Optimale, realitätsnahe Flanschberechnungen

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Hetty Lorentz
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1 Optimale, realitätsnahe Flanschberechnungen Dipl.-Ing. Gerd Lannewehr Peter Thomsen Lannewehr + Thomsen GmbH & Co.KG D Bremen info@flangevalid.com

2 Themenübersicht - Betrachtung der diversen Flanschberechnungen - AD 2000-Merkblatt B7/B8 - DIN EN VDI ASME Section VIII Div.1 App.2 und VIII Div.2 App flangevalid / ANSYS - Modellierung einer Flanschverbindung mit dem flangevalid- System-Designer 3D - Import und Berechnung in ANSYS Mechanical

3 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)

4 DIN EN (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

5 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

6 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

7 flangevalid / ANSYS 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 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

8 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

9 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

10 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

flangevalid / ANSYS Verformung unter Temperatur und Druck Quelle:

Exanger Flange Die Flanschbiegung durch die Schrauben muss größer sein

Wärmeausdehnung, sonst kippt der Flansch weiter und die Schrauben

11 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.

12 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.

13 Modellierung einer Flanschverbindung mit dem flangevalid-system-designer 3D

14 Import IGS-Datei aus flangevalid in das ANSYS Design

15 Import in ANSYS Mechanical sowie Netzgenerierung

16 Dichtungskennwerte bei 20 C -Herstellerangabe Moeller Metalldichtungen

17 Dichtungskennwerte bei 200 C - Herstellerangabe Moeller Metalldichtungen

18 Dichtungskennwerte bei 400 C - Herstellerangabe Moeller Metalldichtungen

19 Temperaturprofil Anfahrzustand von 20 C auf 200 C

20 Externe Zusatzkräfte

21 Externe Zusatzmomente

22 Lastaufbringung in ANSYS Mechanical Schraubenvorspannkraft, Innendruck externe Zusatzlasten

23 Von Mises Spannungen der Schrauben

24 Von Mises Spannungen der Flanschverbindung

25 Flächenpressung der Dichtung unter Berücksichtigung externer Zusatzlasten

26 Schubspannung der Dichtung unter Berücksichtigung externer Zusatzlasten

27 Verformung der Dichtung in Z-Richtung (Axialrichtung)

28 Die Dichtungskennwerte wurden von der Firma Moeller Metalldichtungen, zur Verfügung gestellt. Die Dichtungsdaten sind ebenfalls unter verfügbar. Die Datenbank von flangevalid der Norm-Standardelemente, Flansche, Dichtungen, Schrauben, Muttern, U-Scheiben, Hülsen umfasst z. Zt. ca Elemente, die beliebig angepasst werden können, d.h. auch viele runde Sonderflanschkonstruktionen sind schnell modellierbar.

29 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

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