So berechnen Sie das Wärmeausdehnungsspiel für Graphit-Bronze-Gleitplatten in Hochtemperaturanwendungen

Ein Rohrleitungsingenieur aus einer Raffinerie in Louisiana rief mich wegen einer Graphit-Bronze-Gleitplatte an, die sich in ihrer Montagetasche an einer Dampfrohrhalterung festgeklemmt hatte. Das Rohr betrieb bei 400 °C. Die Gleitplatte wurde bei 20 °C ohne seitliches Spiel eingebaut. Sechs Monate später hatte sich die Platte so stark ausgedehnt, dass sie gegen die Taschenwände klemmte, den Rohrsattel von seiner Stütze anhob und Last auf eine angrenzende Rohraufhängung übertrug, die dafür nicht ausgelegt war.

Die Lösung ist in vielen Fällen ein direkter Nachrüstsatz: Ersetzen Sie die Stahlplatten durch graphitgefüllte Bronze-Verschleißplatten derselben NAAMS-Größe.

Die kurze Antwort lautet: Graphit-Bronze-Gleitplatten benötigen ein berechnetes Seitenspiel für die Wärmeausdehnung. Bronze hat einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von 18 × 10⁻⁶/°C, etwa 50 Prozent höher als Kohlenstoffstahl mit 12 × 10⁻⁶/°C. Wenn eine Bronzeplatte in eine Stahltasche montiert wird, muss die Differenzausdehnung bei der zu erwartenden Betriebstemperatur berechnet und das Spiel entsprechend festgelegt werden.

Warum die Wärmeausdehnung für Graphit-Bronze-Gleitplatten berechnet werden muss

Die Wärmeausdehnung in Graphit-Bronze-Gleitplatten verursacht zwei unterschiedliche Probleme. Das erste ist das Klemmen innerhalb der Montagetasche, wie im Raffinerie-Fall beschrieben. Das zweite ist eine erhöhte Reibung an der Gleitschnittstelle, weil die ausgedehnte Platte eine zusätzliche Normalkraft auf die Gegenfläche ausübt.

Der Engineering Toolbox veröffentlicht den linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten für Bronze mit 18 × 10⁻⁶/°C (18 Mikrometer pro Meter pro Grad Celsius), für Kohlenstoffstahl mit 12 × 10⁻⁶/°C und für Edelstahl 304 mit 17,3 × 10⁻⁶/°C. Die NIST-Publikation zur Wärmeausdehnung von Bronzen bestätigt, dass Aluminiumbronze und Zinnbronze ein ähnliches Ausdehnungsverhalten aufweisen, mit Abweichungen von weniger als 2 Prozent zwischen den Legierungsfamilien.

Die Differenzausdehnung zwischen der Bronzeplatte und der Stahltasche ist die entscheidende Berechnung. Für eine 300 mm lange Bronzeplatte in einer Stahltasche bei 300 °C über Umgebungstemperatur:
– Bronze dehnt sich: 300 mm × 18 × 10⁻⁶ × 300 °C = 1,62 mm
– Stahltasche dehnt sich: 300 mm × 12 × 10⁻⁶ × 300 °C = 1,08 mm
– Differenzausdehnung: 1,62 − 1,08 = 0,54 mm

Wenn das Spiel beim Einbau 0,5 mm pro Seite betrug, hätte die Platte bei Betriebstemperatur nur noch 0,23 mm Spiel – 0,5 − (0,54 ÷ 2) = 0,23 mm auf jeder Seite. Das ist gefährlich eng. Wenn die Betriebstemperatur zyklisch schwankt oder das anfängliche Spiel auch nur geringfügig kleiner war, klemmt die Platte.

Ein technisches Bulletin von CON-SERV zu Hochtemperatur-Dehnungslagern empfiehlt, Bronze-Gleitslager mit mindestens 3 mm Spiel pro Seite für Anwendungen über 250 °C zu konstruieren, auf 5 mm für Anwendungen über 500 °C erhöht.

