Gleitlager für Rohrleitungen richtig auslegen

Gleitlager für Rohrleitungen müssen zwei Aufgaben gleichzeitig erfüllen: Sie tragen die Leitung sicher und lassen die vorgesehenen Bewegungen zu. Besonders bei temperaturbeanspruchten Rohrleitungen ist diese Kombination wichtig. Wird das Lager zu starr ausgeführt, können zusätzliche Kräfte und Spannungen entstehen. Ist die Gleitfläche dagegen zu klein, falsch positioniert oder nicht für die Belastung geeignet, kann der Rohrschlitten seinen vorgesehenen Bewegungsweg nicht zuverlässig ausführen.

Für die richtige Auslegung reicht es deshalb nicht aus, ausschließlich Rohrdurchmesser und Rohrgewicht zu kennen. Sie müssen Traglast, thermische Bewegung, Reibung, Gleitpaarung, Lagerfunktion, Montagezustand und Unterkonstruktion gemeinsam betrachten.

Was ist ein Gleitlager bei Rohrleitungen?

Ein Gleitlager trägt eine Rohrleitung und ermöglicht gleichzeitig eine definierte horizontale Verschiebung gegenüber der Tragkonstruktion. Im industriellen Rohrleitungsbau werden dafür häufig Rohrschlitten eingesetzt, die auf einer geeigneten Auflage oder Gleitplatte bewegt werden.

Das unterscheidet ein Gleitlager von einem Festpunkt. Während ein Festpunkt Bewegungen gezielt verhindert und Kräfte in die Tragkonstruktion einleitet, soll ein Gleitlager die berechnete Bewegung möglichst ungehindert zulassen.

Auch ein Führungslager erfüllt eine andere Aufgabe. Es ermöglicht beispielsweise eine Bewegung in Rohrachse, begrenzt jedoch seitliche Verschiebungen. Ein reines Gleitlager kann dagegen abhängig vom Lagerungskonzept Bewegungen in mehreren horizontalen Richtungen zulassen.

Die Lagerfunktion sollte daher festgelegt werden, bevor die konkrete Konstruktion ausgewählt wird.

Warum Gleitlager nicht isoliert ausgelegt werden sollten

Ein einzelnes Gleitlager ist immer Bestandteil eines vollständigen Rohrlagerungssystems. Festpunkte, Führungen, Rohrschlitten, Dehnungsmöglichkeiten und Tragkonstruktionen beeinflussen sich gegenseitig.

Bei einer warmgehenden Leitung legt beispielsweise die Position der Festpunkte wesentlich fest, in welche Richtung sich einzelne Leitungsabschnitte ausdehnen. Führungslager halten die Rohrleitung auf dem vorgesehenen Bewegungsweg. Gleitlager tragen die Leitung, ohne diese Bewegung unnötig zu behindern.

Eine fachgerechte Auslegung beginnt deshalb nicht beim einzelnen Bauteil, sondern beim Bewegungs- und Lagerungskonzept der gesamten Rohrleitung.

Grundlagen zur übergeordneten Dimensionierung finden Sie auch im Beitrag Rohrlager berechnen.

1. Lagerfunktion eindeutig festlegen

Vor der Dimensionierung sollte geklärt werden, welche Bewegungen am jeweiligen Lagerpunkt tatsächlich erlaubt oder verhindert werden sollen.

Typische Funktionen sind:

• vertikale Lasten tragen
• Bewegung in Rohrachse zulassen
• seitliche Bewegung zulassen
• seitliche Bewegung begrenzen
• Abheben des Rohrschlittens verhindern
• definierte Kräfte in die Unterkonstruktion übertragen

Diese Unterscheidung ist wichtig, weil ein Gleitlager nicht automatisch als Führung geeignet ist.

Soll die Rohrleitung ausschließlich in Längsrichtung verschiebbar sein, werden zusätzliche Führungen benötigt. Soll sie sich dagegen auch quer zur Rohrachse bewegen können, darf eine seitliche Führung diese Bewegung nicht unbeabsichtigt blockieren.

