Modul B7

Dichtungsdatenbank der Fachhochschule Münster im Internet (Externer Link)

Auf dieser, von der Fachhochschule Münster, Forschungsbereich Dichtungstechnik, erstellten und gepflegten Homepage finden Sie aktuelle EN13555 Kennwerte für Dichtungsmaterialien der Normreihen EN 1514 und EN 12560. Der Inhalt dieser Webseite wird in regelmäßigen Abständen (jeweils am zweiten Mittwoch im Monat) aktualisiert.

Die Datenbank wurde in enger Zusammenarbeit mit der Dichtungsherstellenden Industrie entwickelt. Die Kennwerte sind entweder von Prüfinstituten ermittelt oder im Falle von firmeneigenen Tests stichprobenartig geprüft, um die notwendige Objektivität und Zuverlässigkeit der Kennwerte zu wahren.

Bei der Festigkeits-Betrachtung einer Flanschverbindung, bestehend aus Flanschen, Schrauben und Dichtung, müssen die einzelnen Teile stets in Abhängigkeit voneinander, unter Beachtung der bei den verschiedenen Zuständen vorherrschenden Bedingungen (Einbau-Zustand, Anfahr-Zustand, Betriebs-Zustand) betrachtet werden. Die Kräfte und Verformungen, die bei den einzelnen Zuständen auftreten, kann man sich an dem in Abb. 12.1 in vereinfachter Form wiedergegebenen Verspannungs-Schaubild, in dem die Federungs-Verhältnisse dargestellt sind, veranschaulichen.

Abb. 12.1 Verspannungs-Schaubild (vereinfachte Darstellung)

Durch das Anziehen der Schrauben mit der Kraft F_So = F_Do wird die Dichtung zum satten Anliegen an die Auflageflächen gebracht. Dabei erfährt die Dichtung außer einer plastischen Verformung die elastische Stauchung ΔD_o, während die beiden Flansche sich zwischen Dichtungskreis mit dem Durchmesser d_D und Schraubenkreis mit dem Durchmesser d_t elastisch um 2 ΔFl durchbiegen und die Schrauben die Längenänderung ΔS erfahren. Die für den Einbau-Zustand geltenden Federungs-Kennlinien sind in Abb. 12.1 dünn ausgezogen.

Im Anfahr-Zustand steigt mit Aufgabe des Innendrucks p, entsprechend einer Innendruck-Kraft F_p = p * π * d² /4, die Schrauben-Kraft bei einer kaltgehenden Verbindung auf den Wert F_Sl an und die Kraft an der Dichtung sinkt ab auf F_Dl(gestrichelt). Bei warmgehenden Verbindungen tritt infolge der unterschiedlichen Erwärmung von Flanschen und Schrauben der Dehnungs-Unterschied ΔW_A auf, der eine weitere Verspannung verursacht, so dass die Schrauben-Kraft auf F_S2 und die Dicht-Kraft auf F_D2 ansteigt (strich-punktiert).

Liegt die Stand-Kraft F_Dθ, der die Dichtung über einen längeren Zeitraum, insbesondere bei höheren Temperaturen, zu widerstehen in der Lage ist, niedriger als F_D2, so kriecht die Dichtung mit der Zeit um den Betrag ΔD', bis die Dicht-Kraft den Wert F_D3 = F_Dθ erlangt hat. Dabei fällt die Schraubenkraft auf F_S3 ab. Mit der Temperatur-Angleichung zwischen Schrauben und Flanschen geht im Betriebs-Zustand der Wärmedehnungs-Unterschied auf ΔW_B zurück, was wieder ein Entspannen bewirkt (stark ausgezogen). Die danach an der Dichtung verbleibende Kraft F_D4 muss über der Kraft F_DB liegen, die zum dauernden Dichthalten im Betrieb erforderlich ist.

Aus: Schwaigerer, S.: Die Berechnung der Flanschverbindungen im Behälter- und Rohrleitungsbau. Z. VDI 96 (1954) 7.