 

Das erforderliche Spiel Schritt für Schritt berechnen

Die Spaltberechnung folgt einem einfachen Dreischrittprozess, den jeder Instandhaltungsingenieur mit Basisdaten durchführen kann.

Bestimmen Sie zuerst den Temperaturbereich. Erfassen Sie die Umgebungstemperatur beim Einbau und die maximale Betriebstemperatur an der Gleitschnittstelle. Bei Rohrhalterungen ist die Betriebstemperatur die Rohrhauttemperatur an der Halterung, die durch Isolationsverluste 50 bis 100 °C niedriger sein kann als die Prozesstemperatur.

Zweitens berechnen Sie die Dimensionsänderung sowohl für die Bronzeplatte als auch für die Stahltasche nach der Formel ΔL = α × L₀ × ΔT, wobei α der Wärmeausdehnungskoeffizient, L₀ die Ausgangslänge bei Umgebungstemperatur und ΔT der Temperaturunterschied ist. Verwenden Sie die folgenden Koeffizienten:
– Bronze (alle Sorten): 18 × 10⁻⁶/°C
– Kohlenstoffstahl: 12 × 10⁻⁶/°C
– Edelstahl 304: 17,3 × 10⁻⁶/°C
– Edelstahl 316: 16,5 × 10⁻⁶/°C

Drittens wenden Sie die Differenzausdehnung auf das verfügbare Spiel an. Das empfohlene Mindestspiel pro Kante ist die Differenzausdehnung geteilt durch 2, zuzüglich einer Sicherheitsmarge von 1 mm für Anwendungen unter 200 °C und 2 mm für Anwendungen über 200 °C.

Für eine 600 mm lange C95400-Bronze-Verschleißplatte in einer Kohlenstoffstahltasche bei 350 °C:
– Bronzeausdehnung: 600 × 18 × 10⁻⁶ × 330 = 3,56 mm
– Stahlausdehnung: 600 × 12 × 10⁻⁶ × 330 = 2,38 mm
– Differenz: 1,18 mm
– Spiel pro Seite: 1,18 ÷ 2 + 2,0 = 2,59 mm → auf 3,0 mm aufrunden

Die gesamte Taschenbreite sollte Plattenbreite plus 6 mm betragen. Dieses Spiel ist so groß, dass die Platte mit Madenschrauben oder einer Halteschiene positioniert werden sollte, statt auf eine Presspassung zu vertrauen.

Die Einbauanleitung für Bronzphite-Gleitplatten von Piping Tech legt fest, dass bei Hochtemperaturanwendungen die Stahl-Trageplatte mit dem Untergrund verschweißt und die Bronzeplatte mit Langlochbohrungen an der Trageplatte verschraubt werden sollte, um eine Differenzbewegung zwischen den Bronze- und Stahlbauteilen zu ermöglichen.

 

Auch die Ausdehnung der Gegenfläche berücksichtigen

Die Gleitfläche, mit der die Bronzeplatte in Kontakt steht – typischerweise eine polierte Edelstahlplatte – dehnt sich bei Temperatur ebenfalls aus. Wenn die Gegenfläche aus Edelstahl besteht, liegt ihr Ausdehnungskoeffizient von 17,3 × 10⁻⁶/°C nahe an Bronze mit 18 × 10⁻⁶/°C, sodass die Differenz minimal ist. Das ist ein klarer Vorteil, wenn für Hochtemperatur-Gleitplatten eine Edelstahl-Gegenfläche spezifiziert wird.

Besteht die Gegenfläche aus Kohlenstoffstahl (12 × 10⁻⁶/°C), dehnt sich die Bronzeplatte stärker aus als die Gegenfläche, was den Anpressdruck und die Reibung erhöht. Der Reibungskoeffizient kann durch diesen Differenzausdehnungseffekt von 0,08 bei Umgebungstemperatur auf 0,15 oder höher bei 400 °C Betriebstemperatur ansteigen.

