Analytischer Zulässigkeitsnachweis von Druckgeräten – Kriechdehnnachweis auf der Grundlage von Simulationen

Abstract

Bei Betriebsbeanspruchungen mit hohen Temperaturen, auch Kriech- oder Zeitstandbereich genannt, treten bei Metallen zeitabhängige inelastische Dehnungen (Kriechen) auf. Der Analytische Zulässigkeitsnachweis Direktes Verfahren im Anhang B der Norm EN13445-3 enthält entsprechende Kriechnachweise für die Auslegung von Druckgeräten, die im Zeitstandbereich betrieben werden. Ziel und Inhalt dieser Arbeit ist die Ausarbeitung eines zur Norm EN13445-3 alternativen Kriechdehnungsnachweises mit Simulationen. Die Simulationen basieren auf dem Norton'schen Kriechgesetz. Die zur Implementierung des Kriechgesetzes in die Finite-Elemente-Simulationen erforderlichen Parameter wurden aus den in harmonisierten Werkstoffnormen gegebenen 1%- Zeitdehngrenzen berechnet. Die Entwicklung der Nachweismethode beginnt anhand eines Demonstrationsbeispiels mit zeitlich und örtlich konstanten Werkstoffparametern und Temperaturen. Im Anschluss wurde die ausgearbeitete Nachweismethode erweitert und an zwei unterschiedlichen Beispielen unter Berücksichtigung von temperaturabhängigen Werkstoffkennwerten und Wärmespannungen angewendet. Die ermittelten Ergebnisse wurden grafisch dargelegt und diskutiert. Des Weiteren wurden die Einschränkungen des Kriechdehnnachweises mit Simulationen aufgezeigt und bewertet.

In the case of operating at high temperatures, known also as creep range, time-dependent inelastic strains (creep) occur in metals. The Direct Route in Design by Analysis, as specified in Annex B of EN13445-3, contains creep design checks for pressure equipment operated within the creep range. The aim and content of this thesis is to elaborate on an Excessive Creep Strain Design Check with simulations alternative to the standard EN13445-3. The simulations are based on Norton's creep law. The parameters required for the implementation of the creep law in the finite element simulations were calculated from 1%-creep strain limits given in the material standards. The development of the design check method begins with a simple example consisting of temporal and spatial constant material parameters and temperatures. The developed design check method is subsequently extended and applied to two different examples, considering the temperature- dependent material parameters and thermal stresses. The evaluated results are presented graphically and discussed. Furthermore, the limitations of the Excessive Creep Strain Design Check with simulations are presented and evaluated.