BESCHREIBUNG
Die Erfindung bezieht sich auf eine erdverlegte Fernwärmeleitung für heisse Medien, insbesondere für Heisswasser von 100-130"C, aus Verbundmantelrohren, die aus einem druckfesten, schweissbaren Innenrohr für die Medienführung, mindestens einer Schicht aus steifem, wärmeisolierendem Material und einem Aussenrohr aus Kunststoff bestehen, wobei das wärmeisolierende Material das Innenund Aussenrohr kraftschlüssig verbindet.
Bekannte Fernwärmeleitungen haben ein medienführendes Innenrohr aus Stahl, beispielsweise aus St 35 oder St 37.2. Die Innenrohre von Verbundmantelrohren mit normalerweise 6, 9 und 12 m Standardlänge werden zusammengeschweisst. Die Nennweiten der mediumführenden Innenrohre liegen, je nach Kapazität der Leitungen, zweckmässig im Bereich von DN 20 - DN 1000.
Der kraftschlüssige Verbund zwischen dem medienführenden Innen- und dem Aussenrohr wird bevorzugt durch eine Schicht von ausgeschäumtem, steifem Kunststoff, z.B.
auf der Basis von Polyurethan oder Polyäthylen, hergestellt.
Die Isolationsschicht aus Kunststoff-Hartschaum wird in der Praxis meist im Werk erzeugt. Neben einem der erwähnten Hartschäume aus Kunststoff kann auch Schaumglas als zusätzliche, vorzugsweise innere Isolationsschicht eingesetzt werden, wie dies beispielsweise in der DE-OS 2 546 882 beschrieben ist.
Für den Aussenmantel des Verbundmantelrohrs wird in erster Linie Polyäthylen (PE), insbesondere PE hart, eingesetzt. Für die Verlegung der in das Erdreich eingebetteten Fernwärmeleitung wird ein Rohrgraben ausgehoben und dann die Rohrleitung eingelegt. Dann wird der Graben vorerst mit Sand, nachher mit dem Aushubmaterial gefüllt und dieses verdichtet. Die Verlegetiefe hängt im wesentlichen von zwei Faktoren ab: - Vom Verlauf der Trasse. Beispielsweise unter einer Strasse wird die Verlegetiefe vergrössert, damit die Aufschüttung über der Rohrleitung einen Teil der Belastung abfängt.
- Der Festigkeit der Rohrleitung. Eine Rohrleitung mit einer höheren Scheiteldruckfestigkeit kann einen höheren Erddruck aufnehmen. Den in der Regel höheren Materialkosten stehen eine geringere Verlegetiefe und damit geringere Verlegekosten gegenüber.
Eine erdverlegte Fernwärmeleitung wird üblicherweise bei Temperaturen zwischen 0 und 200C zusammengefügt. Bei der Aufnahme des heissen Mediums erhitzen sich die Innenrohre und dehnen sich in Längsrichtung aus. Dies erfolgt nach der wohlbekannten Formel A1 = AT-a-L, wobei A 1die Wärmedehnung, AT die Temperaturdifferenz zwischen dem heissen Medium und der Montagetemperatur, a den Ausdehnungskoeffizienten des Materials des Innenrohrs und L die gerade Rohrlänge bedeutet. Die obenstehende Formel ist jedoch nur gültig, wenn sich die Fernwärmeleitung ohne Behinderung frei ausdehnen kann. Es handelt sich hier um die theoretische Dehnung ohne Axialspannungen im Innenrohr.
Da bei Verbundrohren das Innen- und Mantelrohr kraftschlüssig miteinander verbunden sind, dehnt sich das Verbundmantelrohr als Einheit, d.h. die Dehnung des Innenrohrs wird auf das Aussenrohr übertragen.
Nach der Verlegung der Fernwärmeleitung im Erdreich stehen jedoch erhebliche Reibungskräfte zwischen Mantelrohr und Erdreich jeder axialen Bewegung hemmend entgegen.
Die Reibungskräfte zwischen Mantelrohr und Erdreich addieren sich mit der Rohrlänge, d.h. die sich bei freier Bewegungsmöglichkeit ergebende Rohrdehnung in Axialrichtung wird mit zunehmender Rohrlänge stärker eingeschränkt. Nach einem bestimmten Abstand des Rohres von einer frei bewegbaren Stelle in der Rohrleitung ist das Gleichgewicht zwischen der die Bewegung verursachenden (Dehnung) und der die Bewegung behindernden (Reibung) Kraft im Gleichgewicht. Nach dem Übergang vom Gleit- in den Haftbereich ist keine axiale Bewegung des Rohres mehr möglich, das mediumführende Innenrohr muss die Spannungen aufnehmen können, beim Überschreiten einer zulässigen Maximalspannung würde ein Materialbruch entstehen.
