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KTA 3201.2 - Komponenten des Primärkreises von Leichtwasserreaktoren
Teil 2: Auslegung, Konstruktion und Berechnung

Fassung vom November 2013
(BAnz. AT vom 17.01.2014 B3; 17.05.2018 B8 aufgehoben)


Zur aktuellen Fassung

Frühere Fassungen der Regel:
1980-10 (BAnz. Nr. 152a vom 18. August 1981)
1984-03 (BAnz. Nr. 20a vom 30. Januar 1985)
1996-06 (BAnz. Nr. 216a vom 19. November 1996, Berichtigung BAnz. Nr. 129 vom 13. Juli 2000 und BAnz. Nr. 136 vom 22. Juli 2000)

Grundlagen

(1) Die Regeln des Kerntechnischen Ausschusses (KTA) haben die Aufgabe, sicherheitstechnische Anforderungen anzugeben, bei deren Einhaltung die nach dem Stand von Wissenschaft und Technik erforderliche Vorsorge gegen Schäden durch die Errichtung und den Betrieb der Anlage (§ 7 Abs. 2 Nr. 3 Atomgesetz -AtG-) getroffen ist, um die im AtG und in der Strahlenschutzverordnung (StrlSchV) festgelegten sowie in den "Sicherheitskriterien", "Störfall-Leitlinien" und "Sicherheitsanforderungen an Kernkraftwerke" (SiAnf) weiter konkretisierten Schutzziele zu erreichen.

(2) In den Sicherheitskriterien wird im Kriterium 1.1 "Grundsätze der Sicherheitsvorsorge" unter anderem eine umfassende Qualitätssicherung bei Fertigung und Errichtung, im Kriterium 2.1 "Qualitätsgewährleistung" des Weiteren die Anwendung, Aufstellung und Einhaltung von Auslegungs-, Werkstoff-, Bau-, Prüf-, und Betriebsvorschriften sowie die Dokumentation der Qualitätsüberwachung gefordert. Im Kriterium 4.1 "Druckführende Umschließung des Reaktorkühlmittels" wird unter anderem die Grundsatzforderung gestellt, dass gefährliche Leckagen, rasch fortschreitende Risse und spröde Brüche nach dem Stand von Wissenschaft und Technik ausgeschlossen sein müssen. Die Regel KTA 3201.2 dient zur Konkretisierung von Maßnahmen zur Erfüllung dieser Forderungen im Rahmen ihres Anwendungsbereichs. Hierzu wird auch eine Vielzahl im einzelnen aufgeführter Regeln aus dem konventionellen Bereich, insbesondere DIN-Normen, mit herangezogen. Für die Komponenten des Primärkreises werden die Forderungen der genannten Sicherheitskriterien zusammen mit den weiteren Regeln

KTA 3201.1 Werkstoffe und Erzeugnisformen
KTA 3201.3 Herstellung
KTA 3201.4 Wiederkehrende Prüfungen und Betriebsüberwachung sowie
KTA 3203 Überwachung des Bestrahlungsverhaltens von Werkstoffen der Reaktordruckbehälter von Leichtwasserreaktoren somit umfassend konkretisiert.

(3) Im Einzelnen werden in KTA 3201.2 die Anforderungen festgelegt, die zu stellen sind an:

  1. die Einstufung in Lastfallklassen und Beanspruchungsstufen,
  2. die Auslegung, Konstruktion und Berechnung der Komponenten,
  3. die Berechnungsverfahren und Konstruktionsprinzipien für die Erzielung und Einhaltung der geforderten Qualität der Komponenten,
  4. die Unterlagen für die vorzulegenden Nachweise.

(4) Forderungen, die nicht dem Zweck des sicheren Einschlusses des Primärkühlmittels dienen, werden in dieser Regel nicht behandelt.

1 Anwendungsbereich

(1) Diese Regel ist anzuwenden auf Auslegung, Konstruktion und Berechnung von Komponenten des Primärkreises von Leichtwasserreaktoren aus metallischen Werkstoffen, die bis zu Auslegungstemperaturen von 673 K (400 °C) betrieben werden.

(2) Zum Primärkreis als druckführende Umschließung des Reaktorkühlmittels gehören beim Druckwasserreaktor die folgenden Teile ohne Einbauten:

  1. Reaktordruckbehälter,
  2. Primärseite der Dampferzeuger; der Sekundärmantel der Dampferzeuger einschließlich der Speisewassereintritts- und Frischdampfaustrittsstutzen bis zu den Rohrleitungsanschlussnähten, jedoch ohne die kleineren Stutzen und Nippel, ist ebenfalls nach dieser Regel zu behandeln,
  3. Druckhalter,
  4. Hauptkühlmittelpumpengehäuse,
  5. verbindende Rohrleitungen zwischen den vorgenannten Komponenten und die darin enthaltenen Armaturengehäuse aller Art,
  6. von den vorgenannten Komponenten und den sie verbindenden Rohrleitungen abgehende Rohrleitungen einschließlich der darin enthaltenen Armaturengehäuse bis einschließlich der ersten Absperrarmatur,
  7. druckführende Wandungen der Steuerelementantriebe und der Kerninstrumentierung.

(3) Zur druckführenden Umschließung des Reaktorkühlmittels gehören beim Siedewasserreaktor die folgenden Teile ohne Einbauten:

  1. Reaktordruckbehälter,
  2. die zum gleichen Druckraum wie der Reaktordruckbehälter gehörenden Rohrleitungen einschließlich der in ihnen enthaltenen Armaturengehäuse bis einschließlich der ersten Absperrarmatur; die zum gleichen Druckraum wie der Reaktordruckbehälter gehörenden Rohrleitungen, die den Reaktorsicherheitsbehälter durchdringen, bis einschließlich der ersten außerhalb des Reaktorsicherheitsbehälters angeordneten Absperrarmatur,
  3. druckführende Wandungen der Steuerelementantriebe und der Kerninstrumentierung.

(4) Diese Regel gilt auch für den Abklingbereich von Komponentenstützkonstruktionen mit integralen Anschlüssen.

Hinweis:
Für die Abgrenzung des Abklingbereiches von Komponentenstützkonstruktionen mit integralen Anschlüssen ist Abschnitt 8.5 maßgebend.
Komponentenstützkonstruktionen mit nichtintegralen Anschlüssen für Primärkreiskomponenten sind in KTA 3205.1 geregelt.

(5) Diese Regel gilt nicht für Rohrleitungen und Armaturen kleiner als oder gleich DN 50, sie darf jedoch zur Erstellung von Spannungs- und Ermüdungsanalysen für Rohrleitungen und Armaturen gleich oder kleiner als DN 50 angewendet werden.

Hinweis:
Vereinfachte Vorgehensweisen sind in Abschnitt 8.4.1 (6) angegeben.
Anforderungen an Messleitungen sind in KTA 3507 geregelt.

2 Allgemeine Anforderungen und Begriffe

2.1 Begriffe

(1) Funktionsfähigkeit

Unter Funktionsfähigkeit wird die über die Standsicherheit und Integrität hinausgehende Fähigkeit zur Erfüllung der geforderten Aufgabe bei dem jeweiligen Ereignis verstanden.

Bei der Funktionsfähigkeit wird unterschieden, ob diese während oder nach dem Ereignis oder während und nach dem Ereignis gegeben sein muss. Dabei wird unterschieden zwischen aktiver und passiver Funktionsfähigkeit sowie zwischen aktiven und passiven Komponenten.

  1. Aktive Funktionsfähigkeit der Komponente stellt sicher, dass die spezifizierten mechanischen Bewegungen (relative Bewegungen zwischen Teilen) ausgeführt werden können (Beachtung z.B. der Möglichkeit des Schließens von Spielen, der Entstehung oder Änderung von Reibkräften).
  2. Passive Funktionsfähigkeit der Komponente bedeutet, dass zulässige Verformungen und Bewegungen nicht überschritten werden.
  3. Aktive Komponenten sind solche, für die zur Erfüllung der sicherheitstechnischen Aufgabenstellungen mechanische Bewegungen spezifiziert sind, z.B. Pumpen, Armaturen. Alle anderen Komponenten sind passive Komponenten, z.B. Behälter, Rohrleitungen.

(2) Integrität

Integrität ist der Zustand einer Komponente oder Barriere, bei dem die an sie gestellten sicherheitstechnischen Anforderungen hinsichtlich Festigkeit, Bruchsicherheit und Dichtheit erfüllt sind.

(3) Standsicherheit

Unter Standsicherheit wird die Sicherheit gegen unzulässige Veränderungen der Lage und des Aufstellortes verstanden (z.B. Umstürzen, Abstürzen, unzulässiges Verrutschen).

2.2 Allgemeine Anforderungen

(1) Bei der Auslegung, Konstruktion und Berechnung sind die in diesem Abschnitt dargestellten Grundsätze zu befolgen. Nach Abschnitt 3 "Lastfallklassen des Primärkreises und Beanspruchungsstufen der Komponenten" sind wegen der unterschiedlichen sicherheitstechnischen Aufgaben die Lastfälle anlagen- und systembezogen zu klassifizieren und die zugehörigen Beanspruchungsstufen komponentenbezogen festzulegen. In Abhängigkeit hiervon sind die auftretenden Beanspruchungen zu beurteilen und zu beschränken. Dabei ist dem Einfluss des Mediums (Korrosion und Erosion) in geeigneter Weise Rechnung zu tragen (siehe Abschnitt 4.5).

(2) Die konstruktive Gestaltung ist nach den Festlegungen im Abschnitt 5 "Konstruktive Gestaltung" auszuführen. Die Verwendung anderer als der im Abschnitt 5 und im Anhang a genannten Konstruktionsformen bedarf eines besonderen Nachweises.

(3) Die erforderlichen Festigkeitsnachweise sind in zwei Schritten zu erbringen:

  1. als Dimensionierung gemäß Abschnitt 6 und
  2. als Analyse des mechanischen Verhaltens gemäß Abschnitt 7 oder Abschnitt 8 oder in Kombination der Abschnitte 7 und 8 .

(4) Im Rahmen der Dimensionierung sind die tragenden Querschnitte (Wanddicken) so festzulegen, dass die Aufnahme des Innendrucks, des Außendrucks und der äußeren Kräfte aller Beanspruchungsstufen unter Einhaltung der für die primären Spannungen festgelegten Grenzen sichergestellt ist.

(5) Entsprechend den sicherheitstechnischen Aufgabenstellungen der Komponenten sind Standsicherheit, Integrität und Funktionsfähigkeit wie nachfolgend erläutert nachzuweisen:

  1. Standsicherheit der Komponente
    Die Standsicherheit wird vorwiegend durch den Festigkeitsnachweis der Abstützung erbracht. Hierbei ist der Anschluss der Abstützung an die Komponente und die Verankerung (Abstützung, Komponente) zu beachten.
  2. Integrität der Komponente
    Beim Integritätsnachweis ist für das Bauteil oder für die Komponente unter Anwendung der allgemein anerkannten, technischen Verfahren zu zeigen, dass die während ihrer Betriebszeit auftretenden Beanspruchungen ertragen werden können.
    Beim Nachweis der Integrität sind die Standsicherheit und, soweit erforderlich (z.B. bei Flanschverbindungen), die Dichtheit mit einzubeziehen.
  3. Funktionsfähigkeit der Komponente
    Beim Funktionsfähigkeitsweis ist für das Bauteil oder für die Komponente zu zeigen, dass die Verformungsbeschränkungen für die drucktragenden Wandungen bei den während der Betriebszeit auftretenden Beanspruchungen eingehalten werden.

Hinweis:
In dieser Regel werden nur die Anforderungen an die drucktragenden Wandungen zur Sicherstellung der Funktionsfähigkeit der Komponente berücksichtigt.

Diese Nachweise sind nach Abschnitt 7 "Allgemeine Analyse des mechanischen Verhaltens" oder alternativ nach Abschnitt 8 "Komponentenspezifische Analyse des mechanischen Verhaltens" zu führen. Hinsichtlich der Funktionsfähigkeit sind komponentenbezogene Vorgaben zu beachten.

(6) Für die Anwendbarkeit des Abschnittes 7 bestehen keine Einschränkungen hinsichtlich Geometrie und Belastung. Bei der Anwendung des Abschnittes 8 sind die dort genannten Bedingungen zu beachten.

(7) Die Berechnungen, die zur Durchführung der Analyse des mechanischen Verhaltens nach den Abschnitten 7 und 8 erforderlich werden, sind mit den zutreffenden Methoden der Strukturmechanik durchzuführen.

(8) Die in den Abschnitten 7.7, 7.8, 7.9 und 8 angegebenen Beanspruchungsgrenzen gelten für Beanspruchungen, die auf der Grundlage linearelastischer Werkstoffgesetze ermittelt wurden, sofern in den einzelnen Abschnitten keine hiervon abweichenden Festlegungen enthalten sind.

(9) Sofern die numerischen Rechenverfahren des Anhangs C zum Einsatz kommen, sind die dortigen Festlegungen zu beachten.

(10) Die Spannungsanalyse darf entfallen, wenn die Zulässigkeit der Spannungen bereits durch die Dimensionierung gemäß Abschnitt 6 oder auf andere Weise nachgewiesen worden ist.

(11) Anstelle oder in Ergänzung der in dieser Regel behandelten rechnerischen Analyse von Komponenten sind experimentelle Nachweise zulässig.

3 Lastfallklassen des Primärkreises und Beanspruchungsstufen der Komponenten

3.1 Allgemeines

(1) Aus den Ereignissen der Gesamtanlage resultieren Zustände und Zustandsänderungen der Systeme, die als Lastfälle gekennzeichnet werden und mit Belastungen der Komponenten verbunden sind. Die Lastfälle des Primärkreises werden in systembezogenen Unterlagen entsprechend ihrer Bedeutung für die Gesamtanlage und im Hinblick auf die Einhaltung der Schutzziele den in Abschnitt 3.2 beschriebenen Lastfallklassen zugeordnet.

(2) Jedem dieser Lastfälle wird komponentenbezogen eine Beanspruchungsstufe gemäß Abschnitt 3.3 zugeordnet. Diese Beanspruchungsstufen enthalten zulässige Beanspruchungen.

(3) Ergeben sich aus sonstigen Belastungen (z.B. Transport, Montage- und Reparaturfälle) Beanspruchungen nennenswerter Größe, so sind diese in einem Festigkeitsnachweis zu ermitteln. Die zulässigen Beanspruchungen sind hierfür im Einzelfall festzulegen.

3.2 Lastfallklassen des Primärkreises

3.2.1 Allgemeines

Die Lastfälle des Primärkreises sind einer der nachfolgend aufgeführten Lastfallklassen zuzuordnen:

3.2.2 Auslegungsfälle (AF)

Als Auslegungsfälle sind diejenigen Lastfälle zu betrachten, welche die normalen Betriebsfälle (NB) gemäß dem nachfolgenden Abschnitt 3.2.3.1 einhüllen, soweit diese in den Komponenten oder Bauteilen maximale primäre Beanspruchungen hervorrufen.

3.2.3 Bestimmungsgemäßer Betrieb

3.2.3.1 Normale Betriebsfälle (NB)

Normale Betriebsfälle sind Betriebszustände oder Betriebszustandsänderungen, für die die Anlage bei funktionsfähigem Zustand der Systeme vorgesehen ist. Es handelt sich insbesondere um Anfahren des Reaktors, Vollastbetrieb, Teillastbetrieb und Abfahren des Reaktors, einschließlich der bei diesen Laständerungen auftretenden Transienten.

3.2.3.2 Anomale Betriebsfälle (AB)

Als anomale Betriebsfälle werden Abweichungen von den normalen Betriebsfällen bezeichnet, die durch Funktions- oder Schaltfehler der Komponente selbst oder der Nachbarkomponenten entstehen. Der anschließenden Fortführung des Betriebes stehen keine sicherheitstechnischen Gründe entgegen.

3.2.3.3 Prüffälle (PF)

Die Prüffälle umfassen die Erstdruckprüfung (Komponenten- und Systemdruckprüfung), sowie wiederkehrende Druck- und Dichtheitsprüfungen.

3.2.4 Störfälle

3.2.4.1 Allgemeines

Störfälle sind Abweichungen vom bestimmungsgemäßen Betrieb, bei deren Eintritt der Betrieb der Anlage aus sicherheitstechnischen Gründen nicht fortgeführt werden kann und für die die Anlage ausgelegt ist.

3.2.4.2 Notfälle (NF)

Notfälle sind Störfälle, die eine sehr geringe Eintrittswahrscheinlichkeit haben.

3.2.4.3 Schadensfälle (SF)

Schadensfälle sind Störfälle, die eine extrem geringe Eintrittswahrscheinlichkeit haben oder es sind postulierte Lastfälle.

3.3 Beanspruchungsstufen für Komponenten

3.3.1 Allgemeines

Die Beanspruchungsstufen sind bezüglich des Weiterbetriebs und der durchzuführenden Maßnahmen nach Abschnitt 3.3.2 und 3.3.3 zu unterscheiden und müssen komponentenbezogen angegeben werden. Die zugehörigen Beanspruchungsgrenzen der Beanspruchungsstufen sind in den Abschnitten 7 und 8 angegeben und so festzulegen, dass die Integrität der Komponenten in allen Beanspruchungsstufen für die spezifischen Lastfälle sichergestellt ist.

3.3.2 Auslegungsstufe (Stufe 0)

3.3.2.1 Allgemeines

Der Stufe 0 werden die Beanspruchungen der Auslegungsfälle (AF) zugeordnet. Die Beanspruchungen der Stufe 0 ergeben sich demnach aus der Wirkung des Auslegungsdrucks und zusätzlicher Auslegungslasten, so dass die maximalen primären Beanspruchungen aus den zur Stufe a gemäß Abschnitt 3.3.3.2 gehörenden Lastfällen einschließlich der zugehörenden Stabilitätsfälle in den Komponenten und deren Bauteile abgedeckt werden. Die Daten des Lastfalls bestehen aus Auslegungsdruck (siehe Abschnitt 3.3.2.2), Auslegungstemperatur (siehe Abschnitt 3.3.2.3) und zusätzlichen Auslegungslasten (siehe Abschnitt 3.3.2.4).

Hinweis:
Die Beanspruchungsgrenzen der Stufe 0 sind derart festgelegt, dass die Beanspruchungen das Gleichgewicht zu den äußeren mechanischen Lasten so herstellen, dass unter Berücksichtigung der erforderlichen Sicherheiten kein Verformungsversagen und kein Gewaltbruch auftreten.

3.3.2.2 Auslegungsdruck

(1) Der zu spezifizierende Auslegungsdruck für eine Komponente oder ein Bauteil ist mindestens die größte Druckdifferenz zwischen den druckbelasteten Oberflächen gemäß Stufe a (siehe Abschnitt 3.3.3.2).

(2) Für Bauteile, bei denen die beidseitigen Drücke voneinander unabhängig sind, ist der größte der im folgenden angegebenen Werte der Auslegung zugrunde zu legen:

  1. maximale Differenz zwischen Innendruck und Atmosphärendruck,
  2. maximale Differenz zwischen Außendruck und Atmosphärendruck zur Berücksichtigung des Stabilitätsverhaltens,
  3. maximale Differenz zwischen Innen- und Außendruck zur Berücksichtigung des Stabilitätsverhaltens.

(3) Für Bauteile, bei denen die beidseitigen Drücke voneinander abhängig sind, ist der Auslegungsdruck gleich der maximalen Druckdifferenz.

(4) Hydrostatische Drücke sind zu berücksichtigen, sofern sie 5 % des Auslegungsdrucks übersteigen.

(5) Es wird davon ausgegangen, dass Sicherheitsventile und sonstige Sicherheitseinrichtungen so bemessen und eingestellt sind, dass der Druck des Primärkreises im bestimmungsgemäßen Betrieb den Auslegungsdruck nur kurzfristig überschreitet und dabei die Beanspruchungsgrenzen von Stufe B (siehe Abschnitt 3.3.3.3) eingehalten werden.

3.3.2.3 Auslegungstemperatur

(1) Die Auslegungstemperatur dient der Festlegung der Festigkeitskennwerte. Sie soll mindestens gleich der höchsten nach Stufe a (siehe Abschnitt 3.3.3.2) zu erwartenden Wandtemperatur an der zu betrachtenden Stelle sein.

(2) Die Auslegungstemperatur darf gleich der jeweiligen Temperatur des Primärkühlmittels angenommen werden; niedrigere Auslegungstemperaturen sind nachzuweisen. Sofern ein Aufheizen durch induzierte Wärme zu erwarten ist (z.B. infolge Gammastrahlung), ist dies bei der Festlegung der Auslegungstemperatur zu berücksichtigen.

3.3.2.4 Zusätzliche Auslegungslasten

Zusätzliche Auslegungslasten müssen bei Überlagerung mit dem Auslegungsdruck mindestens so hoch angesetzt werden, dass sie die gleichzeitig wirkenden ungünstigsten primären Beanspruchungen der Stufe a abdecken.

Hinweis:
In Einzelfällen können die Belastungen aus den Stufen B, C und D auslegungsbestimmend sein. Die Nachweisführung für diese Belastungen erfolgt unter Einhaltung der jeweils zulässigen primären Beanspruchung.

3.3.3 Betriebsstufen

3.3.3.1 Allgemeines

Die Ermittlung und Begrenzung der Beanspruchungen für die Betriebsstufen hat im Rahmen einer Analyse des mechanischen Verhaltens zu erfolgen. Hierbei darf von den tatsächlichen und jeweiligen Belastungen sowie Temperaturen ausgegangen werden.

3.3.3.2 Stufe A

(1) Der Stufe a sind die Beanspruchungen aus den normalen Betriebsfällen (NB) zugeordnet.

(2) Die Zulässigkeit der Vergleichsspannungen und der Vergleichsspannungsschwingbreiten ist gemäß Abschnitt 7.7.3 nachzuweisen.

Hinweis:
Die Beanspruchungsgrenzen der Stufe a sind derart festgelegt, dass unter Berücksichtigung der erforderlichen Sicherheiten kein Verformungsversagen und kein Gewaltbruch sowie kein Versagen durch fortschreitende Deformation und Ermüdung auftreten können.

3.3.3.3 Stufe B

(1) Sofern keine Einstufung in Stufe a erfolgt, sind der Stufe B die Beanspruchungen aus den anomalen Betriebsfällen (AB) zugeordnet.

(2) Für die der Stufe B zugeordneten Lastfälle ist die Zulässigkeit der Vergleichsspannungen und der Vergleichsspannungsschwingbreiten gemäß Abschnitt 7.7.3 nachzuweisen.

(3) Der Primärspannungsnachweis braucht nur geführt zu werden, wenn die Beanspruchungen der Stufe 0 oder der Stufe a überschritten werden.

Hinweis:
Die Beanspruchungsgrenzen der Stufe B sind derart festgelegt, dass unter Berücksichtigung der erforderlichen Sicherheiten kein Verformungsversagen und kein Gewaltbruch sowie kein Versagen durch fortschreitende Deformation und Ermüdung auftreten können.

3.3.3.4 Stufe C

(1) Sofern keine Einstufung in Stufe B erfolgt, sind der Stufe C Beanspruchungen aus den Notfällen (NF) zugeordnet.

(2) Bei den der Stufe C zugeordneten Lastfällen sind beim Spannungsnachweis nur primäre Spannungen zu berücksichtigen. Überschreitet die Gesamtzahl der Lastspiele aller spezifizierten Ereignisse der Stufe C für die betreffende Komponente die Zahl 25, so sind die über die Anzahl 25 hinausgehenden Lastspiele in der Ermüdungsanalyse für die betreffende Komponente zu berücksichtigen.

Hinweis:
Die Beanspruchungsgrenzen der Stufe C erlauben plastische Deformation im Bereich von geometrischen Diskontinuitäten und schließen einen Gewaltbruch aus. Nach Auftreten eines solchen Falles kann eine Inspektion der betroffenen Komponente erforderlich werden.

(2) Als äußerer Überdruck sind ohne zusätzlichen Stabilitätsnachweis 120 % des zulässigen Überdrucks gemäß Stufe 0 zulässig. Sofern die entsprechenden Nachweise für die Stufe a geführt werden, gilt diese Festlegung sinngemäß.

3.3.3.5 Stufe D

(1) Sofern keine Einstufung nach Stufe B oder C erfolgt, sind der Stufe D Beanspruchungen aus den Schadensfällen (SF) zugeordnet.

(2) Bei den der Stufe D zugeordneten Lastfällen sind beim Spannungsnachweis nur primäre Spannungen zu berücksichtigen.

Hinweis:
Die Grenzen dieser Beanspruchungsstufe schließen einen Gewaltbruch aus. Dabei wird in Kauf genommen, dass in größeren Bereichen plastische Verformungen auftreten können. Für die betroffene Komponente kann eine Reparatur oder ein Austausch erforderlich werden.

3.3.3.6 Stufe P

(1) Die Stufe P gilt für Beanspruchungen aus den Prüffällen (PF) (Druckprüfungen der Komponenten).

(2) Bei den der Stufe P zugeordneten Lastfällen sind beim Spannungsnachweis nur die primären Spannungen zu berücksichtigen. Überschreitet die Anzahl der Druckprüfungen nicht die Zahl 10, so brauchen diese in der Ermüdungsanalyse nicht berücksichtigt zu werden. Überschreitet die Anzahl der Druckprüfungen die Zahl 10, so müssen alle Druckprüfungen in der Ermüdungsanalyse berücksichtigt werden.

(2) Die Erstdruckprüfung einer nicht im System eingebauten Komponente ist bei Walz- und Schmiedestählen mit dem 1,3fachen Auslegungsdruck und bei Stahlguss mit dem 1,5fachen Auslegungsdruck als Prüfdruck p' durchzuführen. Die Prüftemperatur ist nach Sprödbruchkriterien festzulegen.

Hinweis:
Die Festlegung des Prüfdrucks und der Prüftemperatur für wiederkehrende Prüfungen ist in KTA 3201.4, Abschnitt 4.5, enthalten.

4 Einwirkungen auf die Komponenten infolge von mechanischen und thermischen Belastungen, Einwirkungen des Mediums und Bestrahlung

4.1 Allgemeines

(1) Alle maßgebenden Einwirkungen auf die Komponenten infolge von mechanischen und thermischen Belastungen, sowie durch das Medium und Bestrahlung sind bei der Auslegung, Konstruktion und Berechnung mit genauen oder konservativen Werten komponentenbezogen festzulegen und zu berücksichtigen.

(2) Unter mechanischer und thermischer Belastung ist die Einwirkung der unter Abschnitt 3 definierten Lastfälle auf die Komponente zu verstehen. Diese Einwirkung ruft in den Komponenten Beanspruchungen hervor, für welche die Komponenten auszulegen sind. Die mechanischen und thermischen Belastungen können unmittelbar auf die Komponenten und Bauteile einwirken und die entsprechenden Beanspruchungen hervorrufen. Sie können aber auch mittelbar wirken, wie zum Beispiel Temperaturtransienten im Kühlmittel, die instationäre Temperaturfelder in der Komponente hervorrufen, woraus Spannungen infolge behinderter Wärmedehnung entstehen.

(3) Einwirkungen des Mediums können an den Komponenten

  1. örtliche oder großflächige Abtragungen verursachen (Korrosion und Erosion),
  2. die Ermüdungsfestigkeit reduzieren,
  3. im Zusammenwirken mit Spannungen zur Rissbildung führen.

(4) Die Einwirkung infolge Neutronenbestrahlung besteht im kernnahen Bereich in einer Versprödung des Werkstoffes und in der Entstehung von Wärmequellen durch Absorption von γ -Strahlung. Wärmequellen durch Absorption von γ -Strahlung stellen eine spezielle thermische Belastung dar.

4.2 Mechanische und thermische Belastungen

(1) Unter mechanischen und thermischen Belastungen werden Kräfte und Momente, aufgezwungene Verformungen und Temperaturfelder verstanden, soweit sie Beanspruchungen in den Komponenten hervorrufen.

(2) Die hierdurch erzeugten Spannungen und Dehnungen sind im Rahmen der Analyse des mechanischen Verhaltens gemäß Abschnitt 7 oder 8 zu ermitteln und zu beurteilen.

(3) Als mechanische und thermische Belastungen sind anzusehen:

  1. Belastungen aus dem Medium, verursacht zum Beispiel durch dessen Druck, Temperatur, Drucktransienten, Temperaturtransienten, Strömungskräfte, Schwingungen,
  2. Belastungen aus der Komponente selbst, verursacht zum Beispiel durch deren Eigengewicht, Vorspannungen, herstellungsbedingte Verformungen,
  3. Belastungen aus den Nachbarkomponenten, verursacht zum Beispiel durch Rohrleitungskräfte infolge behinderter Wärmedehnungen oder Pumpenschwingungen,
  4. Belastungen aus der Umgebung, übertragen durch die Komponentenstützkonstruktionen und verursacht zum Beispiel durch Festpunktverschiebungen, Schwingungen infolge Erdbeben,
    Hinweis:
    Gesonderte Festlegungen zum Erdbeben sind in der Regel KTA 2201.4 enthalten.
  5. Belastungen durch Wärmequellen infolge y-Strahlung (im kernnahen Bereich des Reaktordruckbehälters).

4.3 Zusammenstellung von Belastungen der Komponenten

(1) Die unter Berücksichtigung der Lastfälle des Primärkreises für jede Komponente oder deren Bauteile ermittelten oder festgelegten mechanischen und thermischen Belastungen einschließlich ihrer Häufigkeit sind zu erfassen und komponentenbezogen zusammenzustellen und zu belegen.

(2) Sofern eine Belastung nicht durch eine einzige Größe angegeben werden kann, ist sie einschließlich ihres zeitlichen Verlaufs auszuweisen.

4.4 Überlagerung von Belastungen und Zuordnung zu Beanspruchungsstufen

Ein Beispiel für die Überlagerung von Belastungen der Komponente und die Zuordnung der überlagerten Belastungen zu Beanspruchungsstufen ist in Tabelle 4-1 angegeben. Anlagenbezogene Detailregelungen sind in der jeweiligen Anlagenspezifikation vorzunehmen.

4.5 Einwirkungen des Mediums

(1) Den Einwirkungen des Mediums ist durch die Wahl geeigneter Werkstoffe, Dimensionierung, konstruktive und spannungsgerechte Gestaltung, verfahrenstechnische Maßnahmen oder fertigungstechnische Maßnahmen (z.B. Plattierung oder Auftragsschweißung des Grundwerkstoffes, Vermeidung enger Spalte) zu begegnen.

(2) Bei Unsicherheiten hinsichtlich der Wirkung des Mediums auf die Bauteilintegrität ist dies durch eine Beschränkung des zulässigen Erschöpfungsgrades D (siehe Abschnitt 7.8.3), durch betriebsnahe Experimente oder durch geeignete Maßnahmen im Rahmen der Betriebsüberwachung und wiederkehrenden Prüfungen zu berücksichtigen.

Hinweis:
Anforderungen an die Betriebsüberwachung und wiederkehrenden Prüfungen sind in KTA 3201.4 festgelegt.

4.6 Bestrahlung

Die durch die Neutronenbestrahlung bewirkte Versprödung des Werkstoffs ist bei der Beurteilung des Sprödbruchverhaltens zu berücksichtigen.

Tabelle 4-1: Beispiel für die Überlagerung von Belastungen der Komponente und Zuordnung zu Beanspruchungsstufen

Beanspruchungsstufen Belastungen1
Statische Belastungen Transiente Belastungen Schwingende und dynamische Belastungen
Auslegungsdruck Auslegungstemperatur2 Druck Temperatur2 Eigengewicht und andere Lasten Mechanische Lasten, Reaktionskräfte Behinderte Wärmedehnung Transiente Lasten (Druck, Temperatur, mechanische Lasten), dynamische Belastung Anomale Belastungen (statisch und dynamisch) Prüfbelastungen (statisch und dynamisch) Bemessungs- erdbeben Einwirkungen von innen Sonstige Einwirkungen von außen
Stufe 0 x x x
Stufe A x x x x x x
Stufe B x x x x x x
Stufe P x x x x
Stufe C x x x x
x x x x x
Stufe D x x x x x
x x x x x
x x x x x
1) Im jeweiligen Belastungsfall ist zu prüfen, welche Belastungen zutreffen.
2) Zur Festlegung des Spannungsvergleichswertes bei der für die betreffenden Belastungen maßgebenden Temperatur.

5 Konstruktive Gestaltung

5.1 Übergeordnete Anforderungen

5.1.1 Grundsätze

(1) Die Konstruktion der Komponenten muss

  1. funktionsgerecht,
  2. beanspruchungsgünstig,
  3. werkstoffgerecht,
  4. fertigungs- und prüfgerecht,
  5. wartungsfreundlich

gestaltet sein.

(2) Die vorgenannten Grundsätze stehen in Wechselwirkung zueinander und sind unter Berücksichtigung der komponentenbezogenen Anforderungen aufeinander abzustimmen. Insoweit stellen die in den Abschnitten 5.2 und 5.3 enthaltenen Festlegungen und Beispiele Konkretisierungen der im Abschnitt 5.1 enthaltenen grundsätzlichen Anforderungen dar.

5.1.2 Funktionsgerechte, beanspruchungsgünstige Konstruktion

Komponenten sind so zu gestalten und auszulegen, dass sie die spezifischen funktionellen Anforderungen erfüllen. Hieraus resultieren folgende Grundsätze:

  1. Günstige Bedingungen für die Betriebsbelastungen der Komponenten unter Berücksichtigung der aus dem System resultierenden Belastungen (z.B. Stell-, Schließ- und Strömungskräfte, Temperaturschichtungen);
  2. Günstiger Spannungsverlauf, insbesondere in gestörten Bereichen (Stutzen, Wanddickenübergänge, Auflagerstellen);
  3. Vermeidung schroffer Wanddickenübergänge, insbesondere bei Komponenten, die transienten Temperaturbelastungen unterliegen (siehe Abschnitt 5.2.6);
  4. Vermeidung von Schweißnähten in Bereichen örtlich erhöhter Spannungen;
  5. Rohrleitungsverlegung mit Gefälle.

5.1.3 Werkstoffgerechte Konstruktion

(1) Im Hinblick auf die Wahl des Werkstoffes und der Erzeugnisform sind folgende Kriterien zu berücksichtigen:

  1. Festigkeit,
  2. Zähigkeit,
  3. physikalische Eigenschaften (z.B. Wärmeausdehnungskoeffizient, E-Modul),
  4. Korrosionsbeständigkeit,
  5. Reparaturfähigkeit,
  6. Herstellbarkeit (Minimierung von Herstellungsfehlern),
  7. Prüfbarkeit.

(2) Es sind Werkstoffe nach KTA 3201.1 einzusetzen. Für besondere Beanspruchungen, z.B. Erosion, Korrosion oder erhöhter Verschleiß, können "Werkstoffe für besondere Anwendungen" zugelassen werden.

(3) Werkstoffe sind in einer für die auftretenden Beanspruchungen geeigneten Erzeugnisform (z.B. Bleche, Schmiedeteile, Gussteile, nahtlose Rohre) einzusetzen.

(4) Die Verwendung unterschiedlicher Werkstoffe innerhalb einer Komponente ist auf das notwendige Maß zu beschränken.

5.1.4 Herstellungsgerechte Konstruktion

5.1.4.1 Fertigungsgerecht

Für die fertigungsgerechte Konstruktion gelten folgende Grundsätze:

  1. Es sind Erzeugnisformen und Wanddicken zu wählen, die günstige Voraussetzungen für die Verarbeitung und zerstörungsfreie Prüfung gewährleisten.
  2. Die Anzahl der Schweißnähte ist sinnvoll zu minimieren. Sie sind so anzuordnen, dass die Zugänglichkeit beim Schweißen (unter Beachtung der Wärmebehandlung) und eine Minimierung von Schweißeigenspannungen berücksichtigt werden.
  3. Die Konstruktion ist so auszubilden, dass eventuelle Reparaturen möglichst einfach durchführbar sind.

Hinweis:
Zu Anforderungen an die Fertigung siehe auch KTA 3201.3.

5.1.4.2 Prüfgerechte Konstruktion

(1) Die Formgebung der Bauteile sowie die Gestaltung und die Anordnung der Schweißnähte muss die Durchführbarkeit der gemäß KTA 3201.1, KTA 3201.3 und KTA 3201.4 geforderten zerstörungsfreien Prüfungen mit ausreichender Fehlererkennbarkeit an den Erzeugnisformen, Schweißnähten und eingebauten Komponenten gestatten.

