und Armaturen 1.1 Rohre

Transkript

1 1 Rohre und Armaturen 1.1 Rohre Rohrleitungen sind fester Bestandteil von Produktions- sowie von Ver- bzw. Entsorgungsanlagen. Das Rohr selbst ist ein sehr altes Bauelement, das z. B. als Trag- und Stützelement, als Blas- und Trinkrohr sowie für die Weiterleitung von Stoffen eingesetzt wird. Die älteste bekannte Rohrleitung wurde in der Stadt Habuka Kabira im Euphrat-Gebiet gefunden. Die Wasserversorgung war bestimmend für die Bildung von Städten, für die Be- und Entwässerung, die Abfallentsorgung und die Brandbekämpfung. Die Rohre bestanden zunächst aus Holz, Fasern und Steinen. Das bisher mit ca Jahren älteste Metallrohr (Kupfer) wurde in einem ägyptischen Tempel gefunden. Da Rohre nur mit endlicher Länge gefertigt werden konnten, bestand das Problem der Verbindung und der Dichtung an den Stößen. Die Römer lösten dies mit Ton und Kalk. Römische Schriftquellen belegen das Gießen von Blechen mit genormter Breite und das Zusammenbiegen der Bleche zu Rohren von mm Durchmesser. Aus römischer Zeit sind sogar Flussunterquerungen, sog. Düker, bekannt (bei Lyon,5 km lang, 0 parallele Bleirohre). Das im Jahre 97 erschienene Buch De aquis arbis Romae von SEXTUS JULIUS FRONTINUS (geb. etwa 35 bis 40 n. Chr., gest. 103) zeigt, dass schon damals grundlegende Zusammenhänge zwischen Rohrquerschnitt, Volumenstrom und Druckabfall bekannt waren. Eine Rohrleitung muss Temperatur, Druck und Korrosion standhalten. Werkstoffe für Rohre sind heutzutage vorwiegend Stahl, Kunststoffe, zementgebundene Werkstoffe und in Laboren und Versuchshallen auch Glas. In Chemieanlagen beträgt der Planungsaufwand für Rohrleitungen zwischen 0 und 40 % des Gesamtaufwandes. Überschlägig schätzt man für Chemieanlagen die Kosten des Rohrleitungsmaterials einer Anlage, also Rohre einschließlich der Rohrleitungselemente und der Halterungen, auf 0 50 % der Kosten der Hauptausrüstungen (Apparate und Maschinen) der Anlage, die Kosten der Rohrleitungsmontage auf etwa % der Kosten der Hauptausrüstungen [80], [94]. Diese Montagekosten werden größer, wenn es sich um Hochdruck-Rohrleitungen oder Rohrleitungen aus hochlegierten Stählen oder um komplizierte Rohrleitungssysteme handelt. Unter Rohrleitungsbau versteht man die Arbeitsverrichtungen von der Planung bis zur Realisierung einer Rohrleitung (Bild 1.1). Der Rohrleitungsbau erfordert Kenntnisse aus den Gebieten Strömungsmechanik, Wärmelehre, Festigkeitslehre, Fertigungstechnik (Trennen, Fügen), Ökonomie, Qualitätsmanagement u. a. sowie die Bereitstellung unterschiedlicher Daten. Diese Verflechtung zeigt Bild 1..

2 100 1 Rohre und Armaturen Bild 1.1 Grobe Gliederung des Rohrleitungsbaues Bild 1. Verflechtungen bei der Rohrleitungsplanung

3 1.1 Rohre 1003 Rohrleitungsteile sind neben den Rohren im Wesentlichen die Formstücke, Verbindungselemente, Armaturen und Halterungen. Im Bedarfsfall kommen Isolierung und Rohrbrücken dazu. Basierend auf der technologischen Auslegung (Ermittlung des Durchmessers, Auswahl der Pumpen, Festlegung der Armaturen und der Regelungstechnik, Isolierdickenermittlung) folgt die konstruktive Auslegung (Werkstoffauswahl, Wandstärkenermittlung, Trassenführung, Dehnungsausgleich). Der Abschluss dieser Arbeiten ermöglicht das Aufstellen von Stücklisten als Grundlage für die Bestellung, die Montage und letztlich die Inbetriebnahme. Die Vielfalt der Elemente einer Rohrleitung erfordert zwingend eine Normung. Normen repräsentieren den Stand der Technik und sind im DIN-Normenwerk, aber auch in AD-Merkblättern (Arbeitsgemeinschaft Druckbehälter), in den Technischen Regeln für Dampfkessel (TRD), in den Technischen Regeln für brennbare Flüssigkeiten (TRbF), im Regelwerk des Deutschen Vereins des Gas- und Wasserfachs (DVGW) und den Technischen Regeln für Gashochdruckleitungen (TRGL) zu finden. Außerdem existieren spezielle Auslegungsvorschriften der Berufsgenossenschaften und Verbände. Zu den zu berücksichtigenden DIN- Normen gehören wiederum Grundnormen für Rohrleitungen, Normen für Rohre, Formstücke, Flansche, Dichtungen, Schrauben, Armaturen, Anwendungsnormen, schweißtechnische Normen u. a. Entsprechend dem Stand der Technik sind die Normen ebenfalls einer Weiterentwicklung unterworfen. Das ist bei der praktischen Arbeit unbedingt zu beachten, d. h., es sind stets die neuesten gültigen Vorschriften zu berücksichtigen. Eine Zusammenstellung der Normen ist im Bild 1.3 gegeben. Bild 1.3 Normen für Rohrleitungen, zusammengestellt von Mussmann [87], Stand:

