Angularkompensatoren

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1 Angularkompensatoren

2 Inhaltsverzeichnis Allgemein Angularkompensatoren 1 Festpunkte, Führungslager, Leitrohre Gelenksystemanordnungen 3 Berechnungen 5 Programmübersicht 19 Sicherheitshinweise Montagehinweise Rohrführung, Rohrlagerung 1 Festpunkte Gelenksystemanordnung Betriebsdruck Vorspannung 4 Vorspanndiagramm 5 Kontrolle Isolierung Unzulässige Betriebsweisen Anfahren Wartung 6 Kompensatoren-Datenblatt 7

3 Allgemein Angularkompensatoren eignen sich sowohl für die Kompensation langer Rohrleitungsstrecken in Fernleitungen als auch bei kurzschenkligen Kessel- und Maschinenhausleitungen für ebene und räumliche Rohrleitungssysteme. Bei beengten Einbauverhältnissen sollte auch die Verwendung eines Lateralkompensators oder eckentlasteten Kompensators geprüft werden. Angularkompensatoren und Angular- Kardankompensatoren stellen im Gegensatz zu Axial- und Lateralkompensatoren, die selbständige Kompensationseinheiten sind, ein Bauelement dar. Mindestens zwei und höchstens drei Angularkompensatoren bilden ein statisch bestimmtes Gelenksystem. Ihre Wirkungsweise beruht auf einer Winkelbewegung der Stahlbälge, die in den technischen Datenblättern als zulässiger Winkelausschlag angegeben ist. Angularkompensatoren werden im Allgemeinen mit einer Vorspannung von 50 % eingebaut. Die Einbringung der Vorspannung erfolgt zweckmäßigerweise am fertiggestellten Gelenksystem. Die Vorspannung kann unter Berücksichtigung der Einbautemperatur aus dem Vorspannungsdiagramm im Abschnitt Montagehinweise entnommen werden. Angularkompensatoren Je größer der Abstand der Angularkompensatoren (Abb. 1) gewählt werden kann, desto größere Dehnungen können von dem System aufgenommen werden bzw. um so geringer werden die Verstellkräfte. Die durch den Innendruck entstehenden axialen Reaktionskräfte werden durch Gelenkanker übertragen. Der Drehpunkt der Gelenke liegt mit dem Mittelpunkt des Balges in einer Achse (Abb. 1). Angular-Kardankompensatoren haben zur Aufnahme der Reaktionskräfte ein Kardangelenk in Rundring- oder viereckiger Ausführung, wodurch räumliche Winkelbewegungen um die Achsen x und z (Abb. ) ermöglicht werden. α α α α α Z X Y Δ / Δ / Abb. Δ Abb. 1 1

4 Allgemein Festpunkte, Führungslager Angularkompensatoren stellen im Gegensatz zu Axialkompensatoren keine besonderen Ansprüche an die Führungslager. Auch Pendelhänger können ausreichend sein. Bei kurzschenkligen Maschinenhausleitungen erübrigen sich zusätzliche Unterstützungen. Das Gewicht der Rohrschenkel zwischen den Angularkompensatoren ist durch geeignete Aufhängungen oder Abstützungen so abzufangen, dass die Bewegung der Angularkompensatoren nicht behindert wird. Bei langen Rohrleitungen sind vor und hinter jedem Gelenksystem geeignete Führungslager vorzusehen. Mit zu geringem Spiel dimensionierte Führungslager können in Zwei-Gelenk-Systemen zu Verklemmungen führen, die sich möglicherweise stoßartig lösen und zu erheblichen Zusatzbelastungen führen können. Angularkompensatoren in einem Zwei- Gelenk-Z-Bogensystem beschreiben infolge der seitlichen Auswinkelung einen Kreisbogen (Abb.3). Die Führungslager sollen folgenden Forderungen entsprechen: 1. Das Gewicht von Rohrleitungen und Kompensator aufnehmen.. Die sich dehnende Rohrleitung in der Stabachse führen. 3. Ausreichend Spiel s aufweisen, damit die nichtkompensierten Verschiebungen, die sowohl aus der Wärmedehnung ΔL des Rohrleitungsversatzes L als auch aus der Bogenhöhe h resultieren, ohne wesentliche Zwängungen durch die weiterführenden Rohrleitungen aufgenommen werden können. S h + ΔL h L+ΔL+h s Abb. 3 Leitrohre Sind im Medium hochfrequente Schwingungen oder Turbulenzen bzw. hohe Strömungsgeschwindigkeiten zu erwarten, empfehlen wir den Einbau von Kompensatoren mit Leitrohr. Dem beigefügten Diagramm Richtlinien für Leitrohreinsatz sind die Grenzkurvenverläufe für Dampf und Gas bzw. für Flüssigkeiten zu entnehmen, oberhalb derer der Einsatz von Leitrohren unbedingt empfohlen wird. Der Einsatz von Leitrohren dient dem Schutz des Balges und reduziert seine strömungsinduzierte Schwingungsanregung sowie Ablagerungen und Verschleiß. Strömungsgeschwindigkeit v [m/s] Dampf / Gas Flüssigkeit Nennweite DN

5 Allgemein Bei der Einplanung von Angularkompensatoren als Gelenksysteme sind folgende Anordungen am gebräuchlichsten: Gelenksystemanordnungen Zwei-Gelenk-Z- Bogensystem für Leitungsstrecken beliebiger Länge unter Ausnutzung gegebener Trassen. Drei-Gelenk-L-Bogensystem, geeignet zur Kompensation von Verbindungsleitungen z. B. zwischen Behältern. Zwei-Kardan-Gelenk-Bogensystem, Dehnungsaufnahme seitlich in Kreisebene in kurzschenkligen Leitungen. Drei-Gelenk-U-Bogensystem, vorzugsweise zur Kompensation langer Fernleitungsstrecken. 3

