Rohrspannungsanalyse – brauche ich die wirklich?

Rohrstress ist bei der Anlagenplanung einer der wichtigsten Aspekte. Dabei wissen viele Anwender nicht einmal, wozu sie eigentlich dient. Die Vorteile liegen jedoch auf der Hand und reichen von höherer Sicherheit bis hin zu mehr Effizienz und geringeren Kosten.

von Jörg Theis


Weitere Informationen

Der Artikel ist im englischsprachigen Original in der Zeitschrift Economic Engineering, Ausgabe Juni 2011 erschienen.

Das Eigengewicht von Rohren und den Flüssigkeiten, die durch diese hindurchgeleitet werden, führt zu Verformungen. Eine Systemüberlastung kann jedoch mit Unterstützungen vermieden werden. Die einfachste Möglichkeit besteht in der Wahl der maximalen Spannweite aus einer Tabelle und der Anbringung einer entsprechenden Halterung. Temperaturschwankungen führen allerdings zu Wärmedehnung, sodass sich das Rohr möglicherweise verlängert. Zusammen mit dem Innendruck und externen Lasten kann dies zu erheblichen Spannungen führen. Hinzu kommt, dass beispielsweise für Pumpen begrenzte Stutzenlasten gelten. Einige Rohre müssen zudem für Wind, Erdbeben, Wellen und andere externe Lasten ausgelegt werden. Durch mehr Flexibilität in der Rohrleitungsführung, können all diese Faktoren berücksichtigt werden. Das Ergebnis: eine deutlich stärker differenzierte Analyse. Nutzt man anstelle einer Standardlösung eine optimierte Konstruktion, lassen sich zudem noch Kosten sparen. So sind beispielsweise die Kosten für Behälter mit minimierten Stutzenlasten geringer. Ausdehnungsrohrbögen sind preiswerter als Kompensatoren. Da stellt sich die Frage: Wie lässt sich die Lücke zwischen Einschränkungen und Flexibilität, Kostensenkungsanforderungen und knappen Projektlaufzeiten schließen?

Der geschäftliche Nutzen von CAE
Einige Unternehmen arbeiten mit ihren eigenen Kalkulationstools, um diesen Anforderungen in begrenzten Bereichen gerecht zu werden. So hat Rolf Limpert von BASF die Kosten einer einfachen Prüfung über einen langen Zeitraum mit Rohrspannungsanalyse verglichen. Wird anstelle konservativer Bemessungsannahmen ein geeignetes CAE-Programm eingesetzt, um die optimale Konzeption zu ermitteln, kann man erhebliche finanzielle und personelle Ressourcen sparen. Das vereinfachte Spannungsanalyseverfahren findet sich in Anhang Q der ISO EN 13 480. Dabei werden vergleichsweise große Rohrlängen angewendet, um die Flexibilität zu erhöhen, gleichzeitig werden die Lasten auf Stutzen verringert. Auch der ASME-Code bietet eine ähnliche, vereinfachte Berechnungsmethode, die jedoch nicht häufig zur Anwendung kommt, weil die Methode sehr konservativ ist. Da wir in Zukunft jedoch stärker auf die Anlagensicherheit achten werden, steigen auch die Anforderungen an die Planungsqualität.

Einer der Gründe, warum beim Anlagenbau zu viel ausgegeben wird, besteht in der Tatsache, dass es im Hinblick auf die Rohrspannung nicht ausreichend qualifizierte Ingenieure gibt, um die erforderlichen Analysen durchzuführen.

Dennoch kann ein spezielles CAE-Tool helfen. Die Frage lautet also: Warum sollte man nicht die Möglichkeiten eines Rohrspannungsprogramms nutzen und so Kosten sparen? CAESAR II®, ein einfach zu erlernendes und benutzerfreundliches Programm, wird allen Ansprüchen gerecht. Es eignet sich hervorragend sowohl für professionelle Nutzer als auch für Gelegenheits-Anwender, die eine intuitive und vorlagenbasierte Oberfläche benötigen.

