mini|Rohrleitungen in einem Industriebetrieb mini|Großteils wärmegedämmte Rohrleitungen in einem Heizungskeller
Rohrleitungen bestehen aus dem Rohr, Rohrverbindungen, Rohrhalterungssystemen, Rohrleitungskennzeichnung, den zugehörigen Armaturen und allenfalls der Dämmung. Sie dienen dem Transport von Fluiden (Gase und Flüssigkeiten) und riesel- oder pumpfähigen Feststoffen sowie der Übertragung von mechanischer und thermischer Energie.
Grundlagen mini|Rohrleitungsteile und Formstücke aus rostfreiem Stahl mini|Gerät zur Sanierung von undichten und brüchigen Rohrleitungen durch das Aufsprühen einer Epoxidharz-Innenbeschichtung
Neben dem eigentlichen Rohr setzt sich eine Rohrleitung konstruktiv aus Fittingen, Formstücken, Flanschen, Verschraubungen, Muffen oder anderen Arten der Rohrverbindung zusammen, wie etwa Schweißnähten oder Manschettendichtungen. Manche Verbindungselemente benötigen spezielle Dichtungen. Besondere Funktionen übernehmen: Ausdehnungsstücke (Kompensatoren), Rohrarmaturen wie Ventile, Absperrklappen, Absperrschieber, Küken- und Kugelhähne, Rohrhalterungssysteme Lisega: Rohrhalterungen wie Rohrschellen und Trag-Profile zur Rohrunterstützung Apparaturen wie Pumpen, Wärmetauscher, Druckbehälter (z. B. Kolonnen) oder Reaktoren (z. B. cracking furnaces oder Reformer) Überwachungs-, Meß- und Steuerelemente Wärme- oder Kältedämmung Insbesondere Rohrverbindungen wie Flansche unterliegen in der Regel einer Normung, so dass Verbindungselemente und Rohre verschiedener Hersteller zusammengefügt werden können.
Einzelne Stränge eines Leitungssystems werden durch Strangabsperrventile als Erstabsperrung abgetrennt.
Rohrleitungen werden in der Nennweite (Durchmesser) von wenigen Millimetern bis zu einigen Metern ausgeführt und können im Falle einer Pipeline die Länge von Tausenden von Kilometern erreichen. Die Nenndruckstufen können vom Vakuum bis zu einigen hundert bar reichen. Hydraulikrohre haben Außendurchmesser 4–80 mm und sind für Berechnungsdrücke zwischen 120 und 750 bar ausgelegt (nach EN 13480 für Werkstoff P235TR2).
Die Wahl der Werkstoffe einer Rohrleitung richtet sich nach statischen und dynamischen Belastungen (Druck, Temperatur, chemische Zusammensetzung des Mediums in der jeweiligen Rohrleitung, Verkehrslasten, Erddrücke, Drücke von innen oder außen, Druckstoß), mechanischen Beanspruchungen (beispielsweise Fließgeschwindigkeiten, Geschiebestoffe), korrosiver sowie erosiver Beanspruchung sowie Art und Temperatur des zu transportierenden Mediums.
Bestimmte konstruktive Festlegungen für Rohrleitungen wie Normteile, Nenndruckstufe, Einsatzparameter (Druck- und Temperaturratings), Werkstoffe, Flanschausführungen, Dichtungen, Abzweigskonzepte sowie Armaturenklassen usw. werden in sogenannten Rohrklassen definiert. Oft werden Rohrklassen und Armaturenklassen wegen den höheren Anforderungen getrennt spezifiziert. Je nach Temperatur des zu transportierenden Mediums oder der Umgebungstemperatur kann eine Wärmedämmung, eine Rohrbegleitheizung oder -kühlung, aber auch eine Lecküberwachung der Rohrleitung erforderlich sein. Rohrleitungen mit einem zulässigen inneren Betriebsdruck von über 0,5 bar sind in der europäischen Union gemäß der Druckgeräterichtlinie 97/23/EG die mittlerweile durch die neue revidierte Druckgeräterichtlinie 2014/68/EU ersetzt wurde, ein „Druckgerät“ und dürfen nur in Übereinstimmung mit dieser Richtlinie in Verkehr gebracht werden.
