Rohrleitungen

Bei der Installation von Rohr­leitungssystemen verwendet man die Begriffe Nennweite (DN) und Nenndruck (PN) einer Rohrleitung als kennzeichnende Merkmale um zueinander passende Teile wie z. B. Flanschverbindungen zu definieren. Nennweite und Nenndruck sind jeweils nach dem geometrischen Stufensprung genormt.

Die Dimensionierung von Rohrleitungen, also die Festlegung der Nennweite und des Nenndrucks für Rohrleitungen und Armaturen ist dabei immer ein Abwägen zwischen den technisch notwendigen Anforderungen wie z. B. den Druckverlust oder den Wärmeverlust möglichst gering zu halten und den hierfür notwendigen Investitions- und Betriebskosten. Dabei ergibt sich für jede Rohrleitung und jede Anlage ein unterschiedliches Gesamt­kostenoptimum zwischen Investitions- und Betriebskosten. Durch den meist flachen Kurvenverlauf im Bereich des Minimums der Gesamtkosten liegen oft zwei Nennweiten im optimalen Bereich.

Beispielhafter, schematischer Kostenverlauf bei der Rohrleitungsdimensionierung

Beispielhafter, schematischer Kostenverlauf bei der Rohr­leitungsdimensionierung

Gesamtkosten

Betriebskosten

Investitions­kosten

Für die Auslegung von Rohrleitungen sind folgende Schritte zu beachten:

  • Nennweite festlegen
  • Nenndruck festlegen
  • Werkstoff auswählen
  • Stützweiten festlegen
  • Wärmeausdehnung beachten
  • Besonderheiten des Mediums bei der Montage beachten

Da für eine detaillierte Betrachtung jedoch viele anlagenspezifische, technische und kaufmännische Ein­zel­parameter betrachtet werden müssten, werden Rohrleitungen meist nach wirtschaftlich sinnvollen und technisch notwendigen Erfahrungswerten für die zulässige Strömungsgeschwindigkeit ausgelegt. Abhängig vom Medium und des Einsatzes haben sich die Richtwerte in vielen Anlagen als praxiskonform bewährt.


Medium

Anwendungsbereich

Richt­geschwindigkeit

Dampf

0 ... 1 bar

20 ... 25 m/s

1 ... 40 bar

30 ... 40 m/s

Wasser

Saugleitung

0,4 (0,25 ... 0,6) m/s

Druckleitung

2 (1,5 ... 3) m/s

Kondensat

Dampfanteil

15 m/s

Wasseranteil

2 m/s

Rauchgas

16,5 m/s

Öl

Leichtöl Saugseite

0,5 m/s

Leichtöl Druckseite

1 m/s

Schweröl Saugseite

0,3 m/s

Schweröl Druckseite

0,5 m/s

Erdgas

Keine Vorgaben (Auslegung über Druckverlust)

Übliche Auslegungs­geschwindigkeiten (Richt­geschwindigkeiten) zur Rohr­leitungsdimensionierung

Festlegung der Nennweite DN

Die Nennweiten nachfolgender Tabelle haben keine Einheit. Sie entsprechen nur annähernd dem Innen­durchmesser der Rohrleitung in mm. Dies ist fertigungsbedingt, da die Werkzeuge für die Fertigung von Rohren über den Außendurchmesser festgelegt sind und daher der lichte Durchmesser je nach Wandstärke schwankt. Für die grobe Dimensionierung ist es meist ausreichend den Nenndurch­messer als Berechnungsgröße für den Innendurchmesser heranzuziehen.

Nennweite
DN

Außendurchmesser d1
[mm]

 

Nennweite
DN

Außendurchmesser d1
[mm]

 

Nennweite
DN

Außendurchmesser d1
[mm]

6

10,2

 

80

88,9

 

500

508,0

8

13,5

 

100

114,3

 

600

610,0

10

17,2

 

125

139,7

 

700

711,0

15

21,3

 

150

168,3

 

800

813,0

20

26,9

 

200

219,1

 

900

914,0

25

33,7

 

250

273,0

 

1 000

1 016,0

32

42,4

 

300

323,9

 

1 200

1 219,0

40

48,3

 

350

355,6

 

1 400

1 422,0

50

60,3

 

400

406,4

 

1 600

1 626,0

65

76,1

 

450

457,0

     

Rohrdurch­messer (EN 10255:2004+A1:2007, EN 1092-1:2013-04, Tabelle A.1)

Die erforderliche Nennweite kann dann wie folgt berechnet werden:

