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1 Technische Information FEM-Analyse einer Flanschverbindung DN100 PN40 mit Kammprofildichtung mit Grafitauflagen im Vergleich zur Berechnung nach DIN EN , Ausgabe 2011 und Ziel der FEM-Analyse Durch die FEM-Analyse sollen die in den Berechnungen gemäss DIN EN , Ausgaben und , ermittelten Flächenpressungen der Dichtungen und Schraubenkräfte überprüft werden. 2. Einleitung Bei den analytischen Flanschberechnungen gemäss DIN EN : und DIN EN : werden unter anderem die mittleren Flächenpressungen der Kammprofildichtungen ermittelt. Zum Vergleich wurde die Flanschverbindung mit der numerischen FEM-Analyse- flangevalid in ANSYS Mechanical geprüft. Um Vergleichbarkeit der Ergebnisse zu haben, wurden die gleichen Werte für die Vorspannkraft der Schrauben gemäss DIN EN : , als auch gemäß DIN EN : auch für die FEM-Analyse berücksichtigt. Das Setzverhalten der Kammprofildichtung gemäss DIN EN wurde berücksichtigt. 3. Lastfälle Als Lastfälle wurde die Montagevorspannung der Schrauben, unter Einhaltung der maximalen Vorspannkraft, gemäss der Berechnung nach DIN EN : für den Schraubenwerkstoff gewählt. Diese entspricht 72% Auslastung der Streckgrenze R p0,2 ( N). Die Berechnung nach DIN EN : ergibt 81% bei Auslastung der Streckgrenze R p0,2 ( N). Errechnete Schraubenvorspannkräfte nach DIN EN Schraubenkraft Schraubenauslastung Abweichung Regelwerk / Berechnung N % % DIN EN : DIN EN : ,5 St-Nr. 57/200/18618 Seite 1 von 13

2 Anschliessend wurde der Designdruck von 25 bar (2,5 MPa) appliziert. Als zusätzliche Betriebslasten werden Axialkräfte von FZ = N sowie ein Biegemoment von MX = Nm) aufgebracht. Zur Vollständigkeit wurde im ersten Schritt eine stationäre Temperaturberechnung mit folgenden Annahmen Flanschverbindung ist nicht isoliert Außentemperatur beträgt 20 C Temperaturanstieg innen von 20 C auf 180 C freie Konvektion durchgeführt. 4. Materialien Die verwendeten Materialien sind Vorschweißflansche DN100 PN40 nach DIN EN aus Kopfschrauben nach DIN EN ISO 4017 und Muttern DIN EN ISO 4032 der Festigkeitsklasse A4-70 nach DIN EN ISO für die Schrauben und DIN EN ISO für die Muttern St-Nr. 57/200/18618 Seite 2 von 13

3 Kammprofildichtung aus Kammprofil 4 mm mit Graphitauflagen 0,5 mm. Die Dichtung wird als Kreisringfläche modelliert, unter Berücksichtigung der nichtlinearen Dichtungseigenschaften gemäss DIN EN Geometrieimport Die Flanschverbindung wurde mit dem flangevalid System Designer modelliert, in den ANSYS Design Modeler importiert und anschliessend in ANSYS Mechanical eingelesen. Bild 1: Geometrieimport der gesamten Flanschverbindung, flangevalid System Designer in ANSYS Design Modeler St-Nr. 57/200/18618 Seite 3 von 13

4 Bild 2: Vernetzung der Kammprofildichtung Bild 3: Vernetzung der gesamten Flanschverbindung St-Nr. 57/200/18618 Seite 4 von 13

5 Bild 4.1: Mechanisches Modell der gesamten Flanschverbindung mit Bedingungen nach DIN EN : , Schraubenlast im Montagefall N. Bild 4.2: Mechanisches Modell der gesamten Flanschverbindung mit Bedingungen nach DIN EN : , Schraubenlast im Montagefall N. N. St-Nr. 57/200/18618 Seite 5 von 13

