Berechnung thermischer Rohrbewegungen

Wenn ein System Temperaturveränderungen unterliegt, kann es gleichzeitig eine horizontale und vertikale Bewegung sowie eine winklige Durchbiegung erfahren. Die auf das Rohrlei­tungs­system wirkende Zusatzbe­lastung ist je nach vertikaler oder horizontaler Rohrführung unterschiedlich. Bei horizontalen Rohren stellt Platzmangel entlang der Rohrlängen und -biegungen normalerweise das größte Hindernis dar. Bei verti­ka­len Rohren kommen andere Erwägungen in Betracht, da­run­ter dynamische, statische und Höhepunktberechnungen hin­sichtlich der Druck- und Belastungswerte, die auf das Unterteil des Rohrs ausgeübt werden.

Kohlenstoffstahlrohre unterliegen einer thermischen Ausdehnung und Schrumpfung von 1,905 cm pro 38 K Temperaturänderung bezogen auf 30,48 m Rohrlänge. Rohrleitungen, die Temperaturveränderungen unterliegen, werden Belastungen ausgesetzt, die zu schädlichen Reaktionen auf die Bauteile oder Gerätschaften führen können. Die während dieser thermisch bedingten Maßveränderung erzeugten Kräfte sind häufig beachtlich, und die Bewegung muss ausgeglichen und kontrolliert werden, um die Übertragung dieser Belastungen auf das ganze Rohrleitungssystem zu verhindern. Ein unzulänglicher Ausgleich dieser Bewegung kann zu geschäftlichen Risiken durch übermäßige Belastung des Rohrleitungssys­tems führen, einschließlich erhöhter Bruch- und Leckfälle, erhöh­ter Belastung von Kesseln, Kühlaggregaten, Ventilen und sonstigen Gerätschaften und Bauteilen, sowie erhöhter Ausfallzei­ten und Arbeitskosten. Das kann negative Auswirkungen auf die Eigentümer des Gebäudes aufgrund erhöhter Wartungskosten und potenzieller Geschäftsschließungen haben.

Beim Ausgleich thermischer Ausdehnung und Schrumpfung hält das Rillenrohrverbindungssystem die Industrienormen ein. Es bietet gleichzeitig Designflexibilität, reduziert die Belastung des Rohrleitungssystems und bietet eine kompaktere, einfach zu inspizierende und produktive Installationsmethode im Vergleich zu anderen Rohrverbindungsmethoden wie Schweißen oder Flanschen. Darüber hinaus werden bei der Rillenrohrverbindungsmethode alle Dichtungselemente mit einem Metallgehäuse kombiniert.

Die mechanische Rillenrohrverbindung

Mechanische Rillenkupplungen gestatten die Rohrbewegung aufgrund ihres Bauteildesigns. Die Maße des Kupplungskeils sind geringer als die Rille im Rohr, so dass der Kupplungskeil in der Rohrrille Bewegungsspielraum hat. Die Breite des Kupplungsgehäuses lässt ebenfalls eine Trennung der Rohrenden zu. Damit ist Spielraum für die kontrollierte Linear- und Winkelbewegung gegeben. Die mechanische Kupplung bleibt als Verbindung unter Eigenspannung erhalten, und das einzigartige druckempfindliche Design bietet Dichtungseigenschaften selbst bei Biegung und Rohrbewegungen. Flexible mechanische Rillenrohrkupplungen sind eine hervorragende Alternative zu geschweißten U-förmigen Dehnungsringen, geschweißten Versätzen, Kompensatoren und Gummibalgen. Diese Kupplungen lassen sich einfacher und schneller installieren und gleichen Bewegungen innerhalb des Designpotentials der Kupplung aus. All das erfolgt jedoch innerhalb des „natürlichen Bewegungsspielraums“ des Produkts. Die durch thermische Ausdehnung und Schrumpfung hervorgerufene Bewegung des Rohrleitungssystems kann somit auf geringerem Raum mit geringer Belastung der Bauteile ausgeglichen werden.

Es gibt vier herkömmliche Methoden zum Ausgleich thermischer Rohrbewegungen in einem Rillenrohrsystem:

1) Einsatz eines Kompensators unter Verwendung von mechanischen Rillenrohrbauteilen,

2) Zulassung von „frei gleitenden“ Systemen,

3) Nutzung des Linearbewegungs- bzw. Biegungspotentials flexibler Rillenrohrkupplungen,

4) Einsatz eines Dehnungsrings unter Verwendung von mechanischen Bauteilen.