Auf der Grundlage einer 25-jährigen Entwicklung und der Integration des Kundenfeedbacks bietet das Produkt heute umfassende Funktionen, sodass die Anwender auf einfache Art alle Anforderungen erfüllen und gleichzeitig Kosten sparen können. Die Intergraph-Programme für Anlagenplanung und -analyse sind benutzerfreundlich, extrem flexibel und vollständig skalierbar. Sie werden von den meisten weltweit führenden Anlagen-Engineering Firmen, Anlageneignern und -betreibern eingesetzt, um präzise und zuverlässige Daten zu ermitteln. CAESAR II ist der Standard für die Rohrspannungsanalyse und die Referenz für alle anderen auf dem Markt erhältlichen Lösungen.

Im Januar 2010 übernahm Intergraph Corp. mit Hauptsitz in Huntsville, Alabama/USA COADE aus Houston, Texas/USA und änderte dessen Namen in „Intergraph® CADWorx® and Analysis Solutions“. Dieser Kauf bot die einmalige Chance, eine Lösung für den Datenaustausch zwischen einem High-End-Produkt zur 3D-Anlagenplanung und dem führenden Rohrspannungsanalyseprodukt zu integrieren.

Zusammen bieten die CADWorx- und Analyselösungen von Intergraph dem An-wender die Möglichkeit, selbst anspruchsvollste und komplexeste Projekte einfacher und mit besseren Ergebnissen zu bearbeiten. Der größte Nutzen wird erzielt, wenn CAESAR II in die Intergraph-Software integriert wird, um die Planungsabläufe zu unterstützen. CADWorx Plant kann ein natives CAESAR II-Dateiformat exportieren und die Ergebnisse direkt in das 3D-Modell importieren, ohne dass Nacharbeit erforderlich ist. Dabei wird die Datenkonsistenz über den gesamten Prozess sichergestellt – das spart Zeit und gewährleistet bessere Ergebnisse.
SmartPlant® 3D kann die meisten Daten exportieren, die für die Rohrspannungsanalyse benötigt werden. Die Ergebnisse, beispielsweise Halterungen, Rohrträger oder Änderungen der Leitungsführung, lassen sich direkt in die SmartPlant 3D-Datenbank einlesen. Während dieses Einleseprozesses werden alle Informationen ohne Verlust gespeichert, um die weitere Detaillierung zu ermöglichen. Da viele Rohrspannungsdaten dann bereits in der Frühphase des Planungszyklus verfügbar sind, lassen sich konstruktive Änderungen deutlich kostengünstiger umsetzen.

Wichtigste Eigenschaften von CAESAR II
Die Spannungsberechnung kann in Übereinstimmung mit über 30 internationalen Rohrnormen erfolgen, um die jeweils lokal geltenden Anforderungen zu erfüllen. CAESAR II bewertet glasfaserverstärkten Kunststoff ebenso wie erdverlegte Rohre. Schnittstellen zu anderen Programmen sorgen für einen schnelleren Datenaustausch und senken die Fehlerquote. Umfassende Materialdatenbanken aus den meisten auf dem Markt erhältlichen Normen, stehen einsatzfertig zur Verfügung. Weitere andere nützliche Berechnungen sind in die Lösung integriert. So lassen sich maximale Flansch- oder Stutzenlasten einlesen und mit den Spezifikationen vergleichen. CAESAR II berechnet API 610, WRC 107/297, Flansche und mehr. Bei Rohren und Stutzen wird geprüft, ob sie im Verlauf der Zeit aufgrund von Ermüdungserscheinungen versagen. Um eine verbesserte Übersicht über das Gesamtprojekt zu erhalten, können Anlagenmodelle im DWG-Format importiert werden.

Für die Positionierung der Elemente steht eine visuelle Unterstützung zur Verfügung. Bei dem Expansion Loop Assistenten für Dehnungsschleifen / Ausdehnungsrohrbögen wird ein Raum vorgegeben in dem die Auslegung vorgenommen wird. Diese kann dann direkt auf Unterstützungen erfolgen.

Die Berechnungsergebnisse werden auch in einer Datenbank abgespeichert und können in zahlreichen verschiedenen Datenformaten exportiert werden. Die Ergebnisse lassen sich in Standardreports oder aber in einem maßgeschneiderten Layout darstellen, das professionellen Dokumentationsanforderungen gerecht wird. Zudem besteht die Möglichkeit, den Ergebnissen 3D-Pläne oder Animationen hinzuzufügen.

