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Axialkompensatoren

Axialkompensatoren sind konstruiert zur Aufnahme axialer Dehnungen und Kompression in der Richtung der Rohrachse. Die Länge des Kompensators in neutraler Lage nennt sich die freie Länge. Die längste Lebensdauer des Kompensators wird erreicht durch Ausnutzung der axialen Verschiebung in beiden Richtungen wie Verlängerung und Schrumpfung. Wenn die Verschiebung nur in einer Richtung erfolgt wird die Installation eines vorgespannten Kompensators empfohlen. Die Lebensdauer des Kompensators ist abhängig von der richtigen Installation.

Verwendung von Axialkompensatoren

  • Rohrleitungen für Zentralheizung
  • Rohrleitungen für heißes Wasser und Dampf
  • Petrochemie-Anlagen und Raffinerie
  • Elektrotechnik (Volumenverschiebung)
 
  • Wärmeaustauscher
  • Schiffbau und Abgassysteme
  • Vakuumtechnologie
  • Als Dichtung in Ventilen

Materialien

Für Standardanwendungen austenitischer Edelstahl DIN EN 1.4541 deckt ein breites Spektrum von Anforderungen in meisten Fällen.
Material DIN EN 1.4571 ist für Dampf- oder Rohölrohrleitungen, Dieselmotor Abgasanlagen und im Schiffbaubereich geeignet.
Hitzebeständige Materialien AISl 309 und Incoloy 800 sind geeignet für hohe Temperaturen bis 900 °C.
Für chemisch aggressive Medien werden Ihnen unsere Ingenieure Nickelbasislegierungen, wie Hastelloy C4, Inconel 600. Inconel 625 Monel 400 und Incoloy 825 empfehlen.

Planung/ Konstruktionsverfahren der Dehnungsausgleichssysteme mit Axialkompensatoren

Bei der Planung von Dehnungsausgleichsystemen, bei denen Axialkompensatoren verwendet werden, ist es erforderlich auf folgende Punkte zu beachten:

  1. Systemplanung und Installation von Axialkompensatoren
  2. Planung von Festpunkten und Rohrführungen
  3. Berechnung der Wärmerohrdehnung
  4. Kaltvorspannung der Axialkompensatoren
  5. Berechnung der Kraft an Festpunkten

1Systemplanung und Installation
von Axialkompensatoren

Zweck der Installation von elastischen Axialkompensatoren ist die Aufnahme von Wärmedehnung der Rohrleitung. In der Regel ist die Temperatur der durch die Rohrleitung strömenden Medien die Ursache für veränderte Maßen, aber in Extremfällen kann auch die Temperatur der Umgebung eine Rolle spielen.

Axialkompensator am Festpunkt in der geraden Rohrleitung

 
Axialkompensator in der Mitte der geraden Rohrleitung

Axialkompensator in der Mitte der geraden Rohrleitung

Axialkompensator im geraden Segment der „Z“ Rohrleitung

Axialkompensator im geraden Segment der „Z“ Rohrleitung

 
Axialkompensator in einer T-Rohrleitung

Axialkompensator in einer T-Rohrleitung

2Planen der Festpunkte
und Rohrführungen

Zweck der Festpunkte ist die Aufteilung der Rohrleitung in einzelne Dehnungseinheiten. Weiterhin sollten die Festpunkte die Verschiebungen zwischen den Festpunkten unter Kontrolle haben und abgrenzen.
Die Festpunkte müssen so ausgelegt sein, dass alle auf sie wirkenden Kräfte übernommen werden können.
Die Rohrführungen sollen die passende Verschiebung des Kompensators sicherstellen und die Rohrleitung so vor Knicken schützen.
Die Flexibilität des Kompensators in Verbindung mit Kräften, die durch den Innendruck entstanden sind, kann ebenso zur Verbiegung der Rohrleitung führen.
Allgemein wird empfohlen den Axialkompensator in der Nähe vom Festpunkt aufzustellen. Die erste Rohrführung sollte vier Rohrdurchmesser vom Kompensator entfernt sein. Die Entfernung zwischen der ersten und der zweiten Führung sollte 14 Rohrdurchmesser sein. Maximale Entfernung zwischen anderen Rohrführungen ist aus unten angegebenem Diagramm zu entnehmen.

