DE2040936C3 - Anordnung von Rohren eines Röhrenbündels in einem Röhrenapparat - Google Patents

Description

L = (1,7 bis 2,2)

entspricht, wobei r den halben Rohraußendurchmes- ■ ser und s die Wanddicke darstellt

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Versteifungen aus Buchsen (4, 4') besteben, deren Innendurchmesser der größtzulässigenOvalität 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, wie Wärmeaustauscher, Kühler, Dampfumformer, Kontaktofen, Reaktoren α a., enthalten ein Rohrbündel, in das eine große Anzahl bis zu 20 m langer, dünnwandiger Rohre eingezogen sind. Bei derartigen Röhrenapparaten werden je nach Art 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 so größtmögliche Materialersparnis geachtet werden. Daher können bei der Bemessung der Wanddicken nicht die Normalwanddicken entsprechend der Norm DIN 2448 angewendet werden. Unter dünnwandig ist hier eine Wanddicke zu verstehen, die unter der Normal· wanddicke 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 Auslegungsvorschri^f*en 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 6_;; Sicherheit gegen ein Einbeulen der Rohre besondere Bemessungsprobleme. Nach fachmännischer Auffassung 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 entsprechea Es ist auch vorgekommen, daß an diesen langen dünnv/andigen Rohren Zerstörungen wie z. 3. 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 Ausbesserungen 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 be· 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 mit 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 Beuldmck gemacht werden.

Den grundsätzlichen Verlauf des Beuldruckes in Abhängigkeit von den Beulwellen in bisheriger Bauweise zeigt die Kurve a in F i g. 1. In diesem Fall handelt es sich um Inconel-T-Rohre von 6815 mm Länge, 22 mm Durchmesser und 1,2 mm Wanddicke. Die Werkstoffdaten bei 345°C Auslegungstemperatur betrugen für den Werkstoffkennwert AT= 34 kp/mm², den E-Modul E= 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 Grund aer 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, Gl. (2), bei 51 atü ein.

ilomit 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 n=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 s voneinander nach

L = (1,7 bis 2,2)

bemessen ist, wobei r den halben Rohraußendurchmesser und s die Wanddicke darstellt Der Faktor 1,7 bis IX trägt dem Sicherheitsbedürfnis und den im AD-Merkblatt B 6 geltenden Weiten Rechnung.

Der Faktor in der obengenannten Formel wird in der Praxis im Bereich von 1,7 bis Xl 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 /1= i,85 bis 2,1 in die Beulformel einfuhrt — 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 den 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 η=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, ir. dem die Abhängigkeit des kritischen Beuldruckes von der Wellenzahl dargestellt ist;

F i g. 2 gibt in perspektivischer Darstellung ein Rohrbündel wieder;

Fig.3 zeigt vergrößert die Lage einer Buchse in einem Leitblech.

Das Rohrbündel eines Wärmeaustauschers ist aus einzelnen dünnwandigen Rohreu 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 vonp=85 atü gegeben. Bei einer Wanddikke 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

= 80 mm

ergibt.

Mit den Werkstoffdaten für eine Betriebstemperatur von300⁰C

Ε-Modul E = 18 500 kp/mm²
Streckgrenze k = 23,5 kp/mm²
Querzahl ν = 03
Unrundheit u

errechnet sich nach den amtlichen Berechnungsvorschriften ein kritischer Beuldruck gegen elastisches Beulen von P*_r=88,7 atü (bei dreifacher Sicherheit) und ein kritischer Druck gegen plastisches Verformen von /V= 86,2 atü (l,6facher Sicherheit). Beide Werte liegen somit oberhalb des vorgegebenen Außendruckes von 85 atü.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

Patentansprüche:

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 «°