UPP-Leitungen für oberirdische Installationen und Unterwasserinstallationen

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1 UPP-Leitungen für oberirdische Installationen und Unterwasserinstallationen Franklin Fueling Systems 3760 Marsh Rd. Madison, WI USA Tel: Fax:

2 Für oberirdische Leitungsinstallationen sind nachstehende Faktoren zu berücksichtigen: Temperaturschwankungen Rohrlayout, Befestigungen und einwirkende Kräfte Potentielle mechanische oder stoßartige Belastungen Chemische Belastung UV-Strahlung Temperaturschwankungen Oberirdisch verlegte Leitungen sind größeren Temperaturschwankungen ausgesetzt als die relativ stabil verlegten unterirdischen Leitungen. Sonnenlicht, saisonale Temperaturschwankungen und Tag-/Nacht- Temperaturschwankungen können oberirdisch installierte Rohrleitungen in erheblichem Maß beeinflussen. Temperaturschwankungen bewirken in sämtlichen Werkstoffen maßliche Veränderungen. Das Ausmaß dieser maßlichen Veränderung bei einer bestimmten Temperaturänderung hängt von den Eigenschaften des Werkstoffs ab. Die Erfahrung zeigt, dass Flüssigkeit, die in einer Rohrleitung fließt, Wärme aus der Leitung ableitet. Bei den Berechnungen der UPP-Leitungen wird jedoch davon ausgegangen, dass der Massenstrom statisch ist bzw. dass kein Massenstrom vorhanden ist. In der nachstehenden Tabelle sind die thermischen Längenausdehnungskoeffizienten für die üblichsten Werkstoffe angegeben: Rohrwerkstoff m C m Thermischer Längenausdehnungskoeffizient Resultierende Leitungsausdehnung bei 50m x 10 C (mm) x 10-6 HDPE PVC Stahl Edelstahl (316) 16 8 FRP 16 8 Kupfer 16 8 Tabelle 1: Thermischer Längenausdehnungskoeffizient HDPE ist weniger steif als eine Metallrohrleitung; deshalb sind aufgrund des guten Relaxationsverhaltens des Werkstoffs die Reaktionsbelastungen bei gleichen Temperaturänderungen erheblich geringer. Trotzdem sollten durch Maßnahmen bei Konstruktion und Installation stets die potentiell nachteiligen Effekte der Temperaturschwankungen vermieden bzw. ausgeglichen werden. Dabei gilt es insbesondere: übermäßige Schub- oder Biegemomente auf Rohrverbindungen zu begrenzen übermäßige Rohrdurchbiegungen zu begrenzen übermäßige Belastungen bei Richtungswechseln zu begrenzen Die axiale Ausdehnung Die axiale Ausdehnung D L aufgrund des thermischen Effekts für ein Rohr, das sich frei ohne axiale Beschränkung ausdehnen kann, ergibt sich aus folgender Gleichung: ) Gleichung (1) L= α L T α ist der thermische Längenausdehnungskoeffizient (für PE beträgt er ca x 10-6 ( C -1 ) ) L ist die Leitungslänge und DT ist die Temperaturänderung. Wie vorstehend erwähnt, kommt es in Rohren infolge von Temperaturschwankungen zu einer Ausdehnung und Kontraktion. Der Konstrukteur hat zwei Möglichkeiten, um dieser Erscheinung entgegenzuwirken. a). Das Rohr kann mit Mitteln verankert werden, welche die Änderungen der physikalischen Abmessungen kontrollieren; dabei besitzen Verankerungen aus Polyethylen einzigartige Relaxationseigenschaften, mit denen sich Bewegung und Verformung mechanisch kontrollieren lassen. b). Das Rohr kann ohne eine solche Einfassung installiert werden, damit es sich je nach der Temperaturänderung ungehindert bewegen kann. Aufnahme der thermischen Ausdehnung / Kontraktion Um die thermische Ausdehnung / Kontraktion von oberirdischen Leitungen aufzunehmen, ist zusätzliche konstruktive Flexibilität vorzusehen. Dies ist auf zwei Weisen möglich: a) Durch Ausgleichs- oder Ausdehnungsschleifen b) Indem eine kontrollierte seitliche Durchbiegung erlaubt wird Ausgleichs- und Ausdehnungsschleifen werden überwiegend für Rohrleitungen verwendet, die in größeren Abständen gehalten werden, wie etwa bei Hängeleitungen. Die seitliche Durchbiegung bietet sich dagegen für Leitungen an, die kontinuierlich durch Rohrgerüste gehalten werden oder oberirdisch installiert sind. Berechnung der Ausgleichs- und Ausdehnungsschleifen Eine axiale Druck- oder Zugbelastung in einem geraden Rohrabschnitt kann beseitigt werden, indem sie an einem Ausgleichselement in eine Biegebelastung umgewandelt wird. Wie in Abb. 1 dargestellt, wirkt die Ausgleichslänge Lo1 als freitragender Träger für den langen Leitungsabschnitt L1. Bei thermischer Ausdehnung erhöht sich die Länge L1 um ΔL1, was den Ausgleich Lo1 dazu zwingt, sich zu biegen, wodurch die Ausdehnungsbelastungen absorbiert werden. Die Länge des Ausgleichs Lo1 muss ausreichend lang sein, damit das Ausgleichsrohr den axialen Schub in eine gemäßigte Biegebelastung umwandelt. In Abb. 1 sind die beiden Ausgleichsstücke Lo1 und Lo2 dargestellt; in diesem Fall ist jedes Stück mit entsprechender gerader Länge zu bemessen, d.h. L1 bzw. L2. 2

