Schutzrohrberechnung - WIKA

Technische InformationenSchutzrohrberechnungWIKA Datenblatt IN 00.15Anwendungen Die Schutzrohrberechnung dient zum rechnerischenNachweis der Festigkeit hinsichtlich der statischen unddynamischen Belastung unter Berücksichtigung derBetriebstemperatur und des Betriebsdrucks.Leistungsmerkmale Schutzrohrberechnung nach ASME PTC 19.3 TW-2016für Standardschutzrohre aus Vollmaterial als Ingenieursdienstleistung Bei Überschreitung der zulässigen Belastungsgrenzenkönnen Vorschläge zur konstruktiven Änderung desSchutzrohres abgeleitet werdenFEM-Darstellung eines angeströmten Schutzrohresmit Spannungsdarstellung an der Spitze und in derWurzelBeschreibungDie Schutzrohrberechnung nach ASME PTC 19.3 TW-2016findet bei Schutzrohren aus massivem gebohrtem Stangenmaterial in konischer, gerader oder gestufter Ausführung wiez. B. bei den Typen TW10, TW15, TW20, TW25 und TW30sowie bei geschmiedeten einteiligen Schutzrohren Verwendung.Die benötigten Prozessdaten zur Durchführung einer Berechnung nach ASME PTC 19.3 TW-2016 hflussratem/sTemperatur CMediumsdichteDruckDynamische Viskosität 1)barmm²/s1) Optional für ASME PTC 19.3 TW-2016WIKA Datenblatt IN 00.15 01/2019ft/s Fpsift/1000s---------cPWIKA garantiert, dass die Berechnung auf den Grundlagender ASME PTC 19.3 TW-2016 durchgeführt wird. DerEndanwender ist dafür verantwortlich, dass die reellenProzessdaten mit denen der Berechnung zugrundeliegenden übereinstimmen. Im Allgemeinen kann von WIKAkeine Gewährleistung für die Berechnung der Ergebnissenach ASME PTC 19.3 TW-2016 übernommen werden. DieErgebnisse haben informativen Charakter.Für Vorschläge hinsichtlich konstruktiver Änderungen beiÜberschreitung der zulässigen Belastungsgrenzen werdenzusätzlich folgende Informationen benötigt: Innendurchmesser des Stutzens Höhe des Stutzens (abgeschirmte Länge) Innendurchmesser und Wandstärke der Rohrleitung/desBehältersSeite 1 von 7

Basisinformationen über ASME PTC 19.3 TW-2016Die ASME PTC 19.3 TW-2016 unterteilt sich in dynamischeund statische Berechnungsergebnisse.Bei Gasen mit geringer Dichte beträgt die Frequenzgrenzetypischerweise rmax 0,8. Bei anderen gasförmigen Medienist ein gleichbleibender Betrieb im Bereich zwischenr 0,4 . 0,6 um die In-Line-Resonanz herum nicht zulässig.Bei flüssigen Medien kommt in vielen Anwendungentypischerweise die neu eingeführte Grenzfrequenz rmax 0,4für die In-Line-Resonanz zur Anwendung.In-Line-Resonanz:r 0,5 („drag oscillation“)Hauptresonanz:r 1 („lift 91r fs/fnAbschnitt 6-8.2:0,8Gase mit geringer Dichte NSC 2,5 nd Re 105Abschnitt 6-8.3 und 6-8.4:Zykl. Spannungszustand0,40,60,8All other cases:0,4Die Bewertung der dynamischen Ergebnisse erfolgt über denDämpfungsfaktor NSC (die Scruton-Nummer NSC hat einendirekten Bezug zu dem zulässigen Frequenzverhältnis rmaxvon Erregerfrequenz fs zu Eigenfrequenz fn). Vereinfacht istfür gasförmige Medien ein charakteristischer Wert NSC 2,5;Flüssigkeiten besitzen typischerweise einen NSC 2,5.Die Scruton-Nummer NSC hängt bei der Berechnungvom intrinsischen Dämpfungsfaktor, der Dichte desSchutzrohrmaterials, dem Prozessmedium sowie demSpitzen- und Bohrungsdurchmesser des Schutzrohrs ab.Die statischen Ergebnisse der ASME PTC 19.3 TW-2016werden erstellt aus dem maximal zulässigen Prozessdruck(abhängig von der Prozesstemperatur und den Geometriedaten des Schutzrohres) und der Biegespannung imBereich der Schutzrohrwurzel. Die Biegespannung, diedurch die Anströmung des Schutzrohres verursacht wird, istabhängig von der abgeschirmten Länge durch den Flanschstutzen.Ob auch bei flüssigen Prozessmedien das Frequenzverhältnis r 0,8 als Bewertungsgrenze herangezogen werdenkann, wird durch Betrachtung der zulässigen Spannungenim Schutzrohrwerkstoff zu den tatsächlichen Spannungenim Resonanzfall entschieden. Zusätzlich erfolgt eine Bewertung der Festigkeit des Schutzrohrwerkstoffes bezüglich derBiegewechselbeanspruchung (fatigue stress) im Bereich derEinspannung des Schutzrohres.WIKA Datenblatt IN 00.15 01/2019Seite 2 von 7

