BAUARTBEDINGTE (!) UNDICHTIGKEITEN

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1 BAUARTBEDINGTE (!) UNDICHTIGKEITEN AN (NORM-) FLANSCHVERBINDUNGEN Herausstellen und Bewerten der Ursachen (s. Blatt 2) Innovative konstruktive Lösungen zum Beseitigen und Vermeiden von Undichtigkeiten an vorhandenen Verbindungen und an Neuanlagen (s. Blatt 3-5) Ausführliche Informationen: - Verbindungstechnologie (Beratung - Lizenzierung - Engineering) Dörnchen 2 - D Herten

2 NIE WIEDER LECKAGEN AN FLANSCHVERBINDUNGEN! Ursachen von Leckagen sind u.a.: (s. Blatt 2) dynamische Druckänderungen thermische Lastwechsel nicht berücksichtigte bzw. von der Höhe nicht bekannte Zusatzbelastungen Diese treten an dem kraft- und formschlüssigen Verbindungssystem "Schlemenat" nicht auf. Zudem kann sich eine Gefahrensituation durch radial austretendes Medium nicht einstellen. Beispiel: Foto: Voith Industrial Services Ermo GmbH P Probe = 741 bar Täglich stellen extrem belastete weltweit im Einsatz befindliche Ausführungen dieses Systems die zu erreichenden Vorteile gegenüber den Standard-Flanschen unter Beweis. Informationen unter: consysas@cityweb.de (s. auch: Kraft- und formschlüssig verspannen statt konventionell schrauben Vermeidung und Beseitigung von undichten Flanschverbindungen, Verlag: PP PUBLICO, Publications, Witteringstr. 10, D Essen) JETZT NEU: Standard- Flanschbunde / Flansche in Kombination mit dem Verbindungssystem Schlemenat Leckagen werden sowohl beseitigt als auch dauerhaft vermieden. Änderungen an den Flanschbunden / Flanschen sind - bis auf wenige Ausnahmen - nicht erforderlich (s. Prinzip-Darstellungen Fig. 1 - Fig. 3). Patent: DE Gebrauchsmuster: DE Fig. 1 Blatt 1

3 Flansch-Leckagen: Erkennen und Bewerten der Ursachen Blatt 2 Obwohl Berechnungen und Abnahmen von Flanschverbindungen stets nach gültigen Regelwerken erfolgen, sind Undichtigkeiten nicht selten auch auf Ursachen infolge des Überpressens von verschiedenen Dichtungen im Krafthauptschluss (KHS) als auch auf den Einfluss von Schraubenrelaxation zurückzuführen. Treten beispielsweise in der Ebene von Flanschverbindungen Biegemomente u.a. infolge von dynamischen Druckänderungen ( Druckstöße, Dampf- und Wasserschläge) sowie infolge von thermischen Lastwechseln auf, wirken die aus dem resultierenden Moment sich einstellenden Druckkräfte - ggf. mit weiteren axialen Zusatzbelastungen - zusätzlich (!) auf die bereits während der Montage vorverformte Dichtung im Krafthauptschluss. Führen diese Kräfte jedoch zu einem Überschreiten der Dichtungsstandkraft, ist das elastische Rückfederungsverhalten der Dichtung nicht mehr gegeben. Folglich stellen sich bauartbedingt (!) - Undichtigkeiten ein. Der Einfluss von Schraubenrelaxation zeigt sich besonders in relativ langen flüssigkeitsführenden Rohrleitungen, wenn u.a. bei einem zu schnellen Schließen von Armaturen die kinetische Energie infolge Massenträgheit der Flüssigkeit in eine nicht unerhebliche in Richtung der Längsachse wirkende Kraft umgewandelt wird. Aufgrund derartiger Belastungen sind es in erster Linie Schrauben in den Flanschverbindungen, die überbeansprucht werden. Der erhöhte Einfluss der Schraubenrelaxation führt nach längeren Betriebszeiten zur kontinuierlichen Reduzierung der Dichtflächenpressung