Dehnungsübungen

Thermische Schwankungen können ein Rohrsystem belasten, da das Rohr sich beim Erhitzen ausdehnt und beim Kühlen schrumpft. Alle Materialien, einschließlich des Rohrs, unterliegen Änderungen ihrer Maße infolge sich verändernder Tempe­raturen und ihres Ausdehnungskoeffizienten. Das kommt häufig in Richtungsänderungen in den Rohren zum Ausdruck oder führt zum Durchhängen am Mittelpunkt längerer gerader Rohrstrecken, was das Rohrleitungssystem und die Baugruppen belastet.

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 -bögen nor­malerweise das größte Hindernis dar. Bei vertikalen Rohren kommen andere Einflüsse in Betracht, darunter dynamische, statische und Berechnungen hinsichtlich der Belastungen, die auf das Unterteil des Rohrs wirken.

Kohlenstoffstahlrohre unterliegen einer thermischen Ausdehnung bzw. Schrumpfung von 1,905 cm pro 38 °C Temperaturänderung pro 30,48 m¹⁾ Rohrlänge. Rohrleitungen, die Temperaturveränderungen unterliegen, werden Belastungen ausgesetzt, die zu schädlichen Reaktionen auf die Bauteile und Baugruppen führen können. Die während dieser thermisch bedingten Maßveränderung erzeugten Kräfte sind häufig beachtlich. Die Bewegung muss ausgeglichen und kontrolliert werden, um die Übertragung dieser Belastungen auf das ganze Rohrleitungssystem zu verhindern.

Unzulänglicher Dehnungsausgleich dieser Bewegung kann letztlich zum geschäftlichen Risiko für den Gebäudeeigentümer werden, bedingt durch erhöhte Bruch- und Leckagegefahr, erhöhte Belastung von Kesseln, Kühlaggregaten, Ventilen und sonstigen Baugruppen und Bauteilen sowie erhöhte Ausfallzeiten und Wartungs- und Instandhaltungskosten.

Beim Ausgleich thermischer Ausdehnung und Schrumpfung hält das Rillenrohrverbindungssystem die Industrienormen ein. Es bietet gleichzeitg Gestaltungsflexibilität, reduziert die Belastung des Rohrleitungssystems und bietet eine kompaktere, produktivere 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 nach folgendem Prinzip: Die Maße des Kupplungskeils sind geringer als die Rille im Rohr, sodass der Kupplungskeil in der Rohrrille Bewegungsspielraum hat. Die Breite des Kupplungsgehäuses gewährleistet immer eine sichere Überdeckung der Rohrenden. Damit ist Spielraum für die kontrollierte Linear- und Winkel­bewegung gegeben. Die mechanische Kupplung bleibt als Verbindung unter Eigenspannung er­halten. Die spezielle Konstruktion bietet selbst bei Biegung und Rohrbewegungen gute Dichtungseigenschaften.

Flexible mechanische Rillenrohrkupplungen sind eine hervorragende Alternative zu geschweißten U-Bogenausgleichern (Dehnungsringen), geschweißten Z-Bögen, Metall- und Gummi-Kompensatoren. Diese Kupplungen lassen sich einfacher und schneller installieren und gleichen Bewegungen innerhalb des Designpotenzials 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. Biegungspotenzials 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 m²⁾ 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 fünf Prozent oder mehr variieren und sollten berücksichtigt werden. Im Folgenden findet man ein Beispiel, das die Anwendung der Tabelle 1 demonstriert:

Gegeben: 73,15 m langes C-Stahlrohr

Maximale Betriebstemperatur = 104 °C

Minimale Betriebstemperatur = 4 °C

Temperatur zum Installationszeitpunkt = 26 °C

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. Positionierung des Kompensators zum In­stallationszeitpunkt:

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.

Zu (1): Ausgleich thermischer Bewegung unter 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 Verformung von Rohren auszugleichen.

Kompensatoren sind Vorrichtungen, die axial zusammengedrückt 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 Baugruppen 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 (Gleitlager), Führungen (zwangsgeführte Gleitlager) und Verankerungen (Festpunkte) 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 (4) Rohrdurchmessern neben einer Verankerung liegen (siehe Bild oben).

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.

Zu (2): Ausgleich thermischer Bewegungen unter 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, 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 hinbewegen. 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. Anderenfalls sind zusätzliche Festpunkte und Gleitlager zu setzen. Angrenzende Rohre müssen sich frei bewegen können (siehe Bild unten).

Zu (3): Flexible Rillenrohrkupplungen für lineare Bewegung und Biegung

Mechanische Rillenrohrkupplungen sind eine Alternative zu geschweißten (U-Dehnungsringen) Metall- und Gummi-Kompensatoren. 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 man sich darüber im Klaren ist, kann man 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 folgenden 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 findet man in den Leistungsdaten der einzelnen Victaulic Kupplungen. Bei der Planung und beim Einbau sollten diese Werte um den folgenden Faktor verringert werden, um Rohrrillen­toleranzen Rechnung zu tragen.

Die an flexiblen genuteten Rohrver­bindungen von Victaulic vorliegende winklige Durchbiegung dient der Vereinfachung und Beschleunigung der Installation. Maximale winklige Durchbiegung zwischen ­Mittellinien ist in den Leistungsdaten ­dargelegt.

