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Technische Regeln für Dampfkessel
- Prüfung -
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TRD 508 Anlage 1 - Zusätzliche Prüfungen an Bauteilen
- Verfahren zur Berechnung von Bauteilen mit zeitunabhängigen Festigkeitskennwerten -

Ausgabe Juli 1986
(BArbBl. 7-8/1986 S. 50aufgehoben)

1 Einleitung

Diese Anlage gibt eine Anleitung für die Berechnung der Lebensdauer und der Erschöpfung auf der Grundlage der Betriebsbeanspruchungen.

2 Berechnungsverfahren

2.1 Auslegungsberechnung

Die Auslegungsberechnung nach den TRD der Reihe 300 dient dem Nachweis der ausreichenden Bemessung für die vorgegebenen Betriebsverhältnisse (Auslegungsdaten, Betriebszeit und Wechselbeanspruchung). Die entsprechenden Werte sind jeweils in Zeile 1 von Tafel 2 eingetragen.

2.2 Berechnung der Lebensdauer bei Zeitstandbeanspruchung

Die Berechnung der Lebensdauer bei Zeitstandbeanspruchung gibt vorausschauend einen ersten Aufschluß über die rechnerische Lebensdauer der Bauteile. Sie geht von den im Betrieb gemessenen Drücken und Temperaturen und möglichst von der gemessenen kleinsten, für die Dimensionierung des Bauteils maßgebenden Wanddicke aus und läßt Schwachstellen erkennen. Die Auswertung erfolgt nach Tafel 2.

Es werden die Zeitpunkte Z₀ und Z_B errechnet Zu ergibt sich nach Bild 1 durch den Schnittpunkt der Betriebsspannungslinie σ_gB mit der unteren Grenzkurve des Streubandes der Zeitstandfestigkeit für die Betriebstemperatur (0,8und bezeichnet den Zeitpunkt, von dem ab mit Schädigungen gerechnet werden muß.

2.3 Berechnung der Erschöpfung bei Zeitstandbeanspruchung

Die Berechnung der Erschöpfung bei Zeitstandbeanspruchung ist ein Verfahren, das zurückschauend die bisherige Betriebsweise berücksichtigt. Es wird für hochbeanspruchte Bauteile anhand der gemessenen Betriebstemperaturen und Betriebsüberdrücke durchgeführt. Falls der letztere Einfluß nicht berücksichtigt wird, ist der für 100 % Last maßgebliche Betriebsüberdruck anzusetzen.

Mit diesem Verfahren wird eine Aussage darüber möglich, ob die bisherige Betriebsweise gegenüber den vorgegebenen Betriebsverhältnissen zu einer Erhöhung oder Verminderung der Lebensdauer führt und wann besondere Prüfungen oder ein Auswechseln des Bauteils erforderlich sind (siehe Abschnitt 4.3 und Abschnitt 5 der TRD 508).

Die Erschöpfung e_z wird mit Hilfe der verfahrenen Betriebszeiten und der Zeiten der rechnerischen Bauteillebensdauer gebildet Vom Betreiber werden hierzu die Betriebszeiten, die zugehörigen Temperaturen und die zugehörigen Drücke, eingeteilt in Klassen, zusammengestellt Auf die Klasseneinteilung kann bei zeitgleicher Aufzeichnung dieser Betriebswerte und bei deren Auswertung mittels Datenverarbeitungsanlagen verzichtet werden, wenn das verwendete Programm von einem Sachverständigen überprüft worden ist. Die Auswertungsergebnisse müssen nachprüfbar sein.

Aus dem Vollastbetriebsdruck bzw. dem die Klasse repräsentierenden mittleren Druck jeder Druckklasse wird entsprechend der Auslegungsberechnung die höchste Spannung ¹ für das jeweilige Bauteil ermittelt.