6 Allgemein Gelenksystemanordnungen Drei-Gelenk-W-Bogensystem, Kompensation größter und kleinster Rohrleitungsstrecken bei gleichzeitiger Dehnungsaufnahme aus zwei Richtungen. Drei-Gelenk-Z-Bogensystem, Ausnutzung ausgedehnter Trassen und gleichzeitige Kompensation des Trassenschenkels. Drei-Kardangelenk-W- Bogensystem zur Kompensation von räumlich verlegten Kessel- und Maschinenhausleitungen. Dehnungsaufnahme in 3 Ebenen. 4

7 Berechnungen Am Beispiel eines Drei-Gelenk-W-Bogensystems soll die prinzipielle Vorgehensweise für die Auslegung eines Drei-Gelenksystem erläutert werden. Je nach Verlauf der Rohrleitung muss zunächst eine für die Kompensation der auftretenden Dehnungen geeignete Gelenksystemanordnung festgelegt werden, die an beiden Enden durch Festpunkte begrenzt sein muss. Bei unserem Beispiel liegt ein L-förmiger Rohrleitungsverlauf vor, bei dem die auftretenden Dehnungen Δ 1 und Δ der Rohrleitungsabschnitte L 01 und L 0 zweckmäßig durch drei Angularkompensatoren in W- Anordnung kompensiert werden. L 0 sen, sofern die Betriebsbedingungen die Nennbedingungen überschreiten. e 3 ± zul = ± K Δ(t B) K L Um möglichst kleine Biegewinkel der Kompensatoren zu erhalten, sollten die Gelenkabstände und L 3 so groß wie möglich und sinnvoll, der Abstand L so klein wie möglich gewählt werden. e 1 Strecklage Δ Gelenksysteme Allgemein L 3 L B B 1 Δ Δ 1 Einbauzustand (50 % vorgespannt) L 0 1 B 3 Δ 1 Neutralstellung (ohne Vorspannung) Zunächst sind die Bewegungswerte Δ 1 und Δ unter Berücksichtigung der maximal auftretenden Temperaturdifferenz der Rohrleitung zu ermitteln (siehe Rohrleitungskompensatoren Abschnitt Grundlagen). Für die Berechnung stehen zwei Möglichkeiten zur Auswahl: 1. Die Geometrie des Gelenksystems (, L und L 3) wird vollständig festgelegt, und die effektiven Winkelausschläge der Angularkompensatoren werden nach den angegebenen Formeln berechnet. Anschließend wählt man aus den technischen Datenblättern für die Betriebsbedingungen geeignete Angularkompensatoren aus, deren zulässige Winkelbewegungen größer oder gleich den effektiven Winkelbewegungen sind. Die Berechnungsformeln für die Biegewinkel der Drei-Gelenksysteme stellen Näherungen dar, die für die Praxis ausreichend genau sind. Bei sehr flachen Systemen, bei denen sich das mittlere Gelenk in der Vorspannstellung der Strecklage nähert (siehe Abbildung Einbauzustand), ist eine genauere Winkelberechnung erforderlich. In diesen Fällen bitten wir im Ihre Anfrage. Um die zulässigen Winkelbewegungen ± zul der Angularkompensatoren optimal auszunutzen, ist eine 50 %ige Vorspannung des Gelenksystems erforderlich (siehe Abb.). Ist eine Vorspannung nicht möglich, so verdoppeln sich die einseitigen Winkelbewegungen der Gelenke, wodurch in der Regel ein Kompensator mit größerer Nennwinkelbewegung notwendig wird. Die Überprüfung der Festpunkt- bzw. Stutzenbelastungen lässt sich mit den angegebenen Berechnungsformeln für die Verstellkräfte F und Biegemomente M durchführen. e 1 Δ ± e ± zul e 3. Nach Auswahl geeigneter Angularkompensatoren werden die erforderlichen Gelenkabstände oder L 3 berechnet. Hierbei ist zu beachten, dass die nominalen Winkelausschläge ± der Datenblätter in zulässige Winkelausschläge ± zul, entsprechend dem Kapitel Grundlagen/Nennbedingungen, umgerechnet werden müs- Δ 1 Betriebsstellung 5

8 Berechnungen Zwei-Gelenk-Z- Bogensystem Z F X a.dn + Δ My1 B z y x h b B,5. L1 Vorspannlücke Δ My L0 Δ -F X Zwei-Gelenk-S- Bogensystem S.DN + Δ B z y F X x h,5. L1 Vorspannlücke Δ B L0 Δ -F X = Festpunkt = Führungslager Systemberechnung Erforderlicher Gelenkabstand Bei zulässigem Winkel [ zul] und 50 % Vorspannung ergibt sich folgender Mindestgelenkabstand : = Δ [mm] sin zul Resultierende Bogenhöhe Bei maximalem effektivem Winkelausschlag ( e) verkürzt sich durch die Kreisbewegung der vertikale Abstand der Kompensatoren um das Maß h: Effektiver Winkelausschlag Wird der Gelenkabstand vorgegeben, so berechnet sich der effektive Winkelausschlag der Angularkompensatoren (B) bei 50 % Vorspannung wie folgt: e = ± arcsin ( Δ L ) [Grad] 1 Bei 100 % und 0 % Vorspannung winkeln die Angularkompensatoren um den doppelten Betrag in eine Richtung. Der effektive Winkelausschlag [ e] ist für diesen Fall mit dem Faktor zu multiplizieren. h = (1 cos e) [mm] Die Bogenhöhe und die Wärmedehnung des Schenkels müssen durch Lagerspiel bzw. den Schenkel (,5 ) kompensiert werden. 6

