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Warum thermisch flexible Rohrleitungen schwingungsanfällig sein können
Beweglichkeit ist notwendig – aber nicht in jeder Richtung.
Wer eine Rohrleitung ausschließlich hinsichtlich ihrer Wärmeausdehnung betrachtet, wird häufig ausreichend lange Rohrschenkel und möglichst wenig behinderte Bewegungen vorsehen. Dadurch lassen sich thermische Zwangskräfte reduzieren. Bei einer schwingungsbeanspruchten Leitung können dieselben Eigenschaften jedoch ungünstig sein: Lange freie Abschnitte und nachgiebige Unterstützungen können dynamische Bewegungen begünstigen.
Das Planungsziel sollte deshalb nicht „möglichst viele Freiheitsgrade“ lauten, sondern: Die erforderlichen thermischen Bewegungen zulassen und unerwünschte dynamische Bewegungen gezielt begrenzen.
Diese Anforderungen müssen sich nicht grundsätzlich ausschließen. Es gibt beispielsweise Rohrlagerkonzepte, die thermisches Gleiten ermöglichen und gleichzeitig eine definierte schwingungsmindernde Unterstützung gewährleisten. Entscheidend sind die tatsächliche Ausführung und das Verhalten der gesamten Lagerung.
Was bestimmt das Schwingungsverhalten?
Eine Rohrleitung besitzt Eigenfrequenzen und zugehörige Eigenformen. Diese beschreiben, bei welchen Frequenzen und in welchen Bewegungsformen das System bevorzugt schwingt. Rohrabmessungen, Leitungsverlauf, Massen und die Anordnung sowie Steifigkeit der Halterungen beeinflussen diese Eigenschaften. Eine zusätzliche Armatur oder eine veränderte Unterstützung kann das Verhalten daher verändern.
Wirkt eine passende Anregung nahe einer Eigenfrequenz, kann es zur Resonanz kommen. Besonders bei geringer Dämpfung können sich dann große Schwingungsantworten entwickeln. Resonanz ist allerdings nicht die einzige Ursache kritischer Bewegungen: Auch ausreichend starke stoßartige oder breitbandige Anregungen können problematisch sein.
Eine Anregung muss nicht von außen sichtbar sein
Eine einmalige Störung kann die Rohrleitung zum Nachschwingen bringen. Für anhaltende Schwingungen muss dagegen fortlaufend Energie zugeführt werden. Diese Energie kann von einer Maschine stammen, aber ebenso aus der Strömung oder einer Wechselwirkung zwischen Ventil, Druck und Durchfluss.
Ein Beispiel ist ein schlagendes Sicherheitsventil: Ungünstige Druckverhältnisse können ein wiederholtes Öffnen und Schließen auslösen. Die Schwingung entsteht dann aus dem Zusammenwirken von Anlage und Ventil – nicht durch einen von außen vorgegebenen periodischen Stoß.
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Welche Ursachen können Rohrleitungsschwingungen haben?
Pumpen und vibrierende Maschinen sind naheliegende Verdächtige. Für eine belastbare Ursachenanalyse muss jedoch auch das strömende Medium betrachtet werden.
Kleine Anschlüsse verdienen besondere Aufmerksamkeit
Nicht immer ist der größte Rohrleitungsabschnitt die kritische Stelle. Kleine, auskragende Abzweige mit Armaturen oder Messgeräten können empfindlich auf die Bewegung der Hauptleitung reagieren. Besonders die Anschlussbereiche und Schweißnähte sind dann hinsichtlich ihrer Ermüdungsbeanspruchung zu betrachten.
Eine kleine Nennweite ist deshalb kein verlässliches Argument gegen eine Schwingungsbewertung.
Auch die Anzahl der Belastungswechsel wird leicht unterschätzt: Eine Schwingung mit zehn vollständigen Zyklen pro Sekunde verursacht bereits 36.000 Zyklen in einer Stunde. Diese reine Zählung ist noch kein Lebensdauernachweis, verdeutlicht aber den Unterschied zu wenigen thermischen An- und Abfahrzyklen. Weiter Urachen:
- Pumpen, Verdichter und andere Maschinen - Mechanische Bewegungen können über Anschlüsse und Tragkonstruktionen übertragen werden. Zusätzlich erzeugen Maschinen Druckschwankungen im Medium; bei Kreiselpumpen beispielsweise durch die Wechselwirkung zwischen Laufschaufeln und Strömung.
