COMPENSATOREN HELPEN OM MAINTENANCEKOSTEN TE DRUKKEN

Pomptrillingen kunnen uw maintenancekostenbeheer op losse schroeven zetten

Wanneer de keuze en/of installatie van pompen onvoldoende wordt afgestemd op de aangrenzende installaties, kan dat op termijn leiden tot heel wat maintenancekosten. Denk daarbij gerust een stuk verder dan de werkuren voor het telkens opnieuw vastzetten van wat losgetrilde bouten. Zo kunnen er bijvoorbeeld ook scheuren in leidingen ontstaan wanneer er materiaalspanningen optreden door plotse temperatuur- en/of drukveranderingen. Compensatoren vangen deze en andere ongewenste bewegingen op en helpen bedrijven zo flink wat maintenancetijd en -kosten te besparen.

 

TOEPASSINGEN VAN COMPENSATOREN

Compensatoren vangen bewegingen op van leidingwerken, installaties en machines. Het betreft onder meer bewegingen die tot materiaalspanningen leiden, zoals het uitzetten of krimpen van leidingen ten gevolge van interne druk- en/of temperatuurveranderingen. Ook ter hoogte van leidingbochten kunnen er spanningen ontstaan door traagheidskrachten, wanneer daarin media worden gestuwd tegen hoge snelheden. Een lokale grondverzakking onder een installatie of een slechte uitlijning kunnen eveneens tot ongewenste materiaalspanningen leiden. Compensatoren maken een zo goed als spanningsloze verbinding mogelijk tussen leidingen en gevoelige fittings, toestellen en uitrusting. Zo doen ze ook dienst als assemblagehulp bij leidingaccessoires zoals kleppen, waarbij ze als ontmantelings- of koppelstukken worden ingezet. Compensatoren spelen eveneens een rol bij het ontwerp van bijvoorbeeld compressoren, pompen en dieselmotoren, waarbij ze trillingen en structuureigen geluid isoleren of 'ontkoppelen' van aangrenzende apparaten. Daarmee wordt er gelijk ook geluidshinder opgevangen.

 

OPBOUW

Compensatoren bestaan uit een combinatie van de volgende componenten:

• een of meer balg(en) met elk een of meer golven, en opgebouwd uit een of meer lagen;
• geleidingsmoffen: beschermen de balgen intern tegen het medium en verlagen de vloeiweerstand (beperkt);
• beschermings- of geleidingsbuizen: beschermen de balgen extern tegen mechanische schade, voorkomen doorbuiging van de compensator;
• fittings: verbinding met aangrenzende componenten via lassen, solderen, flenzen of schroefdraad;
• 'restraints': brengen de drukspanning over op de balg(en) en bepalen de bewegingsflexibiliteit van de compensator via verschillende mogelijke externe constructies (scharnierlagers, kogelscharnieren, U-verbindingen, cardanconstructies ...)

Balg

Via een specifieke golfgeometrie biedt elke balg een welbepaald compromis tussen flexibiliteit en drukresistentie. Zo zijn toroïdale golven (met tussenliggende versterkingsringen) extreem drukbestendig, is de membraanvariant (vooral toegepast in de luchtvaartindustrie) uiterst flexibel en biedt de liervormige golf een evenwicht tussen flexibiliteit en drukresistentie. Om de drukresistentie te verhogen, worden er meerdere balglagen toegepast.

MATERIALEN

De keuze van het materiaal voor de compensator wordt gemaakt op basis van de verwachte werkingsomstandigheden (temperaturen, drukken, soort bewegingen, medium). In principe kan er gekozen worden uit metaal, rubber, weefsel en PTFE (teflon).

Bij bepaalde balgen met meerlagige wanden kan een buitenste laag bijvoorbeeld dienstdoen als een gasafdichtingslaag en bestaan uit een corrosiebestendig materiaal zoals teflon (PTFE). Een onderliggende laag kan dan bestaan uit glasvezel als isolatie en om duurzaamheid toe te voegen - of in verschillende isolatielagen om te garanderen dat de warmteoverdracht van het rookgas beperkt blijft tot de vereiste temperatuur.