(2) Für die prüfgerechte Konstruktion gelten folgende Grundsätze:

  1. Anschweißungen an drucktragenden Wandungen sind grundsätzlich durchzuschweißen, so dass eine zerstörungsfreie Prüfung der Verbindungsnaht möglich ist. Die Zulässigkeit von Kehlnähten ist in Abschnitt 5.2.2.2 (4) festgelegt.
  2. Die Konstruktion ist grundsätzlich so zu gestalten, dass alle zugänglichen Verbindungsschweißnähte an drucktragenden Teilen wandeben, Anschweißnähte an der drucktragenden Wand mit kerbfreiem Übergang bearbeitet werden können (siehe Abschnitt 5.2.2). Die Oberflächen der Schweißungen müssen den Anforderungen nach KTA 3201.3 Abschnitt 12.2.3 genügen.
    Hinweis:
    Die Notwendigkeit einer Bearbeitung der Oberflächen ist in KTA 3201.3 Abschnitte 5.1 und 12.2.3 geregelt.
  3. Einseitig geschweißte Nähte sind zulässig, wenn die Prüfbarkeit mit den in KTA 3201.3 vorgegebenen zerstörungsfreien Prüfverfahren sichergestellt ist.
  4. Geschmiedete Teile sind so zu gestalten und zu fertigen, dass die gemäß KTA 3201.1 vorgesehenen zerstörungsfreien Prüfungen, z.B. Ultraschallprüfung und Oberflächenrissprüfung, am fertigen Stück oder am Schmiederohling nach der für den Werkstoff vorgeschriebenen Wärmebehandlung möglich sind.
  5. Gehäuse aus Stahlguss sind so zu gestalten, dass die zerstörungsfreien Prüfungen (z.B. Durchstrahlungsprüfung, Oberflächenrissprüfung) grundsätzlich auch an der Innenoberfläche möglich sind.

Hinweis:
Siehe hierzu auch KTA 3201.1 und KTA 3201.3.

5.1.5 Wartungsfreundliche Konstruktion

(1) Bei der Konstruktion der drucktragenden Wand der Komponenten ist auf eine einfache Zugänglichkeit und gute Durchführbarkeit von wiederkehrenden Prüfungen zu achten.

(2) Folgende Grundsätze sind zu beachten:

  1. Es ist auf gute Zugänglichkeit für die Instandhaltung (insbesondere Prüfung, visuelle Kontrolle, Reparatur oder Austausch) zu achten. Es sind einfache Prüfgeometrien in den zerstörungsfrei zu prüfenden Bereichen zu wählen.
  2. Es ist auf gute Zugänglichkeit für eventuelle Reparaturen unter Beachtung der Gesichtspunkte des Strahlenschutzes zu achten.
  3. Aktivitätsführende Komponenten sind so zu konstruieren, dass Ablagerungen soweit wie möglich vermieden werden und die Dekontaminierung durchführbar ist.
  4. Schweißnähte sind im Kontrollbereich nach der Strahlenschutzverordnung so anzuordnen und zu gestalten, dass die Rüst- und Prüfzeiten für wiederkehrende Prüfungen möglichst kurz sind.

5.2 Allgemeine Anforderungen an Bauteile und deren Schweißnähte

5.2.1 Allgemeines

Außer den nachfolgend genannten Anforderungen sind bei Anwendung spezieller Berechnungsverfahren gegebenenfalls zusätzliche Geometriebedingungen zu berücksichtigen.

5.2.2 Schweißnähte

5.2.2.1 Stumpfnähte

Stumpfnähte sind durchzuschweißen. Bei Stumpfnähten sollen Kreuzstöße, Nahtkreuzungen und Schweißgutanhäufungen vermieden werden. Der kleinste seitliche Versatz von T-Stößen muss mindestens der dreifachen zu verschweißenden Wanddicke entsprechen; er braucht jedoch 150 mm nicht zu überschreiten. Ausführungsbeispiele für Einseitennähte sind im Bild 5.2-1 dargestellt.

Hinweis:
Die Voraussetzungen, unter denen Einseitennähte zulässig sind, sind in KTA 3201.3 angegeben.

Bild 5.2-1: Beispiele für einseitig ausgeführte Stumpfnähte

5.2.2.2 Anschweißnähte

(1) Anschweißungen an drucktragenden Wandungen sind grundsätzlich mit einer Schweißnahtlänge von größer als oder gleich 50 mm auszuführen. Ausnahmen (z.B. Flachnocken für Rohrleitungen) sind mit entsprechender Nachweisführung zulässig.

(2) Eckstöße und Überschweißungen von Stumpfnähten sind nicht zulässig.

Bei Halteblechen und Pratzenanschweißungen an Bauteilen mit Wanddicken s größer als oder gleich 16 mm sind dazu Freischnitte vorzusehen.

(3) DHV- und HV-Nähte mit Gegenlage nach Bild 5.2-2 sind ohne Einschränkung zulässig. HV-Nähte ohne Gegenlage sind in Ausnahmefällen bei eingeschränkter Zugänglichkeit zulässig, wenn die Nähte durchgeschweißt werden und mittels zerstörungsfreier Verfahren prüfbar sind.

(4) Kehlnähte sind als geschlossene Schweißnähte auszuführen und in folgenden Fällen zulässig:

  1. an Stutzen für Mess-, Entwässerungs- oder Entlüftungsleitungen mit Nenndurchmessern kleiner als DN 50, die als durchgestecktes Rohr ausgeführt werden. Das Rohr zählt dabei nicht als Ausschnittsverstärkung;
  2. wenn durchgeschweißte Nähte zu deutlich ungünstigeren Konstruktionen führen, als dies bei Einsatz von Kehlnähten der Fall ist;
  3. als Dichtnähte (siehe Bild 5.2-3;
  4. als Anschweißungen an austenitische Schweißplattierungen (siehe Bild 5.2-4).

5.2.2.3 Stutzennähte

(1) Das Bild 5.2-5 zeigt Beispiele zulässiger Ausführungsformen von Stutzen, Schweißnähten und Schweißnahtübergängen.

(2) Stutzeneinschweißungen sind, soweit dies aufgrund der Abmessungen möglich ist, gegenzuschweißen. Einseitennähte sind zulässig, wenn die Wurzel mechanisch bearbeitet wird. Ist in Ausnahmefällen die mechanische Bearbeitung der Wurzel nicht möglich, ist die Prüfbarkeit sicherzustellen.

Bild 5.2-2: Beispiele für HV- und DHV-Nähte bei Anschweißungen


Rs1 α rs s1
≥ 0,5 . s1 30° bis 60° ≥ 5mm ≤ s

1) mit tangentialem Übergang ausführen


Bild 5.2-3: Beispiele für Schweißnähte mit überwiegender Dichtfunktion

Bild 5.2-4: Beispiel für Anschweißungen an austenitische Schweißplattierungen


Bild 5.2-5: Ausführungsbeispiele von Schweißnähten an Stutzen

5.2.3 Durchmesser- und Wanddickenübergänge

(1) Bei Durchmesserübergängen sind günstiger Spannungsverlauf und die Durchführbarkeit der zerstörungsfreien Prüfungen zu beachten. Es sind Radien und zylindrische oder kegelige Übergänge vorzusehen.

(2) Wanddickenübergänge sind so zu gestalten, dass sich ein günstiger Spannungsverlauf ergibt. Schroffe Übergänge sind zu vermeiden. Die Wanddickenangleichung muss so erfolgen, dass die zerstörungsfreie Prüfung der Schweißnähte einwandfrei und vollständig durchführbar ist.

5.2.4 Flansche und Dichtungen

5.2.4.1 Flansche

(1) Flansche dürfen nur geschmiedet oder gegossen, im Fall von Losflanschen auch nahtlos gewalzt werden.

(2) Reaktordruckbehälterflansche und vergleichbare Ausführungen sind im Hinblick auf günstige Spannungsverteilung und im Hinblick auf die Funktionsanforderungen (z.B. Dichtheit auch unter transienten Beanspruchungen) zu gestalten.

(3) Bei sonstigen Flanschen (Nenndurchmesser kleiner als DN 300) ist folgendes einzuhalten:

  1. Die Dichtfläche ist entsprechend der konstruktiven Anforderung an die Dichtung zu gestalten.
  2. Die Übergangsradien r1 und r2 entsprechend den Bildern 5.2-6 und 5.2-7 sind größer als oder gleich 0,25 · sR, mindestens mit 6 mm, auszuführen.
  3. Es sind mindestens vier Schrauben nach Abschnitt 5.2.5 vorzusehen. Die Anzahl der Schrauben soll durch 4 teilbar sein. Das Verhältnis Mittenabstand benachbarter Schraubenlöcher zu Schraubenlochdurchmesser muss gleich oder kleiner als 5 sein.

Bild 5.2-6: Vorschweißbunde



Bild 5.2-7: Vorschweißflansche

5.2.4.2 Dichtungen

Als Dichtung dürfen Metall-Weichstoffdichtungen und Metalldichtungen verwendet werden. Die Möglichkeit einer chemischen Beeinflussung des Grundwerkstoffs durch den Dichtungswerkstoff ist zu beachten (chemische Verträglichkeit der Werkstoffpaarung). Auch andere Einflüsse auf die Beständigkeit der Dichtung (z.B. durch ionisierende Strahlen) sind zu berücksichtigen.

5.2.5 Schrauben und Muttern

(1) Es sind Schrauben und Muttern nach DIN-Normen einzusetzen, soweit dies konstruktiv möglich ist. Dabei sind Dehnschrauben oder Schrauben mit Dehnschäften zu bevorzugen. Die tragende Gewindelänge ist auf die Werkstoffpaarung (z.B. Bolzen-Flansch) abzustimmen (siehe Abschnitt a 2.8). Dehnschrauben nach DIN 2510-1 bis DIN 2510-4 oder Schrauben mit Dehnschäften sind bei Auslegungstemperatur größer als 300 °C oder Auslegungsdruck größer als 4 MPa einzusetzen.

(2) Schrauben und Muttern zur Verbindung mit austenitischen Teilen sind möglichst aus gleichem oder artgleichem Werkstoff wie die zu verbindenden Teile auszuführen. Werden Werkstoffe mit unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten verwendet, ist die Auswirkung der unterschiedlichen Wärmeausdehnung zu beachten.

(3) Schrauben unter M 10 oder entsprechendem Gewindekerndurchmesser sind grundsätzlich nicht zulässig. In Sonderfällen (z.B. bei Schrauben für Armaturen) können auch kleinere Schrauben verwendet werden, jedoch darf M 6 oder ein entsprechender Gewindekerndurchmesser nicht unterschritten werden.

(4) Es sind solche Konstruktionen zu bevorzugen, bei denen sichergestellt ist, dass innenliegende Schraubenverbindungen oder Teile davon bei einem Bruch nicht in den Primärkreislauf gelangen können.

(5) Schrauben in Reaktordruckbehälterflanschverbindungen und vergleichbaren Schraubenverbindungen sind hinsichtlich wiederkehrender Prüfungen prüfbar zu gestalten.

(6) Schraubverbindungen sind so zu konstruieren, dass die Schrauben vorwiegend auf Zug beansprucht werden.

5.2.6 Stutzen

(1) Die geometrischen Ausführungsbedingungen (Wanddickenverhältnisse, Schweißnahtradien, Stutzenlängen) sind in Tabelle 5.2-1 angegeben. Die Definition der in der Tabelle 5.2-1 enthaltenen Größen ist den Bildern 5.2-5 und 5.2-8 zu entnehmen.

Tabelle 5.2-1: Empfehlungen für Wanddickenverhältnisse, Schweißnähte und Übergänge von Stutzen

Begrenzung der Wanddickenverhältnisse
Bereich der Stutzenabmessungen Wanddickenverhältnis Bemerkung
dAi< 50 mm sa / sH ≤ 2
dAi> 50 mm und
dAi / dHi ≤ 0,2		 sa / sH≤ 2
dAi / dHi> 0,2 sa / sH≤ 1,3 Ausnahmen siehe
Abschnitt a 2.7
Formbedingungen der Schweißnähte
Stutzenbauform Bedingungen Bemerkung
Stutzen durchgesteckt r2 ≥ 0,5 ⋅ sH
Stutzen aufgesetzt r2 ≥ 0,5 ⋅ sH
Stutzen durchgesteckt oder aufgesetzt r2 mindestens
10 mm oder
0,1 ⋅ sH		 in Ausnahmefällen, z.B. um ein Überschweißen von Nahtkanten zu vermeiden
Formbedingungen für Übergänge
Übergänge sind zu runden und Kanten zu brechen. Der Übergangsradius r ist konstruktionsbedingt festzulegen.
r2 siehe Bild 5.2-5 und Bild 5.2-8
sA Wanddicke des Abzweigs (Stutzen)
sHWanddicke des Grundkörpers

(2) Für Stutzen größer als oder gleich DN 125 und einer Stutzenwanddicke sA größer als oder gleich 15 mm soll die Grundschale im Ganzen unter Beachtung eines günstigen Spannungsverlaufes verstärkt werden. Bei einem Durchmesserverhältnis qA größer als 0,8 ist zusätzlich eine Spannungsanalyse durchzuführen, sofern dieser Bereich nicht durch zutreffende Dimensionierungsverfahren, z.B. nach Gleichung (a 3.1-22), abgedeckt ist. Das Durchmesserverhältnis qA ist definiert als Quotient aus mittlerem Durchmesser des abgehenden Rohres und mittlerem Durchmesser des verstärkten Bereiches des Grundrohres.

(3) Das Wanddickenverhältnis von Stutzen zur Grundschale ist grundsätzlich kleiner als oder gleich 1,3 zu wählen (siehe Tabelle 5.2-1). Dieses Wanddickenverhältnis darf in folgenden Fällen größer sein:

  1. Die zusätzliche Wanddicke des Stutzens wird nicht zur Verstärkung des Stutzenausschnittes herangezogen, sondern aus konstruktiven Gründen gewählt (z.B. Mannlochstutzen).
  2. Der Stutzen wird mit verkürztem Verstärkungsbereich ausgeführt (z.B. Stutzen, die aus Gründen der verbesserten Prüfbarkeit des Rohranschlusses konisch ausgeführt sind).
  3. Ein Wanddickenverhältnis sa / sHist bis maximal 2 zulässig für dAi kleiner als 50 mm. Dies gilt auch für Abzweige mit dAigrößer als oder gleich 50 mm, sofern das Durchmesserverhältnis dAi / dHikleiner als oder gleich 0,2 ist.

Bild 5.2-8: Beispiele für Stutzen-Ausführungsformen

(4) Bei großem Stutzendurchmesser im Vergleich zum Grundschalendurchmesser ist das Wanddickenverhältnis zu reduzieren. Im Falle eines Abzweigs mit qagrößer als 0,8 ist das Wanddickenverhältnis auf sa / sHkleiner als oder gleich 1,0 zu begrenzen.

(5) Stutzen sind aus geschmiedeten Stangen (Durchmesserbegrenzung abhängig von der Begutachtung), nahtlos geschmiedeten Hohlkörpern oder nahtlosen Rohren herzustellen.

(6) Behälter- und Rohrleitungsstutzen, die schnelle und große Temperaturänderungen des durchströmenden Mediums (transiente Ein- und Ausströmvorgänge) erfahren, werden im Allgemeinen mit Wärmeschutzrohren ausgestattet. Diese sind so zu gestalten, dass ein Wärmewiderstand zwischen Medium und der Stutzenwand sowie dem Übergangsbereich des Stutzens in der Behälterwand geschaffen wird, wodurch thermische Spannungen in diesem Bereich reduziert werden. Hierbei ist es erforderlich, den Anschluss des Wärmeschutzrohres außerhalb des für die Ausschnittsverstärkung erforderlichen Stutzenteils anzubringen.

5.2.7 Gewölbte und ebene Böden

Folgende gewölbte Bodenformen sind vorzugsweise zu verwenden:

  1. gekrempter ebener Boden
  2. Klöpperboden
  3. Korbbogenboden
  4. Halbkugelboden.

Das Bild 5.2-9 zeigt zulässige Ausführungsformen für vorgeschweißte ebene Böden (z.B. Endkappen). Die Ausführungen 1 und 2 sind zulässig für Schmiedeteile oder kombinierte Schmiedewalzherstellung. Ausführung 2 darf auch aus geschmiedeten Stangen hergestellt werden für kleiner als oder gleich DN 150. Für geflanschte ebene Deckel, die in Dickenrichtung nur auf Druck beansprucht werden, sind Bleche zugelassen. Für Druckprüfungen sind Blinddeckel aus Blech zugelassen.

Bild 5.2-9: Zulässige Ausführungsformen von geschweißten ebenen Böden

Wanddicke
s in mm		 Ausführung Bedingung für R
in mm		 Bedingung
für L, L'
s ≤ 40 1 R = max {5; 0,5 ⋅ s} gemäß KTA 3201.3
s ≤ 40 2 R = max {8; 0,5 ⋅ s}
s > 40 1 und 2 R ≥ 0,3 ⋅ s

5.3 Komponentenbezogene Anforderungen

5.3.1 Allgemeines

Die Vorgaben bezüglich der konstruktiven Gestaltung gemäß Abschnitt 5.1 und 5.2 gelten übergeordnet für alle Komponententypen. Nachfolgend werden ergänzende komponentenbezogene Konstruktionsanforderungen aufgeführt, die einige Konstruktionselemente von Apparaten und Behältern, Pumpen, Armaturen und Rohrleitungen betreffen.

5.3.2 Behälter

5.3.2.1 Mäntel, Böden

Mäntel und Böden sollen als koaxiale Rotationsschalen möglichst konstanter Dicke und Krümmung im Meridianschnitt unter Verwendung der in KTA 3201.1 angegebenen Erzeugnisformen gestaltet werden.

5.3.2.2 Stutzen

(1) Für die konstruktive Gestaltung von Stutzen an Behältern gelten die Festlegungen von Abschnitt 5.2.6.

(2) Der rechnerisch als Ausschnittsverstärkung berücksichtigte Teil des Stutzens ist der druckführenden Wand des Behälters zuzuordnen. Der zum Behälter gehörende Bereich darf bis zur ersten Stutzenanschlussnaht oder bei geflanschten Anschlüssen bis zur Trennebene zwischen den Flanschen erweitert werden.

5.3.2.3 Besichtigungsöffnungen

(1) Besichtigungsöffnungen sind nach den Anforderungen des AD 2000-Merkblattes a 5 vorzusehen.

(2) Stutzen für Besichtigungsöffnungen müssen den in Abschnitt 5.2.6 gestellten Anforderungen an die Gestaltung genügen. Verschlüsse und Abdichtungen (z.B. Mannloch) sind so auszubilden, dass mehrmaliges Öffnen zu Besichtigungs- und Reparaturzwecken ohne Beeinträchtigung der Dichtheit möglich ist; Schweißlippendichtungen sind zu vermeiden.

(3) Bei Behältern, die mit radioaktiven Medien beaufschlagt werden, sind Einsteigeöffnungen, wenn nach AD 2000-Merkblatt A5 gefordert, mit DN 600 vorzusehen.

5.3.2.4 Rohrböden

(1) Das Bild 5.3-1 zeigt zulässige Ausführungsformen von Rohrböden mit zylindrischen Ansätzen zum Anschluss der Zylinderschüsse. Sie gelten für ferritische und austenitische Werkstoffe.

Bild 5.3-1: Beispiele für Rohrboden-Ausführungsformen

(2) Die Anschlussnaht des Zylinders an den Rohrboden ist gegenzuschweißen, d. h. sie ist grundsätzlich nicht als Schlussnaht auszuführen. Ausnahmen sind bei kleinen Abmessungen zulässig, die von innen nicht zugänglich sind. Eine Bearbeitung auf der Innenseite muss während der Herstellung grundsätzlich möglich sein.

(3) Andere Ausführungsformen als in Bild 5.3-1 dargestellt, sind zulässig, wenn die zulässigen Spannungen und die geometrischen Voraussetzungen zur Durchführung der zerstörungsfreien Prüfung nachgewiesen werden.

(4) Die Übergangsradien und Winkel müssen folgenden Bedingungen genügen

0 ≤ α 1 ≤ 10 Grad
0 ≤ α 2 ≤ 10 Grad
r1, r2 ≥ 0,25 ⋅ s1
r3, r4 ≥ 0,25 ⋅ s2

(5) Die Anordnung der Schweißnähte ist entsprechend KTA 3201.3 prüfgerecht vorzusehen.

5.3.2.5 Deckel und Blindverschlüsse

5.3.2.5.1 Ständig vorhandene Deckel und Blindverschlüsse

(1) Die im Bild 5.3-2 dargestellten Formen von ebenen Deckeln und Blindverschlüssen sind zulässig. Außerdem dürfen die im Abschnitt 5.2.7 aufgeführten Formen für Böden verwendet werden.

(2) Anschlussnähte müssen voll durchgeschweißt sein.

5.3.2.5.2 Nicht ständig vorhandene Deckel und Blindverschlüsse

(1) Unter nicht ständig vorhandenen Deckeln oder Blindverschlüssen werden hierbei solche Einrichtungen verstanden, die nur während nicht nuklearer Prüfzustände der Anlage benötigt werden (z.B. bei Druckprüfungen).

(2) Die im Bild 5.3-2 dargestellten Formen von ebenen Deckeln und Blindverschlüssen sind zulässig. Außerdem dürfen die im Abschnitt 5.2.7 aufgeführten Formen für Böden sowie weitere vergleichbare Formen verwendet werden.

(3) Nicht ständig vorhandene Deckel und Blindverschlüsse brauchen nicht mittels voll durchgeschweißter Schweißnähte angeschlossen zu werden.

Bild 5.3-2: Deckel, Blindverschlüsse

5.3.2.6 Zulässige Kombinationsformen und Übergänge

5.3.2.6.1 Allgemeines

(1) Die Übergänge zwischen den Grundkörpern sind hinsichtlich der Beanspruchungen optimal, wenn folgende Bedingungen erfüllt sind:

  1. Koinzidenz der Rotationsachsen der Konstruktionselemente im Schnittbereich,
  2. sprung- und knickfreier Übergang der Schalenmittelflächen,
  3. abgestimmtes Verformungsverhalten oder abgestimmte Wanddicken der Einzelelemente an der Schnittstelle (Minimierung der sekundären Spannungen und Spannungsspitzen).

(2) Aus den vorgenannten Grundprinzipien sind die nachfolgenden Festlegungen abgeleitet, um von der Konstruktion her spannungsgünstige Verhältnisse sicherzustellen. Darüber hinaus sind weitergehende Anforderungen in KTA 3201.3, insbesondere hinsichtlich der Prüfbarkeit zu beachten.

5.3.2.6.2 Kombination von Mantelelementen, Bodenelementen und Rohrplatten

(1) Die Teile von Behältermänteln und -böden dürfen ohne besondere Anforderungen an die Ausbildung des Übergangsbereiches verbunden werden, wenn die in Bild 5.3-3 dargestellten Bedingungen unter Beachtung der Herstellungstoleranzen erfüllt sind. Für den Anschluss ebener Böden und Rohrplatten gelten die Einschränkungen gemäß Bild 5.3-3 nicht.

(2) Ist eine der drei Bedingungen für Φ , e und sˆ gemäß Bild 5.3-3 nicht erfüllt, so sind Abschrägungen oder Übergangsradien oder beides vorzusehen.

(3) Die Abschrägungen müssen hierbei folgenden Bedingungen genügen:

  1. Die Summe aus innerem und äußerem Abschrägungswinkel soll nicht größer als 45° sein.
  2. Bei einer einseitigen Abschrägung von mehr als 30° sind die konkaven Kanten zusätzlich mit r ≥ s2 / 4 abzurunden (siehe Bild 5.3-4).

(4) Bezüglich der Übergänge von ebenen Böden, z.B. vom Rohrboden zum Behältermantel, ist Abschnitt 5.3.2.4 zu beachten.

Bild 5.3-3: Grenzwerte für die Verbindung von Rotationsschalen ohne Übergangsstücke

Bild 5.3-4: Gestaltung von Wanddickenübergängen

5.3.2.6.3 Verbindung von Wärmetauscherrohren mit Rohrböden

Wärmetauscherrohre sind an die Plattierung des Rohrbodens mit einer Dichtnaht anzuschweißen, die für die Aufnahme der Rohrkräfte zu bemessen ist. Zusätzlich sind die Rohre im Rohrbodenbereich aufzuweiten oder einzuwalzen oder aufzuweiten und einzuwalzen.

5.3.2.6.4 Anordnung von Stutzen

(1) Stutzen sollen möglichst so angeordnet werden, dass die folgenden zwei Bedingungen erfüllt werden:

  1. Die Stutzenachse steht senkrecht oder nahezu senkrecht auf der Schalenmittelfläche, Abweichungen der Stutzenachse von der Behälternormalen kleiner als 15°.
  2. Der Stutzen liegt nicht in einem Bereich, in dem es zur Überlagerung mit anderen örtlichen Spannungserhöhungen kommt.

(2) Von diesen Kriterien darf nur aus Funktionsgründen oder anderen wichtigen Gründen abgewichen werden.

(3) Die Stutzen sind mit der Schale grundsätzlich durch voll durchgeschweißte Nähte zu verbinden.

(4) Nur Stutzen gemäß Abschnitt 5.2.2.2 (4) a) können auch durch nicht voll durchgeschweißte Nähte oder Schrumpfverbindung oder Einschrauben angeschlossen werden. Die Verschweißung kann hierbei auch ausschließlich mit der Plattierung erfolgen.

(5) Bei Schrumpf- und Schraubverbindungen ist zusätzlich eine Dichtnaht vorzusehen.

5.3.2.6.5 Anschlüsse von Deckeln und Blindverschlüssen

(1) Deckel und Blindverschlüsse gemäß Abschnitt 5.3.2.5 sind durch

  1. Verschweißen (voll durchgeschweißt),
  2. Anschrauben oder
  3. Flanschverbindung

anzuschließen.

(2) Bei nicht ständig vorhandenen Deckeln oder Blindverschlüssen sind auch nicht durchgeschweißte Nähte zulässig.

5.3.2.7 Anschlüsse von Teilen, die nicht Gegenstand dieser Regel sind

5.3.2.7.1 Kraftübertragende Teile

(1) Die Anschlüsse sind gemäß den Anforderungen dieser Regel, soweit vorhanden, auszuführen (z.B. Stutzenanschlüsse).

(2) Die Anschlüsse von Teilen, für die diese Regel keine verwendbaren Konstruktionsvorschriften enthält, sind auszuführen als:

  1. voll durchgeschweißte Schweißverbindung,
  2. Schraubverbindung, wobei die Verschwächung berücksichtigt werden muss,
  3. Klemmverbindung (z.B. Reaktordruckbehältereinbauten),
  4. Formschlüssige Verbindungen, wobei bei wechselnder Kraftrichtung die Möglichkeit von Spielen zu berücksichtigen ist.

5.3.2.7.2 Nichtkraftübertragende Teile

Die Anschlüsse sind gemäß den Anforderungen dieser Regel auszuführen. Sofern die Anwendung dieser Regel auf Anschlüsse nicht sinnvoll ist, sind die Anschlüsse so auszuführen, dass unzulässige qualitätsmindernde Einflüsse ausgeschlossen sind.

5.3.3 Pumpengehäuse

Pumpengehäuse können als geschmiedete, gegossene oder geschweißte Konstruktionen ausgeführt werden. Es gelten die konstruktiven Anforderungen gemäß den Abschnitten 5.1 und 5.2. Zusätzlich ist folgendes zu beachten:

  1. Das Pumpengehäuse ist so zu gestalten, dass auch bei Einwirkung von Rohrleitungskräften und -momenten sowie von EVA-Belastungen zusätzlich zu den aus dem Betrieb herrührenden hydraulischen und thermischen Belastungen die geforderte Funktionsfähigkeit erhalten bleibt.
  2. Der Aufbau des Pumpengehäuses und der zugehörigen Systeme muss eine möglichst gute Zugänglichkeit für Instandhaltung, Austausch von Verschleißteilen und Reparatur gestatten.

5.3.4 Armaturengehäuse

Armaturengehäuse können als geschmiedete, gegossene oder geschweißte Konstruktionen ausgeführt werden. Es gelten die konstruktiven Anforderungen gemäß den Abschnitten 5.1 und 5.2. Zusätzlich ist folgendes zu beachten:

  1. Das Armaturengehäuse ist so steif zu gestalten, dass auch bei Einwirkung von Rohrleitungskräften und -momenten sowie von EVA-Belastungen zusätzlich zu den aus dem Betrieb herrührenden hydraulischen Belastungen die geforderte Funktionsfähigkeit erhalten bleibt.
  2. Der Aufbau des Armaturengehäuses und der zugehörigen Systeme muss eine möglichst gute Zugänglichkeit für Instandhaltung, Austausch von Verschleißteilen und Reparatur gestatten.
  3. Bei der Konstruktion des Armaturengehäuses muss besonderer Wert auf sanfte Querschnittsübergänge gelegt werden.

5.3.5 Rohrleitungen

(1) Rohre, Rohrbögen und Rohrbiegungen sollen nahtlos ausgeführt werden.

(2) Das Verhältnis Rm / davon Rohrbiegungen muss gleich oder größer als 1,5 betragen. Ein Verhältnis Rm / davon gleich oder größer als 2 ist anzustreben.

(3) Bögen sind grundsätzlich mit geraden Rohrenden vorzusehen.

Hinweis:
Siehe hierzu auch KTA 3201.1 Abschnitt 17.1 (2).

5.3.6 Komponentenstützkonstruktionen

5.3.6.1 Allgemeines

(1) Die Stützkonstruktion der Komponenten können als Stützkonstruktionen mit integralen oder nichtintegralen Bereichen ausgeführt werden.

(2) Zum integralen Bereich einer Stützkonstruktion gehören die fest mit der Komponente verbundenen Teile (z.B. angeschweißt, angegossen, aus dem Vollen gearbeitet) mit Stützungsfunktion.

(3) Zum nichtintegralen Bereich einer Stützkonstruktion gehören die mit der Komponente lösbar oder nicht verbundenen Teile (z.B. geschraubt, gestiftet, lose aufliegend) mit Stützungsfunktion, sowie diejenigen Teile mit Stützungsfunktion einer fest mit der Komponente verbundenen Stützkonstruktion außerhalb des Einflussbereiches (siehe Bild 8.5-1).

Hinweis:
Nichtintegrale Bereiche einer Stützkonstruktion werden als Stahlbauteile eingestuft und fallen in den Anwendungsbereich der Regel KTA 3205.1 und im Falle von serienmäßig hergestellten Standardhalterungen (mit Eignungsprüfung) in den Anwendungsbereich der Regel KTA 3205.3.

(4) Für geschweißte integrale Stützkonstruktionen gelten die gleichen Anforderungen wie für die drucktragende Wand. Anschweißnähte an der drucktragenden Wand sind durchzuschweißen.

5.3.6.2 Behälter

(1) Zulässige Ausführungsformen sind in den Bildern 5.3-5 bis 5.3-7 dargestellt.

(2) Bei warmgehenden Komponenten sind unterschiedliche Wärmedehnungen von Komponenten und Stützkonstruktionen zu berücksichtigen.

(3) Im Falle horizontaler Belastungen (z.B. Einwirkungen von außen) können bei stehend angeordneten Behältern zur Sicherstellung der Standsicherheit seitliche Abstützungen erforderlich werden. Diese Abstützungen können je nach Konstruktion auch Vertikalkräfte abtragen.

Beispiele:

  1. Standzargen mit oder ohne umlaufenden Tragring (siehe Bild 5.3-5),
  2. Schmiedering im Zylindermantel (siehe Bild 5.3-6:),
  3. Führungszapfen (z.B. auch Benutzung von Stutzen oder Mannloch),
  4. Pratzen (siehe Bild 5.3-7).

Bild 5.3-5: Beispiele für Komponentenstützkonstruktionen mit integralen Anschlüssen von stehend angeordneten Druckbehältern mit Standzarge

Bild 5.3-6: Beispiele für Komponentenstützkonstruktionen von stehenden Behältern mit Schmiederingen

Bei den Ausführungsformen 1 bis 4 werden zwei Stege je Unterstützungspratze angeordnet. Der Radius Rsist gemäß Bild 5.2-2 festzulegen. Der Radius R ist im Hinblick auf einen günstigen Spannungsverlauf zu wählen.

Bild 5.3-7: Beispiele für Komponentenstützkonstruktionen mit integralen Anschlüssen von stehend angeordneten Druckbehältern mit Auflagerpratzen

5.3.6.3 Pumpen

Für geschweißte integrale Komponentenstützkonstruktionen gelten die gleichen Anforderungen wie für drucktragende Teile (durchgeschweißte Nähte, Prüfanforderungen).

5.3.6.4 Armaturen

Für Abstützungen von Armaturen größer als oder gleich DN 250, Nenndrücken größer als oder gleich 4 MPa und Betriebstemperaturen größer als oder gleich 100 °C sind geschmiedete Formteile zu verwenden.

6 Dimensionierung

6.1 Allgemeines

(1) Die Dimensionierung ist unter Zugrundelegung der Auslegungsstufe (Stufe 0) gemäß Abschnitt 3.3.2 vorzunehmen.

Hinweis:
Anhang B enthält Festlegungen zu einer möglichen Nachweisführung bei der erneuten rechnerischen Bewertung einer Komponente.

(2) Die Dimensionierung ist mit einem der folgenden Verfahren vorzunehmen:

  1. nach Anhang A,
  2. als Primärspannungsnachweis, wobei die primären Spannungen unter Verwendung der im Abschnitt 7.7.3.4 estgelegten Primärspannungsgrenzen zu beschränken sind,
  3. als Grenztragfähigkeitsnachweis, wobei zur Berechnung der unteren Grenztraglast als Wert für die Fließspannung σF = 1,5 ⋅ Smbei Auslegungstemperatur zu verwenden ist und die spezifizierte Belastung 67 % des Wertes der unteren Grenztraglast gemäß Abschnitt 7.7.4.1 nicht überschreiten darf.

In Sonderfällen dürfen auch andere geeignete Verfahren angewendet werden, wenn mit analytischen und / oder experimentellen Untersuchungen gezeigt wird, dass unter Berücksichtigung eventueller Wechselwirkungen möglicher Schädigungsmechanismen die aus Abschnitt 7.7.3.4 ableitbaren Sicherheiten vorliegen. Dabei dürfen gemessene oder detailliert belegte Eingangsdaten (z.B. Wanddicken) zugrunde gelegt werden.

Die Dimensionierung von Bauteilen, für die in Anhang a zutreffende Berechnungsregeln enthalten sind, hat nach diesen Berechnungsregeln zu erfolgen.

(3) Darüber hinaus ist gegebenenfalls ein Stabilitätsnachweis zu führen (siehe Abschnitt 7.11).

6.2 Schweißnähte

(1) Durchgeschweißte Nähte

Da die Schweißnähte den Anforderungen nach KTA 3201.1 und KTA 3201.3 zu genügen haben, brauchen die Schweißnähte in der Dimensionierung der Bauteile nicht gesondert berücksichtigt zu werden.

(2) Kehlnähte

Bei Anschweißnähten gemäß Abschnitt 5.2.2.2 (4) ist die verminderte Tragfähigkeit von Kehlnähten in der Dimensionierung der Bauteile zu berücksichtigen, z.B. gemäß KTA 3205.1. Hierbei sind die zulässigen Spannungen dem zutreffenden Teil der Tabelle 7-4 von KTA 3205.1 (laufende Nummern 7 bis 9) zu entnehmen. Die Beanspruchungsstufen sind dabei sinngemäß zuzuordnen (H = Stufen 0 und A; HZ = Stufen B und P; HS1 = C und HS2 / HS3 = D). Die Spannungsermittlung orientiert sich am Abschnitt E3 von KTA 3205.1 mit den Einschränkungen nach Abschnitt 7.2.2 (3) von KTA 3205.1.

6.3 Plattierungen

(1) Bei der Bestimmung der erforderlichen Wanddicken und Querschnitte sind vorhandene Plattierungen als nicht tragend anzusehen.

(2) Bei der Berechnung gegen Innendruck ist der lichte Durchmesser des unplattierten Bauteils anzusetzen.

(3) Formgebende Schweißungen, welche die Anforderungen nach KTA 3201.3 Abschnitt 9.5.3 erfüllen, gelten nicht als Plattierung.

6.4 Zuschläge

(1) Bei der Ermittlung der Nennwanddicke sind die Fertigungstoleranzen durch einen entsprechenden Zuschlag c1zu berücksichtigen. Der Zuschlag c1 ist gleich dem Absolutbetrag der Minustoleranz der Nennwanddicke gemäß der Abnahmespezifikation.

