Druckbehälter Allgemein

Druckbehälter sind geschlossene Bauteile, deren Druck im Inneren über dem Umgebungsdruck liegt. Dazu zählen direkt angebrachte Teile bis hin zu der Vorrichtung für den Anschluss an andere Geräte. Im Gegensatz zu Druckgasbehältern und Transportbehältern für gefährliche Güter, in denen unter Druck stehende und andere gefährliche Fluide befördert werden, ist der Betrieb von Druckbehältern in den meisten Fällen einem bestimmten Aufstellungsort zugewiesen. Dampfkesseln gehören nicht zu Druckbehältern. Dampfkessel sind speziell dafür ausgelegt, Wasserdampf (mit einem Dampfdruck über 0,5 bar) oder Heißwasser (mit einer Temperatur über 110 °C) zu erzeugen. Dies geschieht durch Feuerung, elektrische Beheizung oder Nutzung von Abwärme. Rohrleitungen zum Befördern von Fluiden sind auch keine Druckbehälter.

Ein Bild, das Zylinder enthält. Automatisch generierte Beschreibung

Abbildung 1: Druckbehälter [MDESIGN]

Die kugelförmige Bauweise gilt als die konstruktiv optimale Form für Druckbehälter, insbesondere bei sehr hohen Innendrücken oder großen Volumina, wie sie etwa bei Gasbehältern vorkommen. In der Praxis wird jedoch überwiegend die zylindrische Form verwendet, da sie ein gutes Gleichgewicht zwischen Druckfestigkeit und wirtschaftlicher Fertigung bietet.

Arten von Druckbehältern

Es gibt viele verschiedene Arten von Druckbehältern, die für unterschiedliche Zwecke gebaut werden. Ein wichtiger Bereich sind Lagerbehälter für Gase, wie zum Beispiel Flüssiggaslagerbehälter, Wasserstofflagerbehälter und Erdgaslagerbehälter sowie Kryotanks, die tiefgekühlt verflüssigte Gase lagern. Diese Behälter sind wichtig, um gasförmige oder verflüssigte Stoffe sicher aufzubewahren und zu handhaben.

Eine weitere wichtige Art sind Silobehälter, die mit Druckluft arbeiten, um körnige Materialien, zum Beispiel in der Bauindustrie, pneumatisch zu transportieren. Solche Silobehälter befinden sich oft auf Lastwagen, die die Materialien direkt zu den Baustellen bringen.

Druckspeicherbehälter sind ebenfalls von großer Bedeutung. Sie speichern Energie in hydraulischen und pneumatischen Systemen. Dazu gehören Hydraulikspeicher, Membranausdehnungsbehälter, Windkessel und Energiespeicher für Druckluftspeicherkraftwerken.

In Thermalölanlagen, die Wärme übertragen, werden Erhitzer und Druckbehälter verwendet. Sie beinhalten unter Druck stehende Wärmeträgerflüssigkeiten, wie zum Beispiel Thermoöl. Es gibt auch Abscheider, Sammler und Filter, wie etwa Wasserabscheider, die verschiedene Bestandteile von Flüssigkeiten oder Gasen trennen und so den Betrieb der Anlagen verbessern.

Wärmeübertrager wie Kondensatoren und Verflüssiger sind ebenfalls wichtig, um Wärme zwischen verschiedenen Stoffen zu übertragen. In chemischen und verfahrenstechnischen Prozessen kommen außerdem spezielle Behälter und Geräte zum Einsatz. Dazu gehören Rührwerksbehälter, Kolonnen und Reaktoren, die chemische Reaktionen oder physikalische Prozesse unterstützen. Auch Autoklaven und Druckbehälter mit Katalysatorenmasse sind in dieser Gruppe und helfen, chemische Reaktionen zu beschleunigen.

Einige Anlagen verwenden beheizte oder gekühlte Druckbehälter, um Prozesse bei bestimmten Temperaturen ablaufen zu lassen. Beispiele sind dampfbeheizte Zylinder in der Papierherstellung oder Plattenfroster in der Lebensmittelindustrie. Schließlich gibt es die Reaktordruckbehälter in Kernkraftwerken, die den Reaktorkern sicher umschließen und hohen Drücken und Temperaturen standhalten müssen.

