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Flanschkupplung
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gesetzt wird, die Arbeitsbelastungen nicht aufzunehmen und können daher einen wesentlich kleineren
Durchmesser als die Zugbolzen der bekannten Flanschkupplungskonstruktionen aufweisen, wobei gleich- zeitig auch die Flanschen selbst entsprechend kleiner ausgebildet werden können. Das hat den Vorteil, dass die Kupplung ein geringeres Gewicht, einen geringeren Platzbedarf und auch verringerte Herstellung- kosten erfordert. Die Kupplungsringsegmente stehen mit den Flanschnuten in einem einen kleineren Ra- dialabstand von der Behälterachse aufweisenden Bereich in Eingriff als der Radius des Bolzenkreises aus- macht, { so dass die Flanschen im Vergleich mit den bisher üblichen Flanschkupplungen nur mehr verrin- gerten Biegekräften ausgesetzt sind.
Die Kupplungsringsegmente füllen in ihrer Gesamtheit die durch die beiden Flanschausnehmungen gebildete Vertiefung völlig aus und bilden so mit den Flanschen einen kompakten Block.
Gemäss einer zur Deckelbefestigung an Druckbehältern dienenden Ausgestaltung der erfindungsgemässen Flanschkupplung ist der mit Hilfe des Kupplungsringes und der Bolzen am Behälterflansch befestigbare Flansch als Überwurfring ausgebildet, der in Radialrichtung bis über die Innenwand der Behälteröffnung reicht, mit seinem einragenden ringförmigen Teil mit dem Deckel in Eingriff steht und mit ihm über Bolzen od. dgl. verbunden ist, wobei zwischen den überstehenden Ringteil, den Deckel und die Innenwand der Behälteröffnung eine : ringförmige Dichtung eingelegt ist.
Bei dieser Ausführung ist somit die Dichtung nicht zwischen den durch die Kupplungsringsegmente zusammengehaltenen Flanschen, sondern zwischen dem Deckel und dem Überwurfring angeordnet und wird zwischen diesen Teilen unter dem auf den Deckel wirkenden Druck des Behälterinneren zusammgengedrückt.
Gemäss der Erfindung wird ein Verfahren für den Zusammenbau der Flanschkupplung vorgeschlagen, das äusserst einfach ist und sich im wesentlichen dadurch auszeichnet, dass die beiden Flanschen zunächst mit Hilfe der Zugbolzen bei entfernten Kupplungsringsegmenten verspannt werden, bis die Dichtung die für eine hinreichende Abdichtung erforderliche Axialpressung aufweist, wonach jeweils so viele nebeneinanderliegende Bolzen entfernt werden, als ein Ringsegment Bolzenöffnungen besitzt, in die entstehende Öffnung ein Ringsegment eingeführt und in jene Stellung gebracht wird, in der es in die Ringnuten der Flanschausnehmungen eingreift und sein Bolzenloch bzw. seine Bolzenlöcher mit den entsprechenden Flanschlöchern fluchten, die Bolzen wieder eingeführt und angezogen werden und dieser Vorgang wiederholt wird, bis alle Kupplungsringsegmente in der Vertiefung montiert sind.
Im allgemeinen wird jedes Kupplungsringsegment nur ein einziges Bolzenloch aufweisen, so dass jeweils nur ein Bolzen entfernt werden muss und die verbleibenden Bolzen den Dichtungsring leicht in der zusammengedrückten Stellung festhalten können. Die Bolzen müssen aus allen diesen Gründen nur so stark gewählt werden, dass mit ihrer Hilfe ein Zusammenziehen der Flanschen und ein Zusammendrücken der Dichtung bei unbelastetem Behälter möglich ist, während nach dem Zusammenbau die vom Betriebsdruck im Behälter hervorgerufenen
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Sicherungen für die Kupplung darstellen.
Weitere Einzelheiten der erfindungsgemässen Flanschkupplung sowie deren Vorteile gehen aus der nachfolgenden Zeichnungsbeschreibung hervor.
In der Zeichnung ist der Erfindungsgegenstand in verschiedenen Ausführungsbeispielen veranschaulicht.
Es zeigt Fig. 1 eine zur Verbindung zweier Rohrteile verwendbare Flanschkupplung als Teildarstellung im Axialschnitt, Fig. 2 einen Schnitt nach der Linie lI-lI der Fig. 1 durch die gesamte Kupplung in kleinerem Massstab, Fig. 3 veranschaulicht den Zusammenbau einer Kupplung nach den Fig. 1 und 2, Fig. 4 eine teilweise im Schnitt nach der Linie IV-IV der Fig. 3 dargestellte Ansicht zu Fig. 3, Fig. 5,6 und 7 schematisch drei verschiedene Dichtungsanordnungen für eine Flanschkupplung nach Fig. 1, Fig. 8 eine zur Befestigung einer Abdeckung auf einem Druckbehälter dienende Flanschkupplung im Schnitt und Fig. 9 ähnlich wie Fig. 8 eine ebenfalls zur Befestigung eines Deckels auf einem Druckbehälter dienende Flanschkupplung im Schnitt.
Die Flanschkupplung nach den Fig. 1 und 2 dient zur Verbindung zweier Rohrstücke 1 und 2 einer Rohrleitung od. dgl., wobei jedes Rohrstück einen in bekannter Weise angeschweissten Flansch 3 bzw. 4 aufweist. Jeder der beiden Flanschen 3 und 4 besitzt eine ringförmige Ausnehmung, die von einer ebenen Seitenwand 5 bzw. 6, die senkrecht zur Rohrachse steht, begrenzt wird, wobei sich die Ausnehmung vom Aussenumfang des Flansches radial nach innen bis zu einer im Abstand von der Rohrinnenwand liegenden Stelle erstreckt, wo die Ausnehmung durch eine zylindrische Bodenwand begrenzt wird. Die Ausnehmung ist überdies von der Endstirnfläche her des Flansches offen und die Bodenwand erstreckt sich über einen gewissen Bereich über diese Stirnfläche hinaus nach innen.
