Ermittlung von Dichtungskennwerten nach DIN EN für die Berechnung von Dichtverbindungen nach DIN EN

Transkript

1 Ermittlung von Dichtungskennwerten nach DIN EN für die Berechnung von Dichtverbindungen nach DIN EN Dipl.-Ing. Rolf Hahn Materialprüfungsanstalt Universität Stuttgart Abteilung Werkstoffeigenschaften Team Werkstoffe für extreme Bedingungen Alle Bilder, für die keine Quelle angegeben ist, wurden von der MPA Universität Stuttgart selbst erstellt bzw. stammen von realen anonymisierten Messungen Forum Flachdichtungen, ISGATEC,

2 Inhalt Einleitung TA Luft und VDI Richtlinien 2440, 2200 und 2290 DIN EN und Dichtungskennwerte Prüfmaschine Kennwertermittlung Q smax und E G Q min(l) und Q smin(l) P QR und Δe Gc µ G und α G Zusammenfassung Ausblick Forum Flachdichtungen, ISGATEC,

3 Abstract Die VDI Richtlinie 2290 fasst zusammen, was in die TA Luft an Vorschriften für Flanschverbindungen in Rohrleitungen enthält, in denen klimaschädliche oder gefährliche Stoffe transportiert werden. Dafür werden hochwertige Dichtverbindungen mit einer rechnerischen Auslegung hinsichtlich Festigkeit und Dichtheit vorgeschrieben. Für die Auslegung sind danach eigentlich nur noch die DIN EN und die FE-Methode zulässig, weil bei praktisch allen anderen Berechnungsvorschriften wesentliche Aspekte, vor allem aber die Dichtheit unberücksichtigt bleiben. Für Berechnungen nach DIN EN werden spezielle Kennwerte benötigt. Das Vorgehen und die Voraussetzungen für die Kennwertermittlung sind in der DIN EN festgelegt. In diesem Vortrag wird eine Universaldichtungsprüfmaschine gezeigt und die Definition sowie die Prüfprozeduren für die o.g. Kennwerte werden beschrieben Forum Flachdichtungen, ISGATEC,

4 TA Luft Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit Erste Allgemeine Verwaltungsvorschrift zum Bundes Immissionsschutzgesetz (Technische Anleitung zur Reinhaltung der Luft TA Luft) Vom 24. Juli Anwendungsbereich Diese Technische Anleitung dient dem Schutz der Allgemeinheit und der Nachbarschaft vor schädlichen Umwelteinwirkungen durch Luftverunreinigungen und der Vorsorge gegen schädliche Umwelteinwirkungen durch Luftverunreinigungen, um ein hohes Schutzniveau für die Umwelt insgesamt zu erreichen.... Neufassung der TA Luft 2017 Forum Flachdichtungen, ISGATEC,

5 TA Luft (Fortsetzung) Flanschverbindungen Flanschverbindungen sollen in der Regel nur verwendet werden, wenn sie verfahrenstechnisch, sicherheitstechnisch oder für die Instandhaltung notwendig sind. Für diesen Fall sind technisch dichte Flanschverbindungen entsprechend der Richtlinie VDI 2440(Ausgabe November 2000) zu verwenden. Für Dichtungsauswahl und Auslegung der Flanschverbindungen sind Dichtungskennwerte nach DIN (Ausgabe September 1995) oder DIN V ENV (Ausgabe Oktober 2001) zugrunde zu legen. Die Einhaltung einer spezifischen Leckagerate von 10 5 kpa l/(s m) ist durch eine Bauartprüfung entsprechend Richtlinie VDI 2440 (Ausgabe November 2000) nachzuweisen. DIN EN (Ausgabe Juli 2014) DIN EN (Ausgabe September 2008) VDI 2200(Ausgabe Juni 2007) Forum Flachdichtungen, ISGATEC,

6 VDI Richtlinien 2440 und 2200 VDI 2440 Ausgabe November 2000 VDI 2200 Ausgabe Juni 2007 Forum Flachdichtungen, ISGATEC,