Die Wahl einer dieser Methoden hängt von der Systemart, dem Projektumfang und der Vorliebe des Ingenieurs ab. Da nicht alle Systemkonstruktionen vorhergesagt werden können, weist dieser Artikel auf die Konstruktionsvorteile und mechanischen Vorzüge der Rillenrohrmethode beim Ausgleich thermischer Ausdehnung und Schrumpfung hin.

Der erste Schritt zum Ausgleich thermischer Bewegungen ist die Berechnung der genauen Veränderung der linearen Länge des Rohrleitungssystems über den relevanten Abschnitt, zusammen mit einem geeigneten Sicherheitsfaktor. Die tatsächliche Ausdehnung eines 30,48 m langen Rohrabschnitts wurde, für die gängigsten Rohrleitungsmaterialien (C-Stahl, Edelstahl und Kupfer), bei ver­schiedenen Temperaturen berechnet und ist in Tabelle 1 zu finden. Diese Werte sollten nicht auf Rohre anderer Materialien übertragen werden, da diese variieren. Ausdehnungskoeffizienten können bei Bezug aus anderen Quellen um 5 % oder mehr variieren und sollten berücksichtigt werden. Im Folgenden finden Sie ein Beispiel, das die Anwendung der Tabelle 1 demonstriert:

Beispielrechnung

Gegeben: 73,15 m langes C-Stahlrohr

Maximale Betriebstemperatur = 104 °C

Minimale Betriebstemperatur = 4 °C

Temperatur zum Installationszeitpunkt = 26 °C

Berechnung: Ausdehnung C-Stahlrohr

104 °C: 4,3 cm pro 30,48 m C-Stahlrohr

4 °C: 0,8 cm pro 30,48 m C-Stahlrohr

Differenz: 3,5 cm pro 30,48 m C-Stahlrohr zwischen den beiden gegebenen Betriebstemperaturen

Folgerung: (73,15 m/30,48 m) x 3,5 cm = 8,4 cm

Auf diese Bewegung von 8,4 cm sollte ein geeigneter Sicher­heits­faktor angewandt werden, der, wie vom Systemplaner fest­gelegt, variiert, um allen Fehlern bei der Vorausberechnung der Betriebsextreme, usw., Rechnung zu tragen. Diese Beispiele wurden ohne Anwendung eines Sicherheitsfaktors berechnet. Um die Positionierung des Kompensators zum Installationszeitpunkt festzulegen:

Installation bei kalten Bedingungen (4 bis 26 °C)

4 °C: 0,8 cm pro 30,48 m C-Stahl­rohr

26 °C: 1,5 cm pro 30,48 m C-Stahlrohr

Differenz: 0,7 cm pro 30,48 m C-Stahlrohr

Daraus folgt für 73,15 m eine Ausdehnung von 1,7 cm.

Installation bei warmen Bedingungen (26 bis 104 °C)

26 °C: 1,5 cm pro 30,48 m C-Stahlrohr

104 °C: 4,3 cm pro 30,48 m C-Stahlrohr

Differenz: 2,8 cm pro 30,48 m C-Stahlrohr

Daraus folgt für 73,15 m eine Ausdehnung von 6,7 cm.

Folglich muss der Kompensator dem Rohr eine Mindestkontraktion von 1,7 cm sowie eine Mindestexpansion von 6,7 cm ermöglichen, wenn er bei 26 °C installiert wird.

Verwendung von Kompensatoren

Mechanische Rillenrohrkupplungen sind in zwei unterschiedlichen Leistungsmerkmalen erhältlich. Es gibt eine „starre“ und eine „flexible“ Kategorie. Starre mechanische Rillenrohrkupplungen dienen dazu, die Verbindung am Installationsort „fest zu halten“, und lassen weder die Linear-, Winkel- noch Drehbewegung an den Verbindungen zu. Flexible mechanische Rillenrohrkupplungen dienen dagegen dazu, kontrollierte Linear- und Winkelbewegungen an jeder Verbindungsstelle zuzu­lassen, um die Biegung von Rohren aus­zugleichen.

Kompensatoren sind Vorrich­tun­gen, die axial verdichtet oder ausgedehnt werden können und stellen meistens die teuers­te Alternative zum Ausgleich thermischer Bewegungen dar. Ein ver­schweißter Kompensator ist ty­pischerweise eine teure Sonder­verbindung, die in das Sys­tem eingeflanscht wird und der regel­mäßigen Wartung bedarf. Kos­ten­güns­tigere Kompen­sa­toren nutzen mechanische Rillenrohrkupplungen und kurze Rohrnippel mit Sonderrillen und flexiblen Kupp­lungen, die auf langen ge­ra­den Rohrstrecken eingesetzt werden und auf das gewünschte Ausmaß an Schrum­pfung und/oder Ausdehnung voreingestellt werden. Die axiale Bewegung kann durch einfaches Hinzufügen oder Ent­fer­nen von Kupplungen justiert werden. Wenn eine Reihe fle­xi­bler Kupplungen installiert wird, schützt der sich ergebende Ril­len­rohr-Kompensator außerdem Gerätschaften durch Redu­zie­rung von Erschütterungen und Be­lastungen innerhalb des Sys­tems.