und folglich zur Undichtigkeit. Losflansche weisen funktionsbedingt ein ungünstiges Verformungsverhalten auf: An den gegenwärtigen Losflanschverbindungen stellen sich unter Belastungen relativ große Stülpverformungen an den Losflanschen ein, so dass sich an der Kontaktstelle zwischen Flanschbund und Losflansch (s. Abb.) mit Zunahme der Belastungen die anfängliche Flächenlast in eine Linienlast verlagert. Dieses führt bei zu großen Belastungen zu einem örtlichen Fließen im Kontaktbereich. In den Normen für Bund / Losflanschverbindungen ist dieses Verformungsverhalten durch eine Begrenzung des max. Nenndrucks berücksichtigt. Dabei zeigt sich doch der Flanschbund als das optimale Bauteil einer Verbindung. Zum einen wirken die zu übertragenden Kräfte mit einem günstigen Hebelarm, zum anderen führt bei hohen Temperaturen die rel. niedrige radiale Bauhöhe zu einem entsprechend geringen radialen Temperaturgradienten im Flanschbund. Insgesamt stellen sich somit nur geringe Stülpverformungen und folglich nur minimale radiale Bewegungen im Bereich der Dichtungsanlage ein. Diese Vorteile sind an den gegenwärtigen (Norm-) Losflanschverbindungen durch den Schwachpunkt Losflansch jedoch nur beschränkt zu nutzen. Durch die kraft- und formschlüssig gegen die Abschersegmente (8) dauerhaft verspannte Hülse (5) kommen dagegen sämtliche Vorteile voll zur Geltung. Zudem führt die Nutzung von höheren Nenndrücken, größeren Nennweiten und höheren Biegemomentbelastungen bei einer stets vorliegenden optimalen Dichtheit zu einer enormen Aufwertung der Flanschbund-Verbindungen. Undichtigkeiten an vorhandenen Verbindungen sind ebenso unter Weiternutzung der ursprünglichen Flanschbunde durch einen Austausch der Losflansche gegen die übergreifende Hülse direkt zu beseitigen. Bei Vorschweißbördeln und glatten Bunden ergeben sich die gleichen Vorteile, jedoch kommt ausschließlich das Verbindungssystem Schlemenat zur Anwendung. Blatt 2 Details zur Fig. 1 s. Blatt 3

4 Blatt 3 Details zum Ausführungsbeispiel: Fig. 1 - alternative Flanschbund-Verbindung Im Gegensatz zu den gegenwärtigen Losflanschverbindungen, bei denen vor allem bei extremen Belastungen einteilige Losflansche zwischen den Bunden vorab auf dem Grundkörper aufzusetzen sind, führt die neue Flanschbund-Verbindung zu weiteren Vereinfachungen, u.a. bei der Lagerhaltung, dem Transport sowie bei der Montage. Herstellungsvorteile ergeben sich zudem an Verbindungen von lierten oder mit einem Verschleißschutz ausgekleideten Bauteilen, ebenso bei Kunststoffmaterialien. Fig. 1 Funktionsweise: Fig. 1: Eine Hülse (5) übergreift die Bunde (3 ) der ursprünglichen Losflanschverbindung. Hochtemperaturbelastete Flanschbunde: Zwischen den Bunden ist ein Zwischenring (11) verspannt. In diesem sind im Kraftnebenschluss wirkende Metall-C-Ring-Dichtungen (4) angeordnet. Die Hülse (5) weist an einem axialen Ende eine umlaufende Nut (6) und am gegenüberliegenden anderen Ende eine Aussparung zur Anlage der keilförmigen Spannelemente (9) des Verbindungssystems Schlemenat auf. In der Nut (6) sind Abschersegmente (8) angeordnet, deren Ausführung gemäß dem bekannten Stand der Technik für Scherring-Verschlüsse erfolgt. Die Lastübertragung erfolgt über die kraft- und formschlüssig gegen die Abschersegmente (8) dauerhaft zu verspannende Hülse. An sämtlichen Bauteilen stellen sich relativ geringe Stülpverformungen ein. Durch Nutzung eines Zwischenrings (11) zur Aufnahme der im Kraftnebenschluss (KNS) wirkenden Dichtungen sind die ebenen Stirnflächen der Bunde gemäß den Forderungen der Dichtungshersteller - u.a. an schwer zugänglichen Stellen in einer Anlage - relativ einfach zu säubern bzw. zu polieren, während die Nuten im demontierten Zwischenring entsprechend einfach zu bearbeiten sind. Fazit: Für alle Anwendungsbereiche ergeben sich gegenüber den gegenwärtigen Bund / Losflanschverbindungen durch das nachträgliche Überschieben der Hülse über die Flanschbunde bahnbrechende Vorteile: Die Hülse (5) weist keinen nach innen vorspringenden Bund oder Ansatz auf, sie ist somit vorteilhaft erst zu Beginn der Montage über die Flanschbunde (3 ) anzuordnen. Undichtigkeiten können nicht auftreten. Weder ist die erforderliche elastische Rückfederung der im Kraftnebenschluss (KNS) wirkenden Dichtung negativ zu beeinflussen, noch kann eine Reduzierung der Dichtflächenpressung infolge von Schraubenrelaxation eintreten. Einschl. dem kegeligen Ansatz ergeben sich die Abmessungen der Vorschweißbunde für sämtliche Nennweiten / Druckstufen denen der genormten Vorschweißflansche, so dass gesonderte Festigkeitsnachweise für die Flansch-Bunde nicht erforderlich sind. Aufgrund kleinerer Hebelarme ergeben sich stets geringere Verformungen und Spannungen. In Anlehnung an Norm-Vorschweißflansche sind ab einem bestimmten Ø-Bereich für verschiedene Anwendungsbereiche / Nenndrücke / Nennweiten / Materialien gesonderte Werks- / Herstellnormen anzustreben, wobei die jeweiligen Bauteile zum kraft- und formschlüssigen Verspannen der Hülse zu dimensionieren und mit einzuarbeiten sind. Blatt 3 Weitere Ausführungsbeispiele von kombinierten Verbindungen (Fig. 2 und 3) s. Blatt 4 und 5

5 Ausführungsbeispiel: Fig. 2 - Flansch mit Flanschbund / Blindflansch Blatt 4 Um an hochtemperaturbelasteten Flanschverbindungen den Einfluss der Schraubenrelaxation vollständig auszuschalten (!) sowie die u.a. infolge des radialen Temperaturgradienten sich einstellenden Stülpverformungen und den somit aufgezwungenen (!) radialen Dichtungsweg ΔR zumindest an einem Flanschblatt zu minimieren, ist zur Reduzierung der radialen Erstreckung einer der Flansche als Flanschbund gemäß Fig. 2, ggf. auch als Blindflansch auszuführen. ΔR U.a. führen Undichtigkeiten an dem nachfolgend dargestellten Anschlussflansch einer Rohgasturbine zu hohem Produktionsausfall. Durch einfache Änderungen am Rohrleitungsflansch sowie nur geringen Änderungen im Bereich der Dichtleiste des Gehäuseflansches sind die Leckagen zu beseitigen bzw. dauerhaft zu vermeiden. Der markierte Bereich ist abzudrehen bzw. es ist ein neuer Flanschbund beizustellen p = 127 bar t = C Fig. 2 Zwischenring zur Aufnahme der Dichtungen (die dargestellten Dichtungen wirken im Kraftnebenschluss) Ausführungsbeispiel: Fig. 3 "Flanschverbindung + übergreifende Hülse" als primäre Maßnahme der Risikominderung zum dauerhaften Vermeiden und Beseitigen von undichten Flanschverbindungen analog des Prinzips "GÜRTEL + HOSENTRÄGER" Blatt 4 Fig. 3 Details zum Ausführungsbeispiel - Fig. 3 s. Blatt 5