Bei einer Heisswassertemperatur von 100-130 C und Innenrohren aus St 35 oder St 37-2 müssen normalerweise besondere Massnahmen getroffen werden, um die zulässige Maximalspannung nicht zu überschreiten.
Um unzulässige Spannungen in der Heisswasserleitung zu vermeiden, werden bei der Erstellung von Fernwärmeleitungen mit medienführenden Innenrohren aus beispielsweise St 35 oder St 37-2 zwei Verlegearten praktiziert: - Die Länge von geradlinigen Rohrabschnitten ohne Ausdehnungsmöglichkeiten kann begrenzt werden, indem normalerweise rechtwinklinge Richtungsänderungen, ggf. Kombinationen davon, eingebaut werden. Falls nicht vom Gelände bzw. von Hindernissen her gesehen Richtungsänderungen notwendig sind, werden in bestimmten Abständen beispielsweise U-förmige Umleitungen eingelegt. Die bevor zugt rechtwinkligen Umleitungen schaffen eine Ausdehnungsmöglichkeit, welche das Auffangen der Rohrdilatation in Axialrichtung erlaubt. Der Einbau von sogenannten Axial-Kompensatoren dient demselben Zweck.
- Die Temperaturdifferenz zwischen Verlegung und Betrieb wird durch Vorspannen begrenzt. Nach der Rohrmontage, jedoch vor dem Einfüllen des Sands, wird die Rohrleitung auf eine Temperatur zwischen der Montage- und der Betriebstemperatur erhöht, die Rohrleitung fixiert, Sand eingefüllt, und erst dann die Rohrleitung abgekühlt. Zweckmässig liegt die Vorspanntemperatur im Bereich des arithmetischen Mittels zwischen Montage- und Arbeitstemperatur.
Die Fernwärmeleitung ist bei Umgebungstemperatur gespannt. Beim Einleiten des heissen Mediums wird das Rohrleitungssystem vorerst entspannt und dann - mit anderem Vorzeichen - bis zum Erreichen der Betriebstemperatur wieder kontinuierlich gespannt.
Das Erwärmen der medienführenden Innenrohre zum Vorspannen erfolgt in bekannter Weise mittels Durchleitens von warmem Wasser oder mittels elektrischer Widerstandsheizung.
Beide bekannten Arten von Rohrverlegung weisen jedoch eine Anzahl von Nachteilen auf.
Bei der Verlegung mit begrenzter Länge in gerader Linie sind die Nachteile: - Das Rohrnetz muss genau projektiert und verlegt sein, mit Ausdehnungsmöglichkeiten beidseits jeder geraden Strecke.
- Die Länge der geraden Strecken darf eine maximale Verlegelänge nicht überschreiten. Dies führt zu vielen kurzen geraden Strecken, vielen rechtwinkligen Richtungsänderungen zur Schaffung von Ausdehnungszonen, vielen Schweissungen und zwangsläufig längeren Leitungen als notwendig. Gegebenenfalls müssen (zusätzliche) Axialkompensatoren eingebaut werden.
- Die Abhängigkeit des Reibungskoeffizienten von den Bodenverhältnissen muss bei Projektierung berechnet sein.
- Die berechneten Ausdehnungen müssen durch eine entsprechende Anzahl von Dehnungskissen ermöglicht werden.
- Die Verlegetiefe entlang des Trasses muss beachtet werden, indem bei tieferer Verlegung die Verlegelänge wegen der grösseren Haftkraft verringert wird.
- Bei Temperaturänderungen bewegen sich die Rohre auf allen Strecken. Die vom Erdreich entgegenwirkende Reibungskraft führt zu einer erhöhten Beanspruchung der Haftung zwischen Innenrohr/isolierendem Material/Aussenrohr und zwischen Muffen/Aussenrohr.
Das Vorspannen des Rohrleitungssystems bei erhöhter Temperatur hat folgende Nachteile: - Es muss eine verhältnismässig grosse Energiequelle in Form von warmem Wasser oder elektrischer Energie vorhanden sein.
- Die Vorspannungstemperatur und der spannungsfreie Zustand bei Vorspannungstemperatur müssen kontrolliert werden.
- Es muss ein energie- und zeitaufwendiges Verfahren angewendet werden, bis alle Rohrleitungsabschnitte die vorgegebene Vorspannungstemperatur erreicht haben.
- Der ganze Rohrgraben muss offen bleiben, bis die ganze
Rohrleitung die vorgegebene Temperatur erreicht hat.
