Problem Doppelmantel mit Stutzen im Behälter

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Beispieldaten:

Überdruck im Behälter 6 bar,                Äußerer Überdruck 1 bar

Überdruck im Doppelmantel  8 bar,     Äußerer Überdruck 1 bar

Das Problem wird in folgenden Literaturstellen „angesprochen“:

1.) AD2000 B6  Abschnitt 6

Ausschnitte sind nach AD 2000-Merkblatt B 9 mit p als Innendruck zu berechnen.
Ausschnitte in Doppelmänteln, die durch Stutzen gegenseitig versteift sind, können bei der

Berechnung der Wanddicke unberücksichtigt bleiben.

2.)  ASME VIII/2  Abschnitt 4.11

Speziell Abschnitt 4.11.4

4.11.4 Design of Penetrations through Jackets

4.11.4.1 The design of openings through the jacket space shall be in accordance with the rules given in paragraph 4.5 (nozzles). Reinforcement of the opening in the jacket shall not be required for penetrations of the type shown in Table 4.11.2 since the opening is stayed by virtue of the nozzle or neck of the closure member.

Die Kragendicke wird nach ASME VIII/2 als Zylinder auf Außendruck berechnet. Der Ausschnitt im Mantel bei volltragendem Anschluss und gegenseitig  verankert muss nicht nachgewiesen werden. Der Kragen wirkt hier als Anker.

3.) Guidebook for the design of ASME VIII pressure vessels

Seite 190 Abschnitt 6.3.3 ff  “Design of openings in jacketed vessels”

6.3.3.1 “Openings in inner vessel” The design of openings in the inner vessel shall be according to the rules given in chapter 5 (nozzles) for combination of loadings due to internal pressure, external pressure or both. No consideration shall be made for the cross-sectional area from the jacket and closure.

4.) TGL 32903/22 “Doppelmantelbehälter”

3. Behälter mit U-förmigem Doppelmantel

U-förmige Doppelmantelkonstruktionen sind in der Regel mit Kegelanschluss (links im Bild) oder mit Ringanschluss (rechts im Bild) ausgeführt.

3.2. Böden

3.2.1. Gewölbte Böden sind nach TGL 32903/07 auf inneren und äußeren Überdruck zu berechnen. Die Berechnungsdrücke sind wie in den Abschnitten 3.1.1. und 3.1.2. dieses Standards festzulegen. Für den Behälterboden ist es für die Berechnung bei äußerem Überdruck p2 zulässig, andere Berechnungs-methoden anzuwenden, die berücksichtigen, dass der Druck innerhalb des Durchmessers d1 nicht wirkt.

3.2.2. Bei der Berechnung des Doppelmantelbodens ist der Ausschnitt des Bodenanschlusses mit dem Durchmesser d1 nicht zu berücksichtigen.

5.)  “Apparateelemente: Dietrich Gleich, Richard Weyl  (BASF)  Springer“

Seite 167 Gleichnung 6.17
Berechnung der Doppelmantelkrempe unter Temperatureinfluss.

6.) „Festigkeitsberechnung Verfahrenstechnischer Apparate: Eberhard Wegener ; Wiley VCH“

Abschnitt 5.5          Stutzendurchführungen bei Doppelmäntel   (Doku siehe Anhang)

Zusammenfassung

Bei allen zitierten Berechnungen ist der Nachweis der Öffnung im Doppelmantel als  Ausschnitt nicht notwendig. Einschränkungen bei ASME sind der lichte Abstand zwischen Behälter und Doppelmantel.

Der Nachweis des Kragens (closure)  ist bei ASME je nach Konstruktion und Schweißtechnik über Plattengleichungen geregelt.

Da an den Übergängen von Kragen zum Mantel  relevante  Biegespannungen auftreten und zudem per Funktion ein Temperaturunterschied zwischen Behälterwand und Doppelmantelwand vorliegt, sind zur Bestimmung der Kragendicke die Ansätze von 5)  bzw. 4) zu bevorzugen.
Die TGL berücksichtigt zudem Zusatzlasten aus dem Gewichtslastfall etc.

Zur Berechnung des Ausschnittes im Behälter sollten 2 Fälle berücksichtigt werden.

  1. Der Durchmesser des Kragens ist größer als die Einflussgröße des Stutzens d1>= 2*b+da
    In diesem Falle kann der äußere Überdruck als  Atmosphärendruck eingesetzt werden.Als innerer Überdruck wäre der zulässige Behälterinnendruck ohne Zuschlag für Vakuum im Doppelmantel anzusetzen. 
  2. Der Durchmesser des Kragens ist kleiner als die Einflussgröße des Stutzens. Am Kragen treten jetzt die erhöhten Spannungen durch den Stutzen, und die erhöhten Biegespannungen durch den Druck im Doppelmantel auf.

Berechnungsvorschlag zu b:

Der Nachweis des Kragens mit den entsprechenden Schweißnähten sollte nach 4) oder 5) geführt werden, da hier auch Zusatzlasten berücksichtigt werden können.

In Anlehnung an AD B6 Definition von Beullänge l und in Anlehnung an 4)  3.2.1    ist die tatsächliche Breite b auf den Abstand zwischen Kragendurchmesser und Stutzenaußendurchmesser zu reduzieren. Eine weitere Reduktion der Breite b um 3*Wanddicke Behälter ist aus Meiner Sicht zusätzlich vorzunehmen  um  die Schweißnähte des Kragenanschlusses zu entlasten.  Der Stutzen muss dann den Bedingungen nach AD B9 dem Behälterinnendruck und dem Atmosphärendruck genügen.

Der Ausschnitt im Mantel ist bei volltragendendem Anschluss des Kragens nicht nachweispflichtig.

Die erforderliche Kragendicke wäre nach 5) und zusätzlich als Zylinder unter Außendruck zu bestimmen.

Gleiches gilt analog für  DIN EN 13445-3.

Das ASME Forum schlug zu diesem Problem vor, den Kragendurchmesser so groß zu wählen, dass er außerhalb der Einflusszone liegt und den Stutzen dann mit atmosphärischem Druck als Außendruck nachzuweisen. Dies ist für kleiner Stutzen sicherlich eine Lösung, bzw. konstruktiv notwendig.

Für das Mannloch ist dies nicht akzeptabel, da relativ viel Heiz/Kühlfläche verloren geht.

Beulnachweise sind nach ADB6 oder EN13445-3 Abschnitt 8 zu führen mit dem Doppelmantel „Innendruck + Vakuum im Behälter“  als äußeren Überdruck. Der Kragen unterbricht die Beullänge nicht.

In allen Fällen darf die Querschnittsfläche des Kragens oder Teile des Doppelmantels nicht zur Verstärkung des Ausschnittes herangezogen werden.

Vergleichsrechnung mit FEM (Siehe Zusatzdoku):

DoppelmantelFEM

Bei einer Vergleichsrechnung mit FEM wurden 3 Fälle untersucht:

  • Fall Behälter Überdruck 6 bar Mantel -1 bar
  • Fall Behälter -1 und 8 bar im Mantel
  • Fall Behälter -1 und 8bar im Mantel zusätzlich wurde der Ausschnitts Bereich mit dem max. zulässigen Druck für diese Konfiguration belastet.

Die FEM Berechnung bestätigte den Berechnungsvorschlag zu b für die oben genannte Problemstellung.

Für weitere Konfigurationen werden zusätzliche FEM Berechnungen durchgeführt.

ANHANG zu 6)   Prof. Wegener: