Berechnung am Armaturengehäuseflansch - numerische FEM-Analyse versus analytische Berechnung nach DIN EN

Transkript

1 Berechnung am Armaturengehäuseflansch - numerische FEM-Analyse versus analytische Berechnung nach DIN EN Dipl.-Ing. Gerd Lannewehr Peter Thomsen Lannewehr + Thomsen GmbH & Co.KG D Bremen info@flangevalid.com Folie 1

2 Themenübersicht - Kurzvorstellung Referenten - Betrachtung der diversen Flanschberechnungen - AD 2000-Merkblatt B7/B8 - DIN EN / DIN EN VDI ASME Section VIII Div.1 App.2 und VIII Div.2 App flangevalid / ANSYS - FEM Analyse einer Gehäuseflanschverbindung an einem Kugelhahngehäuse DN 50 PN 40 - Bewertung Folie 2

3 Folie 3

4 ISBN-13: ISBN-13: ISBN-13: Verlag: PP PUBLICO Publications, Folie 4

5 Entwässerungsunterlegscheiben für waagerechte Flansche Sicherheitssteckscheiben mit Entlüftung Erfindungen von und mit mechanisch widerstandsfähige auf Dauer technisch dichte Isolierflansche Vorspannkraft messende Messunterlegscheiben Folie 5

6 Norm Flanschberechnungsverfahren und ihre Einsatzgrenzen ( flangevalid) Dichtung Krafthauptschluss KHS Kraftnebenschluss KNS Prüfnorm Kennwerte Nachweis Festigkeit Dichtheit TA Luft Verfahrenstechnik EN X - EN X X X 1) - CEN/TS ) - X - X X X 1) - KTA AD Regelwerk EN Ab. 11 FEA Finite Elemente Analyse X - DIN X X X 1) - - X MPA/VBG 3) X X X 1) - X - Merkblatt B 7 X X 4) - - X - - X X X EN erweiterte Auswertung X X X X 1) nur in Verbindung mit Bauteileversuch nach VDI 2440 und 2200 und einer qualifizierten Montage 2) Vornorm seit ) VBG ist der Verband der Großkraftwerksbetreiber 4) nur in Verbindung mit EN 1591 (Ergänzung aus Vortrag von M.Schaaf, AMTEC, XVII Dichtungskolloquium) Quelle: VDI 2290: , Tabelle 1, ergänzt und aktualisiert, Stand August 2018 Quelle: VDI 2290: , Tabelle 1, ergänzt und aktualisiert Folie 6

7 AD 2000-Merkblatt B7/B8 (+B0) - reiner Festigkeitsnachweis - V A IV III I II 2 VI 1 3 C Flanschbiegemoment aus Druck/Temperatur 2 Flanschaufweitung durch Druck/Temperatur 3 Druckkraft auf System B8 1) 4 Flanschbiegung durch Schraubenvorspannkraft B8 5 Schraubenbiegung durch Flanschblattneigung 6 Hebelarm für Flanschblattneigung B8 2) 7 Schraubenvorspannkraft B7 Montage B7 Prüfung B7 Betrieb B7 A Flanschblattdicke B8 B Schraubenabmessung B7 C Dichtfläche B7 3) 1) unrealistisch Fläche mittlerer Dichtungsdurchmesser 2) unrealistisch immer Dichtungs- zu Schraubenmitte, er müsste am Dichtungsaußenrand liegen 3) unrealistisch unabhängig von Flanschblattneigung Dichtheitsnachweis Kräfteverteilung gleichmäßig, unrealistisch variabel, realistisch Flächenpressung: Dichtung B7 1) Bördel, Plattierung oder Auskleidung Unterlegscheibe (falls vorhanden) Mutternauflage 1) gemittelt ohne Berücksichtigung des Hebelarmes B nicht erfasst teilweise erfasst erfasst 6 Rohrkräfte B7 1) Torsion und/oder Biegemomente Wärmeausdehnung 1) unrealistischer Ansatz, keine Berücksichtigung der angeschlossenen Schale Bauteile/Bauteilefestigkeit: I Flansche B8 II Dichtung B7 1) Setzverhalten/Relaxation III Schrauben B7 IV Muttern B7 V U-Scheiben (falls vorhanden) VI Plattierung oder Auskleidung (falls vorhanden) 1) Festgelegte Werte abweichend von Herstellerangaben 2 ) Sicherheitsfaktor? Dehnschrauben = 1,5, Vollschaftschrauben = 1,8 3) Sonderzuschlag C5 für Betrieb nur für Vollschaftschrauben 2) 3) Folie 7

8 DIN EN / DIN EN (rechnet keine Apparateflansche, Probleme mit Metalldichtungen) V IV I 2 1 C Flanschbiegemoment aus Druck/Temperatur 2 Flanschaufweitung durch Druck/Temperatur 3 Druckkraft auf System 4 Flanschbiegung durch Schraubenvorspannkraft 5 Schraubenbiegung durch Flanschblattneigung 6 Hebelarm für Flanschblattneigung 7 Schraubenvorspannkraft Montage Prüfung Betrieb A Flanschblattdicke B Schraubenabmessung C Dichtfläche Dichtheitsnachweis Kräfteverteilung gleichmäßig, unrealistisch variabel, realistisch A III II VI 3 Flächenpressung: Dichtung Bördel, Plattierung oder Auskleidung Unterlegscheibe (falls vorhanden) Mutternauflage Rohrkräfte 1) Torsion und/oder Biegemomente Wärmeausdehnung 1) unrealistischer Ansatz, keine Berücksichtigung der angeschlossenen Schale B 6 Bauteile/Bauteilefestigkeit: I Flansche II Dichtung Setzverhalten/Relaxation III Schrauben IV Muttern V U-Scheiben (falls vorhanden) VI Plattierung oder Auskleidung (falls vorhanden) nicht erfasst teilweise erfasst erfasst Folie 8

9 DIN EN (rechnet keine Apparateflansche) So wurde gerechnet: So wurde tatsächlich gebaut: - kein Klöpperboden - kein Trennblech - keine Flanschstutzen für Ein- und Auslass - keine Rohrbündelplatte - nur ein Flansch mit Rücksprung - keine Dichtung mit Mittelsteg (hätte 28 % mehr Dichtfläche) - Dehnhülsen als Ersatz für Schraubenlängen Dichtung oder Wahrheit? Folie 9

10 VDI (berechnet keine Flansche mit Dichtungen im Krafthauptschluss) V IV I 2 1 C Flanschbiegemoment aus Druck/Temperatur 2 Flanschaufweitung durch Druck/Temperatur 3 Druckkraft auf System 4 Flanschbiegung durch Schraubenvorspannkraft 5 Schraubenbiegung durch Flanschblattneigung 6 Hebelarm für Flanschblattneigung 7 Schraubenvorspannkraft Montage Prüfung Betrieb A Flanschblattdicke B Schraubenabmessung C Dichtfläche Dichtheitsnachweis Kräfteverteilung gleichmäßig, unrealistisch variabel, realistisch A III II VI 3 Flächenpressung: Dichtung Bördel, Plattierung oder Auskleidung Unterlegscheibe (falls vorhanden) Mutternauflage Rohrkräfte Torsion und/oder Biegemomente Wärmeausdehnung B 6 Bauteile/Bauteilefestigkeit: I Flansche II Dichtung Setzverhalten/Relaxation III Schrauben IV Muttern V U-Scheiben (falls vorhanden) VI Plattierung oder Auskleidung (falls vorhanden) nicht erfasst teilweise erfasst erfasst Folie 10

11 ASME Section VIII Div.1 App.2 und VIII Div.2 App reiner Festigkeitsnachweis - V IV I 2 1 C Flanschbiegemoment aus Druck/Temperatur 2 Flanschaufweitung durch Druck/Temperatur 3 Druckkraft auf System 4 Flanschbiegung durch Schraubenvorspannkraft 5 Schraubenbiegung durch Flanschblattneigung 6 Hebelarm für Flanschblattneigung 7 Schraubenvorspannkraft Montage Prüfung Betrieb A Flanschblattdicke B Schraubenabmessung C Dichtfläche Dichtheitsnachweis Kräfteverteilung gleichmäßig, unrealistisch variabel, realistisch A III II VI 3 Flächenpressung: Dichtung Bördel, Plattierung oder Auskleidung Unterlegscheibe (falls vorhanden) Mutternauflage Rohrkräfte 1) Torsion und/oder Biegemomente Wärmeausdehnung 1) unrealistischer Ansatz, keine Berücksichtigung der angeschlossenen Schale B 6 Bauteile/Bauteilefestigkeit: I Flansche II Dichtung Setzverhalten/Relaxation III Schrauben IV Muttern V U-Scheiben (falls vorhanden) VI Plattierung oder Auskleidung (falls vorhanden) nicht erfasst teilweise erfasst erfasst Folie 11

12 flangevalid / ANSYS IV V I 2 1 C Flanschbiegemoment aus Druck/Temperatur 2 Flanschaufweitung durch Druck/Temperatur 3 Druckkraft auf System 4 Flanschbiegung durch Schraubenvorspannkraft 5 Schraubenbiegung durch Flanschblattneigung 6 Hebelarm für Flanschblattneigung 7 Schraubenvorspannkraft Montage Prüfung Betrieb A Flanschblattdicke B Schraubenabmessung C Dichtfläche Dichtheitsnachweis Kräfteverteilung gleichmäßig, unrealistisch variabel, realistisch A III II VI 3 Flächenpressung: Dichtung Bördel, Plattierung oder Auskleidung Unterlegscheibe (falls vorhanden) Mutternauflage Rohrkräfte Torsion und/oder Biegemomente Wärmeausdehnungen B 6 Bauteile/Bauteilefestigkeit: I Flansche II Dichtung Setzverhalten/Relaxation III Schrauben IV Muttern V U-Scheiben (falls vorhanden) VI Plattierung oder Auskleidung (falls vorhanden) nicht erfasst teilweise erfasst erfasst Folie 12

13 Vergleich der Berechnungen Bauteile und Bauteilefestigkeit Bauteile und Bauteilefestigkeit AD 2000 B7/B8 EN VDI ASME Sec. VIII flangevalid ANSYS Flansche Dichtungen Setzverhalten der Dichtungen / Relaxation Schrauben Muttern Unterlegscheiben (falls vorhanden) Plattierung oder Auskleidung (falls vorhanden) nicht erfasst teilweise erfasst erfasst Folie 13

14 Vergleich der Berechnungen Flächenpressungen, Zusatzkräfte und Wärmeausdehnung Flächenpressungen, Zusatzkräfte und Wärmeausdehnung AD 2000 B7/B8 EN VDI ASME Sec. VIII flangevalid ANSYS Dichtung Bördel, Plattierung oder Auskleidung Unterlegscheibe (falls vorhanden) Mutternauflage Rohrkräfte Torsion und/oder Biegemomente Wärmeausdehnung Dichtheitsnachweis Kräfteverteilung nicht erfasst teilweise erfasst erfasst Folie 14

15 Vergleich der Berechnungen Abmessungen und Anforderungen an das Flanschsystem Abmessungen und Anforderungen an das Flanschsystem AD 2000 B7/B8 EN VDI ASME Sec. VIII flangevalid ANSYS Flanschblattdicke Schraubenabmessung Dichtfläche Flanschbiegemoment aus Druck/Temperatur Flanschaufweitung aus Druck/Temperatur Druckkraft auf das System Flanschbiegung durch Schraubenkraft Schraubenbiegung durch Flanschblattneigung Hebelarm für Flanschblattneigung Schraubenvorspannkraft nicht erfasst teilweise erfasst erfasst Folie 15

