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Abschnitt 2 TRD 508 Anlage 1, Berechnungsverfahren
Abschnitt 2 TRD 508 Anlage 1
Technische Regeln für Dampfkessel Prüfung Zusätzliche Prüfungen an Bauteilen Verfahren zur Berechnung von Bauteilen mit zeitunabhängigen Festigkeitskennwerten (TRD 508 Anlage 1)
Bundesrecht
Titel: Technische Regeln für Dampfkessel Prüfung Zusätzliche Prüfungen an Bauteilen Verfahren zur Berechnung von Bauteilen mit zeitunabhängigen Festigkeitskennwerten (TRD 508 Anlage 1)
Normgeber: Bund
Amtliche Abkürzung: TRD 508 Anlage 1
Gliederungs-Nr.: [keine Angabe]
Normtyp: Technische Regel

Abschnitt 2 TRD 508 Anlage 1 – Berechnungsverfahren (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 ZB 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 ez 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 si 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 nk 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 si wie folgt berechnet:

Zu diesem si ist die Spannungsschwingbreite 2 a zu bilden und hiermit die Anrißlastwechselzahl

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

Die gesamte rechnerische Erschöpfung bei Wechselbeanspruchung ew ergibt sich nach der linearen Schädigungsakkumulationshypothese aus den Teilerschöpfungen ew,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 = ez + ew

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 ew,k. Die Summe aller ew,k für eine Spalte ist jeweils darunter und die gesamte Erschöpfung ew rechts daneben angegeben.

Tafel 1.Berechnungsgrößen mit Symbolen und Einheiten
SymbolBerechnungsgrößeEinheit
c1Zuschlag zur Wanddicke zur Berücksichtigung von Wanddickenunterschreitungenmm
dDurchmessermm
dmmittlerer Durchmessermm
erechnerische Gesamterschöpfung%
ewrechnerische Erschöpfung bei Wechselbeanspruchung%
ew,iZuwachs an Wechselerschöpfung (Einzelerschöpfung)%
ew,kZuwachs an Erschöpfung aus Lastwechseln je Klasse im Auswertungszeitraum%
ezrechnerische Erschöpfung bei Zeitstandbeanspruchung%
ez,kZuwachs an Zeitstanderschöpfung je Klasse im Auswertungszeitraum%
iAnrißlastwechselzahl für einen Lastwechsel (2 , *)-
nkAnzahl der in der Klasse k angefallenen Lastwechsel-
kAnrißlastwechselzahl in der Klasse k-
pBetriebsdruckbar
sbBerechnungswanddicke nach TRD 301 Anlage 1, Abschnitt 1.2mm
seausgeführte Wanddickemm
eminimale ausgeführte Wanddickemm
emaximale ausgeführte Wanddickemm
Temperaturänderungsgeschwindigkeit bei AnfahrbeginnK/min
'Temperaturänderungsgeschwindigkeit bei AnfahrendeK/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
ZZeith
Z0Betriebszeit bis zum Beginn besonderer Überwachungsmaßnahmenh
ZBrechnerische Bauteillebensdauerh
Betriebszeit bei der Betriebstemperatur 8 und dem Betriebsüberdruck ph
rechnerische Bauteillebensdauer bei der Betriebstemperatur und dem Betriebsüberdruck ph
mFormzahl für Membranspannungen-
Formzahl für Wärmespannungen-
ßLSdifferentieller linearer Wärmeausdehnungskoeffizient bei *1/K
Wandtemperatur (Mediumtemperatur plus Zuschlag für Temperaturschieflage)C
iTemperatur an der InnenwandC
MMediumtemperaturC
mmittlere WandtemperaturC
zzulässige Mediumtemperatur zur Erreichung einer Lebensdauer von 200000 h bei Spannung C
*maßgebende TemperaturC
vQuerdehnzahl 0,3 für Stahl-
2 azu vergleichende SpannungsschwingbreiteN/mm2
mittlere Spannung infolge InnendruckN/mm2
gBBetriebsspannungN/mm2
pDruckschwingbreiteN/mm2
Wandtemperaturdifferenz ( = m - i)K
ivorhandene SpannungsschwingbreiteN/mm2
Schwingbreite der maximalen Wandtemperaturdifferenzen beim An- und AbfahrenK
1Absolutbetrag der maximalen Wandtemperaturdifferenz beim AnfahrenK
2Absolutbetrag der maximalen Wandtemperaturdifferenz beim AbfahrenK

