Technische Informationen

Schutzrohrberechnung
WIKA Datenblatt IN 00.15

Anwendungen■■ Die Schutzrohrberechnung dient zum rechnerischen

Nachweis der Festigkeit hinsichtlich der statischen unddynamischen Belastung unter Berücksichtigung derBetriebstemperatur und des Betriebsdrucks.

Leistungsmerkmale■■ Schutzrohrberechnung nach ASME PTC 19.3 TW-2016

für Standardschutzrohre aus Vollmaterial als Ingenieursdienstleistung■■ Bei Überschreitung der zulässigen Belastungsgrenzen
können Vorschläge zur konstruktiven Änderung desSchutzrohres abgeleitet werden

FEM-Darstellung eines angeströmten Schutzrohres
mit Spannungsdarstellung an der Spitze und in derWurzel

Beschreibung
Die Schutzrohrberechnung nach ASME PTC 19.3 TW-2016
findet bei Schutzrohren aus massivem gebohrtem Stangenmaterial in konischer, gerader oder gestufter Ausführung wiez. B. bei den Typen TW10, TW15, TW20, TW25 und TW30
sowie bei geschmiedeten einteiligen Schutzrohren Verwendung.
Die benötigten Prozessdaten zur Durchführung einer Berechnung nach ASME PTC 19.3 TW-2016 sind:
SI-Einheit

Imperial

Weiterekg/m³lb/ft³---Durchflussratem/s

Temperatur°C

Mediumsdichte
Druck

Dynamische Viskosität 1)

barmm²/s1) Optional für ASME PTC 19.3 TW-2016

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ft/s
°F

psi

ft/1000s---------cP

WIKA garantiert, dass die Berechnung auf den Grundlagender ASME PTC 19.3 TW-2016 durchgeführt wird. Der
Endanwender ist dafür verantwortlich, dass die reellen
Prozessdaten mit denen der Berechnung zugrundeliegenden übereinstimmen. Im Allgemeinen kann von WIKA
keine Gewährleistung für die Berechnung der Ergebnisse
nach ASME PTC 19.3 TW-2016 übernommen werden. DieErgebnisse haben informativen Charakter.
Für Vorschläge hinsichtlich konstruktiver Änderungen beiÜberschreitung der zulässigen Belastungsgrenzen werden
zusätzlich folgende Informationen benötigt:■■ Innendurchmesser des Stutzens■■ Höhe des Stutzens (abgeschirmte Länge)■■ Innendurchmesser und Wandstärke der Rohrleitung/desBehälters

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Basisinformationen über ASME PTC 19.3 TW-2016
Die ASME PTC 19.3 TW-2016 unterteilt sich in dynamischeund statische Berechnungsergebnisse.
Bei Gasen mit geringer Dichte beträgt die Frequenzgrenzetypischerweise rmax = 0,8. Bei anderen gasförmigen Medien
ist ein gleichbleibender Betrieb im Bereich zwischen
r = 0,4 ... 0,6 um die In-Line-Resonanz herum nicht zulässig.
Bei flüssigen Medien kommt in vielen Anwendungentypischerweise die neu eingeführte Grenzfrequenz rmax = 0,4
für die In-Line-Resonanz zur Anwendung.
In-Line-Resonanz:
r = 0,5 („drag oscillation“)

Hauptresonanz:
r = 1 („lift oscillation“)

rmax

00,10,20,30,4

rmax

0,50,60,70,80,91r = fs/fnAbschnitt 6-8.2:
0,8Gase mit geringer Dichte NSC > 2,5 nd Re < 105Abschnitt 6-8.3 und 6-8.4:
Zykl. Spannungszustand

0,40,60,8All other cases:
0,4

Die Bewertung der dynamischen Ergebnisse erfolgt über den
Dämpfungsfaktor NSC (die Scruton-Nummer NSC hat einendirekten Bezug zu dem zulässigen Frequenzverhältnis rmax
von Erregerfrequenz fs zu Eigenfrequenz fn). Vereinfacht ist
für gasförmige Medien ein charakteristischer Wert NSC > 2,5;
Flüssigkeiten besitzen typischerweise einen NSC < 2,5.
Die Scruton-Nummer NSC hängt bei der Berechnung
vom intrinsischen Dämpfungsfaktor, der Dichte desSchutzrohrmaterials, dem Prozessmedium sowie dem
Spitzen- und Bohrungsdurchmesser des Schutzrohrs ab.

