Kesselrohre erklärt

Was sind Kesselrohre?

In allen Kesseln wird Wärme entweder von der Innenseite der Rohre nach außen (Rauchrohrkessel) oder von der Außenseite der Rohre nach innen (Wasserrohrkessel) übertragen. Die Anzahl der Rohre in einem Kessel kann von Hunderten bis zu Tausenden variieren, abhängig von der Größe und dem Design des Kessels. Der Hauptzweck von Kesselrohren ist die Übertragung der durch die Verbrennung von Brennstoff erzeugten Wärme auf Wasser oder Dampf.

Rauchrohr- und Wasserrohrkesselrohre

Gut zu wissen – „Wasserrohr“ kann auch als „Wasser-rohr“ oder „Wasserrohr“ geschrieben werden, aber die verschiedenen Schreibweisen bedeuten alle dasselbe.
Gut zu wissen – „Rauchrohr“ kann auch als „Rauch-rohr“ oder „Rauchrohr“ geschrieben werden, aber die verschiedenen Schreibweisen bedeuten alle dasselbe.
Hinweis – zur Unterstützung des Verständnisses und der Vertrautheit verwendet dieser Artikel eine Mischung aus Schreibweisen für sowohl Rauchrohr- als auch Wasserrohrkessel.

Kesselrohrtypen

Ein Kessel kann verschiedene Rohrtypen enthalten, um unterschiedliche Heizanforderungen zu erfüllen. Der verwendete Rohrtyp hängt vom Kesseldesign und der Position des Rohrs im Kessel ab. 

• Economizer-Rohre – zur Vorwärmung des Speisewassers.
• Überhitzerrohre – zur Überhitzung von Dampf über seinen Sättigungspunkt hinaus.
• Verdampferrohre – zur Umwandlung von Wasser in Dampf (wo die Verdampfung stattfindet).
• Stützrohre – zur Wärmeübertragung und zur Erhöhung der strukturellen Festigkeit des Kessels.
• Lamellenrohre – zur Erhöhung der Wärmeübertragungsfläche.

Gut zu wissen – der Begriff „Überhitzung“ bezeichnet den Prozess der Übertragung von fühlbarer Wärme auf gesättigten Dampf, um dessen Temperatur zu erhöhen und damit die Menge an Energie, die der Dampf enthält.

Gut zu wissen – Stützrohre sind speziell dafür ausgelegt, nicht nur Wärme zu übertragen, sondern auch die innere Struktur des Kessels zu stärken. Stützrohre sind dicker als normale Rohre und bieten zusätzlichen strukturellen Halt für den Kessel.

Wasserrohrkesselrohrbezeichnungen

Kesselrohrdesign

Kesselrohre sind so konstruiert, dass sie strenge Sicherheits- und Effizienz-Standards erfüllen, was spezifische Konstruktions- und Materialanforderungen erfordert. Im Gegensatz zu gewöhnlichen Rohren haben Kesselrohre oft dickere Wände und keine Längsnähte, was ihre Festigkeit und Integrität unter hohem Druck und hohen Temperaturen erhöht. Kesselrohre werden in der Regel nahtlos hergestellt, um Schwachstellen zu vermeiden, die unter Belastung zu Ausfällen führen könnten. Kesselrohre werden in strikter Übereinstimmung mit spezifischen internationalen Standards hergestellt. Zum Beispiel bietet ASTM A192 Standardspezifikationen für Hochdruckkohlenstoffstahlrohre.

Wasserrohr- und Rauchrohrkesseldesigns

Kesselrohranordnung

Die Anordnung der Rohre in einem Kessel wird basierend auf verschiedenen Faktoren gewählt, einschließlich Wärmeübertragungsrate, Druckabfall, Fertigungskomplexität und gewünschter Effizienz.

Wasserrohrkesselrohranordnung

Nachfolgend sind einige gängige Kesselrohranordnungen aufgeführt:

• Versetzte Rohranordnung – diese Konfiguration platziert die Rohre in einem versetzten Muster, was die Wärmeübertragungsrate durch erhöhte Turbulenzen im Flüssigkeitsstrom verbessert.
• Inline- oder Rasteranordnung – Rohre sind in einem regelmäßigen Rastermuster angeordnet. Während es die Herstellung und Reinigung erleichtert, kann es zu einer geringeren Wärmeübertragungseffizienz im Vergleich zu versetzten Anordnungen führen.
• Gedrehte Quadrat-Anordnung – Rohre sind in einem quadratischen Muster angeordnet, aber in einem Winkel gedreht. Diese Anordnung kann die Wärmeübertragung verbessern, indem sie den Flüssigkeitsstrom effektiver stört als ein Standard-Rasterlayout.
• Dreieckige Pitch-Anordnung – Rohre sind in einem dreieckigen Muster angeordnet, was die Anzahl der Rohre in einem bestimmten Bereich maximiert und zu höheren Wärmeübertragungsraten führt.

