Hoe kies je de diameter en wanddikte van een stalen mantelbuis?

Wat is een stalen mantelbuis?

Een stalen mantelbuis is een beschermende buitenbuis waarin een kabel, kabelbundel, kabelbeschermingsbuis of mediumvoerende leiding wordt aangebracht. De mantelbuis creëert een beschermde doorgang en kan belastingen vanuit de bodem, het verkeer en de uitvoering opnemen.

Stalen mantelbuizen worden onder meer toegepast bij:

• wegkruisingen en spoorwegkruisingen;
• leidingdoorvoeren onder watergangen en waterkeringen;
• kruisingen onder funderingen en kunstwerken;
• ondergrondse infrastructuur op industrieterreinen;
• gas-, water-, warmte- en procesleidingen;
• sleufloze aanleg door persen, boren of rammen.

In de internationale leidingbouw komen ook de termen steel casing pipe, casing pipe en sleeve pipe voor. De leiding binnen de mantelbuis wordt aangeduid als productleiding, mediumvoerende leiding of carrier pipe. Afstandhouders, centreerringen of glijschoenen houden deze binnenleiding vrij van de stalen buitenbuis.

Het begrip casing wordt ook gebruikt voor tijdelijke of permanente boorbuizen in de funderings- en boortechniek. Een dergelijke casing ondersteunt een boorgat en heeft daarmee een andere functie dan een beschermende mantelbuis rond een leiding.

Hoe kies je de diameter van een stalen mantelbuis?

De diameter wordt bepaald vanuit de grootste buitenmaat van de door te voeren leiding, de afstandhouders en de benodigde montagespeling. De wanddikte volgt uit aanlegbelasting, grondbelasting, stabiliteit, corrosie en de gewenste ontwerplevensduur.

Wie de juiste maat stalen mantelbuis wil bepalen, moet beginnen bij de benodigde vrije doorlaat. Alles wat door de mantelbuis wordt ingevoerd, moet zonder vastlopen en zonder beschadiging van coating, isolatie of koppelingen kunnen passeren.

Bepalend is niet alleen de nominale diameter van de productleiding, maar de grootste omschreven buitenmaat van de complete leidingconstructie. Dit is de kleinste denkbeeldige cirkel waarbinnen de leiding met alle uitstekende onderdelen past.

Bij het bepalen van deze buitenmaat moet rekening worden gehouden met:

• de werkelijke buitendiameter van de productleiding;
• moffen, flenzen en mechanische koppelingen;
• lasnaden en plaatselijke verdikkingen;
• isolatie en corrosiewerende bekleding;
• afstandhouders en centreerringen;
• glijschoenen en invoervoorzieningen;
• trekogen, trekkoppen of geleideconstructies;
• eventuele aanvullende kabels of leidingen.

Een DN-maat is niet altijd gelijk aan de werkelijke buitendiameter. Voor het berekenen van de benodigde mantelbuisdiameter moet daarom met de maatvoering van het daadwerkelijke product worden gerekend en niet uitsluitend met de nominale leidingaanduiding.

Hoe bereken je de binnendiameter van een stalen mantelbuis?

Stalen buizen worden doorgaans gespecificeerd als buitendiameter maal wanddikte. Een buismaat van Ø 508,0 × 7,90 millimeter betekent dat de buitendiameter 508,0 millimeter en de nominale wanddikte 7,90 millimeter bedraagt.

Binnendiameter = buitendiameter − 2 × wanddikte

Voor een stalen buis van Ø 508,0 × 7,90 millimeter is de berekening:

508,0 − 2 × 7,90 = 492,2 millimeter.

De berekende binnendiameter is een nominale waarde. De werkelijk beschikbare doorlaat kan kleiner zijn door maattoleranties, ovaliteit, een inwendige lasverheffing, rondnaden of plaatselijke vervormingen.

Voor een betrouwbare passing moet daarom niet alleen de theoretische, maar ook de minimaal mogelijke vrije binnendiameter worden gecontroleerd. Daarbij worden de ongunstigste toegestane toleranties van de mantelbuis gecombineerd met de maximaal mogelijke buitenmaat van de binnenleiding.

Hoeveel speling is nodig tussen leiding en mantelbuis?

De ruimte tussen de productleiding en de stalen beschermbuis wordt de ringruimte, annulaire ruimte of montagespeling genoemd. Er bestaat geen vaste universele speling die voor iedere mantelbuis, diameter en kruising geschikt is.