Die statischen Ergebnisse der ASME PTC 19.3 TW-2016
werden erstellt aus dem maximal zulässigen Prozessdruck(abhängig von der Prozesstemperatur und den Geometriedaten des Schutzrohres) und der Biegespannung im
Bereich der Schutzrohrwurzel. Die Biegespannung, diedurch die Anströmung des Schutzrohres verursacht wird, istabhängig von der abgeschirmten Länge durch den Flanschstutzen.

Ob auch bei flüssigen Prozessmedien das Frequenzverhältnis r < 0,8 als Bewertungsgrenze herangezogen werdenkann, wird durch Betrachtung der zulässigen Spannungenim Schutzrohrwerkstoff zu den tatsächlichen Spannungen
im Resonanzfall entschieden. Zusätzlich erfolgt eine Bewertung der Festigkeit des Schutzrohrwerkstoffes bezüglich derBiegewechselbeanspruchung (fatigue stress) im Bereich derEinspannung des Schutzrohres.

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Seite 2 von 7Lösungen bei Überschreitung des zulässigen Frequenzverhältnisses rmax durch
konstruktive ÄnderungenBei Überschreitung der maximal zulässigen Grenzfrequenz
rmax für die „In-Line“- oder Hauptresonanz können folgende
konstruktive Änderungen vorgenommen werden:a) Verkürzen der Einbaulänge
Dies ist die effektivste und von der
ASME PTC 19.3 TW-2016 empfohlene Methode zur
Verbesserung des Frequenzverhältnisses r.
b) Vergrößern des Wurzeldurchmessers
Durch Vergrößerung des Wurzeldurchmessers wird dieEigenfrequenz fn reduziert und damit das Frequenzverhältnis r optimiert.
c) Vergrößern des Spitzendurchmessers
Durch Vergrößerung des Spitzendurchmessers wird die
Wirbelablösungsfrequenz fs reduziert und damit das
Frequenzverhältnis r optimiert.
d) Stützanker
Stützanker bzw. andere Stützvorrichtungen sind
im Geltungsbereich der Norm nicht enthalten. Eine
Abstützung des Schutzrohres durch einen Stützanker
wird nicht generell empfohlen, da eine feste Stütze nur
mit einer Interferenz zwischen dem Stützanker und dem
eingebauten Rohr, siehe ASME PTC 19.3 TW-2016,
Punkte 6-7-(e), erzielt werden kann. Auf Kundenwunschkann ein Stützanker zur Anwendung kommen undso ausgelegt werden, dass eine Interferenz mit dem
Prozessanschluss gewährleistet ist. Die Ausführungdes Schutzrohrs entspricht den Konstruktions- undBerechnungskriterien der ASME PTC 19.3 TW-2016,
die jedoch nicht im Geltungsbereich derASME PTC 19.3 TW-2016 enthalten sind. Der Betreiber
ist für die stabile Abstützung des Ankers im Stutzen
verantwortlich, was bedeuten kann, dass der Anker
nachbearbeitet werden muss. Eine Gewährleistung fürStützankerlösungen wird generell durch WIKA nichtübernommen!