Bereits in diesem Schritt sollten Sie deshalb festlegen:

1. Welche Bewegungsrichtung ist vorgesehen?
2. Wie groß ist der maximale Bewegungsweg?
3. Welche Kräfte muss das Lager aufnehmen?
4. Wird zusätzlich eine Führung benötigt?
5. Muss eine Abhebesicherung vorgesehen werden?

2. Vertikale Belastung des Gleitlagers bestimmen

Die Gleitfläche muss die tatsächlich auftretende Auflagerlast sicher übertragen können.

Zur vertikalen Belastung gehören je nach Anlage unter anderem:

• Eigengewicht des Rohres
• Gewicht des transportierten Mediums
• Gewicht der Dämmung
• Armaturen
• Flansche
• angeschlossene Bauteile
• zusätzliche konstruktive Lasten
• gegebenenfalls dynamische Lastanteile

Die Belastung eines einzelnen Lagerpunktes lässt sich nicht zuverlässig bestimmen, indem lediglich das Gesamtgewicht der Rohrleitung gleichmäßig durch die Anzahl der Lager geteilt wird.

Abstände zwischen den Lagern, schwere Armaturen, Bögen, Abzweigungen und unterschiedliche Rohrabschnitte können zu deutlich voneinander abweichenden Auflagerreaktionen führen.

Für eine überschlägige Planung können zunächst Linienlasten und Lagerabstände betrachtet werden. Bei höher belasteten, sicherheitsrelevanten oder komplexen Rohrleitungssystemen sollte die tatsächliche Lagerreaktion aus der statischen beziehungsweise rohrstatischen Berechnung verwendet werden.

3. Thermischen Bewegungsweg ermitteln

Ein zentraler Auslegungswert für jedes Gleitlager ist der erwartete Verschiebeweg.

Metallische Rohrleitungen verändern ihre Länge bei Temperaturänderungen. Überschlägig kann die lineare thermische Längenänderung mit folgender Beziehung bestimmt werden:

ΔL = α × L × ΔT

Dabei steht:

• ΔL für die Längenänderung
• α für den Wärmeausdehnungskoeffizienten des Rohrwerkstoffs
• L für die wirksame Rohrlänge
• ΔT für die Temperaturänderung gegenüber dem betrachteten Ausgangszustand

Für die Auslegung des Gleitlagers reicht es jedoch nicht, nur die gesamte Längenänderung eines Rohrstranges zu kennen.

Sie müssen zusätzlich wissen, welcher Anteil dieser Bewegung tatsächlich am jeweiligen Lagerpunkt auftritt. Das wird durch die Position der Festpunkte, Leitungsführung, Kompensatoren, Dehnungsbögen und Führungslager bestimmt.

Wie diese Zusammenhänge bei warmgehenden Rohrleitungen wirken, erläutert der Beitrag Rohrschlitten für thermische Längenausdehnung.

4. Bewegungen in beide Temperaturrichtungen berücksichtigen

Bei der Planung wird häufig nur der Zustand zwischen Montage- und maximaler Betriebstemperatur betrachtet.

Eine Rohrleitung kann sich jedoch sowohl verlängern als auch verkürzen. Relevant sind deshalb der gesamte vorgesehene Temperaturbereich und die tatsächliche Montagetemperatur.

Wird eine Anlage beispielsweise bei einer vergleichsweise hohen Umgebungstemperatur montiert, kann sich die Leitung bei späterem Stillstand oder Winterbetrieb zunächst zusammenziehen. Bei Betriebstemperatur bewegt sie sich anschließend in die Gegenrichtung.

Die Ausgangsposition des Gleitlagers sollte deshalb zum erwarteten Bewegungsbereich passen.

Eine pauschale mittige Montage des Rohrschlittens auf der Gleitfläche ist nicht in jedem Projekt richtig. Die erforderliche Ausgangsstellung ergibt sich aus:

• Montagetemperatur
• minimaler Auslegungstemperatur
• maximaler Auslegungstemperatur
• Position des Festpunkts
• erwarteter Bewegungsrichtung
• Montage- und Fertigungstoleranzen

5. Länge und Breite der Gleitfläche dimensionieren

Die Gleitfläche muss so ausgeführt sein, dass der Rohrschlitten während des gesamten vorgesehenen Bewegungsbereichs sicher aufliegt.