De benodigde ruimte hangt onder meer af van:

• de lengte en rechtheid van de mantelbuis;
• de diameter en buigstijfheid van de binnenleiding;
• de hoogte van de afstandhouders;
• de afmetingen van koppelingen en flenzen;
• de ovaliteit van beide buizen;
• de hoogte van inwendige lasnaden;
• eventuele bochten in het tracé;
• de invoer- of trekmethode;
• de mogelijkheid om de leiding later te vervangen.

Diametrale speling = binnendiameter mantelbuis − grootste omschreven buitenmaat

De theoretische radiale ruimte is de helft van de diametrale speling, maar alleen wanneer de binnenleiding exact concentrisch ligt. Doorbuiging, maatafwijkingen en afwijkingen in het pers- of boortracé kunnen ervoor zorgen dat de beschikbare ruimte lokaal kleiner wordt.

Bij een lange mantelbuis onder een weg of spoorlijn is doorgaans meer aandacht nodig voor de montageruimte dan bij een korte, rechte muurdoorvoer. Een geringe hoekafwijking kan over een grote lengte al leiden tot contact tussen de productleiding en de casingbuis.

Een grotere diameter maakt het invoeren vaak eenvoudiger, maar een onnodig ruime beschermbuis is niet automatisch beter. Een grotere stalen buis is zwaarder, vraagt meer grondverwijdering en vereist doorgaans zwaarder pers-, boor- en hijsmaterieel.

Hoe bepaal je de wanddikte van een stalen mantelbuis?

De wanddikte van een stalen mantelbuis kan niet uitsluitend worden gekozen aan de hand van de binnendiameter of de maat van de productleiding. De minimaal benodigde wanddikte moet volgen uit een constructieve en uitvoeringstechnische beoordeling.

Daarbij zijn onder meer de volgende gegevens relevant:

• buitendiameter en lengte van de mantelbuis;
• gronddekking en bodemopbouw;
• grondwaterstand en uitwendige waterdruk;
• verkeers-, spoor- en bouwbelasting;
• plaatselijke zettingen;
• wijze van bodemondersteuning;
• aanlegmethode en aanleglengte;
• pers-, trek-, slag- en wrijvingskrachten;
• staalsoort en vloeigrens;
• lasverbindingen en buiseinden;
• producttoleranties;
• corrosie en ontwerplevensduur.

De wanddikte moet voldoende zijn om bezwijken en ontoelaatbare vervorming tijdens zowel de aanlegfase als de gebruiksfase te voorkomen. Mogelijke controles zijn vloeibezwijken, axiale druk, buiging, ringvervorming, ovalisatie, lokale indeuking en instabiliteit door uitwendige druk.

Welke belastingen werken op een ondergrondse mantelbuis?

Een ondergrondse stalen mantelbuis wordt niet door één enkele belasting belast. De uiteindelijke spanning en vervorming ontstaan uit een combinatie van bodemdruk, bovenbelasting, grondwater, uitvoering en ondersteuning.

Grondbelasting en gronddekking

Het gewicht van de bovenliggende grond oefent belasting uit op de buis. De werkelijke belastingverdeling hangt samen met de grondsoort, verdichting, aanlegwijze, sleufgeometrie en interactie tussen buis en bodem.

Verkeersbelasting en spoorbelasting

Bij een stalen mantelbuis onder een weg, parkeerterrein of spoorbaan kunnen mobiele lasten via de bodem worden overgedragen. Vooral bij een beperkte gronddekking kan de invloed van verkeers- of spoorbelasting relatief groot zijn.

Uitwendige waterdruk

Bij een hoge grondwaterstand of een tijdelijk drukverschil kan uitwendige waterdruk op de casing ontstaan. Een relatief dunwandige stalen buis kan hierdoor gevoelig worden voor ovalisatie, lokale knik of schaalinstabiliteit.

Zettingen en lokale ondersteuning

Ongelijkmatige zettingen kunnen buiging en plaatselijke spanningen veroorzaken. Ook holle ruimten, een onvoldoende gevuld boorgat of abrupte verschillen in bodemstijfheid kunnen de belastingverdeling beïnvloeden.

De constructieve capaciteit van een stalen mantelbuis wordt bepaald door de combinatie van diameter, wanddikte, staalsoort, belastingstype en ondersteuning. De interactie tussen de buis en de omliggende grond wordt ook wel buis-bodeminteractie genoemd.