Historische Rohrleitungen mini|Historische Deichelwasserleitung
Bereits in der Antike wurden Rohrleitungen zur Wasserversorgung verwendet, so bei Pergamon oder in Köln (siehe Eifelwasserleitung). Sie waren meist Bestandteil von Aquädukten, um als Druckleitungen Höhenunterschiede zu überwinden. Ein Beispiel einer gusseisernen Druckrohrleitung (Siphon) aus dem Mittelalter ist der Tiergartentunnel Blankenheim.
Im Lahn-Dill-Gebiet hat die Produktion von gusseisernen Rohren eine lange Tradition. Neben Kanonenrohren stellte man in den mittelalterlichen Hüttenwerken und Gießereien gusseiserne Röhren für die Wasserversorgung von Burgen, Schlössern und Lustgärten (sog. Wasserkünsten) her. Das älteste erhaltene, im Lahn-Dill-Gebiet hergestellte gusseiserne Rohr, stammt von der im Jahre 1455 verlegten Wasserleitung für die Burg/Schloss Dillenburg. Auch die für die Wasserversorgung der Burg Braunfels verlegte man 1661 eine gusseiserne Druckwasserleitung.Hans von Rezori: Das Gußrohr, Kurze geschichtliche Entwicklung. GWF (Wasser), 93. Jahrg. Heft 10, Mai 1952, S. 295–297.
Historische Wasserleitungsrohre aus Holz werden als Deichel oder Teuchel bezeichnet. Zur Herstellung von Wasserleitungen wurden ausgebohrte Baumstämme aneinandergefügt. Deichelwasserleitungen waren vielerorts noch im 20. Jahrhundert in Betrieb.
Im Jahr 1898 wurden in Deutschland flächendeckend Wasserleitungen (aus Stahl) verlegt, wobei Rohre mit Anschlüssen an alle Häuser angebracht wurden. Im Gegensatz zu heutigen spezialisierten Herstellern, die sich auf die Produktion von Fittings und Rohren für verschiedene Anwendungen konzentrieren, übernahmen damals Handwerksbetriebe wie Huf- und Wagenschmiede eine zentrale Rolle in der Lieferkette für Wasserleitungsinfrastrukturen.
Planungsunterlagen Bei der Konstruktion, Planung und dem Bau von Druck-Rohrleitungen in Großanlagen wie Kraftwerken, Raffinerien und Produktionsstätten der chemischen Industrie laufen die einzelnen Planungsschritte mit der Erstellung der folgenden Planungsmittel ab:
Das Grundfließbild Das Verfahrensfließbild Das Rohrleitungs- und Instrumentierungsfließbild Der Aufstellungs- und der Rohrleitungsplan bei einer zweidimensionalen Planung der Rohrleitung Der Erstellung eines 3D-Modell mit Hilfe einer 3D Planungssoftware mit angeschlossener Datenbank (z. B. E3D von Aveva oder Smart Plant 3D von Intergraph) Der Spezifikation und Erstellung der Rohrklassen mit genormten Teilen sowie die Spezifikation nicht genormter Sonderteile Der Festigkeitsberechnung der Einzelteile einer Rohrklasse nach Regelwerken (z. B. DIN EN 13480 oder ASME B31.3 oder GOST 32388) mit Berechnungssoftware (z. B. DIMy, PROBAD, Compress, FERO, Sant’Ambrogio) Rohrsystemanalyse unter Einbeziehung von statischen und dynamischen Lastfällen entsprechend Regelwerken zum Nachweis der Systemlasten, Spannungsanalyse, Nachweis der Anschlusslasten an statische und rotierende Anlagenteile sowie Ermittlung der Halterungslasten (CAESAR II von Intergraph, ROHR2 von Sigma, Autopipe, CAEpipe, START Prof) Das MTO (Material Take Off) zur Ermittlung der Gesamtmasse aller zur Erstellung der Anlage benötigten Einzelteile Die Rohrleitungsisometrie mit den zugehörigen Stücklisten Die Rohrleitungsauslegungsliste Weitere Prüfpläne und Qualitätssicherungspläne Schweiß- oder Fügeanweisungen
Mit Hilfe dieser Planungsunterlagen ist es möglich, ein von Rohrleitungen bestimmtes Gebilde, wie beispielsweise ein Großkraftwerk, zu planen und zu bauen.
Auslegung Die mechanische Auslegung von Rohrleitungen erfolgt ab einem gewissen Druck / Temperatur / Medium oder Nennweite nach Regelwerken, die national durch Gesetze oder Richtlinien geregelt sind. Neben der mechanischen Auslegung wird davor eine Fluidmechanische Auslegung zur Bestimmung des wirtschaftlichen Rohrinnendurchmessers, je nach verfahrenstechnischen Vorgaben durchgeführt.