Hinweis: Vollständig ausgelenkte Verbin­dungen können keine Linearbewegungmehr aufnehmen. Teilweise ausgelenkte Verbin­dungen ermöglichen anteilige 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 Abstützraumbedarfs berücksichtigt werden.

Wie oben veranschaulicht, wird deutlich, dass dieses System zusätzliche Aufhängungen (bzw. die Verwendung einer starren Zero-Flex® Kupplung) erforderlich macht, um das Durchhängen der Rohre zu verhindern. Die Position der Aufhängungen muss in Bezug auf die Winkel- und Drehbewegungen an den Verbindungen geplant werden.

Flexible Kupplungen gestatten die lineare Bewegung. Hierbei müssen natürlich auch Druckstöße in Abhängigkeit der jeweiligen Installationsbedingungen berücksichtigt werden, da sie maximale Rohrbewegungen und große Festpunktkräfte hervorrufen können. 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 geringe oder keine zusätzliche Belastungen innerhalb des Systems, im Vergleich zu einem verschweißten Dehnungsausgleicher.

Flexible Kupplungen können auch nur wegen ihres axialen Bewegungspotenzials 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 Planer die Änderung der Linearlänge des Rohrleitungssystems unter Berücksichtigung der Länge und Größe des Systems und der Höchst- und Mindestbetriebstemperaturen berechnen.

Wird uneingeschränkte lineare Bewegung benötigt, kann ein gerillter Kompensator verwendet werden, vollständig ausgelenkte Verbindungen können aber keine Linearbewegung mehr aufnehmen. Teilweise ausgelenkte Verbindungen ermöglichen eine anteilige 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 Planer muss immer die beste Konfiguration der Rohrendspalten berücksichtigen. In verankerten Systemen müssen die Spalten so eingestellt werden, dass Kombinationen aus Ausdehnung und Schrumpfung bewältigt werden. In frei gleitenden Systemen müssen Z-Bögen ausreichender Länge zum Bewegungsausgleich ohne übermäßige Biegung der Verbindungen eingesetzt werden.

Zu (4): Dehnungsringe unter Verwendung flexibler Kupplungen und Armaturen

Bei vertikalen gradlinigen Rohrstrecken können auch U-förmige Dehnungsringe in das Rohrleitungssystem integriert werden, um Ausdehnung und Schrumpfung auszugleichen. Sie können sowohl von geschweißter als auch von gerillter Konstruktion sein. Bei der Montage geschweißter Dehnungsringe sind acht Schweißverbindungen und Armaturen erforderlich. Bei einem geschweißten Dehnungsring biegt sich die Rohrleitung zum Ausgleich der Bewegung auf der geraden Strecke. Obwohl diese Methode funktioniert, sind die Kräfte zum Biegen der Rohrleitung wesentlich größer als bei einem gerillten Ring. 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 Eintrag von Belastungen auf die Rohre, Krümmungen oder Verbindungen eingesetzt werden. Es sollte aber 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 Auslenkungspotenzial 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. Diese Bewegung wird durch das Auslenkungspotenzial 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 (siehe Bilder A bis C).

Die Verwendung flexibler Kupplungen in einem Dehnungsring reduziert die erforderliche Kraft für die Biegung des Rings, der Ring selbst fällt wesentlich kleiner aus. Er hat ca. 1/2 bis 1/3 der Größe eines geschweißten Rings derselben Kapazität.

Die räumlichen Einschränkungen in heutigen Gebäuden machen diese Verfahren zu einer attraktiven Option bei Rohrleitungen für Heizung, Lüftung und Klima, obwohl bei manchen Systemanwendungen geschweißte Dehnungsringe weiterhin benötigt werden.

Die beste Wahl treffen

Gerillte mechanische Systeme bieten vier verschiedene Methoden, um eine flexible, kontrollierte Bewegung eines Rohrleitungssystems zu erreichen. Die Wahl der Kompensatoren, frei gleitenden Systeme, flexiblen Kupplungen oder Dehnungsringe hängt vom Typ des Verbindungssystems und dem Ausmaß der zu erwartenden Bewegung ab.

Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass der Einsatz von mechanischen Rillenrohrverbindungen eine wirksame Methode des Ausgleichs übermäßiger Belastungen in einem Rohrleitungs­system darstellt. Sie verhindert Bruch- und Leckagefälle aufgrund thermischer Ausdehnung, reduziert den Wartungsbedarf für Einbauten und vereinfacht den Inbetrieb­nahmevorgang. -

1) Berechnet nach angloamerikanischem Maßsystem; ­entspricht 0,016 mm/m*K nach Internationalem Ein­heitensystem (SI)

2) 100 Fuß (ft)

Gegründet im Jahr 1925 ist Victaulic der führende Hersteller mechanischer Rohr-verbindungs­systeme der Welt. Mit seiner Zen­trale in Easton, Pa., verfügt Victaulic über Herstellungs- und Vertriebseinrichtungen in aller Welt und beschäftigt über 3 500 Mitarbeiter. Das Unternehmen entwickelt Produkte für ein vollständiges Sortiment an industriellen und kommerziellen sowie institutionelle Rohr­systemanwendungen. https://www.victaulic.com/

stellvertretender Vorstandsvorsitzenderund technischer Direktor der Victaulic Company, Inc.