Aufgrund der Abdrehung des Flanschblattes baut sich im Gegensatz zu plan aufliegenden Flanschblättern keine zusätzliche Schraubenkraft auf. Die Erhöhung der Schraubenkraft mit dem Hebelarmverhältnis Y1/Y2 kann für diese Verbindung entfallen.

Wird eine Sonderdichtung verwendet so können zusätzliche Angaben zur Dichtung im Bemerkungsfeld gemacht werden.

Ist das Bemerkungsfeld leer, wird es vom Programm mit den Standardwerten belegt.

Um in der Flanschverbindung eine Querkraft Q (senkrecht zur Rohrachse) und ein Torsionsmoment M_t durch Reibschluß übertragen zu können, muss an der Dichtung erforderlichenfalls eine zusätzliche Kraft F_Z angreifen.

F_Z beträgt:

aa) für seitlich verschiebbare Flansche, bei denen Querkräfte nur durch Reibschluss übertragen werden können

ab) für seitlich nicht verschiebbare Flansche, bei denen Querkräfte durch Formschluss übertragen werden

Ergibt sich aus den Gleichungen (A 2.8-10) oder (A 2.8-11) ein F_Z > 0, so ist diese Kraft der erforderlichen Betriebsdichtungskraft nach Gleichung (A 2.8-5) zuzuschlagen.

Falls keine anderslautenden Versuchsergebnisse vorliegen, sind die Reibbeiwerte wie folgt einzusetzen:

 = 0,1 bei graphitbeschichteten Dichtungen

 = 0,15 bei metallischen Auflagen mit glatter Oberfläche

 = 0,25 bei It-Dichtungen

Über das Kräftespiel in einer Flanschverbindung, wie es in den verschiedenen Betriebszuständen vorherrscht, kann man sich anhand ihres Verspannungsschaubildes eine Vorstellung machen. Dabei wird die Flanschverbindung als ein in einem Kräftefluss liegendes Federsystem aufgefasst, bestehend aus den Schrauben, den beiden Flanschen und der Dichtung.

Im Verspannungsschaubild, in dem die Federkennlinien der in einem geschlossenen Kraftfluss liegenden spannenden und gespannten Teile einer Verbindung aufgetragen werden, sind auf der Abszisse die elastischen Formänderungen in Richtung der Rohrachse und auf der Ordinate die entsprechenden Kräfte aufgetragen, wobei auf der einen Seite üblicherweise die Kraftverformungsverhältnisse von Schrauben plus Flanschen und auf der anderen Seite dasjenige der Dichtung dargestellt ist (Bild 3.50). Da sich die Kräfte vom Einbauzustand über den Anfahrzustand bis zum Dauerbetrieb jeweils ändern, müssen die genannten Zustände im Einzelnen durch die entsprechenden Verspannungslinien erfasst werden.

Beim Anziehen der n-Schrauben mit der Kraft F_s erfährt jede Schraube (Bild 3.51 s. Durchfederung eines losen Flansches mit Bund) die Längung D S, die beiden Flansche biegen sich zwischen Schrauben- und Dichtungskreise um den Betrag 2·D Fl durch, während die Dichtung um D D elastisch zusammengedrückt wird.

mit

L_s = Klemmlängen der Schrauben

d_s = bei Dehnschrauben der Schaftdurchmesser ds

d_s = bei Vollschaftschrauben der mittlere Gewindedurchmesser

Wenn bei Flanschen mit kegeligem Ansatz

h_A > h_F , dann h' = h_A

Falls h_A < h_F, dann:

Bei Aufschweißbunden:

Bei Flanschen mit bis zum Außenrand tragender Flachdichtung bzw. bei satt aufliegenden Flanschblättern ist keine nennenswerte Durchbiegung zu erwarten.

Die elastische Rückfederung bei Flachdichtungen errechnet sich zu:

Bei It-Dichtungen E_D » 1500 N/mm²

Bei Metall-Weichstoffdichtungen E_D » 4000 N/mm²

Die Rückfederung bei metallischen Dichtungen kann im Vergleich zur Federung von Schrauben und Flanschen vernachlässigt werden.

