Variable Federstütze erklärt

Was sind Rohrleitungsstützen?

Rohrleitungssysteme müssen in der Lage sein, die auf sie wirkenden inneren und äußeren Kräfte zu bewältigen, ohne dass das Prozessfluid aus dem System austritt oder entweicht. Um dies zu ermöglichen, werden Rohrleitungsstützen eingesetzt. Dieser Artikel behandelt gängige Rohrleitungsstützendesigns, Typen, die Funktionsweise von Rohrleitungsstützen, den Zweck von Rohrleitungsstützen und häufige Probleme mit Rohrleitungsstützen.

Variable Rohrleitungsstütze

Wofür werden Rohrleitungsstützen verwendet?

Rohrleitungsstützen werden verwendet für:

• Tragfähigkeit eines Rohrleitungsabschnitts.
• Berücksichtigung von thermischer Ausdehnung.
• Berücksichtigung von Stoßbelastungen (Wasserschlag und hydraulischer Schub).
• Berücksichtigung von seismischen Aktivitäten (Erdbeben usw.).
• Berücksichtigung von Windlasten (wo zutreffend).

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Wie funktionieren Federstützen für Rohrleitungen?

Das allgemeine Funktionsprinzip von Federhängern basiert auf Hookes Gesetz, das vom englischen Wissenschaftler Robert Hooke entwickelt wurde. Die Materialverformung wird in Bezug auf Elastizität und Plastizität gemessen.

• Elastizität – wenn sich ein Material aufgrund von aufgebrachter Spannung verformt und in seine ursprüngliche Form zurückkehrt, wenn die Spannung entfernt wird.
• Plastizität - wenn sich ein Material aufgrund von aufgebrachter Spannung verformt und nicht in seine ursprüngliche Form zurückkehrt, wenn die Spannung entfernt wird.

Innerhalb des Elastizitätsbereichs eines Materials wird die Menge der Verformung in Bezug auf die aufgebrachte Spannung durch Hookes Gesetz beschrieben. Das Verhältnis zwischen Spannung und Verformung wird besser als Verhältnis zwischen Spannung und Dehnung beschrieben. Dehnung wird als Verhältnis ausgedrückt, das die Längenänderung mit der ursprünglichen Länge vergleicht; dieses Verhältnis ist einheitenlos, d.h. es ist nicht auf metrische, imperiale oder andere Formen der Entfernungsmaßnahme beschränkt.

Hookes Gesetz

Durch Kenntnis von vier Variablen ist es möglich zu wissen, wie weit sich ein Material ausdehnen wird, wenn ein bestimmter Druck angewendet wird. Die Gleichung lautet:

Diese einfache lineare Beziehung zwischen der Spannung (Kraft) und der Dehnung (Verlängerung) wurde mit der folgenden Notation formuliert.

P = Kraft, die die Verlängerung der Stange verursacht (lbf für imperiale Einheiten, Newtonmeter für metrische Einheiten)

 = Länge der Stange (Zoll imperial, oder Millimeter, Zentimeter oder Meter für metrische Einheiten)

A = Querschnittsfläche der Stange (Quadratzoll imperial, oder Quadratmillimeter, Quadratzentimeter oder Quadratmeter metrisch)

δ = Gesamtverlängerung der Stange (Zoll imperial, oder Millimeter, Zentimeter oder Meter metrisch)

E = Elastizitätskonstante des Materials, genannt Elastizitätsmodul oder Youngscher Modul (lbf/in.² imperial, oder Pascals (Pa) metrisch)

Beachten Sie, dass ein Pascal einem Newton pro Quadratmeter entspricht.

Die Größe E, das Verhältnis von Spannung zu Dehnung, ist das Elastizitätsmodul eines Materials bei Zug oder Druck und wird oft als Youngscher Modul bezeichnet.

Durch Kenntnis der obigen Gleichung und der zugehörigen vier Variablen können Ingenieure berechnen, wie weit sich eine Feder ausdehnen wird, wenn eine bestimmte Kraft angewendet wird. Dies bedeutet, dass Ingenieure auch berechnen können, wie weit sich eine Feder in einem Federhänger ausdehnen wird, wenn eine bestimmte Kraft/Last angewendet wird.

