Rohrhalterungen: Herausforderungen und Lösungen

Nov 05, 2023

1. Oktober 2020 | Von Scott Feller, AMG Inc.

Rohrhalterungen in industriellen Prozessanlagen sind oft komplizierter als allgemein angenommen. Hier werden einige der Herausforderungen vorgestellt, die auftreten können, und wie man ihnen begegnet

Auf einer Ebene scheint das Thema Rohrhalterungen einfach zu sein: Stützen Sie das Rohr. Und manchmal ist es so einfach, aber meistens ist es nicht so einfach. In industriellen Verarbeitungsanlagen gibt es unabhängig vom Prozess oder der Anwendung eine Vielzahl von Überlegungen, wenn es um Rohrhalterungen geht. Bedenken wie die maximal zulässige Spanne für Spannung, Durchbiegung, Vibration, Oberschwingungen und Wärmeausdehnung müssen berücksichtigt werden, ebenso wie die Wechselwirkung zwischen dem Rohr, seinen Stützen und den Strukturen, die diese Stützen tragen. Was passiert, wenn sich Rohre aus unterschiedlichen Konstruktionsmaterialien, mit unterschiedlichen zulässigen Spannungen und bei unterschiedlichen Temperaturen einen gemeinsamen Rohrständer teilen? Wenn diese Bedingungen gründlich berücksichtigt werden, können ordnungsgemäße Rohrhalterungen komplizierter werden.

In diesem Artikel werden verschiedene Herausforderungen bei der Rohrunterstützung und einige Möglichkeiten zur Bewältigung dieser Herausforderungen besprochen. Außerdem werden Beispiele für Stützen aufgezeigt, deren Einsatz entweder unwirksam ist oder deren Installation viel teurer ist als bei einem einfacheren Ansatz.

In Dampf- und Kondensatsystemen, Kaltwasser- und Kryoanwendungen sowie in vielen anderen Prozessrohrsystemen kommt es häufig zu Situationen mit thermischer Ausdehnung und Kontraktion von Rohrleitungen. Diese Rohrverläufe können vielfältige Herausforderungen mit sich bringen, darunter hohe Ankerlasten, Stutzenlasten auf die Ausrüstung, Dehnungsschleifengeometrie oder Auswahl und Platzierung von Dehnungsfugen. Der Trick besteht darin, die Ankerpunkte mit Bedacht zu wählen. Oft ist es notwendig, Anker in der Nähe (innerhalb von etwa 20 Fuß) von Anschlussgeräten wie Tanks oder Pumpen zu errichten, damit die thermische Ausdehnung oder Kontraktion zwischen dem Anker und dem Gerät minimiert und mit flexiblen Stützen leichter kontrolliert werden kann Beine, Flexgelenke, Federn und so weiter. Die längeren Strecken zwischen diesen Endankern können eine Herausforderung darstellen, insbesondere bei überlasteten Rohrgestellen. Sofern Dehnungsschleifen erforderlich sind, kann es sein, dass diese die Weiterführung benachbarter Leitungen blockieren. Die Verwendung einer Up-and-Over-Schleife kann dieses Problem lösen, kann aber auch die Rohrentwässerung verhindern, zusätzliche Kondensatableiter erfordern oder andere darüber liegende Rohrleitungen, Leitungen oder elektrische Leitungen beeinträchtigen. Lineare oder axiale Kompensatoren könnten eine Option sein, es muss jedoch darauf geachtet werden, den möglicherweise auftretenden druckinduzierten Schub zu berücksichtigen. Druckausgeglichene (oder kompensierte) Kompensatoren sind eine gute Option, können jedoch teuer sein. Wenn die Rohrstrecke Richtungsänderungen aufweist, können sie im Idealfall als flexible Beine verwendet werden, um ein Wachstum oder eine Kontraktion zu ermöglichen, wie in Abbildung 1 dargestellt. Der Expansions- oder Kontraktionsabstand muss bestimmt werden, um benachbarte Rohre richtig zu platzieren.