9 Berechnungen Biegemomente der Angularkompensatoren Zur Ermittlung der Biegemomente und Kräfte muss der effektive Winkelausschlag betragsmäßig (d. h. ohne Vorzeichen) in die Rechnung eingesetzt werden. M B = C r p + C e + C z p e Kräfte an den Anschlussstellen Biegemomente an den Anschlussstellen M y1 = M B + F x a M y = M B + F x b Bei 50 % Vorspannung treten die Biegemomente und Kräfte in der Vorspann- bzw. Betriebsstellung mit unterschiedlichen Vorzeichen auf. Festpunkt- Anschlussbelastung F x = 000 MB [N] a, b Mittenabstand vom Balg bis zur Anschlussstelle [mm] C C r C z F x h Biegefederkonstante [Nm/Grd] Bolzenreibungskonstante [Nm/bar] Zusatzmoment aus Winkel und Druck [Nm/(bar Grd)] Verstellkraft in x-richtung [N] Bogenhöhe [mm] Mittenabstand der Bälge [mm] M y 1, Moment an der Anschlussstelle M B p e zul Δ Verstellmoment des Kompensators Betriebsüberdruck [bar] Effektiver Biegewinkel pro Balg [Grd] Zulässiger Biegewinkel pro Balg [Grd] Bewegung der Rohrleitung [mm] 7

10 LO1 Berechnungen Zwei-Kardangelenk- Bogensystem K M x1 M y1 a ḊN + Δ1 B Vorspannlücke Δ1 b B Δ1 -FX LO Δ Vorspannlücke,5.L1 M x M y z y -F y F y FX Δ x = Festpunkt = Führungslager Systemberechnung Resultierende Dehnung Δ = Δ 1 + Δ [mm] Effektiver Winkelausschlag Wird der Gelenkabstand vorgegeben, so berechnet sich der effektive Winkelausschlag der Angularkompensatoren (B) bei 50 % Vorspannung wie folgt: Erforderlicher Gelenkabstand Bei zulässigem Winkel [ zul] und 50 % Vorspannung ergibt sich folgender Mindestgelenkabstand : = Δ [mm] sin zul Resultierende Bogenhöhe Bei maximalem effektivem Winkelausschlag ( e) verkürzt sich durch die Kreisbewegung der vertikale Abstand der Kompensatoren um das Maß h: h = (1-cos e) [mm] e = ± arcsin ( Δ L ) [Grad] 1 ey = ± arcsin ( Δ 1 L ) [Grad] 1 ex = ± arcsin ( Δ ) [Grad] Bei 100 % und 0 % Vorspannung winkeln die Angularkompensatoren um den doppelten Betrag in eine Richtung. Die effektiven Winkelausschläge [ e, ex, ey] sind für diesen Fall mit dem Faktor zu multiplizieren. Die Bogenhöhe und die Wärmedehnung des Schenkels müssen durch Lagerspiel bzw. durch den Schenkel (,5 ) kompensiert werden. 8

11 Berechnungen Biegemomente der Angularkompensatoren Zur Ermittlung der Biegemomente und Kräfte muss der effektive Winkelausschlag betragsmäßig (d. h. ohne Vorzeichen) in die Rechnung eingesetzt werden. M By = C r p + C ey + C z p ey M Bx = C r p + C ex + C z p ex Kräfte an den Anschlussstellen F x = 000 MBy [N] Biegemomente an den Anschlussstellen M y1 = M By + F x a M y = M By + F x b M x1 = M Bx + F y a M x = M Bx + F y b Bei 50 % Vorspannung treten die Biegemomente und Kräfte in der Vorspann- bzw. Betriebsstellung mit unterschiedlichen Vorzeichen auf. Festpunkt- Anschlussbelastung F y = 000 MBx [N] a, b Mittenabstand vom Balg bis zur Anschlussstelle [mm] C C r C z F x, y h Biegefederkonstante [Nm/Grd] Bolzenreibungskonstante [Nm/bar] Zusatzmoment aus Winkel und Druck [Nm/(bar Grd)] Verstellkraft in x- bzw. y-richtung [N] Bogenhöhe [mm] Mittenabstand der Bälge [mm] M x,y1, Moment an der Anschlussstelle M Bx, y p ey, x zul Δ 1, Verstellmoment des Kompensators Betriebsüberdruck [bar] Effektiver Biegewinkel pro Balg [Grd] Zulässiger Biegewinkel pro Balg [Grd] Bewegung der Rohrleitung [mm] 9

12 Berechnungen Drei-Gelenk-U- Bogensystem 3U L B 1 z y x.dn + Δ B B Vorspannlücke Δ +F X M y L 0 M y -F X Δ = Festpunkt = Führungslager Systemberechnung Erforderliche Gelenkabstände Bei gleichem zulässigem Winkel [ zul] aller drei Kompensatoren und 50 % Vorspannung ergibt sich folgender Mindestgelenkabstand : = Δ [mm] sin zul. Effektiver Winkelausschlag Wird der Gelenkabstand vorgegeben, so berechnet sich der effektive Winkelausschlag der Angularkompensatoren (B 1, B ) bei 50 % Vorspannung wie folgt: e1 = ± arcsin ( Δ L ) [Grad] 1 L ist so klein wie möglich zu wählen. Biegemomente der Angularkompensatoren Zur Ermittlung der Biegemomente und Kräfte müssen die effektiven Winkelausschläge betragsmäßig (d. h. ohne Vorzeichen) in die Rechnung eingesetzt werden. e = ± e1 [Grad] Bei 100 % und 0 % Vorspannung winkeln die Angularkompensatoren um den doppelten Betrag in eine Richtung. Der effektive Winkelausschlag [ e] ist für diesen Fall mit dem Faktor zu multiplizieren. Kräfte an den Anschlussstellen F x = (MB1+MB) [N] Biegemomente an den Anschlussstellen M B1 = C r p + C e1 + C z p e1 M B = C r p + C e + C z p e M y = M B Bei 50 % Vorspannung treten die Biegemomente und Kräfte in der Vorspann- bzw. Betriebsstellung mit unterschiedlichen Vorzeichen auf. 10 C C r C z F x M y Biegefederkonstante [Nm/Grd] Bolzenreibungskonstante [Nm/bar] Zusatzmoment aus Winkel und Druck [Nm/(bar Grd)] Verstellkraft in x-richtung [N] Mittenabstand der Bälge [mm] Moment an der Anschlussstelle M B1, Verstellmoment des Kompensators p e1, zul Δ Betriebsüberdruck [bar] Effektiver Biegewinkel pro Balg [Grd] Zulässiger Biegewinkel pro Balg [Grd] Bewegung der Rohrleitung [mm]

