TRD 508 Anlage 1 - TR Dampfkessel 508 Anlage 1

2.1 Auslegungsberechnung

Die Auslegungsberechnung nach den TRD der Reihe 300 dient dem Nachweis der ausreichenden Bemessung für die vorgegebenen Betriebsverhältnisse (Auslegungsdaten, Betriebszeit und Wechselbeanspruchung). Die entsprechenden Werte sind jeweils in Zeile 1 von Tafel 2 eingetragen.

2.2 Berechnung der Lebensdauer bei Zeitstandbeanspruchung

Die Berechnung der Lebensdauer bei Zeitstandbeanspruchung gibt vorausschauend einen ersten Aufschluß über die rechnerische Lebensdauer der Bauteile. Sie geht von den im Betrieb gemessenen Drücken und Temperaturen und möglichst von der gemessenen kleinsten, für die Dimensionierung des Bauteils maßgebenden Wanddicke aus und läßt Schwachstellen erkennen. Die Auswertung erfolgt nach Tafel 2.

Es werden die Zeitpunkte Z₀ und Z_B errechnet Zu ergibt sich nach Bild 1 durch den Schnittpunkt der Betriebsspannungslinie _gB mit der unteren Grenzkurve des Streubandes der Zeitstandfestigkeit für die Betriebstemperatur (0,8 und bezeichnet den Zeitpunkt, von dem ab mit Schädigungen gerechnet werden muß.

2.3 Berechnung der Erschöpfung bei Zeitstandbeanspruchung

Die Berechnung der Erschöpfung bei Zeitstandbeanspruchung ist ein Verfahren, das zurückschauend die bisherige Betriebsweise berücksichtigt. Es wird für hochbeanspruchte Bauteile anhand der gemessenen Betriebstemperaturen und Betriebsüberdrücke durchgeführt. Falls der letztere Einfluß nicht berücksichtigt wird, ist der für 100 % Last maßgebliche Betriebsüberdruck anzusetzen.

Mit diesem Verfahren wird eine Aussage darüber möglich, ob die bisherige Betriebsweise gegenüber den vorgegebenen Betriebsverhältnissen zu einer Erhöhung oder Verminderung der Lebensdauer führt und wann besondere Prüfungen oder ein Auswechseln des Bauteils erforderlich sind (siehe Abschnitt 4.3 und Abschnitt 5 der TRD 508).

Die Erschöpfung e_z wird mit Hilfe der verfahrenen Betriebszeiten und der Zeiten der rechnerischen Bauteillebensdauer gebildet Vom Betreiber werden hierzu die Betriebszeiten, die zugehörigen Temperaturen und die zugehörigen Drücke, eingeteilt in Klassen, zusammengestellt Auf die Klasseneinteilung kann bei zeitgleicher Aufzeichnung dieser Betriebswerte und bei deren Auswertung mittels Datenverarbeitungsanlagen verzichtet werden, wenn das verwendete Programm von einem Sachverständigen überprüft worden ist. Die Auswertungsergebnisse müssen nachprüfbar sein.

Aus dem Vollastbetriebsdruck bzw. dem die Klasse repräsentierenden mittleren Druck jeder Druckklasse wird entsprechend der Auslegungsberechnung die höchste Spannung (2)für das jeweilige Bauteil ermittelt.

Jeder Temperaturklasse wird eine repräsentative mittlere Klassentemperatur unter Berücksichtigung eines Temperaturzuschlages für Meßunsicherheiten und für Temperaturschieflage (siehe TRD 300) als mittlere Wandtemperatur zugeordnet. Aus dieser und der ermittelten Spannung ist analog zu Abschnitt 2.2 die Zeit

zu bestimmen. Der Zuwachs an Erschöpfung beträgt

Die Zeitstanderschöpfung während des Auswertungszeitraumes ergibt sich aufgrund der linearen Lebensdaueranteilregel durch Summieren der für alle Temperatur- und gegebenenfalls Druckklassen ermittelten Werte e₂

2.4 Berechnung der Erschöpfung bei Wechselbeanspruchung

Die Berechnung der Erschöpfung wechselbeanspruchter Bauteile ist ein Verfahren, das die wechselnde Betriebsbeanspruchung, besonders beim An- und Abfahren, berücksichtigt (TRD Reihe 309). Diese Beanspruchung wird für die hochbeanspruchten Bauteile (3) ermittelt. Sie setzt sich aus der mechanischen Spannung und der Wärmespannung zusammen.