WICHTIG

Hookes Gesetz ist nur für Berechnungen innerhalb des Elastizitätsbereichs eines Materials relevant! Sobald eine Last den Elastizitätsbereich eines Materials überschreitet, tritt sie in den Bereich der Plastizität ein, was zu einer dauerhaften Verformung des Materials führt. Hookes Gesetz gilt nicht im Plastizitätsbereich eines Materials. 

Was ist der Unterschied zwischen primären und sekundären Stützen?

Eine primäre Stütze ist direkt an den Teilen und/oder Komponenten des Rohrleitungssystems befestigt, während eine sekundäre Stütze nur mit der primären Stütze verbunden ist. Ein Rohrleitungssystem wird typischerweise als jedes Element klassifiziert, das das System unterstützt oder daran befestigt ist. Daher werden sekundäre Stützen normalerweise als Teil eines Rohrleitungssystems betrachtet.

Primäre und sekundäre Rohrstützen

Klassifikationen von Rohrleitungsstützen

Es gibt verschiedene Möglichkeiten, Rohrleitungsstützen zu kategorisieren, obwohl eine der häufigsten die Konstruktionsweise ist. Rohrleitungsstützen können starr, elastisch oder verstellbar sein.

Starre Konstruktion

Starre Rohrleitungsstützen sind fest mit dem System durch Schweißen oder Klemmen verbunden. Diese Art von Rohrleitungsstütze ist sehr verbreitet, hat ein einfaches Design und passt sich nach der Installation nicht mehr an. Geschweißte Schuhe, Klemmenschuhe, Stützhalterungen, Ventilhalter und Zapfen sind allesamt Arten von starren Rohrleitungsstützen.

Elastische Konstruktion

Elastische Rohrleitungsstützen ermöglichen die Bewegung des Rohrleitungssystems. Hochtemperatursysteme verwenden immer elastische Stützen, um die thermische Ausdehnung innerhalb des Systems zu berücksichtigen. Es gibt zwei Haupttypen elastischer Stützen, nämlich die variablen und konstanten Typen (später in diesem Artikel besprochen).

Verstellbare Konstruktion

Verstellbare Rohrleitungsstützen ähneln starren Rohrleitungsstützen, ermöglichen jedoch eine gewisse Anpassung bei der Installation. Die Anpassung besteht normalerweise darin, die Stütze drehen zu können, um sie mit dem Rohr auszurichten, und/oder ihre Höhe geringfügig zu erhöhen oder zu verringern, um das Rohr besser zu stützen.

Dehnungsfugen und Dehnungsschleifen

Dehnungsfugen und Dehnungsschleifen werden ebenfalls verwendet, um die thermische Ausdehnung innerhalb von Rohrleitungssystemen zu berücksichtigen. Der Wartungsaufwand, der mit Dehnungsschleifen verbunden ist, ist weitaus geringer als der von Dehnungsfugen. Dehnungsfugen neigen dazu, im Laufe der Zeit zu reißen oder zu brechen, insbesondere wenn sie rauen Umgebungen ausgesetzt sind, z.B. Küstenregionen mit einer salzhaltigen, korrosiven Umgebung. Aus diesem Grund sind Rohrschleifen in den letzten Jahren bei den Designern von Rohrleitungssystemen beliebter geworden.

Rohrschleife

Was verursacht die thermische Ausdehnung in Rohrleitungssystemen?

Thermische Ausdehnung in Rohrmaterial tritt auf, wenn die Temperatur des Materials steigt. Wenn Materialien erhitzt werden, dehnen sie sich aufgrund der kinetischen Energie aus, die sie von der Wärme aufnehmen. Wenn ein Material abgekühlt wird, zieht sich das Material zusammen/schrumpft.

Rohrleitungen, die in einem breiten Temperaturbereich betrieben werden, z.B. Dampfsysteme, dehnen sich aus und ziehen sich zusammen, wenn die Temperatur entsprechend steigt und fällt. Die Menge der Ausdehnung oder Kontraktion hängt von der Art des Rohrmaterials, der Länge des Rohrs und dem minimalen und maximalen Temperaturbereich (Delta T) ab.

Rohrthermische Ausdehnung

Beispiel

Ein 50-Meter-Rohr erfährt einen Temperaturanstieg von 50⁰C. Die resultierende Wirkung auf die Rohrlänge wird sein:

• 175 mm Verlängerung, wenn aus PVC hergestellt.
• 40 mm Verlängerung, wenn aus Kupfer hergestellt.
• 25 mm Verlängerung, wenn aus Edelstahl hergestellt.