Waarom kan de aanlegfase maatgevend zijn?

Bij een sleufloos aangebrachte mantelbuis kunnen de hoogste belastingen optreden voordat de buis haar definitieve positie heeft bereikt. Bodemonderzoek en een realistische berekening van de aanlegkrachten zijn daarom belangrijk voor de keuze van de wanddikte.

Doorpersen en avegaarboren

Bij doorpersen of een horizontale avegaarboring wordt de stalen persbuis met hydraulische vijzels door de bodem gedrukt. De grond wordt aan de voorzijde verwijderd, bijvoorbeeld met een avegaar.

Daarbij kunnen onder meer de volgende belastingen ontstaan:

• hoge axiale drukkrachten;
• wrijving langs de buitenwand;
• lokale belasting bij de snijkop;
• buiging door afwijkingen in het tracé;
• spanningen in rondlassen en buisverbindingen.

Bij het kiezen van de wanddikte van een stalen doorpersbuis zijn de perslengte, bodemweerstand, buitendiameter, smering, perscapaciteit en sterkte van de lasverbindingen relevant.

Geslotenfronttechniek en microtunneling

Bij geslotenfronttechnieken is de voorzijde voorzien van een boorschild. De buiselementen worden vanuit een perskuip door de bodem gedrukt. Daardoor kunnen hoge axiale krachten en aanzienlijke belastingen in de buisverbindingen ontstaan.

Pneumatisch buisrammen

Bij buisrammen wordt de stalen casing met dynamische slagen door de grond gebracht. De buiswand, buiseinden en lasverbindingen moeten bestand zijn tegen herhaalde slagbelasting en plaatselijke vervorming.

Horizontaal gestuurde boring

Bij een horizontaal gestuurde boring, ook HDD genoemd, wordt een leiding doorgaans door een geruimd boorgat ingetrokken. Wanneer een afzonderlijke stalen casing of beschermbuis wordt gebruikt, moeten trekkracht, bochtstraal, contactbelasting en vervorming tijdens het intrekken worden beoordeeld.

Ook transport, hijsen, opslag, oplijnen en rondlassen kunnen tijdelijke belastingen of plaatselijke vervormingen veroorzaken. De constructieve beoordeling moet daarom de volledige aanleg- en gebruiksfase omvatten.

Wat zegt de D/t-verhouding?

De verhouding tussen de buitendiameter D en de wanddikte t wordt de D/t-verhouding genoemd. Deze diameter-wanddikteverhouding geeft een eerste indicatie van de slankheid van de buiswand.

Een hoge D/t-verhouding betekent dat de wand relatief dun is ten opzichte van de diameter. Een dergelijke buis kan gevoeliger zijn voor:

• ovalisatie en onrondheid;
• plaatselijke indeuking;
• knik door uitwendige druk;
• schaalinstabiliteit;
• schade tijdens opslag, transport en aanleg.

De D/t-verhouding is een beoordelingsparameter en geen zelfstandig ontwerpcriterium. Een buis met een gunstige verhouding kan alsnog ongeschikt zijn door hoge perskrachten, onvoldoende gronddekking, slechte ondersteuning of corrosieverlies.

Verschil tussen sterkte, stijfheid en stabiliteit

Bij het bepalen van de wanddikte worden sterkte, stijfheid en stabiliteit soms door elkaar gebruikt, terwijl deze begrippen verschillende eigenschappen beschrijven.

Sterkte is het vermogen van de staaldoorsnede om belastingen op te nemen zonder te vloeien of te bezwijken.

Stijfheid bepaalt hoeveel de buis onder belasting vervormt. De vervormingsstijfheid wordt sterk beïnvloed door de geometrie van de doorsnede en de elasticiteitsmodulus van staal.

Stabiliteit heeft betrekking op het risico op een plotselinge vormverandering, zoals lokale knik of schaalinstabiliteit.

Een hogere staalsoort verhoogt de vloeigrens, maar niet de elasticiteitsmodulus. Een buis van S355 vervormt bij dezelfde geometrie en elastische belasting daarom niet automatisch minder dan een buis van S235. Bij vervorming en stabiliteit blijven de diameter, wanddikte en ondersteuning bepalend.

Welke staalsoort is geschikt voor een stalen mantelbuis?

