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Dichtungskennwerte für Flanschberechnungen

1. Einführung

Flanschberechnungen mit Dichtheitsnachweis erfordern verlässliche Dichtungskennwerte -

Für die Bestätigung der sicheren Funktion einer Flanschverbindung sind Dichtheitsnachweise und Festigkeitsnachweise durchzuführen. Bei Dichtheitsnachweisen muss der Nachweis erbracht werden, dass die Konstruktion aus dem System Flansch, Dichtung und Schraube sicherstellt, dass die zulässigen Leckagen sowohl im Einbauzustand als auch während des Betriebes nicht überschritten werden. Allerdings ist der Dichtheitsnachweis nicht in allen Regelwerken möglich, weil die Berechnungsverfahren und Materialkennwerte auf Erfahrungs- und Schätzwerte aufbauen (Taylor Forge-Verfahren)
z. B. AD 2000, ASME Code Sect. VIII Div. 1. Das Europäische Regelwerk über Flanschberechnungen, insbesondere mit der Normenreihe EN 1591, ist jedoch hierfür geeignet und bereits in Europäische Regelwerke für Druckbehälter (EN 13445) und Rohrleitungen (EN 13480) etabliert. Das Berechnungsverfahren nach EN 1591-1 wird insbesondere dann angewandt, wenn

·         unterschiedliche thermische Belastungen eine wesentliche Rolle spielen,

·         die Schraubenspannungen durch die Anwendung eines definierten Anzugsverfahren kontrolliert werden,

·         signifikante zusätzliche Belastungen (Kräfte und Momente) auftreten und

·         die Dichtheit von besonderer Bedeutung ist bzw. nachgewiesen werden muss.

2. Auswahl geeigneter Dichtungen

Als Voraussetzung für die richtige Funktion der Flanschverbindung sind u. a. für den Einsatzzweck geeignete Dichtungen mit entsprechenden Dichtungskennwerten auszuwählen. Neben dem Dichtungstyp sind auch die Langzeiteigenschaften wie Beständigkeit gegen das abzudichtende Fluid und die Änderung der Abdichteigenschaften bei längerem Einsatz zu bewerten. Die für die Berechnung nach EN 1591 erforderlichen Kennwerte hinsichtlich der Abdichteigenschaften werden für Dichtungen nach der EN 13555 ermittelt. Andere Dichtungskennwerte die für Berechnungen nach dem Taylor-Forge-Verfahren verwendet werden (AD 2000-Regelwerk, ASME Code) beruhen auf Erfahrungen und Schätzungen (siehe auch Tabelle 1).


Tabelle 1: Dichtungskennwerte in unterschiedlichen Regelwerken

Regelwerk

Berechnungsverfahren der Flanschverbindung

Fundstellen für Dichtungskennwerte

relevante Dichtungskennwerte
(siehe Anmerkung 2)

EN 13480-3:2002
EN 13480-3/A2:2006

Anhang P

EN 1591-2:2008 und
EN 13555:2004

Qmin(L); QSmin(L); Qmax;
QSmax; EG; PQR

EN 13445-3:2002
EN 13445-3/A10:2008

Abschnitt 11

Anhang H

y; m

Anhang G/GA

Tabelle G.9-1 bis G.9-6
Tabelle GA.9-1 bis 9-6
(siehe Anmerkung 1)

Qmin(L); QSmin(L); Qmax;
QSmax; EG; PQR

ASME Code Sect. VIII Div. 1

App. 2

Sect. VIII Div. 1

y; m

AD 2000

Merkblatt B 7/B 8

B 7 Tafel 1 und 2

k0; k1; KD

KTA 3201.2

Abschnitt A 2.9

DIN 28090-1
(abgelöst durch
EN 13555:2004)

Durch die zurückgezogene DIN 28090-1 wird empfohlen, die äquivalenten Werte entspechend der EN 13555:2004 zu nutzen.

Europ. Regelwerk

EN 1591-1

EN 1591-2:2008 und
EN 13555:2004

Qmin(L); QSmin(L); Qmax;
QSmax; EG; PQR

Anmerkung 1:
Die angebene Dichtungskennwerte sind unverbindliche und nur typische Werte. Es sollen vorzugsweise die vom Dichtungshersteller angegebenen Werte verwendet werden.

Anmerkung 2:
Qmin(L) hat teilweise die gleiche Funktion wie die Werte "y" im ASME Code oder AD 2000 B7. Aufgrund des unterschiedlichen Ansatzes der effektiven Dichtungsbreite und der Ermittlung der Kennwerte (der "y-Wert" beruht auf Erfahrungs- und Schätzwerte), können die beiden Werte nicht gleichgesetzt werden.

3. Dichtungskennwerte nach EN 13555

Die Dichtungskennwerte wird in einem festgelegten Verfahren unter Laborbedingungen unter idealisierten Prüfbedingungen ermittelt. Grundlage dieser Prüfung sind die entsprechenden Stauch-, Leckage- und Relaxationsversuchen nach EN 13555. Die Dichtungskennwerte müssen die Abdicht- und Verformungseigenschaften der Dichtung ausreichend beschreiben. Nach dem neuen Konzept der Flanschberechnung nach EN 1591 werden die Dichtungskennwerte in die Flanschberechnung mit einbezogen, um die Dichtheit und Festigkeit der Flanschverbindung zu gewährleisten. So werden z. B. sowohl für den Einbau- als auch für den Betriebszustand Grenzwerte der Flächenpressung gefordert, die den zulässigen Bereich angeben (siehe Tabelle 2).