Vorschriften für Druckbehälter

Druckbehälteranlagen sind überwachungsbedürftige Anlagen nach § 2 Gesetz über überwachungsbedürftige Anlagen (ÜAnlG) i. V. mit § 2 Abs. 13 Betriebssicherheitsverordnung (BetrSichV).  Im europäischen Recht des freien Warenverkehrs wird zwischen „Druckgeräten“ (Richtlinie 2014/68/EU für Druckgeräte) und „einfachen Druckbehältern“ (Richtlinie 2014/29/EU) unterschieden. Für beide Kategorien gibt es spezifische Richtlinien, die Anforderungen und Vorschriften für Herstellung, Sicherheit und Inverkehrbringen festlegen. Für die Konstruktion und Dimensionierung von Druckbehältern gibt es verschiedene Regelwerke. Die Druckgeräterichtlinie lässt die Wahl des anzuwendenden Auslegungswerkes offen.

Richtlinie 2014/68/EU (Druckgeräte)

DieRichtlinie 2014/68/EU legt Regeln fest, um die Sicherheit und Qualität von Druckgeräten und Druckbehältern in der Europäischen Union zu gewährleisten. Druckbehälter, die mit einem maximalen Betriebsdruck über 0,5 bar arbeiten, fallen unter diese Richtlinie. Sie umfasst Druckbehälter sowie Rohrleitungen, Dampfkessel, druckhaltende Ausrüstungsteile wie Ventile und Filter und sicherheitsrelevante Bauteile. Alle diese Geräte brauchen eine EU-Konformitätserklärung und eine CE-Kennzeichnung, bevor sie verkauft werden dürfen. Diese Kennzeichnung zeigt, dass das Produkt alle wichtigen Sicherheits- und Qualitätsanforderungen erfüllt. Druckbehälter, die in der Industrie und im Alltag verwendet werden, sind oft hohen Drücken und Belastungen ausgesetzt. Dadurch bergen sie gewisse Risiken für die Gesundheit und Sicherheit der Menschen und die Umwelt. Um diese Risiken zu senken und gleichzeitig den freien Handel in der EU zu fördern, stellt die Richtlinie klare und einheitliche Anforderungen an das Design, die Herstellung und den Vertrieb dieser Behälter auf. Die einheitlichen Vorschriften sollen sicherstellen, dass Druckbehälter in der gesamten EU denselben hohen Sicherheitsstandards entsprechen – egal, wo sie hergestellt wurden. So wird das Vertrauen in die Sicherheit und Qualität der Druckbehälter gestärkt und verhindert, dass es Wettbewerbsnachteile auf dem Binnenmarkt gibt.

Richtlinie 2014/29/EU (einfache Druckbehälter)

Die Richtlinie 2014/29/EU sorgt dafür, dass einfache Druckbehälter in der Europäischen Union bestimmte Sicherheitsstandards erfüllen. Diese Behälter haben einen Betriebsdruck über 0,5 bar und werden oft im Alltag und in der Industrie eingesetzt. Einfache Druckbehälter sind so konzipiert, dass sie weniger komplexe technische Anforderungen haben, aber dennoch sicher verwendet werden können. Auch Druckbehälter müssen eine EU-Konformitätserklärung und eine CE-Kennzeichnung haben, bevor sie auf den Markt kommen. Die Richtlinie sorgt dafür, dass einfache Druckbehälter überall in der EU dieselben Sicherheitsstandards einhalten, unabhängig

davon, wo sie hergestellt wurden. Dank dieser einheitlichen Vorschriften können einfache Druckbehälter sicher und frei innerhalb der EU gehandelt werden, was das Vertrauen in ihre Qualität stärkt und faire Wettbewerbsbedingungen schafft. Diese Richtlinie gilt für serienmäßig hergestellte einfache Druckbehälter (im Folgenden „Behälter“ genannt) mit folgenden Merkmalen:

  • Behälter sind geschweißte Behälter, die für einen relativen Innendruck von mehr als 0,5 bar ausgelegt sind und zur Aufnahme von Luft oder Stickstoff dienen. Sie dürfen keiner Flammeneinwirkung ausgesetzt werden.
  • Die drucktragenden Teile und Verbindungen des Behälters bestehen aus:
    • unlegiertem Qualitätsstahl oder
    • unlegiertem Aluminium oder
    • nichtaushärtbaren Aluminiumlegierungen.
  • Der Behälter setzt sich aus einem der folgenden Elemente zusammen:
    • einem zylindrischen Teil mit rundem Querschnitt, der durch nach außen gewölbten oder flachen Böden geschlossen ist, wobei die Umdrehungsachse dieser Böden der des zylindrischen Teils entspricht.
    • zwei gewölbten Böden mit gleicher Umdrehungsachse.
  • Der maximale Betriebsdruck des Behälters liegt bei 30 bar oder darunter, und das Produkt aus diesem Druck und dem Fassungsvermögen des Behälters
    (PS × V) beträgt höchstens 10.000 bar · L.
  • Die niedrigste Betriebstemperatur liegt nicht unter -50 °C und die maximale Betriebstemperatur bei Behältern aus Stahl nicht über 300 °C und bei Behältern aus Aluminium oder Aluminiumlegierung nicht über 100 °C.

