Bei der Auslegung eines Druckrohrleitungssystems legt der verantwortliche Ingenieur häufig fest, dass die Systemrohrleitungen einem oder mehreren Teilen des ASME B31-Druckrohrleitungscodes entsprechen müssen. Wie können Ingenieure die Code-Anforderungen bei der Auslegung von Rohrleitungssystemen korrekt umsetzen?
Zunächst muss der Ingenieur die passende Konstruktionsnorm auswählen. Bei Druckrohrleitungssystemen ist dies nicht zwangsläufig auf ASME B31 beschränkt. Andere von ASME, ANSI, NFPA oder anderen zuständigen Organisationen herausgegebene Normen können je nach Projektstandort, Anwendung usw. relevant sein. ASME B31 umfasst derzeit sieben separate Abschnitte.
ASME B31.1 Elektrische Rohrleitungen: Dieser Abschnitt behandelt Rohrleitungen in Kraftwerken, Industrie- und öffentlichen Anlagen, Geothermieanlagen sowie zentralen und Fernwärme- und Fernkältesystemen. Dies umfasst sowohl Kesselaußen- als auch Nichtkesselaußenrohrleitungen, die zur Installation von Kesseln nach ASME Section I verwendet werden. Dieser Abschnitt gilt nicht für Anlagen, die unter den ASME-Kessel- und Druckbehältercode fallen, bestimmte Niederdruck-Heiz- und Kälteverteilungsleitungen sowie verschiedene andere Systeme, die in Absatz 100.1.3 von ASME B31.1 beschrieben sind. Die Ursprünge von ASME B31.1 lassen sich bis in die 1920er-Jahre zurückverfolgen; die erste offizielle Ausgabe erschien 1935. Die erste Ausgabe, einschließlich der Anhänge, umfasste weniger als 30 Seiten, die aktuelle Ausgabe hingegen über 300 Seiten.
ASME B31.3 Prozessrohrleitungen: Dieser Abschnitt behandelt Rohrleitungen in Raffinerien, Chemie-, Pharma-, Textil-, Papier-, Halbleiter- und Kryoanlagen sowie zugehörigen Verarbeitungsanlagen und Terminals. Er ist ASME B31.1 sehr ähnlich, insbesondere bei der Berechnung der Mindestwandstärke für gerade Rohre. Ursprünglich war dieser Abschnitt Bestandteil von B31.1 und wurde 1959 erstmals separat veröffentlicht.
ASME B31.4 Rohrleitungssysteme für Flüssigkeiten und Suspensionen: Dieser Abschnitt behandelt Rohrleitungen, die hauptsächlich flüssige Produkte zwischen Anlagen und Terminals sowie innerhalb von Terminals transportieren, sowie Pump-, Aufbereitungs- und Messstationen. Dieser Abschnitt war ursprünglich Teil von B31.1 und wurde 1959 erstmals separat veröffentlicht.
ASME B31.5 Kältemittelleitungen und Wärmeübertragungskomponenten: Dieser Abschnitt behandelt Rohrleitungen für Kältemittel und Sekundärkühlmittel. Dieser Teil war ursprünglich Bestandteil von B31.1 und wurde 1962 erstmals separat veröffentlicht.
ASME B31.8 Gastransport- und -verteilungsleitungen: Dies umfasst Rohrleitungen zum Transport von hauptsächlich gasförmigen Produkten zwischen Quellen und Terminals, einschließlich Kompressoren, Aufbereitungs- und Messstationen, sowie Gassammelleitungen. Dieser Abschnitt war ursprünglich Teil von B31.1 und wurde 1955 erstmals separat veröffentlicht.
ASME B31.9 Rohrleitungen für die Gebäudetechnik: Dieser Abschnitt behandelt Rohrleitungen, die üblicherweise in Industrie-, institutionellen, gewerblichen und öffentlichen Gebäuden sowie in Mehrfamilienhäusern vorkommen, die nicht die in ASME B31.1 beschriebenen Größen-, Druck- und Temperaturbereiche erfordern. Dieser Abschnitt ähnelt ASME B31.1 und B31.3, ist jedoch weniger konservativ (insbesondere bei der Berechnung der Mindestwandstärke) und enthält weniger Details. Er beschränkt sich auf Anwendungen mit niedrigem Druck und niedriger Temperatur, wie in ASME B31.9 Absatz 900.1.2 angegeben. Die Erstveröffentlichung erfolgte 1982.
