Schwingungen in Rohrleitungen vermeiden: Ursachen erkennen und Rohrleitungen richtig befestigen

Schwingungen in Rohrleitungen lassen sich nicht in jedem Rohrleitungssystem vollständig verhindern. Pumpen, Verdichter, Motoren, wechselnde Strömungszustände und Druckänderungen können dynamische Kräfte erzeugen, die auf die Leitung übertragen werden. Problematisch werden diese Bewegungen, wenn die Schwingungsamplituden zu groß werden, Resonanzen entstehen oder Befestigungen die auftretenden Kräfte nicht ausreichend aufnehmen beziehungsweise ungünstig weiterleiten.

Wer Schwingungen in Rohrleitungen vermeiden oder deutlich reduzieren möchte, sollte deshalb nicht nur einzelne Rohrschellen verstärken. Zuerst muss geklärt werden, wo die Schwingung entsteht, wie sie sich im Rohrleitungssystem ausbreitet und welche Bewegungen an den jeweiligen Lagerpunkten vorgesehen sind.

Eine abgestimmte Kombination aus Leitungsführung, geeigneten Rohrhaltern, Befestigungsabständen, Führungen, Festpunkten und gegebenenfalls dämpfenden oder entkoppelnden Elementen kann unerwünschte Rohrleitungsschwingungen erheblich reduzieren.

Warum Schwingungen in Rohrleitungen problematisch sind

Eine Rohrleitung ist kein vollständig starres Bauteil. Sie besitzt Masse und Steifigkeit und kann deshalb durch wechselnde Kräfte zu Schwingungen angeregt werden.

Geringe Bewegungen müssen nicht automatisch kritisch sein. Werden jedoch dauerhaft hohe Schwingungsamplituden erreicht, entstehen wechselnde mechanische Belastungen. Besonders Anschlüsse, Schweißnähte, Flansche, Armaturen und Befestigungspunkte können dadurch stärker beansprucht werden.

Mögliche Folgen sind:

• Materialermüdung durch wiederkehrende Belastungen
• Lockerungen an Schraub- und Befestigungsverbindungen
• erhöhte Beanspruchung von Rohrschellen und Rohrhaltern
• zusätzliche Belastungen an Maschinen- und Pumpenanschlüssen
• Verschleiß an Kontakt- und Gleitflächen
• Geräusch- und Körperschallübertragung
• Beschädigungen an Messgeräten und angeschlossenen Komponenten
• im ungünstigen Fall Risse oder Leckagen

Wie stark ein Rohrhalter durch dynamische Kräfte beansprucht werden kann, hängt vom gesamten Lastbild ab. Weitere Einflussgrößen finden Sie im Beitrag Welche Belastungen müssen Rohrhalter aufnehmen?.

Welche Ursachen haben Rohrleitungsschwingungen?

Bevor Befestigungen verändert oder zusätzliche Lagerpunkte eingebaut werden, sollte die Ursache der Bewegung bestimmt werden. Unterschiedliche Schwingungsquellen erfordern unterschiedliche Maßnahmen.

Schwingungen durch Pumpen, Verdichter und Maschinen

Rotierende und oszillierende Maschinen gehören zu den typischen Anregungsquellen einer Rohrleitung.

Pumpen, Verdichter, Motoren oder andere Aggregate können periodische Kräfte erzeugen. Sind Rohrleitungen unmittelbar mit diesen Komponenten verbunden, können sich die Schwingungen auf das Rohrsystem übertragen.

Besondere Aufmerksamkeit benötigen deshalb die Leitungsabschnitte unmittelbar an:

• Pumpen
• Verdichtern
• Kompressoren
• Motoren und Maschinen
• Hydraulikaggregaten
• Prozessanlagen mit bewegten Komponenten

Eine Rohrbefestigung sollte hier nicht isoliert betrachtet werden. Maschinenaufstellung, Anschlussleitung, Tragkonstruktion und Befestigungssystem wirken zusammen.

Druckpulsationen innerhalb der Rohrleitung

Druckschwankungen erzeugen wechselnde Kräfte innerhalb eines Rohrleitungssystems. Das kann beispielsweise bei pulsierend arbeitenden Verdichtern oder Pumpen auftreten.

Auch schnelle Änderungen des Betriebszustands können Druckänderungen auslösen. Dadurch entstehen Kräfte, die Bögen, Abzweige, Armaturen und Befestigungen dynamisch beanspruchen.

Werden solche Pulsationen regelmäßig mit ähnlicher Frequenz erzeugt, kann die Rohrleitung dauerhaft zu Schwingungen angeregt werden.