Voor een stalen mantelbuis kunnen constructiestaalsoorten of leidingstaalsoorten worden toegepast. De juiste staalkwaliteit hangt af van de productnorm, vereiste vloeigrens, kerfslagtaaiheid, lasbaarheid, aanlegmethode en projectspecificatie.

Bij constructieve buisprofielen komen onder meer de volgende staalsoorten voor:

• S235JRH;
• S275J0H;
• S355J0H;
• S355J2H.

Het getal in de staalsoortaanduiding verwijst naar de nominale minimale vloeigrens binnen het toepasselijke diktebereik. De aanduidingen JR, J0 en J2 hebben betrekking op kerfslagenergie bij verschillende beproevingstemperaturen. De letter H geeft aan dat het materiaal als constructief hol profiel is gespecificeerd.

Voor bepaalde leidingtoepassingen kunnen kwaliteiten zoals L235, L290 of L355 worden gebruikt. Deze leidingstaalsoorten moeten worden gekoppeld aan de juiste productnorm en technische projectspecificatie.

Een hogere vloeigrens maakt een dunnere wand niet automatisch verantwoord. Wanneer vervorming, lokale knik, aanlegschade, lasdetails of minimale restwanddikte maatgevend zijn, blijft een afzonderlijke berekening noodzakelijk.

Gelaste of naadloze mantelbuis

Stalen mantelbuizen met grotere diameters zijn vaak langsnaadgelast of spiraalgelast. Kleinere diameters kunnen ook naadloos of elektrisch gelast worden geleverd.

De productiemethode kan invloed hebben op:

• beschikbare diameters en wanddiktes;
• maatvoeringstoleranties;
• inwendige lasverheffing;
• ovaliteit en rechtheid;
• mechanische eigenschappen;
• inspectie- en certificeringseisen.

Een naadloze stalen buis is niet per definitie beter geschikt als mantelbuis. De gekozen buis moet voldoen aan de benodigde afmetingen, belastingen, productnorm en uitvoeringseisen.

Welke normen gelden voor stalen mantelbuizen?

Er bestaat geen enkele norm die automatisch voor iedere mantelbuis geldt. De toepasselijke norm hangt af van de functie, locatie, leidinginhoud, constructieve toepassing en eisen van de opdrachtgever of beheerder.

Mogelijk relevante normen en normreeksen zijn:

• NEN-EN 10219 voor koudvervaardigde gelaste constructieve buisprofielen;
• NEN-EN 10210 voor warmvervaardigde constructieve buisprofielen;
• NEN-EN 1993 voor het constructief ontwerp van staalconstructies;
• NEN-EN 1993-1-6 voor de sterkte en stabiliteit van schaalconstructies;
• NEN 3650 voor eisen aan buisleidingsystemen;
• NEN 3651 voor leidingen in of nabij belangrijke waterstaatswerken;
• NEN-EN 10204 voor typen keuringsdocumenten.

Productnormen zoals NEN-EN 10219 en NEN-EN 10210 beschrijven onder meer materiaaleigenschappen, afmetingen en toleranties. Deze normen vervangen geen projectspecifieke constructieve berekening van de stalen mantelbuis.

Voor stalen transportleidingen kan NEN 3650-2 relevant zijn. NEN 3651 bevat aanvullende eisen voor buisleidingen in of nabij belangrijke waterstaatswerken. Deze normreeksen zijn niet automatisch van toepassing op iedere eenvoudige kabelmantelbuis of leidingdoorvoer.

NEN-EN 10204 beschrijft typen keuringsdocumenten voor metalen producten, waaronder het 3.1-certificaat. Het vereiste certificaattype moet in de bestelling en technische specificatie worden vastgelegd.

Daarnaast kunnen gemeenten, provincies, waterschappen, Rijkswaterstaat, spoorbeheerders en andere infrabeheerders eigen voorschriften stellen aan de diameter, wanddikte, gronddekking, lasverbindingen, afdichting en uitvoeringsmethode.

Toleranties en minimale vrije doorlaat

Een nominale buismaat geeft niet automatisch de minimale vrije doorlaat weer. Productnormen kunnen toleranties toestaan op buitendiameter, wanddikte, ovaliteit en rechtheid.

Bij een kritische passing moeten daarom worden gecontroleerd:

• de minimale binnendiameter van de mantelbuis;
• de maximale buitenmaat van de productleiding;
• de maximale hoogte van de afstandhouders;
• de inwendige lasverheffing;
• ovaliteit en plaatselijke vervorming;
• de uitlijning van rondgelaste buisdelen;
• mogelijke verschuiving tijdens het invoeren.