(2) Durch einen Zuschlag c2 ist die Wanddickenminderung infolge chemischer oder mechanischer Abnutzung zu berücksichtigen. Dies gilt sowohl für die Minderung der Wanddicke wie für die Vergrößerung des lichten Durchmessers. Der Zuschlag c2 darf entfallen, wenn keine Abnutzung erwartet wird, oder wenn eine Plattierung vorhanden ist.

6.5 Wanddicken

(1) Die Nennwanddicke sn muss unter Berücksichtigung der Zuschläge c1 und c2 folgender Bedingung genügen:

sn ≥ s0 + c1 + c2 (6.5-1)

dabei ist s0 die rechnerisch erforderliche Wanddicke nach Abschnitt 6.1.

(2) Die Nachrechnung ist mit der Wanddicke s0n = sn - c1 - c2durchzuführen, siehe Bild 7.1-1

(3) Bei Ermittlung der Wanddicke über den Nennaußendurchmesser danist in den Berechnungsformeln

da= dan (6.5-2)

und bei Ermittlung der Wanddicke über den Nenninnendurchmesser dinist

di = din + 2 ⋅ c2 (6.5-3)

zu setzen.

7 Allgemeine Analyse des mechanischen Verhaltens

7.1 Allgemeines

7.1.1 Zielsetzung

(1) Mit der Analyse des mechanischen Verhaltens muss nachgewiesen werden, dass die Komponenten allen Belastungen nach den in Abschnitt 3.3 aufgeführten Beanspruchungsstufen standhalten.

(2) Im Rahmen der Analyse des mechanischen Verhaltens sind die Beanspruchungen und erforderlichenfalls die Kraftgrößen und die Verformungen der zu untersuchenden Komponente infolge von Belastungen unter Einhaltung der Randbedingungen und unter Berücksichtigung der gegenseitigen Beeinflussung ihrer Nachbarkomponenten und einzelnen Bauteile gemäß Absch 7.6 einschließlich Anhang C zu ermitteln. Diese Ermittlung darf rechnerisch oder experimentell oder in Kombination rechnerisch und experimentell erfolgen und muss in dem Umfang durchgeführt werden, den die Sicherheit erfordert.

(3) Die so ermittelten Beanspruchungen und Verformungen sind hinsichtlich ihrer Zulässigkeit gemäß den Abschnitten 7.7 bis 7.13 zu überprüfen.

(4) Hierbei ist zu beachten, dass die Genauigkeit der ermittelten Größen von der Güte der geometrischen Idealisierung der Komponente oder des Bauteils, von der Genauigkeit der Annahme der Belastungen, Randbedingungen und Werkstoffeigenschaften sowie von den Eigenschaften des gewählten Berechnungsverfahrens und der Art seiner Durchführung abhängt.

(5) Die Analyse des mechanischen Verhaltens kann alternativ mit Berechnungsformeln durchgeführt werden, wenn bei hinreichend genauer und vollständiger Erfassung der Belastungsvorgaben und der geometrischen Gegebenheiten die Nachweisziele des Abschnittes 7 erreicht werden. Gegebenenfalls reichen hierzu die Auslegungsformeln für die Dimensionierung aus.

7.1.2 Schweißnähte

(1) Da die Schweißnähte den Anforderungen nach KTA 3201.1 und KTA 3201.3 zu genügen haben, braucht der Einfluss der Schweißnähte bei der Festlegung der zulässigen Spannungen nicht gesondert berücksichtigt zu werden.

(2) Im Rahmen von Ermüdungsanalysen sind die hinsichtlich der Ermüdungsfestigkeit reduzierenden Einflüsse von Schweißnähten in Abhängigkeit von der Schweißnahtbearbeitung zu berücksichtigen.

Hinweis:
Spannungsbeiwerte hinsichtlich Ermüdung (K-Werte) sind in Tabelle 8.4-1 enthalten.

7.1.3 Plattierung

(1) Bei der Bestimmung der erforderlichen Wanddicken und Querschnitte sind vorhandene Plattierungen als nicht tragend anzusehen. Auftragsschweißungen auf das Grundmaterial mit gleichwertigen Werkstoffen gelten nicht als Plattierungen.

(2) Bei der thermischen Analyse darf die Plattierung berücksichtigt werden. Beträgt die Plattierung mehr als 10 % der Wanddicke, muss sie bei der Analyse des mechanischen Verhaltens berücksichtigt werden. Die Spannungskategorisierung und -bewertung ist getrennt für den Grundwerkstoff und die Plattierung durchzuführen.

(3) Bei der Sprödbruchanalyse nach Abschnitt 7.9 ist der Einfluss der Plattierung sachgerecht zu berücksichtigen.

7.1.4 Wanddicke für die Analyse des mechanischen Verhaltens

(1) Für die Analyse des mechanischen Verhaltens eines Bauteils ist die mittlere auszuführende (oder mittlere ausgeführte) Wanddicke als scunter Abzug des Abnutzungszuschlags c2 gemäß Abschnitt 6.4 einzusetzen:

c3 - c1
sc= sn+
- c2
2
(7.1-1)

Hierbei ist sndefiniert in Gleichung 6.5-1. c3ist gleich der Plustoleranz. c1ist gleich dem Absolutbetrag der Minustoleranz gemäß Abschnitt 6.4 , siehe auch Bild 7.1-1.

Die Berechnungswanddicke scnach Gleichung (7.1-1) ist so festgelegt, dass sie in der Mitte des Toleranzfeldes abzüglich des Abnutzungszuschlags c2liegt.

(2) Bei entsprechender Begründung, z.B. aufgrund eines unsymmetrischen Toleranzfeldes oder bei Schmiedestücken, darf auch eine andere Wanddicke als sc gewählt werden, wenn diese die erforderliche Wanddicke (s0 + c2) nicht unterschreitet.

(3) Betragen die Wanddickentoleranzen c1und c3jeweils nicht mehr als 2 % der Nennwanddicke sn, so brauchen sie für die Festlegung von scnicht berücksichtigt zu werden.

Bild 7.1-1: Wanddicken

7.1.5 Maß- und Formabweichungen

7.1.5.1 Allgemeines

(1) Die nachfolgend aufgeführten Abweichungen von den der Berechnung zugrunde gelegten Maßen und Formen brauchen bis zu den jeweils angegebenen Grenzwerten nicht gesondert berücksichtigt zu werden.

(2) Werden diese Werte überschritten, so ist ein rechnerischer Nachweis im erforderlichen Umfang unter Zugrundelegung der tatsächlichen Abmessungen zu erbringen.

(3) Alle Angaben beziehen sich auf den ungestörten Membranbereich der Schale, sofern nicht ausdrücklich etwas anderes vermerkt ist.

7.1.5.2 Zylindrische Bauteile

7.1.5.2.1 Wanddickenabweichungen

(1) Abweichungen der vorhandenen Wanddicke abzüglich des Zuschlages c2von der der Berechnung zugrunde gelegten Wanddicke sc brauchen nicht gesondert in der Analyse des mechanischen Verhaltens berücksichtigt zu werden, wenn sie unterhalb von ± 5 % von scliegen.

(2) Bei Rohrleitungen ist eine Abweichung der vorhandenen Wanddicke abzüglich des Zuschlags c2von der der Berechnung zugrunde gelegten Wanddicke scnur dann zu berücksichtigen, wenn diese Abweichung außerhalb des Toleranzfeldes gemäß Komponentenspezifikation liegt.

(3) Für dünnwandige (sc≤ 5 mm) und mehrlagige Komponenten, deren Wanddicke neben den Festigkeitsanforderungen weiteren Bedingungen genügen muss (z.B. Wärmetauscherrohre, Kompensatorbälge), sind die der Analyse des mechanischen Verhaltens zugrunde zu legenden Werte im Einzelfall festzulegen. Dies gilt auch für Wanddickentoleranzen in geometrisch gestörten Bereichen (z.B. Durchdringungsbereich eines T-Stücks).

7.1.5.2.2 Durchmesserabweichungen

Die Abweichungen des vorhandenen Innendurchmessers in einem Querschnitt - gemittelt über den Umfang - vom Zeichnungswert soll 1 % nicht übersteigen. Darüber hinaus sind die Bedingungen des Abschnitts 7.1.6 einzuhalten.

7.1.5.2.3 Unrundheiten

(1) Innendruck

Ovalitäten und Abflachungen mit flachem Verlauf in Längsrichtung dürfen bis zu einem Innendurchmesser von di = 1000 mm keine Abweichung vom Innendurchmesser größer als oder gleich 1 % ergeben. Oberhalb eines Innendurchmessers von 1000 mm darf der Wert (di+ 1000) / (2 · di) [%] nicht überschritten werden.

Dabei ist die Unrundheit folgendermaßen zu bestimmen:

a) Ovalität

di,max - di,min
U = 2 ⋅
⋅ 100 [%]
di,max + di,min
(7.1-2)

b) Abflachung

q
U = 4 ⋅
⋅ 100 [%]
di
(7.1-3)

Hierbei ist q im Bild 7.1-2 dargestellt.

Bild 7.1-2: Abflachung q

(2) Außendruck

Die Abweichung U darf nicht größer sein als der Grenzwert Umax nach Gleichung ( 7.1.4) ergibt, wobei Δ dem Bild 7.1-3 zu entnehmen ist.

100
U = Umax= Δ ⋅
[%]
di
(7.1-4)

di: Innendurchmesser

(3) Für Rohre sind folgende Unrundheiten zulässig:

für Innendruck: 2 %,

für Außendruck: 1 %.

Bild 7.1-3: Faktor Δ bei Außendruck

l = freie Beullänge
da= Außendurchmesser
sc = Wanddicke

7.1.5.3 Kugeln

7.1.5.3.1 Wanddickenabweichungen

Es gelten die Angaben des Abschnitts 7.1.5.2.1.

7.1.5.3.2 Durchmesserabweichungen

Es gelten die Angaben des Abschnitts 7.1.5.2.2.

7.1.5.3.3 Unrundheiten

(1) Innendruck

Ovalitäten und Abflachungen sollen den kleineren der Werte (di + 1000) / 2 · di) [%] und (di+ 300) / (di) [%] nicht überschreiten. Die zulässigen Werte können auch Bild 7.1-4 entnommen werden.

Die Bestimmung der Unrundheiten muss gemäß Abschnitt 7.1.5.2.3 (1) erfolgen.

(2) Außendruck

Es dürfen die Kriterien des Abschnitts 7.1.5.2.3 (2) angewandt werden, wobei für l die Hälfte des Außendurchmessers einzusetzen ist.

Bild 7.1-4: Unrundheiten

7.1.5.4 Kegel

Kegel sind ebenso wie zylindrische Bauteile zu behandeln. Der Bezug für die Unrundheit sind Kreisquerschnitte senkrecht zur Symmetrieachse.

Für die Länge l gemäß Abschnitt 7.1.5.2.3 (2) ist die axiale Länge des Kegels einzusetzen.

7.1.5.5 Rohrbogen und Rohrbiegungen

7.1.5.5.1 Durchmesserabweichungen

Es gelten die Grenzen des Abschnittes 7.1.5.2.2

7.1.5.5.2 Unrundheit

(1) Für die Unrundheiten im mittleren Bereich des Rohrbogens der Rohrbiegung gilt:

dmax - dmin
U =
⋅ 100 [%]
d0
(7.1-5)

wobei

dmax: maximaler Durchmesser
dmin: minimaler Durchmesser
d0: Durchmesser vor dem Biegen.

(2) Für Innendruck soll U 5 % nicht überschreiten.

(3) Für Außendruck gilt Bild 7.1-3, wobei für l / dader Wert 10 zu setzen ist.

7.1.6 Kantenversätze beim Schweißen

7.1.6.1 Allgemeines

Die Beschränkung von Kantenversätzen aus fertigungs- und prüftechnischen Gründen ist in KTA 3201.3 geregelt. Für die rechnerische Bewertung von Kantenversätzen gelten die nachfolgenden Festlegungen. Kantenversätze stellen geometrische Störstellen dar, die im Rahmen der Analyse des mechanischen Verhaltens zu berücksichtigen sind, wenn die in den nachfolgenden Abschnitten angegebenen Werte überschritten werden. Die Regelungen im Abschnitt 8.4 bleiben hiervon unberührt.

7.1.6.2 Beidseitig geschweißte Nähte

(1) Eine gesonderte Berücksichtigung bei der Analyse des mechanischen Verhaltens ist nicht erforderlich, sofern der maximale Innenkantenversatz für beidseitig geschweißte Nähte die Werte nach Tabelle 7.1-1 nicht überschreitet.

Tabelle 7.1-1: Maximaler Kantenversatz

Wanddicke scin mm

Maximaler Innenkantenversatz
Längsnähte Rundnähte
sc ≤ 12,5 sc / 4 sc / 4
12,5 < sc ≤ 19,0 3 mm sc / 4
19,0 < sc ≤ 38,0 3 mm 4,5 mm
38,0 < sc ≤ 50,0 3 mm sc / 8
50,0 < sc der kleinere Wert von
sc / 16 und 9 mm		 der kleinere Wert von
sc / 8 und 16 mm

(2) Verbleibende Kanten müssen beschliffen werden. Die Rauhigkeitsanforderungen und Schärfen der Übergänge richten sich nach den Anforderungen der an der Naht durchzuführenden Prüfungen. Die Sollwanddicke muss im Nahtbereich eingehalten werden.

7.1.6.3 Einseitig geschweißte Nähte

(1) Die folgenden Anforderungen gelten für den Fall, dass die Innenseite der geschweißten Komponenten nicht erreichbar ist.

(2) Bei konzentrischen Verbindungen darf der maximale Innenkantenversatz über den gesamten Umfang 0,1 · sc, jedoch maximal 1 mm nicht übersteigen.

(3) Ein örtlich begrenzter Versatz darf maximal 2 mm betragen, sofern nicht andere Anforderungen (siehe Abschnitt 7.1.5) dadurch verletzt werden. Um die genannten Bedingungen zu erfüllen, sind gegebenenfalls die zu verschweißenden Teile spanabhebend zu bearbeiten, wobei keine Unterschreitung der Mindestwanddicke zulässig ist.

(4) Übergänge an der Naht im Grundwerkstoff sollten die Neigung 3 : 1 nicht überschreiten, sofern nicht höhere Anforderungen aus der Prüfbarkeit der Naht resultieren.

7.2 Belastungen

Als Belastungen sind alle Einwirkungen auf die Komponente oder das Bauteil anzunehmen, die Beanspruchungen in diesem hervorrufen. Die Belastungen resultieren aus den Lastfällen des Primärkreises nach Abschnitt 3 und sind im Abschnitt 4 erläutert. Sie werden im Rahmen der mechanischen und thermodynamischen Systemanalysen ermittelt.

7.3 Beanspruchungen

(1) Die Beanspruchungen bestehen in Spannungen oder Verzerrungen oder in der Kombination von Spannungen und Verzerrungen. Ihre Bewertung erfolgt als Vergleichsspannung oder Vergleichsdehnung. Im Falle eines linearelastischen Zusammenhangs sind Spannungen und Verzerrungen zueinander proportional. Bei der Spannungs-, Ermüdungs- und Sprödbruchanalyse nach den Abschnitten 7.7, 7.8 und 7.9 ist dieser proportionale Zusammenhang grundsätzlich auch oberhalb der Streckgrenze oder Dehngrenze des Werkstoffs zugrunde zu legen (fiktive Spannungen).

Im Falle elastischplastischer Analysen nach den Abschnitten 7.7.4, 7.8.1, 7.8.4, 7.9.1 (6), 7.9.5 oder 7.13 ist das in diesen Abschnitten beschriebene Vorgehen zugrunde zu legen.

(2) Die Beanspruchungen treten entweder als (vorwiegend) ruhende Beanspruchungen, als Wechselbeanspruchungen oder dynamische Beanspruchungen auf. Schwellende Beanspruchung ist als Sonderfall der Wechselbeanspruchung anzusehen.

(3) Die Begrenzung (vorwiegend) ruhender Beanspruchungen hat im Rahmen der Spannungsanalyse gemäß Abschnitt 7.7 und unter Umständen auch im Rahmen der Sprödbruchanalyse nach Abschnitt 7.9 zu erfolgen. Die Begrenzung wechselnder Beanspruchungen muss zusätzlich im Rahmen der Ermüdungsanalyse gemäß Abschnitt 7.8 vorgenommen werden.

7.4 Resultierende Verformungen

(1) Unter resultierenden Verformungen sind die Integrale der Verzerrungen zu verstehen. Sie stellen die Änderungen der Geometrie der Komponente, des Bauteils oder der idealisierten Struktur infolge von Belastungen dar.

(2) Die resultierenden Verformungen können durch Verschiebungen und daraus abgeleitete Größen (z.B. Verdrehungen) beschrieben werden. Sie müssen gegebenenfalls beschränkt werden, damit die Funktionsfähigkeit der Komponente und ihrer Nachbarkomponenten nicht beeinträchtigt wird.

7.5 Ermittlung, Bewertung und Begrenzung mechanischer Größen

(1) Die im Abschnitt 7.1.1 genannten mechanischen Größen sind rechnerisch nach den im Anhang C aufgeführten Methoden oder experimentell oder in Kombination rechnerisch und experimentell zu ermitteln.

(2) Bei vergleichbarer physikalischer Aufgabenstellung, Eignung der Verfahren und Einhaltung der zugehörigen Bedingungen, dürfen die nach unterschiedlichen Verfahren ermittelten Ergebnisse als gleichwertig angesehen werden.

(3) In Abschnitt 8 sind alternative Anforderungen enthalten, die vollständig oder teilweise die hier festgelegten Anforderungen im Rahmen des Gültigkeitsbereichs des Abschnitts 8 ersetzen.

(4) Die so ermittelten mechanischen Größen sind im Hinblick auf die Vermeidung des zähen Bruchs, des Ermüdungsbruchs und des Sprödbruchs sowie unzulässiger Verformungen und Instabilität zu bewerten und zu begrenzen.

7.6 Mechanische Systemanalyse

7.6.1 Allgemeines

(1) Aus den äußeren Belastungen (z.B. Kräften, Momenten, Verschiebungen, Temperaturverteilungen) müssen für die gewünschten Stellen im zu untersuchenden System die Schnittgrößen (z.B. Schnittkräfte, Schnittmomente und Verschiebungen) in der Komponente oder an den Schnittstellen zwischen Komponente und Nachbarkomponente ermittelt werden.

(2) Äußere systemunabhängige Belastungen, die das Verhalten des Systems nicht ändern (z.B. radiale Temperaturverteilung und gegebenenfalls Innendruck) brauchen nur bei der Ermittlung und Bewertung der Spannungen berücksichtigt zu werden.

7.6.2 Modellierung

7.6.2.1 Allgemeines

Die Modellierung eines Systems erfolgt im Hinblick auf die Aufgabenstellung und in Abhängigkeit vom mathematischen Ansatz gemäß Anhang C . Hierbei sind die Anforderungen der Abschnitte 7.6.2.2 bis 7.6.2.5 zu erfüllen.

7.6.2.2 System-Geometrie

In der System-Geometrie sind die Komponenten und Bauteile, die das Verhalten der zu untersuchenden Struktur wesentlich beeinflussen, zu erfassen. Die Geometrie einer Rohrleitung darf mittels gerader und gekrümmter Stäbe als Stabzug dargestellt werden, der dem Verlauf der Rohrachse entspricht.

7.6.2.3 Steifigkeiten

(1) Rohrleitungsteile

Die Rohrleitungsteile sollen bei der Analyse des mechanischen Verhaltens der Struktur mit den Steifigkeiten entsprechend ihrer Geometrie (mittlere Abmessungen einschließlich Plattierung) behandelt werden.

Hinweis:
Im Falle symmetrischer Toleranzen sind dies die Nennabmessungen.

(2) Kleinkomponenten

Kleinkomponenten sind Bestandteile der Rohrleitungen (z.B. Armaturen, Sammlertrommeln, Verteilerstücke, Abzweigstücke und Sonderbauteile). Falls diese Teile von geringem Einfluss auf die Steifigkeit der Gesamtstruktur sind, dürfen sie durch entsprechende Grenzsteifigkeiten ersetzt werden (z.B. Armaturen: starr; Isolierung: ohne Steifigkeitseinfluss).

(3) Kompensatoren Die Steifigkeit der Kompensatoren ist zu berücksichtigen.

(4) Großkomponenten

Der Einfluss von Großkomponenten (z.B. Behälter) ist durch geeignete Modellierung unter Berücksichtigung der Steifigkeiten zu erfassen.

(5) Komponentenstützkonstruktionen und Gebäude Der Einfluss der Komponentenstützkonstruktionen und des Gebäudes (Überstrukturen) ist zu berücksichtigen.

7.6.2.4 Massenverteilung

(1) Die Massen im System setzen sich aus den Massen der Komponenten oder ihrer Bauteile, der Füllung, der Isolation sowie anderen Zusatzmassen zusammen.

(2) Ein System mit kontinuierlicher Massenverteilung darf auch als ein System mit diskreten Massen behandelt werden.

(3) Die Massenverteilung muss den nötigen Anforderungen an die Schnittkraftverteilung und an die Schwingungsformen gerecht werden.

(4) Bei wesentlicher Exzentrizität müssen auch die Drehträgheiten (Massenträgheitsmomente) für die rotatorischen Freiheitsgrade berücksichtigt werden.

7.6.2.5 Randbedingungen

Als Randbedingungen sind Kraftgrößen und Verschiebungsgrößen entsprechend ihrer Wirkung im betrachteten Lastfall zu berücksichtigen.

7.6.2.6 Entkopplung von Teilsystemen

7.6.2.6.1 Statische Entkopplungsbedingungen

Bei statischen Fällen ist es zulässig, die Teilsysteme zu entkoppeln, falls dabei die Randbedingungen an der Koppelstelle berücksichtigt werden. Falls eine der folgenden Bedingungen eingehalten wird, müssen diese Randbedingungen nicht ermittelt und berücksichtigt werden:

  1. das Verhältnis der Flächenträgheitsmomente ist kleiner als oder gleich 0,01,
  2. das Verhältnis derjenigen Elemente der Steifigkeitsmatrizen, die für die betrachteten Verformungen maßgebend sind, ist hinreichend klein.

7.6.2.6.2 Dynamische Entkopplungsbedingungen

Bei dynamischen Belastungen dürfen Strukturen unterteilt werden, falls die Wechselwirkung zwischen den Teilstrukturen berücksichtigt wird oder das Schwingungsverhalten nicht unzulässig verändert wird.

7.6.3 Rechenverfahren

(1) Die zum Einsatz kommenden Rechenverfahren hängen sowohl vom gewählten mathematischen Ansatz gemäß Anhang C als auch von der zu untersuchenden Belastung (statisch oder dynamisch) ab. Bei der Behandlung dynamischer Lastfälle dürfen folgende Verfahren eingesetzt werden:

  1. statisches Ersatzlastverfahren,
  2. Antwortspektrummethode,
  3. Zeitverlaufmethode.

(2) Speziell für die Erdbebenlastfälle sind die Festlegungen in KTA 2201.4 zu beachten.

7.7 Spannungsanalyse

7.7.1 Allgemeines

(1) Durch eine Spannungsanalyse mit Spannungskategorisierung und Spannungsbegrenzung ist in Verbindung mit den geforderten Werkstoffeigenschaften nachzuweisen, dass keine unzulässigen Verzerrungen, insbesondere nur begrenzte plastische Verformungen, auftreten.

(2) Die Spannungsanalyse von Schrauben ist gemäß Abschnitt 7.12.2 durchzuführen.

7.7.2 Spannungskategorien

7.7.2.1 Allgemeines

(1) Die Spannungen sind in Abhängigkeit von der erzeugenden Ursache und ihrer Auswirkung auf das Festigkeitsverhalten des Bauteils Spannungskategorien zuzuordnen, das heißt in primäre Spannungen, sekundäre Spannungen und Spannungsspitzen einzuteilen und gemäß ihrer Zuordnung in unterschiedlicher Weise zu begrenzen.

(2) Erscheint in Grenzfällen die Zuordnung zu einer der genannten Spannungskategorien nicht eindeutig, ist die Auswirkung einer plastischen Verformung auf das Festigkeitsverhalten im Falle einer angenommenen Überschreitung der vorgesehenen Belastung als maßgebend anzusehen.

Hinweis:
Die im folgenden verwendeten Definitionen und sprachlichen Bezeichnungen entstammen der Theorie der Flächentragwerke (Schalen, Platten, Scheiben u. a.) und sind sinngemäß auch auf andere Tragwerke und Bauteile (Stäbe, als Stäbe betrachtete Rohre, Balken, Schrauben, Formstücke, Stülpringe u. a.) anzuwenden. Bei den nachfolgend genannten Spannungen ist zwischen den einzelnen Komponenten des Spannungstensors zu unterscheiden.

7.7.2.2 Primäre Spannungen

(1) Primäre Spannungen P sind solche Spannungen, die das Gleichgewicht mit äußeren Kraftgrößen (Lastgrößen) herstellen.

(2) Hinsichtlich des Festigkeitsverhaltens ist ihr wesentliches Merkmal, dass bei einer (unzulässig großen) Steigerung der äußeren Lasten die Verformungen nach vollständiger Plastifizierung des Querschnitts wesentlich zunehmen, ohne sich hierbei selbst zu begrenzen.

(3) Die primären Spannungen sind gesondert nach ihrer Verteilung über dem für das Tragverhalten zugrunde zu legenden Querschnitt als Membranspannungen (Pm, Pl) und als Biegespannungen (Pb) zu unterscheiden. Hierbei sind die Membranspannungen definiert als Mittelwert der jeweiligen Spannungskomponente über dem für das Tragverhalten zugrunde zu legenden Querschnitt, bei Flächentragwerken jeweils als Mittelwert der Spannungskomponente über der Wanddicke. Die Biegespannungen sind definiert als die über dem betrachteten Querschnitt proportional zum Abstand von der neutralen Achse linear veränderlichen Spannungen, bei Flächentragwerken als der linear veränderliche Anteil der über der Wanddicke verteilten Spannungen.

(4) Hinsichtlich der Verteilung der Membranspannung entlang der Wand sind allgemeine primäre Membranspannungen (Pm) und örtliche primäre Membranspannungen (Pl) zu unterscheiden. Während allgemeine primäre Membranspannungen so verteilt sind, dass als Folge einer Plastifizierung keine wesentliche Spannungsumlagerung zu benachbarten Bereichen hin stattfinden würde, ist im Falle von örtlichen primären Membranspannungen an Störstellen bei einer Plastifizierung eine Spannungsumlagerung möglich. Obwohl die Spannungen daher teilweise den Charakter einer Sekundärspannung haben, werden sie konservativ als örtliche primäre Membranspannungen definiert.

An Störstellen darf eine primäre Membranspannung als örtliche primäre Membranspannung eingestuft werden, wenn die Ausdehnung in meridionaler Richtung mit einer Membranspannung größer dem 1,1fachen der zulässigen allgemeinen Membranspannung nicht größer ist als 1 ⋅ (R ⋅ sc)0,5. Hierbei ist R der kleinste Hauptkrümmungsradius, gemessen bis zur Mitte der Wanddicke, und sc die kleinste Wanddicke im betrachteten Bereich.

Zwei benachbarte Bereiche mit örtlichen Erhöhungen der primären Membranspannung größer als 1,1 ⋅ Sm und axialsymmetrischer Spannungsverteilung müssen in meridionaler Richtung mindestens den Abstand 2,5 ⋅ (R ⋅ sc)0,5 haben. Hierbei gilt R = (R1+ R2) / 2 und sc = (sc,1 + sc,2) / 2 wobei für die Radien Ri und die Wanddicken sc,ider beiden Bereiche 1 und 2 die jeweils örtlich vorhandenen Werte entsprechend der Definition der örtlichen primären Membranspannung heranzuziehen sind.

Weiterhin sind einzelne Bereiche mit örtlichen primären Membranspannungen, hervorgerufen durch konzentrierte Belastungen (z.B. im Bereich von Auflagerpratzen), so anzuordnen, dass es zu keinen Überlappungen von Bereichen kommt, in denen das 1,1fache der zulässigen allgemeinen Membranspannung überschritten wird.

Für Bauteile, auf die die obigen Bedingungen nicht angewendet werden können, oder die die obigen Bedingungen nicht einhalten, darf der örtliche Charakter von Membranspannungen auch mit dem Traglastverfahren oder einer Grenztragfähigkeitsanalyse nach Abschnitt 7.7.4 nachgewiesen werden.

7.7.2.3 Sekundäre Spannungen

(1) Sekundäre Spannungen (Q) sind solche Spannungen, die durch Zwängungen infolge geometrischer Unstetigkeiten oder bei Verwendung von Werkstoffen mit unterschiedlichen Elastizitätsmoduln unter äußeren Belastungen entstehen oder die sich durch Zwängungen infolge unterschiedlicher Wärmedehnungen ergeben. Nur Spannungen aus dem linearisierten Verlauf der Spannungsverteilung werden zu den sekundären Spannungen gezählt.

(2) Hinsichtlich des Festigkeitsverhaltens ist ihr wesentliches Merkmal, dass sie im Falle des Überschreitens der Fließgrenze beim Ausgleich der Verformungsdifferenzen plastische Verformungen bewirken, die sich selbst begrenzen.

(3) Spannungen in Rohrleitungen, die aufgrund von Dehnungsbehinderungen im System oder allgemein infolge der Erfüllung kinematischer Randbedingungen entstehen, werden mit Pebezeichnet. Unter ungünstigen Bedingungen können sich in relativ langen Rohrleitungen Stellen mit großen Verformungen ergeben. Die sie verursachenden Zwängungen wirken dann wie äußere Lasten. Zusätzlich ist für diese Stellen nachzuweisen, dass die plastischen Dehnungen örtlich begrenzt bleiben.

7.7.2.4 Spannungsspitzen

(1) Spannungsspitzen (F) sind solche Spannungen, die der Summe der betreffenden primären und sekundären Spannungen überlagert sind. Sie haben keine merklichen Verformungen zur Folge und sind in Verbindung mit primären und sekundären Spannungen nur für Ermüdung und Sprödbruchgefährdung von Bedeutung.

(2) Zu den Spannungsspitzen zählen auch die Abweichungen von Nennspannungen in nichtrohrförmig verstärkten Lochrändern infolge Druck und Temperatur, wobei die Nennspannungen aus Gleichgewichtsbetrachtungen abzuleiten sind.

7.7.3 Spannungsüberlagerung und Spannungsbeurteilung

7.7.3.1 Allgemeines

(1) Für jeden Lastfall sind, wie im Folgenden dargelegt, die gleichzeitig wirkenden gleichgerichteten Spannungen für jede Spannungskategorie gesondert oder für verschiedene Spannungskategorien (z.B. primäre und sekundäre Spannungen) gemeinsam zu addieren.

(2) Beispiele für die Zuordnung von Spannungskategorien und für ihre Überlagerung geben die Tabellen 7.7-1 bis 7.7-3.

(3) Aus diesen Spannungssummen ist für die primären Spannungen die Vergleichsspannung, für die Summe aus primären und sekundären Spannungen oder für die Summe aus primären Spannungen, sekundären Spannungen und Spannungsspitzen jeweils die Vergleichsspannungsschwingbreite zu bilden.

(4) In den Abschnitten 7.7.3.2 und 7.7.3.3 ist der Bildung der Vergleichsspannungen und der Vergleichsspannungsschwingbreiten die Festigkeitshypothese nach von Mises oder diejenige nach Tresca zugrunde zu legen.

7.7.3.2 Vergleichsspannungen

(1) Nach Festlegung eines kartesischen Koordinatensystems sind die Summen aller gleichzeitig wirkenden Normal- und Schubspannungen der jeweiligen Achsenrichtung für

  1. die allgemeinen primären Membranspannungen oder
  2. die örtlichen primären Membranspannungen und
  3. die Summe aus primären Biegespannungen und entweder den allgemeinen oder den örtlichen primären Membranspannungen

gesondert zu bilden.

(2) Aus den überlagerten Spannungskomponenten ist die Vergleichsspannung nach von Mises unmittelbar zu berechnen

(7.7-1)

(3) Zur Bildung der Vergleichsspannung nach Tresca sind für jeden der drei Fälle (1) a) bis c) unter Berücksichtigung der jeweiligen primären Schubspannungen die Hauptspannungen zu ermitteln, es sei denn, die primären Schubspannungen verschwinden oder sind vernachlässigbar klein, so dass die vorhandenen Normalspannungen bereits die Hauptspannungen darstellen. Die Vergleichsspannung ist dann jeweils gleich der Differenz aus der größten und der kleinsten Hauptspannung.

σV, Tresca= σmax- σmin (7.7-2)

(4) Für die drei Fälle (1) a) bis c) erhält man so die Vergleichsspannung aus Pm, Plund Pm+ Pboder Pl+ Pb.

7.7.3.3 Vergleichsspannungsschwingbreiten

(1) Zur Vermeidung des Versagens infolge

  1. fortschreitender Deformation
  2. Ermüdung

sind die zu den jeweiligen Spannungskategorien gehörenden Vergleichsspannungsschwingbreiten zu ermitteln und entsprechend Abschnitt 7.7.3.4 zu begrenzen.

(2) Im Fall (1) a) sind die benötigten Spannungstensoren aus den gleichzeitig wirkenden Spannungen der primären und sekundären Spannungskategorien zu bilden, im Fall (1) b) aus den gleichzeitig wirkenden Spannungen aller Spannungskategorien.

(3) Aus der Menge der zu betrachtenden Beanspruchungszustände sind unter Verwendung eines festen Koordinatensystems zwei Beanspruchungszustände so auszuwählen, dass die aus der Differenz der zugehörigen Spannungstensoren nach der verwendeten Festigkeitshypothese gebildete Vergleichsspannung ein Maximum wird. Dieses Maximum stellt die Vergleichsspannungsschwingbreite dar.

(4) Haben die zu betrachtenden Beanspruchungszustände gleichbleibende Hauptspannungsrichtungen, so genügt es bei der Anwendung der Festigkeitshypothese nach Tresca, das Maximum der Differenzen je zweier Hauptspannungsdifferenzen gleicher Paare von Hauptspannungsrichtungen zu bilden. Dieses Maximum stellt dann die Vergleichsspannungsschwingbreite (nach Tresca) dar.

7.7.3.4 Begrenzung der Vergleichsspannungen und Vergleichsspannungsschwingbreiten

(1) Für jede Beanspruchungsstufe sind die Vergleichsspannungen und die Vergleichsspannungsschwingbreiten in Abhängigkeit von den mechanischen Eigenschaften des Werkstoffs nach den Tabellen 7.7-4 bis 7.7-7 zu begrenzen. Die Begrenzungen in den Tabellen 7.7-4 bis 7.7-6 gelten jedoch nur für volle Rechteckquerschnitte, wie sie zum Beispiel der betrachteten Spannungsverteilung in Schalen zugrunde gelegt werden. Bei anderen Querschnitten sind die Stützziffern in Abhängigkeit von dem jeweiligen Tragverhalten festzulegen.

(2) Im Falle der Vergleichsspannungen aus primären Spannungen und der Vergleichsspannungsschwingbreiten aus primären und sekundären Spannungen hat die Begrenzung unter Zugrundelegung des nachfolgend definierten Spannungsvergleichswertes Sm, der Mindestwerte bestimmter Dehngrenzen oder Zugfestigkeiten zu erfolgen.

(3) Der Sm-Wert ergibt sich unter Zugrundelegung der Temperatur T des jeweiligen Bauteils und der Raumtemperatur RT. Als Temperatur T darf bei den Betriebsstufen die örtlich und zeitlich jeweils vorhandene Temperatur verwendet werden. Für die Auslegungsstufe (Stufe 0) ist dagegen die Auslegungstemperatur zu verwenden.

(4) Unter Beachtung dieser Zuordnungen ergibt sich der Sm-Wert wie folgt:

a) für ferritische Werkstoffe außer Schraubenwerkstoffe

(7.7-3)

b) für ferritischen und austenitischen Stahlguss

ba) für ferritischen Stahlguss

(7.7-4)

bb) für austenitischen Stahlguss

(7.7-5)

Bei Austenit mit einem Verhältnis Rp0,2RT / RmRTkleiner als oder gleich 0,5 darf anstelle von Rp0,2Tmit Rp1,0Tgerechnet werden, sofern für Rp1,0Tin KTA 3201.1 Werte angegeben sind.

c) für austenitische Werkstoffe außer Schraubenwerkstoffe

ca) für die Analysen nach den Abschnitten 7 und 8

(7.7-6)

cb) für die Dimensionierung

(7.7-7)

Bei Austenit mit einem Verhältnis Rp0,2RT / RmRTkleiner als oder gleich 0,5 darf anstelle von Rp0,2T / 1,5 mit Rp1,0T / 1,5 gerechnet werden, sofern für Rp1,0Tin KTA 3201.1 Werte angegeben sind.

d) für Schrauben

Sm= Rp0,2T / 3 (7.7-8)

(5) Beim Auftreten eines dreiachsigen Zugspannungszustands ist außer bei Beanspruchungsstufe D zusätzlich die Summe der primären Hauptspannungen zu begrenzen mit

σ1 + σ2 + σ3≤ 4 · Sm

(6) Die angegebenen Spannungsvergleichswerte sind auch für den Anhang a maßgebend.