- Bei nachträglichen Montage- bzw. Reparaturarbeiten müssen die bei der Freilegung der vorhandenen Leitung ver änderten Verlegebedingungen beachtet werden.
Der Erfinder hat sich die Aufgabe gestellt, eine erdverlegte
Fernwärmeleitung für heisse Medien, bestehend aus starren
Rohren, zu schaffen, welche mit geringerem Material-,
Energie- und Zeitaufwand und dadurch geringeren Kosten verlegt werden kann, ohne dass die Betriebssicherheit beein trächtigt wird.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass das medienführende Innenrohr aus einem hochfesten Stahl besteht, und die Verbundmantelrohre für die Fernwärmeleitung über unbegrenzt lange Strecken in gerader Linie verlegt sind.
Beim erfindungsgemässen Verlegen der Fernwärmeleitung werden also nicht nur keine systembedingten Richtungsänderungen vorgenommen, sondern weder Axial-Kompensatoren eingebaut, noch das Rohrleitungssystem in irgendwelcher Weise vorgespannt. Die Verlegung in gerader Linie erfolgt also so lange, wie dies Gelände und/oder Hindernisse zulassen. Dabei müssen selbstverständlich die projektierte Leitungsrichtung eingehalten und der wirtschaftliche Leitungsbau beachtet werden.
Das Innenrohr der Verbundmantelrohre aus einem hochfesten Stahl, welcher ein grosses Aufnahmevermögen für Druck-, Zug- und Biegespannungen hat, besteht insbesondere aus - einem Feinkornbaustahl, beispielsweise nach DIN: WStE 51 (Werkstoffnummer 1.8937), WStE420 (Werkstoffnummer 1.8932), WStE 460 (Werkstoffnummer 1.8935) oder StE 690 (Werkstoffnummer 1.8928 und 1.6919), - einem unlegierten oder niedriglegierten, geschweissten, ferritischen Stahl nach DIN 1626, - einem unlegierten oder niedriglegierten, nahtlosen, ferritischen Stahl nach DIN 1629, - einem unlegierten oder niedriglegierten, nahtlosen, ferritischen, warmfesten Stahl (Kesselrohre), beispielsweise St 35.8 oder St 45.8, nach DIN 17 175, - einem gegen Druckwasserstoff beständigen Rohrstahl,
beispielsweise 25CrMo4 oder 24CrMolO, oder - einem nichtrostenden und säurebeständigen, austenitischen Rohrstahl, beispielsweise XlOCrNiTi 18 9 oder X2CrNiMo 18 10 (nach DIN 17440).
Für das Aussenrohr und den steifen Schaum zur Herstellung der kraftschlüssigen Verbindung werden bekannte Materialien in bekannter Weise verwendet.
Mit der erfindungsgemässen erdverlegten Fernwärmeleitung für heisse Medien werden folgende Vorteile erzielt: - Einfachere Projektierung und Verlegung des Rohrleitungssystems.
- Kürzere Trasseführung mit einem Minimum an Richtungsänderungen, welche durch Gelände und Hindernisse, jedoch nicht durch die Notwendigkeit zur Schaffung von Ausdehnungsräumen, bedingt sind.
- Kleinere Anzahl von Schweissstellen und Mantelrohrverbindungen und kein Vorspannen der montierten Rohrleitungen, wodurch die Montagezeit wesentlich verkürzt wird, was zusätzlich Verkehrsstörungen weitgehend verhindert und/oder Betriebsunterbrüche nicht unnötig verlängert.
- Minimale Anzahl von Fixpunkten zur Steuerung der Ausdehnung, keine unnötige Abnützung der Verbundkonstruktion und Muffen durch Reibungskräfte.
Die erfindungsgemässe erdverlegte Fernwärmeleitung für heisse Medien kann neben dem bevorzugt in Betracht genommenen Transport von Heisswasser im Bereich von 100-130 beispielsweise auch Nieder- oder Hochdruckdampf transportieren. Dabei ist insbesondere die maximale Temperaturbelastung des steifen isolierenden Schaumstoffs zu berücksichtigen, welcher die kraftschlüssige Verbindung zwischen Innen- und Aussenrohr aufrechterhalten muss.
Ein Querschnitt durch eine erfindungsgemässe erdverlegte Fernwärmeleitung wird anhand der die Zeichnung darstellenden einzigen Figur beispielsweise näher erläutert. Der schematisch gezeichnete, vertikal zur Längsachse des Ver bundmantelrohrs 10 gelegte Schnitt zeigt das Innenrohr 12 aus einem Feinkornbaustahl, welches das Medium, im vor liegenden Fall Heisswasser mit einer Temperatur von 1300 und einem Druck von 16 bar, enthält. Der im Werk aufgeschäumte, steife Polyurethanschaum 16 bildet die kraftschlüssige Verbindung des Innen- 12 und Aussenrohrs 18 aus Hart-Polyäthylen.