Neben dem rechnerischen Verschiebeweg sollten deshalb zusätzliche Reserven berücksichtigt werden.

Zur notwendigen Gleitflächenlänge gehören unter anderem:

• erforderlicher Bewegungsweg
• Länge der tragenden Kontaktfläche
• Montageposition
• Fertigungstoleranzen
• Montagetoleranzen
• mögliche Abweichungen der tatsächlichen Betriebstemperatur
• projektspezifische Sicherheitszuschläge

Ein Rohrschlitten darf am Ende seines Bewegungsweges nicht über die tragende Auflage hinauslaufen.

Auch die Breite der Auflage muss ausreichend sein. Seitliche Bewegungen, Montagetoleranzen oder Verschiebungen der Unterkonstruktion dürfen nicht dazu führen, dass die tragende Fläche wesentlich reduziert wird.

Bei großen Bewegungen kann es daher sinnvoll sein, bereits in der Konstruktion mit längeren Auflager- oder Gleitplatten zu arbeiten.

6. Reibung bei der Auslegung berücksichtigen

Ein Gleitlager ermöglicht Bewegung, arbeitet jedoch nicht vollkommen reibungsfrei.

Zwischen Rohrschlitten und Auflager entsteht bei einer Bewegung eine horizontale Reibkraft. Überschlägig lässt sich dieser Zusammenhang mit

Fᵣ = μ × Fₙ

beschreiben.

Dabei steht:

• Fᵣ für die Reibkraft
• μ für den Reibungskoeffizienten der Gleitpaarung
• Fₙ für die auf die Gleitfläche wirkende Normalkraft

Mit zunehmender vertikaler Auflagerlast steigt damit auch die horizontale Kraft, die zur Bewegung des Rohrschlittens erforderlich ist.

Diese Kraft wirkt nicht nur auf das Gleitlager. Sie kann außerdem Rohrleitung, Festpunkte, Führungen und Unterkonstruktion belasten.

Der anzusetzende Reibungskoeffizient sollte zur tatsächlichen Gleitpaarung und zu den vorgesehenen Betriebsbedingungen passen. Pauschale Werte ohne Bezug zu Werkstoff, Oberflächenzustand, Temperatur und Herstellerangaben können zu einer falschen Bewertung führen.

7. Haftreibung und Gleitreibung unterscheiden

Besondere Aufmerksamkeit verdient der Bewegungsbeginn.

Nach längerem Stillstand muss zunächst die Haftreibung überwunden werden. Erst wenn sich die Rohrleitung bewegt, stellt sich das eigentliche Gleitverhalten ein.

Dadurch können kurzfristig höhere horizontale Kräfte auftreten als während einer kontinuierlichen Verschiebung.

Bei schweren Rohrleitungen oder hohen Lagerlasten sollte deshalb geprüft werden, ob:

• die Rohrleitung den Bewegungsbeginn ohne unzulässige Zusatzspannung ermöglicht
• Führungen ausreichend dimensioniert sind
• Festpunkte die resultierenden Kräfte aufnehmen können
• die Stahlkonstruktion ausreichend horizontal ausgesteift ist
• die verwendete Gleitpaarung ein geeignetes Reibungsverhalten besitzt

Auch Verschmutzungen, Korrosion oder beschädigte Gleitflächen können die Reibung im laufenden Betrieb erhöhen.

8. Geeignete Gleitpaarung auswählen

Die Kontaktflächen bestimmen wesentlich, wie zuverlässig sich ein Rohrschlitten bewegt.

Mögliche Ausführungen umfassen beispielsweise technische Kunststoffplatten und metallische Gleit- beziehungsweise Gegenflächen. STEBA bietet Rohrschlitten unter anderem mit Gleitplatten aus technischen Kunststoffen sowie Edelstahlplatten an.