3 L1 Lo2 Lo1 Verankerungspunkt L2 Befestigung Abbildung 1: Diagramm für die Berechnung des Ausgleichs Die Mindestlänge des Ausgleichs L o, der die thermische Belastung in der langen geraden Länge der Leitung L aufnimmt, ergibt sich aus folgender Gleichung: L o 3 = D α L T 20 Es gilt: L o = Mindestlänge des Ausgleichsstückes (m) D = Rohraußendurchmesser (mm) α = thermischer Längenausdehnungskoeffizient (1/ C) L = gerade Rohrlänge ab dem ersten Verankerungspunkt (m) ΔT = zu erwartende maximale Temperaturänderung ( C) Die Mindestausgleichslänge Lo kann als Segmente einer Schleife oder anderer Geometrien verteilt werden, wie in den nachstehenden Abb. 2 und 3 dargestellt Beispiel. Nehmen wir in Abb. 1 ein HDPE-Rohr mit nachstehender Konfiguration an, das einem max. ΔT von 50 C ausgesetzt ist: L1 = 6 (m) L2 = 4 (m) D = 63 (mm) α = 220 x 10-6 (aus Tabelle 1) 3 D α L T 20 L o 1 = L o 2 3 = D α L L o1 = = 0.79 (m) L o2 = = 0.64 (m) T 3

4 Die Mindestausgleichslänge Lo kann als Segmente einer Schleife oder anderer Geometrien verteilt werden, wie in den nachstehenden Abb. 2 und 3 dargestellt L 1/4 L o 1/2 L o Verankerungspunkt Befestigung 1/4 L o Abbildung 2: L 2/5 L o Verankerungspunkt Befestigung Abbildung 3 4

5 In den nachstehenden Diagrammen ist die Berechnung der Ausgleichslänge in Abhängigkeit des zu erwartenden Temperaturunterschieds und der auszugleichenden Rohrlänge dargestellt. Berechnung der Ausgleichslänge T = 68ºF (20 C) 16 (5) 14.8 (4.5) Ausgleichsstück Lo Fuß (m) 13 (4) 11.5 (3.5) 9.8 (3) 8.2 (2.5) 6.6 (2) 5 (1.5) 3.3(1) 2" (50mm) 2.5" (63mm) 3.5" (90mm) 4.3" (110mm) 6.3" (160mm) 7.9" (200mm) 9.8" (250mm) 12.4" (315mm) 14" (355mm) 1.6 (0.5) (10) 66 (20) 98 (30) 131 (40) 164 (50) 197 (60) 230 (70) 262 (80) L Fuß (Meter) 20 (6) Berechnung der Ausgleichslänge T = 86ºF (30 C) Ausgleichsstück Lo Fuß (m) 16 (5) 13 (4) 9.8 (3) 6.6 (2) 2" (50mm) 2.5" (63mm) 3.5" (90mm) 4.3" (110mm) 6.3" (160mm) 7.9" (200mm) 9.8" (250mm) 12.4" (315mm) 14" (355mm) 3.3(1) (10) 66 (20) 98 (30) 131 (40) 164 (50) 197 (60) 230 (70) 262 (80) L Fuß (Meter) 5