13 Berechnungen.DN + Δ L 0 Δ Drei-Gelenk-W- Bogensystem 3W L B 1 B z y Δ Vorspannlücke L 3 B 3 x L 0 1.DN + Δ1 Δ1 Δ1 Vorspannlücke = Festpunkt = Führungslager Erforderliche Gelenkabstände Bei gleichem zulässigem Winkel [ zul] aller drei Kompensatoren und 50 % Vorspannung ergeben sich folgende Mindestgelenkabstände bzw. L 3: = Δ 1 (L +L 3) [mm] sin zul L 3 - Δ L und L 3 vorgewählt L 3 = Δ1 L + Δ L1 [mm] sin zul - Δ 1 und L vorgewählt Ergibt sich für (bzw. L 3) ein negativer oder ein zu großer Wert, muss die Strecke L 3 (bzw. ) entsprechend vergrößert oder der maximal zulässige Winkel überprüft werden. Effektive Winkelausschläge Werden die Gelenkabstände und L 3 vorgegeben, so berechnen sich die effektiven Winkelausschläge der Angularkompensatoren (B 1, B, B 3) bei 50 % Vorspannung wie folgt: Δ 1 e1 = ± arcsin( ) [Grad] e = ± ( e1 + e3) [Grad] e3 = ± arcsin ( Δ 1 L +Δ ) [Grad] L 3 Bei 100 % und 0 % Vorspannung winkeln die Angularkompensatoren um den doppelten Betrag in eine Richtung. Die effektiven Winkelausschläge ( e1,,3) sind für diese Fälle mit dem Faktor zu multiplizieren. Systemberechnung Generell gilt: und L 3 sind so groß wie möglich, L so klein wie möglich zu wählen.,3 Mittenabstand der Bälge [mm] e1,,3 Effektiver Biegewinkel pro Balg [Grd] zul Δ 1, Zulässiger Biegewinkel pro Balg [Grd] Bewegung der Rohrleitung [mm] 11

14 Berechnungen Drei-Gelenk-W- Bogensystem 3W -F Z -M y 1 Vorzeichen und Richtungen gelten für den Betriebszustand warm +F X a M B 1 +z +y +x B 1 c M o M B M B 3 +M y L B L 3 B 3 b -F X d +F Z Festpunkt- Anschlussbelastung 1 Bei kurzschenkligen Gelenksystemen, die direkt an Behälter oder Maschinenstutzen angeschlossen sind, wie sie z. B. in Kesselund Maschinenhausleitungen verwendet werden, sind die Biegemomente und Kräfte an den Anschlussstellen von Bedeutung. Die Kräfte und Biegemomente ergeben sich aus den Verstellmomenten der Angularkompensatoren und den Schenkellängen. Zunächst wird zum Leitungsverlauf das Koordinatensystem festgelegt, um die Vorzeichen der Kräfte und Biegemomente zu bestimmen. Biegemomente der Angularkompensatoren Zur Ermittlung der Biegemomente und Kräfte müssen die effektiven Winkelausschläge betragsmäßig (d. h. ohne Vorzeichen) in die Rechnung eingesetzt werden. M B1 = C r p + C e1 + C z p e1 M B = C r p + C e + C z p e M B3 = C r p + C e3 + C z p e3 a, b Mittenabstand vom Balg bis zur Anschlussstelle [mm] C Biegefederkonstante [Nm/Grd] C r Bolzenreibungskonstante [Nm/bar] C z Zusatzmoment aus Winkel und Druck [Nm/(bar Grd)] F x,z Verstellkraft in x- bzw. z-richtung [N],3 M y1, Mittenabstand der Bälge [mm] Moment an der Anschlussstelle Entsprechend der Dehnungsrichtung (Vorspannung oder Betriebszustand) sind die Gegenkräfte an den Anschlussstellen einzutragen. Die Leitung kann gedanklich an den Einbaustellen der Angularkompensatoren und am Rohrbogen zwischen B 1 und B geschnitten werden. An den Schnittstellen sind die Kräfte und Momente so einzutragen, dass für jede Teilstrecke der Gleichgewichtszustand besteht. Kräfte an den Anschlussstellen F z = (MB+MB3) [N] L 3 M 0 =M B+F z [N] Biegemomente an den Anschlussstellen M B1,,3 L F x = (MB1+M0) [N] M y1 = - M B1 - F x a M y = M B3 +F z b Bei 50 % Vorspannung treten die Biegemomente und Kräfte in der Vorspannbzw. Betriebsstellung mit unterschiedlichen Vorzeichen auf. Verstellmoment des Kompensators p Betriebsüberdruck [bar] e1,,3 Effektiver Biegewinkel pro Balg [Grd]