4 4 Verlegung von Rohrleitungen Dieses Kapitel befasst sich mit der Verbindung der Rohrleitung mit der zugehörigen Tragund Stützkonstruktion. In diesem Zusammenhang ist die Bestimmung des Abstands der Rohrunterstützungen ebenso von Bedeutung wie die Untersuchung der Möglichkeiten zur Kompensation der thermisch bedingten Längenänderung der Leitung. 4.1 Halterungen Rohrleitungen müssen sofern sie nicht im Erdreich verlegt sind mit ihrer Trag- und Stützkonstruktion verbunden werden. Das erfolgt mithilfe unterschiedlichster Rohrhalterungen. Generell können die Rohrleitungen lokal oberhalb der Tragkonstruktion auf stehenden Halterungen angeordnet sein, oder sie sind lokal unter der Tragkonstruktion mittels hängender Halterungen angebracht. Die Bilder 4.1 und 4. zeigen beide Varianten. Es gilt zu beachten, dass Rohrleitungen thermischen Belastungen ausgesetzt sind. Diese ergeben sich aus unterschiedlichen Montage- und Betriebstemperaturen oder auch aus der wechselnden Umgebungs- und Betriebstemperatur. Die Folge sind thermisch bedingte Längenänderungen der Leitung. Diesen Beanspruchungen müssen die Halterungen genügen. Bild 4.1 Anordnung von Rohrleitungen auf einer Tragkonstruktion (SIKLA GmbH, Hausen) Bild 4. Hängende Anordnung einer Leitung (SIKLA GmbH, Hausen)

5 400 4 Verlegung von Rohrleitungen Folglich werden Loslager (Gleitlager) und Festlager (Festpunkte) ausgeführt. Die Loslager gestatten prinzipiell die Bewegung der Leitung. Man unterscheidet hierbei drei Varianten, die je nach Erfordernis eingesetzt werden (Bilder 4.3 und 4.4). a) b) c) Bild 4.3 Loslager mit a) drei (axial, vertikal, horizontal), b) zwei (axial, vertikal), c) einem axialen Bewegungs-Freiheitsgrad(en) Bild 4.4 Führungslager (SIKLA GmbH, Hausen) Dient eine Winkelkonsole als Tragwerk, beispielsweise bei Verlegung der Rohrleitung vor einer Wand, dann ist zu beachten, dass zusätzlich zu dem allein vom Eigengewicht der Leitung abhängigen Biegemoment ein weiteres Moment, bedingt durch die Reibkraft zwischen dem Gleitelement und der Konsole bei der Längsbewegung der Leitung, auftritt. Hier ist es erforderlich, die Konsole mit einer seitlichen Verstrebung zu stabilisieren (Bild 4.5). Bild 4.5 Gleitlager auf verstrebter Konsole (SIKLA GmbH, Hausen) Festpunkte sind eine starre Verbindung der Rohrleitung mit der Tragkonstruktion, d. h., sie unterbinden jegliche Bewegung der Leitung an dieser Stelle. Ihre konstruktive Gestaltung wird von der Art des Tragwerks und von der Größe der aufzunehmenden Belastung bestimmt. Bei einem Stahlbau-Tragwerk kann es schon ausreichend sein, ein Führungslager mit entsprechenden Klammern so zu fixieren, dass keine Längsbewegung mehr möglich ist. Wird die Leitung hängend oder auf einem Bauwerk verlegt, kann die Ausbildung des Festpunkts als Bockkonstruktion sinnvoll sein (Bild 4.6).