 
Berechnung

Gleichung zur Berechnung der erforderlichen Nennweite

Beispielrechnung zur Ermittlung der erforderlichen Nennweite

kgh 3600sh ⋅ 4 π ⋅ kg m s
⋅ 1000 mm m = 44 mm ≤ DN 50
 

DN

Rohrnennweite [mm]

Volumenstrom [m³/s]

Massenstrom [kg/h]

ρ

Dichte [kg/m³]

u

Richt­geschwindigkeit nach Tabelle [m/s]

Zur Optimierung der nach einer zulässigen Richt­geschwindigkeit ausgelegten Nennweite kann es in Einzelfällen z. B. bei besonders langen Rohrleitungen sinnvoll sein, mit Hilfe von speziellen Auslegungs­programmen, eine Nachberechnung und Optimierung der Leitungsnennweite durchzuführen.

Festlegung des Nenndrucks PN

Der Nenndruck ist eine genormte Druckstufe für Rohrleitungen und Armaturen. Er stellt eine Kenngröße für die mechanischen und maßlichen Eigenschaften eines Bauteils dar. Bauteile gleicher Nennweite und mit gleichem Nenndruck passen zueinander. Der Nenndruck entspricht dem maximal zulässigen Überdruck [bar] bei einer Bezugs­temperatur von 20 °C.

Der maximal zulässige Überdruck eines Bauteils hängt jedoch neben dem Werkstoff vor allem auch von der Temperatur ab. Bei höheren Temperaturen sinkt der maximal zulässige Betriebsüberdruck unter den Nenndruck ab. Rohrleitungen oder Armaturen dürfen dann nicht bei Nenndruck betrieben werden.

Die Druck-Temperaturzuordnung von Flanschen erfolgt nach den Werkstoffgruppen. Im Dampfkesselbereich sind folgende Werkstoffe und Gruppen üblich:

Werkstoff­gruppe

Werkstoffart

Werkstoff­nummer

Werkstoff

3E0

Unlegierte Stähle mit garantierten Festigkeits­eigenschaften bei erhöhten Temperaturen

1.0352

P245GH

3E1

Unlegierte Stähle mit festgelegten Eigenschaften ≤ 400 °C, obere Streckgrenze > 265 N/mm²

1.0460

P250GH

4E0

Niedriglegierte Stähle mit 0,3 % Molybdän

1.0426

P280GH

12E0

Standard-Kohlenstoffgehalt, stabilisiert mit Ti bzw. Nb

1.4541
1.4550
1.4941

X6CrNiTi18-10
X6CrNiNb18-10
X6CrNiTiB18-10

15E0

Standard-Kohlenstoffgehalt, legiert mit Molybdän, stabilisiert mit Ti bzw. Nb

1.4571
1.4580

X6CrNiMoTi17-12-2
X6CrNiMoNb17-12-2

Werkstoffgruppen nach EN 1092-1:2013-04 Tabelle 9, G.2.2, G.3.2, Tabelle D.1

Das nachfolgende Diagramm gibt die Druck-Temperaturverläufe für unterschiedliche Nenn­druckstufen an. Bitte beachten Sie hierzu die Hinweise im Kapitel Tools – Druck-Temperaturzuordnung, in welchem sich die Tabellen zum Diagramm befinden.

Info zu Druck-Temperaturzuordnung

Druck-Temperatur-Zuordnung für Flansche nach EN 1092-1

Druck-Temperatur-Zuordnung für Flansche nach EN 1092-1

3E0

3E1

4E0

12E0

15E0

Festlegung des Werkstoffs

Die folgende Tabelle gibt nur die Mindest­anforderung an die Werkstoffauswahl wieder. Bei besonderen Aufstellungsbedingungen, Kunden­anforderungen oder nationalen oder lokalen Vorschriften können auch abweichende Werkstoffe zum Einsatz kommen.

Information

Bei allen zu- und abführenden Rohrleitungen zum Dampfkessel, im Kondensat- und Zusatz­wasserbereich sind kupferhaltige Rohr­leitungswerkstoffe zu vermeiden.

Einsatzbereich

Rohr­leitungswerkstoff

Dampfleitungen

Stahl oder Edelstahl mit Abnahmeprüfzeugnis

Speise­wasser­leitungen

Stahl

Sicherheits­ventilausblase­leitungen

Stahl

Entlüftungs- und Entwässerungsleitungen

Stahl

Sitzentwässerung (Sicherheits­ventile)

Kupfer oder Edelstahl

Enthärtetes Wasser

Kunststoff (kalt) oder Edelstahl (nach Erwärmung)

Osmosewasser

Edelstahl

Mindest­anforderung an die Werkstoffauswahl

Festlegung der Stützweiten

Durch eine ausreichende Anzahl und die korrekte Ausführung von Halterungen muss sichergestellt werden, dass sich Rohrleitungen durch die Gewichtskräfte (Eigengewicht, Inhalt, Armaturen und Isolierung) und andere Krafteinwirkungen (z. B. an Umlenkungen) nicht unzulässig verformen.

