Um heute moderne petrochemische Anlagen wirtschaftlich zu fahren, sind hochentwickelte technische Lösungen erforderlich. Der russische Ölkonzern Lukoil konnte mit flexiblen Systemkomponenten und umfassender Engi- neering-Unterstützung von Witzenmann die Leistungsfähigkeit, Betriebssicherheit und Zuverlässigkeit seiner Großraffinerie in Wolgograd erheblich steigern.
In der südrussischen Industriemetropole Wolgograd betreibt Lukoil eine Erdölraffinerie mit einer Jahresproduktion von 350 t. Die Rohrsysteme der Anlage am Ufer der Wolga müssen enormen Belastungen standhalten. Zum einen sind es temperaturbedingte Dehnungen, die für Zug- und Druckbelastungen der Leitungselemente und Anschlussstutzen sorgen. Schließlich herrschen im Winter Temperaturen von teilweise unter -35 °C, während im Sommer über 40 °C auftreten. Hinzu kommen große Windlasten von bis zu 400 N/m², verursacht durch sibirische Eiswinde und saisonal auftretende Wüstenstürme, wie sie für die Region am Rande der Kasachensteppe typisch sind. Im harten zentralasiatischen Winter lastet ein Schneegewicht von 70 kg/m² auf den Rohren.
Effizienter Nonstop-Betrieb
Bisher erreichte die Raffinerie in Wolgograd nicht die Effizienz moderner Anlagen. Immer wieder wurden die veralteten Rohrsysteme von Ausfällen lahm gelegt, verursacht durch Lecks in den Leitungssystemen. Eine der Ursachen war die ungenügende Kompensation der Rohrsysteme. Häufig verließ man sich auf die natürliche Federung der Leitungen. Daraus resultieren hohe axiale, angulare oder laterale Kräfte an den Stutzen. Mit heutiger Technik ist dagegen ein deutlich höherer Wirkungsgrad des Systems und entsprechend ein wirtschaftlicher Betrieb der Anlage erzielbar. Für die Erweiterung und Modernisierung der Anlage suchte der Energieriese Lukoil nach einer technischen Lösung für einen ausfallfreien und effizienten Dauerbetrieb. Zur Aufnahme von Wärmedehnungen wurden in Russland bisher Dehnschleifen eingesetzt. Dies war jedoch im aktuellen Fall aus Platzgründen nicht möglich. Zudem machte der drastische Anstieg der Rohstoffpreise am Weltmarkt eine wirtschaftliche Lösung mit geringstmöglichem Materialaufwand erforderlich. Moderne Kompensatorentechnologie war gefragt. Man benötigte eine umfassende Engineering-Lösung von der Planung bis zum Einbau vor Ort. Die beteiligten Planungs- und Realisierungspartner wandten sich dazu an Witzenmann.
Umfassendes Engineering
Die Aufgabe war anspruchsvoll: Teil der Anlage ist eine FCCU. Hier verbinden sieben Edelstahl-Rohrleitungen (DN 900) Reaktoren und Wärmetauscher. Durch das Leitungssystem strömt hochentzündliches Destillat bei 23,2 bar Druck und Temperaturen von 545 °C. Beim katalytischen Cracken entstehen daraus Gase und leichte Flüssigbrennstoffe wie Kerosin, Diesel und Benzin mit hohen Anteilen gesättigter n- und i-Alkane. Aufgrund der bereits erläuterten Materialkostenexplosion weisen Reaktoren und Wärmetauscher heute eine sehr kompakte, materialoptimierte Bauweise mit gering dimensionierten Wandungen auf. Entsprechend sind bei der Auslegung des Leitungssystems die Anschlussbedingungen der Anlagenkomponenten exakt einzuhalten. Eine größtmögliche Reduktion der Krafteinleitung von der Rohrleitung auf die Anschlussstutzen der Aggregate ist unverzichtbar. Witzenmann nahm die Herausforderung an. Bei einem ersten Treffen in Russland wurden die Verstellmomente und Kräfte des Leitungssystems diskutiert und erste Rohentwürfe erstellt. Das Kundenteam für die chemische Industrie bestätigte die Realisierbarkeit des Projektes und erstellte kurzfristig ein Angebot für die Ausstattung des Leitungssystems mit 21 Angular-Kompensatoren DN 900 PN 40 aus Edelstahl, teilweise mit einseitigem Gelenk, teilweise mit Kardangelenken.
