Aufgabenstellung und Berechnungsziel
Balgkompensatoren nehmen Wärmedehnungen, Montagetoleranzen und Schwingungen in Rohrleitungen und Apparaten auf, ohne die angeschlossenen Bauteile mit hohen Reaktionskräften zu belasten. Ihr dünnwandiger, gewellter Balg ist dabei ein bewusst nachgiebiges Bauteil: Er muss den Innendruck sicher tragen und zugleich die geforderten Verformungswege über die gesamte Lebensdauer ertragen. Wer einen einwandigen Balgkompensator berechnen will, findet das Nachweisschema im AD 2000-Merkblatt B13.
Das Modul B13 legt einwandige Balgkompensatoren aus: Es weist die Druckfestigkeit der Balgwellen nach, ermittelt die Axial- und Biegefederkonstante des Balges und bestimmt aus den Spannungsschwingbreiten der Verformung die zulässige Lastspielzahl. Über die Berechnungsoptionen werden Bälge mit Rundnaht sowie rundnahtfreie Bälge im kaltverfestigten oder normalisierten Zustand unterschieden – der Wärmebehandlungszustand beeinflusst Festigkeit und Ermüdungsverhalten erheblich.
In der Praxis braucht man die Berechnung bei der Auslegung von Axial-, Lateral- und Angularkompensatoren im Rohrleitungsbau, bei Wärmetauschern mit Kompensator im Mantel sowie bei der Nachrechnung, wenn sich Druck, Temperatur oder Verformungsweg einer bestehenden Anlage ändern.
Regelwerk und Berechnungsbasis: AD 2000 B13: 2012-07
So läuft die Berechnung ab
- Balggeometrie und Ausführung festlegen: Erfasst werden Durchmesser, Wellenhöhe und -teilung, Wanddicke und Lagenzahl des Balges sowie die Ausführungsvariante: mit Rundnaht oder rundnahtfrei, kalt verfestigt oder normalisiert. Auch Halsbordringe und Krempenbereiche an den Balgenden gehen in den Nachweis ein.
- Druckfestigkeitsnachweis der Balgwellen führen: Für den Innendruck werden die Umfangs- und Meridianbeanspruchungen der Wellen ermittelt und mit den zulässigen Werten des Balgwerkstoffs im jeweiligen Zustand verglichen. Zusätzlich ist die Stabilität des Balges (Einknicken/Squirm bei Innendruck) zu bewerten.
- Federkonstanten berechnen: Aus der Wellengeometrie ergeben sich die Axial- und die Biegefederkonstante des Balges. Sie werden für die Rohrleitungsberechnung benötigt, denn die Reaktionskräfte des Kompensators belasten Festpunkte, Stutzen und angeschlossene Apparate.
- Spannungsschwingbreite aus der Verformung ermitteln: Der geforderte Verformungsweg – axial, lateral oder angular – wird in eine Spannungsschwingbreite je Lastspiel umgerechnet. Kaltverfestigte und normalisierte Bälge werden dabei unterschiedlich bewertet.
- Zulässige Lastspielzahl bestimmen: Aus der Spannungsschwingbreite folgt über die Ermüdungskennlinie die zulässige Lastspielzahl. Sie wird der geforderten Zyklenzahl (z. B. Anfahr-/Abfahrvorgänge über die Lebensdauer) gegenübergestellt; reicht sie nicht aus, sind Wellenzahl, Lagenaufbau oder Verformungsaufteilung anzupassen.
Eingabegrößen
| Größe | Symbol | Einheit |
|---|---|---|
| Kompensatortyp (1=einbälgig, 2=zweibälgig) Typ | Typ | – |
| Werkstoffart (1=Austenit, 2=Ferrit) | WA | – |
| Innerer/äußerer Überdruck | pmax pmin | bar |
| Innerer/äußerer Überdruck | pmax pmin | bar |
| Axialverschiebung Balgwelle | wmax wmin | mm |
| Axialverschiebung Balgwelle | wmax wmin | mm |
| Biegewinkel einer Balgwelle | amax amin | ° |
| Biegewinkel einer Balgwelle | amax amin | ° |
| Äqu. Axialweg für Winkel (5) | wa,max wa,min | mm |
| Äqu. Axialweg für Winkel (5) | wa,max wa,min | mm |
| Torsionsmoment | MT,max MT,min | N·mm |
| Torsionsmoment | MT,max MT,min | N·mm |
| Einseitiger Lateralweg | λ'max λ'min | mm |
| Einseitiger Lateralweg | λ'max λ'min | mm |
| Äq. Axialweg für lmax (8/11) | wl,max wl,min | mm |
| Äq. Axialweg für lmax (8/11) | wl,max wl,min | mm |
| Berechnungstemperatur | T | °C |
| Werkstoff | WNr | – |
| Elastizitätsmodul bei Betriebstemperatur | E | MPa |
| Festigkeitskennwert im Betriebszustand | K | MPa |
| Verschwächungsbeiwert | v | – |
| Sicherheitsbeiwert bei Vergleichsspannung | Svp | – |
| Sicherheitsbeiwert bei Umfangsspannung | Sum | – |
| Lastspielsicherheit (=5 ohne Lebensdauernachweis) | SL (2,5) | – |
Häufige Fragen
Warum ist die Lastspielzahl bei Kompensatoren so zentral?
Der Balg arbeitet bewusst im Bereich hoher Dehnungen – örtlich teils oberhalb der Streckgrenze. Seine Lebensdauer ist deshalb fast immer ermüdungsbegrenzt, nicht druckbegrenzt: Ein Balg, der den Druck statisch problemlos trägt, kann nach wenigen tausend Vollhüben Risse in den Wellenkämmen zeigen. Die Auslegung balanciert daher Druckfestigkeit (dickere Wand) gegen Ermüdung (dünnere, nachgiebigere Wand, mehr Wellen oder mehrlagige Ausführung).
Was unterscheidet kaltverfestigte von normalisierten Bälgen?
Beim Umformen der Wellen verfestigt das Material; belässt man diesen Zustand (kalt verfestigt), ist die Festigkeit höher, die Duktilität aber geringer. Normalisierte (wärmebehandelte) Bälge haben niedrigere Festigkeit, aber gutmütigeres Ermüdungsverhalten. AD 2000 B13 bewertet beide Zustände mit unterschiedlichen Kennwerten – die Angabe des Lieferzustands ist daher Pflichtinformation für die Nachrechnung.
Was ist Squirm und wie wird er vermieden?
Squirm ist das seitliche Ausknicken eines innendruckbelasteten Balges – vergleichbar dem Knicken eines Druckstabes: Der Balg weicht schlagartig seitlich aus und ist danach meist unbrauchbar. Begünstigt wird Squirm durch hohe Drücke, große Baulängen und schlechte Führung. Abhilfe schaffen kürzere Bälge, Führungsrohre, Gelenk- statt Axialkompensatoren und die Einhaltung der Stabilitätsgrenzen des Regelwerks.
Darf ein Kompensator Torsion aufnehmen?
Praktisch nein. Verdrehung um die Rohrachse erzeugt im Balg Schubspannungen, die er konstruktiv kaum ertragen kann, und reduziert die Squirm-Sicherheit drastisch. Die Rohrleitungsführung muss Torsion vom Kompensator fernhalten; wo das nicht möglich ist, sind spezielle Bauarten oder Gelenkkombinationen vorzusehen.