6 Beschreibung des Ausführungsbeispiels - Fig. 3 Blatt 5 Fig. 3 Eine Hülse (5), die an einem axialen Ende eine umlaufende Nut (6) aufweist, übergreift eine komplett verspannte Flanschverbindung. In der Nut (6) liegen einzelne auf Abscheren belastete Segmente (8) zugleich an einem der Flansche (3) an. Zur Vermeidung von größeren Biegebelastungen in den Segmenten werden diese zum Erreichen einer vollflächigen Anlage an einem der Flansche jeweils mit Schrauben (2) verspannt. Dazu wird schrittweise Schraube für Schraube der Flanschverschraubung herausgenommen, jeweils ein Segment in die Nut der zuvor übergeschobenen Hülse eingesetzt und mit den Flanschen (3) wieder verspannt. Die Hülse ist in axialer Richtung fixiert. Die Vorverformung der Dichtung (4) sowie der verspannte Zustand der Flanschverschraubung wird durch die herausgenommene Schraube nur unwesentlich beeinflusst. Das gegenüberliegende andere Ende der Hülse weist eine Aussparung zur Aufnahme der keilförmigen Spannelemente (9) des kraft- und formschlüssigen Verbindungssystems auf. Die zwischen den Spannelementen und dem Flansch angeordneten Distanzkörper (10) weisen entweder ein Innengewinde auf und sind zugleich Teil der Flanschverschraubung (2) oder sie überdecken die am Flanschblatt (3) hervorstehenden Schraubenköpfe bzw. Muttern. Von der Hülse sind auch nur die Lastanteile zu übertragen, die sich bei einer Überbelastung der Schrauben (2) einstellen. Das Einreichen von zusätzlichen Berechnungsnachweisen ist demnach nicht erforderlich, da sogar bei einem theoretischen Totalversagen der Flanschverschraubung sämtliche der auftretenden Belastungen schadlos von der übergreifenden Hülse aufgenommen werden. In einem Test wurde sogar mehr als das 5-fache der Betriebsbelastungen aufgenommen, während die angeschlossenen Rohrleitungen versagten. Sämtliche Bauteile der Verbindung wiesen keine (!) Veränderungen auf. Bei allen Ausführungen gemäß Fig. 3 erfolgt das Verspannen mit den Spannelementen erst nach Abschluss der kompletten Flanschverschraubung, so dass das Tragverhalten der bisherigen (Norm-) Flanschverbindung weiterhin unverändert besteht. Auch sind die bisher vorliegenden Erfahrungen von beiden Systemen weiterhin vorteilhaft zu nutzen, u.a. bei der Montage, beim Einlegen und Vorverformen der Dichtungen, bei der Nutzung von Montagehilfsmitteln bei nicht fluchtenden Flanschen zueinander sowie bei der Durchführung erforderlicher Druckproben. Da die Hülse im Bereich der Innenkontur keinen vorspringenden Bund oder Absatz aufweist, ist sie für Normflansche kostengünstig aus genormten nahtlos warmgewalzten dickwandigen Rohren herzustellen. Die gegenwärtigen Flanschverbindungen lassen sich vorteilhaft mit dem Verbindungssystem Schlemenat kombinieren. Undichtigkeiten treten nicht auf, weder infolge von Schraubenrelaxation noch durch ein Zerstören der Dichtungsstandkraft infolge des Überpressens von verschiedenen im Krafthauptschluss zu nutzenden Dichtungen. Fazit: Der wirtschaftliche Aufwand zum Erreichen der zusätzlichen Sicherheit steht gegenüber den bei einer Undichtigkeit entstehenden Kosten in einem positiven Verhältnis. Weitere Informationen unter: consysas@cityweb.de Blatt 5 - Verbindungstechnologie (Beratung - Lizenzierung - Engineering) Dörnchen 2 - D Herten Tel.: Fax: