DE2040936B2 - Anordnung von rohren eines roehrenbuendels in einem roehrenapparat - Google Patents
Anordnung von rohren eines roehrenbuendels in einem roehrenapparatInfo
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- F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
- F28D7/00—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall
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Description
L = (1,7 bis
entspricht, wobei rden halben Rohraußendurchmes-
> ser und sdie Wanddicke darstellt.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Versteifungen aus Buchsen (4, 4')
bestehen, deren innendurchmesser der größtzulässigen
Ovalität der Rohre (1) entspricht.
3. Anordnung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Buchsen (4) in den
Leitblechen (3) angeordnet sind.
4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Buchsen (4) in den
Leitblechen (3) weitere Buchsen (4') vorgesehen sind.
Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung von dünnwandigen, unter hohem Außendruck stehenden, in
Abständen durch Leitbleche gehaltenen Rohren eines Röhrenbündels in einem Röhrenapparat.
Bekannte Röhrenapparate, 1VIe Wärmeaustauscher,
Kühler, Dampfumformer, Kontaktofen, Reaktoren u. a., enthalten ein Rohrbündel, in das eine große Anzahl bis
Eu 20 m langer, dünnwandiger Rohre eingezogen sind. Bei derartigen Röhrenapparaten werden je nach Art 4c
der Durchflußmedien zum Teil sehr hohe Anforderungen an das Korrosions- und Festigkeitsverhalten der
Werkstoffe gestellt. Beispielsweise können bei der Anwendung in Kernkraftwerken nur hochkorrosionsfeste
und zugleich hochfeste Werkstoffe, beispielsweise austenitische Stähle, INCONEL 600 oder INCOLOY
800, verwendet werden, die außerordentlich teuer sind und in der Verarbeitung höchste Ansprüche erfordern.
Aus diesem Grunde muß angesichts der großen Rohrlängen in derartigen Apparaten (bis zu 200 km) auf
größtmögliche Materialersparnis geachtet werden. Daher können bei der Bemessung der Wanddicken nicht
die Normalwanddicken entsprechend der Norm DlN 2448 angewendet werden. Unter dünnwandig ist hier
eine Wanddicke zu verstehen, die unter der Normalwanddicke entsprechend der Norm DIN 2448 liegt.
Derartige Röhrenapparate werden häufig so betrieben, daß der Innendruck in den Rohren kleiner ist als der
Außendruck.
Ferner wird in den Auslegungsvorschriften der Kernkraftwerke gefordert, daß im Störfall bei Ausbleiben
des Primärdruckes, die Rohre den sekundären Druck, also Außendruck, aufnehmen müssen.
In diesen Fällen, in denen dünnwandige Rohre unter hohem Außendruck stehen, bestehen hinsichtlich der
Sicherheit gegen ein Einbeulen der Rohre besondere Bemessungsprobleme. Nach fachmännischer Auffassune
sollte die Sicherheit derartiger Rohre nach der Gleichung (1) des AD-Merkblattes B 6, das für
zylindrische glatte Wandungen bei äußerem Überdruck gilt beurteilt werden. Die dort genannte Gleichung ist
recht kompliziert und macht einen erheblichen Rechenaufwand notwendig. Es konnte auch festgestellt werden,
daß bisher gebaute Röhrenapparate mit dünnwandigen, unter Außendruck stehenden Rohren für Kernkraftwerke
nicht dieser Gleichung entsprechen. Es ist auch vorgekommen, daß an diesen langen dünnwandigen
Rohren Zerstörungen wie z. B. Rohrrisse auftraten, die trotz durchgeführter Versuche mit anderen Rohrwerkstoffen
nicht gedeutet und abgestellt werden konnten.
Zur Abstellung dieser konstruktiven und werkstofflichen Nachteile, wodurch immer kostspielige Ausbesserangen
entstanden, oder auch zur Vermeidung von Unglücksfällen, wie beim Austreten von radioaktiver
Substanz ins Freie od. dgl., wurde nun gefunden, daß,
entgegen der bisherigen Annahme, bei langen dünnwandigen Rohren bei der Auslegung nur dann zwei
Beulwellen zugrunde gelegt werden dürfen, wenn sich die Rohrbelastung im stabilen Belastungsbereich befindet.
Das heißt, die Elastizitätsgrenze muß vor Erreichung der Fließgrenze eingenommen werden oder
mn anderen Worten, es muß erst elastisches Einbeulen und danach plastisches Verformen erfolgen. In umgekehrter
Reihenfolge, wie die nach AD Merkblatt B 6 empfohlene Rohrauslegung bisher erfolgte, kann keine
Aussage über das Einsetzen der Zerstörung unter dem Beuldruck gemacht werden.