- Turbulente Strömung - An Bögen, Abzweigen oder teilweise geschlossenen Armaturen entstehen wechselnde Strömungskräfte. Diese können das Rohrleitungssystem anregen, ohne dass eine auffällig vibrierende Maschine vorhanden ist.
- Kavitation - Entstehen und kollabieren Dampfblasen in einer Flüssigkeit, können Geräusche, Druckschwankungen und schädigende Beanspruchungen auftreten. Betroffen sein können sowohl Pumpen als auch Armaturen.
- Instabil arbeitende Ventile - Flattern oder Schlagen kann aus ungünstigen Betriebs- und Druckverhältnissen entstehen. Bei Sicherheitsventilen spielen beispielsweise die Druckverluste der Zu- und Ableitung eine Rolle.
- Akustische Anregung bei Gasentspannung - Große Druckentspannungen an Regel- oder Entlastungsarmaturen können hochfrequente Schallenergie erzeugen. Diese kann lokale Schwingungen der Rohrwand und hohe Beanspruchungen an angeschweißten Details verursachen.
- Zweiphasen- und Pfropfenströmung - Flüssigkeitspfropfen und wechselnde Strömungszustände können erhebliche dynamische Kräfte hervorrufen. Solche Anregungen müssen nicht regelmäßig oder mit einer konstanten Frequenz auftreten.
- Kondensat- und Wasserschlag in Dampfsystemen - Ungünstige Leitungsführung, Kondensatansammlungen oder unzureichende Entwässerung können schlagartige Belastungen auslösen. Die Ursache liegt dann häufig im Systemaufbau und nicht allein im betroffenen Bauteil.
- Pumpenschaltungen und schnelle Armaturenbewegungen - Rasche Änderungen der Strömungsgeschwindigkeit erzeugen Druckwellen. Diese können Rohrleitungen, Armaturen und Halterungen dynamisch beanspruchen.
- Akustische Resonanzen in Seitenzweigen - Auch nicht durchströmte Leitungsabzweige können unter bestimmten Bedingungen akustisch angeregt werden. Daraus können Druckpulsationen und wechselnde Kräfte im Rohrleitungssystem entstehen.
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Gegenmaßnahmen: Erst verstehen, dann verändern
Vor einer konstruktiven Änderung sollte geklärt werden, unter welchen Bedingungen die Schwingung auftritt: dauerhaft oder nur beim Anfahren, bei einer bestimmten Drehzahl, nach einer Ventilbewegung oder erst bei einem bestimmten Durchsatz?
Für die Untersuchung sind nicht nur sichtbare Ausschläge interessant. Je nach Aufgabe werden Schwinggeschwindigkeit, Beschleunigung oder Dehnung erfasst und mit dem Betriebszustand abgeglichen. Durch die Verbindung von Messdaten und Berechnungsmodell lassen sich die Beanspruchungen kritischer Anschlussbereiche genauer beurteilen.
Bei neuen starken Schwingungen, schlagenden Leitungen, erkennbaren Schäden oder Undichtigkeiten hat zunächst die sichere Beurteilung des Betriebszustands Vorrang. Änderungen sollten nicht durch improvisiertes Festklemmen oder unkontrollierte Betriebsversuche erfolgen.
Unser Ansatz ist, zunächst die Möglichkeit einer ursächlichen Verbesserung zu prüfen.
Bei Druckstößen können beispielsweise angepasste Schaltabläufe oder geeignete Armaturen-Schließverläufe Bestandteil einer Lösung sein. Welche Maßnahme geeignet ist, hängt vom gesamten hydraulischen System ab; ein lediglich langsamerer oder schnellerer Ablauf ist nicht automatisch richtig.