6 4.1 Halterungen 4003 Bild 4.6 Bockfestpunkt mit wechselnder Rohrkraft F (SIKLA GmbH, Hausen) Rohrhalterungen werden heute industriell gefertigt und zur Verfügung gestellt. Es gibt sie in isolierender Ausführung und auch als schalldämmende Variante. Sofern die Leitungen mit Gefälle verlegt werden müssen, werden höhenverstellbare Halterungen eingesetzt (z. B. Bild 4. und Bild 4.4). Im Hinblick auf die Rationalisierung des Anlagenbauprozesses hat es sich als günstig erwiesen, insbesondere für anlageninterne Rohrleitungen und für Leitungen in Gebäuden, die erforderliche Tragkonstruktion ebenfalls industriell zu fertigen und der Baustelle passfähig anzuliefern (Bilder 4.7 und 4.8). Im Erdreich verlegte Leitungen erfordern eine satte Lagerung in feinkörnigem Schüttgut (Sand), um Schäden an der Rohraußenseite zu vermeiden. Die Überdeckung über dem Rohrscheitel beträgt etwa mm. Eine solche Leitung wird außer durch den Innendruck auch noch durch die Erdlast beansprucht. Die äußere Beanspruchung führt auf das Problem der Beulbeanspruchung der Rohrwand bei elastischer Bettung. Dieses Stabilitätsproblem wird hier nicht behandelt. Bild 4.7 Vorgefertigtes Element einer Tragkonstruktion (SIKLA GmbH, Hausen) 1570han04.indd 4003 Bild 4.8 Vorgefertigte Rohrtrasse in einem Gebäude (SIKLA GmbH, Hausen) :11:17

7 Verlegung von Rohrleitungen 4. Stützweite in einer Rohrleitung Der Abstand der Unterstützungen in einer Rohrleitung darf nicht zu groß sein, denn dann besteht die Gefahr einer unzulässigen Durchbiegung und letztlich der Schädigung der Rohrleitung. Durch eine Anordnung der Unterstützungen in einem zu kurzen Abstand werden die damit verbundenen Kosten gesteigert, ohne dass dafür eine technische Notwendigkeit gegeben ist. Der Abstand der Rohrhalterungen ist folglich unter Beachtung technischer Sachverhalte festzulegen. Dazu ist eine entsprechende Modellvorstellung erforderlich. Ganz allgemein stellt eine Rohrleitung einen auf mehreren Stützen gelagerten Durchlaufträger dar (Bild 4.9) und müsste so berechnet werden. Zur vereinfachten Berechnung der Stützweite wird die tatsächliche Lagerung jedoch durch geeignete Modelle angenähert. Im folgenden werden zwei Ansätze verfolgt: Einspannung des Rohrs an den Stützen, gelenkige Lagerung des Rohrs an den Stützen. Bild 4.9 Rohrleitung als Durchlaufträger 4..1 Einspannung des Rohrs an den Stützen Bild 4.10 zeigt ein Rohr, das an den Stützen eingespannt ist. Hier greifen die Auflagerkräfte F A und F B sowie das Einspannmoment M E an. Mx ist das Schnittmoment. Die Streckenlast q möge die Eigenlast des Rohrs, des Mediums im Rohr, der Isolierung und der Zusatzlasten, z. B. Schnee, beinhalten. Bild 4.10 Rohrleitung mit Einspannmomenten an den Stützen Die Gleichgewichtsbetrachtung des Rohrfelds ergibt, formuliert am unverformten Rohr: 0: 0 (4.1) F F A F B ql und aus Symmetriegründen F A ql FB (4.) An der Schnittstelle (1) wirkt das Schnittmoment: qx M 0: M 1 xme FA x 0 (4.3)

8 4. Stützweite in einer Rohrleitung 4005 A E E E qx qlx qx qx Mx F xm M M l x (4.4) Die Durchbiegung Biegelinie: yx des Rohrs ermittelt man mithilfe der Differenzialgleichung der EIy x M x (4.5) Setzt man hier Gl. (4.4) ein, so folgt: qx EIy x ME l x (4.6) und durch Integration 3 qlx qx E 1 EIy x M x C (4.7) 4 6 x ql 3 q 4 E 1 EIy x M x x C x C (4.8) 1 4 Die Unbekannten C 1, C und M E sind mittels der folgenden Bedingungen zu bestimmen. Randbedingungen: C C1 1. y y Symmetriebedingung: 1 ql 3. y 0 ME 1 (4.9) Damit folgt als Gleichung für die Biegelinie ql x ql q EIyx x x und nach Umformen ql x x yx 1 4 EI l l (4.10) Die maximale Durchbiegung in der Mitte des Stützfelds ( x l ) unter der Annahme, dass die Rohrenden an den Auflagern starr eingespannt sind, ist somit y max 4 ql (4.11) 384 EI