Die mechanische Auslegung erfolgt in der Regel nach folgenden Schritten: Auswahl des Werkstoffs je nach erwarteter statischer bzw. dynamischer mechanischer, korrosiver / erosiver Beanspruchung, Temperatur oder Art des Mediums Bestimmung der Wanddicke der Rohrleitungskomponenten entsprechend dem definierten Berechnungsdruckes / -temperatur nach Regelwerken (z. B .EN 13480, ASME B31.3 etc.) Nach erfolgter Planung der Rohrleitungstrassierung im 3D-Modell oder Planung des Verlaufs mittels Isometrieen nach Verlegerichtlinien (Spannweiten, Dehnungsausgleich) wird je nach Kritikalität (z. B. Kategorie entsprechend Druckgeräterichtlinie 2014/68/EU) der Rohrleitung eine regelwerksbasierte Rohrsystemanalyse durchgeführt. Statischer / dynamischer Nachweis der Rohrleitungshalterungen oder Sekundärstahlbaus – je nach Anforderung nach guter Ingenierurspraxis oder nach Regelwerken (z. B. EN 13480-3 und Eurocode 3) Bei Rohrleitungen, die durch eine gewisse Anzahl von Druckwechseln beansprucht werden, muss eine Ermüdungsanalyse nach Regelwerk (z. B. nach EN 13480-3 / EN 13445-3) erbracht werden. Bei Rohrleitungen die durch dynamische Lasten (Pulsation durch Kolbenpumpen, Erdbeben, Druckstoß) kann je nach Kritikalität eine strukturdynamische Analyse des Systems notwendig werden In der europäischen Union müssen die technischen Unterlagen ab einer gewissen Kategorie entsprechend der Druckgeräterichtlinie einer benannten Stelle (notified Body) zur Entwurfsprüfung eingereicht werden.
Rohrklasse Zu Beginn der Planung wird eine Spezifikation erstellt, die in diesem Fall Rohrklasse genannt wird. Sie ist für die Auswahl der Rohrleitungskomponenten entscheidend und bestimmt sich in der Regel nach folgenden Auslegungsbedingungen: Medium Temperatur Druck Massendurchsatz Wirtschaftlichkeit Ersatzteilverfügbarkeit
Nennweite Abhängig vom gewünschten Massenstrom und dem maximal akzeptierten Druckverlust (bei maximal vorgesehener Strömungsgeschwindigkeit) wird ein bestimmter Rohrquerschnitt errechnet. Bei der Auswahl des Rohres wird der berechnete bzw. – falls nicht standardmäßig vorhanden – der nächsthöhere Nenninnendurchmesser gewählt. Nenndurchmesser sind eine normierte – und optimierte – Stufung von Rohrinnendurchmessern, um die Variantenvielfalt der eingesetzten Rohre zu minimieren.
Der Druckverlust ist ein wesentliches Kriterium für die Auslegung einer Rohrleitung. Der Druckverlustwert reagiert sehr empfindlich auf Änderungen des Rohrleitungsinnendurchmessers. Der Strömungsdruckverlust einer Rohrleitung ändert sich bei gegebenem Durchsatz mit der vierten Potenz des Durchmessers.
Die wirtschaftliche Abmessung mit minimalen Kosten ist erreicht, wenn die folgenden Eigenschaften optimal ausgeglichen sind. So ergeben sich aus einer größeren Abmessung sowohl Vorteile geringerer Druckverlust, geringeres Strömungsgeräusch, größere Spannweite der Rohrbefestigung (weniger Befestigungsbohrungen), geringerer Energieaufwand des Rohrleitungstransportes als auch
Nachteile gegebenenfalls größerer Wärmeverlust, höhere Investitionskosten, größerer Platzbedarf, größere Masse (Gewicht), geringere Flexibilität (z. B. Elastizitätsmodul und Festigkeit bei Kunststoffrohren), höhere Kräfte aus Dehnungen durch Temperatur.
Strömungsgeschwindigkeit Um den Druckverlust durch Rohrreibung, lokale Druckstöße und Fließgeräusche zu beschränken und Kavitation bei Flüssigkeiten zu vermeiden, sollten bestimmte Strömungsgeschwindigkeit in Rohrleitungen nicht überschritten werden.