7 VDI Richtlinie 2290 Diese verwinkelten Querverweise wurden nun erstmalig in der VDI Richtlinie 2290 zusammengefasst. Für die Chemische Industrie leitet sich daraus ab, dass dort, wo die TA Luft greift, wo nämlich Stoffe abzudichten sind, die vor allem klimaschädlich oder giftig sind oder von denen sonstwelche Gefahr ausgeht, nur noch hochwertige Dichtverbindungen zugelassen sind. Die Hochwertigkeit ist nur dann sichergestellt, wenn alle Dichtverbindungen berechnet worden sind, wobei neben der Festigkeit der metallischen Bauteile wie Flansche und Schrauben auch die Einhaltung der Dichtheitsklasse L 0,01 nachgewiesen wird. Das bedeutet, dass in allen Betriebszuständen eine Leckagerate von 0,01 mg/(s m)(zu messen mit Helium) unterschritten wird. WährenddasWichtigsteausVDI2290bereitsinVDI2200zufindenist,soistdie Festlegung der Dichtheitsklasse das eigentlich Neue an der VDI Gleichzeitig wird klar gestellt, dass für den rechnerischen Nachweis neben DIN EN in ihrer jeweils neuesten Ausgabe nur noch FE-Berechnungen infrage kommen, weil keine andere Berechnungsvorschrift alle Aspekte der beiden genannten Nachweisverfahren betrachtet. Berechnungen mithilfe z.b. des AD Merkblatt 2000 können die geforderte Hochwertigkeit nicht nachweisen! Forum Flachdichtungen, ISGATEC,

8 DIN EN und DIN EN Ausgabe April 2014 Flansche und ihre Verbindungen Regeln für die Auslegung von Flanschverbindungen mit runden Flanschen und Dichtung Teil 1: Berechnung; Deutsche Fassung EN :2013 DIN EN Ausgabe Juli 2014 Flansche und ihre Verbindungen Dichtungskennwerte und Prüfverfahren für die Anwendung der Regeln für die Auslegung von Flanschverbindungen mit runden Flanschen und Dichtungen; Deutsche Fassung EN 13555:2014 Für Berechnung mittels DIN EN werden die folgenden Kennwerte nach DIN EN (Ausgabe Juli 2014) benötigt. Forum Flachdichtungen, ISGATEC,

9 Dichtungskennwerte, Definition nach DIN EN Q smax : maximale Flächenpressung, mit der die Dichtung bei den angegebenen Temperaturen belastet werden darf, ohne dass ein Kollaps oder mechanisches Versagen, eine Bruchstauchung, ein unzulässiges Eindringen der Dichtung in die Bohrung oder eine Beschädigung der verpressten Dichtungsfläche auftritt, so dass die Dichtung zu versagen droht E G : Elastizitätsmodul, welches anhand der Rückverformung der Dichtung zwischen Anfangs-Flächenpressung und der Entlastung auf ein Drittel der ursprünglichen Flächenpressung ermittelt wird Q min(l) :erforderlichemindest-flächenpressungaufderdichtungbeimontagebei Raumtemperatur, damit durch Anpassung der Dichtung an die Rauheit der Flanschdichtflächen und Abdichten der inneren Leckagewege die geforderte Dichtheitsklasse L für den gegebenen Innendruck erreicht wird Q smin(l) : erforderliche Mindest-Flächenpressung auf der Dichtung unter Betriebsbedingungen, d. h. nach Entlastung im Betrieb bei Betriebstemperatur, damit die erforderliche Dichtheitsklasse L für den gegebenen Innendruck gehalten wird L N : die Dichtheitsklassen sind in Form von spezifischen Leckageraten festgelegt Forum Flachdichtungen, ISGATEC,

10 Dichtungskennwerte Definition P QR : dieser Faktor berücksichtigt den Relaxationseinfluss auf die Dichtungsbelastung zwischen dem Anziehen der Schrauben und der Langzeiteinwirkung der Betriebstemperatur Δe Gc : zusätzliche Dickenänderung der Dichtung oder des Dichtelements, die durch Kriechen zwischen dem Erreichen der Belastung und dem Ende der Prüfdauer hervorgerufen wird μ G : Haftreibungskoeffizient zwischen Dichtung und Flanschdichtfläche unter Betriebsbedingungen und bei äußerer Belastung α G : Temperaturausdehnungskoeffizient der Dichtung in axialer Richtung unter Betriebsbedingungen(Temperatur und Flächenpressung) Die oben beschriebenen Kennwerte allein sind nicht geeignet, eine Aussage über die Qualität eines Dichtungswerkstoffs zu liefern. Wie gut eine bestimmte Dichtung für den geplanten Einsatz geeignet ist, ergibt sich nur aus einer vollständigen Berechnung der Dichtverbindung nach DIN EN Forum Flachdichtungen, ISGATEC,