Hittebestendigheid

Bij hogere temperaturen (>550 °C) waarbij een hogere weerstand tegen afzettingen vereist is, worden er hittebestendige staalsoorten toegepast die over de juiste vervormingseigenschappen beschikken.

Corrosiebestendigheid

Het aanpassen van de laagdikte is geen correcte maatregel om de corrosiviteit te counteren. Het materiaal voor de balglagen moet worden gekozen overeenkomstig de specifieke agressiviteit van het medium of de onmiddellijke omgeving. Concreet zijn er metaalsoorten vereist die ten minste dezelfde corrosiebestendigheidsgraad hebben als de ermee verbonden leiding of fittings. Bij twijfel dient een hogere kwaliteit te worden gekozen. Nikkelgebaseerde legeringen komen in vele gevallen in aanmerking (voor speciale gevallen zijn legeringen een alternatief).

 

LEVENSDUUR

Voor compensatoren uit rubber, weefsel en PTFE is een schatting van de exacte levensduur niet mogelijk omdat te veel externe factoren daar een invloed op uitoefenen. Voor metalen compensatoren daarentegen wordt de levensduur uitgedrukt in het aantal keren dat die een beweging (cyclus) uitvoeren. Fabrikanten stellen voor elke compensator een tabel op die klanten helpt om de levensduur in te schatten in functie van het gewenste aantal cycli en het effectief gebruikte percentage van de maximale bewegingscapaciteit.

 

INBOUWPROCEDURE

Berekening van de thermische uitzetting

Metalen leidingen hebben, net zoals alle materialen, de eigenschap om onder invloed van temperatuurveranderingen uit te zetten of te krimpen. De berekening van de exacte uitzetting is afhankelijk van het temperatuurverschil, de uitzettingscoëfficiënt en de lengte van de leiding:

D = L x Dt x a

D = uitzetting (mm)

L = totale lengte van de leiding (m)

Dt = temperatuurverschil (°C)

a = uitzettingscoëfficiënt (mm/m · °C)

Bij de berekening van de uitzetting moet men er rekening mee houden dat de temperatuur van de leiding bij de installatie zelden de laagste temperatuur zal zijn bij ingebruikname van het leidingsysteem. De uitzettingscoëfficiënt is afhankelijk van het materiaal waaruit de leiding gemaakt is, en van de temperatuur. Uitzettingscoëfficiënten in functie van temperatuurbereiken worden in tabellen opgelijst.

Welke bewegingen spelen er?

De axiale beweging is de uitzetting van het pijpleidingsysteem dat door de compensator in zijn lengteas moet worden opgevangen. Laterale bewegingen staan loodrecht op de as van de compensator.

Bij angulaire bewegingen staan de uiteinden van de compensator onder een hoek. Voor elk van de drie compensatortypes geldt dat, om de volledige capaciteit van de compensator te gebruiken, deze kan worden voorgespannen tot de helft van de totale beweging. Bij angulaire compensatoren wordt in de meeste gevallen deze voorspanning gebruikt, waarbij angulaire compensatoren per twee of per drie stuks geplaatst worden.

Plaatsbepaling van de compensatoren, vaste punten en geleidepunten

Leidingsystemen waarin compensatoren worden geïnstalleerd, moeten begrensd worden door vaste punten. Die moeten voldoende stevig zijn om de reactiekrachten van de compensator en de wrijvingsweerstand van de geleidepunten op te vangen. De vaste punten en geleidepunten moeten zodanig geplaatst worden dat de compensator het leidinggewicht niet draagt.

Vaste punten moeten voorzien worden:

• aan het begin en einde van een leiding (of een deel van de leiding als de uitzetting door meerdere compensatoren opgevangen moet worden;
• bij een doostroomrichtingsverandering;
• tussen twee compensatoren van verschillende diameters;
• bij een aftakking van een hoofdleiding;
• aan een gesloten einde van een leiding.

Geleidepunten zijn nodig voor een gegarandeerd correcte uitlijning.

Overweging en/of berekening van de voorspanning

In vele toepassingen is de inbouw van compensatoren met een bepaalde voorspanning aangewezen. Naast een mogelijk langere levensduur of lagere reactiekracht vergroot de voorspanning namelijk het bewegingsbereik van de compensator.

