Fachübersicht
Das Modul 250S berechnet die Schrauben von Flanschverbindungen nach DIN 2505 in der Fassung des Entwurfs von 1990. Die Norm ist zurückgezogen; für neue Auslegungen gelten heute DIN EN 1591-1 bzw. AD 2000 B 7. Für die Nachrechnung von Bestandsapparaten, deren Flanschverbindungen nach DIN 2505 ausgelegt wurden, bleibt das Verfahren die konsistente Berechnungsbasis – insbesondere, weil die zugehörigen Dichtungskennwerte auf dieses Rechenmodell abgestimmt sind.
Neben dem reinen Festigkeitsnachweis der Schrauben für Einbau-, Betriebs- und Prüfzustand betrachtet das Modul das elastische Verhalten der verspannten Verbindung: Federraten von Schrauben (Dehnschraube oder Vollschaftschraube), Flanschen und Dichtung bestimmen, wie sich die Schraubenkraft bei Druckaufgabe, Temperaturänderung, unterschiedlicher Wärmedehnung von Schraube und Flansch sowie beim Setzen der Dichtung verändert. Die Federkonstante der Dichtung folgt dabei aus ihrem Elastizitätsmodul, der Pressfläche aus mittlerem Dichtungsdurchmesser und Dichtungsbreite sowie der Dichtungshöhe.
Damit lässt sich beurteilen, ob nach Setzverlusten und im heißen Betriebszustand noch genügend Restdichtungskraft vorhanden ist – die zentrale Frage bei An- und Abfahrvorgängen (Start-up/Shut-down) von Apparaten mit erheblichen Temperaturtransienten.
Anwendungsbereich
- Schrauben
Typischer Arbeitsablauf
Erforderliche Schraubenkräfte je Lastfall ermitteln
Aus Innendruckkraft und erforderlicher Dichtungskraft werden die Schraubenkräfte für Einbauzustand (Vorverformung der Dichtung), Betriebszustand und Prüfzustand bestimmt; der ungünstigste Fall bemisst den erforderlichen Schraubenquerschnitt.
Schraubenquerschnitt und -werkstoff nachweisen
Mit der zulässigen Spannung des Schraubenwerkstoffs bei zugehöriger Temperatur wird der erforderliche Kernquerschnitt berechnet und mit dem gewählten Gewinde (Dehnschraube oder Vollschaftschraube) verglichen; Reibungs- und Anziehverfahren-Streuungen sind über Zuschläge abzudecken.
Federraten der verspannten Teile bestimmen
Die elastischen Nachgiebigkeiten von Schraube, Flanschblättern und Dichtung werden berechnet. Für die Dichtung folgt die Federkonstante aus c_D = E_D·A_D/h_D mit der Pressfläche A_D aus mittlerem Dichtungsdurchmesser und Dichtungsbreite.
Kraftänderungen im Betrieb verfolgen
Druckaufgabe, Setzbeträge der Dichtung und Temperaturdifferenzen zwischen Schraube und Flansch (unterschiedliche Wärmedehnung) verändern die Schraubenkraft entlang der Verspannungskennlinie; das Modul berechnet die elastische Kompression der Dichtung und die resultierende Restdichtungskraft.
Dichtheit und Grenzen prüfen
Die verbleibende Dichtungskraft im ungünstigsten Zustand muss die für den Betriebszustand erforderliche Mindestdichtungskraft erreichen; andernfalls sind größere Schrauben, eine steifere Dichtung, Dehnhülsen oder ein Nachziehen nach dem ersten Anfahren vorzusehen.
Häufige Fragen
Warum sind Dehnschrauben bei heißgehenden Flanschverbindungen im Vorteil?
Dehnschrauben haben eine geringere Federrate als Vollschaftschrauben. Bei gleicher Vorspannkraft speichern sie mehr elastische Verlängerung, sodass Setzbeträge der Dichtung und Temperaturdehnungsdifferenzen einen kleineren Kraftverlust verursachen. Die Restdichtungskraft im Betrieb bleibt dadurch höher – bei zyklisch gefahrenen Apparaten oft das entscheidende Kriterium.
Was bedeutet Setzen der Dichtung und wie geht es in die Rechnung ein?
Setzen ist der plastische Verformungsanteil von Dichtung, Gewinde- und Trennfugenkontakten nach dem Anziehen und beim ersten Temperaturzyklus. Der Setzbetrag verkürzt die Verspannung und reduziert die Schraubenkraft proportional zur Gesamtsteifigkeit des Verbands. Weiche Dichtungen mit großem Setzbetrag können ohne Berücksichtigung dieses Effekts im Betrieb undicht werden, obwohl der statische Nachweis erfüllt ist.
Wozu dient die Federkonstante der Dichtung?
Sie beschreibt, wie stark die Dichtung bei Kraftänderung elastisch nachgibt: c_D = E_D·A_D/h_D. Eine niedrige Federkonstante (weiche, hohe Dichtung) puffert Kraftverluste, verlangt aber mehr elastische Kompression; eine hohe Federkonstante überträgt Kraftänderungen fast vollständig auf die Schrauben. Der E-Modul der Dichtung ist druck- und temperaturabhängig – für genaue Rechnungen sind Herstellerkennwerte für den relevanten Pressungsbereich anzusetzen.
Reicht der Schraubennachweis nach DIN 2505 für einen Dichtheitsnachweis nach heutigem Stand?
Nur bedingt. DIN 2505 sichert die Kraftbilanz mit pauschalen Dichtungskennwerten, macht aber keine Aussage über eine konkrete Leckagerate. Wenn eine definierte Dichtheitsklasse (z. B. nach TA Luft / VDI 2290) nachzuweisen ist, muss nach DIN EN 1591-1 mit leckageratenbezogenen Dichtungskennwerten nach EN 13555 gerechnet werden.
Rechenbeispiel
Für die Dichtung einer Flanschverbindung sind Federkonstante und elastische Kompression unter der Einbau-Dichtungskraft zu bestimmen. Der E-Modul der Dichtung ist als Herstellerkennwert für den relevanten Pressungsbereich gegeben (Beispielannahme).
Gegeben
| Mittlerer Dichtungsdurchmesser dD | 250 mm |
|---|---|
| Dichtungsbreite bD | 20 mm |
| Dichtungshöhe hD | 2 mm |
| E-Modul der Dichtung ED | 500 N/mm² (Annahme) |
| Dichtungskraft FD | 200 kN |
Lösungsweg
Pressfläche der Dichtung
AD = π · dD · bD = π · 250 · 20 = 15 708 mm²
Federkonstante der Dichtung
cD = ED · AD / hD = 500 · 15 708 / 2 = 3,93 · 106 N/mm
Elastische Kompression unter der Dichtungskraft
ΔhD = FD / cD = 200 000 / 3 926 991 = 0,051 mm
Diese elastische Verformung steht als Kraftreserve gegen Setzverluste und Temperaturdehnungsdifferenzen zur Verfügung; plastische Setzbeträge der Dichtung kommen hinzu und sind gesondert anzusetzen.
Ergebnis
| Pressfläche AD | 15 708 mm² |
|---|---|
| Federkonstante cD | 3,93 · 10⁶ N/mm |
| Elastische Kompression ΔhD | 0,051 mm |
Technische Inhaltsbasis: LV-Solved-Problems-Content 628d313247e7