AiF-DECHEMA-Forschungsvorhaben Nr. 1829 N Auslegung von Flanschverbindungen aus glasfaserverstärktem Kunststoff (GFK) für die chemische Industrie Laufzeit: 1. Dezember 28-3. November 21 Bisher erzielte Ergebnisse (Stand 31.12.29) AP1 FE-Simulation, Herstellung und Prüfung von Losflanschverbindungen abweichend von DN /PN 16 und DN 1/PN 6, Prüfung anderer SMC-Werkstoffe Stauchversuche an Losflanschen und Bunden Wichtig für die Auslegung von Flanschverbindungen ist die Kenntnis des mechanischen Verhaltens, das die globalen Verformungen einer Flanschverbindung bestimmt. Im Vorgängerprojekt wurde ein Prüfaufbau entwickelt, mit dem sich die mechanischen Kennwerte von Losflanschen aus GFK im Stauchversuch ermitteln lassen (s. Abb. 1). Zur Prüfung der Bunde wurde eine so genannte Verkippungseinrichtung konstruiert (s. Abb. 2). Auf einer ebenen Grundplatte sind Nuten in Form eines 16-Ecks ausgefräst, in die gehärtete Stifte eingelegt werden. Darüber werden entsprechend viele Metallsegmente platziert. Mit diesen Aufbauten ist es möglich, die maximale Tragfähigkeit zu bestimmen und somit die zulässigen Gesamtschraubenkräfte sowie die Steifigkeiten zu ermitteln, die direkt zur Auslegung der Flanschverbindung nach DIN EN 191-1, AD Merkblatt sowie KTA 3211.2 verwendet werden können. Die Versuche wurden in einer Prüfpresse bei Raumtemperatur und 8 C mit jeweils fünf Losflanschen und Bunden der Firma Neßler der Nennweiten DN 6, DN 1 und DN 2 durchgeführt. Um die unterschiedlichen Nennweiten miteinander vergleichen zu können, wurde die Prüflast auf die verpresste Fläche einer Dichtung mit Normabmessungen bezogen. In Abb. 3 sind die gemittelten maximal ertragbaren Flächenpressungen der Losflanschprüfung über den jeweiligen Nennweiten aufgetragen, außerdem die entsprechenden Bruchlasten in Klammern. Zur Abschätzung der Streuung wurden Fehlerbalken eingefügt. Gut zu erkennen ist die deutlich verminderte Festigkeit bei 8 C und die damit verbundene reduzierte maximal erreichbare Flächenpressung im Vergleich zu RT. Außerdem ist ersichtlich, dass der Losflansch DN 1 mit 36 MPa die größte maximal erreichbare Flächenpressung zum Zeitpunkt des Versagens aufweist. Bei 8 C nähern sich die Flächenpressungen aneinander an. Sie liegen hier im Bereich von 21-24 MPa. Prüfpresse Metalllosflansch Bund Segmente Abb. 1: Schematischer Prüfaufbau für Losflansche Abb. 2: Verkippungseinrichtung zur Prüfung der Bunde 1
In Abb. 4 sind die Ergebnisse der Bundprüfung dargestellt. Im Gegensatz zur Losflanschprüfung erträgt der Bund mit der Nennweite DN 6 die größte maximale Flächenpressung. Mit zunehmender Nennweite sinkt die maximale ertragbare Flächenpressung. Tendenziell zeigt sich, dass bei Losflanschverbindungen kleiner Nennweiten der Losflansch das festigkeitsmäßig begrenzende Bauteil darstellt. 4 4 3 36 (33kN) 3 2 2 1 26 21 (184kN) (147kN) 24 (219kN) 32 (74kN) 23 (16kN) RT 8 C 1 DN6 DN1 DN2 Abb. 3: Maximal ertragbare Flächenpressungen und zugehörige Bruchlasten für RT und 8 C (Losflanschprüfung) 7 6 6(419 kn) 4 3 2 47 (326 kn) 4 (1kN) 43 (394kN) 37(816 kn) 32 (699 kn) RT 8 C 1 DN6 DN1 DN2 Abb. 4: Maximal ertragbare Flächenpressungen und zugehörige Bruchlasten für RT und 8 C (Bundprüfung) Bauteilversuche und Prüfungen im GFK-Flanschprüfstand 2
Für die Untersuchung des Verformungsverhaltens und der Kriechrelaxation von Losflanschverbindungen anderer Nennweiten als DN unter Temperatur und Innendruck, sind in diesem Arbeitspaket außerdem sogenannte Bauteilversuche vorgesehen. Hierbei wird die Schraubenkraftrelaxation einer komplett verspannten Verbindung gemessen. Es wurden bereits Bauteilversuche ohne Innendruck mit den Nennweiten DN, DN 6 und DN 1 mit kraftkalibrierten Messschrauben durchgeführt. Dabei hat sich allerdings gezeigt, dass es für höhere Genauigkeit der gemessenen Schraubenkräfte sinnvoller ist, den Verlauf der Schraubenkraftrelaxation mit auf den Schrauben applizierten Dehnungsmessstreifen kontinuierlich zu messen. Die Ergebnisse aus diesen Versuchen werden erst im Abschlussbericht veröffentlicht. Für die Untersuchung der Losflansche anderer Hersteller und SMC Werkstoffe wurden von der Firma Kurotec verschiedene Losflansche und Bunde sowie Festflansche der Nennweite DN geliefert. Diese können im Prüfstand geprüft werden, s. Abb. (verspannte Losflanschverbindung mit einem PP-Bundstutzen in gepresster Form mit einer PTFE-Dichtung). PP