Stressanalyse in der Planungsphase

 


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Der Artikel ist im Original in der Zeitschrift CHEManager, Ausgabe 19/2011 erschienen.

Mit zunehmenden Anforderungen an Konstrukteure im Hinblick auf geringeren Materialverbrauch, höhere Planungsqualität, mehr Anlagensicherheit, Einhaltung gesetzlicher Vorgaben und Haftungsfragen gewinnt die Rohrstressanalyse zunehmend an Bedeutung. Wo in der Vergangenheit oftmals die Regeln der guten Ingenieurpraxis ausreichten, sind heute Analysen mithilfe international anerkannter Softwaretools gefordert.

Rohrleitungen in der Industrie werden typischerweise durch Rohrstress-Ingenieure geprüft. Sie stellen sicher, dass Leitungstrassierung und Halterungskonzept richtig angeordnet und ausgewählt werden, damit zulässige Rohrspannungen, Stutzen-,Halterungskräfte und Bewegungen nicht überschritten werden. Hierzu gibt es verschiedene Berechnungsmethoden, die in der EN 13480, im ASME-Code oder anderen gesetzlichen Regelwerken und lokalen Normen vorgegeben sind. Generell werden Spannungen folgendermaßen unterschieden: Primär aus direkt wirkenden Lasten (z.B. Druck, Eigengewicht, Wind) und sekundär aus selbstbegrenzenden Spannungen (z.B. Gebäudesetzungen, behinderte Wärmedehnung). Die Primärspannungen werden weiter in ständige Lasten (Druck, Eigengewicht), gelegentliche Lasten (Wind, Schneelast, Erdbeben, Druckstoß) und Prüfbedingungen (Wasserdruckprobe) unterschieden. In der Regel reicht die ersatzstatische Betrachtung dieser Lastfälle aus. Bei hohen Belastungen (z.B. Druckstoß) und/oder hohen Anforderungen an die Rohrleitung, ist die Notwendigkeit einer dynamischen Betrachtung zu prüfen.

Analyse – Fehlermöglichkeiten

Es gibt zahlreiche Fehlermöglichkeiten, die sich auf ein Rohrsystem auswirken können. Hierzu zählen Bemessungstemperatur und -druck sowie umweltbedingte Lasten wie Schnee, Eis und Wind.

Der Prüfer verlässt sich auf die Genauigkeit der bereitgestellten Geometrie, um sicherzustellen, dass ein Rohrsystem widerstandsfähig gegen die Umweltbedingungen ist, unter denen es funktionieren soll. Die Geometrie muss dann typischerweise nochmals in ein Analyse-Tool eingegeben werden – häufig auf Grundlage einer ausgedruckten Isometrie. Der Markt strebt schon seit langem eine Integration von Analyse und CAD an, auch wenn sich in EPC-Unternehmen häufig die Kluft zwischen diesen Disziplinen zeigt: Jeder Experte hält den anderen für nicht ausreichend qualifiziert, um die bereitgestellten Informationen zu nutzen.

Wer sorgt also für konstruktive Änderungen? Ganz gleich, ob man an einem Strang zieht oder eine eher ungute Allianz besteht: Der kritische Punkt ist bei jedem Projekt die Fähigkeit, das Projekt auch schnellstmöglich zu realisieren.

Planerische Herausforderungen

Viele Faktoren stehen einer positiven Entscheidungsfindung im Weg. Die Frage lautet: Wie schafft man ein ausgewogenes Verhältnis zwischen Projektanforderungen, Anbieterbindung, Investitionsschutz und Nutzung kostengünstigerer Lösungen bei gleichzeitiger Erfüllung der Kundenvorgaben?

Planungssicherheit hat ihren Preis, und Konflikte stehen meistens auf der Tagesordnung. Der Projektleiter will sicher sein, dass er Budget und Zeitplan einhält und die Risiken begrenzt sind. Der technische Leiter muss hingegen Vertrauen in die IT-Tools haben, die seine Ingenieure unterstützen. Gleichzeitig sollen die gesamten Cost of Ownership des Projekts einschließlich Lizenzen, Schulung, Verwaltung und Arbeitsstunden verlässlich sein.

Ungeachtet politischer Fragen sorgt die Integration von CAD und Analyse für mehr Produktivität und präzisere Ergebnisse. Zumindest werden Fehler vermieden, die bei dem zeitaufwändigen Prozess der erneuten Eingabe geometrischer Daten entstehen können. Die aktuelle Praxis erfindet das Rad allerdings buchstäblich neu, zudem kommt sie den Kunden teuer zu stehen: Warum sollte man etwas nur einmal erstellen, wenn man es doch zweimal anfertigen und den Kunden dafür zahlen lassen kann?

