Bericht im PDF-Format - ZID - Technische Universität Wien

Lebensdauer heißgehender Bauteile
Dz. Vazda
Institut für Apparate- und Anlagenbau
Technische Universität Wien
1. Allgemeines
Das Problem der Ermittlung der Kriechschäden von Druckgeräte Bauteilen ist Gegenstand zahlreicher
Forschungsvorhaben. Die (einigermaßen) zuverlässige Ermittlung der Lebensdauer heißgehender, d. h.
im Kriechbereich beanspruchter Bauteile, die Ermittlung der Auslegungslebensdauer neuer Bauteile
(für Auslegungsdaten), der laufenden Restlebensdauerüberwachung (basierend auf bekannten
Betriebsdaten und davon extrapolierten Daten) und die Herleitung von Bemessungsregeln ist Ziel der
Arbeit.
Sowohl eigene, wie auch internationale Voruntersuchungen haben gezeigt, daß die derzeit in
Regelwerken festgelegten Bemessungsformeln und die in Programmen zur Lebensdauerermittlung
zugrunde gelegten Formeln nicht nur weit streuen, sondern auch Abhängigkeiten falsch wiedergeben.
Immer wieder auftretende Schäden zeugen von der Dringlichkeit des Problems.
2. Projektdurchführung
Stichprobenartig ausgewählte Kriechsimulationen hatten gezeigt, daß die Verwendung verschiedener
üblicher Bemessungsformeln zu wesentlich unterschiedlichen Sicherheitsmargen (in der Lebensdauer)
führt – die (übliche) Verwendung dieser Formeln in Lebensdauerbestimmungsprogrammen daher
verzerrende, zum Teil überaus konservative Ergebnissen ergibt-, die Ergebnisse aber stets konservativ
sind, Schadensfälle dadurch nicht erklärbar sind.
Es wurden daher nach kurzer Zeit zwei Problemkreise parallel untersucht:
- Der Einfluß von Schweißnahtinhomogeneitäten (Stichwort mismatch)
- Die Ermittlung von Formeln, Diagrammen, Korrekturfaktoren für häufig vorkommende Bauteile
heißgehender Komponenten
Der für bestimmte Einwirkungen bedeutende, Schadensfälle erklärende Einfluß von Schweißnahtinhomogeneitäten
konnte ausführlich detailliert ermittelt werden, Einflußgrößen und ihre Auswirkung
angegeben werden [1,2].
Es konnte gezeigt werden, daß für im Druckgerätebau häufig verwendete Werkstoffe mit hochgradig
nichtlinearem Verhalten im Kriechbereich, Grenztragfähigkeitslösungen als gute Näherungen von
Kriechlösungen verwendet werden können [4] – Bemessungsformeln die von Grenztragfähigkeitslösungen
ausgehen sind auch im Kriechbereich (als gute Näherungen) verwendbar. Es wurden
daher im folgenden nur die Bauteile detaillierter untersucht, für die in Regelwerken und der Literatur
keine systematischen Lösungen vorhanden sind – ebene Böden, Stutzen in zylindrischen Mänteln
(Einzelstutzen und Stutzenreihen); bei letzteren wurden als Basis die im CEN Normenentwurf UFPV
verwendete Bemessungsformeln verwendet.
3. Ergebnisse - Zusammenfassung
Für die im Detail untersuchten Bauteile wurden Diagramme zur Ermittlung der Dehnungen – und
damit zur Ermittlung der (Rest) Lebensdauer – erstellt. Für Bauteile für die Grenztragfähigkeitslösungen
existieren, wurde deren Verwendbarkeit (als gute Näherung) aufgezeigt. Der bedeutende
Einfluß von Schweißnahtinhomogeneitäten wurde nachgewiesen.