ASME B31.12 Wasserstoffleitungen und Rohrleitungen: Dieser Abschnitt behandelt Rohrleitungen für gasförmigen und flüssigen Wasserstoff sowie Rohrleitungen für gasförmigen Wasserstoff. Dieser Abschnitt wurde erstmals 2008 veröffentlicht.
Welche Norm anzuwenden ist, entscheidet letztendlich der Eigentümer. In der Einleitung zu ASME B31 heißt es: „Es liegt in der Verantwortung des Eigentümers, denjenigen Normabschnitt auszuwählen, der der geplanten Rohrleitungsinstallation am ehesten entspricht.“ In manchen Fällen „können mehrere Normabschnitte für verschiedene Abschnitte der Installation gelten.“
Die Ausgabe 2012 von ASME B31.1 dient als primäre Referenz für die nachfolgenden Ausführungen. Dieser Artikel soll den verantwortlichen Ingenieur durch einige der wichtigsten Schritte bei der Auslegung eines ASME B31-konformen Druckrohrleitungssystems führen. Die Einhaltung der Richtlinien von ASME B31.1 bietet eine gute Grundlage für die allgemeine Systemauslegung. Ähnliche Auslegungsmethoden werden auch bei Anwendung von ASME B31.3 oder B31.9 verwendet. Der übrige Teil von ASME B31 findet in spezifischeren Anwendungsbereichen, vorwiegend für bestimmte Systeme oder Anwendungen, Verwendung und wird hier nicht weiter behandelt. Obwohl die wichtigsten Schritte des Auslegungsprozesses hier hervorgehoben werden, ist diese Darstellung nicht vollständig. Bei der Systemauslegung sollte stets der vollständige Code herangezogen werden. Alle Textverweise beziehen sich auf ASME B31.1, sofern nicht anders angegeben.
Nach Auswahl des korrekten Codes muss der Systemplaner auch alle systemspezifischen Konstruktionsanforderungen prüfen. Absatz 122 (Teil 6) enthält Konstruktionsanforderungen für Systeme, die üblicherweise in elektrischen Rohrleitungsanwendungen vorkommen, wie z. B. Dampf-, Speisewasser-, Abschlamm- und Entschlämmungsleitungen, Instrumentierungsleitungen und Druckentlastungssysteme. ASME B31.3 enthält ähnliche Absätze wie ASME B31.1, jedoch mit weniger Details. Die in Absatz 122 behandelten Aspekte umfassen systemspezifische Druck- und Temperaturanforderungen sowie verschiedene Zuständigkeitsbeschränkungen, die zwischen dem Kessel selbst, der externen Kesselverrohrung und nicht zum Kessel gehörenden externen Rohrleitungen, die mit der Kesselverrohrung gemäß ASME Teil I verbunden sind, abgegrenzt sind. Abbildung 2 veranschaulicht diese Beschränkungen des Trommelkessels.
Der Systementwickler muss den Druck und die Temperatur bestimmen, bei denen das System arbeiten wird, sowie die Bedingungen, die das System erfüllen soll.
Gemäß Absatz 101.2 darf der interne Auslegungsdruck nicht unter dem maximalen Dauerbetriebsdruck (MSOP) innerhalb des Rohrleitungssystems liegen, einschließlich der statischen Druckhöhe. Rohrleitungen, die externem Druck ausgesetzt sind, müssen für den maximal zu erwartenden Differenzdruck unter Betriebs-, Stillstands- oder Prüfbedingungen ausgelegt sein. Darüber hinaus sind Umweltauswirkungen zu berücksichtigen. Gemäß Absatz 101.4 muss die Rohrleitung, falls die Abkühlung des Fluids den Druck im Rohr unter den Atmosphärendruck senken kann, so ausgelegt sein, dass sie dem externen Druck standhält, oder es sind Maßnahmen zur Unterbrechung des Vakuums zu ergreifen. In Situationen, in denen die Fluidausdehnung den Druck erhöhen kann, müssen Rohrleitungssysteme so ausgelegt sein, dass sie dem erhöhten Druck standhalten, oder es sind Maßnahmen zur Druckentlastung zu ergreifen.
