Rohrklassen nach ASME B31.3 berechnen

B31.3 „Process Piping“ ist ein Teil des ASME-Codes für Druckrohrleitungen. Er behandelt Rohrleitungen in Raffinerien, Chemie- und Pharmaanlagen, in der Papier- und Halbleiterindustrie, in Tieftemperaturanlagen und verwandten Prozessanlagen. Für Kraftwerksrohrleitungen gibt es mit B31.1 ein eigenes Regelwerk.

In Europa begegnet man B31.3 vor allem dort, wo ein internationaler Betreiber oder ein Lizenzgeber es vorgibt – oder wo eine Anlage für den Export geplant wird. Die Rohrklasse ist in dieser Welt das zentrale Dokument: Die „Piping Material Specification“ legt je Klasse alle Bauteile fest, auf die sich Isometrien und Stücklisten beziehen.

Bevor gerechnet wird, ist der Fluid Service festzulegen – und das ist nach B31.3 Sache des Betreibers. Von dieser Einstufung hängen Werkstoffauswahl, zulässige Bauteile und Prüfumfang ab.

B31.3 gibt die zulässige Spannung S nicht als Formel vor, die der Anwender mit Kennwerten füllt, sondern als Tabelle: Für jeden zugelassenen Werkstoff stehen die Werte in Abhängigkeit von der Temperatur im Anhang A. Unterhalb des Kriechbereichs gehen sie im Kern auf ein Drittel der Zugfestigkeit und zwei Drittel der Streckgrenze zurück.

Für das gerade Rohr unter Innendruck gilt nach Abschnitt 304.1.2:

t = P · D / (2 · (S · E · W + P · Y))

P ist der Auslegungsdruck, D der Außendurchmesser, E der Qualitätsfaktor der Rohrnaht – 1,0 für nahtlose, 0,85 für elektrisch widerstandsgeschweißte Rohre –, 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 Durchmessers ist.

Die geforderte Mindestwanddicke ist tm = t + c. In c stecken Korrosions- und Erosionszuschlag sowie mechanische Zuschläge, etwa die Gewindetiefe. Danach ist die Herstelltoleranz des Rohrs zu berücksichtigen: Viele nahtlose Rohre nach ASTM-Spezifikation dürfen die Nennwanddicke um 12,5 Prozent unterschreiten, die Nennwanddicke muss also mindestens tm / 0,875 betragen.

Rohrmaße stehen in ASME B36.10M für Stahlrohre und in B36.19M für nichtrostende Rohre. Die Nennweite heißt NPS und wird in Zoll angegeben, die Wanddicke über eine Schedule-Nummer oder eine Gewichtsklasse – STD, XS, XXS. Schedules mit dem Zusatz S, etwa 10S oder 40S, gehören zur Reihe der nichtrostenden Rohre.

Die Schedule-Nummer ist eine Bezeichnung, kein Maß. NPS 2 in Schedule 40 hat 3,91 mm Wanddicke, NPS 6 in Schedule 40 hat 7,11 mm. Eine Rohrklasse nennt deshalb für jede Nennweite die Schedule – und sie kann innerhalb einer Klasse wechseln, weil die Rechnung bei kleinen Nennweiten ein anderes Ergebnis hat als bei großen. Typisch ist eine dickere Schedule bei kleinen Nennweiten, wo Gewinde, Muffenschweißungen und mechanische Robustheit zählen.

ASME B16.5 regelt Flansche bis NPS 24 in den Druckstufen Class 150 bis Class 2500; darüber gilt B16.47. Wie bei der PN-Stufe ist die Class eine Bezeichnung: Ein Flansch Class 150 aus unlegiertem Stahl der Werkstoffgruppe 1.1 trägt bei Umgebungstemperatur 19,6 bar, einer in Class 300 trägt 51,1 bar – und mit steigender Temperatur jeweils weniger.

Die Druck-Temperatur-Tabellen der B16.5 sind nach Werkstoffgruppen geordnet. Für eine Rohrklasse wird die Kurve der gewählten Gruppe mit dem Einsatzbereich verglichen; in der Regel bestimmt sie die Grenze der Klasse, nicht die Rohrwand.

Zum System gehören weitere Maßnormen, auf die B31.3 verweist: B16.9 für Einschweißformstücke, B16.11 für geschmiedete Muffen- und Gewindeformstücke, B16.20 und B16.21 für Dichtungen, B16.34 für Armaturen. Bauteile nach diesen gelisteten Normen gelten innerhalb ihrer Druck-Temperatur-Grenzen als nachgewiesen.

Eine Anlage, die in der Europäischen Union in Betrieb geht, unterliegt der Druckgeräterichtlinie 2014/68/EU – gleichgültig, nach welchem Regelwerk gerechnet wurde. ASME B31.3 ist nicht harmonisiert. Wer danach auslegt, muss gesondert zeigen, dass die grundlegenden Sicherheitsanforderungen der Richtlinie erfüllt sind.

In der Praxis betrifft das vor allem drei Punkte: die Werkstoffe, für die ohne harmonisierte Norm ein Einzelgutachten nötig wird, die Prüfbescheinigungen und die Druckprüfung, deren Prüfdruck die Richtlinie eigenständig festlegt. Eine Rohrklasse für ein solches Projekt nennt deshalb beide Bezüge – und ist an beiden geprüft.

Die häufigste Fehlerquelle ist das Mischen der Systeme: ein EN-Werkstoff mit ASME-Spannungen, ein PN-Flansch an einem Rohr nach Schedule, ein Verbindungsbeiwert aus der einen Welt in der Formel der anderen. Beide Regelwerke sind in sich geschlossen. Die zulässige Spannung, die Beiwerte, die Zuschläge und der Prüfumfang sind aufeinander abgestimmt und nur gemeinsam gültig.

Wo eine Anlage beide Welten berührt – eine ASME-Einheit in einem europäischen Werk –, wird die Grenze festgelegt: an welchem Flansch, mit welchem Übergangsstück, und welche Klasse auf welcher Seite gilt.