Stahlkamine werden so konzipiert, dass ein Gleichgewicht zwischen Umweltvorgaben, struktureller Stabilität und funktionaler Effizienz beim Ableiten von Prozessabgasen erreicht wird.

Für die Fertigung ist die Auswahl geeigneter Materialien und Auskleidungen zur Beständigkeit gegen korrosive Gase sowie zur Bewältigung von Fertigungsherausforderungen entscheidend für die Einhaltung von Vorschriften und strukturelle Integrität.

Index

1. Einführung

2. Auswahl der Größe 

     2.1 Höhe 

     2. 2 Durchmesser 

     2.3 Form

3. Komponenten und Zubehör 

4. Materialien

     4.1 Mantel- und Bodenplatten

     4.2 Versteifungen und strukturelle Aussteifungen und/oder Rahmen

5. Auskleidungen

6. Fertigung

     6.1 Allgemeine Überlegungen

     6.2 Schweißen

     6.3 Häufige Probleme bei der Herstellung 

     6.4 Inspektion

          6.4.1 Äußere Inspektion

          6.4.2 Inneninspektion

1. Einführung

Die Auslegung und Konstruktion von Stahlkaminen spielt eine entscheidende Rolle bei der effektiven Ableitung von Prozessabgasen in die Atmosphäre. Dieser Vorgang unterliegt heute strengen Vorschriften zur Luftreinhaltung und erfordert ein sorgfältiges Gleichgewicht zwischen struktureller Stabilität, funktionaler Effizienz und Einhaltung von Umweltstandards. Wichtige Überlegungen bei der mechanischen Auslegung von Kaminen sind:

• Höhe und Durchmesser: Bestimmt durch ein Gleichgewicht zwischen struktureller Stabilität und Einhaltung der Anforderungen zur Luftreinhaltung. Die Höhe von Stahlkaminen hat zugenommen, um den Anforderungen an die Umgebungsluftqualität gerecht zu werden.
• Temperaturregelung: Die Gastemperaturen am Kamineinlass sind durch den Fokus auf Wärmerückgewinnung gesunken. Die Beachtung von Wärmeverlusten im Kamin ist dadurch wichtiger geworden. Es ist ratsam, eine Mindestmetalltemperatur über dem Säuretaupunkt zu halten.
• Regulatorische Anforderungen: Kamine werden gemäß den Vorschriften zur Luftreinhaltung ausgelegt. Die Einhaltung der Vorschriften erfordert nicht nur eine ordnungsgemäße Ableitung, sondern auch eine geeignete Verteilung der Gase zur Einhaltung der Umweltstandards.
• Überwachung und Inspektion: Moderne Kaminanlagen enthalten häufig Zubehör zur Überwachung der Gase. Regelmäßige Kamingutachten sind erforderlich, um die Einhaltung dauerhaft zu gewährleisten und Probleme zeitnah zu beheben.

Die sich weiterentwickelnden Standards zur Luftqualität und die Umweltvorgaben prägen weiterhin die mechanische Auslegung von Kaminen und betonen die Notwendigkeit von Effizienz, Einhaltung und ökologischer Verantwortung.

2. Auswahl der Größe 

2.1 Höhe 

• Vorgaben der Umweltbehörde (EPA): Anforderungen an die Kaminhöhe können durch Vorschriften der EPA vorgegeben sein, um Faktoren wie Verwirbelungen durch Gelände, angrenzende Bauwerke oder Schadstoffverteilung zu berücksichtigen. Die Einhaltung von Vorschriften zur Luftreinhaltung ist unerlässlich.
• Nationale Brandschutzvorschriften (NFPA): Legen Mindesthöhen für Hochtemperaturkamine über Gebäuden zum Brandschutz und zur Sicherheit von Personen fest. Lokale Bauvorschriften, die oft strenger sind, müssen ebenfalls eingehalten werden.
• Zugbedarf: Der notwendige Zug des Prozesses kann die Kaminhöhe beeinflussen, wobei der verfügbare Zug anhand spezifischer später dargestellter Formeln berechnet wird.
• Effektive Kaminhöhe: Die Überlegung zum Auftrieb der Rauchfahne kann die effektive Kaminhöhe erhöhen, was durch die Installation einer Düse oder eines gekürzten Kegels zur Erhöhung der Gasaustrittsgeschwindigkeit erreicht wird.