Die Spannungen werden anhand der gemessenen Wandtemperaturdifferenzen (4) und Betriebsüberdrücke beurteilt. Mit diesem Verfahren wird eine Aussage darüber möglich, ob die tatsächliche wechselnde Betriebsweise gegenüber den vorgegebenen Betriebsverhältnissen zu einer Erhöhung oder Verminderung der Lebensdauer führt und wann besondere Prüfungen oder ein Auswechseln des Bauteils erforderlich sind (siehe Abschnitt 4.3 und Abschnitt 5 der TRD 508).

Die Erschöpfungsberechnung von wechselbeanspruchten Bauteilen wird gemäß den TRD der Reihe 300 durchgeführt.

Aus dem Verlauf der Betriebsüberdrücke, Betriebstemperaturen und Wandtemperaturdifferenzen wird die Wechselerschöpfung ermittelt. Für alle erschöpfungsbestimmenden Lastwechsel ist die reduzierte Spannungsschwingbreite äa und die Spannungsschwingbreite s_i entsprechend TRD 301 Anlage 1 zu bestimmen. Zusammen mit der Temperatur* ist die Anrißlastwechselzahl _i aus Bild 8, TRD 301 Anlage 1, zu entnehmen oder mit dem die Kurvenschar beschreibenden Formelsatz zu berechnen. Lastwechsel, deren Schwingbreite kleiner als die Dauerwechselfestigkeit ist, brauchen nicht ausgewertet zu werden.

Der Zuwachs an Wechselerschöpfung (Einzelerschöpfung) beträgt dann in Prozent

und die gesamte Wechselerschöpfung im Zeitpunkt der Nachrechnung

	mit i = 1, 2, ..., Anzahl der ausgewerteten Lastwechsel	(4)

Zur Vereinfachung dürfen hierbei die Spannungsschwingbreiten 2 _a und die zugehörigen Temperaturen * entsprechend Tafel 4 in Klassen zusammengefaßt werden. Die Auswertung ist dann mit den die jeweilige Klasse repräsentierenden mittleren Werten durchzuführen.

Zur Abschätzung des Erschöpfungsgrades von wechselbeanspruchten Bauteilen darf das nachfolgend beschriebene Verfahren angewendet werden. Hierbei wird von der Anzahl n_k der im Auswertungszeitraum angefallenen Lastwechsel, insbesondere derjenigen der An- und Abfahrten, eingeteilt in Klassen von Schwingbreiten der maximalen Wandtemperaturdifferenzen

ausgegangen und als zugehörige Druckdifferenz p der Vollastbetriebsdruck verwendet (siehe Tafel 5).

Für jede so gebildete Klasse wird mit den oberen Grenzwerten der Temperaturschwingbreite entsprechend TRD 301 Anlage 1 die Spannungsschwingbreite s_i wie folgt berechnet:

Zu diesem s_i ist die Spannungsschwingbreite 2 _a zu bilden und hiermit die Anrißlastwechselzahl

zu ermitteln. Der Zuwachs der Wechselerschöpfung (Teilerschöpfung e_w,k) der betrachteten Lastwechselklasse beträgt dann in Prozent

Die gesamte rechnerische Erschöpfung bei Wechselbeanspruchung e_w ergibt sich nach der linearen Schädigungsakkumulationshypothese aus den Teilerschöpfungen e_w,k zu

Der Betreiber stellt zur Auswertung der Betriebsdaten die für die Erschöpfungsberechnung maßgebenden Lastwechsel zusammen. Diese Zusammenstellung erfolgt entsprechend Tafel 4, Tafel 5 oder in einer anderen nachprüfbaren Weise.