(7) Die Mindestwerte der Dehngrenzen oder der Zugfestigkeit sind KTA 3201.1 für die dort enthaltenen Werkstoffe zu entnehmen.

(8) Die Vergleichsspannungsschwingbreiten aus primären Spannungen, sekundären Spannungen und Spannungsspitzen sind im Rahmen einer Ermüdungsanalyse zu begrenzen.

(9) Die Spannungsbegrenzungen für Pm, Pl, Pl + Pb (elastisch gerechnet) müssen nicht eingehalten werden, wenn mittels Grenztragfähigkeitsanalyse oder durch Versuche gezeigt werden kann, dass die spezifizierten mechanischen und thermischen Belastungen die zulässigen unteren Grenzlasten gemäß Abschnitt 7.7.4 nicht überschreiten.

Tabelle 7.7-1: Spannungskategorisierung in Behältern für einige typische Fälle (Fortsetzung siehe Folgeseite)

Behälterteil Ort Spannungen
hervorgerufen durch		 Art der Spannung Kategorie
Zylinder- oder Kugelschale Ungestörter Bereich Innendruck Membranspannung Pm
Spannungsänderung senkrecht zur Schalenmittelfläche Q
Axialer Temperaturgradient Membranspannung Q
Biegespannung Q
Verbindung mit Boden oder Flansch Innendruck Membranspannung3 Pl
Biegespannung Q1
Beliebige Schale oder Boden Beliebiger Schnitt durch den gesamten Behälter Äußere Kraft oder Moment oder Innendruck2 Mittelwert der Membranspannung über den gesamten Behälterschnitt (Spannungskomponente senkrecht zur Schnittebene) Pm
Äußere Kraft oder Moment2 Biegeanteil über den gesamten Behälterschnitt (Spannungskomponente senkrecht zur Schnittebene) Pm
In der Nähe von Stutzen oder anderen Öffnungen Äußere Kraft oder Moment oder Innendruck2 Membranspannung3 Pl
Biegespannung Q
Spannungskonzentration an Hohlkehle oder Ecke F
Beliebig Temperaturdifferenz zwischen Boden und Mantel Membranspannung Q
Biegespannung Q
Gewölbter oder kegeliger Boden Im Bereich der Rotationsachse Innendruck Membranspannung Pm
Biegespannung Pb
Im Bereich der Krempe oder Verbindung zum Mantel Innendruck Membranspannung Pl4
Biegespannung Q
Ebener Boden Im Bereich der Ro- tationsachse Innendruck Membranspannung Pm
Biegespannung Pb
Verbindung zum Mantel Innendruck Membranspannung Pl


Biegespannung Q1
Gelochter Boden Regulärer Steg in einem regelmäßigen Lochfeld Druck Membranspannung
(Mittelwert über Stegquerschnitt)		 Pm
Biegespannung
(Mittelwert über Stegbreite, aber veränderlich über Wandstärke)		 Pb
Spannungskonzentration F
Einzelner oder von der normalen Anordnung abweihender Steg Druck Membranspannung (wie vor) Q
Biegespannung (wie vor) F
Spannungskonzentration F
Stutzen Querschnitt senkrecht zur Stutzenachse Innendruck oder äußere Kraft oder Moment2 Mittelwert der Membranspannung über den Stutzenquerschnitt (Spannungskomponente senkrecht zur Schnittebene) Pm
Äußere Kraft oder Moment2 Biegung über den Stutzenquerschnitt Pm
Stutzenwand Innendruck Allgemeine Membranspannung Pm
Örtliche Membranspannung Pl
Biegung Q
Spannungskonzentration F
Unterschiedliche Dehnung Membranspannung Q
Biegespannung Q
Spannungskonzentration F
Plattierung Beliebig Unterschiedliche Dehnung Membranspannung F
Biegespannung F
Beliebig Beliebig Radiale Temperaturverteilung5 Äquivalenter linearer Anteil6 Q
Abweichung vom äquivalenten linearen Spannungsverlauf F
Beliebig Beliebig Beliebig Spannungskonzentration durch Kerbwirkung F
1) Wenn das Randmoment erforderlich ist, um die Biegemomente in Boden- oder Plattenmitte in zulässigen Grenzen zu halten, sind diese Biegespannungen als Pb zu klassifizieren.
2) Hierzu gehören alle Anschlusskräfte der Rohrleitungen aus Eigengewicht, Schwingungen und behinderter Wärmedehnung sowie Trägheitskräfte.
3) Außerhalb des die Störstelle enthaltenden Bereiches darf die Membranspannung in Meridian- und Umfangsrichtung der Grundschale den Wert von 1,1 ⋅ Smnicht überschreiten und die Länge des Bereiches in meridionaler Richtung darf nicht größer sein als 1,0 ⋅ √R ⋅ sc.
4) In dünnwandigen Behältern muss die Möglichkeit des Einbeulens und unzulässiger Deformation untersucht werden.
5) Es ist zu untersuchen, ob die Gefahr des Versagens infolge fortschreitender Deformation besteht.
6) Der äquivalente lineare Anteil ist definiert als die lineare Spannungsverteilung, die das gleiche Biegemoment erzeugt, wie die tatsächliche Spannung.

Tabelle 7.7-2: Spannungskategorisierung in Rohrleitungen für einige typische Fälle

Rohrleitungskomponente Ort Spannungen hervorgerufen durch Art der Spannung Kategorie
Gerade Rohre, Krümmer und Reduzierstücke, Abzweige und T-Stücke mit Ausnahme des Durchdringungsbereiches Ungestörtes Rohr Innendruck Mittlere Membranspannung Pm
Mechanische Lasten einschließlich Eigengewicht und Trägheitskräfte Biegespannung über Rohrquerschnitt (Spannungskomponente senkrecht zur Schnittebene) Pb
Im Bereich von Störstellen (Wanddickenänderungen, Verbindung verschiedener Rohrleitungsteile) Innendruck Membranspannung (über Wanddicke) Pl
Biegespannung (über Wanddicke) Q
Mechanische Lasten einschließlich Eigen- gewicht und Trägheitskräfte Membranspannung (über Wanddicke) Pl
Biegespannung (über Wanddicke) Q
Behinderte Wärmedehnung Membranspannung Pe
Biegespannung Pe
Axialer Temperaturgradient Membranspannung Q
Biegespannung Q
Beliebig Beliebig Spannungskonzentration F
Abzweige und T-Stücke Bereich der Durchdringung Innendruck, mechanische Lasten einschließlich Eigengewicht und Trägheitskräfte und behinderte Wärmedehnung Membranspannung Pl
Biegespannung Q
Axialer Temperaturgradient Membranspannung Q
Biegespannung Q
Beliebig Spannungskonzentration F
Bolzen und Flansche Ungestörte Bereiche Innendruck, Dichtkraft, Schraubenkräfte Mittlere Membranspannung Pm
Im Bereich von Wanddickenänderungen Innendruck, Dichtkraft, Schraubenkräfte Membranspannung Pl
Biegespannung Q
Axialer oder radialer Temperaturgradient Membranspannung Q
Biegespannung Q
Behinderte Wärmedehnung Membranspannung Pe
Biegespannung Pe
Beliebig Spannungskonzentration F
Beliebig Beliebig Radialer Temperturgradient1 Biegespannung über der Wand F
Spannungskonzentration F
1) Es ist zu untersuchen, ob die Gefahr des Versagens infolge fortschreitender Deformation besteht.

Tabelle 7.7-3: Spannungskategorisierung integraler Bereiche von Komponentenstützkonstruktionen für einige typische Fälle

Typ der Komponentenstützkonstruktion Ort Spannungen hervorgerufen durch Art der Spannung Kategorie
Beliebige Schale Beliebiger Schnitt durch die gesamte Komponentenstützkonstruktion Aufzunehmende Kraft oder aufzunehmendes Moment Mittelwert der Membranspannung über den gesamten Schnitt (Spannungskomponente senkrecht zur Schnittebene) Pm
Aufzunehmende Kraft oder aufzunehmendes Moment Biegeanteil über den gesamten Schnitt
(Spannungskomponente senkrecht zur Schnittebene)		 Pb
Im Bereich einer Störstelle1 oder Öffnung Aufzunehmende Kraft oder aufzunehmendes Moment Membranspannung Pm
Biegespannung Q2
Beliebige Stelle Ausdehnungsbehinderung3 Membranspannung Pe
Biegespannung Pe
Beliebige Platte oder Scheibe Beliebige Stelle Aufzunehmende Kraft oder aufzunehmendes Moment Membranspannung Pm
Biegespannung Pb
Im Bereich einer Störstelle1 oder Öffnung Aufzunehmende Kraft oder aufzunehmendes Moment Membranspannung Pm
Biegespannung Q2
Beliebige Stelle Ausdehnungsbehinderung3 Membranspannung Pe
Biegespannung Pe
1) Unter Störstellen sind wesentliche Geometrieänderungen wie Wanddickenänderungen und Übergänge zwischen verschiedenen Schalentypen zu verstehen. Lokale Spannungskonzentrationen, z.B. an Ecken und Bohrungen, fallen nicht darunter.
2) Berechnung ist nicht erforderlich.
3) Dies sind Spannungen, die aus der Unterdrückung oder Behinderung von Verschiebungen oder aus unterschiedlichen Verschiebungen von Komponentenstützkonstruktionen oder Festpunkten herrühren, einschließlich Spannungserhöhungen an Störstellen. Ausgenommen ist die behinderte Wärmedehnung von Rohrleitungen. Die Kräfte und Momente aus behinderter Wärmedehnung von Rohrleitungen fallen für die Komponentenstützkonstruktionen unter "Aufzunehmende Kraft oder aufzunehmendes Moment".

Tabelle 7.7-4: Zulässige Werte für Vergleichsspannungen und Vergleichsspannungsschwingbreiten aus den Spannungskategorien bei Durchführung einer linearelastischen Analyse des mechanischen Verhaltens bei Verwendung von ferritischen Stählen außer Stahlguss

Beanspruchungsstufen

Spannungskategorie

 Auslegungsstufe Betriebsstufen
(Stufe 0)1 Stufe A Stufe B Stufe P2 Stufe C3 Stufe D
primäre Spannungen Pm Sm - 1,1 ⋅ Sm 0,9 ⋅ Rp0,2T Rp0,2T 4 0,7 ⋅ RmT
Pl 1,5 ⋅ Sm - 1,65 ⋅ Sm 1,35 ⋅ Rp0,2T 1,5 ⋅ Rp0,2T 4 RmT
Pm+ Pb
oder
Pl+ Pb		 1,5 ⋅ Sm - 1,65 ⋅ Sm 1,35 ⋅ Rp0,2T 1,5 ⋅ Rp0,2T4 RmT
primäre plus sekundäre Spannungen Pe - 3 ⋅ Sm5 3 ⋅ Sm5,6 - - -
Pm + Pb+ Pe+ Q
oder
Pl + Pb + Pe+ Q		 - 3 ⋅ Sm5 3 ⋅ Sm5,6 - - -
primäre plus sekundäre Spannungen plus Spannungsspitzen Pm+ Pb+ Pe+ Q + F
oder
Pl+ Pb+ Pe+ Q + F		 - 2 ⋅ Sa7
D ≤ 1,0		 2 ⋅ Sa7, 8
D ≤ 1,0		 - - -
Die aufgeführten Werkstoffkennwerte sind als Mindestwerte einzusetzen.

Bei Anwendung der komponentenspezifischen Analyse des mechanischen Verhaltens gemäß Abschnitt 8 gelten die dort angegebenen Grenzen.

1) Zur Nachweisführung bei der erneuten rechnerischen Bewertung einer Komponente siehe Anhang B.
2) Bei Überschreitung der Zahl 10 sind alle Lastspiele dieser Stufe in die Ermüdungsanalyse gemäß den Stufen a und B einzubeziehen.
3) Bei Überschreitung der Zahl 25 sind die über 25 hinausgehenden Lastspiele dieser Stufe in die Ermüdungsanalyse gemäß den Stufen a und B einzubeziehen.
4) Jedoch nicht mehr als 90 % des zulässigen Wertes der Stufe D.
5) Bei Überschreiten der Grenze von 3 ⋅ Sm ist eine elastischplastische Analyse unter Berücksichtigung der Lastspiele durchzuführen (siehe Abschnitt 7.8.1). Diese kann unter den zugehörigen Voraussetzungen eine vereinfachte elastischplastische Analyse gemäß Abschnitt 7.8.4 sein.
6) Diese Nachweise sind nicht in den Fällen vorgeschrieben, in denen Beanspruchungen der Lastfälle NF und SF aus Gründen der Funktionsfähigkeit oder aus anderen Gründen in diese Betriebsstufe eingestuft wurden.
7) Die Begrenzung der Spannungsamplitude Sa und des Erschöpfungsgrades D erfolgt nach Abschnitt 7.8.
8) Der Ermüdungsnachweis ist nicht in den Fällen vorgeschrieben, in denen Beanspruchungen der Lastfälle NF und SF aus Gründen der Funktionsfähigkeit oder aus anderen Gründen dieser Betriebsstufe zugeordnet wurden und diese Lastfälle der Gruppe von 25 Lastspielen der Stufe C angehören, für die keine Ermüdungsanalyse erforderlich ist.

Tabelle 7.7-5: Zulässige Werte für Vergleichsspannungen und Vergleichsspannungsschwingbreiten aus den Spannungskategorien bei Durchführung einer linearelastischen Analyse des mechanischen Verhaltens bei Verwendung von austenitischen Stählen

Beanspruchungsstufen

Spannungskategorie

 Auslegungsstufe Betriebsstufen
(Stufe 0)1 Stufe A Stufe B Stufe P2 Stufe C3 Stufe D
primäre Spannungen Pm Sm - 1,1 ⋅ Sm 0,9 ⋅ Rp0,2T Größter Wert von:4
1,2 ⋅ Sm und Rp0,2T		 0,7 ⋅ RmT
Pl 1,5 ⋅ Sm - 1,65 ⋅ Sm 1,35 ⋅ Rp0,2T Größter Wert von:4
1,8 ⋅ Sm und 1,5 ⋅ Rp0,2T		 RmT
Pm+ Pb
oder
Pl+ Pb		 1,5 ⋅ Sm - 1,65 ⋅ Sm 1,35 ⋅ Rp0,2T Größter Wert von:4
1,8 ⋅ Sm und 1,5 ⋅ Rp0,2T		 RmT
primäre plus sekundäre Spannungen Pe - 3 ⋅ Sm5 3 ⋅ Sm5,6 - - -
Pm + Pb+ Pe+ Q
oder
Pl + Pb + Pe+ Q		 - 3 ⋅ Sm5 3 ⋅ Sm5,6 - - -
primäre plus sekundäre Spannungen plus Spannungsspitzen Pm+ Pb+ Pe+ Q + F
oder
Pl+ Pb+ Pe+ Q + F		 - 2 ⋅ Sa7
D ≤ 1,0		 2 ⋅ Sa7, 8
D ≤ 1,0		 - - -
Die aufgeführten Werkstoffkennwerte sind als Mindestwerte einzusetzen.

Bei Anwendung der komponentenspezifischen Analyse des mechanischen Verhaltens gemäß Abschnitt 8 gelten die dort angegebenen Grenzen.

1) Zur Nachweisführung bei der erneuten rechnerischen Bewertung einer Komponente siehe Anhang B.
2) Bei Überschreitung der Zahl 10 sind alle Lastspiele dieser Stufe in die Ermüdungsanalyse gemäß den Stufen a und B einzubeziehen.
3) Bei Überschreitung der Zahl 25 sind die über 25 hinausgehenden Lastspiele dieser Stufe in die Ermüdungsanalyse gemäß den Stufen a und B einzubeziehen.
4) Jedoch nicht mehr als 90 % des zulässigen Wertes der Stufe D.
5) Bei Überschreiten der Grenze von 3 ⋅ Smist eine elastischplastische Analyse unter Berücksichtigung der Lastspiele durchzuführen (siehe Abschnitt 7.8.1). Diese kann unter den zugehörigen Voraussetzungen eine vereinfachte elastischplastische Analyse gemäß Abschnitt 7.8.4 sein.
6) Diese Nachweise sind nicht in den Fällen vorgeschrieben, in denen Beanspruchungen der Lastfälle NF und SF aus Gründen der Funktionsfähigkeit oder aus anderen Gründen in diese Betriebsstufe eingestuft wurden.
7) Die Begrenzung der Spannungsamplitude Sa und des Erschöpfungsgrades D erfolgt nach Abschnitt 7.8.
8) Der Ermüdungsnachweis ist nicht in den Fällen vorgeschrieben, in denen Beanspruchungen der Lastfälle NF und SF aus Gründen der Funktionsfähigkeit oder aus anderen Gründen dieser Betriebsstufe zugeordnet wurden und diese Lastfälle der Gruppe von 25 Lastspielen der Stufe C angehören, für die keine Ermüdungsanalyse erforderlich ist.

Tabelle 7.7-6: Zulässige Werte für Vergleichsspannungen und Vergleichsspannungsschwingbreiten aus den Spannungskategorien bei Durchführung einer linearelastischen Analyse des mechanischen Verhaltens bei Verwendung von Stahlguss

Beanspruchungsstufen

Spannungskategorie

 Auslegungsstufe Betriebsstufen
(Stufe 0)1 Stufe A Stufe B Stufe P2 Stufe C3 Stufe D
primäre Spannungen Pm Sm - 1,1 ⋅ Sm 0,75 ⋅ Rp0,2T Rp0,2T 4 0,7 ⋅ RmT
Pl 1,5 ⋅ Sm - 1,65 ⋅ Sm 1,15 ⋅ Rp0,2T 1,5 ⋅ Rp0,2T 4 RmT
Pm+ Pb
oder
Pl+ Pb		 1,5 ⋅ Sm - 1,65 ⋅ Sm 1,15 ⋅ Rp0,2T 1,5 ⋅ Rp0,2T4 RmT
primäre plus sekundäre Spannungen Pe - 4 ⋅ Sm5 4 ⋅ Sm5,6 - - -
Pm + Pb+ Pe+ Q
oder
Pl + Pb + Pe+ Q		 - 4 ⋅ Sm5 4 ⋅ Sm5,6 - - -
primäre plus sekundäre Spannungen plus Spannungsspitzen Pm+ Pb+ Pe+ Q + F
oder
Pl+ Pb+ Pe+ Q + F		 - 2 ⋅ Sa7
D ≤ 1,0		 2 ⋅ Sa7, 8
D ≤ 1,0		 - - -
Die aufgeführten Werkstoffkennwerte sind als Mindestwerte einzusetzen.

Bei Anwendung der komponentenspezifischen Analyse des mechanischen Verhaltens gemäß Abschnitt 8 gelten die dort angegebenen Grenzen.

1) Zur Nachweisführung bei der erneuten rechnerischen Bewertung einer Komponente siehe Anhang B.
2) Bei Überschreitung der Zahl 10 sind alle Lastspiele dieser Stufe in die Ermüdungsanalyse gemäß den Stufen a und B einzubeziehen.
3) Bei Überschreitung der Zahl 25 sind die über 25 hinausgehenden Lastspiele dieser Stufe in die Ermüdungsanalyse gemäß den Stufen a und B einzubeziehen.
4) Jedoch nicht mehr als 90 % des zulässigen Wertes der Stufe D.
5) Bei Überschreiten der Grenze von 4 ⋅ Sm ist eine elastischplastische Analyse unter Berücksichtigung der Lastspiele durchzuführen (siehe Abschnitt 7.8.1). Diese kann unter den zugehörigen Voraussetzungen eine vereinfachte elastischplastische Analyse gemäß Abschnitt 7.8.4 sein.
6) Diese Nachweise sind nicht in den Fällen vorgeschrieben, in denen Beanspruchungen der Lastfälle NF und SF aus Gründen der Funktionsfähigkeit oder aus anderen Gründen in diese Betriebsstufe eingestuft wurden.
7) Die Begrenzung der Spannungsamplitude Sa und des Erschöpfungsgrades D erfolgt nach Abschnitt 7.8.
8) Der Ermüdungsnachweis ist nicht in den Fällen vorgeschrieben, in denen Beanspruchungen der Lastfälle NF und SF aus Gründen der Funktionsfähigkeit oder aus anderen Gründen dieser Betriebsstufe zugeordnet wurden und diese Lastfälle der Gruppe von 25 Lastspielen der Stufe C angehören, für die keine Ermüdungsanalyse erforderlich ist.

Tabelle 7.7-7: Zulässige Spannungen σzul für Schrauben

Lfd.
Nr.		 Schraubenbelastung1 Schraubenart2 Zulässige Spannung σzul
Beanspruchungsstufe
Einbauzustand 0 A, B P C, D
1 Mittlere Zugspannung nur aus Innendruck
FS = FRP+ FF		 - -
⋅		 1 / 3 ⋅ Rp0,2T - - -
2 Mittlere Zugspannung aus Innendruck, erforderlicher Dichtungskraft und äußeren Lasten
FS = FRP + FF + FDB+ FRZ+ FRM		 Dehnschraube - 1 / 1,5 ⋅ Rp0,2T 1 / 1,5 ⋅ Rp0,2T - 1 / 1,1 ⋅ Rp0,2T
Starrschraube - 1 / 1,8 ⋅ Rp0,2T3 1 / 1,8 ⋅ Rp0,2T - 1 / 3 ⋅ Rp0,2T
3 Mittlere Zugspannung im Prüfzustand
F2Z		 Dehnschraube - - - 1 / 1,1 ⋅ Rp0,2T -
Starrschraube - - - 1 / 1,3 ⋅ Rp0,2T -
4 Mittlere Zugspannung im Einbauzustand4
FS0		 Dehnschraube 1 / 1,1 ⋅ Rp0,2RT5 - - - -
Starrschraube 1 / 1,3 ⋅ Rp0,2RT - - - -
5 Mittlere Zugspannung aus Innendruck, äußeren Lasten, Restdichtungskraft
und ggf. unterschiedlicher Wärmedehnung6 unter Berücksichtigung des Verspannungszustandes		 - - - 1 / 1,1 ⋅ Rp0,2T7 - -
6 Gesamtspannung8 (einschließlich Spannungsspitzen) - - - 2 ⋅ Sa9
D ≤ 1,0		 - -
1) Bedeutung der verwendeten Formelzeichen siehe Abschnitt a 2.8.1. Für FDBist die jeweils zutreffende Größe einzusetzen ("FDBU / L" bei Krafthauptschlussverbindungen und "gKNS ⋅ FDKU" bei Kraftnebenschlussverbindungen).
2) Soweit dies konstruktiv möglich ist, sind Dehnschrauben oder Schrauben mit Dehnschaft gemäß Abschnitt a 2.8.3 einzusetzen.
3) Konstruktionszuschlag c gemäß Abschnitt a 2.8.4.4 ist zu berücksichtigen.
4) Die vom Anzugsverfahren abhängige Streuung der Krafteinleitung in die Schrauben ist bei den Festigkeitsnachweisen zur sicheren Seite hin zu berücksichtigen (maximale Schraubenkraft).
5) Zusätzlich ist für den Montagevorgang, soweit dieser mit einem Drehmomentenschlüssel erfolgt, die Vergleichsspannung mit Rp0,2RTzu begrenzen. Die rechnerische Torsionsspannung darf mit dem polaren Widerstandsmoment Wp = (π / 12) · d03 (mit d0als Dehnschaftdurchmesser) ermittelt werden.
6) Berücksichtigung unterschiedlicher Wärmedehnung bei einer Auslegungstemperatur > 120 °C. Die Temperaturbegrenzung gilt nicht für die Werkstoffpaarung Austenit / Ferrit in Flansch und Schrauben.
7) Bei Auftreten von Biegespannungen ist die Summe aus mittlerer Zugspannung und Biegespannung (abhängig von Innendruck, Vorspannung, Temperatureinfluss und Zusatzlasten) mit Rp0,2Tzu begrenzen.
8) Aus Verformungsanalyse zu ermitteln (z.B. Verspannungsschaubild), zur Ermüdungsanalyse siehe auch Abschnitt 7.12.2 (2).
9) Die Begrenzung der Spannungsamplitude Sa und des Erschöpfungsgrades D erfolgt nach Abschnitt 7.8.

7.7.4 Grenztragfähigkeitsanalyse

Hinweis:
Zur Nachweisführung bei der erneuten rechnerischen Bewertung einer Komponente siehe Anhang B.

7.7.4.1 Allgemeines

(1) Die nachfolgenden Festlegungen gelten für platten- und schalenförmige Bauteile. Sie sind nicht anwendbar

  1. auf Befestigungselemente mit Gewinde,
  2. bei Konstruktionen (z.B. Kehlnähten), bei denen das Versagen infolge lokaler Versagensarten eintreten kann,
  3. wenn die Möglichkeit von Instabilitätsversagen der Struktur besteht.

(2) Die Grenzen für die allgemeine primäre Membranspannung, die örtliche primäre Membranspannung sowie die primäre Membran- und Biegespannung (elastisch gerechnet) müssen dann nicht an jeder Stelle eingehalten sein, wenn mittels einer Grenztragfähigkeitsanalyse gezeigt wird, dass die spezifizierten Belastungen mit den in 7.7.4.2 angegebenen Sicherheiten unterhalb der jeweiligen unteren Grenztraglast liegen.

(3) Die untere Grenztraglast ist diejenige Grenztraglast, die als untere Grenze (lower bound theorem) unter Annahme eines ideal elastischplastischen Werkstoffverhaltens mit der fiktiven Fließspannung ÃF errechnet wird. Dabei muss die Spannungsverteilung in der Struktur die Gleichgewichtsbedingungen erfÌllen. Mehrachsige Beanspruchungszustände sind mittels der von-Mises-Hypothese zu bewerten.

7.7.4.2 Zulässige Belastungen

(1) Beanspruchungsstufe 0

Bei dieser Beanspruchungsstufe wird zur Berechnung der unteren Grenztraglast als Wert für die Fließspannung σF = 1,5 ⋅ Smverwendet.

Die Verwendung des Sm-Wertes kann bei Werkstoffen ohne ausgesprägte Streckgrenze während der ersten Lastwechsel zu kleinen bleibenden Dehnungen führen. Sofern diese Dehnungen nicht zulässig sind, ist der Wert der Bezugsspannung Sm unter Verwendung von Dehnungsbegrenzungsfaktoren nach Tabelle 7.7-8 zu reduzieren.

Die spezifizierte Belastung darf 67 % des Wertes der unteren Grenztraglast nicht überschreiten.

(2) Beanspruchungsstufe B

Bei dieser Beanspruchungsstufe wird zur Berechnung der unteren Grenztraglast als Wert für die Fließspannung σF = 1,65 ⋅ Sm verwendet.

Die Verwendung des 1,1fachen Sm-Wertes kann bei Werkstoffen ohne ausgesprägte Streckgrenze während der ersten Lastwechsel zu kleinen bleibenden Dehnungen führen. Sofern diese Dehnungen nicht zulässig sind, ist der Wert der Bezugsspannung Sm unter Verwendung von Dehnungsbegrenzungsfaktoren nach Tabelle 7.7-8 zu reduzieren.

Die spezifizierte Belastung darf 67 % des Wertes der unteren Grenztraglast nicht überschreiten.

Tabelle 7.7-8: Faktoren zur Begrenzung der Dehnungen für Werkstoffe ohne ausgeprägte Streckgrenze

Bleibende Dehnung in % Faktoren
0,20 1,00 *
0,10 0,90
0,09 0,89
0,08 0,88
0,07 0,86
0,06 0,83
0,05 0,80
0,04 0,77
0,03 0,73
0,02 0,69
0,01 0,63
*) Bei Werkstoffen ohne ausgeprägte Streckgrenze kann bei Temperaturen von oberhalb 50 °C der Sm-Wert 67 % der Dehngrenze Rp0,2T überschreiten und 90 % dieses Wertes erreichen; damit ist eine bleibende Dehnung von etwa 0,1 % verbunden. Wenn diese Dehnung nicht zulässig erscheint, ist der Sm-Wert unter Verwendung der Faktoren dieser Tabelle zu reduzieren.

(3) Beanspruchungsstufe C

Bei dieser Beanspruchungsstufe wird zur Berechnung der unteren Grenztraglast als Wert für die Fließspannung σF = 1,8 ⋅ Smverwendet.

Die spezifizierte Belastung darf 67 % des Wertes der unteren Grenztraglast nicht überschreiten.

(4) Beanspruchungsstufe D

Bei dieser Beanspruchungsstufe wird zur Berechnung der unteren Grenztraglast als Wert für die Fließspannung σFder kleinere Wert von 2,3 ⋅ Smund 0,7 ⋅ RmTverwendet.

Die spezifizierte Belastung darf 90 % des Wertes der unteren Grenztraglast nicht überschreiten.

(5) Prüfstufe P

Bei dieser Beanspruchungsstufe wird zur Berechnung der unteren Grenztraglast als Wert für die Fließspannung σF= 1,5 ⋅ Smverwendet.

Die spezifizierte Belastung darf 80 % des Wertes der unteren Grenztraglast nicht überschreiten.

(6) Bei Einhaltung folgender Bedingungen darf die untere Grenztraglast aus einer einzigen Berechnung mit ideal elastischplastischem Werkstoffverhalten für die einzelnen Beanspruchungsstufen proportional den unterschiedlichen Fließspannungen umgerechnet werden:

  1. Der Berechnung liegt ein geometrisch lineares Berechnungsmodell zugrunde (z.B. keine nicht linearen Lagerbedingungen).
  2. Die Belastung ist proportional (z.B. bei Belastung durch Druck und äußere Lasten steigen beide Lastanteile im gleichen Verhältnis),
  3. Bei mehr als einem Werkstoff gilt für das gesamte untersuchte Bauteil die niedrigste Fließspannung.

7.8 Ermüdungsanalyse

7.8.1 Allgemeines

7.8.1.1 Zielsetzung und Vorgehen

(1) Zur Vermeidung eines Versagens infolge Ermüdung bei wechselnder Beanspruchung ist abhängig von der Komponentenart eine Ermüdungsanalyse durchzuführen.

(2) Bewertungsgrundlage für die Ermüdungsanalyse sind Ermüdungskurven (Bilder 7.8-1 bis 7.8-4), die auf Versuchen in Luftatmosphäre basieren.

Hinweis:
Vergleiche hierzu auch Abschnitt 4, insbesondere Abschnitt 4.5.

(3) Die in Bild 7.8-2 für Temperaturen gleich oder kleiner als 80 °C und größer als 80 °C dargestellten Ermüdungskurven gelten für die austenitischen Stähle X6CrNiNb18-10 (1.4550) und X6CrNiTi18-10 (1.4541). Für alle sonstigen austenitischen Stähle ist die in Bild 7.8-3 dargestellte Ermüdungskurve anzuwenden.

(4) Die Gleichungen für die in Bild 7.8-2 dargestellten Ermüdungskurven für die Stähle 1.4550 und 1.4541 lauten:

a) als Funktion Sa = f (nˆi)

(7.8.1-1)

b) als Funktion N = f (Sa)

(7.8.1-2)

mit
Sa: halbe Vergleichsspannungsschwingbreite in N / mm2
nˆi: zulässige Lastspielzahl
E : Elastizitätsmodul

Als Bezugsgröße für die Darstellung der fiktiven elastischen Spannungsschwingbreiten wurde der Elastizitätsmodul E = 1,79 ⋅ 105 N / mm2 gewählt.

Die Konstanten a, b und c betragen:

  1. a = 4,400 bei T ≤ 80 °C und 4,500 bei T > 80 °C
  2. b = 2,450 bei T ≤ 80 °C und 2,365 bei T > 80 °C
  3. c = 0,071 bei T ≤ 80 °C und 0,0478 bei T > 80 °C.

7.8.1.2 Anzuwendende Verfahren bei der Ermüdungsanalyse

(1) Folgende Verfahren sind bei der Ermüdungsanalyse zulässig:

  1. Vereinfachter Nachweis der Sicherheit gegen Ermüdung nach Abschnitt 7.8.2
    Dieser Nachweis beruht auf einer Beschränkung von Druckschwingbreiten, Temperaturunterschieden und Lastspannungsschwingbreiten nach Höhe und Lastspielzahl. Bei Einhaltung dieser Grenzen ist die Sicherheit gegen Ermüdung gegeben. Diesem Verfahren liegt ein linearelastischer Spannungs-Dehnungszusammenhang zugrunde.
  2. Elastische Ermüdungsanalyse nach Abschnitt 7.8.3
    Dieses Verfahren ist insbesondere dann anzuwenden, wenn der Nachweis der Sicherheit gegen Ermüdung nach Abschnitt 7.8.2 nicht erbracht werden kann. Die elastische Ermüdungsanalyse ist nur dann zulässig, wenn die Vergleichsspannungsschwingbreite aus primären und sekundären Spannungen bei Stählen den Wert 3 · Sm, bei Stahlguss den Wert 4 · Sm nicht überschreitet.
  3. Vereinfachte elastischplastische Ermüdungsanalyse nach Abschnitt 7.8.4
    Dieses Verfahren darf angewendet werden für Lastspiele, in denen die Vergleichsspannungsschwingbreite aller primären und sekundären Spannungen die Grenze 3 ⋅ Sm für Bauteile aus Stahl sowie 4 ⋅ Smfür Bauteile aus Stahlguss überschreiten, jedoch diese Grenzen von der Vergleichsspannungsschwingbreite der primären und sekundären Spannungen infolge mechanischer Belastungen eingehalten sind. Der Einfluss der Plastifizierung wird durch Verwendung des Faktors Ke nach Abschnitt 7.8.4 berücksichtigt. Anstelle dieses Ke-Wertes dürfen auch experimentell oder rechnerisch belegte oder aus der Literatur entnommene Werte verwendet werden. Die Anwendbarkeit ist zu zeigen.
    Hinweis:
    Literatur [1] enthält einen Vorschlag zur Ermittlung von Ke-Werten.
    Zusätzlich ist zu zeigen, dass kein Versagen infolge fortschreitender Deformation auftritt.
  4. Allgemeine elastisch-plastische Ermüdungsanalyse
    Während die vorstehend aufgeführten Verfahren auf der Grundlage linearelastischen Werkstoffverhaltens beruhen, darf anstelle dieser Verfahren eine Ermüdungsanalyse ausgehend vom elastischplastischen Werkstoffverhalten vorgenommen werden, wobei zusätzlich zu zeigen ist, dass kein Versagen infolge fortschreitender Deformation auftritt.
    Hinweis:
    Gesonderte Festlegungen zur Vermeidung des Versagens infolge fortschreitender Deformation werden in Abschnitt 7.13 getroffen.

(2) Für Rohrleitungen darf anstelle der Nachweise nach den Abschnitten 7.8.3 und 7.8.4 die komponentenbezogene Ermüdungsanalyse nach Abschnitt 8.4 durchgeführt werden.

(3) Für Armaturen darf die komponentenbezogene Ermüdungsanalyse nach Abschnitt 8.3.6 durchgeführt werden.

(4) Die Ermüdungsanalyse von Schrauben ist gemäß Abschnitt 7.12.2 durchzuführen.

7.8.2 Vereinfachter Nachweis der Sicherheit gegen Ermüdung

Die Vereinfachung besteht darin, dass die Spannungsspitzen nicht gesondert im Ermüdungsnachweis berücksichtigt werden müssen, wenn für die Beanspruchungen der Stufe a des Bauteils die nachfolgenden Bedingungen der Absätze a) bis f) erfüllt sind.

Hinweis:
Wenn Lastfälle der Stufe B auf ihr Ermüdungsverhalten untersucht werden sollen, gelten für sie die gleichen Bedingungen wie für die der Stufe A.