Nach einer nicht dargestellten Variante kann der isolierende Schaumstoff aus einer inneren Schicht aus Schaumglas und einer äusseren Schicht aus Polyurethan-Hartschaum bestehen.
DESCRIPTION
The invention relates to a buried district heating pipe for hot media, in particular for hot water from 100-130 "C, made of composite jacket pipes, which consist of a pressure-resistant, weldable inner tube for media management, at least one layer of rigid, heat-insulating material and an outer tube made of plastic , whereby the heat-insulating material connects the inner and outer tubes in a force-fitting manner.
Known district heating pipes have a media-carrying inner tube made of steel, for example made of St 35 or St 37.2. The inner pipes of composite casing pipes with a standard length of 6, 9 and 12 m are welded together. Depending on the capacity of the pipes, the nominal widths of the medium-carrying inner pipes are expediently in the range of DN 20 - DN 1000.
The non-positive connection between the media-carrying inner and the outer tube is preferably by a layer of foamed, rigid plastic, e.g.
made on the basis of polyurethane or polyethylene.
In practice, the insulation layer made of rigid plastic foam is usually produced in the factory. In addition to one of the aforementioned rigid foams made of plastic, foam glass can also be used as an additional, preferably inner, insulation layer, as is described, for example, in DE-OS 2 546 882.
Polyethylene (PE), especially hard PE, is primarily used for the outer jacket of the composite jacket pipe. To lay the district heating pipe embedded in the ground, a pipe trench is dug and then the pipe is laid. Then the trench is first filled with sand, then with the excavated material and compacted. The laying depth essentially depends on two factors: - The course of the route. For example, under a street, the laying depth is increased so that the fill above the pipeline absorbs part of the load.
- The strength of the pipeline. A pipe with a higher crest pressure resistance can absorb a higher earth pressure. The generally higher material costs are offset by a lower installation depth and thus lower installation costs.
An underground district heating line is usually assembled at temperatures between 0 and 200C. When the hot medium is taken up, the inner tubes heat up and expand in the longitudinal direction. This is done according to the well-known formula A1 = AT-a-L, where A 1 means the thermal expansion, AT the temperature difference between the hot medium and the assembly temperature, a the expansion coefficient of the material of the inner tube and L the straight tube length. However, the above formula is only valid if the district heating pipe can expand freely without hindrance. This is the theoretical expansion without axial stresses in the inner tube.
Since the inner and outer tubes of composite pipes are non-positively connected to each other, the composite jacket pipe expands as a unit, i.e. the expansion of the inner tube is transferred to the outer tube.
After the district heating pipe has been laid in the ground, however, considerable frictional forces between the casing pipe and the ground prevent any axial movement.
The frictional forces between the casing pipe and the soil add up with the pipe length, i.e. the pipe expansion in the axial direction that results with free movement is more restricted with increasing pipe length. After a certain distance of the pipe from a freely movable point in the pipeline, the balance between the force causing the movement (elongation) and the force preventing the movement (friction) is in equilibrium. After the transition from the sliding area to the holding area, the tube can no longer move axially, the medium-carrying inner tube must be able to absorb the stresses.
With a hot water temperature of 100-130 C and inner tubes made of St 35 or St 37-2, special measures must normally be taken so as not to exceed the permissible maximum voltage.
In order to avoid impermissible tensions in the hot water pipe, two types of installation are practiced when creating district heating pipes with media-carrying inner pipes made of, for example, St 35 or St 37-2: - The length of straight pipe sections without expansion options can be limited by changing right-angled directions, possibly Combinations of these can be installed. If direction changes are not necessary from the terrain or from obstacles, U-shaped diversions are inserted at certain intervals, for example. The preferred right-angled diversions create an expansion possibility that allows the tube dilation to be caught in the axial direction. The installation of so-called axial compensators serves the same purpose.
- The temperature difference between installation and operation is limited by preloading. After installing the pipe, but before filling in the sand, the pipe is raised to a temperature between the assembly and operating temperature, the pipe is fixed, sand is filled in, and only then is the pipe cooled. The prestressing temperature is expediently in the range of the arithmetic mean between assembly and working temperature.
The district heating pipe is tensioned at ambient temperature. When the hot medium is introduced, the pipe system is first relaxed and then - with a different sign - continuously tensioned until the operating temperature is reached.