Ab Abschnitt 101.3.2 muss die Metalltemperatur für die Rohrleitungsauslegung den zu erwartenden maximalen Dauerbedingungen entsprechen. Vereinfachend wird üblicherweise angenommen, dass die Metalltemperatur der Fluidtemperatur entspricht. Falls gewünscht, kann die mittlere Metalltemperatur verwendet werden, sofern die Außenwandtemperatur bekannt ist. Besonderes Augenmerk sollte auf Fluide gelegt werden, die durch Wärmetauscher oder aus Verbrennungsanlagen fließen, um sicherzustellen, dass die ungünstigsten Temperaturbedingungen berücksichtigt werden.
Häufig berücksichtigen Konstrukteure einen Sicherheitszuschlag beim maximalen Betriebsdruck und/oder der maximalen Betriebstemperatur. Die Größe dieses Zuschlags ist anwendungsabhängig. Bei der Festlegung der Auslegungstemperatur müssen zudem die Materialeigenschaften beachtet werden. Hohe Auslegungstemperaturen (über 750 °F) können den Einsatz von Legierungen anstelle des üblicherweise verwendeten Kohlenstoffstahls erforderlich machen. Die Spannungswerte in Anhang A gelten nur für die zulässigen Temperaturen der jeweiligen Werkstoffe. Kohlenstoffstahl beispielsweise weist Spannungswerte nur bis zu 800 °F auf. Längere Einwirkung von Temperaturen über 800 °F kann zur Verkohlung des Rohrs führen, wodurch es spröder und bruchgefährdeter wird. Bei Betriebstemperaturen über 800 °F ist außerdem das beschleunigte Kriechen von Kohlenstoffstahl zu berücksichtigen. Eine ausführliche Erläuterung der Materialtemperaturgrenzen finden Sie in Absatz 124.
Manchmal können Ingenieure auch Prüfdrücke für jedes System festlegen. Absatz 137 enthält Hinweise zur Spannungsprüfung. Typischerweise wird die hydrostatische Prüfung mit dem 1,5-fachen des Auslegungsdrucks durchgeführt; die Umfangs- und Längsspannungen in der Rohrleitung dürfen jedoch während der Druckprüfung 90 % der Streckgrenze des Materials gemäß Absatz 102.3.3 (B) nicht überschreiten. Bei einigen externen Rohrleitungssystemen (außer Kesseln) kann die Dichtheitsprüfung im Betrieb eine praktischere Methode zur Leckageprüfung sein, da es schwierig sein kann, Teile des Systems zu isolieren, oder weil die Systemkonfiguration eine einfache Dichtheitsprüfung bei der Inbetriebnahme ermöglicht. Dies ist zulässig.
Sobald die Auslegungsbedingungen festgelegt sind, kann die Rohrleitung spezifiziert werden. Zunächst muss das Material ausgewählt werden. Wie bereits erwähnt, weisen verschiedene Materialien unterschiedliche Temperaturgrenzen auf. Paragraph 105 enthält zusätzliche Einschränkungen für verschiedene Rohrleitungsmaterialien. Die Materialauswahl hängt auch vom Systemmedium ab. So werden beispielsweise Nickellegierungen für Rohrleitungen mit korrosiven Chemikalien verwendet, Edelstahl für die Zufuhr von sauberer Instrumentenluft oder Kohlenstoffstahl mit einem hohen Chromgehalt (über 0,1 %), um strömungsbeschleunigte Korrosion zu verhindern. Strömungsbeschleunigte Korrosion (FAC) ist ein Erosions-/Korrosionsphänomen, das nachweislich zu starker Wanddickenreduzierung und Rohrbrüchen in einigen der kritischsten Rohrleitungssysteme führt. Die Nichtbeachtung der Wanddickenreduzierung von Rohrleitungskomponenten kann schwerwiegende Folgen haben, wie beispielsweise 2007 beim Bersten einer Entüberhitzungsleitung im Kraftwerk IATAN von KCP&L, bei dem zwei Arbeiter getötet und ein dritter schwer verletzt wurde.