Welche Materialpaarung geeignet ist, hängt von mehreren Faktoren ab:

Die zulässige Belastung eines Gleitmaterials kann sich mit zunehmender Temperatur verändern. Bei Kunststoff-Gleitplatten sollten deshalb die technischen Daten des konkret eingesetzten Materials berücksichtigt werden.

9. Flächenpressung kontrollieren

Nicht nur die gesamte Lagerlast, sondern auch die verfügbare Kontaktfläche ist relevant.

Eine hohe Kraft auf einer kleinen Gleitfläche erzeugt eine entsprechend hohe Flächenpressung.

Vereinfacht gilt:

p = F / A

Dabei steht:

• p für die Flächenpressung
• F für die auf die Gleitfläche wirkende Kraft
• A für die wirksame Auflagefläche

Die zulässige Flächenpressung richtet sich nach dem eingesetzten Gleitmaterial und den Betriebsbedingungen.

Besonders bei schweren Rohrleitungen sollte die Auflagefläche deshalb nicht ausschließlich anhand geometrischer Standardabmessungen gewählt werden. Eine größere tragende Fläche kann notwendig sein, um die Belastung des Gleitmaterials auf ein geeignetes Niveau zu reduzieren.

10. Führungsspiel ausreichend dimensionieren

Wird das Gleitlager zusätzlich seitlich geführt, benötigt die Konstruktion ein geeignetes Führungsspiel.

Eine zu enge Führung kann zum Verkanten des Rohrschlittens führen. Dadurch steigt die Reibung, und die eigentlich vorgesehene Längsbewegung kann behindert werden.

Das erforderliche Spiel wird unter anderem beeinflusst durch:

• Breitentoleranzen des Rohrschlittens
• Fertigungstoleranzen der Führungsplatten
• Montagetoleranzen
• thermische Bewegungen
• Verformungen unter Last
• mögliche seitliche Bewegungen der Rohrleitung

Eine Führung sollte die gewünschte Bewegungsrichtung sicherstellen, ohne aus dem Gleitlager unbeabsichtigt einen Festpunkt zu machen.

11. Abhebesicherung nur mit ausreichender Bewegungsfreiheit ausführen

Bei bestimmten Rohrleitungssystemen können vertikale Kräfte oder dynamische Belastungen auftreten, durch die ein Rohrschlitten von der Auflage abheben könnte.

Eine Abhebesicherung kann diese Bewegung begrenzen.

Auch hier darf die Sicherung die vorgesehene horizontale Bewegung nicht blockieren. Zwischen beweglichem Rohrschlitten und Sicherung muss deshalb genügend konstruktives Spiel vorhanden sein.

Relevant sind beispielsweise:

• maximaler horizontaler Bewegungsweg
• mögliche vertikale Bewegung
• Fertigungstoleranzen
• Montagetoleranzen
• Verformungen von Rohrschlitten und Unterkonstruktion

12. Bauhöhe und Dämmung berücksichtigen

Die Bauhöhe eines Gleitlagers wird häufig durch die Rohrdämmung beeinflusst.

Der Rohrschlitten sollte die Leitung so über der Unterkonstruktion positionieren, dass:

• die erforderliche Dämmstärke Platz findet
• der Dämmmantel nicht auf der Tragkonstruktion aufliegt
• der vorgesehene Bewegungsweg frei bleibt
• Wartung und Kontrolle möglich bleiben

Gleichzeitig verändert eine größere Bauhöhe den Hebelarm zwischen Rohrleitung und Auflage. Horizontale Kräfte können dadurch zusätzliche Momente in Rohrschlitten oder Unterkonstruktion erzeugen.

Bei hohen Bauformen sollte die Stabilität deshalb gesondert betrachtet werden.

13. Unterkonstruktion mit auslegen

Auch ein korrekt dimensionierter Rohrschlitten funktioniert nur auf einer geeigneten Unterkonstruktion.

Die Tragkonstruktion muss sowohl die vertikalen Lagerreaktionen als auch die durch Reibung und Führung entstehenden horizontalen Kräfte aufnehmen können.