Jeder Temperaturklasse wird eine repräsentative mittlere Klassentemperatur unter Berücksichtigung eines Temperaturzuschlages für Meßunsicherheiten und für Temperaturschieflage (siehe TRD 300) als mittlere Wandtemperatur zugeordnet. Aus dieser und der ermittelten Spannung ist analog zu Abschnitt 2.2 die Zeit zu bestimmen. Der Zuwachs an Erschöpfung beträgt

   (1)

Die Zeitstanderschöpfung während des Auswertungszeitraumes ergibt sich aufgrund der linearen Lebensdaueranteilregel durch Summieren der für alle Temperatur- und gegebenenfalls Druckklassen ermittelten Werte Δe₂

   (2)

2.4 Berechnung der Erschöpfung bei Wechselbeanspruchung

Die Berechnung der Erschöpfung wechselbeanspruchter Bauteile ist ein Verfahren, das die wechselnde Betriebsbeanspruchung, besonders beim An- und Abfahren, berücksichtigt (TRD Reihe 309). Diese Beanspruchung wird für die hochbeanspruchten Bauteile ² ermittelt. Sie setzt sich aus der mechanischen Spannung und der Wärmespannung zusammen.

Die Spannungen werden anhand der gemessenen Wandtemperaturdifferenzen ³ und Betriebsüberdrücke beurteilt. Mit diesem Verfahren wird eine Aussage darüber möglich, ob die tatsächliche wechselnde Betriebsweise gegenüber den vorgegebenen Betriebsverhältnissen zu einer Erhöhung oder Verminderung der Lebensdauer führt und wann besondere Prüfungen oder ein Auswechseln des Bauteils erforderlich sind (siehe Abschnitt 4.3 und Abschnitt 5 der TRD 508).

Die Erschöpfungsberechnung von wechselbeanspruchten Bauteilen wird gemäß den TRD der Reihe 300 durchgeführt.

Aus dem Verlauf der Betriebsüberdrücke, Betriebstemperaturen und Wandtemperaturdifferenzen wird die Wechselerschöpfung ermittelt. Für alle erschöpfungsbestimmenden Lastwechsel ist die reduzierte Spannungsschwingbreite äa und die SpannungsschwingbreiteDs_i entsprechend TRD 301 Anlage 1 zu bestimmen. Zusammen mit der Temperatur ϑ* ist die Anrißlastwechselzahl_i aus Bild 8, TRD 301 Anlage 1, zu entnehmen oder mit dem die Kurvenschar beschreibenden Formelsatz zu berechnen. Lastwechsel, deren Schwingbreite kleiner als die Dauerwechselfestigkeit ist, brauchen nicht ausgewertet zu werden.

Der Zuwachs an Wechselerschöpfung (Einzelerschöpfung) beträgt dann in Prozent

 (3)

und die gesamte Wechselerschöpfung im Zeitpunkt der Nachrechnung

mit  i =  1, 2, ..., Anzahl der ausgewerteten Lastwechsel.

(4)

Zur Vereinfachung dürfen hierbei die Spannungsschwingbreiten 2σ_a und die zugehörigen Temperaturen ϑ* entsprechend Tafel 4 in Klassen zusammengefaßt werden. Die Auswertung ist dann mit den die jeweilige Klasse repräsentierenden mittleren Werten durchzuführen.

Zur Abschätzung des Erschöpfungsgrades von wechselbeanspruchten Bauteilen darf das nachfolgend beschriebene Verfahren angewendet werden. Hierbei wird von der Anzahl n_k der im Auswertungszeitraum angefallenen Lastwechsel, insbesondere derjenigen der An- und Abfahrten, eingeteilt in Klassen von Schwingbreiten der maximalen Wandtemperaturdifferenzen

        (5)

ausgegangen und als zugehörige Druckdifferenzp der Vollastbetriebsdruck verwendet (siehe Tafel 5).