15 Berechnungen L Drei-Kardangelenk-W- Bogensystem 3KW L 3 B a b Δ 1 B 1 Δ B 3 -F y -FX C z -M y 1 -F Z M z 1 -M x 1 y Δ3 x M y F y F Z -M z FX -M x B1 B { = 1 Angularkompensator (Winkelausschlag in einer Ebene =je 1 Angular-Kardankomensator (Winkelausschlag in Kreisebene) und L 3 so groß wie möglich wählen L so klein wie möglich wählen Die Ausdehnung des Maschinenstutzens bzw. des Anschlussstutzens ist den Dehnungen der Rohrschenkel hinzuzuzählen oder abzuziehen, je nachdem, ob diese zu den Dehnungen der Rohrschenkel Δ 1, Δ oder Δ 3 gleich gerichtet oder entgegengesetzt auftreten. Systemberechnung Effektive Winkelausschläge Werden die Gelenkabstände und L 3 vorgegeben, so berechnen sich die effektiven Winkelausschläge der Angularkompensatoren (B 1, B, B 3) bei 50 % Vorspannung wie folgt: ex = e3x = ± arcsin ( Δ3 ) [Grad] L 3 e = ± ( ex + ey ) [Grad] Δ 1 e1 = ± arcsin( ) [Grad] ey = ± ( e1 + e3y) [Grad] e3y = ± arcsin ( Δ 1 L +Δ ) [Grad] L 3 e3 = ± ( e3x + e3y ) [Grad] Bei 100 % und 0 % Vorspannung winkeln die Angularkompensatoren um den doppelten Betrag in eine Richtung. Die effektiven Winkelausschläge [ e1,,3,x,y] sind für diese Fälle mit dem Faktor zu multiplizieren. 13

16 Berechnungen Festpunkt- Anschlussbelastung Biegemomente der Angularkompensatoren Zur Ermittlung der Biegemomente und Kräfte müssen die effektiven Winkelausschläge betragsmäßig (d. h. ohne Vorzeichen) in die Rechnung eingesetzt werden. M B1y = C r p + C e1 + C z p e1 Biegemomente an den Anschlussstellen M y1 = - M B1y - F z a M y = M B3y + F x b M By = C r p + C ey + C z p ey M x1 = - M Bx - F y L M B3y = C r p + C e3y + C z p e3y M x = - M B3x - F y b + Fz c M Bx = C r p + C ex + C z p ex M z1 = F y L1 + a M B3x = C r p + C e3x + C z p e3x c M z = - F x Bei 50 % Vorspannung treten die Biegemomente und Kräfte in der Vorspann- bzw. Betriebsstellung mit unterschiedlichen Vorzeichen auf. Kräfte an den Anschlussstellen F x = (MBy+MB3y) [N] L 3 F y = (MBx+MB3x) [N] L 3 L M 0 = M By+F x [N] F z = (MB1y+M0) [N] a,b C C r C z F x,y,z,3 Mittenabstand vom Balg bis zur Anschlussstelle [mm] Biegefederkonstante [Nm/Grd] Bolzenreibungskonstante [Nm/bar] Zusatzmoment aus Winkel und Druck [Nm/(bar Grd)] Verstellkraft in x-, y- bzw. z-richtung [N] Mittenabstand der Bälge [mm] M x,y,z,1, Moment an der Anschlussstelle M Bx,y1,,3 Verstellmoment des Kompensators p Betriebsüberdruck [bar] ex,y;1,,3 Effektiver Biegewinkel pro Balg [Grd] zul Zulässiger Biegewinkel pro Balg [Grd] Δ 1,,3 Bewegung der Rohrleitung [mm] 14

17 Berechnungen F X.DN + Δ1 a L -F Z z y Drei-Gelenk-Z- Bogensystem 3Z B 1 x M y 1 Δ L 3.DN + Δ1 b -F X Vorspannlücke Δ 1 L B B 3 M y F Z Δ1 L0 = Festpunkt = Führungslager Erforderliche Gelenkabstände Bei gleichem zulässigem Winkel [ zul] aller drei Kompensatoren und 50 % Vorspannung ergeben sich folgende Mindestgelenkabstände bzw. L 3: = Δ1 (8 L + Δ1+4 L3) [mm] 8 sin zul L 3-4 Δ L und L 3 vorgewählt L 3 = Δ1 (8 L + Δ1) + 4 L1 Δ [mm] 8 sin zul - 4 Δ 1 und L vorgewählt Ergibt sich für (bzw. L 3) ein negativer oder ein zu großer Wert, muss die Strecke L 3 (bzw. ) entsprechend vergrößert oder der maximal zulässige Winkel überprüft werden. Generell gilt: und L 3 sind so groß wie möglich, L so klein wie möglich zu wählen. Effektive Winkelausschläge Werden die Gelenkabstände und L 3 vorgegeben, so berechnen sich die effektiven Winkelausschläge der Angularkompensatoren (B 1, B, B 3) bei 50 % Vorspannung wie folgt: Δ 1 e1 = ± arcsin( ) [Grad] e = ± ( e1 + e3) [Grad] e3= ± arcsin ( Δ 1 (8 L +Δ 1)+4 Δ ) [Grad] 8 L 3 Bei 100 % und 0 % Vorspannung winkeln die Angularkompensatoren um den doppelten Betrag in eine Richtung. Die effektiven Winkelausschläge [ e1,,3] sind für diese Fälle mit dem Faktor zu multiplizieren. Systemberechnung 15

18 Berechnungen Festpunkt- Anschlussbelastung Biegemomente der Angularkompensatoren Zur Ermittlung der Biegemomente und Kräfte müssen die effektiven Winkelausschläge betragsmäßig (d. h. ohne Vorzeichen) in die Rechnung eingesetzt werden. M B1 = C r p + C e1 + C z p e1 M B = C r p + C e + C z p e M B3 = C r p + C e3 + C z p e3 Biegemomente an den Anschlussstellen M y1 = M B1 + F z a M y = M B3 + F z b Bei 50 % Vorspannung treten die Biegemomente und Kräfte in der Vorspann- bzw. Betriebsstellung mit unterschiedlichen Vorzeichen auf. Kräfte an den Anschlussstellen F z = (MB+MB3) [N] L 3 F x = (MB1+MB) + Fz L [N] a,b C C r C z F x,z,3 Mittenabstand vom Balg bis zur Anschlussstelle [mm] Biegefederkonstante [Nm/Grd] Bolzenreibungskonstante [Nm/bar] Zusatzmoment aus Winkel und Druck [Nm/(bar Grd)] Verstellkraft in x- bzw. z-richtung [N] Mittenabstand der Bälge [mm] M y1, Moment an der Anschlussstelle M B1,,3Verstellmoment des Kompensators p Betriebsüberdruck [bar] e1,,3 Effektiver Biegewinkel pro Balg [Grd] zul Δ 1, Zulässiger Biegewinkel pro Balg [Grd] Bewegung der Rohrleitung [mm] 16