6 6. Berechnungsergebnisse Bild 5.1: Max. Vergleichsspannung an der gesamten Flanschverbindung mit Werten nach DIN EN : Bild 5.2: Max. Vergleichsspannung an der gesamten Flanschverbindung mit Werten nach DIN EN : St-Nr. 57/200/18618 Seite 6 von 13

7 Bild 6.1: Max. Vergleichsspannung an den Schrauben mit Werten nach DIN EN : Bild 6.2: Max. Vergleichsspannung an den Schrauben mit Werten nach DIN EN : St-Nr. 57/200/18618 Seite 7 von 13

8 Bild 7.1: Flächenpressung der Kammprofildichtung, mit Werten nach DIN EN : , min. 34,13 MPa - max. 109,65 MPa Bild 7.1: Flächenpressung der Kammprofildichtung, mit Werten nach DIN EN : , min. 34,68 MPa - max. 127,22 MPa St-Nr. 57/200/18618 Seite 8 von 13

9 Bild 8.1: Setzverhalten der Kammprofildichtung nach Montage, mit Werten DIN EN : , min. 0,41mm am Innenrand, max. 0,51mm am Außenrand Bild 8.2: Setzverhalten der Kammprofildichtung nach Montage, mit Werten nach DIN EN : , min. 0,41mm am Innenrand, max. 0,52 mm am Außenrand St-Nr. 57/200/18618 Seite 9 von 13

10 Bild 9: Anstieg der Schraubenkraft (Arbeitslast), mit Werten DIN EN : , vom Montagezustand zum Betriebszustand, (von N auf N) Anstieg der Schraubenkraft (Arbeitslast), mit Werten DIN EN : , vom Montagezustand zum Betriebszustand, (von N auf N) Bild 10: Reale Temperaturverteilung bei unisoliertem Flansch und Anfangstemperatur von 20 C auf 180 C St-Nr. 57/200/18618 Seite 10 von 13

11 6. Zusammenfassung Die konventionelle analytische Berechnung nach DIN EN : , weicht erheblich von der numerischen Berechnung nach der FEM ab. Als mittlere Flächenpressung für den Betrieb der Kammprofildichtung gemäss DIN EN : wurden 12,91 MPa ermittelt. Die in der FEM-Analyse errechnete Flächenpressungen, Bild 7 variiert von mindestens 34,13 MPa am Innenrand der Dichtung bis zu 109,65 MPa am Außenrand der Dichtung. Durch einfache Interpolation ergibt sich eine mittlere Flächenpressung von 71,84 MPa. Siehe Bild 7.1, Tab.1. Tab.1: Flächenpressungen nach FEM im Vergleich zur Berechnung nach DIN EN : Flächenpressung Abweichung von FEM Regelwerk / Berechnung MPa Faktor % DIN EN : mittel 12,91 5, FEM min. 34,13 / max. 109,65 min. 2,64 / max mittel 71, Als mittlere Flächenpressung für den Betrieb der Kammprofildichtung gemäss DIN EN : wurden 39,73 MPa ermittelt. Die in der FEM-Analyse errechnete Flächenpressungen, Bild 7 variiert von mindestens 34,68 MPa am Innenrand der Dichtung bis zu 127,22 MPa am Außenrand der Dichtung. Durch einfache Interpolation ergibt sich eine mittlere Flächenpressung von 80,95 MPa. Siehe Bild 7.2, Tab.2, Tab.2: Flächenpressungen nach FEM im Vergleich zur Berechnung nach DIN EN : Flächenpressung Abweichung von FEM Regelwerk / Berechnung MPa Faktor % DIN EN : mittel 39,73 2, FEM min. 34,68 / max. 127,22 min. 0,77 / max. 3,20 mittel 80, In Bild 8.1 und Bild 8.2 ist das Setzverhalten der Kammprofildichtung bei der Montage, mit Werten nach DIN EN : bzw. DIN EN : , dargestellt. Am Innenrand wird die Dichtung bei der Montage, auf jeder Dichtungsseite, um 0,41 mm und am Außenrand 0,51 bzw 0,52 mm gepresst. Dies entspricht einem Dickenunterschied vom Innen- zum Außenrand von ca. 0,1 bzw. 0,11 mm. Der Anstieg der Betriebsschraubenkraft (Arbeitslast), mit Werten nach DIN EN : bzw. DIN EN : , vom Montagezustand zum Betriebszustand wird in Bild 9.1 und 9.2 dargestellt. Sie variiert von bzw N bis zu bzw, N, d.h. der mittlere Anstieg der Schraubenkraft beträgt 11,2 bzw. 9,4% (Tab.3). St-Nr. 57/200/18618 Seite 11 von 13

