Neue Lösung zur Auslegung von sicheren Druckbehältern

Um Prozessanlagen zu betreiben, benötigt der Hersteller üblicherweise eine Genehmigung. Diese wird in der Regel nur dann erteilt, wenn die Gestaltung der sicherheitskritischen Systeme durch qualifizierte Unternehmen (Benannte Stellen) oder Aufsichtsbehörden verifiziert wurde. Diese werden vom Betreiber mit der Inspektion beauftragt. Daher stellt sich die Frage, wer für die Konstruktion und die Gestaltung solch kritischer Ausrüstungsteile wie Druckbehälter die Verantwortung trägt. Die Hauptbeteiligten sind Anlagenplaner und Apparatehersteller. Beide verfügen in der Regel über qualifiziertes Personal und das Know-how über Normen und Vorschriften für Druckbehälter. Diese Unternehmen reichen ihre Entwürfe zur Verifizierung bei den Benannten Stellen ein.
Früher wurden für jedes Druckteil aufwendige Berechnungen per Hand vorgenommen, wodurch es Tage oder Wochen dauern konnte, bis ein Auslegungsentwurf fertiggestellt und der Druckbehälter als sicher deklariert werden konnte. Im Zuge dieses Vorgangs häuften sich seitenweise Berechnungen an, in denen nachgewiesen wurde, dass alle Komponenten für den Einsatz geeignet waren, indem die maximal zulässigen Belastungen aus den Gestaltungsvorschriften mit den tatsächlichen Belastungen, der eine Komponente in Verbindung mit Betriebsdruck und äußeren Lasten ausgesetzt sein würde, verglichen wurden. Dies war eine mühselige Aufgabe, und schon der kleinste Berechnungs- oder Typografiefehler konnte dazu führen, dass eine Dicke in den Spezifikationen falsch festgelegt war und somit Gefahren nach sich ziehen konnte. Falls die Auslegungsparameter sich änderten, mussten mehrere zusätzliche Seiten erstellt werden, auf denen Neuberechnungen dargelegt waren. Glücklicherweise waren die Zeitrahmen von Projekten zu diesem Zeitpunkt noch nicht so streng, wie es heutzutage der Fall ist.
Die Herausforderungen sind allerdings größer geworden: Die Zeitrahmen sind weitaus strikter, und Planer sind gefordert, sichere Gestaltungspläne zu entwerfen, die nicht nachgebessert werden müssen. Um diesen Vorgang zu vereinfachen, müssen sich die Ingenieure sicher sein können, dass die von ihnen eingesetzte Software verlässlich ist und alle relevanten Normen überprüft und die Ergebnisse durch Benchmark-Tests gemäß einem Verifizierungs- und Validierungsprotokoll bestätigt wurden. Darüber hinaus soll die Software eine höhere Produktivität ermöglichen und intuitiv und einfach zu bedienen sein.

Hinterlegte Auslegungsvorschriften beschleunigen die Auslegung
Gute Softwarewerkzeuge nutzen heute das Wissen des Ingenieurs und helfen dem Planer, schnell und einfach einen sicheren Entwurf zu erstellen. In den vergangenen zwei Jahrzehnten wurden diese Tools weiterentwickelt und beinhalten nunmehr verschiedene Materialdatenbanken, in denen Auslegungsvorschriften unter Berücksichtigung der zulässigen Belastungen für sämtliche anwendbaren Gestaltungsbedingungen enthalten sind. Der Ingenieur legt die Lastgrenzen wie etwa Druck, Temperatur, Komponentendurchmesser, Windgeschwindigkeit, Plattformmaße usw. fest. Gemeinsam mit den integrierten Auslegungsvorschriften, mit denen die tatsächlichen Belastungsniveaus für jede Komponente mit den vorgegebenen Belastungen verglichen werden, ist das System in der Lage, die Belastungsergebnisse in Form von unterschiedlichen Berichten darzustellen. Erforderliche Änderungen können innerhalb von Minuten vorgenommen werden.
Doch inwiefern wirkt sich dies für Betreiber und Apparatebauer aus? In einem ersten Arbeitsschritt werden die meisten Anlagen räumlich als 3D-Modelle entworfen und beinhalten typischerweise Rohrleitungssystem, Gebäude, Ausrüstung (darunter Druckbehälter), Messtechnik, Elektronik und Lüftungssystem. Programme zur Erstellung von 3D-Modellen ermöglichen es, Rohrleitungsdaten automatisch zu erstellen und verfügen über bidirektionale Schnittstellen und Werkzeuge zur Belastungsanalyse. Auf diese Weise ist es möglich, bereits zugelassene Druckbehälter in das 3D-Modell zu importieren. Die fertigen Ergebnisse wie Lageplan und isometrische Abbildungen können daraufhin über einen automatisierten Prozess in einem Bruchteil der per Hand aufgewandten Zeit erstellt werden.
Sobald die grundlegenden Parameter wie der Durchmesser, die Temperatur und das Material im Rahmen der Gestaltungsgrenzen festgelegt worden sind, kann das vollständige Modell innerhalb von Minuten unter Nutzung der „Click-and-see“-Methode erstellt werden. Die Einzelheiten des Behälters wie dessen Stutzen können auf ähnliche Weise mithilfe der Excellent-Graphics-Schnittstelle hinzugefügt werden.
Da die Projektdurchlaufzeiten sinken müssen, muss die Auslegung zügig validiert werden. Mit der Auslegungssoftware PV Elite für Druckbehälter kann der Ingenieur direkt über den „On-Screen“-Bildschirm und direkt nach der Eingabe sehen, ob eine druckbeaufschlagte Komponente die richtige Materialstärke hat. Die Einhaltung der Vorschriften hinsichtlich der Stutzen wird unmittelbar angezeigt, ohne dass hierfür eine Analyse des gesamten Behälters notwendig wäre.
Durch Nutzung der Tools oder Systeme, mit denen „zugelassene“ Behälter ohne zusätzliches Duplizieren der Zeichnung importiert und detaillierte Zeichnungen für die Herstellung erstellt werden können, spart der Betreiber Zeit und Geld beim Bau oder der Erweiterung der Anlagen. Dadurch, aber auch unter Verwendung automatischer Zeichnungsupdates, können konstruktive Änderungen sehr schnell durchgeführt werden. Dadurch steigt die  Produktivität und können potenzielle Fehler beim Übertragen vermieden werden.
Im Zuge der Fertigstellung des gesamten Behälters bietet das System eine Zusammenfassung oder detaillierte Berichte für jede einzelne Behälterkomponente und jede Belastungsart. Ergebnisberichte heben automatisch die Problembereiche in Rot hervor, damit der Ingenieur die Fehlerquelle ausfindig machen und markieren kann. Über die Drag-and-Drop-Funktion der einzelnen Ergebnisse ist es ebenfalls möglich, individuelle Berichte anzufertigen.