Abbildung 1. Lange Rohrstrecken können durch thermische Ausdehnung und Kontraktion kompliziert werden und die Abstände müssen bestimmt werden

Prozessanlagen, insbesondere Geräte mit rotierenden Komponenten wie Pumpen und Kompressoren, reagieren empfindlich auf durch Rohrleitungen ausgeübte Kräfte. Die auf die Düsen ausgeübten hohen Kräfte können zu einer verkürzten Lebensdauer der Dichtungen und vorzeitigem Lagerverschleiß führen. Auch für atmosphärische Tanks und Druckbehälter gelten Belastungsgrenzen. Belastungen aufgrund der Schwerkraft durch Rohrleitungen mit kleinem Durchmesser stellen im Allgemeinen kein großes Problem dar, durch Wärmeausdehnung verursachte Belastungen können jedoch enorm sein. Es gibt verschiedene Strategien, diese Düsenbelastungen zu reduzieren:

1. Erstellen Sie Richtungsänderungen im Rohrleitungsdesign, um Flexibilität zu ermöglichen und Kräfte zu reduzieren

2. Denken Sie darüber nach, bei der Installation eine Kaltfeder in die Rohrleitung einzubauen

3. Bewerten Sie den Einsatz von Federaufhängern oder -stützen, um thermische und Schwerkraftbelastungen in verschiedenen Lastfällen zu reduzieren

4. Erwägen Sie eine flexible Montage der Prozessausrüstung. Am Saugrohr einer Pumpe können oft hohe Kräfte auftreten – zum Beispiel, wenn diese über ein gerades Rohrstück direkt mit einem Tank verbunden ist. Während die thermische Ausdehnung oder Kontraktion des Rohrsegments möglicherweise nur einen kleinen Bruchteil eines Zolls beträgt, kann die Kraft, die erforderlich ist, um der durch die Ausdehnung erzeugten Kraft standzuhalten, Zehntausende Pfund betragen. Wenn Sie die Pumpe um 1/16 Zoll schweben lassen, kann die Reaktion auf ein vernachlässigbares Maß reduziert werden. Dies kann erreicht werden, indem die Pumpe auf Federhalterungen, auf einem Gleitsockel oder auf Gewindestangen montiert wird, die sich biegen lassen.

5. Dehnungs-/Flexverbindungen sind eine Option, um die Belastung der Gerätedüsen zu verringern. Leider werden sie oft falsch angewendet. Aufgrund der durch das Gelenk erzeugten Druckschubkräfte ist es sehr unwahrscheinlich, dass ein gerades Faltenbalg-Flexgelenk, das eine axiale Kompression ermöglichen soll, die Kräfte auf das obige Pumpensaugbeispiel auflöst, es sei denn, der maximale Druck, dem das System ausgesetzt ist (d. h (typischerweise Prüfdruck) ist sehr niedrig. Diese Art von Gelenken kann jedoch in einer Konfiguration mit seitlicher Verschiebung sehr vorteilhaft sein, wie in Abbildung 2 dargestellt.

Abbildung 2. Kompensatoren können die Belastung der Gerätedüsen verringern

Manchmal können Platzbeschränkungen die Unterstützung in der Nähe von Geräten erschweren, und es müssen sofort einsatzbereite Lösungen gefunden werden. Die Bilder in Abbildung 3 zeigen Stützen an Pumpenansaugstellen in einem Heißölsystem, wo das Rohr sowohl seitlich als auch vertikal gesteuert werden musste, aber auch Freiheit benötigte, um von der Pumpenansaugstelle wegzuwachsen.

Abbildung 3. Rohrstützen können eine seitliche und vertikale Kontrolle ermöglichen und gleichzeitig die Freiheit beim Wachsen ermöglichen

Anker sind wichtige Komponenten in jedem großen Rohrleitungssystem und sollen Bewegungen aller Kräfte in alle Richtungen standhalten. Sie legen die Grenzen und Kontrollbedingungen für alle anderen Rohrspannungs- und Unterstützungsanalysen fest. Das Besondere an Ankern ist, dass sie nicht nur dazu dienen, aufgebrachte Lasten zu tragen, wie Aufhänger und Führungen. Stattdessen müssen sie hinsichtlich ihrer Steifigkeit oder Steifigkeit bewertet werden. Wenn beispielsweise ein Anker am oberen Flansch eines Breitflanschträgers befestigt wird, ist die Steifigkeit dieses Ankers fraglich. Eine schwache Achsenbiegung und Torsionsinstabilität des Trägers können die Wirksamkeit des Ankers beeinträchtigen. Wenn der Anker nicht relativ steif ist, können alle anderen Spannungs- und Verschiebungsberechnungen, die auf dieser Ankerposition basieren, in Frage gestellt werden. Beim Entwurf eines Ankers ist es von entscheidender Bedeutung, dass der Anker und die ihn tragende Struktur gemeinsam bewertet werden, um sicherzustellen, dass sie zusammenwirken und so die gewünschte Leistung erzielen.