Strömungsbedingte Schwingungen

Auch die Strömung selbst kann Rohrleitungsschwingungen verursachen.

Ungünstige Strömungsverhältnisse können beispielsweise an folgenden Stellen entstehen:

• unmittelbar hinter Rohrbögen
• an Abzweigungen
• hinter Ventilen und Armaturen
• an Querschnittsänderungen
• in Bereichen mit hohen Strömungsgeschwindigkeiten
• bei stark turbulenter Strömung

Je nach Rohrleitungssystem können wechselnde Strömungskräfte die Leitung seitlich oder axial anregen.

Schnelles Öffnen oder Schließen von Armaturen

Wird die Strömung innerhalb kurzer Zeit stark verändert, entstehen entsprechend schnelle Änderungen der Kräfte im Rohrsystem.

Ein typisches Beispiel sind schnell betätigte Ventile. Druckstöße können dabei kurzfristig erheblich höhere Belastungen erzeugen als der normale stationäre Betrieb.

Die Befestigung muss daher nicht nur das Rohrgewicht aufnehmen. Bei der Auslegung müssen auch mögliche dynamische Betriebszustände berücksichtigt werden.

Resonanz der Rohrleitung

Besonders kritisch können Schwingungen werden, wenn die Frequenz einer Anregung in der Nähe einer Eigenfrequenz des Rohrleitungssystems liegt.

Dann können bereits vergleichsweise geringe Anregungen große Bewegungen hervorrufen.

Die Eigenfrequenzen werden unter anderem beeinflusst durch:

• Länge der freien Rohrabschnitte
• Rohrdurchmesser und Wandstärke
• Rohrwerkstoff
• Masse von Rohr und Medium
• Armaturen und weitere Anbauteile
• Position und Steifigkeit der Lagerpunkte
• Steifigkeit der Tragkonstruktion

Deshalb kann beispielsweise bereits eine Veränderung der Lageranordnung das dynamische Verhalten einer Rohrleitung verändern.

Rohrleitungsschwingungen richtig beurteilen

Eine sichtbar schwingende Rohrleitung einfach an zusätzlichen Punkten starr zu befestigen, ist nicht grundsätzlich die richtige Lösung.

Eine zusätzliche Befestigung verändert die Steifigkeit des Systems und damit auch dessen Schwingungsverhalten. Gleichzeitig kann eine unerwünscht starre Lagerung thermische Bewegungen behindern und dadurch neue Kräfte erzeugen.

Vor einer Änderung sollten deshalb zunächst einige grundlegende Fragen geklärt werden:

Bei komplexen oder sicherheitsrelevanten Anlagen kann eine dynamische Untersuchung beziehungsweise Schwingungsmessung erforderlich sein.

Wie lassen sich Schwingungen in Rohrleitungen vermeiden?

Eine wirksame Schwingungsreduzierung beginnt möglichst an der Ursache. Erst anschließend sollte geprüft werden, welche Anpassungen der Rohrbefestigung erforderlich sind.

1. Schwingungsanregung möglichst an der Quelle reduzieren

Je weniger dynamische Energie in das Rohrleitungssystem eingeleitet wird, desto weniger muss anschließend durch Befestigungen kontrolliert werden.

Abhängig von der Ursache können beispielsweise Maschinenlagerung, Betriebszustände, Strömungsverhältnisse oder Druckpulsationen betrachtet werden.

Bei pumpen- oder verdichterbedingten Schwingungen sollte außerdem geprüft werden, ob die angeschlossene Leitung unerwünschte Kräfte auf das Aggregat zurücküberträgt.

2. Resonanzbereiche vermeiden

Treten besonders starke Schwingungen nur bei bestimmten Drehzahlen oder Betriebszuständen auf, sollte eine Resonanz als mögliche Ursache berücksichtigt werden.

Durch Veränderungen an:

• Lagerabständen
• Lagerpositionen
• Steifigkeit der Befestigung
• Masseverteilung
• Rohrführung

lassen sich die Eigenfrequenzen eines Systems beeinflussen.

Solche Änderungen sollten jedoch geplant erfolgen. Eine beliebige zusätzliche Rohrschelle kann das Problem verlagern, anstatt es zu lösen.

3. Lagerabstände passend zur dynamischen Belastung wählen

Lange freie Rohrabschnitte können leichter zu größeren Bewegungen angeregt werden.