11 Prüfmaschine TEMES fl.ai1 Prüfmaschine zur Ermittlung von Dichtungskennwerten nach DIN EN beide Bilder wurden mit freundlicher Genehmigung der Firma AMTEC Messtechnischer Service GmbH von deren Website entnommen Forum Flachdichtungen, ISGATEC,

12 Vorschriften für die Ermittlung der Kennwerte Wenn man eine Dichtung in einem Flansch verspannt und zu verschiedenen Betriebszuständen die Leckage misst, dann ist die Leckagerate immer abhängig von der vorherigen Geschichte bzw. dem "Leidensweg" der Dichtung. Durch die Abfolge der Einflussgrößen Montagedrehmoment, Betriebstemperatur, Kriechen der Dichtung, Innendruck, Haltezeiten usw. wird man sehr unterschiedliche Leckageraten messen, ohne dafür zu jedem Zeitpunkt Kenntnis über den augenblicklichen Zustand der Verbindung zu erhalten. Im realen Flansch stellt sich - bedingt durch die Elastizität der metallischen Bauteile und das Kriechverhalten der Dichtung - eine Flächenpressung ein. Die Leckagerate kann man immer nur in diesem gerade geltenden Zustand messen. Für die Ermittlung der Kennwerte für die Berechnung nach DIN EN wurden deshalb in DIN EN die Definition der Kennwerte und die Prüfprozeduren festgeschrieben, mit denen man die verschiedenen Einflussfaktoren weitgehend voneinander separieren kann. Ein Inter- bzw. auch bedingtes Extrapolieren der Kennwerte zwischen den verschiedenen Zuständen ist möglich. Alle Prüfungen sind mindestens doppelt und außer dem Leckageversuch bei RT, einer mittleren und einer Maximaltemperatur durchzuführen. Forum Flachdichtungen, ISGATEC,

13 Konstruktive Merkmale der Prüfmaschine Eine Prüfmaschine zur Ermittlung der Kennwerte nach DIN EN muss verschiedene Merkmale haben: biegesteife Prüfplatten Vermeidung bzw. Korrektur von Rückwirkungen der Temperatur und der Prüfkraft auf die Weg- bzw. Dickenmessung Thermische Isolation für möglichst gleichmäßige Temperaturen zwischen den Prüfplatten Vorgabe komplexer Prüfabläufe einstellbare konstante Belastungs- und Aufheizgeschwindigkeit Simulation der Steifigkeit über die Dichtungsdicke Alle wesentlichen Messgrößen wie Kraft, Wege (d.h. Dichtungsdicke), Temperaturen, Druck usw. werden kontinuierlich ausgezeichnet und für die spätere Auswertung abgespeichert Anschluss eines Massenspektrometers für Leckageratenmessung... Forum Flachdichtungen, ISGATEC,

14 Vorbereitung (unabhängig vom Versuchstyp) In der Regel sollen die Abmessungen der Prüfdichtungen je nach Dichtungsart den Vorgaben für die folgenden Flanschtypen entsprechen: DN 40/PN 40 nach DINEN1514-1bis-7oder NPS 4 CLASS 300nachEN bis-7 DN 40/PN 40 Dichtungen aus Plattenmaterial haben einen Innendurchmesser von49mmundeinenaußendurchmesservon92mm Als Konditionierung ist eine mindestens 48-stündige Lagerung bei Umgebungstemperatur und(50 ± 6)% rf vorgeschrieben Für alle Prüfverfahren, die in der DIN EN ausführlich beschrieben sind, muss die Laborumgebungstemperatur während der Prüfungen(23 ± 5) C und die Temperatur der Prüfplatten zu Beginn aller Prüfungen (23 ± 2) C betragen. Die Innen- und Außendurchmesser werden mit einem Circometer oder einem anderen geeigneten Gerät an 4 Stellen auf 0,1 mm genau gemessen Die Dicke wird mit einer Messschraube oder einem anderen geeigneten Gerät, dessen Anlageflächen breit genug sind um eine Messung ohne Eindringen zu ermöglichen, an 4 Stellen auf 0,01 mm genau gemessen Ggf. können Folien aus Edelstahl als Zwischenlage verwendet werden, um das Anbacken der Dichtungen an den Prüfplatten zu verhindern. Forum Flachdichtungen, ISGATEC,