Beispiele für Rohrabstände

Kesselrohre und Rohre im Vergleich

Kesselrohre unterscheiden sich in mehreren Punkten erheblich von Standardrohren:

• Wandstärke – Kesselrohre haben typischerweise dickere Wände, um den großen inneren Druck auszuhalten, dem sie ausgesetzt werden (Kraftwerkskessel arbeiten typischerweise bei Drücken über 160 bar (2.400 psi) und Temperaturen über 540°C (1.000°F).
• Messung – im Gegensatz zu Rohren, die nach ihrem Innendurchmesser gemessen werden, werden Kesselrohre nach ihrem Außendurchmesser gemessen.

Rohr mit Längsschweißnaht

Ursachen für Kesselrohrversagen

Kesselrohrversagen sind eine der Hauptursachen für Kesselausfälle, mit mehreren zugrunde liegenden Gründen:

• Überhitzung – die häufigste Ursache für Rohrversagen. Sie kann aufgrund von Ablagerungen innerhalb der Rohre auftreten, die als Isolierschicht wirken, oder aufgrund von unzureichendem Wasser- oder Dampffluss (unzureichende Kühlung), oder durch Betriebsfehler wie Überfeuerung, bei der übermäßiger Brennstoff die Kesseltemperatur über sichere Grenzen hinaus erhöht.

Ablagerungen in einem Kesselrohr

Gut zu wissen – Ablagerungen in Wasserrohrkesselrohren führen dazu, dass das Prozessfluid (Wasser oder Dampf) mit erhöhter Geschwindigkeit fließt, während auch die Wärmeübertragungsrate des Rohrs verringert wird. Eine Verringerung der Wärmeübertragungsrate führt zu einer Verringerung der Effizienz und einer erhöhten Wahrscheinlichkeit lokaler Überhitzung (Wasser- und Rauchrohrkesselrohre werden durch das Prozessfluid gekühlt).

• Korrosion – kann das Rohrmetall sowohl intern als auch extern abbauen, ausgelöst durch Faktoren wie schlechte Wasseraufbereitung oder Umwelteinflüsse durch Chemikalien und Gase.
• Erosion – trägt das Rohrmaterial durch kontinuierliche Einwirkung von strömenden Flüssigkeiten oder Partikelmaterial ab, insbesondere in kohlebefeuerten Kesseln mit hohem Aschegehalt.
• Mechanische Belastung – verursacht durch Druck, thermische Ausdehnung und Vibration, die zu Ermüdung und schließlich zum Versagen der Kesselrohre führen können.
• Materialfehler – Fertigungsfehler oder Materialinkonsistenzen können unter normalen Betriebsbelastungen zu vorzeitigem Kesselrohrversagen führen.

Rohrreparatur und Wartung

Der Prozess der Reparatur von Kesselrohren umfasst typischerweise Schweißen (eine Technik, bei der Metall durch intensive Hitze miteinander verschmolzen wird). Aufgrund der Komplexität und des hohen erforderlichen Könnens wird das Schweißen in der Regel von zertifizierten Schweißern durchgeführt.

Verschiedene Schweißtypen

Kesselrohrreparaturtypen

Die vier häufigsten Methoden zur Reparatur von Kesselrohren sind:

• Auftragsschweißen – dabei wird eine Schicht Schweißmaterial aufgetragen, um geschwächte Bereiche zu verdicken und zu verstärken.
• Rissschließung – bei Rohrbrüchen wird der beschädigte Bereich oft nach dem Ausrichten der Kanten zugeschweißt.
• Fensterreparatur – ein stark beschädigter Abschnitt des Rohrs kann herausgeschnitten und durch ein neues Stück ersetzt werden, um Kontinuität und Integrität sicherzustellen.
• Verstopfung – wird durchgeführt, wenn Schäden auf andere Weise nicht repariert werden können. Bei dieser Methode werden Stopfen aus geeignetem Material in beide Enden des beschädigten Rohrs eingesetzt, um es hydraulisch zu isolieren.

WICHTIG: Es wird nicht empfohlen, einen Kessel mit mehr als 10% seiner Rohre verstopft zu betreiben. 

Präventive Wartung von Kesselrohren

Die Einhaltung des vom Kesselhersteller empfohlenen präventiven Wartungsplans ist wichtig, um den Kessel und seine internen Teile in optimalem Zustand zu halten. Präventive Wartungspläne umfassen in der Regel Folgendes:

• Kontrolle der Wasser- und Dampfchemie (sehr wichtig!)
• Externe Sichtprüfungen in festgelegten Intervallen, z.B. alle 4 Stunden oder täglich etc.
• Interne Sichtprüfungen in festgelegten Intervallen, z.B. alle 6 Monate.
• Kesselrohrinspektionen und Aktualisierung von Kesselrohrkarten (diese listen den Zustand jedes Rohrs im Kessel auf).
• Brennstoffprobenahme.
• Abgasprobenahme.
• Thermografieinspektionen.
• Feuerfestinspektionen.

Bitte beachten Sie, dass dies nur einige der Aufgaben sind, die erforderlich sind, um einen Industriekessel korrekt zu betreiben!