Hier kommt Intergraph CADWorx ins Spiel, die integrierte Lösung zur Anlagenplanung von Intergraph Inc., einem der weltweit führenden Anbieter von Engineering- und Designsoftware für disziplinübergreifenden Informationsaustausch und Interoperabilität. CADWorx basiert auf der AutoCAD-Plattform und bietet intelligente Konnektivität von der Zeichnung bis hin zur Datenbank, von P&IDs bis hin zu 3D-Modellen. Sie sorgt für stärkere Automatisierung und benutzerfreundliche Verfahren. Lassen Sie uns anhand eines realen Beispiels einen Blick auf den integrierten Workflow von CAD- und CAE-Lösungen werfen.

Angewandte Integration von CAD und CAE

Wuxi Huaguang Boiler Company Ltd. (WHBC) fertigt Industriekessel und Druckbehälter. Darüber hinaus entwickelt und plant das Unternehmen Prozesssysteme. 1958 in Südchina gegründet, ist der ehemalige Mittelständler heute eine landesweit anerkannte Organisation der verarbeitenden Industrie. So erhielt WHBC vom Kraftwerk Putian Liquidized Natural Gas (PLNG) den Zuschlag für ein Abhitzedampferzeuger-Kesselprojekt (Heat Recovery Steam Generator, HRSG) in der Provinz Fujian. Nachdem WHBC beschlossen hatte, nach über 50 Jahren von 2D auf die Anlagenplanung mithilfe von 3D umzusteigen, entschied man sich, für die Planung des HRSG-Kesselprojekts die Intergraph CADWorx Plant Design Suite mit CAESAR II-Rohrstress-Analyse einzusetzen.

Der Austausch nativer Daten zwischen CADWorx Plant und CAESAR II sorgte für präzisere Ergebnisse und ermöglichte eine schnellere Entwurfsiteration als herkömmliche Methoden. Die Stressanalyse-Experten von WHBC konnten die CADWorx Plant-Rohrmodelle an CAESAR II übertragen, dort die erforderlichen Änderungen vornehmen und diese dann wiederum in das CADWorx Plant-Modell übernehmen. Da alle Analysedaten direkt verfügbar sind, ist höchste Präzision gewährleistet – ganz gleich, ob der Anwender in einer CADWorx- oder einer CAESAR-Umgebung arbeitet. „Wir haben die Effizienz und Präzision von Stressanalysen um über 50% gesteigert“, erklärt Gu Quanbin, Project Engineer bei WHBC. „Mit der CADWorx Plant Design Suite realisieren wir enorme Einsparungen. Hinzu kommt: Anders als bei anderen Anwendungen bestehen keinerlei Risiken", fasst er die Vorteile zusammen.

Darüber hinaus konnte WHBC mithilfe von ISOGEN automatisch Isometrien und Stücklisten für die Fertigung erzeugen. Dadurch wurden die Produktions- und Montagezeiten verkürzt und die Materialkosten gesenkt. WHBC benötigte nur drei Tage für die Schulung der Mitarbeiter, zwei Tage für die Aufbereitung von Daten und Spezifikationen und nicht mehr als zwei Monate, um das gesamte Projekt zum Abschluss zu bringen.

Geschäftlicher Nutzen

Angesichts dieser klaren Vorteile wurde Intergraph CADWorx von EPC-Unternehmen, Anlageneignern und -betreibern in Prozessindustrie, Kraftwerkbau, Offshore-Industrie, Papierindustrie und Schiffbau, Wasseraufbereitung und Hygieneindustrie (Lebensmittel, Pharmazie, Biotechnologie und Halbleiter) schnell akzeptiert.

Als Urheber beider marktführender Lösungen bietet nur Intergraph diese Schnittstelle. Andere Systeme, die mit ähnlichen Workflows arbeiten, exportieren typischerweise eine neutrale Datei aus ihrem CAD-System, die dann in das Analysesystem importiert wird. Nur wenige Systeme bieten eine bidirektionale Schnittstelle, da CAD-Anbieter selten intensive Bemühungen in Tools zum Datenimport investieren, damit die Software eines Wettbewerbers mit ihrer eigenen Lösung kompatibel ist. Zwar wird viel über die Interoperabilität von Plattformen gesprochen – doch eigentlich wollen die meisten, wenn nicht gar alle Anbieter ihr geistiges Eigentum schützen. Als Folge dieser kurzsichtigen Politik zahlen Kunden für Nacharbeit, die sich oft vermeiden ließe.

Die bidirektionale Integration von CAD und Analyse bietet Ingenieuren und Konstrukteuren eine einzigartige Möglichkeit, Übertragungsfehler zu vermeiden und ihre Planungsprozesse zu beschleunigen. Dieser Ansatz sorgt für mehr Sicherheit, spart Zeit und Geld.

 

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