Entsteht die Anregung an einer Regelarmatur, sollten deren Auswahl und Betriebsbedingungen untersucht werden. Bei großen Druckabfällen können dafür ausgelegte Ventilinnenteile und Druckreduktionskonzepte erforderlich sein. Kavitation oder strömungsbedingte Anregung lassen sich nicht zuverlässig dadurch beheben, dass die nachgeschaltete Rohrleitung stärker befestigt wird.
Bei Dampfleitungen sind dagegen Gefälle, Entwässerung und Kondensatableitung mögliche Ansatzpunkte. Eine zusätzliche Halterung beseitigt keine Kondensatansammlung.
Eine Änderung der Betriebsweise kann die einfachste Lösung sein – sie ist aber nur dann geeignet, wenn Prozessanforderungen, zulässige Betriebsbereiche und Sicherheitsfunktionen weiterhin eingehalten werden. Einstellungen an Sicherheitseinrichtungen gehören nicht zu frei veränderbaren Optimierungsparametern.
Lässt sich die Anregung nicht ausreichend reduzieren, kommt eine Anpassung der Lagerung infrage. Dazu können zusätzliche Unterstützungen, kürzere freie Rohrabschnitte oder eine steifere Anschlusskonstruktion gehören.
Dabei reicht es nicht, nur die Rohrschelle zu betrachten: Eine wirksame Halterung benötigt auch einen ausreichend steifen Lastpfad bis in den tragenden Stahlbau oder das Bauwerk. Die Lage der Halterung muss zur maßgebenden Schwingungsform passen.
Gleichzeitig muss die erforderliche thermische Bewegung erhalten bleiben. Eine geeignete Lagerung kann beispielsweise eine Bewegungsrichtung kontrollieren, ohne jede Längsverschiebung zu verhindern. Hersteller bieten dafür auch speziell auf thermisches Gleiten und Schwingungsbegrenzung abgestimmte Rohrlager an.
Mehr Steifigkeit ist eine mögliche Maßnahme, aber kein Selbstzweck. Zu prüfen ist, ob sich die dynamische Reaktion verbessert und welche zusätzlichen Kräfte im warmen Betriebszustand entstehen.
Dämpfer setzen an einem anderen Punkt an: Sie entziehen dem schwingenden System Energie.
Viskoelastische Rohrleitungsdämpfer wandeln Bewegungsenergie in Wärme um und können dadurch insbesondere resonante Schwingungen reduzieren. Für die Auswahl sind unter anderem Bewegungsweg, Frequenzbereich, Temperatur und die Anbindung an ein geeignetes Widerlager maßgebend. Die beschriebenen Dämpfer ersetzen dabei keine statische Gewichtsunterstützung.
Davon zu unterscheiden sind Stoßbremsen beziehungsweise Snubber. Diese erlauben langsame thermische Bewegungen mit geringem Widerstand und stellen bei schnellen Bewegungen eine annähernd starre Verbindung her. Sie dienen damit vor allem der Begrenzung dynamischer Ereignisse; ihre Eignung für die konkrete Beanspruchung muss gesondert geprüft werden.
Auch Federung und Dämpfung sind nicht dasselbe. Ein elastisches Element verändert zunächst die Lagerungseigenschaften. Ob damit eine wirksame Schwingungsminderung erreicht wird, hängt von seiner Abstimmung auf das System ab.
Eine dynamische Untersuchung sollte zur Fragestellung passen. Die Eigenfrequenzanalyse allein liefert noch keine tatsächlichen Betriebsschwingungen oder dynamischen Spannungen. Dafür müssen auch Anregung, Dämpfung und Randbedingungen berücksichtigt werden.
ROHR2 bietet neben der statischen Analyse unter anderem die Berechnung von Eigenfrequenzen und Eigenformen sowie Untersuchungen mit harmonischer oder zeitabhängiger Anregung. Damit können geeignete Modelle für die Bewertung dynamischer Belastungen aufgebaut werden.
Bei hochfrequenten lokalen Rohrwandschwingungen ist allerdings eine andere Betrachtung erforderlich als bei der Biegeschwingung eines gesamten Leitungsabschnitts. Eine zusätzliche Führung ist deshalb nicht für jeden Schwingungsmechanismus die passende Antwort.
Nach der Umsetzung sollte die Wirkung unter vergleichbaren Betriebsbedingungen überprüft werden.
