Auswahl der Rohrschedule —
Wann Sch 40,
80 oder 160 verwenden

Die auf einem Rohrstück aufgedruckte Schedule-Nummer gehört zu den am häufigsten missverstandenen Angaben in der Prozessrohrleitungskonstruktion. Ingenieure spezifizieren Sch 40, weil das beim letzten Mal verwendet wurde, oder Sch 80, weil es sicherer erscheint, ohne zu verstehen, was diese Zahlen tatsächlich bedeuten oder wie sie sich auf den Druck beziehen, den das Rohr aufnehmen wird.

Dieser Artikel erklärt das Schedule-System von Grund auf — woher es kommt, was es bedeutet, wie man die richtige Schedule für eine gegebene Anwendung auswählt, und die häufigen Fehler, die entstehen, wenn man es anwendet, ohne es zu verstehen.

Woher die Schedule-Nummern kommen

Das Schedule-System entstand zu Beginn des 20. Jahrhunderts als standardisierte Methode zur Angabe der Rohrwanddicke. Vor der Standardisierung verwendeten Rohrhersteller eigene Wanddickenbezeichnungen — Standard Weight (STD), Extra Strong (XS) und Double Extra Strong (XXS) —, die keinen direkten Hinweis auf die Druckkapazität gaben und zwischen Herstellern variierten.

Die American Standards Association führte das Schedule-Nummern-System in den 1930er Jahren ein, später formalisiert in ASME B36.10 für Kohlenstoff- und legierten Stahl, und ASME B36.19 für Edelstahlrohre. Die Schedule-Nummern — 5, 10, 20, 30, 40, 60, 80, 100, 120, 140, 160 — sind Indexzahlen, keine Wanddicken. Die tatsächliche Wanddicke, die einer gegebenen Schedule-Nummer entspricht, variiert mit der Nennweite (NPS).

Wie sich Schedule-Nummern zur Wanddicke verhalten

Die Beziehung zwischen Schedule-Nummer, Nennweite und Wanddicke ist in ASME B36.10M definiert. Die Formel hinter dem Schedule-Nummerierungssystem lautet:

Schedule-Nummer ≈ 1000 × (P / S)

Wobei P der innere Auslegungsdruck in psi ist und S die zulässige Spannung des Rohrwerkstoffs in psi bei Auslegungstemperatur. Diese Formel zeigt die Absicht des Systems — eine höhere Schedule-Nummer spiegelt entweder einen höheren Auslegungsdruck, eine geringere zulässige Werkstoffspannung oder beides wider. Sie zeigt auch sofort, warum die Schedule allein nicht ausreicht, um ein Rohr für Druckanwendungen zu spezifizieren: dieselbe Schedule-Nummer bei unterschiedlichen Größen ergibt unterschiedliche Wanddicken.

Einige repräsentative Wanddicken aus ASME B36.10M zur Veranschaulichung:

Die Wanddicke nimmt sowohl mit der Schedule-Nummer als auch mit der Nennweite zu. Bei NPS 12 beträgt die Sch-160-Wand 33,32mm — nahezu so dick wie die Rohrbohrung selbst. Bei NPS ½" beträgt die Sch-160-Wand 4,78mm — die Bohrung ist unter 12mm. Das Schedule-System überspannt einen enormen Druckkapazitätsbereich innerhalb einer einzigen Bezeichnung.

Standard Weight, Extra Strong und XXS

Die historischen Bezeichnungen — STD, XS und XXS — gehen dem Schedule-System voraus und sind nach wie vor gebräuchlich, insbesondere in älteren Spezifikationen, Öl- und Gasanwendungen sowie allgemeinem Industrierohrleitungsbau. Ihre Beziehung zu den Schedule-Nummern ist:

ASME B36.10 vs. ASME B36.19

Zwei separate ASME-Normen regeln Rohrabmessungen:

ASME B36.10M umfasst geschweißte und nahtlose Stahlrohre aus Kohlenstoffstahl, legiertem Stahl und anderen nicht-rostfreien Werkstoffen. Die Schedules reichen von 5 bis 160 und XXS über den gesamten NPS-Bereich von ⅛" bis 24" und darüber hinaus.

ASME B36.19M umfasst Edelstahlrohre. Es verwendet denselben Außendurchmesser wie B36.10, führt jedoch Schedules mit S-Suffix ein — 5S, 10S, 40S und 80S —, die sich bei manchen Größen von der entsprechenden B36.10-Schedule unterscheiden. Die S-Suffix-Schedules wurden teils eingeführt, weil die höhere Korrosionsbeständigkeit von Edelstahl in vielen Anwendungen dünnere Wände im Vergleich zu Kohlenstoffstahl erlaubt, und teils, um die unterschiedlichen Druck-Temperatur-Eigenschaften von Edelstahl widerzuspiegeln.