Führungen werden eingesetzt, um axiale Bewegungen, im Allgemeinen aufgrund von Wärmeausdehnung oder -kontraktion, zu ermöglichen und seitliche Bewegungen aufgrund von Windlasten, Anlagenvibrationen oder sogar seismischen Kräften einzuschränken. Wenn ein Rohr entlang eines Rohrgestells mit regelmäßig beabstandeten Stützbalken verläuft, ist die Auswahl und Bewertung der Führungen einfach. Für diese Situationen gibt es viele handelsübliche Leitfäden von Rohrherstellern. Für einige andere Bedingungen kann die Auswahl von Führungen eine größere Herausforderung darstellen – beispielsweise für ein Rohr, das einige Fuß unter Dachstahl oder vertikal einige Fuß über Baustahl verläuft. In diesen Fällen wird ein Katalogführer von der Stange wahrscheinlich nicht funktionieren, ohne dass erhebliche Kosten für zusätzlichen Baustahl anfallen. Eine kostengünstige Lösung für solche Beispiele ist die Verwendung von Rohrschellen und entweder Winkeleisenstreben oder Gewindestangen und Spannschlössern, um Zwei-Kraft-Elemente zu schaffen, die in zwei Richtungen Halt bieten, aber eine axiale Bewegung durch die leichte Biegung der beiden ermöglichen. Kraftglieder (Bilder 4 und 5).

Abbildung 4 (links). Rohrschellen und -streben können in zwei Richtungen Halt bieten und gleichzeitig eine axiale Bewegung ermöglichenAbbildung 5 (rechts). Durch die leichte Biegung der Zweikraftführungen kann eine axiale Bewegung erfolgen

Gleitschienen werden in sehr ähnlichen Fällen als Führungen eingesetzt und typischerweise zusammen bei thermischen Ausdehnungs- und Kontraktionsanwendungen eingesetzt. Gleitschienen bieten Unterstützung in einer Richtung (im Allgemeinen senkrecht zum Rohr), am häufigsten stützen sie ein horizontales Rohr von unten. Wie Führungen an einem Rohrgestell mit regelmäßig beabstandeten Trägern können die Schienen auf einfache Weise ausgewählt werden, und es sind viele handelsübliche Schienen erhältlich. Sie werden typischerweise so ausgewählt, dass sie zwei Freiheitsgrade ermöglichen, normalerweise lateral und axial. Aber auch hier gilt: In Fällen, in denen es keine einheitliche Rahmenebene zur Unterstützung der Folien gibt, müssen Alternativen untersucht werden. In vielen Fällen kann eine einfache Gabelkopfaufhängung verwendet werden, sofern die Aufhängungsstange im Vergleich zur erwarteten Rohrverschiebung lang ist.

Ein praktischer Ansatz für Rohrhalterungen kann die Konstruktion des Halterungssystems vereinfachen und in der Regel die Kosten für Halterungen senken. Im Folgenden finden Sie einige Beispiele für nicht so praktische Stützen sowie eine kurze Erklärung, warum sie unpraktisch sind, und eine bessere Alternative zum Beispiel.

Hoher Pfosten mit Rohrrutsche, Führung oder Anker oben. Ein hoher Pfosten erfährt wahrscheinlich eine relativ große Durchbiegung an der Spitze, abhängig von den Querschnittseigenschaften des Pfostens und sogar mit einem Schlitten oder einer Führung aus Polytetrafluorethylen (PTFE; Teflon) oder einem Polymer mit ultrahohem Molekulargewicht (UHMW). ist immer noch eine Reibungskraft, die auf den Pfosten ausgeübt wird (Abbildung 6).