6 23 (7) Berechnung der Ausgleichslänge T = 104ºF (40 C) 20 (6) Ausgleichsstück Lo Fuß (m) 16 (5) 13 (4) 9.8 (3) 6.6 (2) 2" (50mm) 2.5" (63mm) 3.5" (90mm) 4.3" (110mm) 6.3" (160mm) 7.9" (200mm) 9.8" (250mm) 12.4" (315mm) 14" (355mm) 3.3(1) (10) 66 (20) 98 (30) 131 (40) 164 (50) 197 (60) 230 (70) 262 (80) L Fuß (Meter) Berechnung der Ausgleichslänge T = 122ºF (50 C) 23 (7) Ausgleichsstück Lo Fuß (m) 20 (6) 16 (5) 13 (4) 9.8 (3) 6.6 (2) 2" (50mm) 2.5" (63mm) 3.5" (90mm) 4.3" (110mm) 6.3" (160mm) 7.9" (200mm) 9.8" (250mm) 12.4" (315mm) 14" (355mm) 3.3(1) (10) 66 (20) 98 (30) 131 (40) 164 (50) 197 (60) 230 (70) 262 (80) L Fuß (Meter) 6

7 Oberirdische Leitungen Die thermische Ausdehnung in langen Leitungsabschnitten, die kontinuierlich befestigt sind, gleich ob auf das Gelände gelegt oder durch ein Rohrgerüst gehalten, kann ausgeglichen werden, indem dem Rohr die Möglichkeit der seitlichen Biegung gegeben wird. In diesen Fällen muss auf beiden Seiten des Rohrs genügend Platz für die Biegung vorhanden sein. Das Rohr wird durch Verankerung in bestimmten Abständen in seiner Bewegungsfreiheit eingeschränkt. In Rohrgerüsten kann ein mittiger Verankerungspunkt verwendet werden; dieser muss sich aber mit der Rohrbiegung mitdrehen können. Um das Rohr so zu lenken, dass es sich nur auf eine Seite biegt, kann es mit einer anfänglichen Biegung verlegt werden, die eine Wellung bildet, so dass zusätzliche Biegungen stets in dieselbe Richtung gehen. Dabei sollte eine anfängliche Biegung vorgegeben werden, damit sich das Rohr bei der tiefsten zu erwartenden Temperatur nicht zu einer geraden Linie zusammenzieht und so einer hohen axialen Zug-/Schubbeanspruchung ausgesetzt wird. Um bei der Installation eine solche seitliche Biegung zu erreichen, sollte die zu erwartende Änderung von der Installationstemperatur auf die tiefste Temperatur festgelegt werden. Mit diesem Wert und dem Abstand zwischen den seitlichen Halterungspunkten sollte das Rohr mit dieser seitlichen Biegung plus einer eventuell vom Konstrukteur vorgeschriebenen zusätzlichen seitlichen Biegung installiert werden. Die Bodenfläche, auf der sich das Rohr biegen kann, sollte frei von großen oder hervorstehenden Steinen, Schutt oder ähnlichen Materialien sein, da diese das Rohr beschädigen und die Belastbarkeit des Rohrleitungswerkstoffs nachteilig verändern könnten. Die seitliche Biegung eines an den Enden gehaltenen Rohrs kann durch folgende Gleichung festgelegt werden: 1 y = 1000 L aα DT 2 Es gilt: y = seitliche Biegung (mm) L = Abstand zwischen den seitlichen Halterungen (m) α = Thermischer Längenausdehnungskoeffizient 1/ C ΔT = Temperaturänderung ( C) Auf beiden Seiten des Rohrs muss genügend Freiraum vorhanden sein, damit diese Biegung ungehindert stattfinden kann. In nachstehendem Diagramm ist die seitliche Biegung für ΔT = 20, 30, 40 und 50 C angegeben Seitliche Durchbiegung des Rohres Seitliche Durchbiegung in Zoll (mm) 39.4 (1000) 31.5 (800) 23.6 (600) 15.7 (400) DT=68ºF (20 C) DT=86ºF (30 C) DT=104ºF (40 C) DT=122ºF (50 C) 7.9 (200) (2) 13 (4) 20 (6) 26 (8) 33 (10) 39 (12) 46 (14) Seitlicher Abstand zwischen den Halterungen Fuß (m) Je näher die seitlichen Halterungen beieinander sind, desto größer ist die Rohrkrümmung infolge der seitlichen Biegung. Der Abstand zwischen den seitlichen Halterungen sollte deshalb nicht zu gering sein, um eine übermäßige Biegebelastung im Rohr zu vermeiden. 7

