#5 Häufige Konstruktionsfehler und wie Sie sie vermeiden
Bei Merkle & Partner beschäftigen wir uns schon lange und wiederholt mit der optimalen Auslegung oder Optimierung von Druckbehältern. Druckbehälter sind geschlossene Behälter, deren Druck im Inneren über dem Umgebungsdruck liegt. Im Gegensatz zu Druckgasbehältern und Transportbehältern nach Verkehrsrecht, in denen Fluide befördert werden, ist der Betrieb von Druckbehältern einem bestimmten Aufstellungsort zugewiesen.
Die Druckgeräterichtlinie (DGRL) gilt für Druckgeräte und Baugruppen mit einem maximal zulässigen Druck von mehr als 0,5 bar gegenüber dem Umgebungsdruck. Dazu zählen Behälter, Rohrleitungen, Ausrüstungsteile mit Sicherheitsfunktion und druckhaltende Ausrüstungsteile, einschließlich an drucktragenden Teilen angebrachter Elemente.
Nach den Anforderungen der jeweiligen Normen zur Auslegung von Druckbehältern dürfen die Spannungen bestimmte, zulässige Werte nicht überschreiten.
Betrachten wir einmal die Grundlagen. Diese gelten sowohl für Transportbehälter als auch für stationäre Druckgeräte.
Welche Form eines Druckbehälters ist am besten geeignet? Oder anders formuliert: Mit welcher Bauform benötige ich am wenigsten Material, um ein gegebenes Volumen mit einem gegebenen Druck sicher einzuhausen?
Formen von Druckbehältern
Der Körper, der unter Innendruck das geringste Gewicht aufweist, ist die Kugel. Früher gab es einmal eine Werbung, bei der ein kugelförmiger Tank mit dem Slogan „Ich bin zwei Öltanks“ warb. Große Gastanks, wie sie überall zu finden sind, haben aus gutem Grund die Form einer Kugel.
Der Nachteil der Kugelform ist, dass sie schwieriger zu fertigen sind. Die Bleche sind in zwei Richtungen gekrümmt.
Was man daher oft findet, sind zylindrische Druckbehälter mit sogenannten Klöpperböden an den beiden Enden.
Oft finden sich aber auch rechteckige Behälter, die zwar leicht zu fertigen sind, aus Festigkeitsgesichtspunkten technisch aber die höchsten Spannungen zeigen und in der Praxis auch die meisten Probleme machen.
Die Lage von Schweißnähten
Die zulässige Beanspruchung von Schweißnähten ist geringer als die des Grundmaterials. Daher sollte man Schweißnähte in gering beanspruchte Zonen legen.
Dies ist bei der Kugel kein Problem, da überall die gleiche Spannung herrscht.
Bei zylindrischen Druckbehältern müssen die beiden Böden durch eine Umfangsschweißnaht angeschweißt werden, ggf. gibt es eine Längsnaht, wenn es sich um ein geschweißtes Rohr handelt.
Bei rechteckigen Behältern liegen die Schweißnähte im Bereich der Stoßkanten und damit unter Innendruck in den Zonen, welche die höchsten Spannungen aufweisen.
Anschlussstutzen
Zum Befüllen und Entleeren von Druckbehältern sind Anschlüsse und Flansche vorhanden, die in der Regel angeschweißt werden.
Ein Anschluss an einer gekrümmten Fläche (z.B. Zylinder) ist zwar schwieriger vom Zuschnitt, allerdings sind die entstehenden Spannungen aber geringer, als wenn ein Anschluss sich auf einer ebenen Fläche befindet.
Vergleich des Gewichts
Die Kesselformel gibt für kugelförmige und zylindrische Behälter die erforderlichen Mindestwanddicken an. Die Grunddimensionierung ist somit relativ einfach.
Bei einem Rechteckbehälter ist die Bewertung nicht mehr ganz so einfach, da zwischen Membranspannungen und Biegespannungen unterschieden werden muss, was am besten anhand einer Finite-Elemente-Berechnung (FEM-Simulation) erfolgen kann.