Gleichung 7 und Gleichung 9 in Abschnitt 104.1.1 definieren die erforderliche Mindestwandstärke bzw. den maximalen Auslegungsdruck für gerade Rohre unter Innendruck. Die Variablen dieser Gleichungen umfassen die maximal zulässige Spannung (aus Anhang A), den Außendurchmesser des Rohrs, den Materialfaktor (siehe Tabelle 104.1.2 (A)) und etwaige zusätzliche Wandstärkenzuschläge (siehe unten). Aufgrund der vielen Variablen kann die Bestimmung des geeigneten Rohrmaterials, des Nenndurchmessers und der Wandstärke ein iterativer Prozess sein, der auch Strömungsgeschwindigkeit, Druckverlust sowie Rohrleitungs- und Pumpkosten berücksichtigen kann. Unabhängig von der Anwendung muss die erforderliche Mindestwandstärke nachgewiesen werden.
Zusätzliche Wandstärkenzuschläge können aus verschiedenen Gründen, einschließlich FAC (Flexible Acquisition Concentration), berücksichtigt werden. Zuschläge können aufgrund des Materialabtrags für Gewinde, Schlitze usw. zur Herstellung mechanischer Verbindungen erforderlich sein. Gemäß Absatz 102.4.2 entspricht der Mindestzuschlag der Gewindetiefe zuzüglich der Bearbeitungstoleranz. Zuschläge können auch erforderlich sein, um zusätzliche Festigkeit zu gewährleisten und Rohrschäden, Einstürze, übermäßiges Durchhängen oder Knicken aufgrund von Überlasten oder anderen in Absatz 102.4.4 genannten Ursachen zu verhindern. Zuschläge können auch für Schweißverbindungen (Absatz 102.4.3) und Rohrbögen (Absatz 102.4.5) berücksichtigt werden. Schließlich können Toleranzen zur Kompensation von Korrosion und/oder Erosion hinzugefügt werden. Die Dicke dieses Zuschlags liegt im Ermessen des Konstrukteurs und muss der erwarteten Lebensdauer der Rohrleitung gemäß Absatz 102.4.1 entsprechen.
Anhang IV (optional) enthält Hinweise zur Korrosionsverhütung. Schutzbeschichtungen, kathodischer Korrosionsschutz und elektrische Isolation (z. B. Isolierflansche) sind Methoden zur Verhinderung von äußerer Korrosion an erdverlegten oder unter Wasser verlegten Rohrleitungen. Korrosionsinhibitoren oder Auskleidungen können zur Verhinderung von innerer Korrosion eingesetzt werden. Es ist darauf zu achten, dass für die hydrostatische Prüfung Wasser mit der erforderlichen Reinheit verwendet wird und die Rohrleitung gegebenenfalls nach der Prüfung vollständig entleert wird.
Die für frühere Berechnungen erforderliche Mindestwandstärke bzw. der Mindestwandstärkenstandard ist möglicherweise nicht über den gesamten Rohrdurchmesser konstant und erfordert unter Umständen unterschiedliche Wandstärkenstandards für verschiedene Durchmesser. Geeignete Werte für Wandstärke und Wandstärke sind in ASME B36.10 „Geschweißte und nahtlose Schmiedestahlrohre“ definiert.
Bei der Auswahl des Rohrmaterials und der Durchführung der zuvor beschriebenen Berechnungen ist darauf zu achten, dass die in den Berechnungen verwendeten maximal zulässigen Spannungswerte dem angegebenen Material entsprechen. Wird beispielsweise fälschlicherweise ein Edelstahlrohr A312 304L anstelle eines Edelstahlrohrs A312 304 angegeben, kann die Wandstärke aufgrund des erheblichen Unterschieds der maximal zulässigen Spannungswerte zwischen den beiden Materialien unzureichend sein. Ebenso muss das Herstellungsverfahren des Rohrs korrekt angegeben werden. Wird beispielsweise der maximal zulässige Spannungswert für nahtlose Rohre für die Berechnung verwendet, sollten nahtlose Rohre angegeben werden. Andernfalls bietet der Hersteller/Installateur möglicherweise nahtgeschweißte Rohre an, was aufgrund der niedrigeren maximal zulässigen Spannungswerte zu einer unzureichenden Wandstärke führen kann.