2.2 Durchmesser 

• Gasdurchtrittsquerschnitt: Wird typischerweise durch das Volumen des Prozessgases und den verfügbaren Zug bestimmt. Übliche Kaminströmungsgeschwindigkeiten liegen zwischen 2.400 ft/min und 3.600 ft/min. Bei Kaminen mit gesättigten Gasen können die Geschwindigkeiten begrenzt werden, um Feuchtigkeitseintrag zu reduzieren.
• Außendurchmesser der Kaminhülle: Werden durch Transport- und Versandbeschränkungen bestimmt, wobei die mechanische Leistungsfähigkeit und strukturelle Stabilität erhalten bleiben müssen.
• Strukturelle Stabilität: Kann die Wahl des Hüllendurchmessers beeinflussen, was durch eine statische Analyse zu bestätigen ist.
• Zukünftige Überlegungen: Zu erwartende Änderungen beim Abgasvolumen, den Gastemperaturen und der Gasqualität sollten bei der Durchmesserauswahl berücksichtigt werden.
• EPA-Vorgaben: Der Austrittsdurchmesser des Kamins kann durch EPA-Vorschriften festgelegt sein, wobei der Auftrieb der Rauchfahne zur Erzielung optimaler Strömungsgeschwindigkeiten während der Prüfung berücksichtigt wird.

2.3 Form

• Zylindrische Formen: Gängig aufgrund struktureller Stabilität und wirtschaftlicher Fertigung. Durchmesseränderungen entlang der Kaminhöhe sind zulässig, sofern der Winkel 30 Grad zur Vertikalen nicht überschreitet.
• Andere Formen: Geometrien jenseits des Zylinders (z. B. achteckig, dreieckig) erfordern besondere Berücksichtigung hinsichtlich dynamischer Stabilität und Einhaltung technischer Auslegungsnormen, insbesondere bei ästhetischen Gestaltungsentscheidungen. Unübliche Formen müssen grundlegenden mechanischen und statischen Prinzipien entsprechen.

3. Komponenten und Zubehör 

• Inspektionsöffnungen: Türen geeigneter Größe zur Inspektion des Innenraums am Boden und an weiteren Positionen.
• Falsche Böden: Empfohlen unterhalb des unteren Kamineintritts zur Verbesserung der strukturellen Unterstützung.
• Abläufe: In falschen Böden und/oder Fundamenten installiert, um Wasser vom Sockel und den Ankerbolzen wegzuleiten.
• Mess- und Prüfanschlüsse: Größen und Positionen abhängig von der jeweiligen Anwendung.
• Inspektionsöffnungen: In angemessenem Abstand über die Kaminhöhe verteilt zur vollständigen Prüfung.
• Zugangsleitern und Prüfplattformen: Nach den Erfordernissen des Einsatzortes ausgewählt, mit definierter Plattformbreite.
• Beleuchtung: Einhaltung nationaler Vorschriften. Plattformen aus korrosionsbeständigen Materialien.  
• Regenschutzhauben: Im Dauerbetrieb meist nicht erforderlich. Bei Spezifikation sind Durchmesser- und lichte Höhenangaben zu beachten.
• Funkenschutzgitter: Aus Edelstahl, mindestens zwei Kamin-Durchmesser hoch, falls erforderlich spezifiziert.
• Blitzschutz: Erdung am Sockel gemäß nationalen Vorgaben erforderlich.
• Innendrosselklappen: Besondere Berücksichtigung bei Absperr- oder Abdeckklappen, sofern vorgesehen.
• Strömungsrichtungsleitbleche: Falls spezifiziert, zur Optimierung der Gasverteilung bei Prüfungen.
• Teilerprallbleche: Werden gelegentlich bei Kaminen mit zwei gegenüberliegenden Einlässen verwendet, um den Gegendruck zu reduzieren.
• Kaminhauben: Bei Mehrfachabgaskaminen und Doppelwandkonstruktionen für Witterungsschutz und zur Aufnahme unterschiedlicher Längenausdehnungen. Aufbau von Asche auf Flächen berücksichtigen.
• Lärmschutz: Akustische Schalldämpfer im Kamin können erforderlich sein.

4. Materialien

Die nachfolgend empfohlenen Materialien werden aufgrund ihrer Eignung für die physikalischen, mechanischen, chemischen und umwelttechnischen Anforderungen eines bestimmten Einsatzes vorgeschlagen. Die Freigabe eines Materials für einen bestimmten Anwendungsfall sollte auf seiner Leistungshistorie oder auf Bestätigung durch unabhängige Prüfungen basieren.