Lösungen bei Überschreitung des zulässigen Frequenzverhältnisses rmax durchkonstruktive ÄnderungenBei Überschreitung der maximal zulässigen Grenzfrequenzrmax für die „In-Line“- oder Hauptresonanz können folgendekonstruktive Änderungen vorgenommen werden:a) Verkürzen der EinbaulängeDies ist die effektivste und von derASME PTC 19.3 TW-2016 empfohlene Methode zurVerbesserung des Frequenzverhältnisses r.b) Vergrößern des WurzeldurchmessersDurch Vergrößerung des Wurzeldurchmessers wird dieEigenfrequenz fn reduziert und damit das Frequenzverhältnis r optimiert.c) Vergrößern des SpitzendurchmessersDurch Vergrößerung des Spitzendurchmessers wird dieWirbelablösungsfrequenz fs reduziert und damit dasFrequenzverhältnis r optimiert.d) StützankerStützanker bzw. andere Stützvorrichtungen sindim Geltungsbereich der Norm nicht enthalten. EineAbstützung des Schutzrohres durch einen Stützankerwird nicht generell empfohlen, da eine feste Stütze nurmit einer Interferenz zwischen dem Stützanker und demeingebauten Rohr, siehe ASME PTC 19.3 TW-2016,Punkte 6-7-(e), erzielt werden kann. Auf Kundenwunschkann ein Stützanker zur Anwendung kommen undso ausgelegt werden, dass eine Interferenz mit demProzessanschluss gewährleistet ist. Die Ausführungdes Schutzrohrs entspricht den Konstruktions- undBerechnungskriterien der ASME PTC 19.3 TW-2016,die jedoch nicht im Geltungsbereich derASME PTC 19.3 TW-2016 enthalten sind. Der Betreiberist für die stabile Abstützung des Ankers im Stutzenverantwortlich, was bedeuten kann, dass der Ankernachbearbeitet werden muss. Eine Gewährleistung fürStützankerlösungen wird generell durch WIKA nichtübernommen!e) ScrutonWell -DesignDas ScrutonWell -Design kann für einteilige Schutzrohremit Flanschanschluss, Vanstone-Ausführung und auchfür geschweißte oder geschraubte Prozessanschlüsseeingesetzt werden. Dieses Design ermöglicht die einfacheund schnelle Montage des Schutzrohres ohne teurenund zeitintensiven Nachbereitungsaufwand vor Ort, undreduziert zugleich die Schwingungsamplitude um mehr als90 % 1). Das ScrutonWell -Design von WIKA wurde durchdie unabhängigen Labore TÜV SÜD NEL (Glasgow) sowiedem Institut für Mechanik und Fluiddynamik (TechnischeUniversität Freiberg) getestet und erprobt.Nähere Informationen siehe Datenblatt SP 05.16.Berechnung des ScrutonWell -Designs nachASME PTC 19.3 TW-2016 Maximal zulässige Druckbelastung in Bezug aufursprüngliche Tauchschaftabmessungen Maximal zulässige Biegebelastung in Bezug auf modifizierte Tauchschaftabmessungen Der dynamische Teil ist bei den Berechnungen für dasSchutzrohr nicht erforderlich, da die Schwingungsamplitude um mehr als 90 % gedämpft wirdSchutzrohr Typ TW10 im ScrutonWell -DesignASME PTC 19.3 TW-2016 ist für mehrteilige Schutzrohre (in geschweißter Ausführung) nicht anwendbar.Um Berechnungen nach Dittrich/Klotter für mehrteiligeSchutzrohre zu erhalten, bitte Kontakt mit einem WIKAMitarbeiter aufnehmen.1) Journal of Offshore and Mechanics and Artic Engineering Nov 2011,Ausgabe 133/041102-1, Herausgeber: ASMEWIKA Datenblatt IN 00.15 01/2019Seite 3 von 7