Gleich ob Sonderkompensato­ren oder ein gerillter Kompen­sa­tor eingesetzt werden, die be­nach­barten Rohre müssen korrekt geführt werden, damit die Be­wegung auf die Vorrichtung gerichtet wird und keine laterale Bewegung auftritt.

Damit der Kompensator rich­tig arbeiten kann, sollte das Rohr­leitungssystem in separa­te Expan­sions-/Kontraktionsabschnitte mit geeigneten Unter­stüt­zungen, Führungen und Verankerungen aufgeteilt werden, die axiale Rohrbewegungen leiten.

Verankerungen sollen zum Zweck der Kraftanalyse in Haupt- und Zwischenverankerungen aufgeteilt werden. Hauptverankerungen werden an Endpunkten, wichtigen Abzweigen oder Rohrumlenkungen angebracht. Die auf eine Hauptverankerung wirkenden Kräfte ergeben sich aus Druckstößen, der Durchflussgeschwindigkeit sowie der Reibung von Ausrichtführungen und Gewichtsunterstützungsvorrichtungen. Zwischenverankerungen werden auf langen Rohrabschnitten installiert, um diese in kürzere Expansionsabschnitte zu unterteilen, damit weniger komplexe Kompensatoren eingesetzt werden müssen. Die auf die Zwischenverankerung wirkende Kraft ergibt sich aus der Reibung an Führungen, dem Gewicht von Unterstützungen und Halterungen sowie der Aktivierungskraft, die zur Kompression oder Expansion eines Kompensators nötig ist. Rohrausrichtführungen sind zur Gewährleistung der axialen Bewegung des Kompensators unerlässlich. Soweit möglich, sollten Kompensatoren immer innerhalb von vier Rohrdurchmessern neben einer Verankerung liegen (Bild 1).

Gerillte Kompensatoren können als flexible Verbindungen ver­wendet werden, bieten aber nicht gleichzeitig vollständige Ausdehnung und vollständige Biegung. Horizontal installierte Kompensatoren müssen zur Verhinderung der Biegung getrennt unterstützt werden, was die verfügbare Ausdehnung reduziert.

Verwendung von frei gleitenden Systemen

Bei frei gleitenden Systemen handelt es sich um Rohrleitungssys­teme, die sich ohne den Einsatz von Kompensatoren thermisch ausdehnen/zusammenziehen können, vorausgesetzt, dass diese Bewegungen keine Biegemomentbelastungen an Abzweigen hervorrufen oder sich schädigend auf Verbindungsstellen oder Umlenkungen, oder auf Teile der Konstruktion oder andere Einrichtungen auswirken. Dies erreicht man durch die unregelmäßige Installation von Verbindungsstellen, oder, falls gewünscht, durch die Installation von Führungen zur Lenkung der Bewegungsrichtung. Bei Verwendung flexibler Rillenrohrkupplungen, müssen die Auswirkungen von Druckstößen einkalkuliert werden, da Rohre, die gleiten können, sich bis zum vollen Ausmaß der verfügbaren Rohrendabstände hin bewegen. Der Installateur soll sicherstellen, dass die Abzweige und Kompensatoren ausreichend lang sind, damit die maximale winklige Durchbiegung der Kupplung (die in den Leistungsdaten der jeweiligen Kupplung zu finden ist) zu keinem Zeitpunkt überschritten wird und sie die zu erwartende Gesamtbewegung der Rohre ausgleichen kann. Verankern Sie das System andernfalls und lenken Sie die Bewegungen. Stellen Sie des Weiteren sicher, dass angrenzende Rohre sich frei bewegen können, um zu erwartende Bewegungen zu unterstützen (Bild 2).