4.1 Hüllen- und Bodenplatten

Hüllen- und Bodenplatten bestehen typischerweise aus einer Vielzahl von Strukturwerkstoffen, darunter:

• Kohlenstoffstähle gemäß ASTM A36, A283 oder A529.
• Hochfeste, niedriglegierte Stähle gemäß ASTM A242, A572 oder A588.
• Edelstähle gemäß ASTM A666. ASTM A666 Typ 304L kann auch als Auskleidung oder Verkleidungsblech verwendet werden.
• Plattierte Edelstähle (ASTM A264, Chrom-Nickel) und nickelbasierte plattierte Stähle (ASTM A265) können für die Hülle in Betracht gezogen werden.

Druckbehältergeeignete Kohlenstoffstähle wie ASTM A285, A515 und A516; legierte Stähle wie ASTM A387; sowie Edelstähle wie ASTM A240 können bei Bedarf anstelle von Strukturstählen eingesetzt werden.

Für spezifische Temperaturbereiche:

• Kohlenstoffstähle (z. B. ASTM A516, Grade 55 bis 70) und niedriglegierte Stähle (z. B. ASTM A517, Grade A bis T, sowie ASTM A537) werden für Temperaturen bis −50 °F (−46 °C) spezifiziert.
• Nickelhaltige legierte Stähle wie ASTM A203, Grade A und B, werden für Temperaturen bis −75 °F (−59 °C) verwendet; Grade D, E und F bis −150 °F (−101 °C). Für noch tiefere Temperaturen können nickelhaltige legierte Stähle oder Nickel-Edelstähle erforderlich sein.

Lieferanten von Strukturstählen können auf Wunsch Angaben zur Kerbschlagzähigkeit liefern.

Zusätzlich kann je nach Materialien und Bedingungen ein Schutz gegen Korrosion und/oder Oxidation auf Innen- und/oder Außenflächen erforderlich sein. 

4.2 Versteifungen und strukturelle Verstrebungen und/oder Rahmenkonstruktionen

Versteifungen und strukturelle Verstrebungen und/oder Rahmenkonstruktionen können aus folgenden Materialien bestehen:

• Kohlenstoffstähle gemäß den Normen ASTM A36, A283 oder A529.
• Hochfeste, niedriglegierte Stähle gemäß den Normen ASTM A242, A572 oder A588.
• Edelstähle gemäß den Normen ASTM A240 oder A666 oder nickelhaltige Legierungen mit ähnlicher Zusammensetzung wie die der Mantelplatte.

5. Auskleidungen

• Zweck der Auskleidungen:
  • Korrosionsbeständigkeit: Auskleidungen können erforderlich sein, um korrosiven Gasen oder Dämpfen zu widerstehen.
  • Hitzebeständigkeit: Auskleidungen können Widerstand gegen hohe Temperaturen bieten.
  • Temperaturhaltung: Auskleidungen helfen, die Oberflächentemperatur des Kamins zu halten, um Kondensatkorrosion zu vermeiden.
• Analyse zur Entscheidung über Auskleidungen:
  • Eine umfassende thermische Analyse des gesamten Systems vom Wärmeerzeuger bis zum Kaminauslass ist unerlässlich.
  • Der Hauptfokus sollte auf der Ermittlung der Oberflächentemperatur des Kamins liegen.
  • Führen Sie eine gründliche chemische und physikalische Analyse des Abgases durch, um chemisch korrosive Bestandteile zu identifizieren.
  • Bewerten Sie die Eigenschaften der Partikelbeladung im Abgas.

Die Entscheidung zur Verwendung einer Auskleidung sollte auf den Ergebnissen dieser Analysen basieren. Bei vorhandenen korrosiven Bestandteilen oder Korrosionsgefahr durch Temperaturunterschiede sind Auskleidungen unerlässlich. Die Art des Auskleidungsmaterials und dessen Spezifikationen sollten mit den durch diese Analysen ermittelten spezifischen Anforderungen übereinstimmen.

Metallische Auskleidungen und Verkleidungen sollten in Betracht gezogen werden, wenn Korrosions- und/oder Hitzebeständigkeit erforderlich ist. Hochleistungsmetalle und -legierungen wie Edelstähle, nickelbasierte Legierungen und Titan können als Auskleidung oder als Verkleidung auf Kohlenstoffstahlplatten verwendet werden, um diesen Anforderungen gerecht zu werden.

6. Fertigung

6.1 Allgemeine Überlegungen

• Verschraubte Verbindungen:

1. • Lochvergrößerung:
     • Falls erforderlich, darf das Driftverfahren keine Löcher vergrößern oder Bauteile verformen.
     • Löcher, die vergrößert werden müssen, sollten aufgebohrt werden.
   • Anziehen der Schrauben:
     • Schrauben sollten mit einer der folgenden Methoden angezogen werden:
       • Drehmutter-Methode.
       • Lastanzeigende Unterlegscheiben.
       • Kalibrierte Drehmomentschlüssel.
       • Andere zugelassene Methoden.