19 Berechnungen Δ L 0 Drei-Gelenk-L- Bogensystem 3L B 1 Δ Vorspannlücke B a L 3 F X M y 1 B 3 b.dn + Δ1 F Z z y x L 0 1 Δ1 M y FZ -FX Δ1 Vorspannlücke = Festpunkt = Führungslager Erforderliche Gelenkabstände Bei gleichem zulässigem Winkel [ zul] aller drei Kompensatoren und 50 % Vorspannung ergeben sich folgende Mindestgelenkabstände bzw. L 3: L 3 vorgewählt vorgewählt = Δ 1 L 3 [mm] sin zul L 3 - Δ L 3 = Δ [mm] sin zul - Δ 1 Ergibt sich für (bzw. L 3) ein negativer oder ein zu großer Wert, muss die Strecke L 3 (bzw. ) entsprechend vergrößert oder der maximal zulässige Winkel überprüft werden. Generell gilt: und L 3 sind so groß wie möglich, L so klein wie möglich zu wählen. Effektive Winkelausschläge Werden die Gelenkabstände und L 3 vorgegeben, so berechnen sich die effektiven Winkelausschläge der Angularkompensatoren (B 1, B, B 3) bei 50 % Vorspannung wie folgt: Δ 1 e1 = ± arcsin( ) [Grad] e = ± ( e1 + e3) [Grad] Δ e3 = ± arcsin( ) [Grad] L 3 Bei 100 % und 0 % Vorspannung winkeln die Angularkompensatoren um den doppelten Betrag in eine Richtung. Die effektiven Winkelausschläge [ e1,,3] sind für diese Fälle mit dem Faktor zu multiplizieren. Systemberechnung 17

20 Berechnungen Festpunkt- Anschlussbelastung Biegemomente der Angularkompensatoren Zur Ermittlung der Biegemomente und Kräfte müssen die effektiven Winkelausschläge betragsmäßig (d. h. ohne Vorzeichen) in die Rechnung eingesetzt werden. M B1 = C r p + C e1 + C z p e1 M B = C r p + C e + C z p e M B3 = C r p + C e3 + C z p e3 Biegemomente an den Anschlussstellen M y1 = M B1 + F x a M y = M B3 + F x b Bei 50 % Vorspannung treten die Biegemomente und Kräfte in der Vorspann- bzw. Betriebsstellung mit unterschiedlichen Vorzeichen auf. Kräfte an den Anschlussstellen F x = (MB+MB3) [N] L 3 F z = (MB1+MB) [N] a,b C C r C z F x,z,3 Mittenabstand vom Balg bis zur Anschlussstelle [mm] Biegefederkonstante [Nm/Grd] Bolzenreibungskonstante [Nm/bar] Zusatzmoment aus Winkel und Druck [Nm/(bar Grd)] Verstellkraft in x- bzw. z-richtung [N] Mittenabstand der Bälge [mm] M y1, Moment an der Anschlussstelle M B1,,3Verstellmoment des Kompensators p Betriebsüberdruck [bar] e1,,3 Effektiver Biegewinkel pro Balg [Grd] zul Δ 1, Zulässiger Biegewinkel pro Balg [Grd] Bewegung der Rohrleitung [mm] 18

21 Programmübersicht Angularkompensator Balg aus (DN ), bds. Anschweißenden aus C-Stahl, äußere Verspannung aus C-Stahl, geeignet für Winkelbewegung um eine Achse Typ BKT-7510 (alt: 307/50) DN... / PN... / Δ ang... / Bl... (DVGW-Zulassung: DN 50 DN 600 / PN 16 DN 00 DN 600 / PN 10) Angularkompensatoren für Winkelbewegungen um eine Achse Verspannungsausführung abhängig vom Fertigungsprogramm Angularkompensator Balg aus (DN ), bds. Flanschanschluss aus C-Stahl, äußere Verspannung aus C-Stahl, geeignet für Winkelbewegung um eine Achse Typ BKT-750 (alt: 307/51) DN... / PN... / Δ ang... / Bl... (DVGW-Zulassung: DN 50 DN 600 / PN 16 DN 00 DN 600 / PN 10) Verspannungsausführung abhängig vom Fertigungsprogramm Angularkompensator Balg aus , bds. Anschweißenden aus C-Stahl, äußere Verspannung in Zahngelenkausführung aus C-Stahl, geeignet für große Winkelbewegung um eine Achse Typ BKT-7510 BAS (alt: 307/50 Z) DN... / PN... / Δ ang... / Bl... Sonderausführung Flanschausführung: Typ BKT-750 BAS 19

22 Programmübersicht Angular-Kardankompensatoren für Winkelbewegungen um zwei Achsen Kardankompensator Balg aus (DN ), bds. Anschweißenden aus C-Stahl, äußere kardanische Verspannung aus C-Stahl, geeignet für Winkelbewegung um zwei Achsen Typ BKT-7610 (alt: 307/60) DN... / PN... / Δ ang... / Bl... Verspannungsausführung abhängig vom Fertigungsprogramm Kardankompensator Balg aus (DN ), bds. Flanschanschluss aus C-Stahl, äußere kardanische Verspannung aus C-Stahl, geeignet für Winkelbewegung um zwei Achsen Typ BKT-760 (alt: 307/61) DN... / PN... / Δ ang... / Bl... Verspannungsausführung abhängig vom Fertigungsprogramm 0