Rillenrohrkupplungen für lineare Bewegung und Biegung

Mechanische Rillenrohrkupplungen sind eine Alternative zu ge­schweißten U-förmigen Dehnungsringen, geschweißten Versät­zen, Kompensatoren und Gummibalgen. In Verbindung mit einem frei gleitenden System werden flexible Kupplungen in Rohrleitungssys­te­men eingesetzt, um die thermische Rohrausdehnung auszugleichen, ohne dass zusätzliche Bauteile oder Rohrkonfigurationen er­for­derlich sind. Bestimmte Merkmale unterscheiden flexible Rillenrohrkupplungen von anderen Typen und Verfahren zum Ver­binden von Rohren. Wenn er sich darüber im Klaren ist, kann der Konstrukteur sich die zahlreichen Vorteile dieser Kupplungen zunutze machen.

In diesem Beispiel werden die höchsten Linearbewegungswerte, die an flexiblen Rillenrohrkupplungen zur Verfügung stehen, unter den Leistungsdaten für jeden Victaulic-Kupplungstyp veröffentlicht. Zu Konstruktions- und Illustrationszwecken sind diese Zahlen durch die im Infokasten 2 (Seite 66) dargestellten Faktoren zu reduzieren, um Rohr­rillentoleranzen zu berücksichtigen.

Wenn eine vollständige lineare Bewegungsfreiheit erforderlich ist, kann der Victaulic-Kompensator des Typs 155, zusammen mit speziellen, präzise genuteten Nippeln, eingesetzt werden. Die an flexiblen Rillenrohrverbindungen vorliegende maximale winklige Durchbiegung finden Sie in den Leistungsdaten der einzelnen Victaulic-Kupplungen. Bei der Planung und beim Einbau sollten diese Werte um den im Infokasten 1 (Seite 63) dargestellten Faktor verringert werden, um den Rohrrillentoleranzen Rechnung zu tragen. Die an flexiblen genuteten Rohrverbindungen von Victaulic vorliegende winklige Durchbiegung (Bild 3) dient der Vereinfach­ung und Beschleunigung der Installation. Die maximale winklige Durchbiegung zwischen Mittellinien ist in den Leistungsdaten dargelegt (Bild 4).

Hinweis: Vollständig ausgelenkte Verbindungen können keine Linearbewegung mehr bieten. Teilweise ausgelenkte Verbindungen bieten eine teilweise Linearbewegung.

Flexible Rillenrohrkupplungen gestatten die Winkelflexibilität und Drehbewegung an den Verbindungen. Diese Eigenschaften bieten Vorteile bei der Installation und Konstruktion von Rohrleitungssystemen, müssen aber bei der Bestimmung des Aufhänge- und Abstützraums berücksichtigt werden.

Wie in Bild 5 veranschaulicht, wird deutlich, dass dieses System zusätzliche Aufhängungen (bzw. die Verwendung einer Kupplung wie der starren Kupplung „Zero-Flex“) erforderlich macht, um das sich ergebende Durchhängen der Rohre zu verhindern. Die Positionen der Aufhänger müssen in Bezug auf die Winkel- und Drehbewegungen an den Verbindungen geplant werden.

Flexible Kupplungen gestatten die lineare Bewegung. Druckstöße müssen deshalb berücksichtigt werden, aufgrund derer die Rohrenden sich im höchsten durch die Kupplungen zugelassenen Maße bewegen, welche sich am Systemende an­sammeln würden, falls die Verbin­dungen gestaucht oder nur teilweise unter Druck geöffnet installiert würden. Bei der Verwendung flexibler Kupplungen an Stellen eines Richtungswechsels und bei Ausrichtung der Bewe­gung auf die Richtungsänderung durch korrekt platzierte Ver­an­ke­rungen und Führungen wird die Bewegung durch die Verbindungsmethode selbst ausgeglichen. Diese Methode erzeugt außerdem wenig oder keine zusätzlichen Belastungen innerhalb des Systems, ungleich eines verschweißten Dehnungsrings.

Flexible Kupplungen können auch nur wegen ihres axialen Bewegungspotentials verwendet werden. In diesem Fall werden gerade Strecken an beiden Enden verankert, und die Rohrleitung wird auf jeder zweiten Strecke geführt. Jede flexible Kupplung wird bei der Installation mit ei­nem voreingestellten Spalt ver­sehen (entweder völlig offen oder völlig geschlossen/ge­staucht, um sicherzustellen, dass aus­reichend Kupplungen zum Aus­gleich der zu erwarten­den Aus­deh­nung und/oder Schrum­pfung vorhanden sind. Flexible Rillenrohrkupplun­gen gestatten die Winkelflexibilität und Drehbewegung an den Verbindungen. Um die geeignete Anzahl der zu ver­wen­denden Kupplungen zu be­stim­men, muss der Designer die Änderung der Linearlänge des Rohrleitungssys­tems unter Be­rücksichtigung der Länge und Größe des Sys­tems und der Höchst- und Min­dest­betriebs­tem­pe­raturen be­rechnen.