• Materialrichten:

1. • Erforderliches Richten von Material sollte mit Verfahren erfolgen, die Restspannungen minimieren.

• Ankerbolzen:

1. • Das Richten oder Biegen von Ankerbolzen durch Erhitzen ist verboten.

• Anordnung der Schweißnähte:

1. • Alle vertikalen Stoßschweißnähte von Platten oder Paneelen in Werkstatt und Feld sollten um mindestens 20 Grad versetzt angeordnet werden.
   • Zylindrische Schweißabschnitte mit Umfangsschweißnähten sollten ebenfalls vertikale Nähte um mindestens 20 Grad versetzt aufweisen.

• Berechnung und Vergleich der Abmessungen:

1. • Abmessungen und Gewichte der Kaminsegmente sind genau zu berechnen und mit den Kranfähigkeiten bei den Arbeitsradien während der Montage zu vergleichen.
   • Kran-Kapazitäten und Arbeitsradien dürfen nicht überschritten werden.

• Entfernen temporärer Bauteile:

1. • Hebeösen, Laschen, Anschläge, Halterungen und andere temporär angeschweißte Elemente sind zu entfernen, sofern sie nicht dauerhaft verbleiben, ohne das Grundmaterial zu beschädigen.
   • Verbleibende Schweißnähte an der dem Abgas ausgesetzten Innenfläche des Kamins müssen bündig verschliffen und geglättet werden.
   • Wenn eine Unterlage beim Schweißen verwendet wird, muss sie nicht entfernt werden.

• Montage und Gerüstbau:

1. • Montage und Gerüstbau, einschließlich Leitern, müssen den neuesten anwendbaren und/oder vorgeschriebenen Vorschriften entsprechen.

6.2 Schweißen

Alle Schweißvorgaben, Ausführungen, Techniken, Qualifikationen von Schweißern und Prüfern sowie Schweißprüfungen müssen den Richtlinien des Structural Welding Code der American Welding Society ANSI/AWS D1.1 (neueste Ausgabe) oder ASME BPVC, Abschnitt IX entsprechen. Insbesondere müssen alle strukturellen Stumpfnähte als Vollpenetrationsnähte ausgeführt sein.

• Mindestanforderungen an die Schweißnahtprüfung:
  • Visuelle Prüfung:
    • Kontinuierliche Sichtprüfungen während und nach dem Schweißen, um eine vollständige Verschmelzung zwischen den benachbarten Lagen und dem Grundmetall sicherzustellen.
    • Entfernung von Schlacke nach Abschluss des Schweißvorgangs.
    • Reinigung der Schweißnähte und angrenzender Metallflächen.
    • Besondere Aufmerksamkeit gilt Oberflächenfehlern wie Rissen, Poren, Schlackeneinschlüssen, Einbrandkerben, Überlappungen und Gasblasen.
    • Korrektur fehlerhafter Schweißnähte gemäß den Anforderungen des ASME- oder AWS-Codes.
  • Röntgenprüfung:
    • Mindestens ein Röntgenbild je drei Umfangsnähte an der strukturellen Hülle des Kamins, vorzugsweise an senkrechten Schweißnahtkreuzungen.
    • Die innere oder äußere Hülle gilt als strukturell, wenn sie zur Aufnahme von Wind- oder Erdbebenlasten ausgelegt ist.
  • Sichtprüfung von Schweißnähten auf der Baustelle:
    • Alle strukturellen Vollpenetrations-Schweißnähte auf der Baustelle unterliegen einer Sichtprüfung.
    • Röntgenaufnahmen sind aufgrund von Konstruktionsbeschränkungen bei Feldstößen an der Hülle oder Rauchgaskanälen in der Regel nicht möglich.
• Arten der Schweißnahtprüfung:

• • Röntgenprüfung: In der Werkstatt bei Vollpenetrations-Stumpfnähten durchgeführt.
  • Sichtprüfung: An allen Werkstatt- und Baustellenschweißnähten durchgeführt.
  • Magnetpulverprüfung: Anwendbar auf alle Schweißnähte an ferromagnetischen Materialien.
  • Ultraschallprüfung: An allen Werkstatt-Stumpfnähten mit einer Dicke von ≥8 mm verwendet.
  • Farbeindringprüfung: Nach Bedarf zur Ergänzung der Sichtprüfung verwendet. Standardverfahren gemäß ANSI/AWS D1.1 (neueste Ausgabe). Abnahmekriterien gemäß ASME- oder AWS-Codes.

