Dehnungsschleifen für Stahlrohre

Übersicht

Ausdehnungsschleifen sind vorgefertigte Bögen in Rohrsystemen, die thermische Bewegungen aufnehmen, die durch Temperaturänderungen verursacht werden. Wenn sich Stahlrohre erwärmen, dehnen sie sich linear aus; ohne ein Entlastungsmechanismus erzeugt diese Ausdehnung zerstörerische Spannungen an Befestigungspunkten, Armaturen und Verbindungen.

Die drei Standardkonfigurationen für Ausdehnungsschleifen sind U-Bögen, Z-Bögen und L-Bögen, alle hergestellt aus Standardrohren und Bögen. U-Bögen sind am häufigsten und werden typischerweise in der Mitte zwischen zwei festen Befestigungspunkten platziert. Die Abmessungen der Schleife werden durch den Rohrdurchmesser, die gesamte lineare Ausdehnung und zulässige Spannungsgrenzen bestimmt.

Wichtige Formeln

Lineare thermische Ausdehnung

$\Delta l = \alpha \cdot \Delta T \cdot L$

Breite der U-Bogen-Schleife

$w = 0.015 \cdot \sqrt{\Delta l \cdot D}$

Der Gesamtversatz einer U-Bogen-Schleife beträgt $2w$ und die Gesamtlänge der Schleife beträgt $5w$.

Z-Bogen-Versatz

$w = 0.063 \cdot \sqrt{\Delta l \cdot D}$

Kurze Schenkellänge des L-Bogens

$S_{\min} = 6.225 \cdot \sqrt{\frac{\Delta l}{25.4} \cdot \frac{D}{25.4}} \cdot 0.305$

In den obigen Gleichungen werden $\Delta l$ und $D$ in Millimetern eingegeben; das Ergebnis ist in Metern.

Variablen

Referenz für die Ausdehnungskapazität von U-Bögen

Die nachstehende Tabelle gibt die ungefähre Ausdehnungskapazität (mm) für gängige Rohrgrößen bei verschiedenen Schleifenbreiten an.

Rechner

Thermischer Ausdehnungsrechner

U-Biege-Schleifenmaße

Z-Biege-Ausdehnungskompensator

L-Biege-Ausdehnungskompensator

Rechenbeispiel: 50 mm Dampfrohr

Ein 50 mm-Stahlrohr, 30 m lang, wird von 0 °C auf 180 °C erhitzt (typisch für 10 bar Dampfservice). Der Stahlausdehnungskoeffizient beträgt $12 \times 10^{-6}$ m/(m·K).

1. Lineare Ausdehnung: $\Delta l = 12 \times 10^{-6} \times 180 \times 30 \times 1000 = 64.8 \text{ mm}$

2. U-Bogen-Schleifenbreite: $w = 0.015 \times \sqrt{64.8 \times 50} = 0.015 \times 56.92 = 0.85 \text{ m}$

3. Gesamtschleifenabmessungen:

   • Versatz ($2w$): 1.71 m
   • Länge ($5w$): 4.27 m

Interaktives Diagramm zur Ausdehnungsschleifenkapazität

Das originale Diagramm stellt die Schleifenbreite auf der horizontalen Achse, die Ausdehnungskapazität auf der vertikalen Achse dar, und eine Kurve für jede Nennweite. Leere Quellenzellen werden als Lücken belassen, anstatt als Null geplottet zu werden.

Das Quellenkapazitätsdiagramm wurde oben als interaktives lokales Diagramm mithilfe der extrahierten Tabellendaten neu gezeichnet.

Technische Hinweise

• Ankerabstand bestimmt den Betrag der Ausdehnung. Platzieren Sie Ausdehnungsschleifen ungefähr in der Mitte zwischen den Ankern, um die Bewegung gleichmäßig aufzuteilen.
• Schleifenorientierung sollte freie Bewegung in Ausdehnungsrichtung ermöglichen. Stützen Sie die Schleifenschenkel, um ein Durchhängen unter Eigengewicht zu verhindern, erlauben Sie jedoch seitliches Wandern.
• Standardbögen (90° oder 45°) werden zur Herstellung von Schleifen verwendet; es sind keine Spezialformstücke erforderlich.
• Z-Bögen eignen sich für Rohrleitungen mit seitlichen Versätzen; der erforderliche Versatz beträgt für die gleiche Ausdehnung etwa das Doppelte der U-Bogen-Breite.
• L-Bögen sind weniger effizient als U-Bögen und erfordern eine längere Laufstrecke, um die gleiche Ausdehnung aufzunehmen.
• Die Werte der Referenztabelle sind annähernd. Für kritische Anwendungen (hoher Druck, hohe Temperatur, großer Durchmesser) führen Sie eine detaillierte Spannungsanalyse gemäß ASME B31.1 oder B31.3 durch.
• Typische Wärmeausdehnungskoeffizienten von Stahl: Kohlenstoffstahl ≈ 12 × 10⁻⁶ m/(m·K), Edelstahl ≈ 17 × 10⁻⁶ m/(m·K). Bei Verwendung von Edelstahl sind für die gleiche Temperaturänderung größere Schleifen erforderlich.

Referenzen

• Steel Pipe Expansion Loops — Engineering ToolBox