Bundstutzen/PTFE Dichtung/Losflansch Kurotec 4 4 1 9 Kraft / kn 3 8 3 7 6 2 2 4 1 3 1 2 Gesamtschraubenkraft Temperatur 1 1 2 3 4 6 Zeit / h Temperatur / C Abb. : Losflanschverbindung im Prüfstand (links), rechts der zugehörige Schraubenkraftverlauf Es zeigt sich, dass der Schraubenkraftverlust innerhalb der ersten 24h am größten ist. Außerdem ist zu erkennen, dass während des ersten Verspannens die Schraubenkraft auf etwa 7 kn abfällt, was einer Restflächenpressung von etwa 1,3 MPa entspricht. Bezüglich Dichtheit und Ausblasen der Dichtung stellt dieser Wert einen kritischen Zustand dar. Bei der hier verwendeten Dichtung darf die Flächenpressung 2, MPa nicht unterschritten werden. Beim zweiten Verspannen ist die Schraubenkraftrelaxation nicht mehr so groß, allerdings fällt auch hier die Schraubenkraft über dem Prüfungszeitraum soweit ab, dass das TA Luft-Kriterium knapp überschritten wird (unter Berücksichtung der Entlastung der Dichtung bei Innendruck darf die Kraft nicht unter 18 kn fallen). Aktuell werden im Prüfstand handlaminierte sowie gepresste Festflansche geprüft. Als nächster Schritt ist eine Verschiebungsmessung mit Hilfe des optischen Messsystems Aramis geplant, um die entstehenden Verformungen an der Oberfläche eines Festflansches während des Verspannens sowie nach einem Temperaturzyklus zu erfassen. AP2 Untersuchung der Eigenschaften von Chemieschutzschichten und deren Einbindung in die Berechnungsvorschrift 3
Messtechnische Untersuchung der Auswirkung der Chemieschutzschicht auf die Dichtungspressung, Schraubenkraftrelaxation und das Dichtungsverhalten In diesem Arbeitspaket wurde der Einfluss des Inliner auf die Schraubenkraftrelaxation, die Dichtheit und Steifigkeit der Verbindung untersucht. Hierzu wurden drei gängige Schutzschichten, ein PVC-, ein PP- sowie ein Harzinliner der Nennweite DN von den Stutzen entfernt und in Form einer Dichtung nach DIN EN 13 geprüft. Durchgeführt wurde ein Stauchversuch, ein Kriechrelaxationsversuch sowie ein Leckageversuch bei RT und 8 C. Es wurden im Vergleich zur üblichen Dichtungsprüfung beim Leckageversuch niedrige Flächenpressungsstufen (-2MPa) gewählt. In Abb. 6 sind die Ergebnisse des Leckageversuchs (Leckagerate über der Dichtungsflächenpressung) sowie des Kriechrelaxationsversuchs (Flächenpressung über der Zeit) dargestellt. 1.E-2 Leckagerate [mbar*l/(s*m)] 1.E-3 1.E-4 TA Luft-Kriterium bei 16 bar: 1,6 E-3 mbar*l/(s*m) 1.E- eptfe-dichtung Harzinliner PP-Inliner PVC-Inliner 1.E-6 7, 1 1 2 2 9 PQR-DIN EN 13 PQR-RT 9 8 8 7 7 6 4 3 2 PVC PP Harz Temperatur 6 4 3 2 Temperatur [C ] 1 1 1 1 2 2 3 3 4 Zeit [s] Abb. 6: Leckagediagramm der Chemieschutzschichten (oben); Ergebnis des Kriechrelaxationsversuchs (unten) Es ist gut ersichtlich, dass die Leckagerate für alle Inliner unterhalb des geforderten TA Luft- Kriteriums 1,6*1-3 mbarl/sm für 16 bar liegt. Somit ist die Leckagerate durch alle untersuchten Inliner vernachlässigbar klein (im Diagramm zum Vergleich ebenfalls dargestellt das Leckageverhalten der PTFE-Dichtung der Firma IDT, die für alle im Projekt durchgeführten Versuche verwendet wurde). 4
Um den Einfluss des Kriechverhaltens der Inliner auf die sich im Betrieb einstellenden Schraubenkräfte zu untersuchen, wurden die drei Inlinermaterialien mit 7, MPa Anfangsflächenpressung bei 8 C und einer simulierten Gesamtsteifigkeit von kn/mm (entspricht einer berechneten Steifigkeit für eine Flanschverbindung der Nennweite DN ) verpresst und nach 4 h (gestrichelte Markierung im Diagramm PQR-DIN EN 13 ) Haltezeit die verbliebene Restpressung ermittelt. Gut zu erkennen ist, dass der PVC-Inliner den steilsten Pressungsverlauf zeigt und mit knapp 8% Verlust am Ende der Haltezeit nur noch 1,7 MPa Restpressung aufweist. Die Flächenpressung beim Harzinliner dagegen sinkt nur wenig. Das PP- Inlinermaterial weist nach 4h Haltezeit noch eine Pressung von knapp 6 MPa auf. Außerdem gut zu erkennen ist ein weiterer Rückgang der Flächenpressung für PVC und PP während des Abkühlens auf RT(gestrichelte Markierung PQR-RT ), was darauf zurückzuführen ist, dass sich das Material zusammenzieht. Anhand der Ergebnisse lässt sich sagen, dass das Inlinermaterial einen Einfluss auf das Relaxationsverhalten in einer Flanschverbindung hat, im Fall des geprüften PVC sogar einen recht deutlichen. Ansprechpartner: Dr.-Ing. Hans Kockelmann Tel.: 711/68-6278 Fax: 711/68-6391