16 flangevalid / ANSYS Verformung unter Temperatur und Druck Quelle: PVP Case study of Temperature Analysis in a 48 Diamater Heat Exanger Flange Die Flanschbiegung durch die Schrauben muss größer sein als das Biegen des Flansches durch die unterschiedliche Wärmeausdehnung, sonst kippt der Flansch weiter und die Schrauben werden entlastet. Ist der Flansch nicht ausreichend vorgespannt wirkt der Innendruck ähnlich. Folie 16

17 flangevalid / ANSYS Flanschverbindungen mit Dichtungen im Krafthaupt- und Kraftnebenschluss sind für eine analytische Berechnung zu komplex. Nur über Berechnungen nach der Finite Elemente Methode können die tatsächlichen Anforderungen an eine Flanschverbindung sinnvoll berechnet werden. Folie 17

18 FEM Analyse einer Gehäuseflanschverbindung an einem Kugelhahngehäuse DN 50 PN Ziel der FEM-Analyse Durch die FEM Analyse sollen die in der Praxis angewendeten Dichtungsbreiten von PTFE Dichtungen, an einem Kugelhahngehäuse gegenüber der EN überprüft werden. 2. Einleitung Bei der Flanschauslegung der Gehäuseflanschverbindung gemäß DIN EN , Kapitel 10 wird wie nachstehend beschrieben vorgegangen, wobei eine Differenzierung zwischen direkter Belastung (Dichtung im Krafthauptschluss), Bild a) und keiner direkten Belastung (Dichtung im Kraftnebenschluss) Bild b) beinhaltet ist. Folie 18

19 2. Einleitung (Fortsetzung) Ausführungen von Flanschverbindungen (Bildquelle DIN EN ) a) direkte Belastung b) keiner direkten Belastung unterlegen Auszug aus DIN EN , Kapitel 10: Die Berechnung der Flansche muss nach oder in Anlehnung an die in DIN EN oder DIN EN enthaltenen Festlegungen erfolgen. Bei ebenen Dichtungen mit direkter Belastung ist es nur zulässig, die Kennfaktoren von Dichtungen zu verwenden, wenn diese auf Grundlage der Prüfnorm DIN EN erhalten wurden. Folie 19

20 2. Einleitung (Fortsetzung) Bei der DIN EN , Kapitel 10 handelt sich ausschließlich um einen Festigkeitsnachweis der verwendeten Bauteile. Zur Einschätzung der Größen hier ein paar Daten der Gehäuseflanschverbindung: Die Vorspannkraft einer M12 Schraube bei 70% Auslastung der Streckgrenze liegt bei N, d.h. bei 6 wirkenden Schrauben wird eine Gesamtvorspannkraft von N aufgebracht. Die gemeinsame metallische Kontaktfläche der Gehäuseflansche beträgt mm², die Dichtungsfläche beträgt 848 mm², d.h. die Gesamtkontaktfläche metallischer Kontakt inkl. Dichtung beträgt mm². Gemäß Definition, Kapitel 10, wird als Innendruckkraft mit dem mittleren Kontaktdurchmesser der Metallflächen gerechnet, d.h. d D = 106,5mm (120mm+93mm)/2. Die daraus resultierende Berechnungsfläche wird mit dem Designdruck bzw. Probedruck beaufschlagt. Die zu berücksichtigenden Innendruckkräfte sind F = N aus dem Designdruck 40bar (4 MPa) und F = N aus dem Probedruck 64,4bar (6,44 MPa) Folie 20

21 3. Lastfälle Als Lastfälle wurden die Montagevorspannung der Schraubenbolzen unter Ausnutzung der Streckgrenze des Schraubenmateriales mit 70% gewählt. Anschließend wird der Designdruck von 40 bar (4 MPa) sowie der Probedruck von 64,4 bar (6,44 MPa) appliziert. Die PTFE Dichtung wird durch die aufgebrachte Vorspannkraft von der direkten Belastung, (kleiner Überstand der Dichtung bei der Montage) in die indirekte Belastung gebracht, d.h. es existieren gemäß Definition DIN EN beide Belastungszustände. Folie 21