Een dikkere wand bij dezelfde buitendiameter verkleint de binnendiameter. Wanneer de wanddikte na een constructieve berekening wordt verhoogd, moet daarom opnieuw worden gecontroleerd of de productleiding voldoende montageruimte behoudt.

Corrosie en minimale restwanddikte

Een ondergrondse stalen mantelbuis kan tijdens de ontwerplevensduur wanddikte verliezen door corrosie. De mate van aantasting hangt onder meer af van de bodemgesteldheid, het grondwater, zuurstofverschillen, zwerfstromen, beschadigingen en het toegepaste conserveringssysteem.

Mogelijke beschermingsmaatregelen zijn:

• een berekende corrosietoeslag;
• een uitwendige PE-coating;
• een epoxy- of ander beschermend coatingsysteem;
• kathodische bescherming;
• elektrische isolatie;
• inspectie- en onderhoudsmaatregelen.

De coating moet geschikt zijn voor de installatiemethode. Bij doorpersen, rammen of intrekken kan aanzienlijke wrijving langs de buitenwand ontstaan, waardoor een onvoldoende slijtvaste coating beschadigd kan raken.

Voor de wanddikteberekening is niet alleen de nominale wanddikte bij levering van belang. Ook een negatieve producttolerantie en de verwachte corrosieafname moeten worden verwerkt om de minimale restwanddikte aan het einde van de gebruiksduur vast te stellen.

Praktisch voorbeeld van een diameterberekening

Stel dat een productleiding inclusief koppeling een maximale buitenmaat van 355 millimeter heeft. De gemonteerde afstandhouders vergroten de grootste omschreven diameter tot 415 millimeter.

Een stalen mantelbuis van Ø 508,0 × 7,90 millimeter heeft een theoretische binnendiameter van 492,2 millimeter.

De nominale diametrale speling is:

492,2 − 415 = 77,2 millimeter

Bij een exact gecentreerde binnenleiding resteert theoretisch:

77,2 ÷ 2 = 38,6 millimeter radiale ruimte.

Deze berekening toont alleen aan hoeveel nominale ruimte beschikbaar is. Vervolgens moet worden gecontroleerd of 38,6 millimeter voldoende is voor toleranties, ovaliteit, lasnaden, doorbuiging, tracéafwijkingen en de gekozen invoermethode.

De geometrische berekening bewijst evenmin dat een wanddikte van 7,90 millimeter constructief voldoet. Daarvoor moeten onder meer aanlegkrachten, grondbelasting, verkeersbelasting, stabiliteit, staalsoort, corrosie en restwanddikte worden beoordeeld.

Overzicht van factoren die de buismaat bepalen

Welke gegevens zijn nodig voor de definitieve maatkeuze?

Voor het bepalen van de juiste diameter en wanddikte van een stalen mantelbuis zijn minimaal de volgende projectgegevens nodig:

1. De werkelijke buitenmaat van de productleiding.
2. De maatvoering van koppelingen, flenzen en isolatie.
3. Het type en de hoogte van de afstandhouders.
4. De gewenste ringruimte en montagespeling.
5. De lengte, helling en rechtheid van het tracé.
6. De gronddekking en grondwaterstand.
7. De bodemopbouw en geotechnische parameters.
8. De verkeers-, spoor- en overige bovenbelasting.
9. De gekozen open of sleufloze aanlegmethode.
10. De verwachte pers-, trek-, slag- en wrijvingskrachten.
11. De vereiste staalsoort en productnorm.
12. De toegestane toleranties en ovaliteit.
13. De ontwerplevensduur en corrosiebescherming.
14. De eisen aan lassen, coating en materiaalcertificaten.
15. De voorschriften van de opdrachtgever en infrabeheerder.

De diameter van de mantelbuis wordt primair gekozen vanuit de vrije doorlaat, afstandhouders en uitvoerbaarheid. De wanddikte volgt uit sterkte, vervorming, stabiliteit, installatiebelasting, corrosie en de vereiste minimale restwanddikte.

Advies over de juiste diameter en wanddikte

Wilt u de maatvoering van een stalen mantelbuis afstemmen op de leiding, belasting en aanlegmethode? Neem contact op voor technisch advies over beschikbare diameters, wanddiktes en staalsoorten.

☎️ Telefoon: 0168 – 35 66 55
✉️ E-mail: sales@solines.nl