Tafel 2.Berechnung der Lebensdauer bei Zeitstandbeanspruchung und der zulässigen Temperaturänderungsgeschwindigkeiten (Vorprüfungs- und Betriebswerte)
TOPBetreiber und Kraftwerk:Kraftwerk XY Kessel: 3Herstell-Nr
 zul. BetriebsüberdruckHD: 84 barZÜ: - barBaujahr:1980
 HeißdampftemperaturHD: 525 CZÜ: - C  
 Dampfleistung:128 t/h   
123456789101112131415161718
Lfd.
Nr.
oder
Pos.
Nr.
Bauteil
Werkstoff
  d se
e
se-c1
e
p M zzB '
    mm mmmmbarCCN/mm2C103 hC/minC/minCC
1HD-Leitung
13 Cr Mo 44
mA292,0a24,021,075,552553048,752620858,070,625,731,3
   B291,9a24,924,874,552553040,1533378    
2Ü2-Sammeltopf
13 Cr Mo 44
nA419,0a39,039,075,551052556,350918621,627,125,331,7
   B418,0a39,939,574,552554055,850964    
3Ü2-Austritt-Ltg.
13 Cr Mo 44
nA241,0a20,017,575,551052548,251630483,5101,525,731,2
   B242,3a22,822,074,552554037,4525205    
4Ü2-Austr.-Sam.
16 Cr Mo 44
nA250,0i28,028,075,551052547,151732942,851,725,831,2
   B312,8a30,630,074,552554043,85191132    
7Formstück a.Regl.
20 Mo 3
mA225,0i20,020,080,446046586,6480> 50067,299,420,730,6
   B268,7a22,121,379,447047582,8482> 500    
11Ü1-Austr.-Ltg.
15 Mo 3
nA241,0a16,014,080,446047565,2481> 500111,2149,921,929,4
B   240,8a15,314,079,447048564,3482> 500    
12Ü1-Austr.-Sam.
20 Mo 3
nA250,0i22,022,080,446047567,0480> 50058,679,321,829,5
B294,2a24,122,679,447048564,5472> 500       

Sp. 3:Temperaturzusch1äge nach TRD 300 Tafel 4
 m= nicht beheizt = gemischt oder geregelt (+ 5 C)
 n= nicht beheizt (+ 15 C)
 a= gegen Feuergase abgedeckt (+ 20 C)
 b= Berührungsbeheizt (+ 35 C)
 s= Strahlungsbeheizt (+ 50 C)
Sp. 4:A= Nenn- oder Auslegungswerte
 B= Betriebs- oder Istwerte
Sp. 6:i= Innendurchmesser
 a= Außendurchmesser
Tafel 3.Erschöpfungsberechnung bei Zeitstandbeanspruchung
 Kesselanlage:Kraftwerk XY, Kessel 6 (Herstell-Nr.) Auswertungszeitraum:
 Bauteil:Verbindungsrohre Vorüberhitzer-Nachüberhitzer 90 x 8
 Inbetriebnahme:1980
 Werkstoff:13 CrMo 44
 Vollastbetriebsüberdruck:100 bar
 Mittlere Wandtemperatur:530 C
 maximale Betriebsspannung:57,5 N/mm2
 Auswertungszeitraum:von bis



Aus-
wertungs-
klasse
M
am Austritt aus dem Bauteil
p m bezogen
auf mittlere Wandtemperatur
Verfahrene Betriebszeit
Erschöpfung während des Auswertungs-
zeitraumes ez
 vonbisMittelin barin C 105 hin hin %
 1234567
1< 500<= 500100515,04,3012500,29
2500510505,0100520,02,608200,31
3510515512,5100527,51,6268004,20
4515520517,5100532,51,0657605,45
5520525522,5100537,50,806100,76
 Summe Auswertung1524011,01
 Summe vor Auswertung2000014,00
 Gesamt3524025,01

Tafel 4.Erschöpfungsberechnung bei Wechselbeanspruchung mit Klasseneinteilung 2 a
 Kesselanlage:Kraftwerk XY, Kessel-Nr. ABC, Auswertungszeitraum
 Bauteil:ZÜ-Austr.-Sammler
 Werkstoff:10 Cr Mo 9 10
 Vollastbetriebsüberdruck:53,5 bar
 Vollastbetriebstemperatur:521 ,C
 Betriebsspannung36,6 N/mm2
 äußerer Durchmesser:660 mm
 Wanddicke:45 mm
2 a ab (N/mm2)  * ab [C]ew
[%]
  0100200300400500 
190nK3253339121 803617 
  K1,8 x 1093,3 x 1088 x 1072 1074 x 106584000 
300nK5129143541051 
  K9120006390004060002240009940031800 
390nK245127029525 
  K233000167000111000649003140011400 
460nK011215024524
  K119000866005800034500172006570 
510nK00109821548 
  K82600604004070024400124004860 
540nK0046615061 
  K67500495003340020200103004100 
560nK0013512380
  K5810042600289001750089803610 
580nK000115118 
  K5040037000251001530078803200 
Zw. Summe ew [%] (nK/ K)0,00140,00540,12922,05058,03156,103016,324

Tafel 5Erschöpfungsberechnung 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 * i2 a KnKew,k
bzw
 vonbisbarCN/mm2N/mm2X 103 ew in %
 123456789
10302040032642649,0020,0041
230452040043354315,00180,1200
3456020400540695600170,2833
46080204006838223,3070,2121
5801002040082611371,2050,4167
6100120204009691 5650,5130,5882
 Summe Auswertungszeitraum521,6244
 Summe vor Auswertungszeitraum3024,81
 Gesamt Wechselerschöpfung3546,43
(1) Red. Anm.:
Außer Kraft am 1. Januar 2013 durch die Bek. vom 17. Oktober 2012 (GMBl S. 902)
(2) Amtl. Anm.:
Es handelt sich um die höchstmögliche Spannung, ermittelt auf der Grundlage der tatsächlichen Abmessungen und des hier betrachteten Druckes.
(3) Amtl. Anm.:
Siehe TRD 508 Abschnitt 2.2
(4) Amtl. Anm.:
Gegebenenfalls lassen sich die Temperaturdifferenzen auch aus dem zeitlichen Verlauf der Medientemperaturen ermitteln.