Änderungen flexibel vornehmen
Eine der nachgefragtesten Funktionen, die Betreiber heutzutage wünschen, ist die Möglichkeit, schnelle Änderungen an der Auslegung vornehmen zu können. Bei vielen Tools wurden hypothetische Szenarien integriert, über die ein Ingenieur unterschiedliche Varianten rasch beurteilen kann, um die Kosten zu optimieren und gleichzeitig die Sicherheit der Gestaltung nicht zu vernachlässigen. Beispiele hierfür sind Änderungen der Auslegungsvorschriften, umfassende Änderungen am Material oder eine neue Einrichtung, bei der der Auslegungsfall ASME 2695 zur Dickenoptimierung zum Einsatz kommt.
Mit einer grafikorientierten Software zur Modellerstellung können Ingenieure im Handumdrehen Änderungen an den Parametern wie etwa dem Durchmesser, dem Material, der Dicke, dem Druck, der Temperatur, den Schweißtypen, den Windlasten und den Flanschbemessungen vornehmen; Wind- und seismische Lasten können global für den gesamten Behälter angewandt werden.
Das Druckbehälter-Berechnungsprogramm PV Elite vereinfacht die Auslegung und Analyse der Behälter und Wärmetauscher auf eine präzise, schnelle und vor allem rentable Weise. Nutzer können vollständige Druckbehälter oder individuelle Komponenten gemäß den vier wichtigsten internationalen Gestaltungsvorschriften (ASME VIII Div1, ASME VIII Div2, PD 5500 und EN 13445) entwickeln. Grafiksystemingenieure können dabei zusehen, wie das Modell entsteht, während die Komponenten über eine einfach handzuhabende Schnittstelle festgelegt werden können.
Zusätzlich zur Gestaltung des Behälters ermöglicht das Tool dem Ingenieur, Wärmetauscher gemäß ASME UHX, TEMA, PD 5500 und EN 13445 zu entwerfen. Außerdem sind die Betreiber in der Lage, die verbleibende Lebensdauer gemäß API 579 auszuwerten bzw. diese neu einzustufen. Die Lasten der externen Rohrleitungen der Stutzen können zusätzlich zur Finite-Elemente-Analyse (erfordert die Software „Nozzle Pro“) gemäß ASME VIII Div 2 mithilfe von vier unterschiedlichen Auslegungsvorschriften ausgewertet werden. Die Software verfügt über 20 eingebaute Vorschriften hinsichtlich der Windlasten und 23 Vorschriften hinsichtlich der seismischen Lasten, außerdem können Behälter anhand der nutzerdefinierten Antwortspektren analysiert werden.
Die Behälter können über Standzargen und Stützpfosten (darunter Rohrabschnitte), Sattel oder Ösen befestigt und gestützt werden; bei den Stützpfosten können unterschiedliche Abschnitte aus internationalen Datenbanken (u.a. aus den USA, Großbritannien, Europa, Deutschland, Südafrika, Japan und Australien) ausgewählt werden.
Die neue Version PV Elite 2013 enthält eine Reihe von Verbesserungen, darunter u.a. eine Multifunktionsleiste, „Limpet Coils“ gemäß PD 5500, ein Update auf die Version PD 5500 2012, neue „örtliche“ Belastungsanalysefunktionen gemäß EN 13445, dehnbare Verbindungen an Wärmetauschern mit festen Rohrplatten gemäß EN-Protokoll, rasche Hervorhebung von Texten bei der Berechnung, Suchen und Markieren der Ergebnisse, farbliche Markierung der Grafiken im Modell und Möglichkeit zum direkten pdf-Ausdruck.
Damit bietet die Software sämtliche Merkmale, um eine sichere Gestaltung von Druckbehältern zu gewährleisten und schafft die Voraussetzung, dass die Berechnungen bei den Benannten Stellen eingehen und mit hoher Wahrscheinlichkeit genehmigt werden.

Mehr Informationen zur Software finden Sie hier