Dampfkesselnietungen

Dampfkesselnietungen sind nach den Allgemeinen polizeilichen Bestimmungen über die Anlegung von Dampfkesseln zu berechnen [1].

Für die Berechnung liegt eine Schwierigkeit darin, daß die für die Nietung maßgebende Blechstärke selbst wieder von der durch die Nietteilung bestimmten Verschwächung des Bleches abhängig ist. Man muß daher mit vorläufigen Annahmen rechnen und die Ergebnisse nachprüfen.

Für einen Blechkessel von D cm Durchmesser mit p Atmosphären innerem Ueberdruck ist die rechnungsmäßige Wandstärke w₀ = D p/2 s, wenn die Spannung s kg/qcm im vollen Blech herrscht. Die wirkliche Blechstärke soll nach [1] um 1 mm größer sein und ist auf eine ganze (oder halbe) Zahl in Millimetern abzurunden, so daß w = w₀ + 0,1 bis 0,2 cm wird.

Die Spannung s steht zu der höheren zulässigen Spannung s₀ in der Naht in dem Verhältnis z der Verschwächung des Blechquerschnittes, s = z s₀.

Aus der Betrachtung eines Blechstreifens von der Breite t, nämlich der Teilung von Mitte zu Mitte Niet, der zwischen den Nietlöchern auf die Breite t – d beschränkt ist, ergibt sich z = (t – d)/t. Die in dem Streifen wirksame Kraft ist t w₀ s = (t – d) w₀ s₀. Sie verteilt sich bei n-reihiger Nietnaht auf n Nietbolzen.

Der Anlagedruck k in der Lochleibung wird auf die Flächenprojektion w d bezogen, so daß n k w d gleich der Kraft ist. Bei ein(oder zwei-) schnittiger Nietung wirkt die Kraft an (2) n Nietquerschnitten vom Durchmesser d cm auf Abscherung mit der Schubspannung τ. Hiernach gilt die allgemeine Gleichung t w₀ s = t w₀, z s₀ = (t – d) w₀ s₀ = n k w d = (2) n τ π d²/4.

Die Nietteilung t wählt man reichlich groß, um nicht unnötig viel Niete setzen zu müssen und hinsichtlich der Verschwächung an Blechstärke zu sparen. Die obere Grenze ist durch die zulässigen Werte für k und τ gegeben, sowie durch die Forderung, daß sich das Blech durchweg dicht anlegt, wofür die Regel t < 8 w gilt. Anderseits wählt man die Teilung nicht kleiner als 2 d, nach [6] nicht kleiner als 2,4 d. Jedenfalls muß die Teilung in der ganzen Länge der Naht passend aufgehen, wonach die berechnete Teilung im einzelnen Fall abzuändern bleibt. In den Werkzeichnungen gibt man Teilung durch die Endmaße der Naht und die Anzahl der Nietzwischenräume an.

Für die zulässigen Spannungen enthalten die Bauvorschriften für Land- und Schiffsdampfkessel [1] die Grenzwerte, deren Ueberschreitung bei dem vorgeschriebenen Kesseldruck verboten ist. Hier ist s₀ = K/x in kg/qmm gesetzt, entsprechend der Zugfestigkeit K des Bleches bei x-facher Sicherheit. Nach den Vorschriften ist zu rechnen:

x = 4,75 bei überlappten oder einseitig gelaschten, handgenieteten Nähten,

x = 4,5 bei überlappten oder einseitig gelaschten, maschinen genieteten Nähten und bei geschweißten Nähten,

x = 4,35 bei zweireihigen, doppeltgelaschten, handgenieteten Nähten, deren eine Reihe nur einreihig genietet ist,

x = 4,25 bei doppeltgelaschten, handgenieteten Nähten,

x = 4,1 bei zweireihigen, doppeltgelaschten, maschinengenieteten Nähten, deren eine Reihe nur einreihig genietet ist,

x = 4 bei doppeltgelaschten, maschinengenieteten Nähten.

Die Werte; x = 4,25 und x = 4 können auch dann in die Rechnung eingeführt werden, wenn bei drei- und mehrreihigen Doppellaschennietungen die eine Lasche eine Nietreihe weniger besitzt als die andern.