Angenommen, die Auslegungstemperatur der Rohrleitung beträgt beispielsweise 300 °F und der Auslegungsdruck 1.200 psig. Es werden 2″- und 3″-Rohrleitungen aus nahtlosem Kohlenstoffstahl (A53 Güteklasse B) verwendet. Ermitteln Sie den geeigneten Rohrleitungsplan, der die Anforderungen von ASME B31.1 Gleichung 9 erfüllt. Zunächst werden die Auslegungsbedingungen erläutert:
Ermitteln Sie anschließend anhand von Tabelle A-1 die maximal zulässigen Spannungswerte für A53 Güteklasse B bei den oben genannten Auslegungstemperaturen. Beachten Sie, dass der Wert für nahtlose Rohre verwendet wird, da nahtlose Rohre spezifiziert sind:
Ein Dickenzuschlag muss ebenfalls berücksichtigt werden. Für diese Anwendung wird ein Korrosionszuschlag von 1/16 Zoll angenommen. Eine separate Frästoleranz wird später hinzugefügt.
3 Zoll. Das Rohr wird zuerst spezifiziert. Unter der Annahme eines Rohrs der Norm Schedule 40 und einer Frästoleranz von 12,5 % berechnen Sie den maximalen Druck:
Rohre der Serie 40 sind für 3-Zoll-Rohre unter den oben genannten Auslegungsbedingungen geeignet. Prüfen Sie als Nächstes 2-Zoll-Rohre. Die Rohrleitung basiert auf denselben Annahmen:
2 Zoll. Unter den oben genannten Auslegungsbedingungen ist für die Rohrleitung eine größere Wandstärke als bei Schedule 40 erforderlich. Versuchen Sie es mit 2 Zoll. Rohre nach Schedule 80:
Obwohl die Wandstärke von Rohren oft der limitierende Faktor bei der Druckauslegung ist, ist es dennoch wichtig zu überprüfen, ob die verwendeten Formstücke, Komponenten und Verbindungen für die vorgegebenen Auslegungsbedingungen geeignet sind.
Grundsätzlich gelten gemäß den Abschnitten 104.2, 104.7.1, 106 und 107 alle Ventile, Armaturen und sonstigen druckführenden Bauteile, die nach den in Tabelle 126.1 aufgeführten Normen gefertigt wurden, als geeignet für den Einsatz unter normalen Betriebsbedingungen oder unterhalb der in ASME B31.1 festgelegten Druck-Temperatur-Nennwerte. Anwender sollten beachten, dass, falls bestimmte Normen oder Hersteller strengere Grenzwerte für Abweichungen vom Normalbetrieb festlegen als die in ASME B31.1 festgelegten, die strengeren Grenzwerte gelten.
An Rohrkreuzungen werden T-Stücke, Querverbindungen, Kreuzstücke, Abzweigverbindungen usw. empfohlen, die den in Tabelle 126.1 aufgeführten Normen entsprechen. In manchen Fällen können für Rohrleitungskreuzungen spezielle Abzweigverbindungen erforderlich sein. Absatz 104.3.1 enthält zusätzliche Anforderungen an Abzweigverbindungen, um sicherzustellen, dass ausreichend Rohrmaterial vorhanden ist, um dem Druck standzuhalten.
Um die Konstruktion zu vereinfachen, kann der Konstrukteur die Auslegungsbedingungen höher ansetzen, um die Flanschnennleistung einer bestimmten Druckklasse (z. B. ASME Klasse 150, 300 usw.) gemäß der Druck-Temperatur-Klasse für spezifische Werkstoffe nach ASME B16.5 Rohrflansche und Flanschverbindungen oder ähnlichen Normen aus Tabelle 126.1 zu erreichen. Dies ist zulässig, solange dadurch keine unnötige Erhöhung der Wandstärke oder anderer Bauteilkonstruktionen erforderlich wird.
Ein wichtiger Aspekt der Rohrleitungsplanung ist die Sicherstellung der strukturellen Integrität des Rohrleitungssystems unter Einwirkung von Druck, Temperatur und äußeren Kräften. Die strukturelle Integrität wird im Planungsprozess oft vernachlässigt und kann, falls sie nicht sorgfältig berücksichtigt wird, zu den kostspieligsten Aspekten der Planung gehören. Die strukturelle Integrität wird hauptsächlich an zwei Stellen behandelt: Abschnitt 104.8: Analyse von Rohrleitungskomponenten und Abschnitt 119: Ausdehnung und Flexibilität.