  1. Lastspiele zwischen Atmosphären- und Betriebsdruck
    Die spezifizierte Anzahl der Lastspiele (einschließlich An- und Abfahren), bei denen der Innendruck vom Atmosphären- zum Betriebsdruck ansteigt und wieder zurückgeht, übersteigt in den anzuwendenden Ermüdungskurven (siehe Bilder 7.8-1 bis 7.8-3) nicht diejenige Lastspielzahl, die dem Sa-Wert entspricht, der für Stähle dreimal so groß und für Stahlguss viermal so groß ist wie der Sm-Wert bei Betriebstemperatur für den betrachteten Werkstoff.
  2. Druckschwankungen bei Normalbetrieb
    Die spezifizierten Druckschwankungen der Stufe a übersteigen nicht die Größe von 1 / 3 des Auslegungsdrucks, multipliziert mit dem Verhältnis (Sa / Sm), wobei Sa derjenige Wert ist, der der Ermüdungskurve für die gesamte spezifizierte Anzahl von signifikanten Druckschwankungen entnommen wird, und Sm der Spannungsvergleichswert für den Werkstoff bei Betriebstemperatur ist. Überschreitet die spezifizierte Anzahl von signifikanten Druckschwankungen die sich aus der anzuwendenden Ermüdungskurve ergebende maximale Lastspielzahl, dann darf der Sa-Wert für die maximale Lastspielzahl der anzuwendenden Ermüdungskurve benutzt werden. Signifikante Druckschwankungen sind solche, bei denen der gesamte Anstieg die Größe von 1 / 3 des Auslegungsdrucks, multipliziert mit dem Verhältnis S / Sm, übersteigt. Hierbei ist S wie folgt definiert:
    ba) Wenn die spezifizierte Lastspielzahl 106 oder kleiner ist, gilt für S der Wert von Sa der Ermüdungskurve bei 106Lastspielen.
    bb) Wenn die spezifizierte Lastspielzahl größer als 106 ist, gilt für S der Wert von Sa bei der maximalen Lastspielzahl der anzuwendenden Ermüdungskurve.
  3. Temperaturunterschied beim Anfahren und Abfahren
    Der Temperaturunterschied in K (Kelvin) zwischen zwei benachbarten Punkten des Bauteils überschreitet in der Betriebsstufe a nicht den Wert Sa / (2 · E · α). Hierin ist Sader Ermüdungskurve für die spezifizierte Anzahl von An- und Abfahrlastzyklen zu entnehmen; α ist der lineare Wärmeausdehnungskoeffizient für den Mittelwert der Temperaturen beider Punkte, und E ist der Elastizitätsmodul für den Mittelwert der Temperaturen beider Punkte.
    Für benachbarte Punkte gilt:
    ca) Für Differenzen der Oberflächentemperatur:

    cb) Für Temperaturdifferenzen über die Wanddicke
    Für Temperaturdifferenzen über die Wanddicke werden "benachbarte Punkte" als zwei beliebige Punkte auf seiner Oberflächennormalen definiert.

  4. Temperaturunterschied bei Betriebszuständen außer An- und Abfahren
    Der Temperaturunterschied in K (Kelvin) zwischen zwei beliebigen, benachbarten Punkten des Behälters ändert sich nur um die Größe Sa / 2 · E · α. Hierin ist der Wert Sa der Ermüdungskurve für die gesamte spezifizierte Anzahl der signifikanten Temperaturschwankungen zu entnehmen. Eine Temperaturschwankung ist als signifikant zu betrachten, wenn ihr gesamter rechnerischer Schwankungsbereich die Größe S / (2 · E · α) übersteigt. Hierbei ist S wie folgt definiert:
    da) Wenn die spezifizierte Lastspielzahl 106 oder kleiner ist, gilt für S der Wert von Sader Ermüdungskurve bei 106 Lastspielen.
    db) Wenn die spezifizierte Lastspielzahl größer als 106ist, gilt für S der Wert von Sabei der maximalen Lastspielzahl der anzuwendenden Ermüdungskurve.
  5. Temperaturunterschiede bei ungleichen Werkstoffen Für Komponenten, die aus Werkstoffen mit verschiedenen Elastizitätsmoduln oder Wärmeausdehnungskoeffizienten hergestellt sind, überschreitet die gesamte rechnerische Schwingbreite der Temperaturunterschiede des Bauteils im Normalbetrieb nicht die Größe Sa / [2 ⋅ (E1 ⋅α1 - E2 ⋅ α2)]. Hierin ist der Wert Sa der Ermüdungskurve für die spezifizierte gesamte Anzahl signifikanter Temperaturschwankungen zu entnehmen. E1und E2sind die Elastizitätsmoduln, α1und α2die linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten bei den Mittelwerten der Temperaturen für die beiden Werkstoffe. Eine Temperaturschwankung ist als signifikant zu betrachten, wenn ihr gesamter rechnerischer Schwankungsbereich die Größe S / [2 ⋅ (E1 ⋅ α1- E2 ⋅α2)] überschreitet. Hierbei ist S wie folgt definiert:
    ea) Wenn die spezifizierte Lastspielzahl 106 oder kleiner ist, gilt für S der Wert von Sader Ermüdungskurve bei 106Lastspielen.
    eb) Wenn die spezifizierte Lastspielzahl größer als 106 ist, gilt für S der Wert von Sa bei der maximalen Lastspielzahl der anzuwendenden Ermüdungskurve. Wenn die beiden verwendeten Werkstoffe verschiedene Ermüdungskurven haben, so ist der kleinere Sa-Wert für die Anwendung dieses Abschnitts einzusetzen.
  6. Mechanische Lasten
    Die spezifizierte gesamte Schwingbreite mechanischer Lasten, mit Ausnahme des Innendrucks aber einschließlich der Rohrleitungskräfte, führt nicht zu Lastspannungen, deren Schwingbreite den Wert Sa überschreitet, der aus der Ermüdungskurve für die gesamte spezifizierte Anzahl von signifikanten Lastspielen zu entnehmen ist. Wenn die gesamte spezifizierte Anzahl von signifikanten Lastspielen die maximale Lastspielzahl der anzuwendenden Ermüdungskurven überschreitet, darf der Wert Samit der maximalen Lastspielzahl der zu benutzenden Ermüdungskurve eingesetzt werden. Eine Lastschwankung ist als signifikant zu betrachten, wenn der gesamte rechnerische Spannungsausschlag infolge Last den Wert S der anzuwendenden Ermüdungskurve überschreitet. Hierbei ist S wie folgt definiert:
    fa) Wenn die spezifizierte Lastspielzahl 106 oder kleiner ist, gilt für S der Wert von Sa der Ermüdungskurve bei 106Lastspielen.
    fb) Wenn die spezifizierte Lastspielzahl größer als 106 ist, gilt für S der Wert von Sabei der maximalen Lastspielzahl der anzuwendenden Ermüdungskurve.

7.8.3 Elastische Ermüdungsanalyse

(1) Voraussetzung für die Anwendung der elastischen Ermüdungsanalyse ist die Erfüllung des 3 · Sm-Kriteriums bei Stählen und des 4 ⋅ Sm-Kriteriums bei Stahlguss gemäß Abschnitt 7.7.3.4.

(2) Da in den Betriebsstufen a und B die Spannungsschwingbreiten σV = 2 ⋅ σa= 2 ⋅ ET ⋅εaverschieden große Werte annehmen, sind diese abdeckend in Stufen 2 ⋅σaieinzuteilen und deren Beitrag zur Erschöpfung wie im Folgenden beschrieben zu akkumulieren:

Zu jeder Stufe σai= Samuss die zulässige Lastspielzahl nˆiaus der Ermüdungskurve nach Bild 7.8-1, Bild 7.8-2 oder Bild 7.8-3 bestimmt und mit der spezifizierten oder bei Nachrechnung im Betrieb aufgetretenen Lastspielzahl niverglichen werden.

Die Summe der Quotienten ni / nˆi stellt den Erschöpfungsgrad "D" dar. Dieser ist im Rahmen der Auslegung wie folgt zu beschränken:

(7.8-1)

Wenn eine mediumbedingte Verringerung der Ermüdungsfestigkeit nicht auszuschließen ist, ist ab einer Aufmerksamkeitsschwelle D = 0,4 durch folgende Maßnahmen eine Berücksichtigung des Mediums auf die Ermüdung erforderlich:

  1. Einbeziehung der betroffenen Bauteilbereiche in ein Überwachungsprogramm nach KTA 3201.4 oder
  2. betriebsnahe Experimente oder
  3. rechnerische Nachweise unter Berücksichtigung von mediumsbedingten Abminderungsfaktoren und realistischer Randbedingungen.

Hinweis:
Siehe die Erläuterungen zu Abschnitt 7.8 im Anhang F im Hinblick auf die Aufmerksamkeitsschwelle bei austenitischen Stählen für den Fall, dass die Bewertung des Erschöpfungsgrades nicht auf Basis der in den Bildern 7.8-2 und 7.8-3 dargestellten Ermüdungskurven erfolgte.

7.8.4 Vereinfachte elastischplastische Ermüdungsanalyse

Im Rahmen der vereinfachten elastischplastischen Ermüdungsanalyse darf die 3 ⋅ Sm-Grenze bei Stählen und die 4 ⋅ Sm-Grenze bei Stahlguss mit der Vergleichsspannungsschwingbreite aus primären und sekundären Spannungen überschritten werden, wenn die nachfolgenden Anforderungen der Absätze a) bis e) erfüllt werden.

  1. Die Vergleichsspannungsschwingbreite aus primären und sekundären Membranspannungen und Biegespannungen ohne thermische Biegespannungen über der Wanddicke muss kleiner als oder gleich 3 ⋅ Smbei Stählen und kleiner als oder gleich 4 ⋅ Smbei Stahlguss sein.
  2. Der Wert der halben Vergleichsspannungsschwingbreite Sa, der mit der Ermüdungskurve gemäß Bild 7.8-1, Bild 7.8-2 oder Bild 7.8-3 zu vergleichen ist, muss mit dem Faktor Kemultipliziert werden. Dabei ist für Stahl
    Ke= 1,0 für Sn≥ 3 · Sm (7.8-2)
    (7.8-3)
    Ke= 1 / n für Sn ≥ m · 3 · Sm
    		(7.8-4)


    Sn: Vergleichsspannungsschwingbreite aus primären und sekundären Spannungen

    In den vorstehenden Gleichungen tritt bei Stahlguss anstelle des Wertes 3 · Smder Wert 4 · Sm.

    Die Materialparameter m und n sind der Tabelle 7.8-1 zu entnehmen.

  3. Die Begrenzung der thermisch bedingten fortschreitenden Deformation ist nachzuweisen, vgl. z.B. Abschnitt 8.4.3.4.1 b).
  4. Die Begrenzung der Erschöpfung infolge Ermüdung erfolgt nach Abschnitt 7.8.3.
  5. Die Temperatur für den verwendeten Werkstoff darf den Wert für Tmax in Tabelle 7.8-1 nicht überschreiten.

Tabelle 7.8-1: Materialparameter


Art des Werkstoffs m n Tmax (°C)
Niedriglegierter C-Stahl 2,0 0,2 370
Martensitischer, rostfreier Stahl 2,0 0,2 370
Unlegierter C-Stahl 3,0 0,2 370
Austenitischer, rostfreier Stahl 1,7 0,3 425
Nickel-Basislegierung 1,7 0,3 425

Für lokale Wärmespannungen dürfen bei der Ermüdungsanalyse die elastischen Gleichungen verwendet werden. Die Querkontraktionszahl ν ist wie folgt zu bestimmen:

(7.8-5)

Hierbei ist

T = 0,25 · + 0,75 ·
(7.8-6)

mit

maximale Temperatur innerhalb des betrachteten Lastspiels
minimale Temperatur innerhalb des betrachteten Lastspiels

Bild 7.8-1: Ermüdungskurven für ferritische Stähle

Bild 7.8-2: Ermüdungskurven für die austenitischen Stähle 1.4550 und 1.4541

Bild 7.8-3: Ermüdungskurve für austenitische Stähle außer den Stählen 1.4550 und 1.4541

Bild 7.8-4: Ermüdungskurven für hochfeste Schraubenstähle für Temperaturen 370 °C

Tabelle 7.8-2: Wertetabelle für die Ermüdungskurven der Bilder 7.8-1 bis 7.8-4

Bild Zulässige halbe Vergleichsspannungsschwingbreite Sa1, 2
bei zulässiger Lastspielzahl h
1·101 2·101 5·101 1·102 2·102 5·102 1·103 2·103 5·103 1·104 1,2·104 * 2·104 5·104 1·105 2·105 5·105 1·106 2·106 5·106 1·107 2·107 5·107 1·108 1·109 1·1010 1·1011
7.8-1: Kurve
Zugfestigkeit
790 - 900 N / mm2		 2900 2210 1590 1210 931 689 538 427 338 303 296 248 200 179 165 152 138
7.8-1: Kurve
Zugfestigkeit
≤ 550 N / mm2		 4000 2830 1900 1410 1070 724 572 441 331 262 - 214 159 138 114 93,1 86,2
7.8-2 T ≤ 80 °C 4341 3302 2312 1773 1368 981 770 612 461 378 - 316 257 225 201 178 165 156 147 142 138 135 133 129 128 127
T > 80 °C 4618 3467 2381 1798 1363 953 732 568 413 330 - 268 209 178 154 132 120 112 103 99 95 92 91 87 86 86
7.8-3 5508 3947 2522 1816 1322 894 684 542 413 338 - 275 216 180 154 130 116 104 94 91 - - 89 88 87 86
7.8-4:
Kurve max.
Nennspannung3
≤ 2,7 · Sm		 7930 5240 3100 2210 1550 986 689 490 310 234 - 186 152 131 117 103 93,1
7.8-4:
Kurve max.
Nennspannung3
≤ 3,0 · Sm		 7930 5240 3100 2070 1415 842 560 380 230 155 - 105 73 58 49 42 36,5
1) Den hier aufgeführten Werten für Saliegen die jeweils in den Bildern 7.8-1 bis 7.8-4 angegebenen E-Moduln zugrunde.
2) Zwischen den Tabellenwerten darf bei doppeltlogarithmischer Darstellung linear interpoliert werden (im doppeltlogarithmischen Diagramm: Geradenstücke zwischen den Stützpunkten). Ist für einen gegebenen Wert Sa= S die zugehörige Lastspielzahl n zu ermitteln, dann geschieht dies mit Hilfe der benachbarten Stützwerte Sj< S < Siund nj> n > niwie folgt:

3) Nennspannung = Zugspannung + Biegespannung
*) Dieser Stützpunkt ist zwecks genauerer Darstellung des Kurvenverlaufs zusätzlich angegeben.

7.9 Sprödbruchanalyse

7.9.1 Allgemeines

(1) Die Sicherheit des Reaktordruckbehälters gegen Sprödbruch ist mit postulierten Fehlern nachzuweisen. Die in Abschnitt 7.7 zugrunde gelegten Spannungsgrenzen erlauben bei den Stufen a und B für Summen von primären und sekundären Spannungen einsinnige plastische Verformungen nach Abschnitt 7.8.3 und unter besonderen Voraussetzungen begrenzte plastische Wechselverformungen (zum Beispiel nach Abschnitt 7.8.4).

(2) Weiterhin ist es möglich, dass in den Stufen C und D auch aus den primären Spannungen eine begrenzte plastische Verformung resultiert. Es muss daher sichergestellt werden, dass sowohl im Neuzustand als auch während der gesamten Lebensdauer der Komponente die benötigte Verformungsfähigkeit gewährleistet ist.

(3) Demzufolge ist nachzuweisen, dass in den Zonen mit möglicher Strahlenversprödung Sprödbruch ausgeschlossen werden kann.

Hinweis:
Im unbestrahlten Bereich ist die Sprödbruchsicherheit mit den Zähigkeitsanforderungen nach KTA 3201.1 und nach KTA 3201.3 sichergestellt.

(4) Für den Nachweis der Sprödbruchsicherheit sollen die in den Abschnitten 7.9.2 oder 7.9.3 aufgeführten Verfahren angewendet werden. Alternativ darf das im Abschnitt 7.9.4 genannte Verfahren angewendet werden.

(5) Für den Nachweis der Sprödbruchsicherheit ist zu berücksichtigen, dass Neutronenstrahlung die Sprödbruchübergangstemperatur während des Betriebs anhebt. Der Einfluss der Bestrahlung muss (bei ferritischen Stählen) dann berücksichtigt werden, wenn die Nachweisfluenz größer als 1 · 1017cm-2(bezogen auf Neutronenenergien E größer als 1 MeV) ist. In solchen Fällen ist für die bestrahlten Teile ein Nachweis der Sprödbruchsicherheit auch für alle Belastungszustände erforderlich. Für die übrigen Bereiche ist ein Nachweis für die Zustände erforderlich, die nicht durch die Druckprüfung abgedeckt sind.

(6) Erreichen oder übersteigen die bei bruchmechanischen Nachweisen errechneten KI-Werte bei T ≥ RTNDTj+ 55 K die KJi-Werte in der Hochlage des Werkstoffs bei den für die Rissfrontbereiche zutreffenden Temperaturen, so ist zu zeigen, dass ein mögliches duktiles Risswachstum keinen zu berücksichtigenden Einfluss auf die postulierte Fehlergröße hat. Für Lastfälle der Stufen a und B ist zusätzlich zu zeigen, dass im Übergangsbereich keine spröde und im Hochlagenbereich keine duktile Rissinitiierung stattfindet. Für die Überprüfung des duktilen Fehlerwachstums und des Ausschlusses der duktilen Initiierung soll ASTM E 1820 zugrunde gelegt werden.

(7) Eine Absicherung gegen sprödes Versagen für die Stufe P (Erstdruckprüfung) ist durch geeignete Druckprüfungsbedingungen vorzunehmen.

Hierzu ist auf der Grundlage des Pellini-Konzepts die Prüftemperatur mindestens auf RTNDT+ 33 K festzulegen. Die Prüftemperatur soll nicht mehr als RTNDT+ 55 K betragen.

Hinweis:
Die Ermittlung der RTNDTist in KTA 3201.1 geregelt.

(8) Der im Normalbetrieb zulässige Innendruck ist zu berechnen und im Druck-Temperatur-Diagramm darzustellen.

(9) Die Mehrachsigkeit des Spannungszustandes ist zu berücksichtigen.

7.9.2 Sprödbruchübergangstemperatur-Konzept

(1) Beim Sprödbruchübergangstemperatur-Konzept nach Pellini / Porse kann vorausgesetzt werden, dass instabil werdende Risse bei Temperaturen, die oberhalb der Rissarresttemperatur liegen, gestoppt werden.

(2) Dieses Sprödbruchübergangstemperatur-Konzept ist für den zylindrischen Schuss im Kernbereich des Reaktordruckbehälters und nur in den Stufen A, B und P anzuwenden.

(3) Das Sprödbruchübergangstemperatur-Konzept nach Pellini / Porse führt zu einem Sprödbruchdiagramm, das in der Form des modifizierten Porsediagramms Spannungsgrenzen in Abhängigkeit von Mindesttemperaturen enthält, außerhalb derer die im Bauteil auftretenden Spannungen bei allen Betriebszuständen liegen müssen. Dies ist durch ein Fahrdiagramm darstellbar.

Hinweis:
Eine Anleitung zur Konstruktion des modifizierten Porsediagramms sowie ein Beispiel mit eingetragenem Fahrdiagramm befinden sich im Abschnitt D 1.

7.9.3 Bruchmechanikkonzept

7.9.3.1 Allgemeine Bedingungen

(1) Ziel des bruchmechanischen Nachweises ist zu zeigen, dass Sprödbruch ausgeschlossen ist. Mit Hilfe der senkrecht zur Rissfläche ermittelten Gesamtspannung werden für einen Oberflächenfehler die auftretenden Spannungsintensitätsfaktoren KI(t,T) zu jedem Zeitpunkt bestimmt. Rissinitiierung tritt nicht ein, wenn diese Kurve von KI (t,T) die Kurve der statischen Bruchzähigkeit KIc(T) nicht erreicht. Wenn die Rissspitze im Laufe der aktuell betrachteten Transiente eine vorangegangene warme Vorbelastung erfahren hat (Warm-Prestress), tritt ebenfalls keine Rissinitiierung ein, wenn der Risswiderstand nach Warmvorbelastung KFRAC nicht erreicht wird. Wenn der Spannungsintensitätsfaktor KI(t,T) die Rissarrestzähigkeit KIa (t,T) unterschreitet, wird ein instabil gewordener Riss gestoppt.

Hinweis:
Die Ermittlung der Bruchzähigkeit nach Warmvorbelastung ist in Abschnitt D2 angegeben.

(2) Die Bruchzähigkeit der Werkstoffe muss in Abhängigkeit von der Temperatur vorliegen. Für die Werkstoffe 20 MnMoNi 55 und 22 NiMoCr 37 ist die Bruchzähigkeitskurve nach Bild 7.9-1 zu verwenden.

Die Positionierung der Bruchzähigkeitskurven auf der Temperaturachse ist mit der RTNDT durchzuführen.

Der Bestrahlungseinfluss wird mit der am bestrahlten Werkstoff ermittelten Referenztemperatur oder durch die Erhöhung der Referenztemperatur RTNDT um ΔT41 (siehe Definition der Übergangstemperaturverschiebung in KTA 3203) berücksichtigt.

Die KIc- und KIa-Werte für den unbestrahlten und den bestrahlten Zustand dürfen nach folgenden Gleichungen bestimmt werden:

KIc= 36,5 + 22,8 ⋅ exp [0,036 ⋅(T - RTNDT- ΔT41)] (7.9-1)
KIa = 29,5 + 13,7 ⋅ exp [0,026 ⋅(T - RTNDT- ΔT41)] (7.9-2)

(3) Der Spannungsintensitätsfaktor KIt,T) ist aus der Summe folgender Beanspruchungen zu ermitteln:

  1. Spannung infolge Innendruck (→ KI,m),
  2. Wärmespannungen (→ KI,th),
  3. Eigenspannungen (verursacht z.B. durch Schweißverbindungen, Plattierungsauftragung) (→ KI,eigen).

(4) Schweißeigenspannungen an Verbindungsnähten sind zu berücksichtigen. Es gilt:

Parallel zur Schweißnaht sind die Schweißeigenspannungen mit einem konstanten Betrag über der gesamten Wanddicke anzusetzen. Dieser darf mit σeigen= 56 MPa zugrunde gelegt werden, sofern kein anderer Betrag nachgewiesen wird.

Senkrecht zur Schweißnaht darf eine ungleichmäßige Verteilung der Eigenspannungen σeigen(x,s) berücksichtigt werden. Sofern kein Nachweis über den Verlauf der Eigenspannungen vorliegt, dürfen diese mit der Gleichung (7.9-3) bestimmt werden:

σeigen (x,s) = 56 Mpa ⋅ cos (2π ⋅x / s) (7.9-3)

(5) Die Plattierung ist hinsichtlich der thermischen (Wärmeleitung, Wärmedehnung) und mechanischen Eigenschaften je nach gewähltem Fehlerpostulat (siehe Bild 7.9-3) zu berücksichtigen.

(6) Formelzeichen und zu verwendende Maßeinheiten

a Fehlertiefe mm
2c Fehlerlänge mm
KI Spannungsintensitätsfaktor MPa√m
KIa Rissarrestzähigkeit MPa√m
KIc statische Bruchzähigkeit MPa√m
KI,eigen Spannungsintensitätsfaktor infolge Eigenspannungen MPa√m
KJi Bruchzähigkeit bei duktiler Rissinitiierung MPa√m
KI,m Spannungsintensitätsfaktor infolge Innendruck MPa√m
KI,th Spannungsintensitätsfaktor infolge v MPa√m
KFRAC Risswiderstand nach Warmvorbelastung MPa√m
RTNDT Referenztemperatur der Bruchzähigkeitskurven KIc, KIanach dem Sprödbruchübergangstemperatur-Konzept °C
RTT0 Referenztemperatur der Bruchzähigkeitskurve KIcnach dem T0-Konzept °C
s Wanddicke (ohne Plattierung) mm
T Temperatur °C
t Betrachteter Zeitpunkt der Transiente s
x Laufkoordinate über die Wanddicke mm
ΔT41 Übergangstemperaturverschiebung K
σeigen Schweißeigenspannung MPa

7.9.3.2 Stufen a und B

Aus der Summe der ermittelten Primär- und Sekundärspannungen (einschließlich Eigenspannungen) sind unter Annahme eines Oberflächenfehlers, dessen Ebene senkrecht zur größten Spannung anzusetzen ist (0,25 ⋅ Wanddicke tief; 1,5 ⋅ Wanddicke lang) die entsprechenden Spannungsintensitätsfaktoren zu bestimmen. Die errechneten Spannungsintensitätsfaktoren müssen der Bedingung in der Gleichung (7.9-4) genügen; Beispiel in Bild 7.9-2.

(7.9-4)

Hinweis:
(1) Die Gleichung 7.9-4 berücksichtigt die Zähigkeitsanforderungen der Werkstoffe nach KTA 3201.1 und nach KTA 3201.3, womit u.a. eine NDT-Temperatur kleiner als oder gleich 0 °C gefordert wird.
(2) Die Bewertung postulierter Risse im Bereich der Hochlage der Bruchzähigkeit (Zähbruchnachweis) ist in KTA 3206, Abschnitt A3, geregelt. Die Regel KTA 3206 ist zurzeit in Vorbereitung.

7.9.3.3 Stufen C und D

(1) Es muss nachgewiesen werden, dass ein Fehler in der ferritischen Wand von der Hälfte der in der Rechnung zugrunde gelegten Größe mit Sicherheit aufzufinden ist. Hierbei sind folgende Annahmen zugrunde zu legen (siehe Bild 7.9-3):

F e h l e r a r t
Wo die Geometrie es erlaubt, wird ein Oberflächenfehler der Form a / 2c = 1 / 6 betrachtet. In anderen Fällen ist die Fehlerform entsprechend den geometrischen Verhältnissen zu wählen.

F e h l e r l a g e
Senkrecht zur maximalen Spannung (Hauptspannung)

Für die betrachtete Stelle des Reaktordruckbehälters sind aus der Summe der ermittelten Primär- und Sekundärspannungen (einschließlich Eigenspannungen) die entsprechenden Spannungsintensitätsfaktoren zu bestimmen.

Die errechneten Spannungsintensitätsfaktoren müssen der Bedingung in der Gleichung (7.9-5) genügen:

KIc> KI= KI,m+ KI,eigen+ KI,th (7.9-5)

(2) Initiierung des für die Berechnung postulierten Risses ist ausgeschlossen, wenn KI (t,T) gemäß Gleichung (7.9-5) niedriger als die Bruchzähigkeit KIcist (siehe Bild 7.9-3) oder die Rissspitze im Laufe der aktuell betrachteten Transiente eine vorangegangene Warmvorbelastung erfahren hat (Warm-Prestress) und der Risswiderstand KFRAC nicht erreicht wird.

(3) Für Transienten mit nach Erreichen des Lastpfadmaximums zeitlich fallenden Spannungsintensitätsfaktoren ist Rissinitiierung des für die Berechnung zugrunde gelegten Risses ausgeschlossen, wenn die Rissspitze im Laufe der aktuell betrachteten Transiente eine vorangegangene warme Vorbelastung erfahren hat (Warm Prestress) oder, bei eventuell erneutem Lastanstieg, der Risswiderstand KFRAC nicht erreicht wird.

7.9.4 Verwendung von RTT0

Die Positionierung der Bruchzähigkeitskurve KIc(T) nach Gleichung 7.9-1 auf der Temperaturachse darf anstelle nach dem RTNDT-Konzept direkt mit gemessenen Bruchzähigkeitswerten (z.B. Ermittlung der Referenztemperatur T0der Masterkurve nach ASTM E 1921-09a unter Beachtung der Anwendungsgrenzen von ASTM E 1921-09a), vorgenommen werden. Dabei darf die Referenztemperatur RTT0wie die RTNDTverwendet werden. Details der Anwendung sind den ASME Code Cases N-629, N-631 zu entnehmen. Hierbei sind die jeweils zutreffenden Sicherheitsbeiwerte zu berücksichtigen, z.B. nach IAEa TRS 429.

7.9.5 Berücksichtigung der Querdehnungsbehinderung

Eine Querdehnungsbehinderung an der Rissfront (Constraintverlust) kann zu einer Veränderung der Spaltbruchinstabilität (KJc) führen (siehe Bild 7.9-4). Sofern für die speziellen Verhältnisse (Bauteilgeometrie, Belastungspfad, Geometrie des zu unterstellenden Risses) deren Wirkung quantifiziert werden kann, darf diese bei den Nachweisen berücksichtigt werden.

Bild 7.9-1: Bruchzähigkeit KIcund Arrestzähigkeit KIa

Für die Werkstoffe 20 MnMoNi 5 5 und 22 NiMoCr 3 7 liegen alle gemessenen KIc-Werte oberhalb
der dargestellten Kle-Grenzkurve und alle gemessenen KIa-Werte oberhalb der dargestellten KIa-Grenzkurve,
so dass diese Referenzkurven ebenfalls angewendet werden dürfen.


Bild 7.9-2: Bruchmechanikanalyse: Normalbetrieb (Beispiel)

Bild 7.9-3: Bruchmechanikanalyse: Störfälle (Beispiele, Plattierung integer und durchtrennt postuliert)

Bild 7.9-4: Prinzipdarstellung zum Einfluss des Constraintverlusts auf die Bruchzähigkeit

7.10 Verformungsanalyse

Eine Verformungsanalyse ist nur dann durchzuführen, wenn aus Funktionsgründen spezifizierte Verformungsgrenzen eingehalten werden müssen.

7.11 Stabilitätsanalyse

Wenn unter Einwirkung einer Beanspruchung eine plötzliche Verformung ohne wesentliche Laststeigerung zu erwarten ist, muss eine Stabilitätsanalyse durchgeführt werden.

7.12 Spannungs-, Verformungs- und Ermüdungsanalyse für Flanschverbindungen

7.12.1 Allgemeines

(1) Die Beanspruchungszustände der Flanschverbindungen sind für die maßgebenden Lastfälle zu ermitteln. Die Nachprüfung der Kraft- und Verformungsverhältnisse darf näherungsweise nach dem in Abschnitt a 2.9.5 angegebenen vereinfachten Verfahren durchgeführt werden. Der genaue Nachweis ist unter Berücksichtigung des elastischen Verhaltens der Struktur entsprechend diesem Abschnitt zu führen. Die Dimensionierung und Spannungsanalyse darf nach den Abschnitten a 2.8 und a 2.9 erfolgen.

(2) In die Struktur sind, soweit erforderlich, einzubeziehen:

  1. die paarigen Flansche, die nichtpaarigen Flansche oder der Flansch mit ebenem oder gewölbtem Deckel,
  2. die Schrauben,
  3. die Dichtung und
  4. die unmittelbar angeschlossene Schale.

(3) Als Lastfälle sind zu untersuchen:

  1. der Einbauzustand oder die Einbauzustände,
  2. die Zustände des bestimmungsgemäßen Betriebes,
  3. gegebenenfalls Störfallzustände.

(4) Die Beanspruchungen der Flanschverbindung in den Lastfällen des bestimmungsgemäßen Betriebes und gegebenenfalls der Störfälle sind in Verbindung mit dem zugehörigen Einbauzustand, d. h. unter Einhaltung der Konstanz des Mutternweges (Definition siehe Abschnitt a 2.9.6.1 (2)), zu berechnen.

(5) Für die Flansche, für den gegebenenfalls zur Flanschverbindung gehörenden Deckel und für die angeschlossenen Schalen ist eine Spannungsanalyse und -begrenzung nach Abschnitt 7.7 sowie eine Ermüdungsanalyse nach Abschnitt 7.8 durchzuführen. Die Spannungen sind nach Tabelle 7.7-7 zu begrenzen. Für Schrauben ist eine Spannungs- und Ermüdungsanalyse nach Abschnitt 7.12.2 erforderlich.

(6) Die Beurteilung der Dichtungsbeanspruchungen ist nach gesicherten Angaben des Dichtungsherstellers, z.B. anhand von Dichtungsdatenblättern (siehe Abschnitt a 2.10), vorzunehmen. Die Restdichtungskraft ist entsprechend den jeweiligen Anforderungen unter Berücksichtigung von Setzvorgängen zu kontrollieren.

7.12.2 Spannungs- und Ermüdungsanalyse für Schrauben

(1) Bei der Beurteilung der Beanspruchungen in Schrauben werden unterschieden: Mittlere Zugspannungen, Biegespannungen, Torsionsspannungen und Spannungsspitzen.

(2) Eine spezifische Ermüdungsanalyse für Schrauben ist durchzuführen, wenn die Schrauben nicht durch den vereinfachten Nachweis der Sicherheit gegen Ermüdung der Komponente gemäß Abschnitt 7.8.2 abgedeckt sind. Hierbei sind die Werkstoffeigenschaften und die geometrischen Randbedingungen der Schraubenverbindung, z.B. bei der Ermittlung der Lastspiele aus Druckschwankungen und Temperaturunterschieden, zu berücksichtigen.

(3) Die zulässigen Spannungen für Schrauben sind unter Verwendung des Sm-Wertes nach Abschnitt 7.7.3.4 in Tabelle 7.7-7 angegeben.

(4) Die Beurteilung des Ermüdungsverhaltens erfolgt unter Zugrundelegung der Spannungsschwingbreite der maximalen Gesamtspannung unter Berücksichtigung des Federungsverhaltens der Schraubenverbindung, wobei die Schwingbreite der Normalspannungen mit einem Kerbfaktor kleiner als oder gleich 4 zu multiplizieren ist. Der Erschöpfungsgrad ist gemäß Gleichung (7.8.-1) zu bilden und zu beschränken.

Kerbfaktoren kleiner als 4 müssen nachgewiesen werden.

(5) Für Schrauben mit spezifizierten Zugfestigkeiten RmRTkleiner als oder gleich 690 N / mm2 gelten die Ermüdungskurven gemäß Bild 7.8-1, Bild 7.8-2 oder Bild 7.8-3, für hochfeste Schrauben mit spezifizierten Zugfestigkeiten RmRTgrößer als 690 N / mm2ist die Ermüdungskurve für Temperaturen bis 370 °C im Bild 7.8-4 angegeben. Diese Schrauben sind als Dehnschrauben gemäß Abschnitt a 2.8.3 auszuführen. Die obere Ermüdungskurve in Bild 7.8-4 darf angewendet werden, wenn ohne Berücksichtigung der Kerbwirkung die Mittelspannung aus Zug den Wert 2 ⋅ Smund die Gesamtspannung aus Zug und Biegung den Wert 2,7 ⋅ Smnicht überschreiten.

7.13 Vermeidung des Versagens infolge thermisch bedingter fortschreitender Deformation

7.13.1 Allgemeines

(1) Überschreitet die Vergleichsspannungsschwingbreite aus primären Spannungen P und sekundären Spannungen Q bei Stählen den Wert 3 · Sm, bei Stahlguss den Wert 4 · Sm(siehe Abschnitt 7.8.1), so ist gemäß den folgenden Festlegungen zu zeigen, dass die mit den Lastspielen fortschreitende Deformation in zulässigen Grenzen bleibt.

(2) Beim Nachweis der Begrenzung von zyklisch fortschreitender Deformation sind die gleichen Lastfälle der verschiedenen Stufen sowie deren Lastfallkombinationen zu berücksichtigen, die auch bei der Ermüdungsanalyse nachgewiesen wurden.

(3) Der Nachweis der Begrenzung von zyklisch fortschreitender Deformation darf als vereinfachter Nachweis (Abschnitt 7.13.2) unter Verwendung von Näherungsformeln erfolgen; genauere Nachweise erfordern eine Dehnungsermittlung mittels elastoplastischer Analysen (Abschnitt 7.13.3) oder mittels Messungen (Abschnitt 7.13.4).

7.13.2 Vereinfachter Nachweis mit Näherungsformeln

7.13.2.1 Anwendungsbereich

(1) Der vereinfachte Nachweis darf angewandt werden auf

  1. achsensymmetrische Strukturen unter achsensymmetrischen Belastungen und ausreichend weit von lokalen Strukturdiskontinuitäten entfernt, oder
  2. allgemeine Strukturen, in denen die thermische Spitzenspannung vernachlässigbar ist (d. h. lineare thermische Spannungsverteilung über die Wand).

(2) Die Nachweise basieren auf den Ergebnissen elastischer Analysen und einer Spannungsklassifikation entsprechend Abschnitt 7.7.3; dabei finden folgende auf die Streckgrenze Rp0,2Tbezogene Spannungsparameter Verwendung:

X = (PI + Pb / K)max / Rp0,2T (7.13-1)
Y = (QR)max / Rp0,2T (7.13-2)
wobei
`		 (7.13-3)

mit (jeweils bezogen auf das betrachtete Lastspiel)

 (Pl+ Pb / K)max maximaler Wert der primären Vergleichsspannung, wobei der Biegespannungsanteil Pb mit dem Faktor K angepasst ist,
 (QR)max maximale Schwingbreite der sekundären Vergleichsspannung,
maximale Temperatur,
minimale Temperatur,
 K Stützfaktor, z.B. K = 1,5 für Rechteckquerschnitte.