Werden die Nietlöcher gelocht, so ist zu den vorgehenden Werten von x ein Zuschlag von 0,25 erforderlich. Bei gelochten und mindestens um ein Viertel des Durchmessers der Nietlöcher aufgebohrten Löchern kann dieser Zuschlag auf 0,1 ermäßigt werden.

Die Nietnähte sollen stets so ausgeführt werden, daß der erforderliche Widerstand gegen Gleiten vorhanden ist und daß die Widerstandsfähigkeit der Niete gegen Abscheren sich nicht geringer ergibt als die in Rechnung zu ziehende Fertigkeit des Bleches in der Nietnaht. Hierbei darf die Belastung eines Nietes durch die Scherkraft auf 1 qmm Nietquerschnitt höchstens 7 kg/qmm betragen, sofern keine höhere Zugfestigkeit des Nietmaterials als 38 kg/qmm nachgewiesen wird. Trifft diese Voraussetzung zu, so kann der für eine Belastung mit 7 kg/qmm berechnete Nietdurchmesser mit der Wurzel aus dem Quotienten, der sich aus der Zahl 38 und der nachgewiesenen Fertigkeit ergibt, multipliziert werden.

Bei Laschennietung sollen die Laschen aus Blechen von mindestens gleicher Güte wie die Mantelbleche geschnitten werden. – Unter Einhaltung dieser Vorschriften kann man für ein- und zweischnittige Nietungen folgenden Rechnungsgang durchführen.

Hiermit erhält man die Blechstärke w = Dp/2 s + 0,1 cm.

[129] Zur Berechnung der Nietstärke d in Zentimetern empfiehlt sich folgende einfache und für Umrechnungen bequeme Formel

oder auch d = w + 0,8 cm für Bleche unter 2 cm Stärke

und d = 0,6 w + 1,6 cm für stärkere Bleche.

Innerhalb der Abrundung von d auf eine gerade (oder ganze) Zahl stimmen die Werte auch überein mit der von Bach angegebenen Formel

In den von Prohmann aufgefüllten Tabellen findet sich die Regel d = w + 1,2 cm – 0,2 n für n-reihige Naht, z.B. d = w + 0,8 cm für zwei Reihen, doch pflegt man einerlei Nietstärke für jedes Blech zu nehmen, auch wenn es an den Quer- und Längsnähten mit verschiedener Reihenzahl vernietet wird.

Die Schubspannung r soll höchstens 700 kg/qcm betragen. Sie steht mit dem Leibungsdruck k in der Beziehung τ π d²/4 = k w d. Setzt man d = √4w₀ und w = w₀, so folgt τ = kd/π. Der Flächendruck darf bis 1400 kg/qcm anzeigen, aber nicht größer ausfallen; daher muß τ ·< 450 d bleiben. Diese Forderung kommt nur bei Nieten unter 1,6 cm in Betracht (Fig. 1). Es empfiehlt sich jedoch, bei den für Dampfkessel verwendeten Nieten nicht bis an die äußerste Grenze zu gehen, sondern die schwächeren Niete etwas zu schonen, indem man etwa die Spannung von 700 für einen um 1 mm dünneren Bolzen bemißt. Um jedoch die starken Niete voller auszunutzen, würde man treffender τ = 765 (d – 0,2)²/d² ansetzen, nämlich für

d = 16	20	26	30	36 mm
τ = 585	620	650	666	680 kg/qcm.

Eine Abstufung nach der Reihenzahl scheint daneben nicht nötig.

Nachdem s₀ und τ angenommen, findet man die Teilung aus der allgemeinen Beziehung (t – d) w₀ s₀ = n τ π d²/4, und zwar

Fig. 1 enthält als graphische Tabelle die Ergebnisse der Berechnung, dazu auch die Verhältnisse z.

Nach Abrundung der Werte für die Ausführung hat man mit der in den Vorschriften [1] angegebenen Gleichung w = D p x/200 Kz + 0,1 cm nachzurechnen und nach Bedarf zu ändern.

