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Der Inhalt stammt von der Offiziellen Plattform „ANSYS Analysis Designer“. 1. Was ist eine flexible dünne Rohrplatte? Eine flexible, dünne Rohrplatte ist eine Art Verbindungselement in Wärmeaustauschern – sie verbindet den Rohrgehäusekörper mit dem Kesselkörper. Ihr Zweck besteht darin, die durch zu große Temperaturunterschiede entstehenden sekundären Biegekräfte zu verringern. In der Praxis werden hauptsächlich vier verschiedene Verbindungsstrukturen zwischen der flexiblen, dünnen Rohrplatte und den jeweiligen Gehäusekörpern verwendet. Wie aus den Abbildungen ersichtlich ist, weist die flexible, dünne Rohrplatte eine besondere Struktur auf: Sie besitzt abgerundete Kanten, deren Funktion darin besteht, die durch zu große Temperaturunterschiede entstehenden großen Biegekräfte an den Verbindungsstellen zwischen der Rohrplatte und den Gehäusekörpern zu verringern. Zudem sollen diese Kanten auch die Zugkräfte an den Verbindungsstellen zwischen der Rohrplatte und den Wärmetauscherrohren verringern. Allerdings hat der Radius dieser Kanten einen doppelten Einfluss auf die Biegekräfte und Zugkräfte: [1] Wenn der Radius der Kanten zu groß ist, steigt zwar die Fähigkeit, die Temperaturunterschiede auszugleichen, doch gleichzeitig muss auch der Durchmesser des Gehäuses zunehmen – somit auch der Durchmesser der Rohrplatte. Dadurch erhöhen sich wiederum die Biegekräfte im Zentrum der Rohrplatte, was wiederum dazu führt, dass eine größere Dicke der Rohrplatte erforderlich ist ； 【2】Wenn der Radius der Ecken bei der Falzung zu klein ist, ist zwar aufgrund des kleineren Durchmessers der Rohrplatte auch die erforderliche Berechnungsdicke geringer. Doch an der Stelle, an der die Übergangsstelle mit dem Gehäuse verbunden ist, steigen die Spannungen durch die sekundäre Biegung an. Dadurch reicht die Fähigkeit, die Temperaturunterschiedsspannungen auszugleichen, nicht aus ； 【3】Veränderung der Ziehkraft: Wenn die berechnete Dicke der Rohrplatte groß ist, erhöht sich die strukturelle Bruchkraft an der Verbindung zwischen Rohrplatte und Wärmeaustauschröhren. Gleichzeitig nimmt auch die Schneidfläche an dieser Verbindung zu. Daher kann die Größe der Ziehkraft zunehmen oder abnehmen ； 【4】Radius der Eckenbiegung gemäß den Standards: Laut dem Standard SH/T3158 darf der Radius der Ecken des Rohrplattens nicht kleiner als 2 Mal die Dicke der Rohrplatte sein – mindestens muss er jedoch 38 mm betragen ； In der Norm GB/T 151 werden für die verschiedenen Strukturen der Rohrplatten entsprechende Wertebereiche für den Winkelradius R angegeben; dieser muss mindestens 38 mm betragen ； Die Norm GB/T150 vorschreibt, dass der Krümmungsradius R einer runden, flachen Abdeckung mindestens 3 Mal so groß sein muss wie die Dicke der Abdeckung ； Aufgrund der unterschiedlichen Strukturformen unterscheiden sich auch die Belastungen der Struktur erheblich. Zudem bestimmt der Radius der Ecken direkt den Wert der ersten Biegebelastung im Zentrum der Rohrplatte sowie der zweiten Biegebelastung an der Stelle, an der die Rohrplatte mit dem Gehäuse verbunden ist. Daher können die Entwerfer unter Berücksichtigung der Standards sowie der Ergebnisse von Finite-Elemente-Berechnungen eine Simulation durchführen, um die Struktur sinnvoll zu entwerfen. So können sowohl die erste Biegebelastung im Zentrum der Rohrplatte als auch die zweite Biegebelastung an der Verbindungsstelle auf einen angemessenen Wert begrenzt werden – dadurch lässt sich die optimale Dicke der Rohrplatte bestimmen. 