Fachübersicht
Das Modul EJMA legt Metallbälge von Kompensatoren nach den EJMA Standards (10th Edition, 2015/2016) aus — dem international maßgebenden Regelwerk der Expansion Joint Manufacturers Association für Balgkompensatoren. Abgedeckt sind Einzelbalg- und Universalkompensatoren mit unverstärkten, verstärkten und toroidalen Bälgen; der Anwender gibt Auslegungsdruck und -temperatur, die Balggeometrie mit Wellenform und Lagenaufbau, die Werkstoffkennwerte und die aufzunehmenden Verschiebungen vor.
Die EJMA-Berechnung ermittelt die druck- und verschiebungsinduzierten Spannungen in den Balgwellen (Umfangs- und Meridianspannungen aus Membran- und Biegeanteilen), bewertet sie gegen die zulässigen Werte auf Basis der Dehngrenzen bei Raum- und Auslegungstemperatur, prüft die Stabilität gegen Kolonnen- und Wellenversagen (Squirm) und bestimmt aus der Spannungsschwingbreite die zulässige Lastwechselzahl. Auch Torsionsmomente und die Verschiebungsanteile aus einer Vorspannung des Kompensators lassen sich berücksichtigen.
Wer einen Kompensator nach EJMA berechnen muss — im Rohrleitungsbau, an Wärmeübertragern oder in Abgassystemen — erhält damit die vollständige Balgauslegung einschließlich Federraten, Ermüdungsnachweis und Stabilitätsgrenzen.
Anwendungsbereich
- Balgauslegung
Typischer Arbeitsablauf
Bauform und Betriebsdaten festlegen
Zunächst werden Bauform (Einzelbalg-, Universal- oder Toroidalkompensator) und Betriebsweise gewählt sowie Auslegungsdruck, Prüfdruck und Auslegungstemperatur vorgegeben.
Werkstoffkennwerte zuordnen
Für den Balgwerkstoff werden Elastizitätsmodul, Poissonzahl sowie die 0,2%- bzw. 1%-Dehngrenzen bei Raumtemperatur und bei Auslegungstemperatur angesetzt; für kaltverfestigte Bälge kann die Streckgrenze im geglühten Zustand gemäß Prüfzeugnis eingehen. Daraus folgen die zulässigen Spannungen der einzelnen Nachweise.
Balggeometrie und Verschiebungen definieren
Wellenhöhe, Wellenteilung, Lagenzahl und Wanddicke je Lage sowie Halsbord- und Verstärkungsringe beschreiben den Balg. Die aufzunehmenden axialen, lateralen und angularen Verschiebungen — gegebenenfalls einschließlich Vorspannung — werden in eine äquivalente axiale Wellenbewegung umgerechnet.
Druckspannungen und Stabilität nachweisen
Die EJMA-Gleichungen liefern die druckinduzierten Umfangs- und Meridianspannungen von Balg, Halsbord und Verstärkungen; parallel werden die Grenzdrücke gegen Kolonneninstabilität (column squirm) und Welleninstabilität (in-plane squirm) geprüft.
Ermüdungsnachweis führen
Aus den verschiebungsinduzierten Meridianspannungen wird die Gesamtspannungsschwingbreite gebildet und über die EJMA-Ermüdungskurven in eine zulässige Lastwechselzahl umgesetzt, die der geforderten Zyklenzahl gegenübergestellt wird.
Federraten und Reaktionen ausgeben
Abschließend werden die axialen, lateralen und angularen Federraten sowie die auf die Anschlüsse wirkenden Kräfte und Momente — einschließlich eines eventuellen Torsionsmoments — für die Rohrleitungs- bzw. Apparateberechnung bereitgestellt.
Häufige Fragen
Worin unterscheiden sich Einzelbalg- und Universalkompensator in der Auslegung?
Der Einzelbalgkompensator nimmt vor allem axiale Bewegung und begrenzte Angularbewegung auf. Der Universalkompensator besteht aus zwei Bälgen mit Zwischenrohr und kann dadurch große laterale Verschiebungen aufnehmen, weil sich diese in gegensinnige Angularbewegungen der beiden Bälge auflösen. In der EJMA-Berechnung wirkt sich das über die Aufteilung der äquivalenten Wellenbewegung und über die Stabilitätslänge des Zwischenrohrs aus, die den zulässigen Druck gegen Kolonneninstabilität herabsetzen kann.
Was bedeutet Squirm und warum ist es so kritisch?
Squirm ist das druckgetriebene Instabilwerden des Balgs: Bei der Kolonneninstabilität knickt der Balg wie ein Druckstab seitlich aus, bei der Welleninstabilität kippen einzelne Wellen aus ihrer Ebene. Beide Versagensformen treten schlagartig auf und werden durch große Baulängen, hohe Drücke und Vorverformungen begünstigt. Die EJMA-Grenzdrücke gegen Squirm sind deshalb harte Auslegungsgrenzen, die nicht durch höhere Werkstofffestigkeit kompensiert werden können.
Warum wird mit der 1%- bzw. 0,2%-Dehngrenze bei zwei Temperaturen gerechnet?
Die zulässigen Spannungen der einzelnen EJMA-Nachweise beziehen sich teils auf den Einbau- bzw. Prüfzustand bei Raumtemperatur, teils auf den Betriebszustand bei Auslegungstemperatur. Bei austenitischen Balgwerkstoffen wird zudem je nach Nachweis die 0,2%- oder die 1%-Dehngrenze herangezogen; für kaltverfestigte, nicht geglühte Bälge ist zusätzlich der Festigkeitszustand laut Prüfzeugnis relevant. Die getrennte Eingabe dieser Kennwerte stellt sicher, dass jeder Nachweis mit dem richtigen Grenzwert geführt wird.
Sind die EJMA-Lastwechselzahlen mit denen nach EN 14917 oder ASME vergleichbar?
Nur eingeschränkt. Die Ermüdungskurven der Regelwerke basieren auf unterschiedlichen Versuchskollektiven, Sicherheitsfaktoren und Spannungsdefinitionen. Ein nach EJMA ermittelter Wert für die zulässige Lastwechselzahl darf daher nicht direkt mit einem EN- oder ASME-Wert gleichgesetzt werden; maßgebend ist das vertraglich vereinbarte Regelwerk.
Technische Inhaltsbasis: LV-Solved-Problems-Content 628d313247e7