15 Zyklischer Stauchversuch zur Ermittlung der maximalen Flächenpressung Q smax(t) und des Ersatz- Elastizitätsmuduls E G(Qi,T) in Abhängigkeit von der Temperatur Forum Flachdichtungen, ISGATEC,

16 Ermittlung von Q smax und E G Versuchsdurchführung: Es handelt sich um einen zyklischen Stauchversuch, der bei RT oder erhöhter Temperatur durchgeführt wird. Die vermessene Dichtung wird - ggf. zwischen Edelstahlfolien - zentrisch in die Prüfmaschine eingelegt. Bei der Prüfung muss die Temperatur bei einer bestimmten Vorpressung der Dichtung auf den geforderten Wert erhöht werden, wonach zyklische Belastungen und Entlastungen auf die Dichtung mit stufenweise ansteigenden Flächenpressungen durchgeführt werden, bis die Dichtung versagt oder die maximale Belastungskapazität der Prüfmaschine bzw. die vom Hersteller festgelegte maximale Flächenpressung erreicht ist. Für jeden Lastzyklus muss die Änderung der Dichtungsdicke in Abhängigkeit von der Flächenpressung aufgezeichnet werden. DIN EN enthält eine Tabelle mit Flächenpressungsstufen für die Be- und Entlastung, von der in begründeten Fällen abgewichen werden darf. Ebenso gibt es eine Tabelle mit empfohlenen erhöhten Temperaturen. Ein hoher Wert für Q smax ist kein Maß für die Qualität einer Dichtung! Forum Flachdichtungen, ISGATEC,

17 Ermittlung von Q smax und E G Die maximale Flächenpressung Q smax ergibt sich z.b. bei einem offensichtlichen Versagen der Dichtung. Alternativ kann der Hersteller eine maximale Flächenpressung angeben. Trifft beides nicht zu, dann wird die maximale Flächenpressung der Prüfmaschine als Q smax angegeben. Stauchweg [mm] Dichtungshöhe [mm] 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0 Stauchweg Dichtungshöhe Flächenpressung Temperatur Flächenpressung [MPa] ,0 0,5 1,0 1,5 2,0 Stauchweg [mm] Q smax Zeit [s] Forum Flachdichtungen, ISGATEC, Flächenpressung [MPa] Temperatur [ C]

18 Ersatz Elastizitätsmodul Der Ersatz-Elastizitätsmodul E G wird für jede Entlastung unterhalbq smax ermittelt. Y Q A diephysikalischeeinheit vone G wird in [ ] bzw. in [MPa] ² angegeben. 1/3 Q A 2/3 Q A Δ eg e QA e QA/3 X Forum Flachdichtungen, ISGATEC,

19 Leckageversuch zur Ermittlung der minimalen Flächenpressung zur Einhaltung der Dichtheitsklasse L bei der Montage Q min(p,l) und im Betrieb Q smin(p,l) Forum Flachdichtungen, ISGATEC,

