Toepassingen in leidingsystemen: de effecten van thermische uitzetting op ondersteuningssystemen

In veel gevallen worden industriële installaties gebruikt voor het transport van vloeistoffen of gassen bij hoge temperaturen, die bovendien kunnen variëren tijdens de verschillende bedrijfsfasen van de installatie of het productieproces. In andere gevallen worden leidingen blootgesteld aan uiteenlopende klimatologische omstandigheden. In beide situaties kan een metalen leiding uitzetten als gevolg van temperatuurveranderingen. Daarom is het essentieel om eventuele uitzettingen van het leidingsysteem en de daaruit voortvloeiende krachten op de ondersteuningen te onderzoeken.

Hoe worden thermische uitzettingen gedefinieerd?

Thermische uitzetting wordt gedefinieerd als de lengteverandering van een leiding die wordt blootgesteld aan een bepaald temperatuurverschil. Dit temperatuurverschil is het verschil tussen de bedrijfstemperatuur en de montagetemperatuur. De thermische uitzetting is in dit geval afhankelijk van drie factoren:

• Lengte van de leiding bij omgevingstemperatuur

• Coëfficiënt van thermische uitzetting van het leidingmateriaal

• Temperatuurverschil tussen bedrijfs- en omgevingstemperatuur

Wat kan er gebeuren bij ongecontroleerde leidinguitzettingen?

Leidingsystemen staan in wisselwerking met constructies en ondersteuningselementen. Daarom is het belangrijk om uitzettingen te analyseren en te beheersen, zodat schade aan het systeem zelf, aangrenzende installaties en de constructies waarop het systeem is aangesloten wordt voorkomen.

Stel dat een leiding alleen wordt ondersteund om verticale zwaartekrachtbelastingen op te nemen en vervolgens wordt blootgesteld aan een temperatuurverandering ΔT, waardoor een uitzetting ΔL ontstaat. Als deze uitzetting niet wordt beheerst, kan het effect optreden dat hieronder wordt weergegeven: een horizontale verplaatsing die leidt tot opwaartse vervorming van de leiding en tevens de vaste ondersteuningen vervormt. Dit kan leiden tot beschadiging van leidingverbindingen, met name bij richtingsveranderingen, vervorming van ondersteuningen en andere schade aan de constructie.

Hoe kunnen schade en vervormingen van een leiding onder thermische uitzetting worden beperkt en beheerst?

Schade aan leidingen of constructies als gevolg van thermische uitzetting kan worden voorkomen door het systeem als geheel te analyseren en daarbij de volgende onderdelen te beoordelen: Vastpunten (fixed points), waar verplaatsing wordt verhinderd. Flexibele punten of glij-elementen, waar axiale beweging mogelijk is of compensatiezones.

Het doel is om spanningen die door thermische effecten in de leiding ontstaan te verminderen of volledig weg te nemen. Dit wordt bereikt door de leiding op één of meerdere punten vast te zetten (via vastpunten) en de uitzetting op te vangen met speciale elementen, zoals:

• Natuurlijke compensatoren: gevormd door leidingbochten; voorbeelden zijn de klassieke lier- of omega-compensatoren

• Kunstmatige compensatoren: geprefabriceerde elementen zoals balgcompensatoren

Dit kan op de volgende drie manieren worden gerealiseerd:

• Een vast punt aan één zijde van de leiding plaatsen en uitzetting aan de andere zijde toelaten via een natuurlijke of kunstmatige compensator.

• Een vast punt in het midden van de leiding plaatsen en uitzetting aan beide zijden toelaten.

• Twee vaste punten aan de uiteinden van de leiding plaatsen en compensatie in het midden van de leiding voorzien.

Waar moeten de vaste punten worden geplaatst?

Een veelgebruikte vuistregel is om een vast punt te plaatsen in het midden van een recht leidingtraject langer dan 10 meter, waarna de compensatie wordt gerealiseerd door natuurlijke of kunstmatige compensatoren.

Daarom is het belangrijk om het systeem onder te verdelen in:

• Vaste zone (nabij de vastpunten)

• Uitzettingszone (tussen de vaste zone en de compensatiezone)

• Compensatiezone (ter hoogte van de natuurlijke of kunstmatige compensator)

Het is belangrijk om te beseffen dat in de uitzettingszone elementen moeten worden toegepast die axiale beweging van de leiding mogelijk maken in het traject tussen de vaste zone en de compensatiezone. In deze zone moet de leiding namelijk statisch worden ondersteund, terwijl gelijktijdig axiale beweging mogelijk blijft via glij-elementen (slides). In het onderstaande voorbeeld vertegenwoordigen de rode elementen de vastpunten (vaste zone), bevinden de zwarte ondersteuningen zich in de uitzettingszone en stelt het groen gemarkeerde element de compensator voor.

Ontdek hoe u eenvoudig kunt ontwerpen met de HILTI FixPoint Calculator, raadpleeg onze technische handleidingen (technical manuals) voor andere toepassingen of laat een reactie achter als u vragen heeft.