e) ScrutonWell®-DesignDas ScrutonWell®-Design kann für einteilige Schutzrohre
mit Flanschanschluss, Vanstone-Ausführung und auch
für geschweißte oder geschraubte Prozessanschlüsse
eingesetzt werden. Dieses Design ermöglicht die einfacheund schnelle Montage des Schutzrohres ohne teuren
und zeitintensiven Nachbereitungsaufwand vor Ort, undreduziert zugleich die Schwingungsamplitude um mehr als
90 % 1). Das ScrutonWell®-Design von WIKA wurde durch
die unabhängigen Labore TÜV SÜD NEL (Glasgow) sowie
dem Institut für Mechanik und Fluiddynamik (TechnischeUniversität Freiberg) getestet und erprobt.
Nähere Informationen siehe Datenblatt SP 05.16.
Berechnung des ScrutonWell®-Designs nach
ASME PTC 19.3 TW-2016■■ Maximal zulässige Druckbelastung in Bezug auf
ursprüngliche Tauchschaftabmessungen■■ Maximal zulässige Biegebelastung in Bezug auf modifizierte Tauchschaftabmessungen■■ Der dynamische Teil ist bei den Berechnungen für das
Schutzrohr nicht erforderlich, da die Schwingungsamplitude um mehr als 90 % gedämpft wird

Schutzrohr Typ TW10 im ScrutonWell®-DesignASME PTC 19.3 TW-2016 ist für mehrteilige Schutzrohre (in geschweißter Ausführung) nicht anwendbar.
Um Berechnungen nach Dittrich/Klotter für mehrteilige
Schutzrohre zu erhalten, bitte Kontakt mit einem WIKAMitarbeiter aufnehmen.
1) Journal of Offshore and Mechanics and Artic Engineering Nov 2011,Ausgabe 133/041102-1, Herausgeber: ASME

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Durchführung einer Standard-Schutzrohrberechnung nach ASME PTC 19.3 TW-2016
Das vereinfachte Flussdiagramm zeigt
die schrittweise Durchführung einerStandard-Schutzrohrberechnung
nach ASME PTC 19.3 TW-2016. Das
Diagramm gilt nur für Abweichungen vom Frequenzverhältnis. Eine
komplette Liste möglicher Fehlercodes
ist aus der WIKA-Betriebsanleitung
ersichtlich.
Aufgrund unterschiedlicher Schutzrohrauslegungen in Verbindung mit
verschiedenen Prozessparameternkann dieses Standardverfahren nicht
bei allen Schutzrohrberechnungenangewandt werden.
Wird mit dem dargestellten Verfahrenkein gutes Ergebnis erzielt, wenden
Sie sich an den WIKA-Vertriebskontakt
zwecks Unterstützung, da in diesem
Fall möglicherweise eine spezifische
technische Lösung erforderlich ist.

Schutzrohrberechnung nach
ASME PTC 19.3 TW-2016

Das Schutzrohr
liegt außerhalb desGeltungsbereichs von
PTC 19.3 TW-2016

Ja

Spezifikationen
für Stellitierungen,rauhe Oberflächen, Stützanker,
Spiralstrukturen, Stufenbohrungen oderabweichende TauchschaftKonstruktionen
vorhanden?

Wenden Sie sichbitte an den WIKAVertriebskontakt
zwecks Unterstützung.

Nein

Schutzrohrberechnung
nachASME PTC 19.3 TW-2016

Stützanker
oderScrutonWell®-Design

Ja

Ergebnisbestanden?
Nein

Vorgeschlagene
freitragende Länge (L) >Stutzenlänge + Wandstärke+ 2" (50 mm)

Ja

Nein

WARNUNG!
Liegt eine Schleifensituation vor, so wenden
Sie sich bitte an den
WIKA Vertriebskontakt
zwecks Unterstützung.

Freitragende Länge zu Loptändern und Berechnung
wiederholen

Ergebnisbestanden?

Ja

Nein

Spitze und/oder den
Wurzeldurchmesser
vergrößern undBerechnung wiederholen

Ergebnisbestanden?

