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TRD 303 - Kugelschalen und gewölbte Böden unter innerem und äußerem Überdruck
- Berechnung -
Technische Regeln für Dampfkessel (TRD)

Ausgabe Mai 1976
(ArbSch. 7-8/1976 S. 247; 1-2/1978 S. 60; 4/1978 S. 122; BArbBl. 3/1980 S. 58; 5/1991 S. 68.aufgehoben)

1 Geltungsbereich

1.1. Die Berechnungsregeln gelten für Kugelschalen, bei denen das Verhältnis von Außen- zu Innenradius r_Wa/r_Wi<1,5 ist, ohne und mit Ausschnitten sowie für unverankerte gewölbte Voll- und Mannloch-Böden, bestehend aus Kugelschale, Krempe und zylindrischem Bord nach Bild 1 unter vorwiegend statischem innerem oder äußerem Überdruck.

1.2. Die Berechnungsregeln gelten in erster Linie für verformungsfähige Werkstoffe (δ₅> 14 %) ¹. Sie können auch bei weniger verformungsfähigen Werkstoffen angewandt werden, wenn dem geringeren Verformungsvermögen durch einen höheren Sicherheitsbeiwert Rechnung getragen wird (siehe TRD 300 Tafel 6) und die Wanddicke des Grundkörpers s_v< 50 mm ist.

1.3. Die Berechnungsregeln berücksichtigen nur durch inneren und äußeren Überdruck hervorgerufene Beanspruchungen. Zusätzliche Kräfte und Momente nennenswerter Größe müssen gesondert berücksichtigt werden ². In diesem Fall gibt der Kesselhersteller die Größe der Kräfte und Momente an und weist nach, daß diese beachtet sind. Systemschwingungen werden durch die folgende Rechnung nicht erfaßt. Ihnen ist beispielsweise durch konstruktive Maßnahmen zu begegnen.

1.4. Bei Kugelschalen ohne Ausschnitte, die nach diesen Regeln berechnet werden, tritt bei Anwendung der angegebenen Sicherheitsbeiwerte nur im Bereich zeitunabhängiger Festigkeitskennwerte kein nennenswertes Fließen ein. Bei Kugelschalen und gewölbten Böden mit Ausschnitten können an den höchstbeanspruchten Stellen, insbesondere bei der ersten Belastung, plastische Verformungen auftreten, die bei Anwendung dieser Berechnungsregeln in tragbaren Grenzen bleiben ³.

2. Berechnungsgrößen und -einheiten

Siehe TRD 300 Abschnitt 2. Darüber hinaus gilt Tafel 1.

3. Allgemeines

3.1. Bei gewölbten Böden mit dem Bodendurchmesser d_a (Bild 1) sind allgemein folgende Bedingungen einzuhalten:

Insbesondere gilt für:

3.2. Die Höhe des zylindrischen Bordes muß bei Klöpperböden> 3,5 s_K, bei Korbbogenböden> 3,0 s_K sein. Sie braucht jedoch die in Tafel 2 angegebenen Maße nicht zu überschreiten.

Für vorwiegend ruhende Innendruckbeanspruchung können die Bordhöhen unterschritten werden, wenn die Anschlußnaht zerstörungsfrei geprüft und kerbfrei ⁴ überschliffen wird und dabei die Forderung für v_N = 1 erfüllt ist. Arbeitsprüfungen werden nicht gefordert.

Bei Halbkugelböden ist kein zylindrischer Bord erforderlich.

3.3. Bei Kugelschalen und gewölbten Böden ohne Ausschnitte ist gegebenenfalls die Verschwächung durch Schweißnähte zu berücksichtigen.

3.4. Bei Kugelschalen und gewölbten Böden mit Ausschnitten, Bilder 2, 3, 4, kann der Verschwächung des Grundkörpers durch folgende Maßnahmen Rechnung getragen werden:

(1) durch eine gegenüber der ungeschwächten Kugelschale bzw. dem gewölbten Boden vergrößerte Wanddicke.

Diese Wanddicke muß mindestens bis zu einer Länge e_G vom Rand des Ausschnittes vorhanden sein.

(2) durch Abzweige, die dickwandiger ausgeführt sind als vom Innendruck her erforderlich ist, ohne oder in Verbindung mit einer Wanddickenvergrößerung des Grundkörpers.
Ein nach innen überstehender Teil des Abzweiges kann nur mit dem Anteil der Längel_A2< 0,5 e_anach Gl. ( 12)
als tragend in die Rechnung einbezogen werden.