8 Ganz generell ergibt sich die Häufigkeit der seitlichen Halterungen aus Kostenaspekten. Muss zum Beispiel die seitliche Biegung auf jeden Fall begrenzt werden, ist die Anzahl von Stabilisierungspunkten entsprechend zu erhöhen. Ist dagegen eine größere seitliche Biegung zulässig, reichen auch wenige Verankerungspunkte aus, und die Ausführungskosten sind entsprechend geringer. In der nachstehenden Tabelle ist der empfohlene Mindestabstand zwischen den Haltepunkten für verschiedene Rohrdurchmesser in Abhängigkeit der maximalen zu erwartenden Temperaturänderung (ΔT) angegeben. 8 Rohrdurchmesser Zoll (mm) Empfohlener Mindestabstand zwischen Haltepunkten Fuß (m) DT=36ºF (20 C) DT=54ºF (30 C) DT=72ºF (40 C) DT=90ºF (50 C) 1½ (50) (1.470) (1.800) (2.079) (2.324) 2 (63) (1.852) (2.268) (2.619) (2.929) 3 (90) (2.646) (3.241) (3.742) (4.184) 4 (110) (3.234) (3.961) (4.574) (5.113) 6 (160) (4.704) (5.761) (6.652) (7.438) 8 (200) (5.880) (7.201) (8.316) (9.297) 10 (250) (7.350) (9.002) (10.394) (11.621) 12 (315) (9.261) (11.342) (13.097) (14.643) 14 (355) (10.437) (12.783) (4.760) (16.502) Tabelle 2: Abstand zwischen Haltepunkten Aufgehängte Rohrleitungen Aufgehängte Rohrleitungen werden mit zwei Arten von Halterungen gehalten: Kontinuierliche Halterungen: Diese Halterungen halten das Rohr auf seiner gesamten Länge im unteren Bereich auf einer Auflagebreite von ca Diese Art von Halterung ruft keine Biegung des Rohrs hervor. Diskontinuierliche Halterungen: In diesem Fall wird das Rohr von separaten Halterungen gehalten. Die Halterungen sind in der Regel als Stahlringe ausgeführt, die innenseitig mit einem weichen Werkstoff ausgekleidet sind, damit die Rohroberfläche nicht beschädigt wird. Der Halterungsabstand für Polyethylenrohre wird auf dieselbe Weise bestimmt wie für andere aufgehängte Rohrleitungen. Die Konstruktionsmethode umfasst eine Analyse der betreffenden Installation als einfacher Träger oder als kontinuierlicher Träger und basiert auf der Begrenzung der Biegebeanspruchung. Der Abstand von Halterungsmitte zu Halterungsmitte lässt sich mit folgender Gleichung berechnen: x Es gilt: (D 4 - d 4 ) E 16 g [ p PE (D 2 - d 2 ) + p f d 2 ] x = Abstand von Halterungsmitte zu Halterungsmitte D = Rohraußendurchmesser (m) d = Rohrinnendurchmesser (m) E = HDPE Langzeit-E-Modul g = Schwerkraftkonstante (9.81 m/s 2 ) r PE = PE-Dichte (kg/m 3 ) r r f = Dichte des beförderten Mediums (kg/m 3 ) Nimmt man an, dass die Dichte des Mediums und die PE Dichte gleich sind ( r ), lässt sich die Gleichung wie folgt vereinfacht darstellen: x (D 4 - d 4 ) E 16 g p D 2 In der nachstehenden Tabelle findet sich der empfohlene maximale Halterungsabstand für aufgehängte Leitungen Rohrdurchmesser in Zoll (mm) Abstand x Fuß (m) 1 (32) 2.0 (0.6) 1½ (50) 3.0 (0.9) 2 (63) 3.3 (1.0) 3 (90) 4.3 (1.3) 4 (110) 4.9 (1.5) 6 (160) 6.2 (1.9) 8 (200) 7.2 (2.2) 10 (250) 8.5 (2.6) 12 (315) 9.8 (3.0) 14 (355) 10.5 (3.2) Tabelle 3: Maximaler Abstand Die Halterungen sollten eine geeignete Stärke haben, damit sich das Rohr auf der Grundlage der zu erwartenden Einsatzbedingungen nicht seitlich oder längs biegen kann. Falls die Konstruktion eine ungehinderte Bewegung während der Ausdehnung ermöglicht, sollten gleitende Halterungen eine Führung ohne Begrenzung in Bewegungsrichtung ermöglichen. Ist die Halterung dagegen so konstruiert, dass sie das Rohr festhält, muss sie entweder flexibel montiert sein oder eine entsprechende Festigkeit haben, um die erwarteten Belastungen auszuhalten. Schwere Rohrverbindungen oder Flansche sollten vollständig gehalten werden und auf einer Länge von mindestens einem vollen Rohrdurchmesser auf beiden Seiten eingespannt sein. Diese gehaltene Verbindung stellt eine steife Struktur innerhalb des flexiblen Leitungssystems dar; sie sollte vollständig gegenüber Biegebeanspruchungen aufgrund Durchbiegung oder thermischer Verformung isoliert werden.