Wird die Flanschverbindung in Betrieb genommen, so erfolgt einerseits durch die gleichmäßig angenommene Erwärmung der gesamten Verbindung auf die Temperatur eine Entlastung der Schraubenkraft auf:

sowie eine Änderung der Schraubenlängung auf

Andererseits ändert sich durch den wirksam werdenden Innendruck das Moment von:

in:

womit die Änderung der Durchfederung eines Flansches in:

verbunden ist

Die Schrauben müssen beim Einbau entsprechend der erforderlichen Vorpresskraft F_DV der Dichtung mit der Schraubenkraft F_S0 angezogen werden.

Wird der Innendruck p aufgegeben, ohne dass eine Temperaturänderung stattfindet, so bewirkt die Innendruckkraft F_p' dass die Schraubenkraft auf den Wert F_S1, ansteigt und die Dichtungskraft auf F_D1 abfällt. Das Steigungsmaß der Federungskennlinie von Schrauben und Flanschen ändert sich dabei im Verhältnis der äußeren Momente.

Tritt beim Anfahren ein Temperaturunterschied zwischen Schrauben und Flauschen entsprechend dem Dehnungsunterschied D W_A auf, so erfolgt eine zusätzliche Verspannung der Verbindung, wobei die Schraubenkraft F_S2, und die Dichtungskraft auf F_D2 ansteigt. Das Steigungsmaß der Federungskennlinie wird dabei im Maß des sich mit der Temperatur ändernden Elastizitätsmoduls kleiner.

Üblicherweise ist die Dichtung bei Wärmeeinwirkung nicht imstande, die erhöhte Pressung aufzunehmen. Sie beginnt zu kriechen, wobei sich die Verbindung entspannt, bis nach einem Kriechweg von D D' die von der Dichtung ertragbare Kraft F_D erreicht ist. Zugleich mit dem Kriechen der Dichtung findet aber auch eine Temperaturangleichung zwischen Schrauben und Flanschen auf einem Restwert D W_B statt. Die Schraubenkraft erreicht dabei den Wert F_S3.

Beim Anfahren, also Wegnahme des Druckes unter Betriebstemperatur, erhöht sich die Pressung an der Dichtung, was ein erneutes Kriechen zur Folge hat, bis die Schraubenkraft die Standkraft der Dichtung F_D erreicht. Wird nun erneut der Innendruck aufgegeben, so folgt wieder eine Entspannung an der Dichtung auf F_D4. Damit die Verbindung dicht bleibt, muss gefordert werden, dass die Dichtungskraft F_D4 größer ist als die zum Dichthalten im Betrieb erforderliche Betriebsdichtungskraft F_DB. Bei Weichdichtungen ist, um diesen Zustand zu erreichen, vielfach ein Nachziehen der Verbindung erforderlich.

Sollten in der Rohrleitung Zugkräfte vorhanden sein, dann erniedrigt sich die Dichtungskraft, und das Verspannungsschaubild ändert sich gemäß Bild 3.53.

Aus: Walter Wagner, Festigkeitsberechnungen im Apparate- und Rohrleitungsbau, 6. Aufl., Vogel, 2000

von Theo von Reth, Mannheim

Bei Rechteckflanschen an Druckbehältern ist zwischen Hersteller und Überwacher eine Vereinbarung über die Berechnung notwendig, zu der der vorliegende Beitrag Anregung geben soll.

Das Widerstandsmoment eines runden Flansches setzt sich zusammen aus dem der Torsion entgegenwirkenden Widerstandsmoment des Flanschrandes und dem der Biegung entgegenwirkenden Widerstandsmoment des Flanschhalses. Bei den üblichen Konstruktionen ist das Widerstandsmoment des Flanschrandes wesentlich größer als das des Flanschhalses. Dies erklärt auch, weshalb ein Losflansch nur wenig dicker sein muss als ein Aufschweißflansch gleichen Durchmessers.