20 Ermittlung von Q min(l) und Q smin(l) Versuchsdurchführung: Die vermessene Dichtung wird ohne Edelstahlfolien zentrisch in die Prüfmaschine eingelegt und die erste Flächenpressungsstufe angefahren. Der Raum innerhalb der Dichtung wird mit Helium bei einem vorzugebenden Innendruck beaufschlagt. Beim hier beschriebenen Leckageversuch wird die Dichtung dann be- und entlastet um den Betrieb zu simulieren. Bei jeder Flächenpressungsstufe wird die Leckagerate mit der Vakuummethode mittels Helium-Massenspektrometer und/oder mit der Differenzdruckmethode oder der Druckabfallmethode gemessen bzw. bestimmt DIN EN enthält eine Tabelle mit Flächenpressungsstufen für die Be- und Entlastung, von der in begründeten Fällen abgewichen werden darf. Übliche Drückesind10,20,40,80,160bar Die erhaltenen Messdaten werden zur Ermittlung der Kennwerte Q min(l) und Q smin(l) nachdemversuchausgewertet Forum Flachdichtungen, ISGATEC,

21 Ermittlung von Q min(l) und Q smin(l) In der Regel wird der Leckageversuch bei RT durchgeführt, weil das konservativeergebnisse erwarten lässt. Leckagemessungen bei erhöhten Temperaturen sind aber ebenfalls möglich und führen in der Regel zu niedrigeren Leckageraten Stauchweg [mm] Dichtungshöhe [mm] korr. Dichtungshöhe Flächenpressung Temperatur Flächenpressung [MPa] Temperatur [ C] Zeit [s] Forum Flachdichtungen, ISGATEC,

22 Ermittlung von Q min(l) und Q smin(l) Die Kennwerte Q min(l) werden ermittelt als Schnittpunkte der Belastungsfunktion mit den Dichtheitsklassen L 0,1, L 0,01 usw(rote Symbole) Kennwerte Q smin(l) werden ermittelt als Schnittpunkte der Entlastungsfunktionen mit den Klassen L 0,1, L 0,01 usw(grüne Symbole) 1,0E+00 1,0E-01 13,0 p = 40 bar T = 20 C He Leckagerate [mg/m/s] 1,0E-02 1,0E-03 1,0E-04 11,3 15,7 17,8 31,5 29,5 38,9 40,1 61,0 Belastung 97,6 98,7 1,0E-05 Entlastung 108,6 134,2 1,0E Flächenpressung [MPa] Forum Flachdichtungen, ISGATEC,

23 Kriechrelaxationsversuch zur Ermittlung des Kriechrelaxationsfaktors P QR(K,QI,T) und der zusätzlichen Dickenänderung Δe Gc(K,QI,T) Forum Flachdichtungen, ISGATEC,

24 Ermittlung von P QR und Δe Gc Versuchsdurchführung: Es handelt sich um einen Kriechrelaxatiosversuch, der bei RT oder erhöhter Temperatur durchgeführt wird Die vermessene Dichtung wird ggf. zwischen Edelstahlfolien zentrisch in die Prüfmaschine eingelegt Die Flächenpressung wird auf den Wert Q I erhöht und 5 Minuten gehalten und anschließenddiedichtungsdickee I festgehalten Anschließend wird die Simulation der Steifigkeit aktiviert. D.h. bei einer Dickenabnahme der Dichtung wird nach einer einfachen Federkennlinie die Prüfkraft reduziert. Gleichzeitig beginnt ggf. der Aufheizvorgang Nach 4 h wird die Restpressung Q R und die Restdichtungsdicke e R festgehalten Um das komplette Feld an Kennwerten zu bestimmen, sind jeweils doppelte Prüfungen bei 3 Temperaturen, 3 Anfangspressungen und 3 Steifigkeiten durchzuführen, d.h. 54 Einzelprüfungen! Forum Flachdichtungen, ISGATEC,

25 Ermittlung von P QR und Δe Gc Die Prüfmaschine simuliert dabei eine bestimmte Steifigkeit K. Typisch sind Steifigkeiten von 500, 1000 oder 1500 kn/mm für Dichtungen der Abmessung DN40 / PN40. Für andere Abmessungen muss man eine entsprechende Steifigkeit berechnen. Stauchweg [mm] Dichtungshöhe [mm] 2,0 1,8 1,6 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0, Zeit [s] Stauchweg Dichtungshöhe Flächenpressung Temperatur Flächenpressung [MPa] Temperatur [ C] Forum Flachdichtungen, ISGATEC,