2. Warum sollte man eine Struktur mit flexiblen, dünnen Rohrplatten verwenden? Flexible Dünnwandplatten-Wärmetauscher werden häufig eingesetzt, um die hochtemperierten Stoffe, die aus Reaktoren kommen, abzukühlen und so eine effiziente Wärmerückgewinnung zu erreichen. Die Dünnwandplatte ist eines der wichtigsten Druckträgerkomponenten des Wärmetauschers – gleichzeitig handelt es sich dabei um eine Komponente, die im Laufe der Nutzung leicht beschädigt werden kann. 【Traditionelles Rohrplatten-Design】: (1) Aufgrund der zu großen Dicke der Rohrplatte erfolgt die Wärmeübertragung in der Dicke-Richtung nur langsam. Dadurch werden die Temperaturen der Wärmetauscherrohre sowie der Rohrplatte zu hoch, was ihre Belastbarkeit verringert. Dadurch wird die Rohrplatte zu einem Schwachpunkt des Wärmetauschers – sie kann leicht reißen ； (2) Wenn die Rohrplatte zu dick ist, entsteht zwischen der Rohrplatte und den Wärmeaustauschröhren ein zu großer axialer Spalt. Dadurch können Salze in diesem Spalt konzentriert werden und Kalkablagerungen entstehen. Dies wiederum führt zu einer Chloridkorrosion ； (3) Unter hohen Temperaturen ist es bei Wärmeaustauschern mit dicken Rohrplatten schwierig, einen langfristigen Betrieb der Anlage zu gewährleisten. 【Flexibles Dünndruckplattenmaterial】: (1) Es kann die Temperaturdifferenz zwischen der Gasseite und der Wasserside effektiv verringern und somit Ausfälle des Geräts durch Risse in der Druckplatte verhindern ； (2) Sie weisen eine hohe Flexibilität auf, wodurch die Spannungen an den Ecken der Rohrplatten verringert werden. Gleichzeitig wird dadurch auch die Temperaturunterschiedsbelastung zwischen der Rohrplatte, den Wärmeaustauschröhren und dem Gehäuse erheblich gemindert ； (3) Die Fähigkeit zur Kompensation der thermischen Ausdehnung wurde verbessert, wodurch der Einsatz von Dehnungsringen oder Schwimmkopfkonstruktionen vermieden werden kann ； Es hat außerdem Vorteile wie Materialersparnis, einfache Verarbeitung, Erhöhung der Wärmeaustauschlänge der Wärmetauschkörper sowie eine verbesserte Wärmeaustausseffizienz. Da die Dicke der flexiblen dünnen Platten jedoch gering ist, muss bei der Herstellung von Platten für Wärmeaustauscher mit großem Durchmesser die durch Schweißen und Verpressen entstehende Deformation kontrolliert werden. 3. Wie wird die Berechnung für biegsame dünne Platten durchgeführt? 【1. Westdeutsches AD-Vorschriftenwerk】Um die Verstärkungswirkung der Wärmeaustauschrohre auf das Rohrblech optimal auszunutzen, berücksichtigen die AD-Vorschriften nur die Steifigkeit der nicht gestützten Bereiche sowie der Übergangsbereiche zwischen nicht gestützten und gestützten Bereichen. Die theoretische Grundlage dieser Methode besteht darin, dass die Rohre als feste Stützen für die Rohrplatten fungieren. Die Rohrplatten sind dabei Flächen, die durch die festen Stützen der Rohre fixiert werden. Die Berechnungsformel entspricht einer empirischen Formel zur Bestimmung der Dicke der Flächen. In den AD-Vorschriften werden keine Berücksichtigungen bezüglich der Temperaturunterschiedsspannungen vorgenommen; außerdem werden weder zulässige Temperaturunterschiede noch Berechnungsmethoden festgelegt. Bei der Berechnung der Dicke der Rohrplatte nach den AD-Vorschriften hängt diese nur vom maximalen Durchmesser d2 des ohne Rohre befindlichen Bereichs ab – nicht vom Durchmesser des Wärmetauschers. Dadurch wird die Dicke der Rohrplatte verringert. 