(3) Bei Bedingungen entsprechend 7.13.2.1 (1) a) vereinfachen sich die Spannungsverhältnisse auf

X : maximale Membranspannung infolge Innendruck, dividiert durch Rp0,2T, und

Y : maximale Schwingbreite der Wärmespannung, dividiert durch Rp0,2T.

(4) Die Benutzung der Streckgrenze in den Spannungsverhältnissen statt der niedrigeren Proportionalitätsgrenze lässt solange ein kleines Anwachsen der Dehnungen während jedem Lastspiel zu, bis durch die Kaltverfestigung die Proportionalitätsgrenze auf den Wert der Streckgrenze erhöht ist.

(5) Dieses Verfahren ist anwendbar, solange die zu bewertende Lastspielzahl den Wert

n = nˆ (2 ⋅ Sa = Rp0,2T) (7.13-4)

nicht überschreitet.

7.13.2.2 Nachweis durch Begrenzung der Spannungen

(1) Mit positiver Führung dieses Nachweises ist thermisch bedingte fortschreitende Deformation ausgeschlossen.

(2) Bei der Berechnung der zulässigen Sekundärspannung darf der Sekundärspannungsparameter Y mit dem größeren Wert von Rp0,2T und 1,5
⋅ Smmultipliziert werden.

(3) Bei vorgegebenem Primärspannungsparameter X ist für die Schwingbreite folgender Sekundärspannungsparameter Y zulässig:

Fall 1: Linearer Temperaturverlauf oder linearer Sekundärspannungsverlauf über die Wanddicke:

für 0,0 < X ≤ 0,5 ist Y = 1 / X (7.13-5)
für 0,5 < X < 1,0 ist Y = 4 (1-X) (7.13-6)

Fall 2: Parabolischer, monoton anwachsender oder abfallender Temperaturverlauf über die Wanddicke:

für 0,615 ≤ X ≤ 1,0 ist Y= 5,2 (1 -X) (7.13-7)
für X < 0,615


ist Y (X=0,5) = 2,70
Y (X=0,4) = 3,55
Y (X=0,3) = 4,65

Fall 3: Beliebige Bauteilgeometrie und beliebige Belastung:


für X ≤ 1,0 ist

Y = 3,25 (1-X) + 1,33 (1-X)3 + 1,38 (1-X)5

 (7.13-8)
Anhaltswerte: Y (X = 1,0) = 0,00
Y (X = 0,0) = 5,96

7.13.2.3 Nachweis durch Begrenzung der Dehnungen

(1) Dieser Nachweis darf nur angewendet werden auf Bedingungen entsprechend Abschnitt 7.13.2.1 (1) a).

(2) Bei der Ermittlung der Dehnungen werden zusätzlich noch durch Index i gekennzeichnete Zustände betrachtet; es werden bezeichnet mit

Index 1 der untere Zustand bei der Extremwertbildung der Schwingbreite von Wärmespannung oder Sekundärspannung (niedrige Temperatur) und mit
Index 2 der obere Zustand bei der Extremwertbildung der Schwingbreite von Wärmespannung oder Sekundärspannung (hohe Temperatur).

(3) Werden die Spannungsparameter


X1, Y1 unter Verwendung der Streckgrenze Rp0,2T1bei der über die Wand gemittelten Temperatur T1zum Zustand 1 sowie
X2, Y2 unter Verwendung der Streckgrenze Rp0,2T2bei der über die Wand gemittelten Temperatur T2zum Zustand 2

ermittelt, so sind zur Bestimmung der Hilfsgrößen Zi(i=1,2) folgende Fälle zu unterscheiden:


a) für Yi ⋅ (1-Xi) > 1 ist Zi= Xi ⋅ Yi
b)
c) für Xi+ Yi ≤ 1 ist Zi= Xi
(7.13-9)
(7.13-10)
(7.13-11)

(4) Daraus folgt in Abhängigkeit von der Hilfsgröße Zi und unter Beachtung des Verhältnisses der Streckgrenzenwerte p = Rp0,2T2 / Rp0,2T1das plastische Dehnungsinkrement Δε pro Lastspiel zu

Z1≤ ρ Δε = 0 (7.13-12)
(7.13-13)
(7.13-14)
(7.13-15)
(7.13-16)

(5) Die Summe aller Dehnungsinkremente darf am Ende der Lebensdauer den Wert 2 % nicht überschreiten.

7.13.3 Allgemeiner Nachweis durch elastischplastische Analyse

(1) Zur Bestimmung der plastischen Dehnungen bei zyklischer Belastung kann eine elastoplastische Analyse durchgeführt werden. Das dabei zur Anwendung kommende Werkstoffmodell muss geeignet sein zur wirklichkeitsnahen Ermittlung der zyklischen Dehnungen.

(2) Soll bei sich verfestigenden Werkstoffen bei der Bestimmung der gesamten Dehnung die Abnahme des Dehnungsinkrementes von Lastspiel zu Lastspiel in Anspruch genommen werden, so muss das Belastungshistogramm mehrere Lastspiele umfassen. Aus dem entsprechend dem Belastungshistogramm ermittelten zeitlichen Dehnungsverlauf kann durch konservative Extrapolation die maximale akkumulierte Dehnung berechnet werden.

(3) Die lokal akkumulierte plastische Zughauptdehnung darf am Ende der Lebensdauer an keiner Stelle eines Querschnittes folgende Maximalwerte überschreiten: 5,0 % im Grundwerkstoff, 2,5 % in Schweißnähten.

7.13.4 Gesonderter Nachweis durch Messungen

(1) Der zyklische Dehnungszuwachs kann auch durch Messungen bestimmt werden.

(2) Hinsichtlich der Extrapolation auf die akkumulierte plastische Gesamtdehnung sowie die Grenzen der zulässigen Dehnung gilt Abschnitt 7.13.3.

8 Komponentenspezifische Analyse des mechanischen Verhaltens

8.1 Allgemeines

(1) Die nachfolgend angegebenen komponentenspezifischen Analysen und Festigkeitsnachweise sind anerkannte und gebräuchliche Berechnungsverfahren. Werden mehrere Verfahren angegeben, sind diese innerhalb ihrer Anwendungsgrenzen zugelassen.

Hinweis:
Diese Verfahren basieren üblicherweise auf unterschiedlichen Grundlagen und enthalten unterschiedliche Konservativitäten, woraus nicht identische Ergebnisse resultieren können.

(2) Die komponentenspezifischen Analysen des mechanischen Verhaltens dienen dem Nachweis von Beanspruchungen und ersetzen bei Einhaltung der jeweils angegebenen konstruktiven und belastungsmäßigen Voraussetzungen sowie der jeweils angegebenen Spannungsgrenzen die Nachweise der allgemeinen Analyse des mechanischen Verhaltens nach Abschnitt 7 ganz oder teilweise.

(3) Wird mit einer der nachfolgend aufgeführten komponentenspezifischen Analysen die gegebene Belastung nicht vollständig erfasst, so sind die Beanspruchungen aus den Teilbelastungen gesondert zu ermitteln und entsprechend zu überlagern.

(4) Da Schweißnähte den Anforderungen in KTA 3201.1 und KTA 3201.3 zu genügen haben, braucht der Einfluss der Schweißnähte bei der Festlegung der zulässigen Spannungen nicht gesondert berücksichtigt zu werden.

(5) Im Rahmen von Ermüdungsanalysen sind die hinsichtlich der Ermüdungsfestigkeit reduzierenden Einflüsse von Schweißnähten in Abhängigkeit von der Schweißnahtbearbeitung zu berücksichtigen.

Hinweis:
Spannungsbeiwerte hierzu sind in Tabelle 8.4-1 enthalten.

(6) Bei der komponentenspezifischen Analyse ist die Wanddicke scgemäß Abschnitt 7.1.4 zu verwenden. Dabei ist eine Plattierung entsprechend Abschnitt 7.1.3 zu berücksichtigen.

8.2 Behälter

8.2.1 Radiale Stutzen unter Innendruck und Rohranschlusslasten

8.2.1.1 Allgemeines

(1) Stutzen in drucktragenden zylindrischen oder kugelförmigen Schalen müssen einschließlich ihres Übergangsbereichs allen gleichzeitig wirkenden Belastungen, wie z.B. Innendruck und Rohranschlusslasten, standhalten.

(2) Abhängig von der jeweiligen Beanspruchungsstufe und Spannungskategorie sind die zulässigen Spannungen den Tabellen 7.7-4 und 7.7-5 zu entnehmen.

(3) Die Anforderungen an die konstruktive Gestaltung gemäß Abschnitt 5.2 sind zu beachten.

(4) Die in Abschnitt 8.2.1.3 angegebenen Verfahren berücksichtigen nicht die gegenseitige Beeinflussung durch benachbarte Störstellen. Diese ist gegeben, wenn der Abstand der Störstellen 2 ⋅(dHm⋅ sH)05unterschreitet.

8.2.1.2 Stutzen mit überwiegender Innendruckbelastung

Sind Stutzen mit überwiegender Innendruckbelastung, z.B. Mannlochstutzen, Blindstutzen und sonstige Stutzen ohne Rohrleitungsanschluss, nach Abschnitt a 2.7 dimensioniert, sind Analysen des mechanischen Verhaltens nicht erforderlich.

8.2.1.3 Stutzen mit Belastung durch Innendruck und Rohranschlusslasten

(1) Die Dimensionierung der Ausschnittsverstärkung erfolgt zunächst für Innendruck nach Abschnitt a 2.7, wobei für die Rohranschlusslasten Reserven vorzusehen sind.

Zur Überprüfung der Zulässigkeit von Rohranschlusslasten ist ergänzend ein Spannungsnachweis durchzuführen, bei dem die Spannungen infolge Innendruck und Rohranschlusslasten erfasst werden.

(2) Für die Ermittlung der Innendruckspannungen sind die in den Abschnitten 8.2.2.1 bis 8.2.2.3 aufgeführten Verfahren zugelassen.

(3) Die Berücksichtigung von äußeren Lasten darf gesondert mit einem Verfahren nach Abschnitt 8.2.2.4 erfolgen.

(4) Die in den Abschnitten 8.2.2.1 bis 8.2.2.3 aufgeführten Berechnungsverfahren weisen die Spannungen in der Stutzenwand außerhalb des Übergangsbereichs nicht aus. Bei Stutzen mit einem Wanddickenverhältnis sA / sR ≤ 1,5 nach Bild 8.2-1 oder Bild 8.2-2 ist deshalb die Spannung in der Stutzenwand getrennt zu überprüfen.

8.2.2 Verfahren zur Berechnung von radialen Stutzen

8.2.2.1 Spannungsindex-Methode für maximale Gesamtspannungen infolge Innendruck

(1) Diese Methode ergibt ausschließlich maximale Spannungen an repräsentativen Stellen infolge von Innendruck. Die Spannungsindizes sind als das jeweilige Verhältnis der betreffenden Normalspannungskomponente oder der Vergleichsspannung zur mittleren Umfangsspannung (Membranspannung σmu) des ungestörten Grundkörpers definiert.

i = σ / σmu (8.2-1)

Die mit Hilfe der Spannungsindizes ermittelten Vergleichsspannungen und Vergleichsspannungsschwingbreiten sind nach Abschnitt 7 zu begrenzen.

(2) Die Spannungskomponenten gemäß Bild 8.2-3 sind wie folgt definiert:
σa: Spannungskomponenten in axialer Richtung
σt: Spannungskomponenten in Umfangsrichtung
σr: Spannungskomponenten in radialer Richtung

Zusätzlich sind:
S : Vergleichsspannungen
di: innerer Durchmesser oder Wölbungsdurchmesser des Bodens
sc: Wanddicke im unverstärkten Bereich gemäß Abschnitt 7.1.4

Bild 8.2-1: Stutzen an zylindrischer Schale

Bild 8.2-2: Stutzen an kugelförmiger Schale

Bild 8.2-3: Richtungen der Spannungskomponenten

(3) Die Spannungsindizes der Tabelle 8.2-1 betreffen nur die maximalen Spannungen im Bereich des Stutzens unter innerem Überdruck und dürfen verwendet werden, wenn die Bedingungen a) bis i) erfüllt sind:

  1. Ausführung gemäß Bild 8.2-4,
  2. die Stutzenachse muss senkrecht auf der Behälterwand stehen; andernfalls muss dAi / dHikleiner als 0, 15 sein,
  3. bei mehreren Stutzen in einem Hauptkörper darf die Bogenlänge zwischen den Mitten benachbarter Stutzen, gemessen auf der Innenseite, nicht kleiner sein als 1,5 · (dAi1+ dAi2) für benachbarte Stutzen in Böden oder für Schalen in Meridianrichtung sowie nicht kleiner als (dAi1+ dAi2) für benachbarte Stutzen in Umfangsrichtung von Schalen. Wenn die Verbindungslinie der zwei Stutzen weder in Umfangs- noch in Meridianrichtung liegt, darf die Größe ((lU / 2)2 + (lm / 3)2)05 nicht kleiner sein als 0,5 · (dAi1+ dAi2), wobei luder Abstand ihrer Mittelpunkte in Umfangsrichtung und lm der Abstand ihrer Mittelpunkte in Meridianrichtung ist.
  4. Die nachfolgenden geometrischen Verhältnisse sind für Kugel- und Zylinderschalen einzuhalten:
    dHi / sH ≤ 100
    dAi / dHi≤ 0,5
    dAi / (dHi· sH)05 ≤ 0,8
  5. Bei Zylinderschalen darf die Stutzenverstärkung in der Ebene, die die Stutzenachse enthält und auf der Hauptkörperachse senkrecht steht, einschließlich der Verstärkungen außerhalb der mittragenden Länge das Zweifache der notwendigen Verstärkung in der Längsachse nicht überschreiten, sofern nicht ein kegeliges Übergangsstück gewählt wird.
  6. Bei Kugelschalen und gewölbten Böden müssen mindestens 40 % der Stutzenverstärkung außerhalb der Außenoberfläche der durch die rechnerische Wanddicke beschriebenen Schale liegen.
  7. 0,1 ⋅ sH< r1< 1,0 ⋅ sH.
  8. der Ausrundungsradius r2 ist so groß zu wählen, dass ein allmählicher Übergang zwischen Stutzen und Schale erreicht wird. In speziellen Fällen gilt:
    r2≥ max. {0,5 ⋅ sH, 0,5 ⋅ sA, 0,5 ⋅ sR}
    wenn bei Zylinderschalen dAi > 1,5 ⋅ sH,
    bei Kugelschalen dAi> 3 ⋅ sH,
    und bei elliptischen Böden a / b = 2, dAi> 1,5 ⋅ sHist,
  9. r3 ≥ max. {0,002 α ⋅ (dAi+ 2 ⋅ sA), 2 ⋅ sin3 α (sA - sR)}

    Die Radien r2 und r3beziehen sich auf die ausgeführten Wanddicken.

Gegebenenfalls ist auch die Wirkung von äußeren Lasten und Temperaturfeldern zu berücksichtigen. In solchen Fällen ist die Gesamtspannung für jede Spannungsrichtung durch Überlagerung zu bilden.

(4) Bei Stutzen, die Schrägstellungen innerhalb der in Abschnitt 8.2.1 (3) angegebenen Grenzen aufweisen, sind die Spannungsindizes für die Tangentialspannung an der Innenseite mit folgenden Werten zu multiplizieren:

1 + 2 · sin2 Φ bei schrägen Abzweigen in Zylindern, die in Längsrichtung geneigt sind, oder bei Abzweigen in Kugeln,
1 + (tan Φ )4 / 3 bei Abzweigen in Zylindern, die in Umfangrichtung geneigt sind.
Hierbei ist Φ der Winkel, um den die Achse des Abzweigs von der Senkrechten abweicht.

Bild 8.2-4: Zulässige Ausführungsformen für Stutzen bei Anwendung der Spannungsindexmethode

Tabelle 8.2-1: Spannungsindizes für Stutzen (Spannungsindex-Methode)

Stutzen in Kugelschalen und gewölbten Böden
Spannung Innenseite Außenseite
σt 2,0 2,0
σa - 0,2 2,0
σr - 4 · sc / di 0
S 2,2 2,0

Stutzen in Zylinderschalen
Spannung Längsschnitt Querschnitt
Innenseite Außenseite Innenseite Außenseite
σt 3,1 1,2 1,0 2,1
σa - 0,2 1,0 - 0,2 2,6
σr - 2 · sc / di 0 - 2 · sc / di 0
S 3,3 1,2 1,2 2,6

8.2.2.2 Alternative Spannungsindex-Methode für maximale

Gesamtspannungen infolge Innendruck

(1) Anstelle der Spannungsindex-Methode nach Abschnitt 8.2.2.1 darf die alternative Spannungsindex-Methode angewendet werden, wenn die Dimensionierung nach Abschnitt a 2.7.3 erfolgt und die folgenden geometrischen Bedingungen erfüllt sind:

  1. Ausführung gemäß Bild 8.2-5,
  2. der Stutzenquerschnitt muss kreisförmig sein und seine Achse muss senkrecht auf der Schalenfläche stehen,
  3. bei Kugelschalen und gewölbten Böden müssen mindestens 40 % der Stutzenverstärkung außerhalb der Außenoberfläche, der durch die rechnerische Wanddicke beschriebenen Schale liegen,
  4. der Abstand zwischen den Rändern benachbarter Öffnungen soll nicht kleiner sein als der kleinere Wert von

    1,25 ⋅ (dAi1+ dAi2) oder 1,8 ⋅ ( dH ⋅ sH)05,
    jedoch mindestens dAi1+ dAi2.

    Bild 8.2-5: Zulässige Ausführungsformen für Stutzen bei Anwendung der alternativen Spannungsindexmethode

  5. die folgenden geometrischen Einschränkungen sind einzuhalten:
    Stutzen in Zylinderschalen Stutzen in Kugelschalen oder Böden
    dHi / sH 10 bis 200 10 bis 100
    dAi / dHi ≤ 0,33 ≤ 0,5
    dAi / ( dHi⋅ sH)05 ≤ 0,8 ≤ 0,8
  6. Die Übergangsradien müssen folgenden Bedingungen genügen:

    0,1 ⋅ sH≤ r1 ≤ 0,5 ⋅sH
    r2 ≥ (dAi ⋅ sR)0,5 oder r2 = sH / 2; 

    der größere Wert ist zu verwenden,

    r3 ≥ (α / 90°)0,5 × (dAi ⋅ sR)0,5 oder r3 ≥ (α / 90°)⋅ sR;

    der größere Wert ist zu verwenden,

    r4 ≥ (1 - (α / 90°)0,5) ⋅ ( dAi ⋅ sR)0,5 oder

    r4 ≥ (1 - α / 90°) ⋅ sH / 2; 

    der größere Wert ist zu verwenden,

    r5≥ (α / 90°) ⋅ sH

    Hierbei wird der Winkel α in Grad eingesetzt.

(2) Die alternative Spannungsindex-Methode liefert ausschließlich maximale Gesamtspannungen an repräsentativen Stellen infolge von Innendruck für Einzelstutzen. Die Gesamtspannungen sind nach Abschnitt 7 zu begrenzen.

(3) Die hier verwendeten Spannungsindizes sind definiert als das jeweilige Verhältnis der Normalspannungskomponenten oder der Vergleichsspannung zu der aus den Membranspannungen im ungestörten Grundkörper gebildeten Vergleichsspannung.

i = σ / σV (8.2-2)
p (di + sc)
σV =
für Kugelschalen oder gewölbte Böden
4 ⋅ sc
(8.2-3)

und

p (di + sc)
σV =
für Zylinderschalen
2 ⋅ sc
(8.2-4)

(4) Die Normalspannungskomponenten gemäß Bild 8.2-3 sind wie folgt definiert:

σa: Spannungskomponenten in axialer Richtung
σt: Spannungskomponenten in Umfangsrichtung
σr: Spannungskomponenten in radialer Richtung

Zusätzlich sind:

S : Vergleichsspannungen
p : Betriebsdruck
sc: Wanddicke im unverstärkten Bereich gemäß Abschnitt 7.1.4

(5) Die Spannungsindizes sind der Tabelle 8.2-2 zu entnehmen.

Tabelle 8.2-2: Spannungsindizes für Stutzen (Alternative Spannungsindex-Methode)

Stutzen in Kugelschalen und gewölbten Böden
Spannung Innenseite Außenseite
σt 2,0 - dAi / dHi 2,0 - dAi / dHi
σa - 0,2 2,0 - dAi / dHi
σr - 4 · sc / (dHi+ sc) 0
S größere Werte von
2,2 - dAi / dHi
oder
2,0 + [4 · sc / (dHi+ sc)]- dAi / dHi		 2,0 - dAi / dHi

Stutzen in Zylinderschalen
Spannung Längsschnitt Querschnitt
Innenseite Außenseite Innenseite Außenseite
σt 3,1 1,2 1,0 2,1
σa - 0,2 1,0 - 0,2 2,6
σr - 2 · sc / (dHi+ sc) 0 - 2 · sc / (dHi+ sc) 0
S 3,3 1,2 1,2 2,6

8.2.2.3 Spannungsindexmethode für primäre und sekundäre Spannungen infolge Innendruck

Hinweis:
Dieses Verfahren basiert auf einer Parameterstudie, wobei ideal elastisches Werkstoffverhalten zugrundegelegt wurde. Mit dem Verfahren können die Spannungskomponenten der Membran- sowie Membran- plus Biegespannungen mit Hilfe von Spannungsbeiwerten ermittelt werden. Die Beiwerte beziehen sich auf senkrecht zur Behälterwand verlaufende Schnitte, die für die Überlagerung von Spannungen aus äußeren mechanischen Lasten und Innendruckbelastung maßgebend sind.

Das Verfahren ist geeignet, die primären und sekundären Spannungen zur Überlagerung mit Spannungen aus äußeren Lasten zur Verfügung zu stellen. Das Verfahren liefert keine Spannungsspitzen und deshalb auch keine Gesamtspannungen.

Zur Ermittlung der primären oder primären plus sekundären Spannungen in der Grundschale kann, z.B. für zylindrische und kugelförmige Schalen, folgendes Spannungsindexverfahren angewandt werden:

  1. Radiale Stutzen in zylindrischen Schalen

    Folgender Geltungsbereich ist zu beachten:

    Durchmesser- / Wanddickenverhältnis 30 ≤ dHm / sH ≤ 200
    Wanddickenverhältnis 0,75 ≤ sA / sH ≤ 1,3
    Durchmesserverhältnis dAm / dHm ≤0,6

    Zur Absicherung der Beanspruchungen im Übergangsbereich Grundschale / Stutzen sind die Spannungen an den Orten a und C gemäß Bild 8.2-1 zu ermitteln und zu beschränken.

    Die Spannungen aus Innendruck werden wie folgt ermittelt:

    σ = α ⋅ dHm / 2 ⋅ sH⋅p (8.2-5)

    Die Spannungsbeiwerte α sind abhängig vom bezogenen Stutzendurchmesser dAm / (dHm· sH)0,5 und dem Wanddickenverhältnis sa / sH den Bildern gemäß Tabelle 8.2-3 zu entnehmen.

    Tabelle 8.2-3: Zuordnung der Spannungsbeiwerte d für Zylinderschalen

    Ort Spannungskategorie Bild
    A PL 8.2-6
    C PL 8.2-7
    a Innen PL+ Q 8.2-8
    C Innen PL+ Q 8.2-9
    a Außen PL+ Q 8.2-10
    C Außen PL+ Q 8.2-11
  2. Radiale Stutzen in kugelförmigen Schalen
    Folgender Geltungsbereich ist zu beachten:
    Durchmesser- / Wanddickenverhältnis 50 ≤ dHm / sH≤ 400
    Wanddickenverhältnis 0,77 ≤ sA / sH≤ 1,3

    Die Spannungen aus dem Innendruck werden wie folgt ermittelt:

    σ = α ⋅ dHm / 4 ⋅ sH⋅p (8.2-6)

    Die Spannungsbeiwerte α sind abhängig vom bezogenen Stutzendurchmesser dAm / (dHm· sH)0,5 und dem Wanddickenverhältnis sA / sHden Bildern gemäß Tabelle 8.2-4 zu entnehmen.

    Tabelle 8.2-4: Zuordnung der Spannungsbeiwerte d für Kugelschalen

    Spannungskategorie Bild
    PL 8.2-12
    PL+ Q 8.2-13

8.2.2.4 Berechnungsmethode für Ausschnitte unter äußeren Kräften und Momenten

Geeignete Verfahren zur Spannungsermittlung dürfen aus

  1. WRC Bulletin 297 [2]

    und gegebenenfalls aus

  2. WRC Bulletin 107 [3] und
  3. PD 5500:2000, Annex G [4]

entnommen werden. Dabei sind die jeweiligen geometrischen Anwendungsgrenzen der Berechnungsverfahren und die allgemeinen Anforderungen nach Abschnitt 5.2.6 zu beachten. Die Gesamtspannungen sind nach Abschnitt 7 zu begrenzen.

Bild 8.2-6: Spannungsbeiwert α für Stutzen in zylindrischer Schale unter Innendruck

Bild 8.2-7: Spannungsbeiwert α für Stutzen in zylindrischer Schale unter Innendruck

Bild 8.2-8: Spannungsbeiwert α für Stutzen in zylindrischer Schale unter Innendruck

Bild 8.2-9: Spannungsbeiwert α für Stutzen in zylindrischer Schale unter Innendruck

Bild 8.2-10: Spannungsbeiwert α für Stutzen in zylindrischer Schale unter Innendruck

Bild 8.2-11: Spannungsbeiwert α für Stutzen in zylindrischer Schale unter Innendruck

Bild 8.2-12: Spannungsbeiwert α für Stutzen in Kugelschale unter Innendruck für PL

Bild 8.2-13: Spannungsbeiwert α für Stutzen in Kugel schale unter Innendruck für PL+ Q

8.3 Armaturengehäuse

8.3.1 Berechnungsgrößen und Einheiten zu Abschnitt 8.3

Formel-
zeichen		 Berechnungsgröße Einheit
daA Nennaußendurchmesser der Armatur in Schnitt A-a ohne Berücksichtigung von Toleranzen mm
daR Nennaußendurchmesser der anschließenden Rohrleitung ohne Berücksichtigung von Toleranzen mm
di Nenninnendurchmesser gemäß Bild 8.3-1 mm
diA Nenninnendurchmesser der Armatur in Schnitt A-a ohne Berücksichtigung von Toleranzen mm
diG Gehäuseinnendurchmesser gemäß Bild 8.3-5 mm
diR Nenninnendurchmesser der anschließenden Rohrleitung ohne Berücksichtigung von Toleranzen mm
e mittragende Länge mm
eA mittragende Länge im Abzweig mm
eH mittragende Länge im Hauptkörper mm
h Höhe gemäß Bild 8.3-3 mm
m, n Materialparameter gemäß Tabelle 7.8-1 -
p Auslegungsdruck in der Stufe 0 oder jeweils auftretender Innendruck in den Beanspruchungsstufen a und B MPa
pB Innendruck des jeweiligen Lastfalls MPa
Δpfi Druckschwankungsbereich vom Normalbetrieb bis zum betrachteten Zustand MPa
pf(max) maximaler Druckschwankungsbereich aus Δpfi MPa
r mittlerer Radius im Schnitt A-a gemäß Bild 8.3-4 und Bild 8.3-5 mm
r2, r4 Ausrundungsradius gemäß Bild 8.3-2 mm
r3 Radius gemäß Bild 8.3-3 mm
ri innerer Radius gemäß Bild 8.3-5 mm
rt Ausrundungsradius gemäß Bild 8.3-7 mm
sA Wanddicke des Abzweiges mm
sAn Wanddicke gemäß Bild 8.3-7 mm
sG Gehäusewanddicke gemäß Bild 8.3-5 mm
sH Wanddicke des Hauptkörpers mm
sHn Wanddicke gemäß Bild 8.3-7 mm
sn Wanddicke der Armatur (gemäß Abschnitt 7.1.4) im Schnitt A-a gemäß Bild 8.3-4 und Bild 8.3-5 mm
sne Wanddicke gemäß Bild 8.3-5 mm
sR Wanddicke der anschließenden Rohrleitung gemäß Bild 8.3-4 mm
A Querschnittsfläche der Armatur im Schnitt A-a gemäß Bild 8.3-4 und Bild 8.3-5 mm2
Ap drucktragende Fläche mm2
Aσ tragende Querschnittsfläche mm2
Ca Korrekturfaktor für Schrägsitzarmaturen gemäß Gleichung (8.3-14) -
Cb Spannungsbeiwert für die Biegespannung gemäß Gleichung (8.3-11) -
C2 Spannungsbeiwert für sekundäre Wärmespannungen infolge geometrischer Unstetigkeiten gemäß Bild 8.3-9 -
C3 Beiwert für sekundäre Spannungen an Stellen geometrischer Unstetigkeiten infolge Temperaturänderungen des Mediums gemäß Bild 8.3-8 -
C4 Faktor gemäß Bild 8.3-10 -
C5 Spannungsbeiwert für die thermische Ermüdung gemäß Bild 8.3-11 -
C6 Spannungsbeiwert für Wärmespannungen gemäß Gleichung (8.3-28) N ⋅ mm4
D Erschöpfungsgrad (Ausnutzungszahl) -
De1 Durchmesser des größten Kreises, der sich im Verschneidungsbereich auf der einen Seite der Mittellinie einzeichnen lässt gemäß Bild 8.3-7 mm
De2 Durchmesser des größten Kreises, der sich im Verschneidungsbereich einzeichnen lässt mm
E Elastizitätsmodul bei der Auslegungstemperatur N / mm2
Fax Axialkraft N
F´ax Axialkraft aus der Rohrleitungsberechnung N
M´b Biegemoment Nmm
M´b Biegemoment aus der Rohrleitungsberechnung Nmm
MR resultierendes Moment Nmm
Mt Torsionsmoment Nmm
M't Torsionsmoment aus der Rohrleitungsberechnung Nmm
Ni zulässige Lastspielzahl -
Nri spezifizierte Lastspielzahl -
Pb primäre Biegespannung nach Tabelle 7.7-5 N / mm2
Peb Spannung aus Rohrleitungslasten N / mm2
Peb max sekundäre Spannung aus Rohrleitungslasten bei voller Ausnutzung der zulässigen Spannung N / mm2
Plp lokale Membranspannung aus Innendruck gemäß Gleichung (8.3-5) N / mm2
Pm allgemeine primäre Membranspannung nach Tabelle 7.7-5 N / mm2
Q resultierende Querkraft N
Q´ Querkraft aus der Rohrleitungsberechnung N
Qp Primär- plus Sekundärspannung aus Innendruck gemäß Gleichung (8.3-13) N / mm2
QT1 Wärmespannung aus linearer Temperaturverteilung über der Wanddicke unter der Voraussetzung einer Temperaturänderung des Mediums ¯ 55 K / h N / mm2
QT3 sekundäre Wärmespannungen aus geometrischer Unstetigkeit gemäß Gleichung (8.3-15) N / mm2
RmT Mindestzugfestigkeit der anschließenden Rohrleitung bei Auslegungstemperatur N / mm2
Rp0,2T 0,2%-Dehngrenze der anschließenden Rohrleitung bei Auslegungstemperatur N / mm2
Sa halbe Spannungsschwingbreite N / mm2
Si Spannungsspitze N / mm2
Sm Spannungsvergleichswert gemäß Ab- schnitt 7.7.3.4 N / mm2
Sn primäre plus sekundäre Spannungen für einen Lastzyklus N / mm2
Sn(max) maximale primäre plus sekundäre Spannungen gemäß Gleichung (8.3-30) N / mm2
Sp1 pauschale maximale Gesamtspannung an der Gehäuseinnenseite N / mm2
Sp2 pauschale maximale Gesamtspannung an der Gehäuseaußenseite N / mm2
SR rechnerisch anzusetzender Beanspruchungsgrenzwert gemäß Tabelle 8.3-1 N / mm2
T Auslegungstemperatur K
TDe1 Temperatur gemäß Bild 8.3-6 K
Tsn Temperatur gemäß Bild 8.3-6 K
ΔT´ maximale Temperaturdifferenz an maßgebenden Gehäusestellen (De1, sn), resultierend aus einer Temperaturänderung des Mediums von 55 K / h gemäß Bild 8.3-12 K
ΔTf Änderung der Mediumtemperatur K
ΔTfi Änderung der Mediumtemperatur im Kombinationsfall i K
ΔTf(max) maximale Änderung der Mediumtemperatur K
ΔTf1
ΔTf2
ΔTf3
ΔT1
ΔT2
ΔT3		 Änderung der Mediumtemperatur (Temperaturschwingbreiten) K
WArmatur axiales Widerstandsmoment bei den Nennabmessungen der Armatur, bezogen auf den Schnitt A-a in Bild 8.3-4 und Bild 8.3-5 gemäß Gleichung (8.3-8) mm3
WRohr axiales Widerstandsmoment der anschließenden Rohrleitung, bezogen auf die Nennabmessungen gemäß Gleichung (8.3-7) mm3
Wt polares Widerstandsmoment der Armatur im Schnitt A-a gemäß Bild 8.3-4 und Bild 8.3-5 (Wt = 2
⋅ Wafür den Kreisquerschnitt mit konstanter Wanddicke)		 mm3
α linearer Wärmeausdehnungskoeffizient bei der Auslegungstemperatur 1 / K
α1 Winkel zwischen der Durchflussrichtung im Armaturengehäuse und dem Aufbau

(Spindel, Kegel) gemäß Bild 8.3-4

 grd
σb Spannung aus Biegemomenten N / mm2
σL Spannung aus Belastungen in Rohrachsrichtung N / mm2
σV Vergleichsspannung N / mm2
τa max Spannung aus Querkräften N / mm2
τt Spannung aus Torsionsmoment N / mm2

8.3.2 Allgemeines

(1) Bei Armaturen, die allen Anforderungen dieses Abschnittes entsprechen, liegt der Bereich der höchsten Spannung bei Innendruckbelastung am Übergang des Stutzens zum Durchflussbereich und ist durch Umfangsspannungen senkrecht zur Ebene der Mittellinien gekennzeichnet, deren Maximalwert bei der Innenwandung liegt. Die Bestimmungen des Abschnittes 8.3.3 dienen zur Überprüfung der allgemeinen primären Membranspannung im Bereich des Stutzens.

(2) Im Bereich des Stutzens wird die maximale primäre Membranspannung nach der Flächenvergleichsmethode entsprechend Abschnitt 8.3.3 ermittelt. Die Vorgehensweise ist in Bild 8.3-1 dargestellt.

(3) Der nach Abschnitt 8.3.3 berechnete Wert von Pm ist normalerweise der Größtwert der allgemeinen primären Membranspannung für übliche Armaturen. Bei abweichenden Bauformen sind die Bereiche außerhalb des Stutzens auf eventuell auftretende größere Spannungen zu untersuchen. Gefährdete Bereiche sind nach der Flächenvergleichsmethode entsprechend der jeweiligen örtlichen Gehäusekontur zu untersuchen.

(4) Die Anwendung der in den Abschnitten 8.3.4 und 8.3.5 beschriebenen Verfahren zur komponentenspezifischen Spannungsanalyse setzt die Erfüllung der in Abschnitt 8.3.3 enthaltenen Anforderungen für den Primärspannungsnachweis unter Innendruckbelastung voraus.

(5) Die Spannungsanalyse der Armaturengehäuse ist üblicherweise nach dem Verfahren gemäß Abschnitt 8.3.4 durchzuführen. Rohranschlusslasten werden dabei pauschal (d. h. nach Maßgabe des maximal möglichen Biegemoments der angeschlossenen Rohrleitung) berücksichtigt.

(6) Alternativ oder bei Nichteinhaltung der Bedingungen nach Abschnitt 8.3.4 darf nach Abschnitt 8.3.5 vorgegangen werden.

8.3.3 Primäre Membranspannung infolge Innendruck

(1) Anhand einer maßstäblichen Zeichnung des Armaturengehäuses, die einen Schnitt im Bereich des Stutzens in der gemeinsamen Ebene der Mittellinien von Durchflusszone und Armaturenaufbau darstellt, bestimmt man die drucktragende Fläche Ap und die tragende Querschnittsfläche AÅ. Ap und AÅ werden von der Innenseite des Armaturenkörpers begrenzt, wobei der materialspezifische Abnutzungszuschlag von der Wanddicke abgezogen wird.