26 Ermittlung von P QR und Δe Gc Der Kriechrelaxationskoeffizient ergibt sich als P QR = Q R / Q I Von wenigen Ausnahmen abgesehen liegt der Wert von P QR zwischen 0 und 1. Die zusätzliche Dickenänderung ergibt sich als Δe Gc = e I -e R 35 Flächenpressung [MPa] Q I Q R 0 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 Verformung [mm] Forum Flachdichtungen, ISGATEC,

27 Reibversuch zur Ermittlung des Haftreibungskoeffizienten μ G Forum Flachdichtungen, ISGATEC,

28 Ermittlung von μ G Zur Ermittlung von μ G steht in DIN EN 13555: In Anhang H wird ein Prüfverfahren für den Haftreibungskoeffizienten vorgeschlagen. ANMERKUNG: Es ist geplant, dieses Verfahren zu beurteilen und erforderlichenfalls weiterzuentwickeln, bevor ein Verfahren für die Ermittlung bei der nächsten Überarbeitung der vorliegenden Norm in diese aufgenommen wird. Als Vorgehensweise ist im Anhang H folgendes zu lesen: Aufbringen der Anfangs-Flächenpressung auf die Dichtung (z. B. 20 MPa) Aufbringen einer für die jeweilige Dichtungsart angemessenen Prüftemperatur Halten der Temperatur und der Flächenpressung auf die Dichtung für 4 h Verringerung der Flächenpressung der Dichtung auf die erforderliche Mindest-Flächenpressung auf der Dichtung Q smin(l) (z. B. 5 MPa) Forum Flachdichtungen, ISGATEC,

29 Ermittlung von μ G Anwendung der hydraulischen Spannvorrichtung zur Erzeugung einer Radialkraft, die die Zwischenplatte gerade so in Bewegung versetzt(radiale Ausbruchkraft) der Haftreibungskoeffizient ist wie folgt zu ermitteln: μ G = (F RadialerAusbruch ) / (2 F Ax ) Forum Flachdichtungen, ISGATEC,

30 Ermittlung von α G Ermittlung des Temperaturausdehnungskoeffizienten α G(T,QI) Für Dichtungen aus Normwerkstoffen wie z. B. Metallen, können die erforderlichen Daten den Werkstoffdatenblättern entnommen werden. Die meisten Dichtungen sind jedoch nicht nur aus Metall hergestellt, deshalb müssen die entsprechenden Koeffizienten bestimmt werden. Für diese Dichtungen gibt es zurzeit kein Verfahren für die Messung dieses Kennwertes bei Stauchung. Hier wird die Verwendung des Temperaturausdehnungskoeffizienten für das Metall, aus dem der Flansch besteht, empfohlen. Forum Flachdichtungen, ISGATEC,

31 Zusammenfassung Es wurdendie Zusammenhängeaus der TALuft, denvdi Richtlinien2440, 2200 und 2290 erläutert Daraus ergibt sich die Notwendigkeit des Hochwertigkeitsnachweises Hochwertige Dichtverbindungen müssen nach DIN EN oder mithilfe der FE-Methode berechnet werden Dafür sind spezielle Kennwerte nötig Es wurde gezeigt, wie diese Kennwerte ermittelt werden Es wurde darauf hingewiesen, dass für den Haftreibungskoeffizienten μ G unddenaxialentemperaturausdehnungskoeffizientenα G derzeitnochkeine festen Vorschriften existieren Forum Flachdichtungen, ISGATEC,

32 Ausblick DieTALuftwirdgeraderevidiertundwirdimJahr2017neuherauskommen Die DIN EN 1591 und wurden im Jahr 2014 revidiert und werden sicher weiter angepasst Für die Bestimmung des Haftreibungskoeffizienten hat die Firma Amtec bereits eine Zusatzapparatur entwickelt. Man kann davon ausgehen, dass in der nächsten Neufassung der DIN EN genügend Erfahrungen vorliegen, um ein verbindliches Verfahren vorzuschreiben Forum Flachdichtungen, ISGATEC,

33 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit haben Sie Fragen.!? Dipl.-Ing. Rolf Hahn Materialprüfungsanstalt Universität Stuttgart Abteilung Werkstoffeigenschaften Team Werkstoffe für extreme Bedingungen Forum Flachdichtungen, ISGATEC,