6.3 Häufige Fertigungsprobleme 

Verschiedene potenzielle Probleme sollten hinsichtlich des Zustands von Kaminen berücksichtigt werden, darunter:

• Atmosphärische Korrosion und Witterungseinflüsse auf der Außenfläche.
• Korrosion durch Säurekondensation in Abgasen auf den Innenflächen.
• Ablagerung von Flugasche oder Partikeln am Sockel, am Zwischenboden oder an der Abdeckung des Kamins.
• Kondenswasserbildung am Sockel des Kamins.
• Eindringen von Säure/Feuchtigkeit in die Isolierung.
• Verformung durch thermische oder andere Belastungen.
• Korrosion von Ankerbolzen.
• Ermüdungsrisse.
• Verlust oder Verschlechterung der Isolierung, Beschichtung oder Auskleidung.
• Lockerung von Ankerbolzen.
• Lockerung von Stoß- bzw. Flanschverbindungen.
• Bildung von „Hot Spots“ auf der Hülle von Kaminen mit Innenauskleidung.
• Ablösung von Leiterhaltern von der Kaminhülle.

6.4 Inspektion

6.4.1 Außeninspektion

• Wandstärke der Hülle: 
  • Zur Messung der Wandstärke der Hülle können Ultraschallgeräte für zerstörungsfreie Prüfungen oder Kernproben und Bohrtests verwendet werden. 
  • Es wird empfohlen, eine Wandstärkenmessung pro Abschnitt der Kaminhöhe in Höhe des Kamindurchmessers durchzuführen. 
  • Führen Sie Aufzeichnungen über die Ergebnisse, um die Korrosion der Stahlhülle zu überwachen.
• Oberfläche:
  • Untersuchen Sie die äußere Oberfläche auf Schäden, Abnutzung und Unregelmäßigkeiten.
  • Dokumentieren Sie alle bei der Inspektion festgestellten Mängel.
• Zugangssystem:
  • Überprüfen Sie alle Komponenten des Zugangssystems, einschließlich Leitern, Leiterhalterungen, Käfige, Steigschutzvorrichtungen und Plattformen, auf ihre Unversehrtheit und Sicherheit.
• Blitzschutzsystem:
  • Prüfen Sie alle Komponenten des Blitzschutzsystems, einschließlich der Erdungsverbindung, auf elektrische Durchgängigkeit.
• Tragkonstruktion:
  • Überprüfen Sie Verstrebungen, Abspannanker, Abspannseile, Abspannzubehör und ähnliche Komponenten.
  • Notieren und analysieren Sie festgestellte Mängel.
• Schrauben:
  • Überprüfen Sie alle Schrauben, einschließlich Ankerbolzen.
• Elektrische Anlage:
  • Notieren Sie Feuchtigkeitskondensation in Leitungen und Verbindungen.
  • Überprüfen Sie Verbindungen und Leitungen auf Korrosion.
  • Ersetzen Sie durchgebrannte Lampen.
• Isolierung:
  • Erkennen Sie das Risiko der Durchfeuchtung der Isolierung durch Säureinfiltration in isolierten Kaminen.
  • Feuchte und säuregetränkte Isolierung kann die Korrosion der Hülle beschleunigen und zu erheblichen strukturellen Schäden führen.

6.4.2 Inneninspektion

          1. Wandstärke der Hülle:

• • Verwenden Sie Ultraschallgeräte zur zerstörungsfreien Messung der Wandstärke.
  • Führen Sie eine Wandstärkenmessung pro Abschnitt der Kaminhöhe in Höhe des Kamindurchmessers durch.
  • Führen Sie Aufzeichnungen der Ergebnisse zur Überwachung der Stahlkorrosion.

          2. Auskleidung:

1. • Die Auskleidung ist entscheidend hinsichtlich Verschleiß, Rissen, Abplatzungen und anderen Mängeln.
   • Achten Sie besonders auf Mängel, die durch aufgelagerte Partikelablagerungen verdeckt sein könnten.
   • Es wird empfohlen, pH-Werte mit Lackmuspapier, Reagenzien oder chemischer Analyse repräsentativer Proben von der Auskleidungsoberfläche zu ermitteln.

          3. Partikelablagerungen:

1. • Überprüfen Sie die Kaminwand und den Sockel auf Ablagerungen wie Verbrennungsrückstände, Flugasche usw.
   • Ablagerungen bilden eine Matrix für Säurekondensat.

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