Tabelle 2: Definition der Dichtungskennwerten nach EN 13555

Dichtungs­kennwert

EN 13555

Einheit

Beschreibung

Einfluss

Verwendung in der Flansch­berechnung

Hinweise zum Dichtungs­kennwert

Einbau-Flächenpressung

QA

MPa

Die bei der Montage aufgebrachte Dichtungs-Flächenpressung.

Konstruktion (Flansch, Dichtungsart, Schrauben)

Auslastungs­grad der Schrauben;
Werkstoffauswahl der Schrauben

Die Einbau-Flächenpres­sung wird in der EN 13555 nicht ermittelt

Mindestflächenpressung im Einbauzustand für geforderte Dichtheitsklasse L

Qmin(L)

MPa

Die mindest erforderliche Flächenpressung für eine bestimmte Leckageklasse L beim Einbau der Dichtung. Der Wert hängt im Wesentlichen vom Medium und dem Innendruck aber auch wesentlich von der Dichtheitsklasse ab.

Temperatur
Dichtungsbreite
Dichtungshöhe
Rauigkeit der Dichtflächen
Innendruck p
Dichtheitsklasse L
Medium

Ermittlung der Mindestdichtungskraft im Einbauzustand

Ein niedriger Qmin(L)-Wert ist wünschenswert.

Mindestflächenpressung im Betriebszustand für geforderte Dichtheitsklasse L

QSmin(L)

MPa

Die mindest erforderliche Flächenpressung im Betrieb für eine bestimmte Leckageklasse L. Sie hängt im Wesentlichen von der Einbauflächenpressung QA ab. Je höher diese ist, desto geringer ist QSmin(L). QSmin(L) ist immer kleiner als Qmin(L).

Dichtungsbreite
Dichtungshöhe
Rauigkeit der Dichtflächen
Innendruck p
Einbauflächenpressung QA
Dichtheitsklasse L
Medium
Temperatur
Beanspruchungsdauer

Ermittlung der Mindestdichtungskraft im Betriebszustand

Niedriger Wert ist wünschenswert.

Eine geringe Differenz zwischen zwei Qmin(L) -Werten bei unterschiedlich berücksichtigten Leckageraten ist ebenfalls wünschenswert, weil das eine geringe Empfindlichkeit auf Entlastung im Betrieb anzeigt.

Höchstflächenpressung im Einbauzustand

Qmax

MPa

Die maximale Flächenpressung beim Einbau, mit der die Dichtung belastet werden darf, ohne dass eine Beschädigung erfolgt.

Dichtungsbreite
Dichtungshöhe
Rauigkeit der Dichtflächen

Ermittlung der max. zulässigen Dichtungskraft im Einbauzustand

Die Höchstflächenpressung Qmax erhält man, wenn bei der Flanschberechnung nach EN 1591 der zulässige Auslastungsgrad von Flansch, Schrauben oder Dichtung erreicht ist.

Höchstflächenpressung im Betriebszustand

QSmax

MPa

Die maximale Flächenpressung im Betrieb, mit der die Dichtung belastet werden darf, ohne dass eine Beschädigung erfolgt.

Temperatur
Dichtungsbreite
Dichtungshöhe
Rauigkeit der Dichtflächen

Ermittlung der max. zulässigen Dichtungskraft im Betriebszustand

Hoher QSmax-Wert ist wünschenswert.

E-Modul (Sekantenmodul)

EG

MPa

Beschreibt die Rückfederung (elastisches Verhalten) einer Dichtung bei Entlastung.

Einbauflächenpressung
Dichtungshöhe
Temperatur

Ermittlung der Änderung der Dichtungskraft zwischen Einbau- und Betriebszustand

Ein niedriger EG-Wert ist wünschenswert.

Kriech-Relaxation

PQR

-

Entspricht dem Verhältnis der Flächenpressung der Dichtung nach Auslagerung bei der zu wählenden Temperatur zur ursprünglich aufgebrachten Einbau-Flächenpressung. Ideal wäre ein PQR-Wert von 1. Je näher der Versuchswert dem Idealen kommt, desto geringer ist der Flächenpressungsverlust der Dichtung.

Temperatur
Dichtungsbreite
Dichtungshöhe
Rauigkeit der Dichtflächen
Einbauflächenpressung QA
Steifigkeit C des Flanschsystems

Ermittlung der Änderung der Flächenpressung bzw. der Dichtungskraft zwischen Einbau- und Betriebszustand

PQR <= 1

Hoher PQR-Wert ist wünschenswert.

4. Dichtheitsklassen

Grundlage für die Dichtungskennwerte sind die definierten Dichtheitsklassen, die sich an bestimmten spezifischen Leckageraten orientieren. Die Dichtungskennwerte werden unter unterschiedlichen Prüfbedingungen (verschiedene Prüfdruck und Pressungen) die Abdichtungseigenschaften im Innendruckversuch ermittelt und den Dichtheitsklassen zugeordnet. Aufgrund dieser Zuordnung kann durch den rechnerischen Nachweis, dass die Grenzen der Dichtungskennwerte eingehalten werden, die entsprechende spezifische Leckagerate der Flanschverbindung garantiert werden.

Tabelle 3: Dichtheitsklassen

Dichheitsklasse

Spezifische Leckagerate
[mg/(s*m)] Helium

L1,0

≤ 1,0

L0,1

≤ 0,1

L0,01

≤ 0,01

L0,001

≤ 0,001