Wenn Rohrleitungsstützen diese Ausdehnung nicht berücksichtigen, erzeugt die Ausdehnung eine resultierende Kraft, die auf jedes feste Element wirkt, an das das Rohrleitungssystem angeschlossen ist. Die Kraft wird jede Einschränkung des Rohrleitungssystems bei weitem übersteigen und somit ist es wahrscheinlich, dass das Rohrleitungssystem und die Umgebung beschädigt werden.

Federstützen

Federstützen verwenden Federn, um die thermische Ausdehnung innerhalb eines Rohrleitungssystems zu berücksichtigen und sind eine Art von elastischer Stütze. Eine Federstütze enthält eine Feder, die beim Beladen komprimiert wird. Wenn sie nicht beladen ist, kehrt die Feder in ihre ursprüngliche Form zurück/dehnt sich aus.

Federn können einzeln oder in Serie (übereinander gestapelt) installiert werden. Bewegung wird in Bezug auf Richtung (auf und ab) und Größe (Bewegungsabstand) kategorisiert.

Jede Feder hat eine bestimmte Anzahl von Windungen (Anzahl der Umdrehungen), und diese Windungen bestehen aus ‘Draht’. Windungen werden mit unterschiedlichen Durchmessern gewickelt, abhängig von ihrem Design und Zweck; der Unterschied zwischen jeder Windung wird durch die Steigung gemessen. Eine große Durchmesser-Windung wird als ‘lose’ bezeichnet, während eine kleinere Durchmesser-Windung als ‘eng’ bezeichnet wird. Drähte werden typischerweise zu Standarddrahtdurchmessern aus standardisierten Materialien hergestellt.

Federnomenklatur

Wie man die Federsteifigkeit anpasst

Durch Anpassen der Dicke des Federdrahts oder der Enge der Federwindung wird ihre Steifigkeit (Widerstand gegen geometrische Veränderung bei Belastung) angepasst. Zum Beispiel erfordert eine dicke Drahtfeder mehr Kraft zum Komprimieren als eine dünne Drahtfeder. Ebenso erfordert eine ‘eng’ gewickelte Feder mehr Kraft zum Komprimieren als eine ‘lose’ gewickelte Feder. Das Ändern des Drahtmaterials ändert auch seine Steifigkeit, da die Dichte und Struktur der Materialien variieren.

Federsteifigkeit

Federstütztypen

Es gibt zwei Arten von Federstützen, die variablen und konstanten Typen. Beide Typen können weiter als entweder unter oder über Rohrstützen klassifiziert werden. Unterrohrstützen stützen Rohrleitungen von unten, während Überrohrstützen Rohrleitungen von oben stützen. Hängerstützen sind eine Art von Überrohrstütze. Bodenstützen sind eine Art von Unterrohrstütze.

Unterrohrstütze (Bodenstütze)

Konstante Federstütze

Die konstante Federstütze wird auch als ‘konstante Kraftfederstütze’ bezeichnet. Diese Art von Stütze ist so konzipiert, dass unabhängig von der auf die Stütze ausgeübten Last (vom Rohrleitungssystem) die Stützlast konstant bleibt. Die Stützlast variiert auch nicht, unabhängig von der Position des Rohrs (sofern das Rohr innerhalb des konstruierten Arbeitsbereichs der Stütze liegt).

Konstante Federstützen sind teurer als variable Federstützen und können die Last auch nicht selbst anpassen; dies sind die beiden Hauptgründe, warum sie nicht so häufig wie variable Federstützen sind. Ein weiterer Nachteil ist, dass die Lieferzeit länger ist als bei variablen Federstützen; dies ist ein Problem, wenn ein Ersatz schnell benötigt wird.

Variable Federstütze

Da eine Feder komprimiert wird, nimmt ihr Widerstand gegen weitere Kompression zu, weshalb der Begriff ‘variable Federstütze’ häufig verwendet wird, um diese Art von Stütze zu beschreiben (die Stützkraft variiert). Variable Federstützen bieten keine konstante Unterstützung, werden jedoch bevorzugt, da sie günstiger sind als ihre konstanten Gegenstücke. Als Faustregel gilt, dass nicht mehr als 25% der maximalen Arbeitslast (normalerweise die Last, wenn das Rohrleitungssystem im Betriebs- oder ‘heißen’ Zustand ist) auf eine variable Federstütze übertragen werden sollte.