Richtig aufgestellter Kompensator, Festpunkte und Rohrführungen

Richtig aufgestellter Kompensator, Festpunkte und Rohrführungen

 
Einfluss der Rohrführung auf die Stabilität

Einfluss der Rohrführung auf die Stabilität

Maximale Entfernung zwischen den Rohrführungen

3Kalkulation der
Wärmedehnung der Rohrleitung

Ein Temperaturanstieg der Rohrleitung durch Anstieg der Umgebungstemperatur führt zu Wärmedehnung mit Veränderung der Rohrleitungslänge.

 

∆L=L•∆t•α [mm]

ΔL – Rohrdehnung [mm]
L – Rohrlänge [m]
Δt – Temperaturdifferenz zwischen der Umgebung und Betriebstemperatur [°C]
α – Dehnungskoeffizient [mm/m°C x 10-3]

Dehnungskoeffizient / Mean thermal expansion coefficient α [mm/m°C x 10-3]
Gemäß / In acc. to: EN 14917:2009

Materialien Temperaturbereiche von 20° bis 500° C
100 °C 200 °C 300 °C 400 °C 500 °C
C-Stahl 12,5 13,0 13,6 14,1 14,5
Austenitischer Stahl 16,0 16,5 17,0 17,5 18,0
Kupfer 15,5 16,0 16,5 17,0 17,5
Aluminiumlegierung 23,7 24,5 25,3 26,3 27,2

Beispiel

L = 50 m L=50 m lange Rohrleitung aus C-Stahl für 90 Grad Warmwasserförderung.

Temperatur der Installation ist 20 Grad C.

α für 20 – 100 Grad Bereich = 12,5 x 10-3 mm/m Grad

 

ΔL = L • Δt • α
ΔL = 50 • 70 • 12,5 x 10-3 = 43,75 mm

4Kaltvorspannung der
Axialkompensatoren

Eine axiale Verschiebung der Axialkompensatoren wird allgemein als Schrumpfung und Dehnung um je eine Hälfte der Bewegung ausgedrückt. Die längste Lebensdauer wird durch Ausnutzung der axialen Bewegung in beide Richtungen erreicht. Um eine maximale Kapazität nutzen zu können wird der Kompensator mit Kaltvorspannung montiert.

Kaltvorspannung:

 

Hp=

 

      

ƥ(tinst Рtmin)

 

[mm]

2

tmax – tmin

Einbaulänge:

L=L0+Hp [mm]

 

 

Δ – gesamtverlängerung der Rohr [mm]
L0 – freie Länge des Kompensators [mm]
L – installierte Länge des Kompensators [mm]
tmax – maximale Betriebstemperatur [°C]
tmin – minimale Betriebstemperatur [°C]
tinst – Installationstemperatur [°C]

Axialkompensator muss in Gegenrichtung der Rohrleitungsverlängerung kaltvorgespannt sein und im kalten Zustand installiert werden. Die Größe der Kaltvorspannung hängt von der Temperatur der Installation ab.

Größe der Kaltvorspannung

Größe der Kaltvorspannung

 
Beispiel für Kaltvorspannung

Beispiel für Kaltvorspannung

5Berechnung der Kräfte
an Festpunkten

1. Schubkraft

Die Schubkraft ist die axiale Druckkraft (siehe Bild). Die Schubkraft wird nach folgender Gleichung berechnet:

Ft=p•A [N]

 

A=

 

d2m •π

 

[mm2]

4

 

 

p  –   Druck [N/mm2]
A  –  Effektive Fläche des Kompensators (gegeben in der dimensionaler Tabelle)

 

Bei Berechnung der Schubkraft sollte die Druckkraft mit maximalem zu berechenbarem Druck in System angesetzt werden. Deswegen sollte man den Prüfdruck in Betracht ziehen.

Schubkraft

Schubkraft

 
Festpunkte fehlen

Festpunkte fehlen

2. Federkraft

Die Federkraft ist die Kraft erforderlich um den Axialkompensator zu dehnen oder zu schrumpfen.

Fs=kaks•∆aks

 

 

kaks  –   Axiale Dehnungskonstante (gegeben in Aufmasstabelle)
Δaks  –  Axiale Verschiebung