(2) Die Höhe der allgemeinen primären Membranspannung ist im Stutzen folgendermaßen zu berechnen:

Pm= (Ap / Aσ + 0,5) ⋅ p ≤ Sm (8.3-1)

Die Bildung des Spannungsvergleichswertes Sm ist Abschnitt 7.7.3.4 zu entnehmen.

(3) Die Längen eH und eA, die die drucktragende Fläche und die tragende Querschnittsfläche eingrenzen, werden folgendermaßen ermittelt, siehe Bild 8.3-1:

eH= max. {0,5 ⋅ di - sA; sH} (8.3-2)
eA = 0,5 ⋅ r2 + 0,354 ⋅ (sA ⋅ (di + sA))0,5 (8.3-3)

Bei der Festlegung geeigneter Werte für die obigen Parameter kann z.B. bei Kugelventilen und anderen Gehäusen mit unsymmetrischen Querschnittsformen eine zusätzliche Bewertung notwendig werden. In solchen Fällen werden die inneren Grenzen von Ap durch die Linien senkrecht zur Ebene von Anschlussenden und Spindel gebildet, die die jeweils größten inneren Gehäuseausdehnungen verbinden (siehe Bild 8.3-1, Darstellungen b, d und e).

Bild 8.3-1: Flächenvergleichsmethode

(4) Übersteigen die errechneten Grenzen für die Flächen Apund Aσ, die durch eaund eHgebildet werden, die Grenzen des Armaturengehäuses (Bild 8.3-1, Darstellung b, siehe auch Bild a 3.1-8), bilden die Grenzen des Armaturengehäuses die Begrenzung von Apund Aσ. Dabei bleiben Flächen von angeschlossenen Rohrleitungen, die innerhalb der Grenzen von eaund eHliegen, unberücksichtigt. Falls ein Flansch innerhalb von Aσliegt, bleibt die Fläche des Flanschblatts ebenfalls unberücksichtigt.

(5) Rippenartige Erweiterungen des Armaturenkörpers werden nur soweit der Fläche von Aσ zugerechnet, soweit die Wanddicke der Rippe der durchschnittlichen Wanddicke des Armaturenkörpers in diesem Bereich entspricht. Die verbleibende Rippenfläche wird zu Ap addiert (Bild 8.3-1, Darstellung b). Außerdem muss die Aσ zugeschlagene Fläche folgende Anforderung erfüllen: Eine Gerade senkrecht zur Ebene von Spindel und Anschlussrohrenden, die AÃin jedem beliebigen Punkt durchstößt, darf nicht aus der Innenwandung heraustreten, sondern muss ununterbrochen innerhalb der Wandung des Gehäusekörpers verlaufen bis sie die äußere Oberfläche des Armaturengehäuses verlässt.

(6) Bei üblichen Gehäuseformen wird davon ausgegangen, dass der Bereich mit der größten Spannungsbelastung innerhalb von Aσ entsprechend den verschiedenen Darstellungen nach Bild 8.3-1 liegt. Im Falle sehr unregelmäßiger Armaturengehäuse ist es erforderlich, alle Bereiche des Abzweiges zu überprüfen, um sicherzustellen, dass der größte Wert für Pm sowohl für den Fall der geöffneten als auch für den der vollständig geschlossenen Armatur bestimmt wurde.

8.3.4 Pauschale Spannungsanalyse

(1) Das Verfahren ist nur anzuwenden, wenn die folgenden Geometriebedingungen eingehalten sind:

a) Radius r2 ≥ 0,3 ⋅ sn
b) Radius r3 ≥ rmax { 0,05 ⋅ sn
0,1⋅ h

c) Radius r4< r2ist zulässig

d) Kanten müssen gebrochen oder entgratet sein.

r2undr4 sind für die verschiedenen Ausführungsformen in Bild 8.3-2 dargestellt. r3und h sind in Bild 8.3-3 erläutert. snist die Nennwanddicke gemäß Abschnitt 7.1.4 sowie Bild 8.3-4 und Bild 8.3-5.

(2) Die Einhaltung der zulässigen primären Membran- plus Biegespannungen in den Beanspruchungsstufen a und B ist gemäß Gleichung (8.3-4) zu überprüfen.

Plp+ Pebd 1,5 ⋅ Sm (8.3-4)
(8.3-5)

mit

Ca: gemäß Gleichung (8.3-14)

Peb: gemäß Gleichung (8.3-6).

(3) Für den Nachweis der Spannungsanteile aus den Schnittlasten der anschließenden Rohrleitung sind als wesentliche Beanspruchungsgrößen die Biegebeanspruchungen in den maßgebenden Querschnitten gemäß Bilder 8.3-4 und 8.3-5 zu untersuchen.

Die Biegespannungen werden ermittelt aus:

Cb ⋅ WRohr ⋅ SR
Peb=
WArmatur

mit

 (8.3-6)
π ⋅ (daR4 - diR4)
WRohr=
32 ⋅ daR
(8.3-7)
π ⋅ (daR4 - diR4)
WArmatur=
32 ⋅ daR

wobei die Bedingung einzuhalten ist

 (8.3-8)
WArmatur≥ WRohr (8.3-9)

Bild 8.3-2: Ausrundungsradien

Bild 8.3-3: Zulässige Formen für Ausdrehungen

(4) Bei Armaturen mit konischem Ansatz gemäß Bild 8.3-5 ist der Schnitt A-a unter Berücksichtigung der Abklinglänge e anzusetzen.

Es gilt:

(8.3-10)

mit diaund snegemäß Bild 8.3-5.

(5) Die Ermittlung des Spannungsbeiwertes Cb erfolgt aus:

(8.3-11)

mit r und sngemäß Bild 8.3-4 und Bild 8.3-5.

(6) Der SR-Wert in Gleichung (8.3-6) bezieht sich auf den Werkstoff der anschließenden Rohrleitung. Es sind die Werte gemäß Tabelle 8.3-1 einzusetzen.

(7) Es sind keine größeren Lasten an der Armatur zu berücksichtigen, als es das zulässige Spannungsniveau im Rohrleitungssystem erlaubt. Vorausgesetzt, dass gleiche Rohrleitungswerkstoffe, Durchmesser und Widerstandsmomente der Armatur im Berechnungsbereich vorliegen, und die Armatur selbst keinen Festpunkt darstellt, ist für die maximale Belastung der Armatur die Seite mit dem kleinsten Widerstandsmoment der Rohrleitung maßgebend. Andernfalls sind beide Gehäuseseiten zu überprüfen, um die maximal mögliche Belastung zu ermitteln.

(8) Für Gleichung (8.3-6) sind die zulässigen Spannungen in den einzelnen Beanspruchungsstufen gemäß Tabelle 8.3-2 einzuhalten. Bei Anwendung der Tabelle 8.3-2 gelten folgende konstruktive Voraussetzungen:

  1. dia≤ diG(siehe Bild 8.3-5)
  2. sn ≤ sG
  3. bei Eckventilen ist zu überprüfen, dass keine gegenseitige Beeinflussung der Stutzen vorliegt; diese Überprüfung ist für prismatische Gehäuseformen nicht erforderlich.

Die Bildung des Spannungsvergleichswertes Sm ist Abschnitt 7.7.3.4 zu entnehmen.

Tabelle 8.3-1: Zusammenstellung der rechnerisch anzusetzenden Beanspruchungsgrenzwerte SR (Gleichung 8.3-6) des Rohranschlusses für die Werkstoffkombination von Rohrleitung und Armatur

Werkstoffkombination




Beanspruchungsstufe

 Rohrleitung Armatur Rohrleitung Armatur

Ferrit

 Ferrit-Schmiedestahl

Austenit

 Austenit-Schmiedestahl

Ferrit

 Ferrit-Guss

Austenit

 Ferrit-Schmiedestahl

Ferrit

 Austenit-Schmiedestahl

Austenit

 Austenit-Guss

Ferrit

 Austenit-Guss

Austenit

 Austenit Ferrit-Guss
SR SR
0 Rp0,2T 1,35 ⋅ Rp0,2T
A Rp0,2T 1,35 ⋅ Rp0,2T
B Rp0,2T 1,35 ⋅ Rp0,2T
C 1,2 ⋅ Rp0,2T 1,62 ⋅ Rp0,2T
D
min } 1,6 ⋅ Rp0,2T
RmT
min } 2,16 ⋅ Rp0,2T
RmT

Rp0,2T, RmT: Festigkeitskennwerte der anschließenden Rohrleitung bei Auslegungstemperatur

Tabelle 8.3-2: Zulässige Spannung im Gehäuse aus Rohrleitungslasten

Beanspruchungsstufe zulässiger Wert für Peb
A 1,5 ⋅ Sm
B 1,5 ⋅ Sm
C 1,8 ⋅ Sm
D 2,4 ⋅ Sm

Bild 8.3-4: Maßgebende Schnitte an Armaturengehäusen



Bild 8.3-5: Maßgebender Schnitt an konischen Armaturengehäusen

(9) Für die Berechnung der Summe von primären und sekundären Spannungen in den Beanspruchungsstufen a und B gilt:

Sn= QP+ Peb+ 2 QT3

 (8.3-12)

mit

 (8.3-13)

Ca = 0,2 + 0,8 / sin α1

 (8.3-14)

α1Winkel zwischen der Durchflussrichtung im Armaturengehäuse und dem Aufbau (Spindel, Kegel) gemäß Bild 8.3-4
Pebist gemäß Gleichung (8.3-6) einzusetzen.
diaund snsind den Bildern 8.3-4 und 8.3-5 zu entnehmen.
QT3wird wie folgt ermittelt:

QT3= E ⋅ α ⋅ C3⋅ΔT´ (8.3-15)

Bild 8.3-6: Ermittlung von ΔT´

Die Ermittlung von De1und De2muss auf einer Detailskizze mit Hinweis auf die Originalzeichnung in einem geeigneten Maßstab erfolgen.

(10) Für die Beanspruchungsstufen C und D gilt:

Sn=Plp + Peb (8.3-16)

Plpwird aus Gleichung (8.3-5) ermittelt; für p ist der jeweils auftretende Innendruck in den Beanspruchungsstufen C oder D einzusetzen.

(11) In den einzelnen Beanspruchungsstufen sind in den Gleichungen (8.3-12) und (8.3-16) die Spannungsgrenzwerte gemäß Tabelle 8.3-3 einzuhalten. Die Bildung des Spannungsvergleichswertes Sm ist Abschnitt 7.7.3.4 zu entnehmen.

Tabelle 8.3-3: Zulässige Spannungswerte für Sn

Beanspruchungsstufe zulässiger Wert für Sn
Schmiedestahl Stahlguss
A 3 ⋅ Sm 4 ⋅ Sm
B 3 ⋅ Sm 4 ⋅ Sm
C 2,25 ⋅ Sm 3 ⋅ Sm
D 3 ⋅ Sm 4 ⋅ Sm

(12) Der Nachweis für die Beanspruchungsstufen C und D ist nur zu führen, wenn die entsprechende Anforderung in den komponentenbezogenen Unterlagen aufgeführt ist.

(13) Armatur und Rohrleitungssystem können für bestimmte Lastfälle (siehe komponentenbezogene Unterlage) unterschiedlichen Beanspruchungsstufen zugeordnet werden. In diesem Fall ist der SR-Wert für Gleichung (8.3-6) gemäß der Beanspruchungsstufe des Systems einzusetzen (siehe Tabelle 8.3-1).

(14) Der Nachweis mit den Gleichungen (8.3-1) bis (8.3-16) ist nur zulässig, wenn in der anschließenden Rohrleitung bei allen Lastfällen das zulässige Spannungsniveau eingehalten wird.

(15) Wird ein Rohrbruch unterstellt und liegt kein Rohrleitungsfestpunkt zwischen Bruchstelle und Armatur, dann muss, wenn für die Armatur Integrität oder Funktionsfähigkeit nach der komponentenbezogenen Unterlage gefordert wird, die Berechnung des Armaturengehäuses mit den tatsächlichen oder diese abdeckenden Rohrschnittlasten erfolgen.

8.3.5 Detaillierte Spannungsanalyse mit Schnittlasten aus der Rohrleitungsberechnung

(1) Der Nachweis nach diesem Abschnitt ist nur notwendig, wenn bei der pauschalen Spannungsanalyse gemäß Abschnitt 8.3.4 nicht in jedem Fall die zulässige Spannung oder die geforderte Bedingung eingehalten werden kann. Hierbei sind ebenfalls die Geometrie-Bedingungen gemäß Abschnitt 8.3.4 (1) und die konstruktiven Voraussetzungen gemäß Abschnitt 8.3.4 (8) einzuhalten. Lastfälle und Lastüberlagerung sind den komponentenbezogenen Unterlagen zu entnehmen.

(2) Aus der Rohrleitungsberechnung liegen für die beiden Schnittstellen der Armatur folgende Angaben für die einzelnen Lastfälle vor:

  1. Axialkräfte F´ax
  2. Querkräfte Q´
  3. Biegemomente M´b
  4. Torsionsmomente M´t

Entsprechend dem Überlagerungsschema sind für jede Beanspruchungsstufe Fax, Q, Mbund Mtzu ermitteln und die Spannungsanteile aus den Schnittlasten der anschließenden Rohrleitung wie folgt zu berechnen:

Spannung aus Belastungen in Rohrachsrichtung:

σL = daA ⋅ pB/4 ⋅ sn + Fax/A (8.3-17)

Spannung aus Querkräften:

τa max= 2 ⋅ Q / A (8.3-18)

Spannung aus Biegemomenten:

σb= Mb / Wa ⋅ Cb (8.3-19)

Spannung aus Torsionsmoment:

τt = Mt / Wt (8.3-20)

Bei der Ermittlung von A, Waund Wt ist zu beachten, dass die Wanddicke an der Gehäuseinnenseite um den Abnutzungszuschlag zu vermindern ist.

(3) Diese Einzelspannungen werden unter der konservativen Annahme, dass alle Maxima zeitgleich auftreten, vereinfacht zu einer Vergleichsspannung zusammengefasst:

(8.3-21)

(4) Für Gleichung (8.3-21) sind in den einzelnen Beanspruchungsstufen die Spannungsgrenzwerte für Pm+ Pbnach den Tabellen 7.7-4 bis 7.7-6 einzuhalten.

Die Bildung der Spannungsvergleichswerte Sm ist Abschnitt 7.7.3.4 zu entnehmen.

(5) Die Ermittlung der primären und sekundären Spannungen erfolgt gemäß Abschnitt 8.3.4. Dabei ist in die Gleichungen (8.3-12) und (8.3-16) statt Pebdie nach Gleichung (8.3-21) ermittelte Vergleichsspannung
σV einzusetzen.

Für Sn gelten dann die zulässigen Spannungen nach Tabelle 8.3-3.

(6) Ist zum Zeitpunkt der Erstellung der Berechnung die konstruktive Ausführung der Armatur bereits festgelegt und liegen die Schnittlasten aus der Rohrleitungsberechnung noch nicht vor, dann können diese als obere Grenzwerte festgelegt werden. Dabei darf folgende Vorgehensweise gewählt werden:

  1. Aus den Gleichungen (8.3-12) oder (8.3-16) für Sn erhält man bei voller Ausnutzung der zulässigen Spannung in den einzelnen Beanspruchungsstufen jeweils einen Wert Peb max.
  2. Falls dieser Wert (Peb max) die zulässige Spannung für Gleichung (8.3-21) übersteigt, ist Peb max auf diesen Wert abzumindern.
  3. Man setzt:
    σL = σb = 2 ⋅ (τa max + τt)

    und

    		 (8.3-22)
    τa max= τt = σb / 4

    und

    		 (8.3-23)
    σV ≤ Peb max

    Daraus wird:

    		 (8.3-24)
    σb= σL = Peb max / (5)0,5 (8.3-25)
  4. Mit diesen Werten ermittelt man die Vergleichsspannung σVnach Gleichung (8.3-21) und prüft deren Zulässigkeit.
  5. Wird die zulässige Vergleichsspannung eingehalten, dann lässt sich aus den Werten in Absatz c) direkt Fax, Q, Mbund Mtermitteln. Andernfalls müssen die Einzelspannungen in Absatz c) gleichmäßig so weit abgemindert werden, bis die zulässige Vergleichsspannung eingehalten wird.

Diese Schnittlasten dürfen dann im Rahmen der Rohrleitungsberechnung nicht überschritten werden oder aber nur in der Weise variiert werden, dass sie nicht zu einer höheren Beanspruchung der Armaturen führen. Dabei ist außerdem zu beachten, ob gegenüber der Einstufung der Armatur laut komponentenbezogener Unterlage eine Umstufung zur Durchführung eines rechnerischen Funktionsfähigkeitsnachweises und damit auch eine andere Einstufung der Schnittlasten erforderlich sein kann.

8.3.6 Ermüdungsanalyse

8.3.6.1 Allgemeines

Eine Ermüdungsanalyse ist für alle Armaturen mit der spezifizierten Gesamtzyklenzahl (Lastspielzahl) - mindestens jedoch 1000 - durchzuführen.

Hinweis:

Die nachfolgend beschriebenen Verfahren zur Ermüdungsanalyse beinhalten solche Konservativitäten, dass Spannungserhöhungen bei Gehäuseblöcken mit Mehreck-Außenkontur durch die Untersuchung des Schnittes gemäß Bild 8.3-7 abgedeckt sind.

8.3.6 2 Pauschale Ermüdungsbetrachtung

Die pauschale Ermüdungsbetrachtung ist für die Beanspruchungsstufen a und B gemäß nachfolgend beschriebenem Verfahren durchzuführen und ersetzt eine Ermüdungsanalyse nach Abschnitt 8.3.6.3 oder 7.8, wenn die sich ergebende zulässige Lastspielzahl größer als die spezifizierte Lastspielzahl, mindestens jedoch größer als 2000 ist und die Bedingungen gemäß Abschnitt 8.3.6.3 (3) a) bis d) eingehalten werden.

Die pauschalen maximalen Gesamtspannungen Sp1 an der Gehäuseinnenseite und Sp2 an der Gehäuseaußenseite lassen sich unter der Voraussetzung einer Temperaturänderungsgeschwindigkeit des Mediums kleiner als oder gleich 55 K / h wie folgt ermitteln:

Sp1= 2 / 3 ⋅ Qp + Peb / 2 + QT3+ 1,3 × QT1 (8.3-26)
Sp2= 0,4 ⋅ Qp + Peb+ 2 ⋅ QT3 (8.3-27)
mit
QT1= C6 ⋅ (De1)2 (8.3-28)


1,3 ⋅ QT1 Spannungsanteil aus der nichtlinearen Temperaturverteilung
C6 Spannungsbeiwert für Wärmespannungen
4,06 ⋅ 10-3N / mm4 für Austenit
1,07 ⋅ 10-3 N / mm4 für Ferrit

Mit dem größeren Wert von Sp1und Sp2als Saerhält man aus den Ermüdungskurven gemäß Bild 7.8-1, Bild 7.8-2 oder Bild 7.8-3 die zulässigen Lastspielzahlen. Dabei ist zu beachten, dass der Unterschied zwischen dem Elastizitätsmodul aus den Kurven und dem des Armaturenwerkstoffes bei Auslegungstemperatur berücksichtigt wird. Der Sa-Wert muss mit dem Verhältnis E-Kurve / E-Armatur bei Auslegungstemperatur multipliziert werden.

Bild 8.3-7: Modell für die Ermittlung von Sekundärspannungen in Armaturengehäusen

Del: Durchmesser des größten Kreises, der sich im Verschneidungsbereich auf der einen Seite der Mittellinie einzeichnen lässt
De2: Durchmesser des größten Kreises, der sich im Verschneidungsbereich einzeichnen lässt

Für De1 < sn gilt: De1 = sn

8.3.6.3 Detaillierte Ermüdungsanalyse

Hinweis:
Das nachfolgend beschriebene Verfahren kann bei Temperaturänderungsgeschwindigkeiten größer als 10 K / min zu nicht konservativen Ergebnissen führen.

(1) Zur Durchführung der detaillierten Ermüdungsanalyse müssen für alle spezifizierten Lastzyklen aus betrieblichen Vorgängen die Druckänderungen Δpfiund die Temperaturänderungen ΔTfi mit der zugehörigen Häufigkeit Nriermittelt werden.

(2) Für den Fall, dass während der Aufheiz- oder Abkühlvorgänge die Temperaturänderungsgeschwindigkeit 55 K / h überschreitet, muss die Temperaturschwingbreite mit der zugehörigen Zyklenzahl je Lastfall zusammengestellt werden:

Beispiel:
20 Vorgänge ΔT1= 250 K Aufheizen
10 Vorgänge ΔT2 = 150 K Abkühlen
100 Vorgänge ΔT3 = 100 K Abkühlen

Man kombiniert die Temperaturschwingbreiten jetzt derart, dass man die größtmöglichen Temperaturdifferenzen erhält.

10 Zyklen Tf1= 150 K + 250 K = 400 K
10 Zyklen Tf2= 250 K + 100 K = 350 K
90 Zyklen Tf3= 100 K

(3) Druckschwankungen, die nicht durch die nachfolgende Bedingung unter a) ausgeschlossen sind, müssen in die Berechnung der Spannungsspitzen einfließen. Der volle Druckschwankungsbereich vom Normalbetrieb bis zum augenblicklich betrachteten Zustand wird mit
ߛΔpfibezeichnet.

Bei der Ermüdungsanalyse können folgende Lastanteile oder Lastzyklen unberücksichtigt bleiben:

  1. Druckänderungen kleiner als 1 / 3 des zulässigen Betriebsüberdruckes bei Ferrit,
    Druckänderungen kleiner als 1 / 2 des zulässigen Betriebsüberdruckes bei Austenit,
  2. Temperaturänderungsvorgänge mit Temperaturschwankungen kleiner als 17 K,
  3. Störfälle mit einer erwarteten Eintrittshäufigkeit kleiner als 5 während der Lebensdauer der Armatur,
  4. Temperaturänderungsgeschwindigkeiten bei An- und Abfahrvorgängen kleiner als oder gleich 55 K / h bei einer Lastspielzahl n kleiner als oder gleich 2000.

(4) Für die größten Druckänderungen max Δpfi= Δpff(max) und Temperaturänderungen max ΔTfi= ΔTf(max) muss die folgende Bedingung erfüllt werden:

(8.3-29)

Dabei ist Qpnach Gleichung (8.3-13) zu ermitteln.

Die Faktoren C2 und C4 sind den Bildern 8.3-9 und 8.3-10 zu entnehmen. Der Spannungsvergleichswert Sm ist gemäß Abschnitt 7.7.3.4 zu bilden.

(5) Sn(max) ist wie folgt zu bestimmen:

(8.3-30)

Der Spannungsbeiwert C3 ist Bild 8.3-8 zu entnehmen.

Die Gleichung (8.3-30) für Sn(max)kann für jeden Lastzyklus separat berechnet werden. Es wird dann Δpfi und ΔTfieingesetzt.

(6) Die Spannungsspitzen Sisind wie folgt zu berechnen:

(8.3-31)

C5ist aus Bild 8.3-11 zu entnehmen.

Bild 8.3-8: Beiwert für sekundäre Spannungen an Stellen geometrischer Unstetigkeiten infolge Temperaturänderungen des Mediums

Bild 8.3-9: Spannungsbeiwert C2 für sekundäre Wärmespannungen resultierend aus geometrischen Unstetigkeiten

Bild 8.3-10: Maximalwert C4 der Differenz der durchschnittlichen Wandtemperaturen für die Wanddicken De1und sn, hervorgerufen durch schrittweises Ändern der Mediumtemperaturen ΔTf

Bild 8.3-11: Spannungsbeiwert C5zur Berücksichtigung der Wärmespannungen hervorgerufen durch Wandtemperaturgradienten, die durch Änderung der Mediumtemperatur verursacht werden

(7) Die halbe Spannungsschwingbreite Sa zur Ermittlung der zulässigen Lastspielzahl Ni ist wie folgt zu bestimmen:

a) für Sn(max) ≤ 3 ⋅ Sm

Sa = Si / 2

 (8.3-32)
b)

(8.3-33)

Dabei kann für Snder Wert für Sn(max)oder der für jeden Lastzyklus separat ermittelte Sn-Wert eingesetzt werden. Wenn bei einzelnen Lastzyklen Snkleiner als oder gleich 3 ⋅ Sm bleibt, dann ist nach Absatz a) vorzugehen. Die Materialparameter m und n sind der Tabelle 7.8-1 zu entnehmen.

c) für Sn(max)> 3 ⋅ m ⋅ Sm

Sa = 1 / n ⋅ Si / 2

 (8.3-34)

Für Stahlguss ist in den Bedingungen a) bis c) der Wert 3 ⋅ Smdurch 4 ⋅ Smzu ersetzen.

Die zulässigen Lastspielzahlen Ni sind aus den Ermüdungskurven Bild 7.8-1, Bild 7.8-2 oder Bild 7.8-3 zu entnehmen. Dabei ist zu beachten, dass der Unterschied zwischen dem Elastizitätsmodul aus den Kurven und dem des Armaturenwerkstoffes bei zulässiger Betriebstemperatur (Auslegungstemperatur) berücksichtigt wird.

Der Sa-Wert muss mit dem Verhältnis E-Kurve / E-Armatur bei zulässiger Betriebstemperatur (Auslegungstemperatur) multipliziert werden.

(8) Der Erschöpfungsgrad (Ausnutzungszahl) D wird dann wie folgt bestimmt:

(8.3-35)

Dabei ist Nidie zulässige Lastspielzahl und Nridie spezifizierte Lastspielzahl gemäß komponentenbezogener Unterlage.

Wenn eine mediumbedingte Verringerung der Ermüdungsfestigkeit nicht auszuschließen ist, ist ab einer Aufmerksamkeitsschwelle D = 0,4 durch folgende Maßnahmen eine Berücksichtigung des Mediums auf die Ermüdung erforderlich:

  1. Einbeziehung der betroffenen Bauteilbereiche in ein Überwachungsprogramm nach KTA 3201.4 oder
  2. betriebsnahe Experimente oder
  3. rechnerische Nachweise unter Berücksichtigung von mediumsbedingten Abminderungsfaktoren und realistischer Randbedingungen.

8.3.7 Weitere Verfahren zur Spannungs- und Ermüdungsanalyse

Wenn bei den Verfahren in den Abschnitten 8.3.4 bis 8.3.6 die zulässigen Grenzwerte überschritten werden, dann darf der Nachweis auch gemäß Abschnitt 7.7 und gegebenenfalls 7.8 geführt werden.

Bild 8.3-12: Maximale Temperaturdifferenz im Armaturengehäuse (Bereich De1 / sn), bezogen auf eine Temperaturänderungsgeschwindigkeit des Mediums von 55 K / h

8.4 Rohrleitungen

8.4.1 Allgemeines

(1) Unter der Voraussetzung der konstruktiven Gestaltung der Rohrleitungsbauteile nach Abschnitt 5.3.5 und der Dimensionierung der Rohrleitungsbauteile nach Abschnitt a 4 ist für Rohrleitungen die nachfolgend beschriebene komponentenspezifische Spannungs- und Ermüdungsanalyse zulässig. Ihr Anwendungsbereich reicht bis zur rohrseitigen Grenze der mittragenden Länge eades verstärkten oder unverstärkten Stutzens. Diese Grenze ist nicht maßgebend für die Modellabbildung der mechanischen Systemanalyse nach Abschnitt 7.6.

(2) Aus der Analyse des mechanischen Verhaltens des Gesamtsystems sind die Schnittgrößen für verschiedene Punkte des Systems zu ermitteln. Mit diesen müssen die einzelnen Rohrleitungselemente unabhängig vom Gesamtsystem untersucht werden. Bei der Ermittlung der Spannungen sind zusätzlich zu den Kräften und Momenten aus der Analyse des mechanischen Verhaltens auch die axialen und radialen Temperaturverteilungen und der Innendruck zu berücksichtigen.

(3) Auch beim komponentenspezifischen Verfahren gemäß diesem Abschnitt ist bezüglich der Einstufung von Spannungen aus behinderten Wärmedehnungen der Abschnitt 7.7.2.3 zu beachten.

(4) Für den Fall der Überschreitung der Spannungsgrenzen oder des zulässigen Erschöpfungsgrades oder bei Fehlen von Spannungsbeiwerten für die betrachtete Geometrie muss anstelle des Verfahrens gemäß diesem Abschnitt eine detaillierte Spannungsanalyse nach Abschnitt 7.7 und gegebenenfalls eine detaillierte Ermüdungsanalyse nach Abschnitt 7.8 durchgeführt werden.

(5) Die im Folgenden beschriebene komponentenspezifische Analyse des mechanischen Verhaltens bezieht sich auf Rohrleitungen größer als DN 50.

(6) Für Rohrleitungen kleiner als oder gleich DN 50 ist außer der Dimensionierung nach Anhang a ein Primärspannungsnachweis nach Gleichung (8.4-1) zu führen sowie die Vergleichsspannungsschwingbreite aus primären und sekundären Spannungen nach Gleichung (8.4-2) zu ermitteln und zu begrenzen. Die Nachweise nach Gleichung (8.4-1) und (8.4-2) können entfallen, wenn durch die Art der Verlegung sichergestellt ist, dass die zulässigen Spannungen nach Gleichung (8.4-1) und (8.4-2) eingehalten werden. Kann die Gleichung (8.4-2) nicht eingehalten werden, ist ein vollständiger Nachweis nach Abschnitt 8.4 erforderlich.

Hinweis:
Die im Abschnitt 8.4 als Vergleichsspannungen oder als Vergleichsspannungsschwingbreiten gekennzeichneten Spannungsgrößen σI bis σVIentsprechen nicht exakt den betreffenden Definitionen des Abschnittes 7, sondern stellen konservative Abschätzungen der jeweiligen Vergleichsspannungen oder Vergleichsspannungsschwingbreiten dar.

(7) Für Induktivbiegungen, die die Vorgaben an die Abmessungen nach KTA 3201.3 Abschnitt 6.4.3.5 (5) a) einhalten (Standardinduktivbiegung), ergibt sich die Berechnungswanddicke für Induktivbiegungen sc,IB, die die Wanddickenaufstauchung berücksichtigt, aus der Beziehung sc,IB= sc· fIB, wobei der Faktor fIBals Funktion von Rm / daaus Bild 8.4-1 zu ermitteln ist. Bei Rm / da-Verhältnissen größer als 3,5 darf der Einfluss von Wanddickenaufstauchungen bei Einhaltung der Vorgaben von Bild 6-1 in KTA 3201.3 vernachlässigt werden.

Bild 8.4-1: Wanddickenerhöhungsfaktoren fIBfür Standardinduktivbiegungen

8.4.2 Auslegungsstufe (Stufe 0)

Für die Ermittlung und Begrenzung der Vergleichsspannung aus primären Spannungen gilt, außer bei einem einzelnen geraden Rohr, folgende Bedingung:

da ⋅ p da
σI= B1 ⋅
+ B2 ⋅
⋅ MiI ≤ 1,5 ⋅ Sm
2 ⋅ sc 2 ⋅ I
(8.4-1)

mit

σI Vergleichsspannung aus primären Spannungen N / mm2
B1,B2 Spannungsbeiwerte, siehe Abschnitt 8.4.7
Sm Spannungsvergleichswert gemäß Abschnitt 7.7 bei Auslegungstemperatur N / mm2
p Auslegungsdruck MPa
da Außendurchmesser des Rohres hierbei ist entweder da= danoder da= din+ 2 sc+ 2 c2(siehe Abschnitt 6.5) zu setzen. mm
sc Wanddicke gemäß Abschnitt 7.1.4 oder gemessene Wanddicke abzüglich Korrosionszuschlag, hinsichtlich der Plattierung ist Abschnitt 7.1.3, Absätze
(1) und (2), zu berücksichtigen. Bei Rohrbiegungen mit Wanddickenerhöhungen an der Krümmungsinnenseite von mehr als 15 % ist die Aufstauchung
zu berücksichtigen, indem als Berechnungswanddicke sc das arithmetische Mittel und bei Induktivbiegungen das geometrische Mittel aus der kleinsten und
größten am Querschnitt in der Bogenmitte auftretenden Wanddicke verwendet wird. Bei Induktivbiegungen, die die Vorgaben an die Abmessungen nach KTA 3201.3
Abschnitt 6.4.3.5 (5) a) einhalten (Standardinduktivbiegung), sind die Festlegungen in Abschnitt 8.4.1 (7) zu berücksichtigen.		 mm
I Flächenträgheitsmoment mm4
MiI Resultierendes Moment, verursacht durch mechanische Lasten. In einer Kombination von Einzelbelastungen sind alle Schnittmomente richtungsgebunden zu
ermitteln und zu addieren, bevor das resultierende Moment gebildet wird (Momente aus unterschiedlichen Lastfällen, die nicht gleichzeitig auftreten können,
brauchen hierbei nicht gemeinsam in das resultierende Moment einbezogen zu werden). Lässt die Methode zur Ermittlung von Momenten aus dynamischer
Beanspruchung nur zu, Größen ohne algebraisches Vorzeichen zu ermitteln, so ist diejenige Kombination von richtungsgebundenen Momenten zu wählen,
die das größte resultierende Moment ergibt.		 Nmm

8.4.3 Stufen a und B

8.4.3.1 Allgemeines

(1) Für jeden Lastfall müssen Schnittmomente ermittelt werden, die immer auf einen Referenzzustand bezogen sind. Dasselbe gilt für die Lastfälle bei Innendruck und Temperaturdifferenzen.

(2) Ist für die Stufe B gemäß Abschnitt 3.3.3.3 ein Primärspannungsnachweis zu führen, so ist eine Vergleichsspannung nach der Gleichung (8.4-1) zu ermitteln und mit dem kleineren Wert von 1,8 · Smund 1,5 · Rp0,2Tzu begrenzen, wobei p der lastfallbezogene Betriebsdruck ist. Wenn der maximale Innendruck mehr als das 1,1fache des Auslegungsdrucks beträgt, ist die durch die Umfangsspannung infolge des Innendrucks p bedingte primäre Vergleichsspannung mit den Formeln des Anhangs a unter Berücksichtigung des jeweils zutreffenden Spannungsvergleichswertes nach Stufe B gemäß den Tabellen 7.7-4 bis 7.7-6 zu begrenzen.

8.4.3.2 Ermittlung und Begrenzung der Vergleichsspannungsschwingbreite aus primären und sekundären Spannungen

Die Anwendung der Gleichungen dieses Abschnitts ergibt die Vergleichsspannungsschwingbreite, die durch die verschiedenen mechanischen oder thermischen Betriebstransienten hervorgerufen wird. Eine eventuelle Vorspannung bleibt hierbei unberücksichtigt. Folgende Bedingung soll erfüllt sein; anderenfalls ist nach Abschnitt 8.4.3.4 vorzugehen:

(8.4-2)

mit

σII Vergleichsspannungsschwingbreite aus primären und sekundären Spannungen N / mm2
da, sc siehe Abschnitt 8.4.2
I Flächenträgheitsmoment mm4
C1, C2 Spannungsbeiwerte, siehe Abschnitt 8.4.7
p0 Schwingbreite des Betriebsdrucks MPa
Erl mittlerer Elastizitätsmodul der beiden betrachteten Seiten r und I einer struktur- der materialbedingten Unstetigkeit, bei Raumtemperatur N / mm2
αr(α1) linearer Wärmeausdehnungskoeffizient der Seite r(l) einer struktur- oder materialbedingten Unstetigkeit bei Raumtemperatur 1 / K
MiII Resultierende größte Momentenschwingbreite

Bei der Kombination von Einzelbelastungen werden die richtungsgebundenen Anteile der Momentenschwingbreiten addiert und zur resultierenden
Momentenschwingbreite zusammengefasst. Hierbei ist die Kombination der Anlagenzustände der Stufen a und B zu wählen, die die größten Werte
von MiIIliefert. Sofern eine Kombination von Belastungen die Wirkung von dynamischen Lasten einschließt, ist diejenige von den folgenden beiden
Momentenschwingbreiten zugrunde zu legen, die höhere Werte für MiII ergibt:

  • Die resultierende Momentenschwingbreite aller Lasten zweier Betriebszustände aus a und B, wobei die Hälfte der Schwingbreite aus dynamischen
    Lasten einbezogen werden muss.
  • Die resultierende Momentenschwingbreite aus dynamischen Lasten allein, wobei Momentenanteile aus Zwängungen infolge unterschiedlicher
    Gebäudebewegungen, die auf einen Rohrstrang wirken können, zu berücksichtigen sind.

Belastungen infolge thermischer Schichtenströmung sind mit zu berücksichtigen.

Beanspruchungen aus Gewichtskräften brauchen in der Gleichung (8.4-2) nicht berücksichtigt zu werden, da sie keine zyklische Belastung darstellen.