Für Edelstahl-Rohrleitungen stets auf B36.19 Bezug nehmen. Die Angabe „Sch 40" bei einer Edelstahl-Rohrbestellung ohne S-Suffix führt zu Mehrdeutigkeit — klären Sie, ob Sch 40S gemeint ist oder die vollständige B36.10-Sch-40-Wand (die bei manchen Größen schwerer sein kann).

Druckkapazität — Die Barlow-Formel

Die Druckkapazität eines Rohrs wird mit der Barlow-Formel berechnet (oder der vollständigeren Lamé-Gleichung für dickwandige Rohre, aber Barlow wird für die überwiegende Mehrheit der Standard-Prozessrohrleitungen verwendet):

P = (2 × S × t) / OD

Wobei P der Innendruck (MPa oder psi), S die zulässige Umfangsspannung des Werkstoffs bei Temperatur (MPa oder psi), t die Wanddicke (mm oder Zoll) und OD der Außendurchmesser (mm oder Zoll) ist.

Umgestellt zur Ermittlung der erforderlichen Mindestwanddicke:

t = (P × OD) / (2 × S)

Dies ist die grundlegende Beziehung, die die Schedule-Auswahl bestimmen sollte — nicht Konvention, nicht das, was beim letzten Mal verwendet wurde, und keine aus Bequemlichkeit gewählte runde Zahl. Eine Rohrschedule ist korrekt, wenn ihre Wanddicke die berechnete erforderliche Mindestdicke erreicht oder überschreitet, zuzüglich eines etwaigen Korrosionszuschlags, der Walztoleranz und eines Fertigungsfaktors.

Zulässige Spannungswerte

Die zulässige Spannung S ist nicht fest — sie ist eine Funktion sowohl der Werkstoffgüte als auch der Betriebstemperatur, entnommen aus den Spannungstabellen des geltenden Regelwerks. Für Kohlenstoffstahl A106 Grade B bei Umgebungstemperatur beträgt die zulässige Spannung nach ASME B31.3 etwa 137,9 MPa (20.000 psi). Bei 400°C sinkt sie auf etwa 82,7 MPa. Diese Temperaturabhängigkeit ist der Grund, warum dasselbe Rohr bei erhöhter Temperatur nicht denselben Druck halten kann wie bei Umgebungstemperatur — der Werkstoff ist schwächer, und die Wanddicke (oder Schedule) muss zum Ausgleich erhöht werden.

Berechnungsbeispiel — Schedule-Auswahl

Zur Veranschaulichung: eine Kohlenstoffstahl-Prozessleitung (A106 Gr.B) bei NPS 4, Auslegungsdruck 50 bar (5,0 MPa), Auslegungstemperatur 200°C.

Aus den ASME-B31.3-Spannungstabellen: S für A106 Gr.B bei 200°C ≈ 130 MPa.

OD von NPS 4 = 114,3mm.

Mindestwanddicke: t = (5,0 × 114,3) / (2 × 130) = 2,20mm

Nun die Korrekturen anwenden:

• Korrosionszuschlag: 1,5mm (typisch für mäßig korrosiven Kohlenstoffstahl)
• Walztoleranz: ASME B36.10 erlaubt −12,5 % auf die Wanddicke, daher durch 0,875 teilen

Korrigiertes Minimum: (2,20 + 1,5) / 0,875 = 4,23mm erforderliche Nennwand

Abgleich mit der Schedule-Tabelle für NPS 4:

• Sch 40: 6,02mm — ausreichend (4,23mm erforderlich, 6,02mm geliefert)
• Sch 10: 3,05mm — nicht ausreichend

Sch 40 ist die korrekte Wahl für diese Anwendung. Es gibt keine technische Rechtfertigung für Sch 80 (8,56mm) oder Sch 160 (13,49mm), es sei denn, es wird ein zusätzlicher Korrosionszuschlag, Erosionszuschlag oder ein höheres Druckszenario berücksichtigt.

Wann Sch 40 nicht ausreicht

Sch 40 ist das Standard-Arbeitspferd des Prozessrohrleitungsbaus. Die Frage lautet nicht „Warum sollte ich Sch 80 verwenden?" — sondern „Welche spezifischen Bedingungen erfordern eine schwerere Schedule?"

