Fachübersicht
Das Modul 25V berechnet Flanschverbindungen nach der Vornorm DIN 2505 (Ausgabe Januar 1986). Im Mittelpunkt stehen die Kraftverhältnisse in der Verbindung: Aus Innendruck, Dichtungsgeometrie und Dichtungskennwerten werden die Rohrkraft, die Ringflächenkraft, die Vorverformungskraft der Dichtung sowie die erforderlichen Schraubenkräfte für den Einbau- und den Betriebszustand ermittelt. Damit lässt sich eine Flanschverbindung berechnen und nachweisen, dass die Dichtungsbedingungen in allen Lastzuständen eingehalten sind.
Die Vornorm DIN 2505 ist zurückgezogen; als Nachfolger gelten heute die europäische Flanschberechnung nach DIN EN 1591-1 sowie der Nachweis nach DIN EN 13445-3 (Anhang G bzw. Kapitel 11). Für die Nachrechnung von Bestandsanlagen, für Vergleichsrechnungen und für die Bewertung älterer Auslegungsunterlagen bleibt das Verfahren nach DIN 2505 in der Praxis des Apparatebaus jedoch weiterhin relevant, da unzählige ausgeführte Flanschverbindungen danach dimensioniert wurden.
Das Modul unterstützt die üblichen Bauformen wie Vorschweißflansche, glatte Flansche und lose Flansche mit Bund und deckt sowohl Weichstoffdichtungen als auch Metall- und Kammprofildichtungen (über die Kammzahl Z) ab.
Anwendungsbereich
- Flanschverbindungen
Typischer Arbeitsablauf
Dichtungsgeometrie und Kennwerte festlegen
Ausgangspunkt sind der mittlere Dichtungsdurchmesser dD sowie die Dichtungskennwerte: der Kennwert für die Vorverformungskraft (k0·KD), der Betriebsdichtungskennwert k1, der Formänderungswiderstand des Dichtungswerkstoffs und bei Kammprofildichtungen die Anzahl der Kämme Z. Diese Werte stammen aus DIN 2505 Beiblatt bzw. aus Herstellerangaben.
Druckkräfte im Betriebszustand ermitteln
Aus dem Berechnungsdruck werden die Rohrkraft infolge Innendruck (auf den Rohrinnenquerschnitt wirkend), die Ringflächenkraft auf die Kreisringfläche zwischen Rohrinnendurchmesser und Dichtungsdurchmesser sowie die gesamte Innendruckkraft berechnet. Zusätzliche äußere Rohrkräfte gehen in die gesamte Rohrkraft ein.
Dichtungskräfte berechnen
Für den Einbauzustand wird die Vorverformungskraft bestimmt, die die Dichtung zum erstmaligen Anpassen an die Flanschoberflächen benötigt. Für den Betriebszustand ergibt sich die Betriebsdichtungskraft aus Dichtungsdurchmesser, Kennwert k1, Sicherheitsbeiwert SD und Innendruck; sie stellt sicher, dass die Flächenpressung auf der Dichtung zum Abdichten ausreicht.
Schraubenkräfte für Einbau und Betrieb bilden
Die Schraubenkraft im Betriebszustand ist die Summe aus gesamter Rohrkraft, Ringflächenkraft und Betriebsdichtungskraft. Die Schraubenkraft im Einbauzustand muss mindestens die Vorverformungskraft aufbringen; bei Metalldichtungen wird zusätzlich die Standkraft geprüft. Maßgebend ist jeweils der größere Wert.
Dichtungs- und Standfestigkeitsbedingungen prüfen
Abschließend wird kontrolliert, dass die Standfestigkeit der Dichtung im Betrieb nicht überschritten wird (Grenzlastfaktor, Formänderungswiderstand) und alle Dichtungsbedingungen erfüllt sind. Damit ist die Grundlage für die anschließende Festigkeitsberechnung von Flanschblatt und Schrauben gelegt.
Häufige Fragen
Darf man Flanschverbindungen heute noch nach DIN 2505 auslegen?
Für Neuauslegungen im Geltungsbereich der Druckgeräterichtlinie sind die harmonisierten Verfahren nach DIN EN 1591-1 oder DIN EN 13445-3 vorzuziehen. DIN 2505 war eine Vornorm und ist zurückgezogen. In der Praxis wird sie aber weiterhin für die Nachrechnung von Bestandsverbindungen, für Ersatzteil- und Umbaubewertungen sowie als Vergleichsverfahren genutzt, weil sehr viele ausgeführte Verbindungen darauf basieren und das Kraftmodell einfach nachvollziehbar ist.