23 Montagehinweise Festpunkte und Rohrführungen vor dem Füllen und Abdrücken der Anlage fest montieren. Den Stahlbalg vor Beschädigung und Verschmutzung (z. B. Schweiß-, Gips-, Mörtelspritzern) schützen. Dampfleitungen so verlegen, dass keine Wasserschläge auftreten können. Dies ist durch ausreichende Entwässerung, Isolierung und Vermeidung von Wassersäcken sowie durch Gefälle der Leitung erreichbar. Bei Kompensatoren mit Leitrohren die Flussrichtung beachten. In unmittelbarer Nähe von Reduzierstationen, Heißdampfkühlern und Schnellschlussventilen sollte der Einbau von Kompensatoren vermieden werden, wenn durch Turbulenz hochfrequente Schwingungen zu erwarten sind, oder es müssen besondere Maßnahmen (z. B. Einbau von starkwandigen Leitrohren, Lochblenden, Beruhigungsstrecken) getroffen werden. Sind im Medium hochfrequente Schwingungen oder Turbulenzen bzw. hohe Strömungsgeschwindigkeiten zu erwarten, empfehlen wir den Einbau von Kompensatoren mit Leitrohr. Ist DN 150, empfehlen wir bei Luft, Gas oder Dampf den Einbau von Kompensatoren mit Leitrohr, wenn die Strömungsgeschwindigkeit 8 m/s und bei Flüssigkeit 3 m/s übersteigt. Strömungsgeschwindigkeit v [m/s] Dampf / Gas Flüssigkeit Nennweite DN Einbau von Angularkompensatoren in Gasleitungen: Wegen der Schraubverbindung ist beim Einbau in Gasleitungen nur ein Betriebsüberdruck von maximal 4 bar zulässig. Gummidichtungen dürfen nicht geölt oder gefettet werden. Sauerstoffleitungen dürfen nicht mit Öl oder Fett in Berührung kommen. Sonst besteht Explosionsgefahr! Sicherheitshinweise Beim Einbau von Angularkompensatoren, die Dehnungen seitlich nur in einer Ebene aufnehmen können, auf Übereinstimmung zwischen Richtung der Rohrdehnung und Bewegungsmöglichkeit der Kompensatoren (senkrecht zur Bolzenachse) achten Die maximalen Dehnungsaufnahmen im Prospekt Technische Daten beachten. Montagehinweise Rohrführung, Rohrlagerung Angularkompensatoren stellen keine besonderen Ansprüche an die Führungslager. Bei kurzschenkligen Maschinenhausleitungen erübrigen sich Führungslager. Das Gewicht der Rohrleitung (incl. Medium und Isolierung) sowie alle Wind- und Zusatzlasten durch geeignete Rohraufhängungen oder Lager abfangen. Bewegungen des Kompensators dürfen nicht behindert werden! Bei langen Rohrleitungen vor und hinter dem Gelenksystem ein Führungslager vorsehen. 1

24 Montagehinweise Festpunkte Zwischen zwei Festpunkten immer nur ein Gelenksystem einbauen. Die Festpunkte haben den Eigenwiderstand des Kompensators, resultierend aus der Biegefestigkeit der Bälge und der Bolzenreibung der Gelenklager sowie die Reibungskräfte der Führungslager aufzunehmen. HINWEIS Rohrführungen mit zu großen Reibungswiderständen infolge zu hoher Flächenpressung, Verschmutzung oder Rostansatz können blockieren und führen zu erheblichen Spannungsspitzen in den Rohrleitungen, Festpunkten und Anschlüssen. Gelenksystemanordnungen Zwei-Gelenk-Z-Bogensystem Drei-Gelenk-L-Bogensystem Zwei-Kardan-Gelenk-Bogensystem Drei-Gelenk-U-Bogensystem

25 Montagehinweise Gelenksystemanordnungen Drei-Gelenk-W-Bogensystem Drei-Gelenk-Z-Bogensystem Drei-Kardangelenk-W-Bogensystem 3

26 Montagehinweise Betriebsdruck HINWEIS Der zulässige Betriebsdruck ergibt sich aus dem Nenndruck unter Berücksichtigung der Abminderungsfaktoren gemäß den Angaben im Prospekt Technische Daten. Bei höheren Temperaturen Nenndruck entsprechend den Abminderungsfaktoren gemäß den Angaben im Prospekt Technische Daten. Vorspannung Angularkompensatoren werden in der Regel mit 50 % der Dehnungsaufnahme vorgespannt eingebaut, wobei die Einbringung der Vorspannung zweckmäßigerweise am fertiggestellten System erfolgt. Bei der Vorspannung die jeweilige Einbautemperatur der Rohrleitung berücksichtigen, dies gilt insbesondere bei Freileitungen. Weicht die Einbautemperatur von der niedrigsten Auslegungstemperatur ab, Vorspannung entsprechend dem Vorspanndiagramm reduzieren. 4

