So berechnen Sie die Druckfestigkeit für dünnwandige Nickellegierungsrohre aus Legierung 825

So berechnen Sie die Druckfestigkeit für dünnwandige Nickellegierungsrohre aus Legierung 825

Für Projektleiter und Ingenieure ist die Auswahl der richtigen Rohrwanddicke eine grundlegende Aufgabe. Bei der Verwendung korrosionsbeständiger Legierungen wie Nickellegierung 825 (UNS N08825) in dünnwandigen Ausführungen – üblich zur Kosteneinsparung und Gewichtsreduktion – ist die korrekte Ermittlung der Druckfestigkeit nicht nur eine reine Berechnung, sondern eine entscheidende Risikomanagementmaßnahme.

Die Verwendung eines Rohrs mit einer falschen Druckstufe kann zu Leckagen, Rissen und katastrophalem Systemversagen führen. In dieser Anleitung werden Sie Schritt für Schritt durch die bewährten ingenieurtechnischen Formeln sowie die wesentlichen praktischen Überlegungen geführt, um den zulässigen Betriebsdruck für Ihre Anwendung zu ermitteln.

Die Kernformel: Barlowsche Formel

Für dünnwandige Rohre (bei denen die Wandstärke weniger als etwa 1/10 des Radius beträgt) ist die branchenübliche Standardformel Barlowsche Formel . Sie ist einfach anzuwenden und weltweit anerkannt für die erste Dimensionierung und die Abschätzung der Druckstufe.

Die Formel lautet:

P = (2 * S * t) / D

Wo:

• P = Innendruckstufe (psi oder MPa)

• S = Zulässiger Spannungswert des Werkstoffs (psi oder MPa)

• t = Mindestwandstärke (Zoll oder mm)

• D = Außendurchmesser des Rohrs (in Zoll oder mm)

Wichtiger Hinweis: Es ist entscheidend, den Außendurchmesser (OD) in Barlows Formel zu verwenden, da diese für Standardrohrabmessungen ausgelegt und mit diesen am genauesten ist.

Eine schrittweise Berechnungsanleitung

Wir erläutern nun Schritt für Schritt die Anwendung dieser Formel für die Nickellegierung 825.

Schritt 1: Bestimmung der zulässigen Spannung (S)

Dies ist die kritischste Variable und kein einzelner Zahlenwert. Die zulässige Spannung für Nickellegierung 825 hängt von der temperatur ihres Einsatzumfelds ab. Dieser Wert ist in dem ASME-Kessel- und Druckbehälter-Code (BPVC), Abschnitt II, Teil D, festgelegt.

Sie müssen den korrekten 'S'-Wert für Ihre maximale Betriebstemperatur nachschlagen. Hier sind Beispiele für gängige Temperaturen:

• Bei 100 °F (38 °C): S ≈ 20.000 psi (138 MPa)

• Bei 500 °F (260 °C): S ≈ 18.700 psi (129 MPa)

• Bei 800 °F (427 °C): S ≈ 14.800 psi (102 MPa)

Verwenden Sie stets den ASME BPVC, um den maßgeblichen, aktuellsten Wert für Ihr konkretes Projekt zu ermitteln.

Schritt 2: Bestätigen Sie die Rohrmaße (t und D)

Bei dünnwandigen Rohren ist Präzision entscheidend. Sie müssen die genauen Angaben kennen:

• Nennrohrgröße (NPS) und Plan (z. B. NPS 6, Schedule 5S).

• Tatsächlicher Außendurchmesser (D): Beispielsweise weist ein Rohr mit NPS 6 einen festen Außendurchmesser von 6,625 Zoll auf, unabhängig vom Schlauchplan (Schedule).

• Mindestwandstärke (t): Verwenden Sie weder die Nenn- noch die durchschnittliche Wandstärke. Sie müssen die minimum mindestwandstärke verwenden, die Fertigungstoleranzen berücksichtigt. Diese ist in Normen wie ASME B36.19M (Edelstahl- und Nickellegierungsrohre) angegeben. Bei einem dünnwandigen NPS-6-Rohr mit Schlauchplan 5S beträgt die Nennwandstärke 0,109 Zoll, die Mindestwandstärke liegt jedoch bei etwa 0,095 Zoll. Die Verwendung der Nennwandstärke in Ihrer Berechnung führt zu einer gefährlichen Überschätzung.

Schritt 3: Anwenden der Formel und Einbeziehung des Sicherheitsfaktors

Betrachten wir ein reales Beispiel.

• Rohr: NPS 6, Schlauchplan 5S, Nickellegierung 825

• Außendurchmesser (D): 6,625 Zoll

• Mindestwandstärke (t): 0,095 Zoll

• Max. Betriebstemperatur: 500 °F

• Zulässige Spannung (S): 18.700 psi

Berechnung:
P = (2 × 18.700 psi × 0,095 Zoll) ÷ 6,625 Zoll
P = 3.553 ÷ 6,625
P ≈ 536 psi

Dieses Ergebnis (536 psi) ist das theoretischer Höchstdruck den das Rohr bei dieser Temperatur aushalten könnte, bevor es plastisch verformt wird.