22 4. Materialien Die verwendeten Materialien sind: (GX 5 CrNiMo ), DIN EN für die Gehäuseflansche A2-70 nach DIN EN ISO für die Schrauben nach DIN EN ISO 4017 PTFE- Dichtung Als Reibung an den Gehäusekontaktflächen wurde ein Reibwert von 0,12 berücksichtigt. 5. Geometrieimport Die Schraubenkopfauflageflächen zur Flanschfläche wurden als Verbundkontakt berücksichtigt, da keine thermischen Zusatzlasten vorhanden sind. Die PTFE Dichtung wurde als Verbundkontakt berücksichtigt, da die Dichtung zentriert und geführt ist. Sämtliche inneren Einbauteile des Kugelhahnes, wie z.b. die Kugel, die Kugeldichtungen, die Welle inkl. Abdichtung zum Öffnen und Schließen der Kugel wurden bei der Analyse nicht berücksichtigt. Folie 22

23 Die Flanschverbindung wurde als STEP Datei zur Verfügung gestellt und in den ANSYS Design Modeler importiert und anschließend in ANSYS Mechanical eingelesen. Bild 1: Geometrieimport der gesamten Flanschverbindung in den ANSYS Design Modeler Folie 23

24 Bild 2: Kugel mit Dichtungen und Schaftwelle Folie 24

25 Bild 3: Schnittmodell mit Kugel und Dichtungen Folie 25

26 Bild 4: Schnittmodell mit Gehäusedichtung, FEA-Modell Folie 26

27 Bild 5: Schnittmodell, statisch mechanisches FEA Modell Folie 27

28 Bild 6: Verbundkontakt Schraubenkopfauflage-Flanschfläche Folie 28

29 Bild 7: Reibungsbehafteter Kontakt, metallische Dichtflächen, Gehäuse-Gehäusegegenflansch Folie 29

30 Bild 8: Geometrieimport des Kugelhahnes, Gesamtmodell Folie 30

31 Bild 9: Vernetzung der gesamten Flanschverbindung Folie 31

32 Bild 10: statisch, mechanisches Modell der gesamten Flanschverbindung Folie 32

33 6. Berechnungsergebnisse Bild 11: max. von Mises Spannung, Lastfall Vorspannung am Gehäusegegenflansch, im Schraubenlochbereich Spannungen >108,7 N/mm² (MPa) Maximalspannung gemäß DIN EN Folie 33

34 Bild 12: max. von Mises Spannung, Lastfall Vorspannung am Gehäuseflansch, im Schraubenlochbereich Spannungen >108,7 N/mm² (MPa) Maximalspannung gemäß DIN EN Folie 34

35 Bild 13: max. Flächenpressung der PTFE Dichtung, Lastfall Vorspannung Folie 35

36 Bild 14: Kontaktstatus der metallischen Dichtflächen, Lastfall Vorspannung Folie 36

37 Bild 15: Kontaktstatus der Dichtung, Lastfall Vorspannung Folie 37

38 Bild 16: Kontaktstatus der Schraubenkopfflächen Folie 38

39 Bild 17: Durchdringung am Gehäusegegenflansch, Lastfall Vorspannung im Schraubenlochbereich Folie 39

40 7. Zusammenfassung Eine Berechnung dieser Gehäuseverbindung nach DIN EN ist nicht zielführend. Die unterschiedlichen Spannungen im Dichtungs- und Schraubensitz würden mit dieser analytischen Berechnung nicht nachgewiesen. Folie 40

41 8. Bewertung Die Differenzen der analytischen und numerischen Berechnungsarten, besonders auch die Abweichungen der analytischen Berechnung nach DIN EN von der Realität sind so groß, dass unbedingt weitere Untersuchungen zur Überprüfung einer sinnvollen Anwendung der DIN EN : gemacht werden müssen. Folie 41

42 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Folie 42