Überfahren der In-Line-Resonanz

Änderungen durch die 2016er Revision des ASME-Standards für Schutzrohre

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25.07.2016 Er gilt als Maß aller Dinge: Wer bei der Festigkeitsberechnung von Schutzrohren für Thermometer nach dem global anerkannten Standard ASME PTC 19.3 verfährt, sichert sich gegen viele Eventualitäten ab. Unter dem Zusatzkürzel „TW-2016“ liegen die Normvorgaben nun in überarbeiteter Fassung vor. Die Revision erbrachte einige klarere und detailliertere Definitionen.

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Entscheider-Facts für Anlagenbauer

  • Die aktuelle Version des ASME-Standards PTC 19.3 TW-2016 berücksichtigt mögliche In-Line-Resonanz bei Schwingungen von Schutzrohren für Thermometer in Prozessleitungen.
  • Anforderungen beim Überfahren der In-Line-Resonanz beschreibt die revidierte Fassung des Standards präziser als zuvor.
  • Die Einbaulänge des Schutzrohres, dessen Ausrichtung zur Flussrichtung sowie Durchmesser an Wurzel und Spitze sind entscheidende Parameter.

Bei Schutzrohren für Thermometer gilt er als Maß aller Dinge: Wer bei deren Festigkeitsberechnung nach dem global anerkannten Standard ASME PTC 19.3 verfährt, sichert sich gegen viele Eventualitäten ab. Diese Norm an sich ist alt: Bereits 1974 veröffentlichte die American Society of Mechanical Engineers (ASME) den Standard für die Temperaturmessung, PTC (Performance Test Code) 19.3-1974. Die darin enthaltenen Maßgaben für die Schutzrohr-Berechnung basierten auf den Grundlagen von J.W. Murdock aus dem Jahr 1959. Mehr als 35 Jahre lang blieb dieser Standard unverändert gültig.

Erste Revision nach schwerem Unfall

Einen Anlass zur Überarbeitung gab ein schwerer Unfall im japanischen Kernkraftwerk Monju im Jahr 1995. Unfallursache war der von Turbulenzen ausgelöste Abriss eines Schutzrohres: Die Schwingungsrichtung des Rohrs verlief parallel zur Fließrichtung des Mediums in der Leitung. Eine solche In-Line-Resonanz war in der Berechnungsgrundlage von 1974 nicht berücksichtigt. Diese bezog sich nur auf die mehrheitlich vorkommende Aufschwingung im rechten Winkel zur Fließrichtung.

In Folge des Monju-Unfalls wurde die ASME-Norm von 1974 komplett überarbeitet und das Ergebnis 2010 publiziert. Die wichtigste Neuerung im Vergleich zum Ursprungswerk war – neben der Verwendung einer variablen Strouhalzahl – die Aufnahme der in Monju zum Problem gewordenen In-Line-Resonanz in die Berechnung. Die ASME PTC 19.3 TW-2010 wurde seitdem weltweit erfolgreich bei Industrieprozessen angewendet, die hohen Belastungen wie durch Fließgeschwindigkeit ausgesetzt sind. Dies trifft zum Beispiel auf Unternehmen in der Öl-, Gas- und Chemie-Branche zu.

Sechs Jahre nach dieser wichtigen Revision liegt nun eine aktualisierte Fassung mit dem Zusatzkürzel TW-2016 vor. Die ASME PTC 19.3 TW-2016 enthält klarere und detailliertere Definitionen als die Version von 2010. Änderungen beziehen sich auf folgende Aspekte:

1. Anforderungen zum Überfahren der In-Line-Resonanz
Kapitel 6-8.5 des Standards beschreibt die Anforderungen zum Überfahren der In-Line-Resonanz bei einem Verhältnis der Strouhal- oder Erregerfrequenz zur Eigenfrequenz fs/fn = 0,5 eindeutiger als zuvor. Demzufolge ist ein Überfahren durch den Anlagenbetreiber eigenverantwortlich möglich, wenn das Prozessmedium gasförmig ist und sich der Bereich der In-Line-Resonanz nicht im Dauerbetrieb der Anlage befindet. Hierbei darf die zulässige Biegewechsel-Beanspruchung durch die kumulierte Schwingungsanzahl von 1011 Zyklen nicht überschritten werden. Diese Zyklenanzahl entspricht für ein einteiliges Schutzrohr aus Edelstahl mit konischem Tauchschaft, 25/19 mm Durchmesser und 6,6 mm Bohrung bei einer Einbaulänge von 250 mm einem Zeitraum von etwa fünf Jahren. Die Eigenfrequenz eines solchen Rohres liegt bei etwa 300 Hz. Bei einer Einbaulänge von 550 mm sinkt die Frequenz auf rund 60 Hz ab, 1011 Zyklen dauern dann etwa 26 Jahre.
Darüber hinaus darf das Prozessmedium die Fatiguebelastbarkeit des Schutzrohr-Werkstoffs nicht negativ beeinflussen. Für den nie völlig auszuschließenden Fall eines Schutzrohrabrisses in Folge von In-Line-Resonanz verpflichtet die Norm zu Sicherheitsvorkehrungen, um schwerwiegende Schäden zu verhindern.

2. Einbau in Rohrbögen und schräger Einbau in Rohrleitungen
Bei der Montage von Schutzrohren in Rohrbögen unterscheidet die Revision TW-2016 grundsätzlich zwei Fälle: Im Fall 1 weist die Schutzrohrspitze in Fließrichtung. Diese Einbausituation wird so berechnet, als ob das Schutzrohr auf seiner gesamten Einbaulänge angeströmt würde. Im Fall 2 wird das Schutzrohr von der Spitze her angeströmt, eine für viele Anwendungen bevorzugte Lage. Hierbei muss die Berechnung ebenfalls über die gesamte Einbaulänge erfolgen, jedoch liegt die Berechnung des statischen Biegemoments außerhalb des Gültigkeitsbereichs der ASME PTC 19.3 TW-2016. Anlagenbetreiber sollten in diesem Fall Biegemoment und Strouhalzahl auf der Basis numerischer Strömungsmechanik (Computational Fluid Dynamics, CFD) oder experimenteller Messungen ermitteln.
Die Norm enthält ein ergänzendes Kapitel (6-10.8) für den oft praktizierten schrägen Einbau eines Schutzrohres in Rohrleitungen. Bei dieser Berechnung spielt die Richtung der Anströmung keine Rolle, das Schutzrohr wird nach der konservativen Methode ausgelegt, also mit rechtwinkliger Anströmung.

Heftausgabe: August 2016
Seite:
Kai Grabenauer,  Produkt Manager, CoE Europe Electrical Temperature  Measurement

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Kai Grabenauer, Produkt Manager, CoE Europe Electrical Temperature Measurement
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