Rohrspannungsberechnung

Die Regelwerke für Rohrleitungen vergleichen nicht eine einzige Vergleichsspannung mit einem einzigen Grenzwert. Sie führen getrennte Nachweise für verschiedene Arten von Lasten, weil diese auf verschiedene Weise zum Versagen führen: Druck und Gewicht durch plastisches Versagen bei einmaliger Überlast, Wärmedehnung durch Ermüdung über viele Lastwechsel.

Die Rohrspannungsberechnung ist deshalb eine Reihe von Nachweisen, jeder mit eigener Lastkombination und eigenem zulässigen Wert. Eine Leitung ist erst nachgewiesen, wenn alle erfüllt sind.

Ständige Lasten: Die Längsspannungen aus Innendruck und Gewicht werden mit der zulässigen Spannung bei Betriebstemperatur verglichen – in ASME B31.3 lautet der Nachweis SL ≤ Sh.

Gelegentliche Lasten: Zu den ständigen Lasten kommen Wind, Erdbeben oder die Kräfte eines abblasenden Sicherheitsventils. Weil sie nur kurz wirken, ist der Grenzwert erhöht; ASME B31.3 lässt das 1,33-Fache von Sh zu.

Wärmedehnung: Bewertet wird die Schwingbreite der Spannung zwischen den Temperaturzuständen. Der Grenzwert nach ASME B31.3 lautet SA = f · (1,25 · Sc + 0,25 · Sh), wobei Sc und Sh die zulässigen Spannungen im kalten und im warmen Zustand sind. Der Faktor f berücksichtigt die Zahl der Lastwechsel und beträgt bis 7000 Lastwechsel 1,0.

EN 13480-3 ist gleich aufgebaut – ständige Lasten, ständige und gelegentliche Lasten, Spannungsschwingbreite, dazu ein eigener Nachweis im Zeitstandbereich –, verwendet aber eigene Formelzeichen und Beiwerte.

Das Balkenmodell liefert an jedem Knoten die Biege- und Torsionsmomente für jeden Lastfall. Die Biegespannung ergibt sich aus dem resultierenden Moment geteilt durch das Widerstandsmoment des Rohrquerschnitts. An Bögen, T-Stücken und Abzweigen wird das Moment mit dem Spannungserhöhungsfaktor des Bauteils multipliziert.

Hinzu kommt die Längsspannung aus dem Innendruck. Das Verhältnis von berechneter zu zulässiger Spannung ist die Ausnutzung; sie wird für jeden Knoten und jeden Nachweis ausgewiesen.

Spannungen aus behinderter Wärmedehnung begrenzen sich selbst. Beim ersten Aufheizen kann der Werkstoff an hoch beanspruchten Stellen örtlich fließen; danach pendelt die Leitung elastisch zwischen ihrem kalten und ihrem warmen Zustand. Schädigend ist nicht die Höhe der Spannung in einem der beiden Zustände, sondern der Unterschied zwischen ihnen und die Zahl der Wiederholungen.

Daraus folgt zweierlei. Die Schwingbreite wird zwischen dem kältesten und dem heißesten Zustand gebildet, den die Leitung planmäßig erreicht – nicht nur zwischen Montage und Normalbetrieb. Und eine Vorspannung bei der Montage ändert die Schwingbreite nicht; sie verschiebt nur, in welchem Zustand die Kräfte auftreten.

Fehler in der Rohrspannungsberechnung entstehen selten in der Formel und fast immer in der Lastannahme.