Bei ein- bzw. angeschweißten Stutzen ist ein Wanddickenverhältnis s_A0/s_v bis 2 zulässig für d_Ai< 50 mm. Dies gilt auch für Abzweige mit d_Ai > 50 mm, sofern das Verhältnis d_Ai/r_wi< 0,4 ist. Bei Abzweigen mit d_Ai > 50 mm und einem Verhältnis d_Ai/r_wi > 0,4 soll das Verhältnis s_A0/s_v den Wert 1 nicht überschreiten. Diese Bedingungen gelten nicht für Besichtigungs- und Befahröffnungen.

Allgemein ist auf sanfte Übergänge besonderer Wert zu legen. Wanddickenübergänge sind unter einem Winkel< 30° auszuführen. Bei Abzweigen soll die zylindrische Länge bis zur Schweißnahtl_A0> s_Ae sein, siehe Bilder 4 f und 14.

(3) durch scheibenförmige Verstärkungen. Diese Ausführungsarten dürfen nur bis zu Berechnungstemperaturen< 250 °C angewendet werden. Scheibenförmige Verstärkungen müssen gut an den Grundkörper angepaßt sein. Ihre tragende Breite darf höchstens mit b_s= e_G nach Gl. ( 11) eingesetzt werden. Die Dicke s_S solcher Verstärkungen darf nicht größer sein als die ausgeführte Wanddicke s_e des Grundkörpers beträgt. Gegen Biegemomente, die an einem am Ausschnitt angesetzten Abzweig angreifen, sind solche Verstärkungen wenig wirksam.

Ausschnittverstärkungen durch innen aufgeschweißte Scheiben sind nicht zulässig.

3.5. Die unterschiedliche Wirksamkeit der Verstärkungen ist gemäß dem Bewertungsfaktor f₁nach Tafel 3 in der Rechnung zu berücksichtigen.

3.6. Bei elliptischen Ausschnitten für Befahr- und Besichtigungsöffnungen wird vorausgesetzt, daß das Verhältnis von großer zu kleiner Achse den Wert 1,5 nicht übersteigt. Bei elliptischen Ausschnitten gilt als Berechnungsdurchmesser die große Achse des Ausschnittes.

3.7. Das folgende Berechnungsverfahren setzt Übergänge mit weitgehend kerbfreier Oberfläche ⁴ voraus. Kanten müssen abgerundet sein.

3.8. Ausschnitte sollen ausreichenden Abstand von den Schweißnähten des Grundkörpers haben, sowohl von den Längsnähten (Meridiannähte) als auch von den Rundnähten (Breitenkreisnähte). Der Abstand ist ausreichend, wenn der äußere Rand eines Abzweiges oder einer aufgeschweißten Verstärkung bei einer Grundkörperwanddicke s_v< 25 mm einen Abstand von 2 × s_v und bei s_v > 25 mm von mindestens 50 mm vom Rand der Schweißnaht hat.

Muß dieser Abstand aus konstruktiven Gründen unterschritten werden, so ist dies nur zulässig bei Schweißnähten, die im Einflußbereich des Ausschnitts zerstörungsfrei geprüft werden und dabei die Forderung für v_N = 1 erfüllen. Arbeitsprüfungen werden nicht gefordert. Weiterhin soll die Schweißnahtdecklage im Gebiet des Ausschnittes kerbfrei überschliffen sein. Längs- und Rundnähte werden in diesem Falle hinsichtlich des Schweißnahtfaktors v_N gleich behandelt.

4. Erforderliche Wanddicken

Die erforderliche Wanddicke einer Kugelschale oder eines Bodens beträgt

s = s_v + c₁ + c₂  ( 1)

Die erforderliche Wanddicke eines Abzweiges beträgt

s_A = s_A0 + c₁ + c₂    ( 2)

Bei der Nachrechnung ausgeführter Kugelschalen oder Böden mit der Wanddicke s_e ist zu setzen

s_v = s_e - c₁ - c₂  ( 3)

Für einen Abzweig gilt

s_A0 = s_Ae - c₁ - c₂  ( 4)

weiter

Tafel 1. Berechnungsgrößen mit Symbolen und Einheiten

Tafel 2. Bordhöhe h_B in Abhängigkeit von Wanddicke s_K

1) Eine weitergehende Definition der Verformungsfähigkeit ist vorgesehen.

2) Berechnungsregeln sind in Vorbereitung.

3) Kugelschalen und gewölbte Böden, bei denen z.B. wegen einer spröden Innenauskleidung die Verformungen zu begrenzen sind, müssen unter Umständen dickwandiger ausgeführt werden.

4) Schweißnähte gelten als weitgehend kerbfrei, wenn sie frei von Einbrand- und Wurzelkerben sind. Muldenförmige flache Anschmelzungen fallen nicht unter den Begriff Einbrandkerbe.