Worin unterscheiden sich Vorverformungskraft und Betriebsdichtungskraft?
Die Vorverformungskraft wird einmalig beim Anziehen der Schrauben benötigt, um die Dichtung plastisch an die Flanschdichtflächen anzupassen und Oberflächenrauheiten auszugleichen; sie hängt vom Kennwert k0·KD ab. Die Betriebsdichtungskraft ist die im Betrieb dauerhaft erforderliche Restpressung, damit die Verbindung unter Innendruck dicht bleibt; sie wird über den Kennwert k1, den Sicherheitsbeiwert SD und den Druck bestimmt. Im Einbauzustand ist meist die Vorverformungskraft maßgebend, im Betrieb die Summe aus Druckkräften und Betriebsdichtungskraft.
Was bedeutet der Grenzlastfaktor bzw. die Standfestigkeit der Dichtung?
Eine Dichtung darf im Einbau- und Betriebszustand nicht überpresst werden, sonst fließt oder zerbröselt der Dichtungswerkstoff und die Verbindung wird undicht. Die Standfestigkeit (Formänderungswiderstand) begrenzt die maximal zulässige Dichtungskraft; der Grenzlastfaktor beschreibt die Ausnutzung dieser Grenze. Wird sie überschritten, muss eine breitere oder festere Dichtung gewählt oder die Schraubenkraft begrenzt werden.
Welche Rolle spielt die Kammzahl Z bei Kammprofildichtungen?
Bei Kammprofildichtungen trägt nicht die gesamte Dichtungsbreite, sondern nur die Kammspitzen. Die wirksame Pressfläche ergibt sich aus der Anzahl der Kämme Z und deren Auflagebreite. Für alle anderen Dichtungsformen wird Z = 1 gesetzt. Eine falsche Kammzahl führt direkt zu falschen Dichtungs- und Schraubenkräften.
Rechenbeispiel
Für eine Flanschverbindung DN 150 mit Weichstoffdichtung sind die Kräfte nach DIN 2505 zu ermitteln. Die Dichtungskennwerte sind den Herstellerangaben entnommen. Gesucht sind die Innendruckkräfte, die Betriebsdichtungskraft, die Schraubenkraft im Betriebszustand und die Vorverformungskraft für den Einbauzustand.
Gegeben
| Mittlerer Dichtungsdurchmesser dD | 170 mm |
|---|---|
| Berechnungsdruck p | 1,6 N/mm² (16 bar) |
| Kennwert Vorverformung k0·KD | 400 N/mm |
| Betriebsdichtungskennwert k1 | 25 mm |
| Sicherheitsbeiwert SD (Betrieb) | 1,2 |
| Kammzahl Z | 1 (Weichstoffdichtung) |
Lösungsweg
Innendruckkraft auf den Dichtungskreis
Rohrkraft und Ringflächenkraft wirken zusammen auf die Kreisfläche bis zum mittleren Dichtungsdurchmesser:
FRP + FF = (π/4) · dD² · p = (π/4) · 170² · 1,6 ≈ 36 317 N ≈ 36,3 kN
Betriebsdichtungskraft
Die im Betrieb erforderliche Dichtungskraft folgt aus dem Betriebsdichtungskennwert:
FDB = π · dD · k1 · SD · p = π · 170 · 25 · 1,2 · 1,6 ≈ 25 635 N ≈ 25,6 kN
Schraubenkraft im Betriebszustand
FSB = (FRP + FF) + FDB = 36 317 + 25 635 ≈ 61 952 N ≈ 62,0 kN
Vorverformungskraft (Einbauzustand)
FDV = π · dD · (k0·KD) = π · 170 · 400 ≈ 213 628 N ≈ 213,6 kN
Die Schraubenkraft im Einbauzustand muss mindestens die Vorverformungskraft aufbringen. Da FDV deutlich größer als FSB ist, ist hier der Einbauzustand maßgebend für die Schrauben- und Flanschauslegung.
Ergebnis
| Innendruckkraft (bis dD) | ≈ 36,3 kN |
|---|---|
| Betriebsdichtungskraft FDB | ≈ 25,6 kN |
| Schraubenkraft Betrieb FSB | ≈ 62,0 kN |
| Vorverformungskraft FDV (maßgebend) | ≈ 213,6 kN |
Technische Inhaltsbasis: LV-Solved-Problems-Content 628d313247e7