12 Tab.3: Anstieg der Betriebsschraubenkraft (Arbeitslast) nach den Berechnungen mit der DIN EN und nach FEM mit den Werten aus den Berechnungen nach DIN EN Montage Betrieb Differenz Regelwerk / Berechnung N N % DIN EN : DIN EN : ,6 FEM Werte DIN EN : FEM Werte DIN EN : , ,4 Differenz in % 13,1 11,2 19 Die Werte für die Betriebsschraubenkräfte nach der DIN EN : weichen um das 3,5-fache von den Werten der DIN EN : ab. Die reale Temperaturverteilung am unisoliertem Flansch bei einer Anfangstemperatur von 20 C auf 180 C ist in Bild 10 dargestellt. Die Einflüsse der Temperatur über die unterschiedliche Verteilung, wird in den analytischen Berechnungen nach DIN EN in den Versionen und nicht beachtet. 7. Bewertung Die Werte, für den Anstieg der Schraubenkräfte im Betriebsfall, zwischen DIN EN : und DIN EN : weichen deutlich voneinander ab (Abschnitt 6. Tab.3). Die Abweichung der Flächenpressungen auf der Kammprofildichtung, im Betriebsfall, bei gleichen Eingangsparametern, ist bei der analytischen Berechnung nach DIN EN : um 556% niedriger als bei der numerischen FEM-Analyse. Nach der DIN EN : sind es immerhin noch 204% (Abschnitt 6, Tab. 1 und 2). Tab.1: Unterschied der errechneten Flächenpressungen nach DIN EN Flächenpressung Abweichung Regelwerk / Berechnung MPa Faktor % DIN EN : , DIN EN : ,73 3, Die Differenzen der analytischen und numerischen Berechnungsarten, besonders auch die Abweichungen zwischen den analytischen Berechnungen nach DIN EN sind so groß (Tab.1), dass unbedingt weitere Untersuchungen zur Überprüfung einer sinnvollen Anwendung der DIN EN : , bzw. DIN EN : gemacht werden müssen. St-Nr. 57/200/18618 Seite 12 von 13

13 Mehr zu Schrauben, Flanschen, Dichtungen und Dichtsystemen und deren Montage finden Sie in dem von uns herausgegebenen Dichtungsvademecum (ISBN-13: , PP Publico Publications, in der lizensierten Übersetzung der ASME PCC zur Montage von genormten Stahlflanschverbindungen (ISBN-13: , PP Publico Publications, und in unserem Handbuch Technische Informationen für Dichtverbindungen ( Unser neustes Buch 10 Schritte zur optimalen, auf Dauer technisch dichten Dichtverbindung (ISBN-13: ) ist beim Verlag PP Publico Publications herausgekommen. Weitere interessante Informationen zu verschiedenen Themen finden Sie auf der Homepage Zur technischen Beratung stehe ich Ihnen selbstverständlich gerne auch kurzfristig persönlich zur Verfügung. Mit freundlichen Grüßen aus Bremen Dipl.-Ing. Gerd Lannewehr Haftungsausschluss: Die Inhalte der Regeln sind zum Teil zitiert, zum Teil in den Worten der Regeln wiedergegeben, die Anmerkungen und Auslegungen beruhen auf langjähriger Erfahrung, dienen der Entscheidungshilfe und begründen keinen Anspruch auf Gewährleistung. Dipl.-Ing. Gerd Lannewehr, Peter Thomsen / flangevalid Stand St-Nr. 57/200/18618 Seite 13 von 13