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TECHNOLOGIE

Einfache Gehrungsecke von rechtwinkligen Dehnungsfugen

Diese Eckenkonfiguration ist relativ einfach herzustellen, wenn es um die Fertigung von Falten geht, aber der größte Nachteil ist die Spannungskonzentration an den Ecken in der Nähe der Rohrschweißnähte und der Wärmeeinflusszone (WEZ) im Bereich der Spannungskonzentration. Die nachstehende Abbildung zeigt das Spannungsergebnis der Faltung, die einer axialen Bewegung von 10 mm ausgesetzt ist. Es ist leicht zu erkennen, dass die höchsten Beanspruchungen im Übergangsbereich zwischen den Rohr- und Balgfalten auftreten. Der Bereich mit der höchsten Beanspruchungen führt zu Schäden durch Ermüdungen.

Warum sind mehrlagige rechteckige Kompensatoren besser als herkömmliche geschweißte Eckverbindungen?

Der derzeitige Stand der Technik für die Herstellung von rechteckigen Kompensatoren für die Schwerindustrie basiert immer noch auf die Gehrung geschweißten 90-Grad-Ecken. Diese altmodische Technologie erzwingt eine spezifische Faltungsgeometrie und macht die Nutzung der Vorteile einer mehrlagigen Konfiguration unmöglich. Heutzutage wird es immer wichtiger, den Energieverbrauch und die CO2-Emissionen zu reduzieren und die Lebensdauer der in der Schwerindustrie verwendeten Komponenten zu verlängern. In diesem Dokument werden wir versuchen, die grundlegenden Prinzipien hinter den Verbesserungen der kundenspezifischen Faltenbälge darzulegen.

Eckenkonfiguration vs. Äquivalente Spannungskonzentration

Es ist allgemein bekannt, dass die geometrischen Eigenschaften die größte Rolle bei der Dauerfestigkeit des Balges spielen. Solange die Herstellungsverfahren für runde Faltenbälge gut entwickelt sind, haben wir gesehen, dass rechteckige Kompensatoren, die üblicherweise für den Ausgleich von thermischen Spannungen und Bewegungen in rechteckigen Kanälen aller Art verwendet werden, nicht ausreichend leistungsfähig sind. Aufgrund seiner Geometrie ist ein rechteckiger Kanal einer anderen Beanspruchungsverteilung unterworfen, die sich stark auf die Ecken konzentriert. Daher ist es nicht überraschend, dass sich rechteckige Kompensatoren, mit an den Ecken geschweißter einlagiger Struktur, recht ähnlich verhalten. Im Allgemeinen können wir die häufigsten Eckkonfigurationen wie folgt unterteilen:

- einfache Gehrungsecke (90 Grad geschweißt)

- doppelte Gehrungsecke (45 Grad geschweißt)

- einfache Gehrungsecke mit abgerundeter oberer Faltung (90 Grad geschweißt mit abgerundeter Kappe)

- abgerundete Ecken (abgerundete geschweißte Eckprofile, die jedoch selten verwendet werden)

Zum besseren Verständnis finden Sie nachstehend weitere Informationen sowie eine grafische Darstellung der Beanspruchungen, die mit Hilfe der Finite-Elemente-Methode in der Nastran-Software ermittelt wurden.

UL. TRANSPORTOWA 1

70-715 SZCZECIN

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Abgerundete Ecken von rechteckigen Kompensatoren

Die oben aufgeführten Beispiele von Nastran FEA mit rechteckigen Faltenbälge zeigen, den kritischsten Bereich für die Spannungskonzentration. Da die Geometrie eine entscheidende Rolle bei der Ermüdung spielt, sollte primär die Eckenkonfiguration des abgerundeten Überganges zwischen dem Kanal und dem Balg eingesetzt werden. Aufgrund der derzeitigen Fertigungsmöglichkeiten ist es jedoch nicht immer möglich, die Faltungsgeometrie zu berücksichtigen. Diese Technologie ist komplex in der Fertigung. Die Spannungsverteilung an den abgerundeten Ecken ist in der nachstehenden Abbildung zu sehen.

Doppelte Gehrungsecke der rechteckigen Dehnungsfuge

Eine weitere sehr verbreitete Variante ist die Konfiguration mit doppelter Gehrung in der Ecke. Die Verwendung dieser speziellen Eckenkonfiguration trägt zur Verbesserung der Lebensdauer des Kompensators bei. Der größte Nachteil ist jedoch nach wie vor der scharfkantige geometrische Übergang zwischen dem Kanal und dem Balg. Nachfolgend ist die Spannungskurve dargestellt, die die gleiche Faltung wie oben zeigt. Sie ist in zwei Abschnitte unterteilt und wurde der gleichen axialen Bewegung ausgesetzt.