Zu prüfen sind beispielsweise:

• Tragfähigkeit von Stahlträgern und Konsolen
• lokale Flächenpressung
• Verformung der Auflage
• horizontale Aussteifung
• Anschlussdetails
• Schweißverbindungen
• Schraubverbindungen
• Bewegungen der Tragkonstruktion selbst

Besonders lange oder flexible Stahlkonstruktionen können sich unter Temperatur oder Belastung ebenfalls bewegen. Relative Bewegungen zwischen Rohrleitung und Bauwerk sollten dann in das Lagerungskonzept einbezogen werden.

14. Korrosionsschutz darf die Gleitfunktion nicht beeinträchtigen

Werkstoff und Oberflächenschutz müssen zu den Umgebungsbedingungen passen.

Mögliche Anforderungen entstehen durch:

• Außenbewitterung
• Feuchtigkeit
• maritime Umgebung
• chemische Belastungen
• Kondensat
• erhöhte Temperaturen
• industrielle Atmosphäre

Bei beschichteten Konstruktionen sollten die tatsächlichen Gleitflächen gesondert betrachtet werden. Eine Beschichtung, die für eine feste Stahloberfläche geeignet ist, muss nicht automatisch als belastete Gleitfläche geeignet sein.

STEBA fertigt Rohrschlitten unter anderem aus S235, S355, 1.4301 und 1.4571 und bietet verschiedene Oberflächen- und Korrosionsschutzsysteme an. Werkstoff, Beschichtung und Gleitflächen können dadurch projektspezifisch aufeinander abgestimmt werden.

15. Montageposition dokumentieren

Eine technisch richtige Auslegung kann ihre Funktion verlieren, wenn das Gleitlager bei der Montage falsch positioniert wird.

Gerade bei größeren thermischen Verschiebewegen sollte eindeutig angegeben werden, an welcher Stelle der Gleitfläche sich der Rohrschlitten im Montagezustand befinden muss.

Hilfreich sind beispielsweise:

• Montagezeichnungen
• Maßangaben zur Ausgangsposition
• Angabe der zugrunde gelegten Montagetemperatur
• Bewegungsrichtung
• Markierungen am Rohrschlitten oder Auflager
• Kennzeichnung von Fest- und Führungspunkten

Vor der Inbetriebnahme sollte zusätzlich kontrolliert werden, ob der vorgesehene Gleitweg frei ist und keine Schrauben, Schweißnähte, Stahlbauteile oder andere Einbauten die Bewegung blockieren.

Typische Fehler bei der Auslegung von Gleitlagern

Viele Probleme entstehen nicht durch eine einzelne falsche Berechnung, sondern durch das Zusammenspiel mehrerer kleiner Planungsfehler.

Häufig sind beispielsweise:

• Gleitlager nur nach Rohrdurchmesser auswählen
• tatsächliche Lagerlast nicht bestimmen
• thermischen Verschiebeweg unterschätzen
• Rückbewegung beim Abkühlen nicht berücksichtigen
• Montagetemperatur ignorieren
• Gleitfläche zu kurz ausführen
• Reibkräfte nicht berücksichtigen
• ungeeignete Gleitpaarung auswählen
• Führungsspiel zu klein wählen
• Rohrschlitten durch Befestigungen unbeabsichtigt blockieren
• Unterkonstruktion nicht auf horizontale Kräfte prüfen
• Korrosion und Verschmutzung der Gleitflächen unterschätzen

Je früher diese Punkte in der Planung berücksichtigt werden, desto einfacher lässt sich ein dauerhaft funktionierendes Lagerungssystem aufbauen.

Welche Angaben werden für die Auslegung eines Gleitlagers benötigt?

Für eine belastbare technische Klärung sollten möglichst vollständige Projektdaten vorliegen.