2.5 Ermittlung der Gesamterschöpfung bei Zeitstand- und Wechselbeanspruchung

Die Gesamterschöpfung wird zunächst durch Überlagerung der Erschöpfungen aus Zeitstand- und Wechselbeanspruchung errechnet

e = e_z + e_w

Ob und in welchem Verhältnis eine additive Verknüpfung der Teilerschöpfungen gerechtfertigt ist, bedarf noch eingehender Untersuchung.

2.6 Zusätzliche Festlegungen bei automatischer Datenerfassung und Berechnung mittels EDV-Anlagen

Bei Automatisierung der rechnerischen Verfolgung der Erschöpfung ist zusätzlich folgendes zu beachten:

1. a

   Der Zeitzyklus, in dem die Meßstellen abgefragt werden, ist so zu wählen, daß instationäre Vorgänge genügend genau erfaßt werden.

2. b

   Die Erschöpfungsberechnung kann fortlaufend mit dem Erfassen der Meßwerte oder zyklisch mit aufgezeichneten Daten erfolgen.

3. c

   Bei Ausfall einzelner Meßstellen oder der gesamten Anlage sind diese Ausfallzeiten zu dokumentieren.

4. d

   Zur Kontrolle der Datenerfassung und -verarbeitung sind geeignete Maßnahmen vorzusehen.

2.7 Beispiele

2.7.1 Die Beispiele beziehen sich auf eine manuelle rechnerische Verfolgung der Erschöpfung. Bei automatischer Verfolgung mit EDV-Anlagen kann ähnlich verfahren werden.

2.7.2 Berechnung der Lebensdauer bei Zeitstandbeanspruchung Die Berechnung der Lebensdauererwartung bei Zeitstandbeanspruchung kann anhand der Tafel 2 erfolgen. Für einige Bauteile sind die entsprechenden Werte eingetragen.

2.7.3 Erschöpfungsberechnung bei Zeitstandbeanspruchung Die Berechnung der Erschöpfung bei Zeitstandbeanspruchung kann anhand der Tafel 3 für den Vollastbetriebsdruck oder für unterschiedliche Druckstufen durchgeführt werden.

2.7.4 Erschöpfungsberechnung bei Wechselbeanspruchung

Die Berechnung der Erschöpfung durch Wechselbeanspruchung kann anhand von Tafel 4 durchgeführt werden. Für jede Klasse (2 a·*) sind eingetragen: die im Auswertungszeitraum aufgetretenen Lastwechsel nk des Bauteils die die Klasse repräsentierende Anrißlastwechselzahl nk nach Bild 8 der TRD 301 Anlage 1 bzw. nach dem entsprechenden Formelsatz.

Das Verhältnis beider Zahlen ist die aus den Lastwechseln dieser Klasse folgende Erschöpfung e_w,k. Die Summe aller e_w,k für eine Spalte ist jeweils darunter und die gesamte Erschöpfung e_w rechts daneben angegeben.