Auf Anforderung der mit der Projektierung beauftragten Partner berechnete Witzenmann die komplette Statik für den gesamten Anlagenabschnitt. Die gewünschten Berechnungen wurden mit der Standardsoftware Caesar II gemäß dem internationalen Standard ASME B31.3-2002 für Rohrleitungen vorgenommen. Die Auslegung der Kompensatoren ließ sich mit der von Witzenmann entwickelten Flexperte-Software berechnen, die im Internet unter http://www.flexperte.de als eine voll lauffähige Online-Version zur Verfügung steht.
Die Aufnahme von Wärmedehnungen mit Hilfe von Kompensatoren erfordert zusätzlich eine flexible Befestigung der Rohrleitung; das bedeutet, eine exakt abgestimmte Kombination aus flexibler Befestigung und definierter Führung und Lagerung der Rohrleitungen. Witzenmann lieferte gemäß der Rohrstatik die erforderlichen Führungsrahmen, Isoliersättel, Feder- und Konstanthänger. Eine nahezu kräftefreie Anschlusstechnik und gewichtslose Befestigung des gesamten Rohrsystems waren somit gewährleistet. Für die Auslegung wurde das Lastketten-Berechnungsprogramm Cascade (www.flexperte.de) genutzt. Witzenmann entwickelte dieses Programm speziell für die Auslegung und Darstellung von Rohrhalterungen. Menügeführt unterstützt es sehr flexibel die Erstellung kompletter Lastketten vom oberen Anschlusspunkt bis zur Rohrschelle.
Teamwork für Referenzprojekt
Auch vor Ort unterstützte Witzenmann seine russischen Kunden aktiv beim Einbau aller gelieferten Systemkomponenten und begleitete das Projekt bis zur Inbetriebnahme. Die russischen Kunden und Partner lobten das nicht alltägliche Engagement des Witzenmann-Teams, das sein gesammeltes Know-how zu Leitungssystemen bei dem Projekt einbrachte. Die unkomplizierte Kommunikation zwischen den Fachkräften aus Ost und West trug entscheidend zum schnellen und erfolgreichen Projektabschluss bei. Mitarbeiter der beteiligten Partnerunternehmen fungierten dabei als Übersetzer. Dadurch haben sich alle Beteiligten bei Lukoil für weitere Projekte qualifiziert.
cav 436
Kompensatoren von Witzenmann
Berechnungsprogramm Flexperte
Angularkompensatoren
Angularkompensatoren nehmen große Angularbewegungen in einer Ebene auf. Sie werden angewendet, wo große Rohrdehnungen auftreten. Mit Normteilen wird ein Kompensatorensystem erstellt. Hierzu sind zwei bis drei Kompensatoren erforderlich. Der Einbau von Angularkompensatoren verlangt immer eine Richtungsänderung der Rohrleitung.
Sie werden daher möglichst dort eingesetzt, wo eine rechtwinklige Umlenkung der Rohrleitung ohnehin vorgesehen ist. Die Dehnungsaufnahme von Angularsystemen ist fast beliebig groß. Sie wird durch die zulässigen Bewegungswinkel der Angularkompensatoren und die Länge des zwischen zwei Angularkompensatoren eingesetzten Rohrstückes bestimmt.
Wie der einfache Axialkompensator setzt sich der Angularkompensator aus einem Metallbalg und den beiderseitigen Anschlussteilen zusammen. Darüber hinaus verfügt er jedoch über
- eine gelenkige Verankerung dieser Anschlussteile für Angularbewegungen in einer Ebene oder
- eine kardanische Verankerung für allseitige Angularbewegungen.
Folglich bestimmt die Verankerung die Art der Bewegungsaufnahme. Bei der angularen Kompensation von Wärmedehnungen sind mindestens zwei, für eine vollständige Kompensation sogar drei Angularkompensatoren erforderlich. Angularkompensatoren bieten eine Vielzahl von Kombinationsmöglichkeiten in sogenannten Zwei- oder Dreigelenksystemen.
Für die angulare Kompensation gelten folgende Grundregeln:
- Es sind immer mindestens zwei Angularkompensatoren erforderlich.
- Die angulare Kompensation ist immer mit mehrfacher Strömungsumlenkung um 90° verbunden.
- Da Angularkompensatoren als Gelenkkompensatoren die von den Bälgen freigesetzten Druckkräfte selbst aufnehmen, werden die Rohrleitungspunkte nur noch von deren Verstellkräften und –momenten, von den Reibungskräften der Leitungsführungen und den Strömungskräften belastet.
- Die angulare Kompensation ist besonders für räumlich komplizierte Leitungsverläufe geeignet.
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