Den grundsätzlichen Verlauf des Beuldruckes in Abhängigkeit von den Beulwellen in bisheriger Bauwei
se zeigt die Kurve a in F i g. 1. In diesem Fall handelt es
sich um lnconel-T-Rohre von 6815 mm Länge. 22 mm
Durchmesser und 1,2 mm Wanddicke. Die Werkstoffda ten bei 345°C Auslegungstemperatur betrugen für den
Werkstoffkennwert K = 34 kp/mm-, den E-Modul £=17 900 kp/mm2, die Unrundheit u= 10%. Die Rohre
sollen einen Außendruck von mindestens 67 atü aufnehmen können. Zu diesen Daten ergibt sich auf
Grurid der von dem AD-Merkblatt BIl, Ziff. 10.1. geforderten Überprüfung für das elastische Einbeulen
ein kritischer Beuldruck von 151,4 atü. Allerdings hat man dabei schon längst die Fließgrenze überschritten,
worauf bisher nicht geachtet wurde. Das plastische Verformen in diesem Fall tritt bereits nach dem
AD-Merkblatt B 6,G1.(2), bei 51 atü ein.
Somit zeigt das Beispiel, daß die bisherige Bemessung von dünnwandigen Rohren fehlerhaft ist, weil das
elastische Einbeulen erst nach dem Fließen des Materials eintreten soll und somit die Auslegung instabil
ist.
Die Erfindung geht nun von der Erkenntnis aus, daß die Beulwellenzahl /7=2 in eine Beziehung zu den
Abmessungen zu setzen und dazu die allgemein gültige, jedoch bisher nicht beachtete Regel »Elastizitätsgrenze
vor der Fließgrenze« einzuführen ist, so daß auch das elastische Einbeulen vor dem plastischen Verformen
eintreten muß. Die größte Werkstoffeinsparung erreicht man dabei, wenn man den Beuldruck aus dem
elastischen Einbeulen nur wenig über den geforderten Betriebsdruck legt und den Beuldruck aus dem
plastischen Verformen nahe an den ersteren heranlegt. Denn wenn man das plastische Verformen wesentlich
über das elastische Einbeulen legt, ist für das erstere wieder eine größere Wanddicke notwendig, und damit
erhöht sich auch wieder der Materialbedarf.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung der eingangs erörterten Art zu schaffen, bei
der die Rohre gegen elastisches bzw. plastisches Beulen gesichert sind.
Das geschieht gemäß der Erfindung dadurch, daß die dünnwandigen Rohre auf ihrer Außenseite mit Versteifungen
gegen Beulen versehen sind, deren Abstand voneinander nach
L = (1,7 bis 2,2)- j/
r3
bemessen ist wobei r den halben Rohraußendurchmesser und s die Wanddicke darstellt Der Faktor 1,7 bis 2,2
trägt dem Sicherheitsbedürfnis und den im AD-Merkblatt B 6 geltenden Werten Rechnung.
Der Faktor in der obengenannten Formel wird in der Praxis im Bereich von 1,7 bis 2,2 so gewählt daß man
einen glatten Wert für die Versteifungslänge L erhält. Dieser Faktor ergibt sich, wenn man den praktisch
auftretenden Streubereich bei einer Annahme von 2 Beulwellen von /7= 1,85 bis 2,1 in die Beulformel einführt
— z. B. die bekannte Beulformel nach R. V. Southwell: »On the General Theory of Elastic Stability. Phil.
Trans, vol. 213 A, 1913, pp. 187-244« — und nach Differenzieren zu dem Verhältnis 7,5/n2 gelangt.
Diese Erkenntnisse beruhen auf der praktischen Erfahrung, daß die am Rohr auftretenden Beulwellen
stets ganzzahlig sind, jedoch die rechnerische Erfassung und Auswertung bei der praxisnahen Annahme von
zwei Beulwellen stets zu einer theoretischen Beulwellenzahl in dem obengenannten Streubereich führt, die
nur in einem Dezimalbruch ausgedrückt werden kann.
Als Versteifungen können beispielsweise Buchsen dienen, deren Innendurchmesser der größtzulässigen
Ovalität der Rohre entspricht. Die Buchsen können unverschiebbar in Leitblechen angeordnet sein. Zwischen
den in den Führungen angeordneten Buchsen können weitere Buchsen vorgesehen sein, wenn der
erforderliche Abstand der Versteifungen kleiner sein muß als der Abstand der Leitbleche.
Die dünnwandigen Rohre des erfindungsgemäßen Röhrenapparates sind ausreichend gegen elastisches
bzw. plastisches Beulen gesichert, wenn der angegebene Abstand der Versteifungen eingehalten ist. Der
Querschnitt und das Trägheitsmoment der Versteifungen selbst richtet sich nach der. Vorschriften des
AD-Merkblattes B 6.