Der Abstand der Nietreihe vom Blechrande beträgt 1,5 d. Die außen am Kessel liegende Blechkante, die mit einem abgerundeten Stemmer dicht angeschlagen wird, erhält eine Abschrägung von 3 : 1 bis 4 : 1 oder 75°.

Der Reihenabstand e ist so zu bemessen, daß die Entfernung von Mitte zu Mitte Niet 2,4 d wird, und stellt sich dabei auf e = 1,5 d ~ 1,7 d ~ 2 d. Mindestens soll zwischen zwei schräg benachbarten Löchern eine Blechbreite von (t – d)/2 verbleiben, wobei die schräge Mittenentfernung (t + d)/2 statt 2,4 d als untere Grenze einzuhalten ist, aber nicht weniger als 2 d. Die ganze Breite der Ueberlappung kommt hiernach auf 4,5 d bis 5 d für zweireihige Naht.

Die Kettennietung (Fig. 3) erhält den Reihenabstand e = 2,4 d und zur Erzielung der dichten Anlage eine um rund 10% kleinere Teilung, im Mittel 3 d gegen 3,4 d bei Zickzacknaht. Sie eignet sich daher nur für kurze Nähte und erleichtert die Anordnung der Niete an den Enden der Naht.

Eine einseitige Lasche bekommt an Rundnähten gleiche Stärke wie das Blech, an ebenen und Längsnähten wegen der Biegungsbeanspruchung 9/8 w Stärke.

[130] Zu der Blechstärke w = Dp/2 s + 0,1 cm erhält man passend die Nietstärke

oder d = w + 0,7 cm für Bleche unter 2 cm Stärke

und d = 0,55 w + 1,5 cm für stärkere Bleche.

Die Schubspannung τ 700 kg/qcm bestimmt sich, worauf in den Vorschriften [1] nicht besonders hingewiesen ist, nach dem Leibungsdruck k aus der Beziehung 2 τ π d2/4 = k w d mit d = √3,5 w₀ und w = w₀ zur τ = 4 k d/7 π und für den oberen Grenzwert k = 1400 kg/qcm zu τ < 255 d. Um die Spannung unterhalb der beiden Grenzen zu halten, kann man (nach Fig. 2) etwa setzen τ = 980 (d – 0,6)²/d², nämlich für

Die Teilung ergibt sich aus

Nach Fig. 2 fallen die Verhältnisse z hier günstiger aus. Die passend abgerundeten Ergebnisse sind nachzurechnen mit

w = D p x/200 Kz + 0,1 cm.

Der Abstand der Nietreihe vom Blechrande beträgt 1,5 d, von den Laschenrändern d + ¹/₂ w bis 1,5 d. Der Reihenabstand kann zu 1,7 d oder zu 0,4 t angenommen werden, wobei der Abstand zweier benachbarter Niete auf 2,4 d bis 3 d kommt. Die ganze Breite der Laschen stellt sich danach bei einer Reihe auf rund 2 (1,5 + 1,5) d = 6 d, bei zwei Reihen auf 6 d + 2 · 1,7 d = 9,4 d, bei drei Reihen auf 12,8 d. Bei Kettennietung (Fig. 3) mit 2,4 d Reihenabstand fällt die Breite größer aus.

Die Stärke der Laschen würde mit ⁵/₈ w auch bei etwas ungleicher Kraftverteilung der Fertigkeit genügen; in Rücksicht auf gute Dichtung ist sie bis ¹/₈ t zu erhöhen, so daß sie bei schwächeren Blechen (bis etwa 2 cm) die volle Blechstärke erreicht.

Ungleich breite Doppellaschennietung (Fig. 4).

Wenn die schmalere Oberlasche mit n Reihen von der Teilung t an jedem Blech angenietet ist, die breitere Unterlasche aber mit noch einer Reihe von der Teilung t₀ = m t, wobei m = 1 oder 1,5 oder 2 anzunehmen ist, so verteilt sich die in einem Streifen von der Breite t₀ wirkende Kraft auf (1 + 2 m n) Nietquerschnitte.

Aus (t₀ – d) w₀ s₀ = (1 + 2 m n) τ π d²/4 folgt mit d² = 3,5 w₀

t₀ = m t = d + (1 + 2 m n) 2,75 τ/s₀.