Das nebenstehende Spannungsbild zeigt aber deutlich, dass lokale Spannungsspitzen vorhanden sind, die hier weit ausgeprägter sind, als an einem zylindrischen Behälter.
Für den dargestellten Behälter mit einem Volumen von V=3,47 l trägt die Masse 4,79 kg und es ergibt sich nach normgerechter Auslegung ein zulässiger Druck von 3,35 bar. Wahrlich ein stolzes Gewicht bei einem sehr moderaten Druck.
Dieser Druckbehälter hat sich nicht ohne Grund dem Merkle & Partner-Gruselkabinett der Druckbehälter aufgedrängt. Zeigt er doch deutlich auf, was schieflaufen kann.
Noch deutlicher wird der Formeinfluss, wenn man ungestörte Körper miteinander vergleicht, welche den gleichen Druck (15 bar) und das gleiche Volumen (0,1 m³) haben.
Vergleicht man die Masse eines Tanks bei gleichem Volumen und gleichem Druck, so ergeben sich eindrucksvolle Unterschiede.
In der nachstehenden Tabelle sind eine Kugel, ein zylindrischer Behälter mit Halbkugelschalen an den Enden und ein Quader unter einem Innendruck von 15 bar einander gegenübergestellt. Die Wanddicke wurde für das Ausgangsmodell mit jeweils 2 mm angenommen. Die FEM-Berechnung bei Merkle & Partner erfolgte jeweils als Schalenmodell.
Das Ergebnis ist verblüffend: Der würfelförmige Behälter wiegt 16-mal so viel, wie die Hohlkugel, während der zylindrische Körper nur etwa 15% mehr Gewicht als die Kugel besitzt.
Zusammenfassung
Spannungen an Druckbehältern hängen maßgeblich davon ab, welche Grundform gewählt wurde. Der vermeintliche Vorteil bei der Verwendung geschweißter, ebener Bleche resultiert in einem erheblich höheren Gewicht bei gleicher Sicherheit.
Warum Druckbehälter meist zylindrische Grundformen besitzen, hat somit seine Berechtigung. Es ist ein guter Kompromiss hinsichtlich Fertigung und Festigkeit.
Warum große Gastanks die Form einer Kugel haben, liegt am geringen Bauvolumen. Die Kugel ist nun mal der Körper, der das größte Volumen bei geringster Oberfläche aufweist.
Die Berechnung von Druckbehälter mit ebenen Wänden ist analytisch kaum noch möglich, daher kommt es hier auch am häufigsten zu grundlegenden Dimensionierungsfehlern. Auch die Bewertung von Finite-Elemente-Modellen (FEM) ist hier nicht trivial, da innerhalb der Spannungskategorisierung zwischen Membranspannungen, Biegespannungen und lokalen Spannungen nach Norm zu unterscheiden ist.
Durch die Konzentration der Spannungen in den Schweißnähten an den Kanten steigt das Risiko zudem, dass es zu einem vorzeitigen Versagen des Behälters kommt.
Warten Sie nicht, bis Schäden bei Ihren Kunden auftreten, sondern nutzen Sie unser langjähriges Knowhow bei Merkle & Partner für die normgerechte Auslegung von Druckbehältern nach AD2000, DIN EN 13445 und ASME.
Je früher wir ein Design bewerten, desto einfacher ist es, Fehler zu vermeiden und Material nicht zu verschwenden.
Ihr Stefan Merkle
PS: Ich weiß, Legenden sollte man lesen können, leider passen die Bilder aber dann nicht mehr in eine Tabelle und zum Löschen der Legenden war ich zu faul. Schließlich geht es auf Pfingsten zu.
Die wesentlichen Informationen stehen aber in der Tabelle.
Kommentare und Antworten
Bemerkungen :
Die Gewichts-/Druckverhältnisse sind natürlich richtig. Trotzdem kann man etwas an Gewicht herausholen, wenn man sich davon verabschiedet, dass die Wandstärke überall gleich dick sein muss.
Beste Grüße,
Hans-Willi Raedt