Symbol	Berechnungsgröße	Einheit
c1	Zuschlag zur Wanddicke zur Berücksichtigung von Wanddickenunterschreitungen	mm
d	Durchmesser	mm
dm	mittlerer Durchmesser	mm
e	rechnerische Gesamterschöpfung	%
ew	rechnerische Erschöpfung bei Wechselbeanspruchung	%
ew,i	Zuwachs an Wechselerschöpfung (Einzelerschöpfung)	%
ew,k	Zuwachs an Erschöpfung aus Lastwechseln je Klasse im Auswertungszeitraum	%
ez	rechnerische Erschöpfung bei Zeitstandbeanspruchung	%
ez,k	Zuwachs an Zeitstanderschöpfung je Klasse im Auswertungszeitraum	%
i	Anrißlastwechselzahl für einen Lastwechsel (2 , *)	-
nk	Anzahl der in der Klasse k angefallenen Lastwechsel	-
k	Anrißlastwechselzahl in der Klasse k	-
p	Betriebsdruck	bar
sb	Berechnungswanddicke nach TRD 301 Anlage 1, Abschnitt 1.2	mm
se	ausgeführte Wanddicke	mm
e	minimale ausgeführte Wanddicke	mm
e	maximale ausgeführte Wanddicke	mm
	Temperaturänderungsgeschwindigkeit bei Anfahrbeginn	K/min
'	Temperaturänderungsgeschwindigkeit bei Anfahrende	K/min
	Elastizitätsmodul bei *	N/mm2
	Mittelwert der Zeitstandfestigkeit für 10000 Stunden bei der Betriebstemperatur	N/mm2
	Mittelwert der Zeitstandfestigkeit für 100000 Stunden bei der Betriebstemperatur	N/mm2
	Mittelwert der Zeitstandfestigkeit für Z Stunden bei der Betriebstemperatur	N/mm2
Z	Zeit	h
Z0	Betriebszeit bis zum Beginn besonderer Überwachungsmaßnahmen	h
ZB	rechnerische Bauteillebensdauer	h
	Betriebszeit bei der Betriebstemperatur 8 und dem Betriebsüberdruck p	h
	rechnerische Bauteillebensdauer bei der Betriebstemperatur und dem Betriebsüberdruck p	h
m	Formzahl für Membranspannungen	-
	Formzahl für Wärmespannungen	-
ßLS	differentieller linearer Wärmeausdehnungskoeffizient bei *	1/K
	Wandtemperatur (Mediumtemperatur plus Zuschlag für Temperaturschieflage)	°C
i	Temperatur an der Innenwand	°C
M	Mediumtemperatur	°C
m	mittlere Wandtemperatur	°C
z	zulässige Mediumtemperatur zur Erreichung einer Lebensdauer von 200000 h bei Spannung	°C
*	maßgebende Temperatur	°C
v	Querdehnzahl 0,3 für Stahl	-
2a	zu vergleichende Spannungsschwingbreite	N/mm2
	mittlere Spannung infolge Innendruck	N/mm2
gB	Betriebsspannung	N/mm2
p	Druckschwingbreite	N/mm2
	Wandtemperaturdifferenz ( =m - i)	K
i	vorhandene Spannungsschwingbreite	N/mm2
	Schwingbreite der maximalen Wandtemperaturdifferenzen beim An- und Abfahren	K
1	Absolutbetrag der maximalen Wandtemperaturdifferenz beim Anfahren	K
2	Absolutbetrag der maximalen Wandtemperaturdifferenz beim Abfahren	K

1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15	16	17	18
Lfd. Nr. oder Pos. Nr.	Bauteil Werkstoff			d		se e	se-c1 e	p	M			z	zB		'
				mm		mm	mm	bar	°C	°C	N/mm2	°C	103 h	°C/min	°C/min	°C	°C
1	HD-Leitung 13 Cr Mo 44	m	A	292,0	a	24,0	21,0	75,5	525	530	48,7	526	208	58,0	70,6	25,7	31,3
			B	291,9	a	24,9	24,8	74,5	525	530	40,1	533	378
2	Ü2-Sammeltopf 13 Cr Mo 44	n	A	419,0	a	39,0	39,0	75,5	510	525	56,3	509	186	21,6	27,1	25,3	31,7
			B	418,0	a	39,9	39,5	74,5	525	540	55,8	509	64
3	Ü2-Austritt-Ltg. 13 Cr Mo 44	n	A	241,0	a	20,0	17,5	75,5	510	525	48,2	516	304	83,5	101,5	25,7	31,2
			B	242,3	a	22,8	22,0	74,5	525	540	37,4	525	205
4	Ü2-Austr.-Sam. 16 Cr Mo 44	n	A	250,0	i	28,0	28,0	75,5	510	525	47,1	517	329	42,8	51,7	25,8	31,2
			B	312,8	a	30,6	30,0	74,5	525	540	43,8	5191	132
7	Formstück a.Regl. 20 Mo 3	m	A	225,0	i	20,0	20,0	80,4	460	465	86,6	480	> 500	67,2	99,4	20,7	30,6
			B	268,7	a	22,1	21,3	79,4	470	475	82,8	482	> 500
11	Ü1-Austr.-Ltg. 15 Mo 3	n	A	241,0	a	16,0	14,0	80,4	460	475	65,2	481	> 500	111,2	149,9	21,9	29,4
B				240,8	a	15,3	14,0	79,4	470	485	64,3	482	> 500
12	Ü1-Austr.-Sam. 20 Mo 3	n	A	250,0	i	22,0	22,0	80,4	460	475	67,0	480	> 500	58,6	79,3	21,8	29,5
B	294,2	a	24,1	22,6	79,4	470	485	64,5	472	> 500