Wird eine uneingeschränkte lineare Bewegung benötigt, kann ein gerillter Kompensator verwendet werden, vollständig ausgelenkte Verbindungen können aber keine Linearbewegung mehr bieten. Teilweise ausgelenkte Verbindun­gen bieten eine teilweise Linear­be­wegung. Darüber hinaus bie­ten herkömmliche geschnitte­ne Rillenrohre die doppelte Ausdehnung und Schrumpfung oder Biegung als herkömmliche gewalzte Rillenrohre derselben Größe.

Bei der Berücksichtigung des Versatzes unter Verwendung von mechanischen Rillen­rohr­ver­bin­dungen müssen diese sich aus­reichend biegen können, um schädliche Biegemomente an den Verbindungen zu verhindern. Würden sich die Rohre aufgrund thermischer Änderungen ausdehnen, dann würde an den Enden weitere Rohrausdehnung auftreten.

Flexible Kupplungen sorgen nicht automatisch für die Aus­deh­nung oder Schrumpfung von Rohren. Der Designer muss immer die beste Konfiguration der Rohrendspalten berücksichtigen. In verankerten Systemen müssen die Spalte so eingestellt werden, dass Kombinationen aus Ausdehnung und Schrumpfung bewältigt werden. In frei gleitenden Systemen müssen Versätze ausreichender Länge zum Bewegungsausgleich ohne übermäßige Biegung der Verbindungen eingesetzt werden.

Ver­wendung flexibler Kup­plungen und Armatu­ren

Bei vertikalen gradlinigen Rohrstrecken können Dehnungsringe unter Verwendung einer U-förmigen Rohrkonfiguration auch in das Rohrleitungssystem integriert werden, um Ausdehnung und Schrumpfung auszugleichen. Sie können sowohl von geschweißter oder gerillter Konstruktion sein. Bei der Montage geschweißter Dehnungsringe sind acht Schweißverbindungen und Armaturen erforderlich.

Bei einem geschweißten Dehnungsring biegt oder beugt sich die Rohrleitung zum Ausgleich der Bewegung auf der geraden Strecke. Obwohl diese Methode funktioniert, sind die Kräfte zum Biegen und Beugen der Rohrleitung wesentlich größer als bei einem gerillten Ring, und die Kräfte erzeugen wesent­lich größere Belastungen, die größere Verankerungen und Füh­rungen zur Ausrichtung der Bewegung und zum Schutz der Bau­teile und Strukturen erforderlich machen.

Die flexible mechanische Verbindung kann in Dehnungsringen ohne Einführung von Belastungen auf die Rohre, Krümmungen oder Verbindungen eingesetzt werden. Es sollte außerdem be­ach­tet werden, dass Dehnungsringe unter Verwendung starrer Kupplungen keine Winkelbiegung ausgleichen können. Ein Deh­nungs­ring, der starre gerillte Kupferkupplungen verwendet, ist jedoch auf Einhaltung der Industrienormen ausgelegt.

Das Auslenkungspotential flexibler Kupplungen gestattet den Ausgleich thermischer Ausdehnung bzw. Schrumpfung innerhalb der Kupplungen an den Krümmungen bei Biegeeinflüssen durch thermische Kräfte. Es werden insgesamt acht flexible mechanische Rillenrohrkupplungen, vier gerillte rechtwinklige Endkrümmer und drei Rohrspulen zur Vervollständigung eines jeden Dehnungs­rings benötigt. Beim Absinken der Systemtemperaturen und Schrum­pfen der Rohrstrecke dehnt sich der Ring aus, und diese Bewegung wird durch das Auslenkungspotential der Kupplungen ausgeglichen. Beim Ansteigen der Systemtemperaturen ist die Wirkung umgekehrt, indem sich die Rohrstrecke ausdehnt und der Ring schrumpft, wobei die Kupplungen die Auslenkung in der umgekehrten Richtung ausgleichen (Bilder 6 bis 8). Die Verwendung flexibler Kupplungen in einem Dehnungsring reduziert die erforderliche Kraft für die Beugung des Rings, und der Ring selbst fällt wesentlich kleiner aus. Ein auf diese Weise gebauter Ring hat ca. 1/2 bis 1/3 der Größe eines geschweißten Rings derselben Kapazität. Die räumlichen Einschränkungen in heutigen Gebäuden machen das ebenfalls zu einer attraktiveren Option bei Rohrleitungen für Heizung, Lüftung und Klima, obwohl bei manchen Systemanwendungen geschweißte Dehnungsringe weiterhin benötigt werden.