnischen Apparatebau ist durch die vielf�ltige Fach-literatur auf dem Gebiet der Mechanischen sowie der Thermischen Verfahrens-technik und die dort behandelten Wirkprinzipien mit ihren hieraus entstehenden

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1 Einleitende Bemerkungen4

Abb. 1.2 Blick in die Apparatefertigung – Einzelfertigung.(Werksfoto DSD Dillinger Stahl und Apparatebau GmbHSaarlouis)

Abb. 1.3 Fertigungshalle. (Werksfoto DSD Dillinger Stahl undApparatebau GmbH Saarlouis)

Bauarten und -formen gegeben, auf eine Behandlung dieser Themen wird hier ver-zichtet, da weitreichende �berblicksdarstellungen in Vauck/M�ller[20] und Titze/Wilke[21], zu finden sind, weiterf�hrende Zusammenh�nge enth�lt[22].

Voraussetzungen f�r die Beispielrechnungen sind, daß die verfahrenstechnischeDimensionierung vorliegt, d. h. Hauptabmessungen, Parameter f�r die verschiede-nen Belastungszust�nde, Medium und auch Werkstoff (der im allgemeinen auf-grund der Erfahrungen des Betreibers in Abstimmung mit dem Verfahrenstechni-ker festgelegt wird), Anzahl, Gr�ße und Lage von Funktionsanschl�ssen (auch ausder Sicht anlagentechnischer Anforderungen), Sicherheitseinrichtungen und MSR-Technik.

Diese Angaben werden in Form von Datenbl�ttern zur Verf�gung gestellt, in denensowohl verbale Aussagen als auch eine Apparateskizze enthalten sind. W�hrend dieHauptabmessungen und Funktionsanschl�sse als Ergebnis der verfahrenstechnischenAuslegung vorliegen, geht – wenn nicht verfahrensbedingt – die Lage der Anschl�sseaus demAufstellungsplan, verbundenmit der Rohrleitungsplanung, hervor.

Abb. 1.4 Apparatefertigung – Serienfertigung Beh�lter 450 m3.(Werksfoto DSD Dillinger Stahl und Apparatebau GmbHSaarlouis)

Ausf�hrungen hierzu sind vor allem in Ullmann’s Enzyklop�die[23], Bernecker[24]

und Sattler[19] zu finden. Eine besonders aussagef�hige Anfragezeichnung – weilDetailforderungen – mit Stutzentabelle enth�lt Abb. 1.5.

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1 Einleitende Bemerkungen

Abb. 1.5 Anfragezeichnung – Grundlage der Dimensionierungund Konstruktion. (Konstruktion und Statik im Stahl- undApparatebau IBW Ingenieurb�ro Wegener F�rstenwalde)

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