 Nmm
ΔTmr
(ΔTml)		 Schwingbreite der mittleren Wandtemperatur an der Seite r (l) einer struktur- oder materialbedingten Unstetigkeit (siehe Abschnitt 8.4.3.6). K
Sm Spannungsvergleichswert gemäß Abschnitt 7.7 bei der Temperatur N / mm2
T = 0,25 · `T + 0,75 · mit
 maximale Temperatur innerhalb des betrachteten Lastspiels

`T minimale Temperatur innerhalb des betrachteten Lastspiels

8.4.3.3 Ermittlung der Vergleichsspannungsschwingbreite aus primären und sekundären Spannungen sowie Spannungsspitzen

Die Vergleichsspannungsschwingbreite αIII aus primären und sekundären Spannungen sowie aus Spannungsspitzen muss nach Gleichung (8.4-3) errechnet werden und dient der Ermittlung der Vergleichsspannungsschwingbreite αVI nach Gleichung (8.4-7). Beanspruchungen infolge thermischer Schichtenströmung sind hierbei in geeigneter Weise mit zu berücksichtigen.

Hinweis:
Literatur [5] enthält einen Vorschlag zur Berücksichtigung der thermischen Schichtenströmung.

(8.4-3)

mit

σIII Vergleichsspannungsschwingbreite N / mm2

aus primären und sekundären Spannungen sowie aus Spannungsspitzen

siehe Abschnitt 8.4.3.2
MiIII= MiII siehe Abschnitt 8.4.3.2
siehe Abschnitt 8.4.7Ô
Δt1, ΔT2 siehe Abschnitt 8.4.3.6
α linearer Wärmeausdehnungskoeffizient bei Raumtemperatur 1 / K
E Elastizitätsmodul bei Raumtemperatur N / mm2
v Poisson'sche Zahl (= 0,3)

8.4.3.4 Vereinfachtes Verfahren für elastoplastische Berechnungen

8.4.3.4.1 Bedingungen

Wenn die in der Gleichung (8.4-2) vorgeschriebene Begrenzung der Vergleichsspannungsschwingbreite für ein Paar von Beanspruchungszuständen oder mehrere Paare nicht eingehalten wird, so sind für diese die nachfolgend aufgeführten Bedingungen a), b) und c) zu erfüllen:

a) Begrenzung der Vergleichsspannungsschwingbreite aus sekundären Spannungen:

da
σIV= C2 ⋅
⋅ MiIV< 3 ⋅ Sm
2 ⋅ I
8.4-4)

mit

σIV Vergleichsspannungsschwingbreite aus sekundären Spannungen N / mm2
C2, da, I siehe Abschnitt 8.4.3.2
MiIV Die größte Momentenschwingbreite aus Belastung infolge behinderter Wärmedehnung und zyklischer Fest- und Teilfestpunktverschiebung infolge Temperatur;
Belastungen infolge thermischer Schichtenströmung sind mit zu berücksichtigen.		 Nmm
Sm siehe Abschnitt 8.4.3.2 N / mm2

b) Begrenzung der thermisch bedingten fortschreitenden Deformation:

Die Temperaturdifferenz ΔT1 gemäß Abschnitt 8.4.3.6 muss folgender Relation genügen:

ΔT1 ≤ y ⋅ Rp0,2T / 0,7 ⋅ E ⋅ α ⋅ C5 (8.4-5)

Dabei gelten abhängig von x = p ⋅ da / 2 ⋅ sc ⋅ Rp0,2T

folgende Werte für y:

x y
0,3 3,33
0,5 2,0
0,7 1,2
0,8 0,8
Zwischenwerte sind linear zu interpolieren.

mit

p maximaler Druck bei den jeweils berücksichtigten Betriebszuständen MPa
C5 = 1,1 bei ferritischen und 1,3 bei austenitischen Stählen
α, E wie für Gleichung (8.4-2) definiert
Rp0,2T 0,2 %-Dehngrenze bei der mittleren Temperatur der berücksichtigten Transienten N / mm2

c) Begrenzung der Vergleichspannungsschwingbreite aus primären und sekundären Membran- und Biegespannungen:

Die Vergleichsspannungsschwingbreite aus primären und sekundären Membran- und Biegespannungen ohne Spannungsanteile aus Momenten infolge behinderter Wärmedehnung ist nach Gleichung (8.4-6) zu begrenzen.

(8.4-6)

mit

σV Vergleichsspannungsschwingbreite aus primären und sekundären Membran- und Biegespannungen N / mm2
C1, C2, C4 siehe Abschnitt 8.4.7
Abschnitt 8.4.3.2
MiV Momentenschwingbreite MiII ohne MiIVfür die betrachteten Betriebszustände; falls MiIIals die Momentenschwingbreite der dynamischen Lasten eines Betriebszustandes
gebildet wurde, ist zur Bildung von MiVdie halbe Schwingbreite des dynamischen Lastanteils von MiIIanzusetzen		 Nmm
Sm siehe Abschnitt 8.4.3.2 N / mm2

8.4.3.4.2 Vergleichsspannungsschwingbreite αVI

Mit der in der Gleichung (8.4-3) ermittelten Vergleichsspannungsschwingbreite aus primären und sekundären Spannungen sowie aus Spannungsspitzen für alle Paare von Beanspruchungszuständen lässt sich eine gegenüber σIIIerhöhte Vergleichsspannungsschwingbreite σVIbilden:

σVI= Ke ⋅ | σIII| (8.4-7)

mit

σVI Vergleichsspannungsschwingbreite N / mm2
Ke Plastifizierungsfaktor

Die Größe von Ke hängt von der Größe der Vergleichsspannungsschwingbreite σIIgemäß Gleichung (8.4-2) ab und ergibt sich aus folgender Zuordnung:

  1. σII ≤ 3 · Sm
    Ke = 1

  3. σII ≥ 3 · m · Sm
    Ke= 1 / n

wobei die Materialparameter m und n bis zu der Temperatur T gültig sind (siehe Tabelle 7.8-1).

8.4.3.5 Ermüdungsanalyse

8.4.3.5.1 Detaillierte Ermittlung des Erschöpfungsgrades

Die aus der Gleichung (8.4-3) ermittelten Vergleichsspannungsschwingbreiten σIII(für Ke= 1) oder die aus Gleichung (8.4-7) ermittelten Vergleichsspannungsschwingbreiten σVI(für Ke> 1) sind zur Bestimmung des Erschöpfungsgrades nach Abschnitt 7.8 heranzuziehen, wobei Sa gleich σIII / 2 oder σVI / 2 ist (Sa= halbe Vergleichsspannungsschwingbreite). Dabei sind die Ermüdungskurven aus den Bildern 7.8-1 bis 7.8-3 zugrunde zu legen.

8.4.3.5.2 Konservative Ermittlung des Erschöpfungsgrades

(1) Im Rahmen des komponentenspezifischen Verfahrens zur Ermittlung und Bewertung von Spannungen darf die Ermüdungsanalyse nach dem folgenden Verfahren durchgeführt werden. Dieses Verfahren ist zur konservativen Beurteilung eines Bauteils anzuwenden. Sollte sich nach diesem Verfahren keine Überschreitung des zulässigen Erschöpfungsgrades D ergeben, so braucht keine detaillierte Ermüdungsanalyse durchgeführt zu werden.

(2) Die Ermittlung der Vergleichsspannungsschwingbreite 2 · Sa= σIIIoder σVI(siehe Abschnitt 8.4.3.3 oder 8.4.3.4) muss mit Hilfe der Gleichung (8.4-3) bei Verwendung der nachfolgend definierten Schwingbreite der Belastungen erfolgen:

  1. Als Schwingbreite für den Innendruck sind die jeweiligen größten Druckdifferenzen der betrachteten Lastfallkombinationen einzusetzen.
  2. Als Schwingbreite der Schnittmomente MiIIIsind die größten resultierenden Momentenschwingbreiten der betrachteten Lastfallkombinationen zu verwenden.

    Hierbei ist MiIIIwie folgt zu ermitteln:

    MiIII= (M12+M22+ M32)0,5 (8.4-8)
    M1,2,3 Momentenschwingbreiten der Richtungen 1, 2, 3 aus den betrachteten Lastfallkombinationen
  3. Als Schwingbreite der Spannungen aus Temperaturdifferenzen (ΔT1, ΔTmr- ΔTml, ΔT2) muss die Differenz der größten und kleinsten Werte (unter Beachtung des Vorzeichens) für die betrachtete Lastfallkombination angesetzt werden, wobei die jeweils zeitgleich wirkenden Anteile der errechneten Temperaturdifferenzen berücksichtigt werden dürfen. Dies gilt ebenfalls für die Spannungen aus der absoluten Differenz der Produkte
    |αr ⋅ ΔTmr- αI⋅ ΔTml|,
  4. Als konservative Abschätzung muss zur Definition der anzuwendenden Lastspielzahl die Summe der Häufigkeiten sämtlicher Lastfallspiele nach Betriebskollektiv gebildet werden. Die Bestimmung der zulässigen Lastspielzahlen erfolgt anhand der Bilder 7.8-1 bis 7.8-3.

(3) Der Erschöpfungsgrad D ergibt sich als Verhältnis der vorhandenen zur so ermittelten zulässigen Anzahl von Lastspielen. Liegt der Erschöpfungsgrad D unterhalb 1, so braucht keine weitere Betrachtung für diese Stelle im Rohrleitungssystem mehr angestellt zu werden.

Wenn eine mediumbedingte Verringerung der Ermüdungsfestigkeit nicht auszuschließen ist, ist ab einer Aufmerksamkeitsschwelle D = 0,4 durch folgende Maßnahmen eine Berücksichtigung des Mediums auf die Ermüdung erforderlich:

  1. Einbeziehung der betroffenen Bauteilbereiche in ein Überwachungsprogramm nach KTA 3201.4 oder
  2. betriebsnahe Experimente oder
  3. rechnerische Nachweise unter Berücksichtigung von mediumsbedingten Abminderungsfaktoren und realistischer Randbedingungen.

8.4.3.6 Ermittlung der Temperaturschwingbreiten

(1) Bei der Ermittlung der Temperaturschwingbreiten ΔTm, ΔT1und ΔT2 ist von den vorhandenen Temperaturverteilungen über der Wanddicke sc zu den relevanten Zeitpunkten auszugehen. Dabei ist eine zeit- und ortsabhängige Betrachtung zugelassen.

(2) Die Temperaturschwingbreite ΔT(y) für die Stelle y ergibt sich zu

ΔT(y) = Tk(y) - Tj(y) (8.4-9)

mit

y radialer Abstand von der Wandmitte, nach außen gerichtet positiv

- sc / 2 ≤ y ≤ sc / 2

Tj(y) Temperatur im Abstand y von der Wandmitte zur Zeit t = j
Tk(y) Temperatur im Abstand y von der Wandmitte zur Zeit t = k

(3) Die vollständige Temperaturschwingbreite setzt sich gemäß Bild 8.4-2 aus drei Anteilen zusammen. Der Index a bezeichnet hierbei die Außenseite, der Index i die Innenseite.

(4) Für die Ermittlung der zugehörigen Spannungsschwingbreiten sind die nachfolgenden Beziehungen maßgebend:

a) Mittlere Schwingbreite
ΔTm als Differenz der mittleren Temperaturen Tmkund Tmj

(8.4-10)

mit

Tmj, Tmk Mittelwert der Temperatur über der Wanddicke sczum Zeitpunkt t = j, k
ΔTm darf zur Ermittlung der Momentenschwingbreiten Miaus behinderter Wärmedehnung im System verwendet werden.

mit entsprechenden Indizes auch für die Schwingbreiten der mittleren Wandtemperaturen an den Seiten r, l einer struktur- oder materialbedingten Unstetigkeit

ΔTmr = Tmrk- Tmrj; t = j, k,
ΔTml= Tmlk- Tmlj; t = j, k.

Diese Größen dürfen in den Gleichungen (8.4-2) und (8.4-3) eingesetzt werden. Für zylindrische Formen soll Tmrk, Tmrjüber einer Länge von (dir · sr)1 / 2

und Tmlk, Tmljüber einer Länge von (dil· sl)1 / 2gemittelt werden.

dir (dil) Innendurchmesser an der Stelle r (I) einer struktur- oder materialbedingten Unstetigkeit mm
sr (sI) mittlere Wanddicke innerhalb der Länge (dir · mm sr)1 / 2oder (dil· sl)1 / 2

Bild 8.4-2: Aufteilung der Temperaturschwingbreite

b) Schwingbreite ΔT1 der Temperaturdifferenz zwischen Außen- und Innenwandung bei Annahme linearer Temperaturverteilungen, die in der Wand die gleiche Momentendifferenz wie die vorhandenen Temperaturverteilungen erzeugen.

(8.4-11)

c) Schwingbreite ΔT2der nichtlinearen Anteile der vorhandenen Temperaturverteilungen.

(8.4-12)

8.4.4 Stufe P

(1) Die Prüfbedingungen der Stufe P sind in Anlehnung an die Forderungen nach Abschnitt 3.3.3.6 festzulegen.

(2) Die Spannungen werden mit der Gleichung (8.4-1) ermittelt und mit 1,35 · Rp0,2PTbegrenzt. Nur bei mehr als 10 Lastspielen sind auch die Spannungen mit der Gleichung (8.4-3) zu ermitteln und die zugehörigen Lastwechsel müssen als Anteil der Gesamterschöpfung des Werkstoffs in der Ermüdungsanalyse berücksichtigt werden.

8.4.5 Stufen C und D

(1) Für die komponentenspezifische Spannungsanalyse von Rohrleitungen gelten die Forderungen der Abschnitte 3.3.3.4 und 3.3.3.5.

(2) Bei der Stufe C werden die primären Spannungen nach Gleichung (8.4-1) ermittelt, aber mit 2,25 · Sm, jedoch nicht höher als 1,8 · Rp0,2T, abgesichert. Hierbei ist für p der jeweilige Druck einzusetzen. Wenn der maximale Innendruck mehr als das 1,5fache des Auslegungsdrucks beträgt, ist die durch die Umfangsspannung infolge des Innendrucks p bedingte primäre Vergleichsspannung mit den Formeln des Anhangs a unter Berücksichtigung des jeweils zutreffenden Spannungsvergleichswertes nach Stufe C gemäß den Tabellen 7.7-4 bis 7.7-6 zu begrenzen.

(3) Bei der Stufe D werden die primären Spannungen nach Gleichung (8.4-1) ermittelt, aber mit dem kleineren Wert von 3 · Sm und 2 · Rp0,2T abgesichert. Hierbei ist für p der jeweilige Druck einzusetzen. Wenn der maximale Innendruck mehr als das 2fache des Auslegungsdrucks beträgt, ist die durch die Umfangsspannung infolge des Innendrucks bedingte primäre Vergleichsspannung mit den Formeln des Anhangs a unter Berücksichtigung des jeweils zutreffenden Spannungsvergleichswertes nach Stufe D gemäß den Tabellen 7.7-4 bis 7.7-6 zu begrenzen.

8.4.6 Beanspruchungsstufen von Sonderlastfällen

Maßgebend für die Durchführung von Festigkeitsnachweisen ist Abschnitt 3. Die primären Spannungen gemäß Gleichung (8.4-1) sind so zu berücksichtigen, dass keine Schädigung der Rohrleitung und ihrer Komponenten eintritt.

8.4.7 Spannungsbeiwerte

8.4.7.1 Allgemeines

(1) Die anzuwendenden Spannungsbeiwerte (B-, C- und K-Zahlen), die in den Gleichungen (8.4-1) bis (8.4-4) und (8.4-6) dieses Abschnitts zu verwenden sind, sind in Tabelle 8.4-1 angegeben.

(2) In der Tabelle 8.4-1 sind Spannungsbeiwerte für einige Rohrleitungsteile und -verbindungen angegeben. Bei besonderem Nachweis dürfen auch kleinere Spannungsbeiwerte als die in der Tabelle 8.4-1 angegebenen verwendet werden.

(3) Für Rohrleitungsteile, die in Tabelle 8.4-1 nicht aufgeführt sind, oder für die die angegebenen Voraussetzungen nicht eingehalten werden, sind Spannungsbeiwerte durch Versuchsauswertung zu ermitteln oder durch theoretischen Nachweis zu erbringen.

(4) Spannungsbeiwerte dürfen auch nach anderen anerkannten Vorschriften, Richtlinien und Normen bestimmt werden.

8.4.7.2 Definition der Spannungsbeiwerte

(1) Der allgemeine Ausdruck für einen Spannungsbeiwert infolge von mechanischer Belastung ist

B, C, K = σe / σ (8.4-13)

mit

σe ideal-elastische Spannung, Vergleichsspannung oder Vergleichsspannungsschwingbreite infolge mechanischer Belastung N / mm2
σ Nennspannung infolge mechanischer Belastung N / mm2

(2) Die B-Faktoren sind aus Traglastbetrachtungen abgeleitet. Für die C- oder K-Zahlen stellt 2e die maximale Vergleichsspannung oder Vergleichsspannungsschwingbreite der betrachteten Struktur infolge Belastung dar. Die Nennspannung σ ist im Einzelnen in den Gleichungen (8.4-1) bis (8.4-4) und (8.4-6) dargestellt.

(3) Der allgemeine Ausdruck für einen Spannungsbeiwert infolge einer Temperaturbelastung ist:

C, K = σe / E ·a· ΔΤ (8.4-14)

mit

σe idealelastische Spannung, Vergleichsspannung oder Vergleichsspannungsschwingbreite infolge Temperaturbelastung N / mm2
E Elastizitätsmodul N / mm2
α linearer Wärmeausdehnungskoeffizient 1 / K
ΔT Temperaturgradient oder Temperaturschwingbreite K

8.4.7.3 Bedingungen zur Verwendung der Spannungsbeiwerte

8.4.7.3.1 Allgemeines

(1) Die hier und in Tabelle 8.4-1 angegebenen Spannungsbeiwerte einschließlich der im folgenden aufgeführten Einschränkungen sind in Verbindung mit den Bedingungen der Abschnitte 8.4.1 bis 8.4.6 anzuwenden.

(2) Für die Ermittlung der Spannungsbeiwerte und der Spannung gemäß Gleichung (8.4-1) bis (8.4-7) sind die Nennabmessungen zu verwenden, wobei zwischen Außen- und Innendurchmesser die Beziehung

di = da- 2· sc (8.4-15)

zu beachten ist.

sc Wanddicke des Rohres gemäß Abschnitt 8.4.2 mm

(3) Für Rohrleitungsformstücke wie Reduzierungen und kegelige Übergangsstücke sollen die Nennabmessungen des weiteren oder engeren Endes verwendet werden, je nachdem, welche die größeren da / sc-Werte ergeben.

(4) Belastungen, für die Spannungserhöhungsfaktoren angegeben sind, umfassen: Innendruck, Biege- und Torsionsmomente sowie Temperaturdifferenzen. Die Erhöhungsfaktoren sind hinreichend konservativ anzunehmen, so dass sie auch die Einflüsse der Querkräfte abdecken, die normalerweise in einem flexiblen Rohrsystem auftreten. Wenn jedoch Normal- oder Querkräfte signifikante Belastungsgrößen in einem Rohrleitungsbauteil darstellen, so soll der Einfluss dieser Kräfte in den Spannungsnachweis einbezogen werden. Die Kräfte und Momente sollen mit Hilfe einer Rohrsystemberechnung ermittelt werden.

(5) Die Spannungsbeiwerte für Schweißnähte sind nicht anwendbar, wenn die radiale Schweißnahtschrumpfung größer als 0,25 · scist.

(6) Die in Tabelle 8.4-1 angegebenen Spannungsbeiwerte gelten nur dann für stumpfgeschweißte Umfangsnähte, wenn die Wanddicken der benachbarten Bauteile innerhalb eines Abstandes von (da, · sc)0,5, von der Schweißnaht aus gemessen, zwischen 0,875 × sc und 1,1 × sc liegen.

(7) Für Bauteile mit stumpfgeschweißten Längsnähten müssen die ausgewiesenen K1-, K2- und K3-Indizes mit 1,1 für bearbeitete oder mit 1,3 für unbearbeitete Nähte multipliziert werden. An der Schnittstelle einer Längsnaht im geraden Rohr mit einer Umfangsstumpf- oder -kehlnaht werden die C1-, K1-, C2-, K2- und K3-Indizes als Produkt der entsprechenden Indizes ermittelt.

(8) Im Allgemeinen, und wenn nicht anders spezifiziert, wird keine Produktbildung der Spannungsbeiwerte für zwei aneinandergeschweißte Bauteile (z.B. T-Stück und Reduzierung, T-Stück und Rundnaht) gefordert. Die Nachweise für das Bauteil und die Schweißnaht werden getrennt geführt.

(9) Bei Biegung oder Bogen, die miteinander unmittelbar verschweißt oder durch ein gerades Rohrstück, dessen Länge kleiner ist als der Durchmesser, verbunden sind, werden die Spannungsbeiwerte als Produkt der Beiwerte für Biegungen oder Bogen und derjenigen für die Umfangsstumpfnaht angesetzt. Ausgenommen hiervon sind die Spannungsindizes B1und C4.

(10) Die Spannungsbeiwerte in Tabelle 8.4-1 sind anwendbar für Bauteile und Schweißnähte mit einer Unrundheit dˆa - `dakleiner als oder gleich 0,08 · sc. Für gerade Rohre, Biegungen, Längsnähte im geraden Rohr, Rundnähte und Wanddickenübergangsstücke, die diese Forderung nicht erfüllen, werden die Spannungsbeiwerte wie folgt modifiziert:

a) Wenn der Querschnitt unrund, jedoch ohne Unstetigkeit im Radius (z.B. ein elliptischer Querschnitt) ist, dann erhält man einen erlaubten K1-Wert durch Multiplikation des ausgewiesenen Wertes mit dem Faktor

(8.4-16)

mit

p Maximaldruck im betrachteten Lastzyklus MPa
dˆa größter Außendurchmesser des Querschnitts mm
_
da
kleinster Außendurchmesser des Querschnitts
mm
E Elastizitätsmodul des Werkstoffes bei Raumtemperatur N / mm2

b) Sind örtliche Unrundheiten vorhanden, z.B. eine flache Stelle, und ist dˆa- %`d a nicht größer als 0,08 · da, dann darf ein zulässiger Wert für K1 gefunden werden durch Multiplizieren der K1-Zahlen aus der Tabelle 8.4-1 mit dem Faktor F1b:

F1b= 1 + 2sc · M · Rp0,2T / da · p (8.4-17)

mit

M = 2 für ferritische Stähle und Nichteisenwerkstoffe mit Ausnahme von Nickel-Basis-Legierungen

M = 2,7 für austenitische Stähle und Nickel-Basis-Legierungen

Rp0,2T Streckgrenze bei Auslegungstemperatur N / mm2
p Auslegungsdruck Mpa

Tabelle 8.4-1: Spannungsbeiwerte in den Gleichungen (8.4-1) bis (8.4-4) und (8.4-6)

Rohrleitungsteil oder Verbindung Innendruckbelastung Momentenbelastung Temperaturbelastung
B1 C1 K1 B2 C2 K2 C3 K3 C4
Gerades Rohr ohne Schweißnähte und andere Störstellen1 0,5 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 0,6 1,0 0,5
Stumpfgeschweißte Umfangsnähte zwischen geraden Rohren oder Rohr und stumpfgeschweißtem Bauteil
a) bearbeitet1 0,5 1,0 1,1 1,0 1,0 1,1 0,6 1,1 0,6
b) unbearbeitet2 0,5 1,0 1,2 1,0 1,02 1,8 0,6 1,7 0,6
Stumpfgeschweißte Längsnähte in geraden Rohren1
(a) bearbeitet2 0,5 1,0 1,1 1,0 1,0 1,1 1,0 1,1 0,5
(b) unbearbeitet sc> 5 mm 0,5 1,1 1,2 1,0 1,2 1,3 1,0 1,2 0,5
(c) unbearbeitet sc
≤ 5 mm		 0,5 1,4 2,5 1,0 1,2 1,3 1,0 1,2 0,5
Wanddickenübergangsstücke1
(a) bearbeitet oder keine Umfangsnaht näher als (dRm / 2 · Rc)1 / 2 0,5 3 1,2 1,0 3 1,1 3 1,1 1,0
(b) unbearbeitet 0,5 3 1,2 1,0 3 1,8 3 1,7 1,0
Stumpfgeschweißte Reduzierstücke nach Bild 8.4-51 1,04 4 4 1,0 4 4 1,0 1,0 0,5
Bögen oder Biegungen1 5 5 1,0 5 5 1,0 1,0 1,0 0,5
Abzweige nach Abschnitt a 2.71
0,5 7 2,0 7 7 7 1,8 1,7 1,0

Einschweiß-T-Stücke nach Abschnitt a 4.61
0,5 1,5 4,0 8 8 8 1,0 1,0 0,5
Die Verwendung der Spannungsbeiwerte ist nur erlaubt, wenn die Forderungen der Dimensionierung gemäß Anhang a erfüllt sind. Außerdem sind die B-Werte nur anwendbar, falls da / sc ≤ 50, die C- und K-Werte, falls da / sc ≤ 100 ist. Für 50 < da / sc ≤ 100 bleiben die B1-Werte gültig, die B2-Werte sind mit dem Faktor 1 / (X · Y) zu multiplizieren, wobei
X = 1,3 - 0,006 · (da / sc) und
Y = 1,0224 - 0,000594 · T mit Y ≤ 1,0 für ferritische und Y = 1,0 für andere Werkstoffe.
T : Auslegungstemperatur in °C

1) siehe Abschnitt 8.4.7.3.1
2) siehe Abschnitt 8.4.7.3.2
3) siehe Abschnitt 8.4.7.3.3
4) siehe Abschnitt 8.4.7.3.4
5) siehe Abschnitt 8.4.7.3.5
6) siehe Abschnitt 8.4.7.3.6
7) siehe Abschnitt 8.4.7.3.6.2
8) siehe Abschnitt 8.4.7.3.6.3

8.4.7.3.2 Schweißnähte

(1) Die in Tabelle 8.4-1 angegebenen Spannungsbeiwerte gelten für stumpfgeschweißte Längsnähte in geraden Rohren, für stumpfgeschweißte Umfangsnähte bei angeschlossenen Bauteilen gleicher Nennwanddicke mit Ausnahme der im folgenden definierten Abweichungen.

(2) Schweißverbindungen werden entweder als bearbeitet oder unbearbeitet bezeichnet, wenn sie die jeweiligen Anforderungen in den nachfolgenden Festlegungen erfüllen.

  1. Schweißnähte gelten dann als bearbeitet, wenn sie die nachfolgenden Bedingungen erfüllen:

    Die Schweißnahtüberhöhung darf insgesamt auf der Innen- und Außenoberfläche nicht größer als 0,1 · scsein.

    Es darf weder auf der inneren noch auf der äußeren Oberfläche ein Nahteinfall auftreten.

    Ebenso darf die fertige Kontur an keiner Stelle eine größere Neigung als 7 Grad aufweisen, wobei der Winkel zwischen der Tangente an die Schweißnaht und der Bauteiloberfläche gemessen wird (siehe Bild 8.4-3).


  2. Schweißnähte gelten als unbearbeitet, wenn sie nicht die Anforderungen für bearbeitete Nähte erfüllen.

Bild 8.4-3: Zulässige Kontur der Schweißnaht

(3) Für unbearbeitete Schweißnähte, die Bauteile mit Nennwanddicken kleiner als 6 mm verbinden, gilt folgender Faktor C2:

C2= 1,0 + 3 (δ / sc) (8.4-18)

jedoch nicht größer als 2,1

mit

δ zulässiger mittlerer Versatz an Stumpfnähten gemäß Bild 8.4-4. Für δ darf ein kleinerer Wert als 0,8 mm eingesetzt werden, sofern ein kleinerer Wert für die Herstellung spezifiziert ist. Es kann auch der gemessene Kantenversatz verwendet werden. Für bearbeitete Schweißnähte darf δ = 0 gesetzt werden. mm

8.4.7.3.3 Wanddickenübergangsstücke

(1) Die in Tabelle 8.4-1 angegebenen Spannungsbeiwerte gelten für stumpfgeschweißte Umfangsnähte zwischen einem Rohr, dessen Wanddicke innerhalb eines Abstandes (da · sc)0,5 vom Schweißende in einem Toleranzfeld von 0,875 · scbis 1,1 · scliegt, und dem Übergangsbeginn zu einem dickwandigeren zylindrischen Bauteil (Rohr, Anschlussstutzen, Flansch) mit größerem oder gleichem Außendurchmesser und kleinerem oder gleichem Innendurchmesser.

(2) Für Übergangsstücke, die an der Außenseite mindestens über eine Länge 1,5 - scvom Schweißende her eine Neigung kleiner als oder gleich 30 Grad und anschließend mindestens über eine Länge 0,5 - sceine Neigung kleiner als oder gleich 45 Grad sowie an der Innenseite mindestens über eine Länge 2 - scvom Schweißende her eine Neigung kleiner als oder gleich 1:3 aufweisen, gilt für die Beiwerte C1, C2, C3:

C1= 0,5 + 0,33 (da / sc)0,3 + 1,5 · (δ / sc) (8.4-19)

aber nicht größer als 1,8

C2 = 1,7 + 3,0 · (δ / sc) (8.4-20)

aber nicht größer als 2,1

C3= 1,0 + 0,03 · (da / sc) (8.4-21)

aber nicht größer als 2,0.

(3) Für Übergangsstücke, die an der Außenseite, der Innenseite oder beiden Seiten mindestens über einer Länge (da· sc)0,5vom Schweißende her eine Neigung kleiner als oder gleich 1:3 aufweisen, gilt für die Beiwerte C1, C2, C3:

C1 = 1,0 + 1,5 · (δ / sc) (8.4-22)

aber nicht größer als 1,8

C2= / sc + 3 · (δ / sc) (8.4-23)

aber nicht größer als der kleinere Wert von

[1,33 + 0,04 (da / sc)0,5 + 3 (δ / sc)] und 2,1

C3= 0,35 ( / sc) + 0,25

 (8.4-24)

aber nicht größer als 2,0.

(4) Für die Wanddickenübergangsstücke nach diesem Abschnitt ist δ gemäß Bild 8.4-4 zu wählen. Für bearbeitete Schweißnähte und für unbearbeitete Schweißnähte zwischen Bauteilen mit sc größer als 6 mm kann δ = 0 gesetzt werden.

(5)ist die größte Wanddicke innerhalb der Übergangszone. Ist / sc kleiner als oder gleich 1, 1, so können die Beiwerte für Rundnähte verwendet werden.

8.4.7.3.4 Reduzierstücke

8.4.7.3.4.1 Allgemeines

Die in Tabelle 8.4-1 angegebenen Spannungsbeiwerte sind unter Berücksichtigung der nachfolgend aufgeführten Einschränkungen auf konzentrische Reduzierstücke anwendbar (siehe Bild 8.4-5).

  1. a kleiner als oder gleich 60 Grad
  2. Die Wanddicke an allen Stellen des Reduzierstückes ist nicht kleiner als s01. Davon ausgenommen ist der zylindrische Teil am engen Ende und der diesem unmittelbar benachbarte Bereich, der nicht dünner als s02 sein darf. s01 und s02sind die Mindestwanddicken für das gerade Rohr am weiten oder engen Ende des Reduzierstückes.

8.4.7.3.4.2 Primärspannungsbeiwerte

B1= 0,5 für α ≤ 30°
B1= 1 für 30 ° < α ≤ 60°

  1. konzentrische Anordnung
  2. örtlicher Versatz

Bild 8.4-4: Ausrichtungstoleranzen für Stumpfschweißungen und zulässige Neigungswinkel für ungleiche Innen- und Außendurchmesser, wenn Bearbeitung oder Gegenschweißen von innen nicht möglich ist

Bild 8.4-5: Konzentrisches Reduzierstück

8.4.7.3.4.3 Primär- plus Sekundärspannungsbeiwerte

(1) Für Reduzierstücke mit r1 und r2 größer als oder gleich 0,1 · d1:

C1= 1,0 + 0,0058 · α · (dn / sn)0,5 (8.4-25)
C2= 1,0 + 0,36 · α0,4· (dn / sn)0,4 (d2 / d1 · 0,5) (8.4-26)

(2) Für Reduzierstücke mit r1 oder r2 < 0,1 · d1:

C1= 1,0 + 0,00465 · α 1,285· (dn / sn)0,39 (8.4-27)
C2= 1,0 + 0,0185 · α · (dn / sn)0,5 (8.4-28)

(3) Dabei ist dn / snder größere Wert von d1 / s1und d2 / s2undader Neigungswinkel in Grad gemäß Bild 8.4-5.

8.4.7.3.4.4 Spitzenspannungsbeiwerte

(1) Die nachfolgend angegebenen Beiwerte K1und K2sollen abhängig von der Art der Anschlussschweißnaht, der Größe des Kantenversatzes und der Dickenverhältnisse verwendet werden.

(2) Für Reduzierstücke, die mit dem Rohr durch bearbeitete Rundnähte (siehe Abschnitt 8.4.7.3.2) verbunden sind:

K1 = 1,1 - 0,1 · Lm / (dm· sm)0,5 (8.4-29)

jedoch nicht kleiner als 1,0 K2 = K1

(3) Für Reduzierstücke, die mit dem Rohr durch unbearbeitete Rundnähte (siehe Abschnitt 8.4.7.3.2) verbunden sind, wobei s1oder s2größer als 5 mm und δ1 / s1 oder δ2 / s2 nicht größer als 0,1 sind:

K1= 1,2 - 0,2 · Lm / (dm · sm)0,5 (8.4-30)

jedoch nicht kleiner als 1,0

K2= 1,8 - 0,8 · Lm / (dm · sm)0,5 (8.4-31)

jedoch nicht kleiner als 1,0

(4) Für Reduzierstücke, die mit dem Rohr durch unbearbeitete Rundnähte (siehe Abschnitt 8.4.7.3.2) verbunden sind, wobei s1 oder s2 nicht größer als 5 mm oder δ1 / s1oder δ2 / s2größer als 0,1 sind:

K1= 1,2 - 0,2 · Lm / (dm · sm)0,5 (8.4-32)

jedoch nicht kleiner als 1,0,

K2= 2,5 - 1,5 · Lm / (dm · sm)0,5 (8.4-33)

jedoch nicht kleiner als 1,0.

Lm / (dm · sm)0,5ist der kleinere Wert von L1 / (d1 · s1)0,5oder L2 / (d2 · s2)0,5.

δ1, δ2ist der Kantenversatz am weiten oder engen Ende der Reduzierung (s. Abschnitt 8.4.7.3.2 und Bild 8.4-4).

8.4.7.3.5 Bögen oder Biegungen

Die Spannungsbeiwerte nach Tabelle 8.4-1 gelten mit folgenden Ergänzungen für Einschweißbögen oder Biegungen:

  1. Primärspannungsbeiwert
    B1= -0,1 + 0,4 · h (8.4-34)

    jedoch weder kleiner als Null, noch größer als 0,5

    B2= 1,3 / h2 / 3 (8.4-35)

    jedoch nicht kleiner als 1,0

  2. Primär- plus Sekundärspannungsbeiwerte
    C1 = (2 · R - rm) / 2 · (R - rm) (8.4-36)
    C2= 1,95 / h2 / 3 (8.4-37)

    jedoch nicht kleiner als 1,5 mit

    R : Biegeradius

    rm= dm / 2
    dm= da- sc
    h = 4 · sc· R / dm2

8.4.7.3.6 Abzweige und Einschweiß-T-Stücke

8.4.7.3.6.1 Allgemeines

(1) Für die Spannungsermittlung nach den Gleichungen (8.4-1) bis (8.4-4) und (8.4-6) sind bei Abzweigbauteilen die nachfolgend beschriebenen Festlegungen zu beachten.

(2) Die Momente sind für den Schnittpunkt zwischen Hauptleitung und Abzweig zu berechnen.

Für MA:

Ma= (M21A + M22A + M23A)0,5= resultierendes Moment auf den Abzweig (8.4-38)

Für MH:

MH= (M21H + M22H + M23H)0,5resultierendes Moment auf die Hauptleitung (8.4-39)

worin M1H, M2Hund M3Hwie folgt zu berechnen sind:

Haben die richtungsgebundenen Momente in den Anschlüssen der Hauptleitung 1 und 2 gleiche Vorzeichen, siehe Bild 8.4-6, so sind ihre Anteile zur Bildung des resultierenden Moments MHNull. Andernfalls ist der kleinere der Absolutwerte an den Schnitten von 1 und 2 zur Bildung von MHheranzuziehen.

weiter .

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