Hoher Druck

Bei hohen Auslegungsdrücken übersteigt die berechnete Mindestwanddicke Sch 40, was die Auswahl auf Sch 80, Sch 120, Sch 160 oder XXS lenkt. Hochdruck-Versorgungssysteme (Dampfversorgung, Hochdruckwasser, Hydraulik), Bohrlochkopf-Rohrleitungen und Hochdruck-Chemiesysteme erfordern üblicherweise Schedules über 40.

Erhöhte Temperatur

Wie in der obigen Tabelle der zulässigen Spannungen gezeigt, sinkt die Werkstofffestigkeit bei erhöhter Temperatur. Ein Kohlenstoffstahlsystem, das bei Umgebungstemperatur komfortabel innerhalb von Sch 40 liegt, kann bei Auslegungstemperatur Sch 80 erfordern, sobald die reduzierte zulässige Spannung angewandt wird. Stets bei Auslegungstemperatur rechnen, nicht bei Umgebungstemperatur — dies ist eine häufige Ursache für Unterspezifikation.

Korrosions- und Erosionszuschlag

Ist das Prozessmedium korrosiv oder erosiv, wird der berechneten Mindestwand ein Korrosionszuschlag hinzugefügt, um sicherzustellen, dass das Rohr am Ende der Auslegungslebensdauer ausreichende strukturelle Integrität behält. Bei Kohlenstoffstahlrohren in mäßig korrosivem Betrieb ist ein Korrosionszuschlag von 1,5–3,0mm üblich. Bei stark korrosivem Betrieb oder wo Erosion durch mitgeführte Feststoffe zu erwarten ist, kann der Zuschlag 3–6mm oder mehr betragen. Diese zusätzliche Wand verschiebt viele Leitungen von Sch 40 in den Sch-80-Bereich.

Gewindeverbindungen

Bei geschraubten (NPT- oder BSP-Gewinde-) Verbindungen an kleineren Rohrgrößen entfernt der Gewindeschneidvorgang Material von der Außenfläche der Rohrwand. ASME B31.3 und die einschlägigen Rohrnormen verlangen eine verbleibende Mindestwand nach dem Gewindeschneiden. Bei NPS 1" und darunter ist Sch 40 häufig die Mindest-Schedule, die nach dem Gewindeschneiden eine ausreichende Wand bietet — bei kleineren Größen wird für Gewindeendverbindungen oft Sch 80 vorgeschrieben.

Mechanische Belastung

Bei Anwendungen, in denen das Rohr eine erhebliche äußere Last trägt — vergrabenes Rohr, Rohr, das sein eigenes Gewicht über lange ungestützte Spannweiten trägt, oder Rohr, das Vibrationen ausgesetzt ist —, kann die Wanddicke eher durch konstruktive Anforderungen als durch den Druck bestimmt werden. In diesen Fällen wird die Mindestschedule durch Durchbiegungs- oder Spannungsberechnungen festgelegt, nicht durch die Barlow-Formel.

Vakuumbetrieb

Bei Außendruck (Vakuumbetrieb) ist die kritische Versagensart eher Einbeulen als Bersten. Dünnwandigeres Rohr ist anfälliger für Beulversagen. Außendruckberechnungen nach ASME sind erheblich komplexer als Innendruckberechnungen und führen häufig zu schwereren Schedules, als Innendruckberechnungen allein vermuten lassen würden.

Wann Sch 80, 120, 160 angemessen sind

Die S-Suffix-Schedules für Edelstahl

Für Edelstahl-Rohrleitungen nach ASME B36.19 sind die gängigen Schedules 5S, 10S, 40S und 80S. Bei manchen Rohrgrößen sind diese dünner als ihre B36.10-Äquivalente — was widerspiegelt, dass Edelstahl häufig niedrigere Auslegungsdrücke trägt (Wasser, Chemie, Lebensmittelverarbeitung) und die korrosionsbeständige Natur des Werkstoffs bedeutet, dass ein Korrosionszuschlag oft null oder minimal ist, was eine leichtere Wand erlaubt.

Sch 10S ist die gängigste Schedule für Edelstahl-Prozessleitungen in Lebensmittel-, Molkerei-, Pharma- und Reinraumanwendungen — sie ist für typische Drücke ausreichend stark, durch die geringere Wanddicke leichter zu schweißen und kostet weniger Material als Sch 40S.

Sch 40S sollte spezifiziert werden, wo Druck oder mechanische Belastung dies erfordern, nicht als Standard. Bei hochreinen Anwendungen mit Orbitalschweißen erzeugt die reduzierte Wand von Sch 10S zudem eine kleinere, gleichmäßigere innere Schweißnaht, die aus Reinigungssicht bevorzugt wird.