Zusätzliche Führungs- oder Lagerpunkte können die freie Spannweite reduzieren und die Steifigkeit erhöhen. Der passende Abstand hängt jedoch von Rohrdimension, Masse, Werkstoff, Belastung und Befestigungssystem ab.

Eine rein statische Betrachtung des Rohrgewichtes reicht bei ausgeprägten dynamischen Lasten nicht immer aus.

Informationen zur grundsätzlichen Funktion von Rohrbefestigungen helfen dabei, die verschiedenen Befestigungselemente innerhalb des Systems richtig einzuordnen.

4. Rohrleitungen gezielt führen

Eine Rohrleitung muss nicht an jedem Punkt vollständig fixiert werden.

Führungspunkte können Bewegungen in bestimmten Richtungen begrenzen und gleichzeitig Bewegungen in einer anderen Richtung zulassen. Dadurch kann die Leitung kontrolliert innerhalb des vorgesehenen Bewegungsbereichs gehalten werden.

Insbesondere bei langen Leitungswegen müssen Führungen mit thermischen Bewegungen abgestimmt werden.

Zu viele starre Punkte können ebenso problematisch sein wie zu wenige Führungen.

5. Festpunkte gezielt anordnen

Festpunkte übertragen axiale und gegebenenfalls weitere Kräfte aus der Rohrleitung auf die Tragkonstruktion.

Sie können dazu beitragen, lange Rohrleitungssysteme in definierte Abschnitte aufzuteilen und Bewegungen gezielt zu steuern.

Ihre Position und Belastbarkeit müssen jedoch zum gesamten Lagerungskonzept passen. Ein Festpunkt, der ohne Berücksichtigung der thermischen Ausdehnung eingesetzt wird, kann hohe zusätzliche Kräfte erzeugen.

6. Thermische Bewegungen nicht versehentlich blockieren

Temperaturänderungen und Schwingungen müssen gemeinsam betrachtet werden.

Eine Rohrleitung kann beispielsweise im Normalbetrieb eine definierte axiale Verschiebung benötigen. Wird sie zur Schwingungsreduzierung an dieser Stelle starr befestigt, kann die notwendige Temperaturausdehnung behindert werden.

Für kontrollierte Längsbewegungen kommen abhängig von der Konstruktion unter anderem Rohrschlitten zum Einsatz. Diese tragen die Leitung und ermöglichen gleichzeitig definierte Bewegungen innerhalb des Rohrlagersystems.

Schwingungsbegrenzung und Bewegungsfreiheit dürfen deshalb nicht unabhängig voneinander geplant werden.

7. Schwingungen dämpfen oder Komponenten entkoppeln

Abhängig von Ursache und Frequenzbereich können zusätzliche dämpfende oder elastische Elemente sinnvoll sein.

Ihre Aufgabe kann darin bestehen, Bewegungsenergie zu reduzieren oder die Übertragung von Schwingungen zwischen unterschiedlichen Bauteilen zu begrenzen.

Dabei ist allerdings nicht jedes elastische Element für jede Anwendung geeignet. Die erforderliche Steifigkeit, zulässige Bewegung, Temperatur, Umgebung, Last und Schwingungsfrequenz müssen berücksichtigt werden.

Eine zu weiche Lagerung kann beispielsweise dazu führen, dass sich die Bewegungsamplitude der Rohrleitung erhöht.

8. Tragkonstruktion ausreichend steif ausführen

Nicht nur das Rohr selbst kann schwingen.

Auch Konsolen, Träger, Rahmen oder andere Unterkonstruktionen besitzen eine eigene Steifigkeit und können dynamisch angeregt werden.

Eine stabile Rohrschelle auf einer zu flexiblen Konsole löst deshalb nicht zwangsläufig das Schwingungsproblem.

Bei der Beurteilung sollten immer gemeinsam betrachtet werden:

• Rohrleitung
• Rohrschelle beziehungsweise Rohrhalter
• Verbindungselemente
• Konsole oder Stahlbau
• Befestigung am Bauwerk beziehungsweise Maschinenrahmen

Die Steifigkeit der gesamten Lastkette beeinflusst das Verhalten des Systems.

9. Anschlüsse an Pumpen und Maschinen besonders beachten

Maschinenanschlüsse gehören zu den sensiblen Bereichen eines Rohrleitungssystems.

Die Rohrleitung sollte dort so geführt und gelagert werden, dass die vorgesehenen Bewegungen kontrolliert werden und keine unnötigen Zusatzbelastungen auf Flansche beziehungsweise Maschinenanschlüsse übertragen werden.

Das betrifft sowohl statische Lasten als auch dynamische Bewegungen.

