Ausdehnungsschleifen für Stahlrohre

Überblick

Ausdehnungsschleifen sind vorgefertigte Biegungen in Rohrleitungen, die durch Temperaturänderungen verursachte Wärmebewegungen aufnehmen. Wenn sich Stahlrohre erwärmen, dehnen sie sich linear aus; ohne einen Entlastungsmechanismus erzeugt diese Ausdehnung zerstörerische Spannungen an Ankerpunkten, Formstücken und Verbindungen.

Die drei Standardkonfigurationen von Ausdehnungsschleifen sind U-Bögen, Z-Bögen und L-Bögen, die alle aus Standardrohren und Bögen hergestellt werden. U-Bögen sind die gebräuchlichsten und werden typischerweise in der Mitte zwischen zwei festen Ankerpunkten platziert. Die Schleifenabmessungen werden durch den Rohrdurchmesser, die gesamte lineare Ausdehnung und zulässige Spannungsgrenzen bestimmt.

Wichtige Formeln

Lineare Wärmeausdehnung

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

Breite der U-Bogen-Schleife

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

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

Z-Bogen-Versatz

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

Kurze Schenkelänge 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

Referenzwerte für Ausdehnungskapazität von U-Bögen

Die nachfolgende Tabelle enthält ungefähre Ausdehnungskapazitäten (mm) für gängige Rohrgrößen bei verschiedenen Schleifenbreiten.

Rechner

Wärmeausdehnungsrechner

Abmessungen der U-Bogen-Schleife

Z-Biege-Ausdehnungskompensator

L-Biege-Ausdehnungskompensator

Durchgerechnetes Beispiel: 50 mm Dampfrohr

Ein 50 mm Stahlrohr, 30 m lang, wird von 0 °C auf 180 °C erhitzt (typisch für 10 bar Dampfdienst). Der Stahl-Ausdehnungskoeffizient 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-Biege-Schleifenbreite: $w = 0.015 \times \sqrt{64.8 \times 50} = 0.015 \times 56.92 = 0.85 \text{ m}$

3. Gesamte Schleifenmaße:

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

Ursprüngliche Quellentabelle

Die ursprüngliche Engineering ToolBox-Tabelle verwendet die Schleifenbreite als Spaltengruppe und die Ausdehnungskapazität als Zellenwert. Leere Zellen in der Quelle werden hier als leere Zellen beibehalten.

Interaktives Diagramm der Ausdehnungsschleifenkapazität

Das ursprüngliche Diagramm stellt die Schleifenbreite auf der horizontalen Achse, die Ausdehnungskapazität auf der vertikalen Achse dar und eine Kurve für jeden Nenndurchmesser. Leere Quellenzellen werden als Lücken belassen, anstatt als Null dargestellt zu werden.

Das Quellendiagramm der Kapazität wird oben als interaktives lokales Diagramm unter Verwendung der extrahierten Tabellendaten neu gezeichnet.

Technische Hinweise

• Ankerversatz bestimmt die Expansionsmenge. Platzieren Sie Expansionsschleifen ungefähr in der Mitte zwischen Ankern, um die Bewegung gleichmäßig aufzuteilen.
• Schleifenorientierung sollte freie Bewegung in Expansionsrichtung ermöglichen. Stützen Sie die Schleifenschenkel, um ein Durchhängen unter Gewicht zu verhindern, aber seitliche Bewegung zulassen.
• Standard-Rohrbogen (90° oder 45°) werden zur Herstellung von Schleifen verwendet; es sind keine speziellen Armaturen erforderlich.
• Z-Bögen eignen sich für Rohrleitungen mit seitlichen Versätzen; der erforderliche Versatz ist für die gleiche Expansion ungefähr doppelt so breit wie die U-Biegung.
• L-Bögen sind weniger effizient als U-Bögen und erfordern eine längere Leitung, um die gleiche Expansion 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 Stahlexpansionskoeffizienten: Kohlenstoffstahl ≈ 12 × 10⁻⁶ m/(m·K), Edelstahl ≈ 17 × 10⁻⁶ m/(m·K). Die Verwendung von Edelstahl erfordert für die gleiche Temperaturänderung größere Schleifen.

Referenzen

• Stahlrohr-Expansionsschleifen — Engineering ToolBox