Der von CON-SERV empfohlene Design-Reibungsfaktor von 15 Prozent bei hoher Temperatur für Bronze-Gleitlager berücksichtigt diesen thermischen Lastanstieg. Für Anwendungen bei Umgebungstemperatur ist ein Reibungsfaktor von 8 bis 10 Prozent angemessener.

Praktisch bedeutet das, dass die Hebe- oder Bewegungskraft für eine Rohrhalterung oder ein Bauwerkslager bei erhöhter Temperatur gegenüber Umgebungstemperatur um 50 bis 100 Prozent erhöht werden muss. Konstrukteure, die das Stützsystem auf Basis von Reibungsdaten bei Umgebungstemperatur auslegen, riskieren eine Unterdimensionierung ihres Antriebs- oder Ausdehnungssystems.

Ein reales Fallbeispiel aus einer Kraftwerks-Dampfleitung: Die Bronze-Gleitplatten an den Rohrhalterungen wurden für 0,10 Reibung bei 20 °C ausgelegt, betrieben aber bei 350 °C. Die tatsächliche Reibung bei Betriebstemperatur betrug 0,17, und die Rohrdehnungsbälge waren um 40 Prozent unterdimensioniert. Die Bälge versagten nach 14 Monaten.

 

Die Montagetasche für thermische Bewegung konstruieren

Das Montagedetail für Graphit-Bronze-Gleitplatten bei hohen Temperaturen muss es der Platte ermöglichen, sich innerhalb der Tasche frei zu bewegen. Es gelten drei Konstruktionsregeln.

Verwenden Sie Langlochschrauben statt runder Löcher. Das Langloch sollte in Richtung der Wärmeausdehnung verlaufen, mit einer Länge gleich der berechneten Ausdehnung plus 3 mm. Das Anzugsdrehmoment der Schraube sollte auf 60 Prozent des Standardwerts reduziert werden, um ein gewisses Gleiten der Platte unter dem Schraubenkopf zu ermöglichen.

Montieren Sie die Platte mit einem anfänglichen Versatz. Wenn sich die Platte bei Betriebstemperatur voraussichtlich 2 mm nach rechts ausdehnt, positionieren Sie sie bei Umgebungstemperatur 1 mm links von der Mitte. Dadurch wird die Platte bei Betriebstemperatur zentriert und erhält auf beiden Seiten gleiches Spiel.

Verwenden Sie Hochtemperatur-Antiseize-Mittel auf allen Kontaktflächen zwischen Bronzeplatte, Trageplatte und Taschenwänden. Auf 1000 °C ausgelegte Antiseize-Mittel auf Nickelbasis verhindern bei hoher Temperatur die Kaltverschweißung zwischen Bronze und Stahl – eine häufige Ursache für festgeklemmte Gleitplatten.

Die Einbauanleitung von Piping Tech für Bronzphite-Gleitplatten legt fest, dass bei Hochtemperaturbetrieb das untere Element aus Kohlenstoffstahl bestehen sollte, mit aufgeschraubter Bronzeplatte, und das obere Element aus poliertem Edelstahl. Beide Elemente werden mit 6-mm-Kehlnähten an der Außenkante an ihren jeweiligen Untergrund geheftet. Die für Bronzphite-Platten spezifizierte 6-mm-Schweißnaht (1/4 Zoll) verhindert das Eindringen von Wasser und ermöglicht gleichzeitig thermische Bewegung innerhalb der Verbindung.

 

Hochtemperatur-Bronzelegierungen für den Heißbetrieb auswählen

Standard-C95400-Aluminiumbronze behält ihre Druckfestigkeit bis 500 °F (260 °C). Oberhalb dieser Temperatur beginnt die Matrix weicher zu werden. Für Anwendungen über 260 °C sind spezielle Hochtemperatur-Bronzelegierungen und Schmierstoffformulierungen erforderlich.