Das Ziel für die Erstellung von Bemessungsformeln heißgehender Bauteile die Grundlagen zu
ermitteln wurde erreicht, ebenso das Ziel für die (üblichen) Lebensdauerermittlungsprogramme
Verbesserungsvorschläge zu erarbeiten. Die Zahl der Einflußgrößen erwies sich bei einigen Details als
zu groß um alle Abhängigkeiten zu ermitteln, sodaß zum Teil nur Korrekturdiagramme zu (üblichen)
Bemessungsformeln erstellt werden konnten.
Die Untersuchungsreihe für Stutzenreihen in Zylindermänteln ist noch nicht abgeschlossen, wird aber
weitergeführt.
Die Ergebnisse sind in Institutsberichten (mit allen Details) zusammengefaßt [8 ÷ 14], ohne Details in
Zeitschriften veröffentlicht [1 ÷ 7]; ein weiterer Institutsbericht und zwei Veröffentlichungen sind in
Vorbereitung [15, 16, 17].
Die Arbeiten führten außerdem zu einer Kooperation im Rahmen eines (bewilligten) EU-Forschungsprojektes
– Design by Analysis –, sowie zu einer geplanten Fortsetzung für heißgehende Bauteile.
Aufgabe des ersten, bereits bewilligten Projektes ist die Verifikation der von uns verfaßten, im
Vorschlag EN-UFPV (für unbefeuerte Druckbehälter) enthaltenen, direkten Methode (direct route)
zum analytischen Zulässigkeitsnachweis, die Aufgabe des geplanten die Überprüfung üblicher
Bemessungsformeln im Kriechbereich.
4. Beispiele
4.1 Einfluß von Schweißnahtinhomogeneitäten
Beispielhaft zeigt Bild 1 die untersuchten Schweißnahtausführungen von Rundnähten in zylindrischen
Bauteilen unter Innendruck- und Längskrafteinwirkung (mit den verschiedenen variierten Parametern).
Der Untersuchung wurde ein Dreischichtenmodell – Grundwerkstoff, Wärmeeinflußzone, Schweißgut
– zugrunde gelegt, mit experimentell ermittelten Werkstoffgesetzen, in Form eines Bailey – Norton –
Gesetzes.
Bild 1: Schweißnahtgeometrien

Bild 2 zeigt beispielhaft die Zusammenfassung der Ergebnisse zahlreicher Simulationen: Die auf
die Vergleichsdehnung des homogenen Bauteils bezogene Vergleichsdehnung des Bauteils mit
(inhomogener) Schweißnaht in Abhängigkeit der Breite der Wärmeeinflußzone; die Kurven gelten für
zwei verschiedene an den Experimenten kalibrierten Werkstoffgesetzen (E) (S) und verschiedene
Axialkräfte. Bemerkenswert die großen Werte für große Axialkräfte: Für eine resultierende mittlere
Längsspannung gleich dem Dreifachen der mittleren Umfangsspannung (Ziffer 3) ist das Verhältnis
der Vergleichsdehnung des geschweißten Teils zu 5.0 dem ungeschweißten – der Konzentrationsfaktor
– über ....: selbst bei einer mittleren Längsspannung gleich der mittleren Umfangsspannung liegen die
Werte über 2.0
Bild 2: Konzentrationsfaktor der Vergleichsdehnung
Bild 3 zeigt untersuchte Schweißnahtgeometrien einer Zylinder-Boden-Verbindung (hohe Biegespannungen
in der Naht, geringe mittlere Axialspannung), und Bild 4 den Konzentrationsfaktor der
Vergleichsdehnung in Abhängigkeit von der Wurzelbreite; die Linienzüge entsprechen den beiden
erwähnten Werkstoffgesetzen und verschiedenen Schweißnahtformen (V, X). Bemerkenswert, daß
hier die X-Naht schlechtere Werte liefert als die V-Naht – im Unterschied zur Rundnaht im Zylinder;
allerdings sind die Werte hier insgesamt kleiner.
Bild 3: Schweißnahtgeometrien

Bild 4: Konzentrationsfaktor der Vergleichsdehnung
4.2 Typische (homogene) Bauteile
Verschiedene Beispiele der zahlreichen untersuchten Bauteile zeigen die Bilder 5 und 8: Einzel- und
Mehrfachabzweige von zylindrischen Rohren.
Bild 5: Beispiel eines isolierten Abzweiges