9 Thermisch induzierte Belastungen bei vollständig eingespanntem Rohr Im Falle eines Leitungsabschnitts, der gegen Längsdehnung bzw. Kürzung blockiert ist, führt eine Änderung der Rohrtemperatur zum Entstehen einer axialen Druck- oder Zugbelastung. Dieser Belastung wirkt eine Druck- oder Zugkraft entgegen, die an den Leitungsenden oder an einem beliebigen Punkt im Rohr, an dem das Rohr verankert ist, ansetzt. Die primäre Problematik bei oberirdischen Rohrleitungen besteht darin, dass eine zu große Schubkraft auf eine Rohrkomponente oder die Haltestruktur übertragen werden kann. Der thermische Reaktionsschub ist bei HDPE-Rohrleitungen in der Regel bei derselben Temperaturänderung wesentlich geringer als bei Leitungen aus Metall oder FRP. Dies ist durch die hohe Elastizität von HDPE bedingt (geringer Modul). Ferner können sich Rohrleitungen aus Kunststoffen bei Druckbelastung aufgrund ihres sehr geringen E-Moduls leichter seitlich verformen; deshalb ist es, wenn eine solche Verformung möglich ist, weniger wahrscheinlich, dass sie Drucklasten vollständig auf externe Einspannungen übertragen, wie andere Arten von steifen Rohrleitungen das tun würden. Rohrwerkstoff E-Modul (MPa) HDPE PE100 (kurzzeitig) 1000 HDPE PE100 (langzeitig) 160 HDPE PE80 (kurzzeitig) 900 HDPE PE80 (langzeitig 150 Stahl 210,000 FRP 10,000-20,000 Kupfer 120,000 Tabelle 4: E-Modul Das Ausmaß der axialen Zug- oder Druckbelastung, die in einem Rohr, das sowohl an einer axialen als auch seitlichem Verformung gehindert wird, entsteht, lässt sich mit folgender Gleichung berechnen: Gleichung (2) Es gilt: s sσ = Ε a T = Belastung in axialer Richtung (Zug- oder Druckbelastung in MPa) E = E-Modul (MPa) a D T = Thermischer Ausdehnungskoeffizient (m/m C) = Temperaturänderung a Der thermische Schub in einem Rohr, das an einer axialen Bewegung gehindert wird, kann mit Hilfe nachstehender Gleichung anhand der axialen Belastung berechnet werden: Gleichung (3) Es gilt: F = A s F = Axiale Schubkraft, Zug- oder Druckbelastung (Newton) A = Rohrquerschnitt (mm 2 ) s = Zug- oder Druckbelastung wie in Gleichung (2) festgelegt (MPa) Beispiel: Die Schubkraft eines 160 mm Rohrs SDR13.6 aus PE100 ist einer Temperaturänderung von 20 C ausgesetzt; in der Annahme, dass das Rohr so gehalten wird, dass keine axialen und seitlichen Bewegungen möglich sind, wird die Schubkraft an den Halterungen wie folgt berechnet: Die kurzzeitige axiale Belastung im Rohr ergibt sich aus der Gleichung (2): E = 900 (MPa) a D T s = (ºC -1 ) = 20 ( C) = = 3.96 MPa Der Rohrquerschnitt beträgt A = 5479 mm 2 Aus Gleichung (3): F = = (N) Das Relaxationsverhalten von HDPE verringert sich allmählich gegenüber diesem Wert; deshalb wird der Langzeit-E-Modul verwendet: E = 160 MPa In diesem Fall erhalten wir aus den Gleichungen (2) und (3) s = (MPa) F = 3857 N 9