Für jede so gebildete Klasse wird mit den oberen Grenzwerten der Temperaturschwingbreite entsprechend TRD 301 Anlage 1 die SpannungsschwingbreiteDs_i wie folgt berechnet: 

          (6)

Zu diesemDs_i ist die Spannungsschwingbreite 2σ_a zu bilden und hiermit die Anrißlastwechselzahl zu ermitteln. Der Zuwachs der Wechselerschöpfung (Teilerschöpfung e_w,k) der betrachteten Lastwechselklasse beträgt dann in Prozent

   (7)

Die gesamte rechnerische Erschöpfung bei Wechselbeanspruchung e_w ergibt sich nach der linearen Schädigungsakkumulationshypothese aus den Teilerschöpfungen e_w,k zu

      (8)

Der Betreiber stellt zur Auswertung der Betriebsdaten die für die Erschöpfungsberechnung maßgebenden Lastwechsel zusammen. Diese Zusammenstellung erfolgt entsprechend Tafel 4, Tafel 5 oder in einer anderen nachprüfbaren Weise.

2.5 Ermittlung der Gesamterschöpfung bei Zeitstand- und Wechselbeanspruchung

Die Gesamterschöpfung wird zunächst durch Überlagerung der Erschöpfungen aus Zeitstand- und Wechselbeanspruchung errechnet

e = e_z+ e_w     (9)

Ob und in welchem Verhältnis eine additive Verknüpfung der Teilerschöpfungen gerechtfertigt ist, bedarf noch eingehender Untersuchung.

2.6 Zusätzliche Festlegungen bei automatischer Datenerfassung und Berechnung mittels EDV-Anlagen

Bei Automatisierung der rechnerischen Verfolgung der Erschöpfung ist zusätzlich folgendes zu beachten:

1. Der Zeitzyklus, in dem die Meßstellen abgefragt werden, ist so zu wählen, daß instationäre Vorgänge genügend genau erfaßt werden.
2. Die Erschöpfungsberechnung kann fortlaufend mit dem Erfassen der Meßwerte oder zyklisch mit aufgezeichneten Daten erfolgen.
3. Bei Ausfall einzelner Meßstellen oder der gesamten Anlage sind diese Ausfallzeiten zu dokumentieren.
4. Zur Kontrolle der Datenerfassung und -verarbeitung sind geeignete Maßnahmen vorzusehen.

2.7 Beispiele

2.7.1 Die Beispiele beziehen sich auf eine manuelle rechnerische Verfolgung der Erschöpfung. Bei automatischer Verfolgung mit EDV-Anlagen kann ähnlich verfahren werden.

2.7.2 Berechnung der Lebensdauer bei Zeitstandbeanspruchung Die Berechnung der Lebensdauererwartung bei Zeitstandbeanspruchung kann anhand der Tafel 2 erfolgen. Für einige Bauteile sind die entsprechenden Werte eingetragen.

2.7.3 Erschöpfungsberechnung bei Zeitstandbeanspruchung Die Berechnung der Erschöpfung bei Zeitstandbeanspruchung kann anhand der Tafel 3 für den Vollastbetriebsdruck oder für unterschiedliche Druckstufen durchgeführt werden.

2.7.4 Erschöpfungsberechnung bei Wechselbeanspruchung

Die Berechnung der Erschöpfung durch Wechselbeanspruchung kann anhand von Tafel 4 durchgeführt werden. Für jede Klasse(2_a·*) sind eingetragen:

• die im Auswertungszeitraum aufgetretenen Lastwechseln_k des Bauteils
• die die Klasse repräsentierende Anrißlastwechselzahln_k nach Bild 8 der TRD 301 Anlage 1 bzw. nach dem entsprechenden Formelsatz.

Das Verhältnis beider Zahlen ist die aus den Lastwechseln dieser Klasse folgende Erschöpfunge_w,k. Die Summe allere_w,k für eine Spalte ist jeweils darunter und die gesamte Erschöpfunge_w rechts daneben angegeben.

__________

ENDE