Abschnitt 104.8 listet die grundlegenden Formeln der Norm auf, mit denen ermittelt wird, ob ein Rohrleitungssystem die zulässigen Spannungen gemäß Norm überschreitet. Diese Gleichungen werden üblicherweise als Dauerlasten, sporadische Lasten und Verschiebungslasten bezeichnet. Die Dauerlast ist die Wirkung von Druck und Gewicht auf ein Rohrleitungssystem. Zufällige Lasten umfassen die Dauerlasten sowie mögliche Windlasten, seismische Lasten, Geländelasten und andere kurzzeitige Lasten. Es wird davon ausgegangen, dass jede einwirkende sporadische Last nicht gleichzeitig auf andere sporadische Lasten wirkt, sodass jede sporadische Last zum Zeitpunkt der Analyse einen separaten Lastfall darstellt. Verschiebungslasten sind die Auswirkungen von Wärmeausdehnung, Verschiebungen von Anlagenteilen während des Betriebs oder sonstige Verschiebungslasten.
Abschnitt 119 behandelt den Umgang mit Rohrausdehnung und -flexibilität in Rohrleitungssystemen sowie die Bestimmung von Reaktionskräften. Die Flexibilität von Rohrleitungssystemen ist häufig besonders an Geräteanschlüssen von Bedeutung, da diese meist nur die minimalen Kräfte und Momente aufnehmen können, die am Anschlusspunkt wirken. In den meisten Fällen hat die thermische Ausdehnung des Rohrleitungssystems den größten Einfluss auf die Reaktionskraft. Daher ist es wichtig, die thermische Ausdehnung im System entsprechend zu kontrollieren.
Um die Flexibilität des Rohrleitungssystems zu gewährleisten und eine ordnungsgemäße Abstützung sicherzustellen, empfiehlt es sich, Stahlrohre gemäß Tabelle 121.5 abzustützen. Die Einhaltung der Standardabstände der Abstützungen gemäß dieser Tabelle bewirkt dreierlei: Minimierung der Eigengewichtsdurchbiegung, Reduzierung der Dauerlasten und Erhöhung der zulässigen Spannung für Verschiebungslasten. Bei einer Abstützung gemäß Tabelle 121.5 beträgt die Eigengewichtsdurchbiegung zwischen den Rohrstützen typischerweise weniger als 3,2 mm (1/8 Zoll). Die Minimierung der Eigengewichtsdurchbiegung verringert das Risiko von Kondensation in dampf- oder gasführenden Rohrleitungen. Die Einhaltung der Abstandsempfehlungen in Tabelle 121.5 ermöglicht es dem Konstrukteur außerdem, die Dauerspannung in der Rohrleitung auf etwa 50 % des zulässigen Dauerspannungswertes gemäß Norm zu reduzieren. Gemäß Gleichung 1B ist die zulässige Spannung für Verschiebungslasten umgekehrt proportional zur Dauerlast. Durch die Minimierung der Dauerlast lässt sich daher die zulässige Spannung für Verschiebungslasten maximieren. Die empfohlenen Abstände für Rohrstützen sind in Tabelle 121.5 aufgeführt. ist in Abbildung 3 dargestellt.
Um sicherzustellen, dass die Reaktionskräfte in Rohrleitungssystemen korrekt berücksichtigt und die Normen für Spannungen eingehalten werden, wird häufig eine computergestützte Spannungsanalyse des Systems durchgeführt. Es stehen verschiedene Softwarepakete für die Rohrleitungsspannungsanalyse zur Verfügung, beispielsweise Bentley AutoPIPE, Intergraph Caesar II, Piping Solutions Tri-Flex oder andere kommerziell erhältliche Lösungen. Der Vorteil der computergestützten Spannungsanalyse liegt darin, dass der Konstrukteur ein Finite-Elemente-Modell des Rohrleitungssystems erstellen kann, um die Ergebnisse einfach zu überprüfen und notwendige Konfigurationsänderungen vorzunehmen. Abbildung 4 zeigt ein Beispiel für die Modellierung und Analyse eines Rohrleitungsabschnitts.