Het monteren van een compensator met een zekere voorspanning houdt in dat de compensator zodanig gemonteerd wordt dat de positie in koude toestand tegengesteld is aan de te verwachten uitzetting. Bij ingebruikname keert de compensator terug in de neutrale positie en kan hij dan eventueel nog verder gecomprimeerd worden. De maximale voorspanning is, ongeacht het type compensator, gebaseerd op 50% van de totale bewegingsopname.

Bij de berekening van de voorspanning is het belangrijk om, naast het verschil tussen de installatie- en bedrijfstemperatuur, eveneens rekening te houden met het verschil tussen de installatie- en minimumtemperatuur. Bijvoorbeeld indien de leiding bij vriesweer buiten gebruik zou zijn.

Berekening van de som van alle krachten op de vaste punten

De compensator zal door zijn golfvorm onder bedrijfsdruk een reactiekracht veroorzaken. De vaste punten moeten deze en andere krachten opvangen.

 

BEREKENING VAN DE ANKERKRACHTEN

Axiale reactiekracht

Fp = 0,01 · A · p
met
Fp: axiale reactiekracht in kN
A: effectieve doorsnede in cm²
p: druk in bar

Aandachtspunten:

Als druktesten sectiegewijs plaatsvinden tijdens de constructie van een uitgebreid leidingwerk en als de sterke eindankerpunten niet vastgezet zijn, moeten axiale compensatoren beschermd worden door middel van adequate bewegingsbegrenzers, ofwel moeten de intermediaire ankerpunten navenant sterker gemaakt worden.

 

Axiale aanpassingskracht

F∂ = 0,001c∂ · ∂
met
F∂: aanpassingskracht in kN
c∂: snelheid van aanpassingskracht in N/mm
∂: totale beweging in mm (met 50% voorspanning)

Aandachtspunten:

Voor scharniersystemen zijn de aanpassingskrachten moeilijker te berekenen dan voor axiale compensatoren.

 

Wrijvingskracht

De totale wrijvingskracht van de leidingssectie tussen het compensatiesysteem en het ankerpunt is werkzaam op elk ankerpunt en wordt als volgt berekend:

FR = ∑FL · KL
met
FL: belasting van het ondersteuningselement in kN
KL: resistentiecoëfficiënt van steunelementen
(empirische waarden voor KL:
staal/stalen: 0,2-0,5
staal/PTFE: 0,1-0,2
rolondersteuningen: 0,05-0,1)

Aandachtspunten:

De wrijvingskracht werkt alternerend als een reactiekracht (bij opwarming) en een trekkracht (bij afkoeling). De verdeling van de wrijvingskrachtcomponenten op de twee ankerpunten kan gewijzigd worden door de opstelling van het compensatiesysteem te wijzigen langs de leidingsectie tussen die ankerpunten. Wanneer, bv., het compensatiesysteem direct bij een ankerpunt wordt geplaatst, mag dat ankerpunt geen wrijvingskracht absorberen – het tweede ankerpunt dient al die wrijvingskracht van die sectie te compenseren. Wanneer het compensatiesysteem centraal tussen twee ankerpunten wordt geplaatst, dient elk van de ankerpunten de helft van de wrijvingskracht van de volledige sectie te absorberen.

 

Centrifugale kracht

FZ = A · ϱ · v² · sinß / 10.000
met
FZ: centrifugale kracht in kN
A: effectieve doorsnede in cm²
ϱ: dichtheid van het medium in g/cm³
v: vloeisnelheid in m/sec
ß: hoek van de elleboogsectie in graden

Aandachtspunten:

Enkel bij zware media met een hoge stroomsnelheid kan er bij elleboogankerpunten van axiale compensatoren een aanzienlijke centrifugale kracht optreden.

 

Andere krachten

Bij de dimensionering van ankerpunten moeten ook de krachten op het systeem, de leidingenroute, of bijkomende belastingen in rekening worden gebracht:

• gewicht van leiding, medium en isolatie;
• gewicht van interne/externe stofafzetting;
• gewicht van condensaat;
• wind- en sneeuwbelasting;
• krachten door leidingvervorming t.g.v. inadequate compensatie.

Met medewerking van: BM Europe, Picotec & Witzenmann