Das Blech liegt an (1 + m n) Nietbolzen mit dem Flächendruck k an. Aus

(1 + m n) k w d = (1 + 2 m n) τ π d²/4

ergibt sich mit w = w₀ und k = 1400 kg/qcm ein oberer Grenzwert, nämlich

τ < 500 d (1 + m n)/(1 + 2 m n)

neben τ < 700 kg/qcm. Obwohl die Grenze etwas höher als bei der gleichbreiten Doppellaschennietung liegt, sollten die für diese (in Fig. 2) angegebenen Werte nicht überschritten werden, weil das noch mit der vollen Kraft gespannte [131] Blech die äußerste Nietreihe stärker in Anspruch nimmt, wie unter der Voraussetzung gleichmäßiger Verteilung der Kraft auf alle Niete gerechnet wird.

Es bleibt noch zu untersuchen, ob etwa die Spannung s₀' in der nächsten Reihe, der ersten der Oberlasche, größer als s₀ ausfällt. Hier wirkt eine im Verhältnis (2 m n)/(1 + 2 m n) verminderte Kraft auf (m t – m d) Blechbreite. Man erhält aus

Die hintere Spannung s₀' bleibt kleiner als die vordere s₀, wenn das Verhältnis < 1 ist oder t/d < 1 + 2 n (m – 1), oder wenn

Unter dieser Voraussetzung gilt das Schwächungsverhältnis z für die vorderste Reihe in der Unterlasche, und zwar

Beispielsweise berechnet sich hiernach die Vernietung Fig. 4 für einen Kessel von 1,5 m Durchmesser mit 15 Atmosphären Ueberdruck folgendermaßen. Weiches Flußeisenblech von K = 36 erhält s₀ = 800 ~ 900 kg/qcm. Aus der letzten Tabelle findet man für m = 1,5 und schätzungsweise t/d = 4 das Verhältnis z = 0,83 und damit s = 0,83 · 850 = 700 kg/qcm zur vorläufigen Berechnung der Wandstärke w₀ = D p/2 s = 150 · 15/2 · 700 = 1,6 cm und w = 17 mm. Die Laschen werden ebenso stark angenommen. Die Nietstärke beträgt nach der Tabelle für zweischnittige Nietung 24 mm. Die Schubspannung sei (nach Fig. 2) τ = 550 kg/qcm. Hiernach berechnet sich mit n = 2 Reihen in der Oberlasche die Teilung

t₀ = 1,5 t = d (1 + 2 m n) 2,75 · 550/700 = rund 15 cm und t = 10 cm.

Das Verhältnis t/d ist nahe gleich 4 geblieben. Genauer wird z = (15 – 2,4)/15 = 0,84.

Aus w = D p x/200 Kz + 0,1 folgt x = (1,7 – 0,1) · 200 · 36 · 0,84/150 · 15 = 4,3.

Die Bauvorschriften fordern für die dreireihige, maschinengenietete Doppellaschennietung, deren eine Reihe übersteht, mindestens x = 4. Der Flächendruck k beträgt rund 1000 kg/qcm.

Literatur: [1] Allgemeine polizeiliche Bestimmungen über die Anlegung von Landdampfkesseln; desgl. von Schiffsdampfkesseln, vom 17. Dezember 1908, mit Anlage I: Materialvorschriften, und Anlage II: Bauvorschriften (Reichsgesetzblatt 1909, Nr. 2). – [2] Lehrbücher über Dampfkessel. – [3] Zeitschr. d. Ver. deutsch. Ing. 1892, S. 1141–1314; 1894, S. 1231–1233; 1895, S. 301 bis 303 (v. Bach über Gleitwiderstand); 1897, S. 739–774 (Schroeder van der Kolk, desgl.). – [4] Ebd. 1898, S. 880–884 (Dieckhoff, Dampfkesselnietungen). – [5] Ebd. 1907, S. 1167–1168 (Carl Sulzer, Wärmespannungen und Rißbildungen). – [6] Ebd. 1909, S. 1019–1025 (Bericht über Festigkeitsversuche).

Lindner.

Fig. 1.

Fig. 2.

Fig. 3.

Fig. 4.