Fertigungstoleranz und ihre Auswirkung

ASME B36.10 erlaubt eine Wanddickentoleranz von −12,5 % auf die Nennwand. Das bedeutet, ein als Sch 40 NPS 4 mit einer Nennwand von 6,02mm bestelltes Rohr kann mit einer tatsächlichen Wand von nur 5,27mm geliefert werden — und dies liegt vollständig innerhalb der Spezifikation.

Diese Toleranz muss bei Druckberechnungen berücksichtigt werden. Der korrekte Ansatz besteht darin, bei der Berechnung der verfügbaren Druckkapazität mit der Mindestwand (Nennwand minus 12,5 %) zu arbeiten, oder gleichwertig, die berechnete Mindestwand bei der Ermittlung der erforderlichen Nennwand durch 0,875 zu teilen — wie im obigen Berechnungsbeispiel gezeigt.

Die Nichtberücksichtigung der Walztoleranz ist ein häufiger Berechnungsfehler, der dazu führt, dass Rohre mit einer Nennwand spezifiziert werden, die unter Berücksichtigung der Toleranz die Druckanforderung tatsächlich nicht erfüllt.

Häufige Fehler bei der Schedule-Spezifikation

1. Sch 40 als Standard ohne Berechnung spezifizieren. Bei Niederdruck-, Großbohrungs-, korrosivem oder erhöhter Temperatur-Betrieb erfüllt Sch 40 möglicherweise nicht die Mindestwandanforderung, sobald Korrosionszuschlag und Walztoleranz angewandt werden.
2. Überspezifikation bei Niederdruckleitungen. Sch 80 oder Sch 160 an einer 10-bar-Versorgungswasserleitung ist unnötiges Gewicht und unnötige Kosten — insbesondere bei größeren Durchmessern, wo der Gewichtsnachteil erheblich ist und die Auslegung der Halterungen beeinflusst.
3. Vernachlässigung der Temperatur bei der Schedule-Auswahl. Berechnung bei Umgebungstemperatur und anschließender Betrieb bei erhöhter Temperatur ergibt nicht-konservative Ergebnisse. Die Auslegungstemperatur ist die maßgebliche Bedingung.
4. Nichtberücksichtigung der Walztoleranz. Die Verwendung der Nennwand in der Druckberechnung ohne die −12,5-%-Toleranz ergibt ein nicht-konservatives Ergebnis.
5. Vermischung von B36.10- und B36.19-Schedules. Die Angabe „Sch 40" bei Edelstahlrohr ohne Klärung, ob B36.10 oder B36.19 (Sch 40S) gemeint ist, schafft Mehrdeutigkeit. Bei manchen Größen unterscheiden sich die Wanddicken.
6. Anwendung derselben Schedule auf alle Leitungen eines Systems. Prozesssysteme enthalten häufig Leitungen mit deutlich unterschiedlichen Drücken und Temperaturen — Instrumenten-Impulsleitungen, Entwässerungsanschlüsse und Hauptprozesssammelleitungen können alle unterschiedliche Nennweiten und Drücke haben. Jede Leitung sollte einzeln bewertet werden.
7. Sch 10 bei Gewindeendverbindungen spezifizieren. Dünnwandiges Rohr lässt sich nicht immer bis zur vollen Eingriffstiefe gewindeschneiden. Mindestwandanforderungen für das Gewindeschneiden prüfen, bevor Sch 5 oder Sch 10 bei Gewindeleitungen spezifiziert wird.

Zusammenfassung

Die Auswahl der Rohrschedule ist eine Berechnung, keine Konvention. Die korrekte Schedule ist die leichteste Schedule, deren Nennwanddicke nach Anwendung von Walztoleranz und allen relevanten Zuschlägen die berechnete erforderliche Mindestwand unter den maßgeblichen Auslegungsbedingungen erfüllt — also Auslegungsdruck und Auslegungstemperatur, nicht Umgebungsbedingungen.

Sch 40 ist für einen großen Anteil des allgemeinen Prozessrohrleitungsbaus korrekt. Sch 80 ist angemessen, wo Druck, Temperatur, Korrosionszuschlag oder mechanische Belastung die Wandanforderung über das hinaus treibt, was Sch 40 bietet. Sch 120, 160 und XXS dienen spezifischen Hochdruckanwendungen. Sch 10 und 5S dienen Niederdruck-, nicht-korrosivem Betrieb und sind Standard für Edelstahl-Reinraum- und Lebensmittelprozessleitungen.

Überspezifikation verschwendet Geld, fügt Gewicht hinzu und erhöht die Halterungsanforderungen. Unterspezifikation ist ein Sicherheitsproblem. Führen Sie die Berechnung durch.