Rohrwanddickenberechnung

Die Rohrwanddickenberechnung beantwortet eine einzige Frage: Wie dick muss die Wand sein, damit das Rohr den Innendruck bei Berechnungstemperatur dauerhaft trägt? Das Ergebnis ist eine Mindestwanddicke ohne jeden Zuschlag.

Sie sagt nichts über Lasten aus Eigengewicht, behinderter Wärmedehnung oder Anschlusskräften – das ist Aufgabe der Rohrstatik. Sie gilt auch nicht für Außendruck oder Vakuum, wo das Rohr einbeulen kann, und nicht ohne Weiteres für Bögen, Abzweige und Reduzierungen: Für diese Bauteile enthalten die Regelwerke eigene Berechnungsregeln.

Für das gerade Rohr unter Innendruck gibt EN 13480-3 bei einem Durchmesserverhältnis Außen- zu Innendurchmesser bis 1,7 an:

e = pc · Do / (2 · f · z + pc)

Darin ist e die Mindestwanddicke, pc der Berechnungsdruck, Do der Außendurchmesser, f die Auslegungsspannung des Werkstoffs bei Berechnungstemperatur und z der Verbindungsbeiwert der Schweißnaht. Druck und Spannung stehen in derselben Einheit, üblicherweise N/mm²; 1 bar entspricht 0,1 N/mm².

Die Auslegungsspannung f folgt aus den Festigkeitskennwerten der Werkstoffnorm. Für nicht austenitische Stähle im zeitunabhängigen Bereich ist sie der kleinere Wert aus der Warmstreckgrenze geteilt durch 1,5 und der Zugfestigkeit geteilt durch 2,4. Im Zeitstandbereich gelten zeitabhängige Kennwerte. Der Verbindungsbeiwert z ist 1 für nahtlose Rohre und für Schweißnähte, deren Güte vollständig durch Prüfung belegt ist; bei stichprobenweiser zerstörungsfreier Prüfung beträgt er 0,85, bei reiner Sichtprüfung 0,7.

Bestellt wird nie die rechnerische Mindestwanddicke. Hinzu kommen der Zuschlag c0 für Korrosion und Erosion über die Lebensdauer, der Betrag c1 der zulässigen Minustoleranz des Rohres und der Zuschlag c2 für die Wanddickenabnahme in der Fertigung, etwa beim Biegen oder Gewindeschneiden.

Ist die Minustoleranz als Prozentsatz x der Bestellwanddicke angegeben, wird nicht addiert, sondern geteilt: Die Bestellwanddicke muss mindestens (e + c0 + c2) · 100 / (100 − x) betragen. Gewählt wird danach die nächstgrößere genormte Wanddicke.

Ein Beispiel: Rohr 168,3 mm Außendurchmesser, Berechnungsdruck 40 bar, angenommene Auslegungsspannung 130 N/mm², nahtlos. Die Mindestwanddicke ergibt sich zu 4 · 168,3 / (2 · 130 + 4) = 2,55 mm. Mit 1 mm Korrosionszuschlag und 12,5 Prozent Minustoleranz sind (2,55 + 1,0) / 0,875 = 4,06 mm zu bestellen – gewählt wird die Normwanddicke 4,5 mm.

ASME B31.3 verwendet für das gerade Rohr unter Innendruck die Gleichung t = P · D / (2 · (S · E · W + P · Y)). S ist die zulässige Spannung aus den Tabellen des Regelwerks, E der Qualitätsfaktor der Naht, W der Abminderungsfaktor für Schweißnähte bei hohen Temperaturen und Y ein Beiwert, der für duktile Stähle bis 482 °C mit 0,4 angesetzt wird, solange die Wanddicke kleiner als ein Sechstel des Außendurchmessers ist.

Die Formeln sehen verwandt aus, die Ergebnisse sind es nicht zwingend: Beide Regelwerke leiten die zulässige Spannung unterschiedlich her. Ein Nachweis wird deshalb vollständig nach einem Regelwerk geführt – mit dessen Werkstoffkennwerten, dessen Beiwerten und dessen Zuschlägen.

Die Rechnung ist kurz, die Fehler sitzen in den Eingangswerten.