Eine Befestigung unmittelbar neben einer Maschine muss deshalb entsprechend der tatsächlichen Funktion ausgelegt werden: tragen, führen, fixieren oder eine definierte Bewegung zulassen.

10. Befestigungen nicht nur auf maximale Traglast auslegen

Bei wiederkehrenden Schwingungen ist nicht allein die höchste auftretende Kraft relevant.

Wechselnde Belastungen können ein Bauteil über sehr viele Lastwechsel beanspruchen. Befestigungen, Schweißverbindungen und Anschlusskonstruktionen müssen deshalb für den tatsächlichen Lastfall ausgelegt werden.

Bei einer technischen Anfrage sollten neben Rohrdurchmesser und Gewicht möglichst auch Informationen zu dynamischen Lasten und Betriebszuständen angegeben werden.

Rohrschellen und Rohrhalter gegen Schwingungen richtig auswählen

Eine universelle „vibrationsfreie Rohrschelle“ gibt es für industrielle Rohrleitungssysteme nicht.

Die passende Ausführung hängt von der jeweiligen Aufgabe ab.

Rohrschellen

Rohrschellen verbinden das Rohr mit dem Befestigungs- oder Lagersystem. Abhängig von ihrer Ausführung können sie das Rohr halten, führen oder Bestandteil eines festeren Befestigungspunktes sein.

Für schwingungsbeanspruchte Anwendungen sind insbesondere Dimensionierung, Anschlusskonstruktion und die tatsächlich auftretenden dynamischen Kräfte relevant.

Rohrhalter

Rohrhalter verbinden die Rohrleitung mit der Tragkonstruktion und können abhängig von ihrer Bauform unterschiedliche Aufgaben übernehmen.

Sie können:

• Rohrgewicht aufnehmen
• seitliche Bewegungen begrenzen
• eine definierte Führung herstellen
• Kräfte in die Unterkonstruktion übertragen
• kontrollierte Bewegungen ermöglichen
• dynamische Belastungen aufnehmen

Welche Funktion erforderlich ist, muss für jeden Lagerpunkt innerhalb des Rohrleitungssystems festgelegt werden.

Rohrschlitten

Rohrschlitten eignen sich insbesondere dort, wo eine Rohrleitung getragen werden muss, gleichzeitig aber thermische Längsbewegungen benötigt.

Durch Führungen, Gleitflächen und zusätzliche konstruktive Komponenten lassen sich Bewegungsrichtungen gezielt beeinflussen.

Dadurch können thermische Bewegung und Rohrführung innerhalb eines abgestimmten Lagerkonzeptes miteinander kombiniert werden.

Warum die gesamte Rohrlagerung betrachtet werden muss

Ein einzelner schwingender Rohrabschnitt ist häufig nur das sichtbare Symptom eines größeren Zusammenhanges.

Beispielsweise kann eine zusätzliche Befestigung an einer Stelle die Bewegung reduzieren, gleichzeitig aber:

• Kräfte an einen anderen Lagerpunkt verlagern
• die Eigenfrequenz des Systems verändern
• einen Maschinenanschluss stärker belasten
• thermische Bewegungen einschränken
• eine neue Schwingungsform erzeugen

Deshalb sollten Rohrbefestigungen als zusammenhängendes System geplant werden.

Weitere Grundlagen dazu finden Sie im Bereich Rohrleitungsbau.

Schwingungen bereits bei der Planung berücksichtigen

Die beste Möglichkeit, problematische Rohrleitungsschwingungen zu reduzieren, besteht darin, dynamische Belastungen bereits während der Planung zu berücksichtigen.

Dazu sollten unter anderem bekannt sein:

• Rohrdurchmesser und Wandstärke
• Rohrwerkstoff
• Medium und Mediumgewicht
• Betriebsdruck
• Betriebstemperatur
• mögliche Temperaturänderungen
• Strömungsgeschwindigkeit und Betriebszustände
• angeschlossene Pumpen, Verdichter oder Maschinen
• mögliche Druckpulsationen
• vorgesehene Lagerabstände
• Positionen von Fest- und Führungspunkten
• zulässige Bewegungen
• Tragkonstruktion
• erwartete dynamische Lasten

Je vollständiger diese Angaben vorliegen, desto gezielter lässt sich die Rohrbefestigung auf den tatsächlichen Betrieb abstimmen.

Schwingungen bei der Inbetriebnahme kontrollieren

Auch ein sorgfältig geplantes Rohrleitungssystem sollte während der Inbetriebnahme beobachtet werden.