Regelwerke für die Auslegung, Konstruktion und Dimensionierung von Druckbehältern

Die Konstruktion und Dimensionierung von Druckbehältern werden in verschiedenen Regelwerken festgelegt. Die Druckgeräterichtlinie gibt keine festen Vorgaben zur Auswahl des anzuwendenden technischen Regelwerks, sodass in Deutschland häufig das AD 2000-Regelwerk verwendet wird. Es existieren jedoch auch harmonisierte europäische Normen, wie das EN 13445-Regelwerk, die im deutschsprachigen Raum bisher nur langsam an Bedeutung gewinnen. In anderen Regionen der Welt finden etablierte Regelwerke wie ASME oder CODAP Anwendung, solange sie die grundlegenden Sicherheitsanforderungen der Druckgeräterichtlinie (Anhang I) erfüllen. Technische Regelwerke wie das AD 2000-Regelwerk enthalten detaillierte Vorschriften zur Konstruktion, Herstellung, Prüfung und Abnahme von Druckbehältern, Dampfkesseln und Rohrleitungen. Diese umfassen Aspekte wie die Auswahl der Werkstoffe, Berechnungsmethoden sowie die zulässigen Geometrien. Eine der grundlegendsten Berechnungsformeln für Druckbehälter ist die Kesselformel, die den Zusammenhang zwischen Innendruck, Durchmesser, Wanddicke und den dabei entstehenden mechanischen Spannungen bei dünnwandigen, zylindrischen Behältern beschreibt.

Auslegungsgrundlagen von Druckbehältern nach EN 13445-3

Die nachfolgenden Auslegungsgrundlagen nach EN 13445-3 legt die Anforderungen an die Konstruktion von unbefeuerten Druckbehältern nach EN 13445-1:2014 und hergestellt aus Stählen nach EN 13445-2:2014 fest.

Lastfälle bei Einwirkungen

Bei der Konstruktion eines Druckbehälters sind die folgenden Einwirkungen, soweit zutreffend, zu berücksichtigen:

  • Innendruck und/oder Außendruck;
  • maximaler statischer Druck des Fluids im Druckbehälter unter Betriebsbedingungen;
  • Masse des Druckbehälters;
  • maximale Masse des Behälterinhalts unter Betriebsbedingungen;
  • Masse des Wassers unter Wasserdruckprüfbedingungen;
  • Beanspruchung durch Wind, Schnee und Eis;
  • Belastung durch Erdbeben;
  • sonstige vom Druckbehälter aufgenommene oder auf den Behälter wirkende Lasten, einschließlich Belastungen bei Transport und Montage.

In Fällen, in denen ein Nachweis der Angemessenheit der vorgeschlagenen Konstruktion, z. B. durch Vergleich mit dem Verhalten anderer Druckbehälter, nicht möglich ist, sind ggf. die Wirkungen der nachstehend angeführten Lasten zu berücksichtigen:

  • Beanspruchungen durch Stützpratzen, Stützringe, Träger, Sattelauflager, Inneneinbauten oder Anschlussrohre oder durch beabsichtigten Mittellinienversatz zu benachbarten Teilen;
  • Stoßbeanspruchung durch Wasserschlag oder Schwallwirkung des Behälterinhalts;
  • Biegemomente aufgrund außermittiger Lage der Druckkräfte gegenüber der neutralen Achse des Druckbehälters;
  • Spannungen aufgrund von Temperaturunterschieden einschließlich Transienten und unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten;
  • Spannungen aufgrund von Druck- und Temperaturschwankungen sowie externen Belastungen, die auf den Druckbehälter wirken;
  • Spannungen aufgrund der Zersetzung von instabilen Fluiden.

Lastfälle bei Normalbetrieb

Lastfälle bei Normalbetrieb treten beim normalen Betrieb des Druckbehälters einschließlich Anlauf und Abschalten auf. Für die Berechnung der Lastfälle bei Normalbetrieb sind folgende Parameter zu verwenden:

  • der Berechnungsdruck, P, nach 5.3.10;
  • für die Nennberechnungsspannungen gilt f = fd nach 6.1.3 bei Berechnungstemperatur;
  • für die Berechnungswanddicke gilt ea = emin – c nach 5.2.3;
  • der Schweißnahtfaktor, z, nach Tabelle 5.6-1.