Dazu gehören:

• Rohrdurchmesser
• Rohrwerkstoff
• Rohrwanddicke
• Gewicht beziehungsweise Lagerreaktion
• Medium
• Dämmung
• Armaturen und zusätzliche Lasten
• minimale Temperatur
• maximale Temperatur
• Montagetemperatur
• berechneter Bewegungsweg am Lagerpunkt
• Bewegungsrichtung
• erforderliche Lagerfunktion
• gewünschte Führung
• Führungskräfte
• erforderliche Abhebesicherung
• Bauhöhe
• Unterkonstruktion
• Korrosionsbelastung
• gewünschter Werkstoff
• gewünschte Oberfläche
• Anforderungen an die Gleitpaarung

Je genauer diese Informationen vorliegen, desto gezielter können Rohrschlitten, Auflagefläche, Gleitmaterial und Zubehör aufeinander abgestimmt werden.

Gleitlager individuell an das Rohrleitungssystem anpassen

Standardabmessungen reichen nicht für jedes Rohrleitungssystem aus. Große Verschiebewege, hohe Auflagerlasten, besondere Bauhöhen oder eingeschränkte Einbauräume können individuell ausgeführte Rohrschlitten und Gleitlager erforderlich machen.

STEBA fertigt Rohrschlitten nach Werksnorm, Kundenzeichnung und projektspezifischer Vorgabe. Rohrdurchmesser, Bauhöhe, Profilform, Materialstärke, Auflagefläche, Führungsabstände, Werkstoff, Oberfläche und Gleitplatten können dabei an das jeweilige Projekt angepasst werden.

Bei besonderen Konstruktionen sind außerdem Sonderanfertigungen im Rohrleitungsbau möglich.

So lässt sich das Gleitlager nicht nur an die Abmessungen der Rohrleitung, sondern an die tatsächlichen Lasten und Bewegungsanforderungen des gesamten Systems anpassen.

Häufige Fragen zu Gleitlagern für Rohrleitungen

Wie wird ein Gleitlager für eine Rohrleitung ausgelegt?

Für die Auslegung werden insbesondere die vertikale Lagerlast, der erforderliche Bewegungsweg, die Gleitpaarung, Reibkräfte, Temperaturbereich, Bauhöhe und die vorhandene Unterkonstruktion betrachtet. Zusätzlich muss die Funktion des Gleitlagers innerhalb des gesamten Rohrlagerungskonzepts berücksichtigt werden.

Wie groß muss der Gleitweg eines Rohrlagers sein?

Der erforderliche Gleitweg richtet sich nach der tatsächlich am Lagerpunkt auftretenden Rohrbewegung. Neben der thermischen Längenänderung müssen Festpunktposition, Montagetemperatur, Bewegungsrichtung sowie Montage- und Fertigungstoleranzen berücksichtigt werden.

Muss ein Gleitlager mittig montiert werden?

Nicht grundsätzlich. Die richtige Montageposition hängt davon ab, wie weit sich die Rohrleitung ausgehend von der Montagetemperatur in beide Richtungen bewegen kann. Bei asymmetrischen Bewegungswegen kann deshalb eine außermittige Ausgangsstellung erforderlich sein.

Wie wirkt sich Reibung auf ein Gleitlager aus?

Durch die Reibung zwischen Rohrschlitten und Gleitfläche entstehen horizontale Kräfte. Diese wirken auf die Rohrleitung, Festpunkte, Führungen und Tragkonstruktion. Der verwendete Reibungswert sollte deshalb zur tatsächlichen Materialpaarung und zu den Betriebsbedingungen passen.

Was ist der Unterschied zwischen Gleitlager und Führungslager?

Ein Gleitlager ermöglicht horizontale Bewegungen der Rohrleitung. Ein Führungslager begrenzt bestimmte Bewegungsrichtungen und führt die Leitung beispielsweise entlang ihrer Achse. Abhängig vom Lagerungskonzept können beide Funktionen konstruktiv miteinander kombiniert werden.

Welche Angaben benötigt STEBA für ein individuelles Gleitlager?

Hilfreich sind Rohrdurchmesser, Rohrwerkstoff, Lagerlast, Dämmung, Temperaturbereich, Montagetemperatur, Bewegungsweg, Bewegungsrichtung, Bauhöhe, gewünschte Führung, Werkstoff, Oberfläche und Angaben zur Unterkonstruktion. Zeichnungen oder technische Spezifikationen erleichtern die projektspezifische Abstimmung.