Abbildung 6. Ein hoher Pfosten mit einer Rohrführung, Führung oder einem Anker an der Spitze erfährt wahrscheinlich eine relativ große Durchbiegung an der Spitze

Der praktische Ansatz besteht darin, die erwartete Verschiebung zu bewerten, die den Schieber oder die Führung erforderlich machte, und zu prüfen, ob der Pfosten und seine untere Befestigung (Schweiß- oder Grundplattenanker) diese Durchbiegung und dieses Biegemoment tolerieren können. Wenn dies möglich ist, wird der Schlitten oder die Führung wahrscheinlich nicht benötigt und ein einfacher U-Bolzen könnte ausreichen (Abbildung 7).

Abbildung 7. Wenn der Pfosten eine Biegung verträgt, kann eine Bügelschelle als Rohrstütze dienen

Bei einem Anker an einem hohen Pfosten muss die Steifigkeit des Ankers beurteilt werden, um sicherzustellen, dass die resultierende Durchbiegung keine Probleme im restlichen Rohrleitungssystem verursacht. Und auch hier kann ein U-Bolzen möglicherweise die gesamte Last übertragen, die der Pfosten bewältigen kann. Die Knickstabilität der Stütze muss in jedem Fall berücksichtigt werden, insbesondere aber, wenn es sich bei dem Pfosten nicht um ein geschlossenes Profilelement handelt.

Hoher Pfosten mit Ausleger und entweder einer Rohrführung, einer Führung oder einem Anker. Dieser Fall ist dem gerade beschriebenen sehr ähnlich und tritt häufig bei nachgerüsteten oder erweiterten Anlagenbereichen auf. Die Prinzipien sind die gleichen, jedoch mit zusätzlicher Torsion des Pfostens (Abbildung 8).

Abbildung 8. Ein Problem bei hohen Pfosten mit Auslegern ist die Torsion des Pfostens

Die Stütze ist wahrscheinlich so flexibel, dass Gleiter oder Führungen nicht erforderlich sind. Dies lässt sich leicht nachweisen, indem man die erwartete Verschiebung des Rohrs mit der Durchbiegung vergleicht, die sich aus der berechneten Reibungskraft des Gleiters/der Führung ergibt. Wenn die Reibungskraft ausreicht, um die Halterung um einen Grad zu verbiegen, der gleich oder größer als die erwartete Rohrverschiebung ist, sollte der Schlitten oder die Führung nicht benötigt werden, da sich die Halterung verbiegt, bevor sich der Schlitten oder die Führung zu bewegen beginnt. Auch hier muss die Knickstabilität der Stütze berücksichtigt werden, insbesondere wenn der Pfosten kein geschlossenes Profilelement ist.

Lange Gewindestangenaufhängung und verstellbare Rohrrolle. Dies ist ein weiterer Fall, der häufig vorkommt, und wie im Fall des hohen Pfostens reicht die Steifigkeit der Gewindestangenaufhängung wahrscheinlich nicht aus, um den nötigen Widerstand zu bieten, damit die Rolle rollt, so dass die Rolle nur als teure Rolle fungiert Gabelkopfaufhänger (Abbildung 9).

Abbildung 9. Die Steifheit eines Stangenaufhängers, wie der hier gezeigte, wird wahrscheinlich nicht den Widerstand bieten, den die Rolle beim Rollen benötigt

Die Konstruktion und Konstruktion von Rohrhalterungen kann wie alle anderen Bereiche der Technik in einer Industrieanlage eine Herausforderung darstellen. Mit ein wenig Verständnis für die verschiedenen Situationen und indem nicht immer auf eine Lösung von der Stange zurückgegriffen wird, kann die Konstruktion oft einfacher, zuverlässiger, kostengünstiger und einfacher zu installieren sein.

Herausgegeben von Scott Jenkins

Scott Feller ist Executive Vice President of Operations bei AMG, Inc. (1497 Shoup Mill Rd, Dayton, OH, 45414; Telefon: 937-260-4630; E-Mail: [email protected]). AMG, Inc. ist ein Full-Service-Ingenieurberatungsunternehmen, das eine breite Palette von Design- und Bauunterstützungsdienstleistungen für verschiedene chemische Verarbeitungs- und verwandte Schwerindustriesegmente anbietet.