Durchführung einer Standard-Schutzrohrberechnung nach ASME PTC 19.3 TW-2016Das vereinfachte Flussdiagramm zeigtdie schrittweise Durchführung einerStandard-Schutzrohrberechnungnach ASME PTC 19.3 TW-2016. DasDiagramm gilt nur für Abweichungen vom Frequenzverhältnis. Einekomplette Liste möglicher Fehlercodesist aus der WIKA-Betriebsanleitungersichtlich.Aufgrund unterschiedlicher Schutzrohrauslegungen in Verbindung mitverschiedenen Prozessparameternkann dieses Standardverfahren nichtbei allen Schutzrohrberechnungenangewandt werden.Wird mit dem dargestellten Verfahrenkein gutes Ergebnis erzielt, wendenSie sich an den WIKA-Vertriebskontaktzwecks Unterstützung, da in diesemFall möglicherweise eine spezifischetechnische Lösung erforderlich ist.Schutzrohrberechnung nachASME PTC 19.3 TW-2016Das Schutzrohrliegt außerhalb desGeltungsbereichs vonPTC 19.3 TW-2016JaSpezifikationenfür Stellitierungen,rauhe Oberflächen, Stützanker,Spiralstrukturen, Stufenbohrungen oderabweichende TauchschaftKonstruktionenvorhanden?Wenden Sie sichbitte an den WIKAVertriebskontaktzwecks Unterstützung.NeinSchutzrohrberechnungnachASME PTC 19.3 TW-2016StützankeroderScrutonWell ragende Länge (L) Stutzenlänge Wandstärke 2" (50 mm)JaNeinWARNUNG!Liegt eine Schleifensituation vor, so wendenSie sich bitte an denWIKA Vertriebskontaktzwecks Unterstützung.Freitragende Länge zu Loptändern und e und/oder denWurzeldurchmesservergrößern undBerechnung wiederholenErgebnisbestanden?NeinJaENDE der SchutzrohrberechnungSchutzrohr bestandenWIKA Datenblatt IN 00.15 01/2019Seite 4 von 7

KonstruktionsangabenPosition des ersten Stützankers festlegenDie Position des Schutzrohr-Stützankers wird wie folgtberechnet: Stutzenlänge – 1" (25,4 mm)Zum Beispiel:Stutzenlänge 14" (355,6 mm). Der 1. Stützanker befindet sich13" (330,2 mm) von der Flanschfläche.StutzenlängeStutzenlängeDie Stutzenlänge ist definiert als die Länge vom Außendurchmesser des Rohrs/der Rohrleitung bis zur Höhe desStutzens (Flanschfläche oder Fassung, usw.)Anzahl und Position der Stützanker festlegenBeträgt die Position des 1. Stützankers nur 5" (127 mm), soist nur ein Stützanker erforderlich.Beträgt die Position des 1. Stützankers 5" (127 mm)oder mehr, so ist ein 2. Stützanker an der Position des1. Stützankers geteilt durch zwei erforderlich. Bei einerStutzenlänge von mehr als 30" (762 mm) wenden Sie sichbitte an Ihren WIKA-Vertriebsvertreter.Beispiel Nr. 1 – Zwei StützankerDie Stutzenlänge beträgt 14" (356 mm). Stützanker 1 befindet sich bei 14" (356 mm) – 1" (25,4 mm) 13" (330 mm). Dadiese Zahl größer als 5" (127 mm) ist, sind zwei Stützankererforderlich. Also 13" (330 mm) / 2 6,5" (165 mm). Stützanker 2 befindet sich bei 6,5" (165 mm).Beispiel Nr. 2 – Ein StützankerDie Stutzenlänge beträgt 4,5" (114 mm). Stützanker 1 befindet sich bei 4,5" (114 mm) – 1" (25.4 mm) 3,5" (89 mm).Da diese Zahl kleiner als 5" (127 mm) ist, ist ein Stützankererforderlich.WIKA Datenblatt IN 00.15 01/2019Stützanker 2Stützanker 1Seite 5 von 7

Typischer Einbau in einem StutzenDetailSpielfreie Passungzwischen Stützankerund Innendurchmesserdes Stutzens 45 mm (1,75")12,7 mm (½")siehe aulänge Ured“A”ProzessAbschnitt “A”-“A”Bestimmung des Außendurchmessers des Stützankers anhand der Rohrgröße undder RohrklasseNPS1"1 ½"2"UOMinchmminchmminchmmAußendurchmesser des immung des vorgeschlagenen maximalen Wurzeldurchmessers anhand derStutzengröße und der RohrklasseNPSUOMVorgeschlagener Wurzeldurchmesser am Stützanker1"inch0,9381 11,87547,6WIKA Datenblatt IN 00.15 ,6881,12528,61,50038,10,5001,00025,41,25031,8Seite 6 von 7