Bei der Entwicklung eines neuen Systems legen Systemplaner in der Regel fest, dass alle Rohrleitungen und Komponenten gemäß den geltenden Normen gefertigt, geschweißt, montiert usw. werden sollen. Bei einigen Nachrüstungen oder anderen Anwendungen kann es jedoch von Vorteil sein, wenn ein beauftragter Ingenieur Hinweise zu bestimmten Fertigungstechniken gibt, wie in Kapitel V beschrieben.
Ein häufiges Problem bei Nachrüstungen ist die Vorwärmung (Absatz 131) und die Wärmebehandlung nach dem Schweißen (Absatz 132). Diese Wärmebehandlungen dienen unter anderem dazu, Spannungen abzubauen, Rissbildung zu verhindern und die Schweißnahtfestigkeit zu erhöhen. Faktoren, die die Anforderungen an die Wärmebehandlung vor und nach dem Schweißen beeinflussen, sind unter anderem die P-Nummer-Gruppierung, die Werkstoffzusammensetzung und die Materialstärke an der Schweißnaht. Jedem in Anhang A aufgeführten Werkstoff ist eine P-Nummer zugeordnet. Absatz 131 gibt für die Vorwärmung die Mindesttemperatur an, auf die der Grundwerkstoff vor dem Schweißen erwärmt werden muss. Tabelle 132 gibt für die Wärmebehandlung nach dem Schweißen (PWHT) den Temperaturbereich und die Haltezeit für die Schweißzone an. Aufheiz- und Abkühlgeschwindigkeiten, Temperaturmessmethoden, Heiztechniken und andere Verfahren müssen den Vorgaben der Norm strikt entsprechen. Eine unsachgemäße Wärmebehandlung kann unerwartete negative Auswirkungen auf den Schweißbereich haben.
Ein weiterer potenzieller Problembereich in Druckleitungssystemen sind Rohrbögen. Durch das Biegen von Rohren kann es zu Wanddickenreduzierungen und damit zu unzureichender Wandstärke kommen. Gemäß Abschnitt 102.4.5 sind Rohrbögen zulässig, sofern die Mindestwandstärke der gleichen Formel entspricht, die auch für die Berechnung der Mindestwandstärke gerader Rohre verwendet wird. Üblicherweise wird ein Zuschlag für die Wandstärke hinzugerechnet. Tabelle 102.4.5 enthält empfohlene Zuschläge zur Reduzierung der Rohrdicke bei verschiedenen Biegeradien. Rohrbögen können außerdem eine Vor- und/oder Nachbehandlung erfordern. Abschnitt 129 enthält Hinweise zur Herstellung von Rohrbögen.
Bei vielen Druckleitungssystemen ist der Einbau eines Sicherheitsventils oder Überdruckventils erforderlich, um einen Überdruck im System zu verhindern. Für diese Anwendungen ist der optionale Anhang II: Auslegungsregeln für die Installation von Sicherheitsventilen eine sehr wertvolle, aber manchmal wenig bekannte Informationsquelle.
Gemäß Absatz II-1.2 zeichnen sich Sicherheitsventile durch eine vollständig geöffnete Pop-up-Funktion bei Gas- oder Dampfbetrieb aus, während Sicherheitsventile relativ zum statischen Vordruck öffnen und vorwiegend bei Flüssigkeitsbetrieb eingesetzt werden.
Sicherheitsventile werden danach unterschieden, ob es sich um offene oder geschlossene Entlüftungssysteme handelt. Bei einer offenen Entlüftung mündet der Abgasauslass des Sicherheitsventils üblicherweise in das Abgasrohr in die Atmosphäre. Dies führt in der Regel zu einem geringeren Gegendruck. Entsteht im Abgasrohr jedoch ein ausreichender Gegendruck, kann ein Teil des Abgases am Einlassende des Abgasrohrs austreten oder zurückgespült werden. Der Durchmesser des Abgasrohrs muss ausreichend sein, um einen Rückschlag zu verhindern. Bei geschlossenen Entlüftungssystemen baut sich am Auslass des Überdruckventils durch die Luftkompression in der Entlüftungsleitung Druck auf, wodurch sich Druckwellen ausbreiten können. In Abschnitt II-2.2.2 wird empfohlen, dass der Auslegungsdruck der geschlossenen Entlüftungsleitung mindestens doppelt so hoch ist wie der Betriebsdruck im stationären Zustand. Abbildungen 5 und 6 zeigen die Sicherheitsventilinstallation im geöffneten bzw. geschlossenen Zustand.