10 Chemische Belastung Im Gegensatz zu vielen anderen Rohrleitungswerkstoffen kommt es an HDPE-Rohren nach chemischen, elektrolytischen oder galvanischen Einflüssen nicht zu Erscheinungen wie Rost, Fäulnis, Lochfraß oder Korrosion. Eine chemische Umgebung, die potentiell für Polyethylenrohre problematisch ist, sind starke Oxidationsmittel. Übliche Oxidationsmittel sind: Hypochlorit und dessen Verbindungen wie Bleichmittel, Peroxidverbindungen, Ozon Salpetersäure, Jod und andere Halogene. Umgebungen, die solche aggressiven Chemikalien enthalten, können die Leistungscharakteristiken eines oberirdischen Rohrleitungssystems aus PE beeinträchtigen. Der anhaltende Kontakt von Polyethylen mit starken Oxidationsmitteln kann zur Bildung von Rissen auf der Rohroberfläche führen. Der gelegentliche Kontakt mit diesen Substanzen hat dagegen keine nennenswerte Auswirkung auf die Langzeitbeständigkeit von UPP-Rohren. Exposition gegenüber UV-Strahlung Wenn Polyethylenrohre im Freien in oberirdischen Systemen eingesetzt werden, sind die Rohre fast ständig der direkten Sonneneinstrahlung ausgesetzt. Die UV Strahlung des Sonnenlichts kann ungeschützte Polymere nachteilig beeinflussen. Die UPP-Rohre sind aufgrund des gleichmäßig und fein verteilten Gehalts an Carbon Black dauerhaft gegen die nachteiligen Wirkungen von UV-Strahlung geschützt. Mechanische oder stoßartige Belastungen Sämtliche Rohrleitungen, die an exponierten Stellen installiert sind, sind den umgebungsbedingten Einwirkungen ausgesetzt. Sie können durch das Verkehren von Fahrzeugen oder Maschinen beschädigt werden; solche Schäden bewirken in der Regel eine Aushöhlung, Verformung oder Abflachung der Rohroberflächen. Falls eine oberirdische Rohrleitung an einem Ort mit starker mechanischer Belastung (wie z.b. entlang einer Straße) installiert wird, ist ein besonderer Schutz der Leitung erforderlich. Die Leitung kann durch eine Böschung oder durch Einschalung an kritischen Stellen geschützt werden. Je nach der Situation können auch andere Methoden angewandt werden. In Installationen, in denen sich die Stärke in einem PE- Rohrabschnitt um mehr als 10% der Mindestwandstärke verringert hat, sollte der beschädigte Bereich entfernt und ausgetauscht werden. 10

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12 Tel: USA & Kanada Tel: Mexiko FFS2011 FFS-0134 Fass. 1 Rudolf-Diesel-Straße Wittlich, DEUTSCHLAND

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