Bei einem Rechteckflansch ist das Widerstandsmoment des Flanschrandes in der Mitte der langen Rechteckseite vernachlässigbar klein. Durch das auftretende Drehmoment, hervorgerufen durch den Innendruck und die diesem entgegenwirkende Schraubenkraft, erfährt der Flanschrand eine Beanspruchung auf Torsion. Mit zunehmender Entfernung des Kraftangriffes von der Einspannung wird die plastische Verformung so groß, dass die Dichtung nicht mehr anliegt. An dieser Stelle muss deshalb das Widerstandsmoment des Flanschhalses so groß sein, dass die Verformung des Flansches nicht größer wird als es zum Dichthalten erforderlich ist. Bei höheren Drücken ergeben sich damit Wanddicken, die zu nicht praktikablen Konstruktionen führen.

Bei Verwendung durchgehender Dichtungen tritt kein Verwinden des Flansches ein, sie sind aber für niedrige Drücke geeignet. Oberhalb etwa 6 atü wird aber die zu ihrer Vorverformung notwendige Kraft so groß, dass andere Lösungen zu suchen sind. Man könnte den Flanschrand auf der Außenseite mit einer Leiste versehen, die etwa so dick ist wie die Dichtung. Dadurch wäre sichergestellt, dass er sich nicht mehr verdrehen kann. Andererseits wird aber die Schraubenkraft im Verhältnis der Hebelarme erhöht, d.h. praktisch etwa verdoppelt. Die Konstruktion würde Schraubendurchmesser erfordern, die sich bei höheren Drücken auf der zur Verfügung stehenden Fläche nicht mehr unterbringen ließen.

Ein Weg zur Erhöhung des Widerstandsmomentes des Flanschhalses ist das Aufschweißen von Trägern auf der Innenseite des Flansches oder das Einschweißen von Rippen zwischen Flanschrand und Behälterwandung. Hierdurch treten aber zusätzliche Spannungsspitzen auf, deren Berechnung einen Zeitaufwand erfordert, der in keinem wirtschaftlich vertretbaren Verhältnis zur Konstruktion des Behälterteiles steht. Auch das Einschweißen von Zugankern, die in einem Winkel von 90° der Schraubenkraft entgegenwirken, ist problematisch, da die Längenänderung des Zugankers genau die gleiche sein muss wie die Längenänderung der Schrauben.

Als einfachste Lösung bietet sich an, die Rechteckflansche metallisch auf dem Gegenflansch oder der Rohrplatte aufliegen zu lassen und die Dichtung in einer Nut unterzubringen. (z.B. O-Ringe); bei höheren Temperaturen kann die "Metall-O-Ring-Dichtung" eingesetzt werden, die sich in der amerikanischen Raumfahrt und in der Kerntechnik bewährt hat.

Bei dieser Konstruktion wird der Flanschhals lediglich auf Zug beansprucht und im Flanschrand tritt keine Verdrehung, sondern reine Biegung auf. Dies bedeutet wesentlich geringerer Wanddicken als bei einem auf Verdrehung beanspruchten Flansch. Die Schraubenkräfte bleiben ebenfalls etwas kleiner, da die Vorverformung für die vorgeschlagenen Dichtungen kleiner ist als bei den üblichen Flachdichtungen. Ein weiterer Vorteil tritt bei Wärmeaustauschern auf, da in diesem Fall durch den festaufliegenden Flansch der Durchbiegung der Rohrplatte entgegengewirkt wird.

Zur Berechnung der Dicke des Flanschrandes kann bei dieser Konstruktion die nachstehende Gleichung dienen. Die Bezeichnungen sind der DIN 2505 entnommen.

t =       Entfernung zwischen den Schrauben

w =      Entfernung von Mitte Dichtung bis zur Mittellinie des Flansches (auf kleine Seite des Rechtecks bezogen)

p =      Druck in bar

Techn. Überwach. 8 (1967) Nr. 12 Dezember

Aus: Esser, Josef Illgner, K.-H.; Schrauben Vademecum; 9. Auflage 2001