Sicherheitsventilanlagen können verschiedenen Kräften ausgesetzt sein, wie in Abschnitt II-2 zusammengefasst. Zu diesen Kräften zählen thermische Ausdehnungseffekte, die Wechselwirkung mehrerer gleichzeitig öffnender Sicherheitsventile, seismische und/oder Vibrationseinflüsse sowie Druckeffekte bei Druckentlastungsereignissen. Obwohl der Auslegungsdruck bis zum Auslass des Sicherheitsventils dem Auslegungsdruck des Fallrohrs entsprechen sollte, hängt der Auslegungsdruck im Abgassystem von dessen Konfiguration und den Eigenschaften des Sicherheitsventils ab. In Abschnitt II-2.2 werden Gleichungen zur Bestimmung von Druck und Geschwindigkeit am Auslasskrümmer, am Einlass und am Auslass des Abgasrohrs für offene und geschlossene Abgassysteme bereitgestellt. Mithilfe dieser Informationen lassen sich die Reaktionskräfte an verschiedenen Punkten im Abgassystem berechnen und berücksichtigen.
Ein Beispielproblem für eine Anwendung mit offenem Auslass wird in Abschnitt II-7 vorgestellt. Es existieren weitere Methoden zur Berechnung der Strömungseigenschaften in Druckentlastungsventil-Auslasssystemen. Der Leser wird darauf hingewiesen, die Wirksamkeit der gewählten Methode auf ausreichende Konservativität zu überprüfen. Eine solche Methode wird von GS Liao in „Power Plant Safety and Pressure Relief Valve Exhaust Group Analysis“ beschrieben, einer Veröffentlichung der ASME im Journal of Electrical Engineering, Oktober 1975.
Die Position des Sicherheitsventils muss einen Mindestabstand gerader Rohrleitungen zu allen Krümmungen gewährleisten. Dieser Mindestabstand hängt von der Betriebsart und Geometrie des Systems gemäß Abschnitt II-5.2.1 ab. Bei Anlagen mit mehreren Sicherheitsventilen hängt der empfohlene Abstand der Abzweiganschlüsse von den Radien der Abzweig- und Versorgungsleitungen ab, wie in Anmerkung (10)(c) der Tabelle D-1 dargestellt. Gemäß Abschnitt II-5.7.1 kann es erforderlich sein, die Rohrleitungshalterungen am Auslass des Sicherheitsventils an die Betriebsleitung anstatt an das angrenzende Bauwerk anzuschließen, um die Auswirkungen von Wärmeausdehnung und seismischen Einwirkungen zu minimieren. Eine Zusammenfassung dieser und weiterer Konstruktionsüberlegungen für Sicherheitsventilbaugruppen findet sich in Abschnitt II-5.
Es ist selbstverständlich nicht möglich, alle Konstruktionsanforderungen der ASME B31 im Rahmen dieses Artikels abzudecken. Dennoch sollte jeder an der Konstruktion von Druckrohrleitungssystemen beteiligte Ingenieur zumindest mit dieser Norm vertraut sein. Wir hoffen, dass die Leser die ASME B31 mit den obigen Informationen als wertvollere und leichter zugängliche Ressource empfinden werden.
Monte K. Engelkemier ist Projektleiter bei Stanley Consultants. Er ist Mitglied der Iowa Engineering Society, der NSPE und der ASME und gehört dem Komitee und Unterkomitee des B31.1 Electrical Piping Code an. Er verfügt über mehr als zwölf Jahre praktische Erfahrung in der Planung, Konstruktion, Bewertung von Aussteifungen und Spannungsanalyse von Rohrleitungssystemen. Matt Wilkey ist Maschinenbauingenieur bei Stanley Consultants. Er hat über sechs Jahre Berufserfahrung in der Planung von Rohrleitungssystemen für verschiedene Kunden aus den Bereichen Energieversorgung, Kommunen, Institutionen und Industrie und ist Mitglied der ASME und der Iowa Engineering Society.
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