Viele dynamische Effekte werden erst sichtbar, wenn Pumpen, Verdichter und andere Aggregate unter realen Betriebsbedingungen laufen.

Dabei sollten unterschiedliche Betriebszustände berücksichtigt werden, beispielsweise:

• Anfahren und Abfahren
• Mindest- und Volllast
• unterschiedliche Pumpendrehzahlen
• Ventilschaltungen
• wechselnde Fördermengen
• Temperaturänderungen

Auffällige Rohrbewegungen sollten nicht nur optisch beurteilt werden. Bei kritischen Anlagen kann eine messtechnische Untersuchung erforderlich sein, um Frequenzen und Schwingungsamplituden zu bestimmen.

Individuelle Rohrbefestigungen für dynamisch beanspruchte Anlagen

Bei komplexen Rohrleitungssystemen reichen Standardbefestigungen nicht immer aus.

Besondere Lasten, ungewöhnliche Rohrdimensionen, begrenzte Einbauräume oder projektspezifische Anschlussgeometrien können eine individuelle Konstruktion erforderlich machen.

STEBA fertigt Sonderanfertigungen für den Rohrleitungsbau nach Zeichnung, Muster, Werksnorm oder abgestimmter technischer Vorgabe.

Dadurch können unter anderem Abmessungen, Anschlussgeometrie, Werkstoff und konstruktive Ausführung auf die geplante Lagerfunktion abgestimmt werden.

Für eine technische Klärung sollten die erwarteten dynamischen Kräfte und Bewegungen möglichst bereits durch die Anlagen- beziehungsweise Rohrleitungsplanung definiert sein. So kann die Befestigung passend zum vorgesehenen Lastfall ausgeführt werden.

Häufige Fragen zu Schwingungen in Rohrleitungen

Wie kann man Schwingungen in Rohrleitungen vermeiden?

Zunächst sollte die Schwingungsquelle identifiziert werden. Anschließend können je nach Ursache die Anregung reduziert, Lagerabstände angepasst, Rohrleitungen gezielter geführt, Befestigungen versteift oder geeignete Dämpfungs- beziehungsweise Entkopplungsmaßnahmen vorgesehen werden. Dabei muss das gesamte Rohrleitungssystem betrachtet werden.

Warum beginnt eine Rohrleitung zu schwingen?

Mögliche Ursachen sind Schwingungen angeschlossener Pumpen oder Verdichter, Druckpulsationen, turbulente Strömungen, schnelle Ventilbewegungen, zu große freie Rohrlängen oder Resonanzen innerhalb des Rohrleitungssystems.

Helfen zusätzliche Rohrschellen gegen Schwingungen?

Zusätzliche Befestigungspunkte können Schwingungen reduzieren, sind aber nicht automatisch die richtige Lösung. Sie verändern die Steifigkeit und Eigenfrequenzen der Rohrleitung und können außerdem notwendige thermische Bewegungen behindern. Ursache und Lagerkonzept sollten deshalb vorher geprüft werden.

Können zu starre Rohrbefestigungen problematisch sein?

Ja. Eine starre Befestigung kann unerwünschte Bewegungen begrenzen, kann aber gleichzeitig thermische Längenänderungen behindern oder Schwingungen stärker an andere Bauteile übertragen. Die erforderliche Steifigkeit hängt von der jeweiligen Lagerfunktion ab.

Wo treten Rohrleitungsschwingungen besonders häufig auf?

Kritische Bereiche können sich in der Nähe von Pumpen, Verdichtern und Maschinen sowie an langen freien Rohrabschnitten, Bögen, Armaturen, Abzweigungen und anderen strömungstechnisch beziehungsweise konstruktiv auffälligen Stellen befinden.

Was ist Resonanz bei einer Rohrleitung?

Resonanz kann entstehen, wenn eine periodische Anregung in der Nähe einer Eigenfrequenz des Rohrleitungssystems liegt. Die Schwingungsamplituden können dadurch stark zunehmen. Lagerabstände, Steifigkeit, Masse und Rohrführung beeinflussen die Eigenfrequenzen.

Welche Angaben werden für eine vibrationsbeanspruchte Rohrbefestigung benötigt?

Neben Rohrdurchmesser, Gewicht und Werkstoff sollten insbesondere Betriebszustände, erwartete dynamische Kräfte, Frequenzen beziehungsweise bekannte Schwingungsquellen, Temperaturbewegungen, gewünschte Lagerfunktion, Befestigungsposition und Tragkonstruktion berücksichtigt werden.