【2.Berechnungsmethode nach EN 12953】 【3.Berechnungsmethode nach SH/T 3158-2009】 Die Konstruktion mit flexiblen dünnen Rohrplatten wird im Ausland bereits seit langer Zeit erfolgreich eingesetzt. Aufgrund ihrer klaren Vorteile wurde diese Konstruktion auch in unserem Land in der Norm SH/T 3158 „Kessel für die Petrochemieindustrie“ übernommen. Die minimale Dicke der Innenseite und Außenseite der Rohrhalterungsplatte innerhalb sowie außerhalb des Rohrhalterungsbereichs wird nach folgender Formel berechnet: [Berechnungsmethode nach 4.GB/T150-2011] In GB/T150-2011 wurden zusätzliche Angaben zur Berechnung der Plattendicke bei Zugbelastungen hinzugefügt. Dabei wird zwischen regelmäßigen und unregelmäßigen Stützkonstruktionen unterschieden. Die wichtigsten Faktoren sind dabei der Abstand zwischen den Stützen L sowie die typischen Strukturen und Parameter der Stützen K. Die Formel zur Berechnung der Plattendicke bei Zugbelastungen lautet: Wenn diese Formel zur Berechnung der Dicke der dünnen Platten verwendet wird, kann im Rohrhalterungsbereich der Wert L entsprechend einer regelmäßigen Stützkonstruktion gewählt werden, während im Bereich ohne Rohre der Wert L entsprechend einer unregelmäßigen Stützkonstruktion gewählt werden kann. Diese Norm gibt keine Darstellung der Positionen für die verschiedenen Arten von Stützpunkten an, doch gemäß den Vorgaben der Norm muss dies klar geregelt werden. Diese Methode legt außerdem keinen Druck- und Temperaturbereich fest, in dem die Stützkonstruktionen eingesetzt werden dürfen. Unter hohen Temperaturen bestimmen die Temperaturunterschiede in hohem Maße die Art und Weise, wie die Stützkonstruktionen versagen. 【5. Berechnungsmethode nach GB/T151-2014】 In der Norm GB/T 151-2014 wird in dem informativen Anhang M die Berechnungsmethode für flexible Dünnwandplatten beschrieben. Die Formel zur Berechnung der Plattendicke lautet wie folgt: Diese Norm ist im Grunde genommen mit der Berechnungsmethode nach SH/T 3158 übereinstimmend. Ihr Anwendungsbereich umfasst Fälle, in denen der Entwurfsdruck im Rohrleitungssystem nicht größer als 1,0 MPa und der Entwurfsdruck im Außenraum nicht größer als 5,0 MPa ist. Zudem muss der Druck im Außenraum höher sein als der Druck im Rohrleitungssystem ； Der Durchmesser der Hülle darf 2500 mm nicht überschreiten ； Die Länge der Wärmeaustauschrohre darf 7000 mm nicht überschreiten ； SH/T 3518 hingegen hat ein breiteres Anwendungsspektrum; es wird eingesetzt, wenn der Entwurfsdruck 6,4 MPa nicht überschreitet. Durch den Vergleich mit den Standardformeln lässt sich erkennen, dass die GB/T150-Norm die Eigenschaften der ASME- und JIS-Normen miteinander verbindet und zudem Inhalte zu Tragkonstruktionen mit unregelmäßiger Anordnung bereitstellt, die in der ASME-Norm nicht geregelt sind. SH/T3158, die AD-Vorschriften sowie GB/T 151 sind sehr ähnlich. Der Hauptunterschied besteht darin, dass bei SH/T3158 und GB/T151 der Koeffizient k von der Art der Stützung abhängt; außerdem wird der zulässige Spannungswert mit dem entsprechenden Korrekturfaktor multipliziert. In den AD-Vorschriften hingegen wird ein fester Wert von 0,4 verwendet.