Aus- wertungs- klasse	M am Austritt aus dem Bauteil			p	m	bezogen auf mittlere Wandtemperatur	Verfahrene Betriebszeit	Erschöpfung während des Auswertungs- zeitraumes ez
	von	bis	Mittel	in bar	in °C	× 105 h	in h	in %
	1		2	3	4	5	6	7
1	< 500		<= 500	100	515,0	4,30	1250	0,29
2	500	510	505,0	100	520,0	2,60	820	0,31
3	510	515	512,5	100	527,5	1,62	6800	4,20
4	515	520	517,5	100	532,5	1,06	5760	5,45
5	520	525	522,5	100	537,5	0,80	610	0,76
			Summe Auswertung				15240	11,01
			Summe vor Auswertung				20000	14,00
			Gesamt				35240	25,01

Tafel 4.	Erschöpfungsberechnung bei Wechselbeanspruchung mit Klasseneinteilung 2a
	Kesselanlage:	Kraftwerk XY, Kessel-Nr. ABC, Auswertungszeitraum
	Bauteil:	ZÜ-Austr.-Sammler
	Werkstoff:	10 Cr Mo 9 10
	Vollastbetriebsüberdruck:	53,5 bar
	Vollastbetriebstemperatur:	521 ,C
	Betriebsspannung	36,6 N/mm2
	äußerer Durchmesser:	660 mm
	Wanddicke:	45 mm

2a ab (N/mm2)		* ab [°C]						ew [%]
		0	100	200	300	400	500
190	nK	3	25	333	912	1 803	617
	K	1,8 x 109	3,3 x 108	8 x 107	2 × 107	4 x 106	584000
300	nK	5	12	91	435	410	51
	K	912000	639000	406000	224000	99400	31800
390	nK	2	4	51	270	295	25
	K	233000	167000	111000	64900	31400	11400
460	nK	0	1	12	150	245	24
	K	119000	86600	58000	34500	17200	6570
510	nK	0	0	10	98	215	48
	K	82600	60400	40700	24400	12400	4860
540	nK	0	0	4	66	150	61
	K	67500	49500	33400	20200	10300	4100
560	nK	0	0	1	35	123	80
	K	58100	42600	28900	17500	8980	3610
580	nK	0	0	0	11	51	18
	K	50400	37000	25100	15300	7880	3200
Zw. Summe ew [%]	(nK/K)	0,0014	0,0054	0,1292	2,0505	8,0315	6,1030	16,324

Tafel 5	Erschöpfungsberechnung bei Wechselbeanspruchung mit Klasseneinteilung
	Kesselanlage:	Kraftwerk XY, Kessel-Nr. ABC, Auswertungszeitraum:
	Bauteil:	HD-Austr.-Sammler (Lochfeld)
	Werkstoff:	X 20 CrMoV 12 1
	Vollastbetriebsüberdruck:	200 bar
	Vollastbetriebstemperatur:	522 °C
	Betriebsspannung:	38,5 N/mm2
	äuß. Durchmesser:	340 mm
	Wanddicke:	70 mm
	Anzahl der Lastzyklen vor Auswertungszeitraum:	302
	Erschöpfung vor Auswertungszeitraum:	4,81 %

Aus- wertungs- klasse	°C		p	*	i	2 a	K	nK	ew,k bzw
	von	bis	bar	°C	N/mm2	N/mm2	X 103		ew in %
	1	2	3	4	5	6	7	8	9
1	0	30	20	400	326	426	49,00	2	0,0041
2	30	45	20	400	433	543	15,00	18	0,1200
3	45	60	20	400	540	695	600	17	0,2833
4	60	80	20	400	683	822	3,30	7	0,2121
5	80	100	20	400	826	1137	1,20	5	0,4167
6	100	120	20	400	969	1 565	0,51	3	0,5882
		Summe Auswertungszeitraum						52	1,6244
		Summe vor Auswertungszeitraum						302	4,81
		Gesamt Wechselerschöpfung						354	6,43