Die Produktdokumentation von CON-SERV spezifiziert drei Schmierstoffklassen für Bronze-Gleitlager: Standardschmierstoff bis 250 °F (121 °C), Lube 1 für 250 °F bis 500 °F (121 °C bis 260 °C) und Lube 2 für 500 °F bis 800 °F (260 °C bis 427 °C). Der Schmierstoff wird in die Bronze-Matrix imprägniert und bedeckt etwa 25 Prozent der Lageroberfläche.

Für extreme Hochtemperaturanwendungen bis 1000 °F (538 °C) wird C86300-Manganbronze mit spezieller Graphitschmierung empfohlen. Das Graphitschmiermittel ist in inerten Umgebungen bis 3000 °F stabil, beginnt aber in oxidierenden Atmosphären oberhalb von 800 °F (427 °C) zu oxidieren. Die Bronzphite-Platten von Piping Tech sind für kurzzeitige Belastung bis 1100 °F (593 °C) und für Dauerbetrieb bis 800 °F (427 °C) ausgelegt.

Für Anwendungen über 500 °C sollten reine Graphit-Lager oder stahlunterstützte Graphit-Gleitplatten anstelle von Bronze-Graphit in Betracht gezogen werden. Graphit-Gleitplatten von Benchmark sind bei Umgebungsbedingungen bis 1000 °F und in inerten Umgebungen bis 3000 °F ausgelegt, mit einer Druckfestigkeit von 5100 PSI. Graphit hat jedoch eine geringere Schlagfestigkeit als Bronze und ist nicht für dynamische Belastungsbedingungen geeignet.

 

FAQ

Ab welcher Temperatur wird das Wärmeausdehnungsspiel für Bronze-Gleitplatten kritisch?

Bei einem Temperaturunterschied von über 100 °C zwischen Umgebung und Betrieb wird das Wärmeausdehnungsspiel signifikant. Unterhalb von 100 °C beträgt die Differenzausdehnung zwischen Bronze und Stahl typischerweise weniger als 0,3 mm pro Meter, was durch die üblichen Montagetoleranzen aufgefangen werden kann.

Kann ich Edelstahltaschen anstelle von Kohlenstoffstahl verwenden, um die Differenzausdehnung zu verringern?

Ja. Edelstahl 304 hat einen Ausdehnungskoeffizienten von 17,3 × 10⁻⁶/°C, sehr nahe an Bronze mit 18 × 10⁻⁶/°C. Die Differenz wird gegenüber Kohlenstoffstahltaschen um 80 Prozent reduziert. Das ist eine praktische Lösung beim nachträglichen Umbau vorhandener Gleitplattentaschen.

Was passiert, wenn das Spiel zu groß ist?

Übermäßiges Spiel erlaubt es der Platte, sich unter Last zu verschieben, was Kantenbelastung auf die Graphitstifte und ungleichmäßigen Verschleiß verursacht. Das maximale empfohlene Spiel beträgt 5 mm pro Seite für Platten bis zu 1 Meter Länge. Über 5 mm hinaus sollte die Platte durch Führungsschienen gehalten werden, statt sich auf die Taschenpassung zu verlassen.

Degradieren Graphitstifte bei hoher Temperatur schneller?

Graphit oxidiert an Luft oberhalb von 427 °C (800 °F), wandelt sich zu Kohlendioxid um und reduziert das Schmierstoffvolumen. Unterhalb dieser Temperatur ist Graphit stabil und liefert gleichmäßige Schmierung. Für Betrieb über 427 °C spezifizieren Sie abgedichtete Graphitstifte oder verwenden Sie einen bis 650 °C stabilen Molybdändisulfid-Schmierstoffzusatz.

Wie prüfe ich das Wärmeausdehnungsspiel an eingebauten Gleitplatten?

Verwenden Sie eine Fühlerlehre, um bei Umgebungstemperatur während eines geplanten Stillstands den Spalt zwischen Plattenkante und Taschenwand zu messen. Beträgt der Spalt weniger als 1 mm bei einer Platte länger als 500 mm mit einer Betriebstemperatur über 200 °C, wird die Platte bei Betriebstemperatur wahrscheinlich klemmen und sollte ausgebaut und die Tasche erweitert werden.