Die Zahl der Parameter war hier zu groß um eine einheitliche und übersichtliche Darstellung der
Ergebnisse zu ermöglichen. Es wurden daher Konzentrationsfaktoren – für Vergleichsspannungen und
Vergleichsdehnungen – bezogen auf die, mit den üblichen (normgemäßen)Bemessungsformeln dieser
Bauteile ermittelten Nennspannungen ermittelt; diese Konzentrationsfaktoren ermöglichen eine
schnelle Abschätzung z. B. der Vergleichsdehnung für normgemäß berechnete und berechnungsgemäß
ausgeführte Bauteile. Es zeigt sich, daß normgemäß (exakt) bemessene Abzweige je nach Geometrie
sowohl zu dick wie auch zu dünn sein können. Einfache Diagramme ergeben raschen Überblick.
Bild 7 zeigt beispielhaft ein Diagramm für den Dehnungskonzentrationsfaktor für einen Grundrohr-
Innendurchmesser von 1000mm und einer Grundrohr-Wanddicke von 104 mm. Auf der Abszisse ist
der Abzweig-Innenradius, auf der Ordinate die Abzweig-Wanddicke aufgetragen, die Schichtenlinien
entsprechen verschiedenen Werten der Konzentrationsfaktoren – Werte über 3.0 sind für einen
normgemäß berechneten, exakt ausgeführten Bauteilen – Wanddicke gleich rechnerischer Wanddicke
– unsicher, Werte unter 3.0 entsprechen (unnötig) zu dicken Ausführungen.
5. Literatur
Bild 6: Beispiel Mehrfachabzweig
1) Vazda, D.: On concentration effects in circumferential welds due to dissimilar creep properties.
Int. J. Pres. Ves. & Piping, Vol. 73 No. 2, 1997
2) Vazda, D.: On concentration effects in flat end to cylindrical shell weld seams due to dissimilar
creep properties. Int. J. Pres. Ves. & Piping, Vol. 74 No. 2, 1997

3) Preiss, R.: Stress concentration factors of flat end to cylindrical shell connections with a fillet or
stress relief groove subjected to internal pressure. Int. J. Pres. Ves. & Piping, Vol. 73 No. 3, 1997
4) Preiss, R.; Rauscher, F.; Vazda, D.; Zeman, J.L.: The Flat End to Cylindrical Shell
Connection – Limit Load and Creep Design. Int. J. Pres. Ves. & Piping
5) Poth, W.; Zeman, J.L.: Die Grenztragfähigkeit der Zylinder-Kegel-Verbindung unter
Innendruckeinwirkung. Konstruktion 48, 1996
6) Zeman, J.L.: Ratcheting limit of flat end cylindrical shell connections under internal pressure.
Int. J. Pres. Ves. & Piping, Vol.68 No.3, 1996
7) Zeman, J.L.: Some aspects of the work of the European working groups relating to basic pressure
vessel design. Int. J. Pres. Ves. & Piping, Vol. 70 No. 1, 1997
8) Vazda, D.: Der Einfluß der Schweißnahtgeometrie auf Spannungs- u. Dehnungskonzentrationen in
Rundnähten heißgehender Bauteile. Institutsbericht Nr. 6, 1997
9) Preiss, R.: Spannungserhöhungsfaktoren für die Verbindung Zylindermantel - ebener Boden mit
Übergangsradius oder Entlastungnut. Institutsbericht Nr. 8, 1997
10) Vazda, D.: Der Einfluß der Schweißnahtgeometrie auf Spannungs- u. Dehnungskonzentrationen in
Anschlußnähten heißgehender ebener Böden mit Entlastungsnut. Institutsbericht Nr. 9,1997
11) Vazda, D.: Simulationen des Kriechverhaltens ebener Böden. Institutsbericht Nr. 10, 1997
12) Preiss, R.; Rauscher, F.; Vazda, D.; Zeman, J.L.: Verbindung Zylindermantel-ebener Boden:
Analyse des Verhaltens an der Tragfähigkeitsgrenze und im Sekundärbereich.
Institutsbericht Nr. 11, 1997
13) Vazda, D.: Dehnungs- Konzentrationsfaktoren an Stutzen- Zylinder Verbindungen unter
Innendruck-Einwirkung im Kriechbereich Reihe 1, Institutsber. Nr.12, 1998
14) Vazda, D.: Dehnungs- Konzentrationsfaktoren an Stutzen- Zylinder Verbindungen unter
Innendruck-Einwirkung im Kriechbereich Reihe 2, Institutsber. Nr.14, 1998
15) Dehnungs-Konzentrationsfaktoren für Stutzen in Zylindern mit gegenseitiger Beeinflussung
(Institutsbericht im "Druck")
16) Creep Strain Concentation Factors of Isolated Cylinder-Nozzle-Intersections (Arbeitstitel)
17) Creep Strain Concentration Factors of Non-Isolated Cylinder-Nozzle-Intersections (Arbeitstitel)
18) Zeman, J.L.; Preiss, R.: The deviatoric map-a simple tool in Design by Analysis (in print)