Nein

Ja

ENDE der Schutzrohrberechnung
Schutzrohr bestanden

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Konstruktionsangaben
Position des ersten Stützankers festlegen
Die Position des Schutzrohr-Stützankers wird wie folgt
berechnet: Stutzenlänge – 1" (25,4 mm)
Zum Beispiel:Stutzenlänge 14" (355,6 mm). Der 1. Stützanker befindet sich13" (330,2 mm) von der Flanschfläche.

Stutzenlänge

Stutzenlänge

Die Stutzenlänge ist definiert als die Länge vom Außendurchmesser des Rohrs/der Rohrleitung bis zur Höhe desStutzens (Flanschfläche oder Fassung, usw.)

Anzahl und Position der Stützanker festlegen
Beträgt die Position des 1. Stützankers nur 5" (127 mm), soist nur ein Stützanker erforderlich.
Beträgt die Position des 1. Stützankers 5" (127 mm)oder mehr, so ist ein 2. Stützanker an der Position des
1. Stützankers geteilt durch zwei erforderlich. Bei einer
Stutzenlänge von mehr als 30" (762 mm) wenden Sie sichbitte an Ihren WIKA-Vertriebsvertreter.
Beispiel Nr. 1 – Zwei Stützanker
Die Stutzenlänge beträgt 14" (356 mm). Stützanker 1 befindet sich bei 14" (356 mm) – 1" (25,4 mm) = 13" (330 mm). Da
diese Zahl größer als 5" (127 mm) ist, sind zwei Stützanker
erforderlich. Also 13" (330 mm) / 2 = 6,5" (165 mm). Stützanker 2 befindet sich bei 6,5" (165 mm).
Beispiel Nr. 2 – Ein Stützanker
Die Stutzenlänge beträgt 4,5" (114 mm). Stützanker 1 befindet sich bei 4,5" (114 mm) – 1" (25.4 mm) = 3,5" (89 mm).
Da diese Zahl kleiner als 5" (127 mm) ist, ist ein Stützanker
erforderlich.

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Stützanker 2Stützanker 1

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Typischer Einbau in einem Stutzen
DetailSpielfreie Passung
zwischen Stützanker
und Innendurchmesserdes Stutzens≥ 45 mm (1,75")
12,7 mm (½")

siehe “Detail”

4-Punkt-Stützanker“A”

Kegelige
Einbaulänge Ured

“A”

Prozess

Abschnitt “A”-“A”

Bestimmung des Außendurchmessers des Stützankers anhand der Rohrgröße undder RohrklasseNPS1"
1 ½"
2"

UOM
inch

mm

inch

mm

inch

mm

Außendurchmesser des Stützankers
SCH.10

SCH.40

SCH.STD

SCH.80

SCH.XS

SCH.160

SCH.XXS

28,1

26,9

26,9

24,6

24,6

21,0

15,5

1,107

1,692

43,0

2,167

55,0

1,059

1,620

41,1

2,077

52,8

1,059

1,620

41,1

2,077

52,8

0,967

1,510

38,4

1,949

49,5

0,967

1,510

38,4

1,949

49,5

0,825

1,348

34,2

1,697

43,1

0,609

1,110

28,2

1,513

38,4

Bestimmung des vorgeschlagenen maximalen Wurzeldurchmessers anhand derStutzengröße und der Rohrklasse
NPSUOM

Vorgeschlagener Wurzeldurchmesser am Stützanker

1"

inch

0,938

1 ½"2"mminchmminch

mm

SCH.10

SCH.40

SCH.STD

SCH.80

SCH.XS

SCH.160

SCH.XXS

23,822,222,220,620,6

17,5

12,7

1,500

38,1

1,875

47,6

WIKA Datenblatt IN 00.15 ∙ 01/2019

0,875

1,375

34,9

1,750

44,50,875

1,375

34,9

1,750

44,50,813

1,250

31,8

1,625

41,30,813

1,250

31,8

1,625

41,30,688

1,125

28,6

1,500

38,10,500

1,000

25,4

1,250

31,8Seite 6 von 7Konstruktionsvorgaben nach ASME PTC 19.3 TW-2016
Beschreibung

Kegelige und gerade Form

Gestufte Form

63,5 mm (2,5")