Einfache Gehrungsecke von rechteckigen Kompensatoren mit abgerundeter Oberseite

Wenn es um die Bewertung der Balgspannung geht, haben wir gesehen, dass sich das Engineering auf die Oberseite der Falten konzentriert und versucht, die Leistung durch Hinzufügen der abgerundeten Oberseite zu den Falten zu verbessern. Bei den rechteckigen Kompensatoren ist jedoch der gleiche Ansatz wie bei den runden Bälgen nicht anwendbar. Der untenstehende Bildschirm von Nastran FEA zeigt, dass die Spannung trotz der Umgestaltung der oberen Faltung die gleiche bleibt wie bei der Konfiguration mit einer einfachen Gehrungsecke. Darüber hinaus verschlechtert das Vorhandensein der gekreuzten Schweißnähte die Ermüdungseigenschaften zusätzlich.

Mehrlagige rechteckige Kompensatoren vs. einlagige

Die oben beschriebene Verteilung der Spannungen an den Faltenbälgen ist streng auf den Balgübergang im Kanal bezogen. Wie aus den obigen FEA-Ergebnissen ersichtlich ist, ist die Konfiguration mit abgerundeten Ecken die beste Wahl ist. Weiterhin ist folgendes zu erwähnen... Cube hat ein Herstellungsverfahren entwickelt, das es uns ermöglicht, den Vorteil der Mehrschichtformung für rechteckige Kompensatoren zu nutzen, so dass ihre Ermüdungsleistung der von runden Kompensatoren ähnelt.

Aber was ist der Unterschied zwischen der einlagigen und der mehrlagigen Bauweise?

Die beste Erklärung bringt ein Vergleich der FEA-Ergebnisse von einlagigen und mehrlagigen Kompensatoren. Die Ergebnisse der einlagigen Faltungsspannung in Zug (rot) und Druck (blau) der inneren und äußeren Materialfasern, die einer Bewegung von 5 mm ausgesetzt sind, sind in der folgenden Abbildung dargestellt.

For comparison the same convolution geometry and movements were used and the results can be seen on below stress plot.

Die wichtigste Schlussfolgerung aus der Finite-Elemente-Analyse ist, dass die Zug- und Druckspannungen im Vergleich zum einlagigen Design um mehr als die Hälfte reduziert wurden. Diese Situation führt zu einer reduzierten Ermüdungen und einer geringeren Spannungskonzentration. Der letzte, aber nicht unwichtigste Parameter ist die Federrate, die nach den Ermüdungserscheinungen einer der wichtigsten ist. Wenn Sie sich für eine mehrlagige Konfiguration mit abgerundeten Ecken entscheiden, können Sie mit einer enormen Verringerung der Federratenwerte im Vergleich zu einer einlagigen Konfiguration rechnen und somit mit geringeren Reaktionskräften und Momenten, die auf Ihren Kanal übertragen werden.

Warum sollte man sich für die Technologie der mehrlagigen rechteckigen Bälge entscheiden?

Auf der Grundlage der obigen technischen Analyse der rechteckigen Kompensatoren ist es offensichtlich, dass die mehrlagige, an den Ecken abgerundete rechteckige Balgkonfiguration eindeutig geringere Ermüdungserscheinungen zeigt. Falls Sie weitere Fragen zu den Vor- und Nachteilen der verschiedenen Kompensatorausführungen haben, zögern Sie nicht, mit uns Kontakt aufzunehmen und uns eine technische oder kommerzielle Anfrage senden. Vorbeugende Instandhaltung ist für viele Unternehmen aus dem Energiesektor und anderen Segmenten der Schwerindustrie ein Schlüssel zur Steigerung der OEE (Overall Equipment Effectivness) und zur Verlängerung der Lebensdauer ihrer Anlagen. Mit mehrlagigen rechteckigen Kompensatoren sind Unternehmen in der Lage, ihre Wartungsstrategien auf die nächste Stufe zu heben. Die erste große Verbesserung, die unser Produkt für die Wartung und die Betriebsfähigkeit der Anlagenprozesse mit sich bringt, ist die Möglichkeit, ungeplante Stillstände der Produktionslinien zu vermeiden. Unterstützt durch umfangreiche Analysen und Berechnungen ermöglichen Mehrlagen-Rechteckkompensatoren ein vollständiges Verständnis über die Betriebskapazität des Kanals und verändert grundlegend das Wartungskonzept bezüglich Feuerbekämpfung und frühzeitiger Erkennung von möglichen Fehlerquellen.