The media-carrying inner tubes for pretensioning are heated in a known manner by passing warm water through them or by means of electrical resistance heating.
However, both known types of pipe laying have a number of disadvantages.
The disadvantages of laying with a limited length in a straight line are: - The pipe network must be precisely configured and laid, with expansion options on both sides of each straight section.
- The length of the straight sections must not exceed a maximum installation length. This leads to many short straight sections, many right-angled changes of direction to create expansion zones, many welds and inevitably longer lines than necessary. If necessary, (additional) axial expansion joints must be installed.
- The dependence of the coefficient of friction on the soil conditions must be calculated during project planning.
- The calculated expansion must be made possible by an appropriate number of expansion cushions.
- The laying depth along the route must be taken into account by reducing the laying length with deeper laying due to the greater adhesive force.
- When the temperature changes, the pipes move on all routes. The frictional force counteracting the soil leads to an increased stress on the adhesion between the inner pipe / insulating material / outer pipe and between sleeves / outer pipe.
Preloading the piping system at elevated temperature has the following disadvantages: - A relatively large energy source in the form of warm water or electrical energy must be available.
- The preload temperature and the stress-free state at the preload temperature must be checked.
- An energy and time-consuming process must be used until all pipe sections have reached the specified pretensioning temperature.
- The whole pipe trench must remain open until the whole
Pipeline has reached the specified temperature.
- When retrofitting or repair work, the changed laying conditions when uncovering the existing line must be observed.
The inventor set himself the task of laying an underground one
District heating pipe for hot media, consisting of rigid
To create pipes, which with less material,
Energy and time expenditure and thus lower costs can be relocated without the operational safety being impaired.
According to the invention, the object is achieved in that the media-carrying inner tube consists of high-strength steel and the composite jacket tubes for district heating are laid in a straight line over unlimited distances.
When the district heating line is laid according to the invention, not only are no system-related changes in direction made, but neither are axial compensators installed, nor is the pipe system preloaded in any way. The laying in a straight line takes place as long as the terrain and / or obstacles allow it. Of course, the planned line direction must be observed and the economical line construction must be observed.
The inner pipe of the composite jacket pipes made of high-strength steel, which has a large capacity for compressive, tensile and bending stresses, consists in particular of - a fine-grained structural steel, for example according to DIN: WStE 51 (material number 1.8937), WStE420 (material number 1.8932), WStE 460 ( Material number 1.8935) or StE 690 (material numbers 1.8928 and 1.6919), - an unalloyed or low-alloy, welded, ferritic steel according to DIN 1626, - an unalloyed or low-alloy, seamless, ferritic steel according to DIN 1629, - an unalloyed or low-alloy, seamless, ferritic steel , heat-resistant steel (boiler tubes), for example St 35.8 or St 45.8, according to DIN 17 175, - a tubular steel resistant to pressurized hydrogen,
for example 25CrMo4 or 24CrMolO, or - a rustproof and acid-resistant, austenitic tubular steel, for example XlOCrNiTi 18 9 or X2CrNiMo 18 10 (according to DIN 17440).
Known materials are used in a known manner for the outer tube and the rigid foam for producing the non-positive connection.
The following advantages are achieved with the underground district heating line for hot media according to the invention: - Simpler project planning and laying of the piping system.
- Shorter routing with a minimum of changes in direction, which are caused by terrain and obstacles, but not by the need to create expansion spaces.
- Smaller number of welding points and jacket pipe connections and no pre-tensioning of the assembled pipes, which significantly shortens the assembly time, which largely prevents traffic disruptions and / or does not unnecessarily prolong business interruptions.
- Minimum number of fixed points to control the expansion, no unnecessary wear of the composite construction and sleeves due to frictional forces.
In addition to the preferred transport of hot water in the range of 100-130, the underground heating line for hot media according to the invention can also transport low or high pressure steam, for example. In particular, the maximum temperature load of the rigid insulating foam must be taken into account, which must maintain the non-positive connection between the inner and outer tube.
A cross section through an underground district heating line according to the invention is explained in more detail, for example, with reference to the single figure which represents the drawing. The schematically drawn, vertically to the longitudinal axis of the Ver bundmantelrohrs 10 section shows the inner tube 12 made of a fine grain steel, which contains the medium, in the present case hot water at a temperature of 1300 and a pressure of 16 bar. The rigid polyurethane foam 16 foamed in the factory forms the frictional connection of the inner 12 and outer tube 18 made of hard polyethylene.
According to a variant not shown, the insulating foam can consist of an inner layer of foam glass and an outer layer of rigid polyurethane foam.