609,6 mm (24")

127 mm (5")

609,6 mm (24")

9,2 mm (0,36")

46,5 mm (1,83")--

MinimalEinbaulänge L

3,175 mm (0,125")

Bohrungsdurchmesser d
Spitzendurchmesser B

0,58

Konusverhältnis B/A-

Stufenverhältnis B/A für B = 12,7 mm

3 mm (0,12")Min. Wandstärke (B-D)/dKennzeichnung

nach ASME PTC in WIKA19.3 TW-2016
Datenblättern

EinbaulängeLUSpitzendurchmesser

BV

Bohrungsdurchmesser
Wurzeldurchmesser

dB

A

1-

Q

0,875--

2-

0-

6,7 mm (0,265")

0,80,583-

Maximal

-

0,5-

-

Längenverhältnis Ls/L

6,1 mm (0,24")

0,71

2

Querschnittsverhältnis L/B

20,9 mm (0,825")

-

0,16

Bohrungsverhältnis d/B

Minimal--Stufenverhältnis B/A für B = 22,2 mm

Maximal0,63 mm (0,12")-Liegen die Schutzrohrabmessungen aufgrund vonKundenvorgaben oder speziellen Anwendungsfällen
außerhalb der Vorgaben der ASME PTC 19.3 TW-2016, haben
die Berechnungsergebnisse nur informativen Charakter.
Eine Gewährleistung kann aus diesem Grund durch WIKA
nicht übernommen werden.

Bereitstellung von Berechnungsdaten
In der folgenden Tabelle wird beispielhaft dargestellt, wie
für eine weitere Bearbeitung durch WIKA die Prozess- undGeometriedaten auf elektronischem Weg als Excel-Tabelle
bereitgestellt werden sollten.
Beispieltabelle mit Berechnungsdaten für 6 Messstellen
Tag-Nr.

TPv

rho

TW-0301220

1,523,6

2,4

TW-0303

TW-0305

TW-0307TW-0309

TW-0311

in °C
220

235

220

235

400

in bar
1,510

1030

31,5in m/s
25,719,6
13

8,931,9Legende
Tag-Nr. Messstellen-Nr.
T
Temperatur
P
Druckv
Strömungsgeschwindigkeit
rho
Dichte des Prozessmediums

in kg/m³

Dyn. Viskosität
in cP

Typ

Abmessungen in mm

2,00,013

0,017

TW10250

0,015

TW10

TW10

6,1

8,9

28,3

10,1L
Ød
ØA
ØB
Tt

0,014

0,013

0,017

TW10

TW10TW10

Einbaulänge
Bohrung
Wurzeldurchmesser
Spitzendurchmesser
BodenstärkeLØdØA

ØB

TtNIDNL

250

8,525

196,438,3220

250

355

355

355

NIDNL
Typ

8,58,58,58,58,5

25

25

25

25

25

19

19

19

19

19

6,4

6,4

6,4

6,4

6,4

38,338,338,338,338,3

Werkstoff
(EN)

220

1.4435220

1.4435

220

220

220

1.44351.45711.45711.4571Innendurchmesser des Stutzens
Stutzenlänge
WIKA-Schutzrohrtyp

01/2019 DE© 03/2004 WIKA Alexander Wiegand SE & Co. KG, alle Rechte vorbehalten.
Die in diesem Dokument beschriebenen Geräte entsprechen in ihren technischen Daten dem derzeitigen Stand der Technik.
Änderungen und den Austausch von Werkstoffen behalten wir uns vor.

WIKA Datenblatt IN 00.43 ∙ 01/2019

Seite 7 von 7

WIKA Alexander Wiegand SE & Co. KG
Alexander-Wiegand-Straße 30
63911 Klingenberg/GermanyTel.
+49 9372 132-0
Fax+49 9372 132-406
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