Anforderungen an Rohrhalterungen werden in der EN 13480-3 erläutert.

Rohrleitungen und Flansche für Wasser und Dampf


DN


ØA

PN 40
S

Max. Stützweite
L11)

10

17,2

2,0

15

21,3

2,0

20

26,9

2,3

25

33,7

2,6

2,9

32

42,4

2,6

3,2

40

48,3

2,6

3,5

50

60,3

2,9

3,9

65

76,1

2,9

4,7

80

88,9

3,2

5,4

100

114,3

3,6

6,2

125

139,7

4,0

6,9

150

168,3

4,5

7,5

200

219,1

6,3

8,6

250

273

7,1

9,7

300

323,9

8,0

10,6

350

355,6

8,8

11,1

400

406,4

11,0

11,8

500

508

14,2

12,5

600

610

16,0

13,2

Stützweiten von Rohrleitungen (Abstand von Halterung zu Halterung)
1) Anforderungen an die Stützweite L1:
– Nach EN13480-3:2014 – mit Wasser gefüllt, Dicke der Dämmung 80 mm
– Mit Ergänzungen durch Interpolation
– L1 Begrenzung der Durchbiegung, bis DN 50 = 3 mm Durchbiegung, ab DN 65 = 5 mm Durchbiegung
– Details siehe EN13480-3

Wärmedehnung

Beim Erwärmen von Feststoffen dehnen sich diese aus und ziehen sich beim Abkühlen wieder zusammen.

Dieser Effekt muss an vielen Stellen einer Dampfkesselanlage berücksichtigt werden, insbesondere an Orten, an welchen hohe Temperaturen im Betrieb auftreten können.

Beispielhaft sind hier für die Planung und Installation folgende Punkte zu nennen:

Ort

Einsatz von  ...  zur Aufnahme der Dehnung

Rohrleitung

  • Dampf

  • Abgas

  • Absalzung/Abschlammung

  •  ... 

Rohr­leitungskompensatoren

  • Dehnschenkel (L-Schenkel)

  • Kompensationsbögen

  • U-Bögen (bei langen, geraden Leitungen)

  • Gleitlager

Kessel und Behälter

Gleitlager an Füßen und Grundrahmen

Kompensatoren und Dehnschenkel an zu- und abführenden Rohrleitungen

Lage und Art der Maßnahmen zur Aufnahme von Temperaturdehnungen

Zur Berechnung der linearen Wärmedehnung kann folgende Gleichung verwendet werden:

 
Berechnung

Gleichung zur Berechnung der linearen Wärmedehnung

 

Δl

Lineare Wärmedehnung [mm]

l

Länge [mm]

α

Ausdehnungs­koeffizient [mm/m]

ΔT

Temperaturdifferenz [K]

Information

Ausdehnungs­koeffizienten verschiedener Stähle

Niedrig legierter Stahl (ferritisch):
α ≈ 1 ... 1,3 [mm/m ∙ 100K] = 10 ... 13 ∙ 10-6 [1/K]

Edelstähle (austenitisch):
α ≈ 1 ... 1,8 [mm/m ∙ 100K] = 10 ... 18 ∙ 10-6 [1/K]

Die erforderlichen Dehnschenkellängen zur Aufnahme von Wärmedehnung müssen nach den allgemein anerkannten Regeln der Technik ermittelt werden. Zur Berechnung der erforderlichen Dehnschenkellängen kann AD 2000-Merkblatt HP 100 R herangezogen werden.

Mindestabstand zum Bauwerk und benachbarten Rohrleitungen

Zur Montage der Rohrleitungen und Dämmung sowie zu Instandhaltungszwecken sollte ein Zwischenraum von mindestens 50 ... 100 mm eingehalten werden. Die häufig verwendete technische Norm für Isolierarbeiten DIN 4140 empfiehlt einen Mindestabstand von 100 m.

Zur Minimierung der Abstände sollten Flanschverbindungen auf Rohrbrücken versetzt angeordnet werden.

Funktionale Abstände von Rohrleitungen auf Rohrbrücken und versetzte Anordnung von FlanschverbindungenFunktionale Abstände von Rohrleitungen auf Rohrbrücken und versetzte Anordnung von Flanschverbindungen