27 Montagehinweise Vorspanndiagramm Temperatur-Differenz in C zwischen Einbau- und tiefster Temperatur Dehung der Rohrleitung bei Einbautemperatur in mm Länge der Rohrleitung in m Gesamt Federung des Gelenksystems in mm Vorspannung des Gelenksystems in mm gültig für Rohrleitungen aus St 35 Gelenksystem für Rohrleitung von 140 m Länge: Niedrigste Temperatur 7 o C. Höchste Temperatur + 93 o C. Größte Dehnung entsprechend 300 o C Erwärmung = 500 mm. Das Gelenksystem soll 50 % dieser Dehnung = 50 mm vorgespannt, d. h. der Dehnung der Rohrleitung entgegengerichtet, gespannt werden. Beim Einbau ist der Vorspannung besondere Beachtung zu schenken. Die Temperatur am Tage des Einbaus betrage nicht 7 o C, sondern + 0 o C. Hieraus ergibt sich eine entsprechende Dehnung der Rohrleitung von 45 mm, um die das Gelenksystem weniger vorzuspannen ist: = 05 mm. Das Diagramm zur Ermittlung der Vorspannung ermöglicht sofortige Feststellung dieses Wertes ohne Zwischenrechnung: 1. Temperaturdifferenz zwischen Einbauund tiefster Temperatur + 0 o C ( 7 o C) = 7 o C.. Länge der zu kompensierenden Rohrstrecke = 140 m. 3. Ziehe von Punkt 7 o C eine Senkrechte bis zu dem m Strahl. 4. Ziehe eine Waagerechte von diesem Schnittpunkt auf die Linie Dehnung der Rohrleitung in mm, es ergibt sich, wie oben angegeben, das Maß von 45 mm. 5. Verbinde Punkt 45 mm mit Gesamtfederung = 500 mm und verlängere die Verbindungsgerade bis zum Schnitt der Linie Vorspannung des Gelenksystems in mm. Es ergibt sich eine Vorspannung von 05 mm. Um dieses Maß ist das Gelenksystem beim Einbau in die Rohrleitung entgegenzuziehen. Beispiel zum Diagramm 5

28 Montagehinweise Kontrolle Vor Inbetriebnahme kontrollieren, ob die Leitungen mit Gefälle verlegt wurden, um Wassersäcke zu vermeiden. für ausreichende Entwässerung gesorgt ist. Festpunkte und Rohrführungen vor dem Füllen und Abdrücken der Anlage fest montiert sind. bei Kompensatoren mit Leitrohren die Flussrichtung beachtet ist. der Stahlbalg frei von Schmutz, Schweiß-, Gips-, Mörtelspritzern oder anderer Verschmutzung ist. Gegebenenfalls reinigen. alle Schraubverbindungen fest angezogen sind. die allgemeinen Sorgfaltspflichten zur Vermeidung von Korrosionsschäden beachtet sind, z. B. Aufbereitung des Wassers, Verhinderung von Elektrolytbildung in Kupfer- oder verzinkten Leitungen. Isolierung Isolierung Die Kompensatoren können genau wie die Rohrstrecke isoliert werden. Bei Kompensatoren ohne Schutzmantel bauseits eine gleitfähige Blechhülse um den Kompensator legen, damit sich das Isoliermaterial nicht in die Wellenvertiefungen bzw. Gelenke legt. Falls der Kompensator unter Mörtelputz gelegt werden soll, ist ein Kompensator mit Schutzmantel erforderlich. Dies gewährleistet die Funktion, schützt vor Verschmutzung und vor Kontakt mit den Baumaterialien. Unzulässige Betriebsweisen Die im Prospekt Technische Daten angegebenen Grenzwerte dürfen nicht überschritten werden. Bei neuverlegten Leitungen sollte das Reinigen durch Ausblasen mit Dampf wegen der Gefahr von Wasserschlägen und unzulässigen Schwingungsanregungen des Balges unterbleiben. Anfahren ACHTUNG Beim Abpressen und während des Betriebs darf der zulässige Probedruck bzw. Betriebsdruck des Kompensators nicht überschritten werden. Übermäßige Druckstöße als Folge von Fehlschaltungen, Wasserschlägen usw. sind nicht zulässig. Einbruch aggressiver Medien vermeiden. Das Anfahren von Dampfleitungen muss so erfolgen, dass das anfallende Kondensat Zeit zum Abfließen hat. Wartung Wartung Die Angularkompensatoren sind wartungsfrei. Vor Demontage- und Wartungsarbeiten muss die Anlage drucklos, ausgekühlt und entleert sein. Sonst besteht Unfallgefahr! 6

29 Kompensatoren- Datenblatt Kompensatoren-Typ: Nennweite DN: Auslegungsbedingungen Auslegungsdruck bar Auslegungstemp. o C Bewegungsaufnahme 1 axial +/ mm angular +/ grd 3 lateral +/ mm Schwingungen Frequenz Hz Amplitude mm Schwing.-Art: Anzahl Lastwechsel Medium Strömungsgeschw. Anbauteile: Inneres Leitohr ja nein Schutzrohr ja nein Sonstige Teile Anschlussart: Anschweißenden Festflansch Losflansch sonstige: Abmessung/ Werkstoff: Zul. technologische Werte: axiale Federrate laterale Federrate angulare Federrate Axialkraft Lateralkraft Angular-Moment Druckreaktionskraft N/mm N/mm Nm/grd N N Nm N Verfügbarer Einbauraum: maximale Länge: max. Durchmesser: mm mm Qualitätskontrollen: Wasserdruckprobe ja nein Dichtheitsprüfung mit Luft ja nein mit Helium ja nein Leckrate mbar l/s Einzelprüfungen zusätzlich BL RL BRR RR Sonstige Röntgen % Farbeindringprüfung % Ultraschall % Magnetpulver-Rissprüfung % BL = Balglängsnähte RL = Rohrlängsnähte BRR = Balgrohrrundnaht RR = Rohrrundnähte Abnahmebedingungen Regelwerke Sonderspezifikationen Abnahmeprüfzeugnis, Werkprüfzeugnis Abnahme durch 7

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32 BOA Balg- und Kompensatoren- Technologie GmbH Lorenzstraße -6 D-7697 Stutensee Postfach 11 6 D-7688 Stutensee Telefon: +49 (0) Fax: +49 (0) kompensatoren@boa-bkt.com Internet: BK dt.Sto.3