Die zur Auslegung des Röhrenapparates erfindungsgemäß herangezogene Beziehung zwischen der unversteiften
Länge der Rohre und deren Außendurchmesser und Wanddicke ermöglicht die überraschend einfache
Rechnung. Hierzu sei noch einmal auf die F i g. 1 verwiesen, deren Kurve b sich aus der neu gefundenen
Beziehung ergibt. Diese Kurve hat ihr Minimum bei der Wellenzahl n=2, die im wesentlichen allein zu
berücksichtigen ist. Die Rohre sind daher auf den niedrigsten in Frage kommenden kritischen Beuldruck
ausgelegt und somit gegen Beulen und Verformen ausreichend gesichert
Die Erfindung sei an einem Ausführungsbeispiel und der Zeichnung näher erläutert.
F i g. 1 zeigt das bereits erörterte Diagramm, in dem die Abhängigkeit des kritischen Beuldruckes von der
Wellenzahl dargestellt ist;
Fig. 2 gibt in perspektivischer Darstellung ein Rohrbündel wieder;
F i g. 3 zeigt vergrößert die Lage einer Buchse in einem Leitblech.
Das Rohrbündel eines Wärmeaustauschers ist aus einzelnen dünnwandigen Rohren 1 zusammengesetzt.
Die Rohre 1 sind in einen Rohrboden 2 eingeschweißt oder eingewalzt und in Führungen in Form eines
Gitterrostes oder eines Leitbleches 3 gegen seitliches Ausbiegen gesichert.
Gemäß der Erfindung sind die Rohre 1 auf ihrer Außenseite mit Versteifungen versehen, die aus Buchsen
4 bestehen. Der innendurchmesser dieser Buchsen 4 entspricht der größtzulässigen Ovalität der Rohre 1. Die
Buchsen 4 sind fest in den öffnungen des Leitbleches 3
angeordnet. Zwischen diesen Buchsen 4 sind weitere auf die Rohre 1 aufgeschobene Buchsen 4' vorgesehen. Aus
Gründen der Übersichtlichkeit sind diese Buchsen 4' nur auf einigen Rohren 1 in der Zeichnung dargestellt.
Der Abstand L der Buchsen 4,4' voneinander, d. h. die
unversteifte Rohrlänge, richtet sich nach der Regel gemäß Patentanspruch 1.
Im vorliegenden Fall sind ein Außendurchmesser der Rohre von D= 23 mm und ein auf die Rohre wirkender
Außendruck von p = 85 atü gegeben. Beieinei W;>nddikke
von S= 0,75 mm ergibt sich als glatter Wert für die Versteifungslänge L = 80mm, wenn man die genannte
Regel mit dem Faktor 1,785 anwendet, so daß sich
L = 1.785- / ()^ --= 8() mm
ergibt.
Mit den Werkstoffdaten für eine Betriebstemperatur
von 300° C
E-ModulE= 18 500kp/mm2
Streckgrenze k = 23,5 kp/mm-Querzahl ν = 0,3
Unrundheitu = 0,28%
Streckgrenze k = 23,5 kp/mm-Querzahl ν = 0,3
Unrundheitu = 0,28%
errechnet sich nach den amtlichen BerechnungsvorschriLen
ein kritischer Beuldruck gegen elastisches Beulen von /\r=88,7 atü (bei dreifacher Sicherheit) und
ein kritischer Druck gegen plastisches Verformen von Pir=86,2 atü (l,6facher Sicherheit). Beide Werte liegen
somit oberhalb des vorgegebenen Außendruckes von 85 atü.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen
Claims (1)
1. Anordnung von dünnwandigen, unter hohem Außendruck stehenden, in Abständen durch Leitbleehe
gehaltenen Rohren eines Rohrbündels in einem Röhrenapparat, dadurch gekennzeichnet,
daß die dünnwandigen Rohre (1) auf ihrer Außenseite mit Versteifungen (4, 4') gegen Beulen versehen
sind, deren Abstand voneinander dem Wert '
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19702040936 DE2040936C3 (de) | 1970-08-18 | Anordnung von Rohren eines Röhrenbündels in einem Röhrenapparat |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19702040936 DE2040936C3 (de) | 1970-08-18 | Anordnung von Rohren eines Röhrenbündels in einem Röhrenapparat |
Publications (3)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE2040936A1 DE2040936A1 (de) | 1972-02-24 |
DE2040936B2 true DE2040936B2 (de) | 1976-08-05 |
DE2040936C3 DE2040936C3 (de) | 1977-03-17 |
Family
ID=
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
DE2040936A1 (de) | 1972-02-24 |
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Legal Events
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C3 | Grant after two publication steps (3rd publication) | ||
E77 | Valid patent as to the heymanns-index 1977 | ||
EF | Willingness to grant licences | ||
EGA | New person/name/address of the applicant | ||
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