Die Stutzenlasten können direkt von der Druckbehältersoftware PV Elite® importiert werden. Da die meisten Konstrukteure von Druckbehältern mit dieser Software ar-beiten, bietet die Integration Vorteile. CAESAR II kann zudem Stahlkonstruktionen berechnen. Die Daten lassen sich aus CADWorx, FrameWorks oder einem anderen Programm importieren. Diese integrierte Funktion ist ebenso einfach anwendbar wie die Rohrspannungsberechnung. Ein weiteres bemerkenswertes Feature, das in erheblichem Maß Ressourcen sparen kann, ist die Möglichkeit dynamischer Berechnungen. Der dynamische Lastfaktor wird zumeist sehr konservativ angesetzt, was dazu führt, dass mehr Geld als nötig ausgegeben wird.
Da das Berechnungsmodell bereits fertig ist, lohnt es sich, diese Funktion zu nutzen. Sie umfasst die Ermittlung von Erdbebenbelastung, erzwungener Schwingung, Druckstöße, Eigenfrequenz, Resonanzspektrum, Zeitverlaufsanalyse und mehr.

ISOGEN® ist die weltweit führende Lösung für die vollständig automatisierte Erstel-lung von Rohrisometrien und de facto das Standard-CAD-System für Rohrisometrien
in CAESAR II. Alle relevanten Daten lassen sich einfach auswählen und in einer
Isometriezeichnung anordnen. Mithilfe von Unternehmensprofilen werden hochwertige Ergebnisse erzielt, und über den ISOGEN-Assistenten I-ConfigureTM können alle Parameter einfach aus einer Optionsliste gewählt werden. In einer Vorschau werden dann alle Daten richtig positioniert. Erfahrene Anwender können auch mit dem Project Manager arbeiten. Nach der Einrichtung lassen sich für verschiedene Projekte Isometrien erstellen, die immer den Ansprüchen an professionelle Qualität genügen.

Zahlreiche Funktionen von CAESAR II sorgen für bessere Ergebnisse und helfen dem Anwender, die beste Engineering-Lösung zu realisieren. So erstellt der Expansion Loop-Assistent optimale Dehnungsschleifen für einen bestimmten Wert. Alle Optionen werden berechnet, um dann die passende Lösung für den speziellen Fall zu wählen. Der Seismik-Assistent wandelt die eingegebenen Daten in einfache G-Lasten um. Viele Hersteller haben ihre Daten für CAESAR II bereitgestellt – der Anwender braucht nur einen auszuwählen, um für diesen Fall das jeweils beste Ergebnis zu erzielen. Zusätzliche Daten aus anderen Quellen müssen nicht im-portiert werden.

Die gleiche benutzerfreundliche Option kann auch für Kompensatoren verwendet werden – einfach auswählen, der Assistent fügt dann alle relevanten Teile in das Modell ein. Leitungsnummern für Rohre sorgen für eine bessere Orientierung, da man einfach verschiedene Leitungsführungen auswählen kann. 3D-Pläne helfen dem Anwender, eventuelle Probleme in dem Modell zu identifizieren. Für jeden beliebigen Lastfall sind farbcodierte Spannungsmodelle und animierte Verschiebungen verfügbar. Die Visualisierungstechniken bieten dem Anwender ein Gesamtbild des Problems, um kritische Bereiche zu identifizieren und die jeweils beste Lösung zu ermitteln. Mit diesen Tools müssen für präzise Analysen keine Schätzwerte mehr angenommen werden. Sie empfehlen praktische konstruktive Änderungen und tragen dazu bei, die Lücke zwischen Wissen und Erfahrung zu schließen. Damit wird CAESAR II im Laufe der Zeit von einem Validierungs- zu einem echten Lösungstool.

Jörg Theis ist Senior Application Engineer CADWorx and Analysis Solutions bei Intergraph

 

Right Hand
 
© Copyright 2012 Intergraph Corporation - Printed from www.intergraph.com on 12/5/2016 6:35:28 PM