Schritt 4: Festlegung des zulässigen Betriebsdrucks

Der berechnete Druck beträgt nein, nicht ihr zulässiger Betriebsdruck. Ingenieurstandards schreiben die Anwendung eines konstruktions-Sicherheitsfaktors vor. Für Rohrleitungssysteme nach ASME B31.3 (Prozessrohrleitungen) legt der Standard häufig bereits einen Faktor auf die zulässige Spannung selbst an; für eine einfache Überprüfung muss jedoch ein sicherer Betriebsdruck definiert werden.

Ein gängiger Ansatz besteht darin, den berechneten Druck durch einen Sicherheitsfaktor zu teilen (z. B. 1,5 oder 4:1, je nach Anwendungsfall und unternehmensinternen Standards).

• Verwendung eines Sicherheitsfaktors von 4:1 (typisch für hydraulischen Druck):
  Zulässiger Betriebsdruck = 536 psi / 4 = 134 psi

• Ein konservativerer Ansatz (z. B. für hochzyklische oder gefährliche Anwendungen):
  Zulässiger Betriebsdruck = 536 psi / 1,5 = 357 psi

Die Auswahl des endgültigen Sicherheitsfaktors muss auf den technischen Standards Ihres Unternehmens, dem jeweils anzuwendenden Regelwerk (z. B. ASME B31.3) sowie der Bedeutung der Anwendung beruhen.

Kritische Aspekte jenseits der Formel

Eine reine Berechnung reicht nicht aus. Ein kompetenter Projektleiter muss diese realen Faktoren berücksichtigen:

1. Korrosionszuschlag: Ist Ihr Medium korrosiv? Wenn Sie eine Korrosionsrate von 0,01 Zoll pro Jahr bei einer geplanten Nutzungsdauer von 10 Jahren erwarten, müssen Sie 0,1 Zoll zum minimal erforderlichen Wanddickenmaß hinzufügen. vorher bevor Sie überhaupt mit der Berechnung beginnen. Ein dünnwandiges Rohr ist möglicherweise nicht geeignet, wenn ein erheblicher Korrosionszuschlag erforderlich ist.

2. Gewindeschneiden und Nuten: Wenn Sie das Rohr für mechanische Verbindungen gewindeschneiden oder nuten, wird die Wanddicke an der kritischsten Stelle effektiv reduziert. Bei Ihrer Berechnung ist die Dicke am Gewinderundungsboden bzw. am Grund der Nut zu verwenden, nicht die nominelle Wanddicke.

3. Externe Lasten: Die Formel berücksichtigt ausschließlich den Innendruck. Sie enthält keine Berücksichtigung von Biegespannungen, Wasserschlägen, Vibrationen, dem Gewicht des Fluids oder externen Lasten. Diese Faktoren können eine größere Wanddicke oder zusätzliche Stützungen erforderlich machen.

4. Temperatur- und Druckwechsel: Wenn Ihr System zwischen hohen und niedrigen Temperaturen/Drücken wechselt, ist die Ermüdungslebensdauer ein entscheidender Aspekt. Eine einfache statische Druckbeanspruchung reicht hier nicht aus; vielmehr ist eine detailliertere Ermüdungsanalyse erforderlich.

5. Qualität und Zertifizierung: Bei einer hochwertigen Legierung wie 825 für kritische Anwendungen stellen Sie stets sicher, dass Ihr Rohr zusammen mit einem zertifizierten Materialprüfbericht (MTR 3.1) geliefert wird und dass bei Erhalt eine positive Materialidentifikation (PMI) zur Überprüfung der chemischen Zusammensetzung durchgeführt wird.

Fazit: Ihr Handlungsplan

1. Daten sammeln: Bestätigen Sie die Flüssigkeit, max die Betriebstemperatur und max den Betriebsdruck.

2. Rohr auswählen: Wählen Sie eine Nennweite und einen Schlauchplan (Schedule).

3. Werte nachschlagen: Ermitteln Sie die zulässige Spannung (S) gemäß ASME BPVC für Ihre Temperatur sowie die minimum wanddicke (t) gemäß der Rohrnorm.

4. Berechnung: Wenden Sie Barlows Formel (P = 2St/D) an, um den theoretischen Berstdruck zu ermitteln.

5. Anwendungsfaktor: Teilen Sie das Ergebnis durch einen geeigneten Sicherheitsfaktor (z. B. 1,5 bis 4), um den zulässigen Betriebsdruck festzulegen.

6. Überprüfen: Stellen Sie sicher, dass dieser zulässige Betriebsdruck deutlich höher liegt als Ihr maximaler Betriebsdruck und dass Korrosion, Gewinde und andere Absenkungsfaktoren berücksichtigt wurden.

Bei Unsicherheit wenden Sie sich an einen qualifizierten Druckbehälter- oder Rohrleitungsbauingenieur. Die Kosten für eine fachkundige Prüfung sind im Vergleich zu den Kosten eines Versagens vernachlässigbar. Diese Methodik vermittelt Ihnen das notwendige Wissen, um den Prozess effektiv zu steuern und die richtigen Fragen zu stellen.