Die zylindrische Bodenwand der Ausnehmung ist mit einer Ringnut 7 bzw. 8 mit rechteckigem Querschnitt versehen, die neben der Wand 5 bzw. 6 ange-
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ordnet ist, so dass diese Wand und die innere Seitenwand der Nut in der gleichen Radialebene liegen. Die
Bodenwand der Ausnehmung bildet somit neben der Nut 7 bzw. 8 einen ringförmigen Vorsprung 9 bzw. 10 des Flansches.
Die beiden Flanschen und ihre Ausnehmungen sind spiegelbildlich gleich ausgebildet.
Werden gemäss Fig. 1 die beiden Flanschen fluchtend aneinandergelegt, dann bilden die beiden zwischen den Seitenwänden 5 und 6 eingeschlossenen Ausnehmungen miteinander eine einzige ringförmige Vertiefung mit im wesentlichen U-förmiger Querschnittsform, die gegen die Aussenumfangsfläche des Flansches offen ist, wobei die Flanschen mit den verbleibenden Teilen 11 ihrer Endflächen aneinanderstossen. Diese End- flächen sind mit gegenüberliegenden Ringnuten versehen, in denen ein deformierbarer Dichtungsring 12 untergebracht ist. Die Flanschen 3 und 4 besitzen fluchtende, sich in Axialrichtung erstreckende Bolzen- löcher 13, die auf einem Kreisbogen angeordnet sind und sich in die Vertiefung zwischen den Flanschen öffnen.
Durch die fluchtenden Löcher erstrecken sich Schraubenbolzen 14, die Muttern 14'tragen.
In der zwischen den Seitenwänden 5 und 6 eingeschlossenen Vertiefung ist ein aus einer Vielzahl von
Ringsegmenten 15 bestehender, unterteilter Kupplungsring angeordnet, dessen Segmente innen radial nach innen gerichtete Rippen 16 aufweisen. Die Ringsegmente haben einen dem Vertiefungsquerschnitt ähnlichen
U-förmigen Querschnitt, so dass dann, wenn der Dichtungsring 12 zwischen den Stirnflächen 11 der beiden
Flanschen hinreichend zusammengedrückt ist, die Ringrippen 16 der Kupplungsringsegmente 15 passend in die Nuten 7 und 8 eingreifen können, wobei die Vorsprünge 9 und 10 die Flanschen umschliessen, mit ihrem Körper passend zwischen die Seitenwände 5 und 6 eingreifen und die Vertiefung bis zum Aussenumfang des Flansches ausfüllen.
Die Kupplungsringsegmente 15 sind mit Löchern 17 versehen, die mit den Löchern
13 der Flanschen fluchten und durch die die Zugbolzen 14 hindurchgreifen. Bei der Ausführung nach den
Fig. 1 und 2 weist jedes der Ringsegmente 15 ein einziges Bolzenloch auf und es sind acht Ringsegmente mit je einem Bolzenloch vorgesehen, die miteinander einen geschlossenen Kupplungsring bilden. Obwohl diese Ausführung bevorzugt wird, ist es doch möglich, den Kupplungsring in eine kleinere Anzahl von sich dann jeweils über einen grösseren Winkelbereich erstreckende Segmente zu unterteilen, wobei dann z. B. jedes Segment zwei Bolzenlöcher aufweist. Im allgemeinen sind jedoch zumindest drei Segmente notwendig, um einen leichten Zusammenbau der Flanschkupplung zu ermöglichen, wie dies im folgenden noch näher erläutert werden wird.
Beim Zusammenbau der Flanschkupplung nach den Fig. 1 und 2 kann wie folgt vorgegangen werden :
Zunächst werden die beiden zu verbindenden Flansche fluchtend mit in die Nuten eingelegter Dichtung und zusammenstossenden Endflächen 11, aber ohne Ringsegmente 15 zusammengesetzt. Die Bolzen 14 werden durch die Löcher 13 gesteckt und die Muttern 14'angezogen, um so die Endflächen der Flanschen fest gegeneinander zu ziehen und den Dichtungsring genügend zusammenzudrücken, sowie eine ausreichende Abdichtung bei den hohen Drücken, denen die Rohrleitung beim Betrieb ausgesetzt wird, zu gewährleisten.
Anschliessend wird einer der Bolzen 14 entfernt und durch die so erhaltene Öffnung ein Kupplungsringsegment 15 in Radialrichtung in die Vertiefung zwischen den beiden Flanschen eingeführt und im folgenden eingedrückt, bis seine Rippen 16 in die Nuten. 7 und 8 eingreifen und, wie in Fig. 1 dargestellt, die Vorsprünge 9 und 10 der Flanschen gegeneinander klemmen. Dann wird der vorher entfernte Bolzen 14 wieder durch die fluchtenden Löcher 13 bzw. 17 der beiden Flanschen und des Ringsegments gesteckt und die Muttern 14'dieses Bolzens werden angezogen. In ähnlicher Weise werden im folgenden nacheinander die einzelnen Ringsegmente in die Vertiefung eingesetzt und mit Hilfe der Bolzen 14 gegen radiale Verstellungen gesichert.
Sind auf diese Art schliesslich alle Ringsegmente 15 montiert, dann haltensie die Flanschen 3 und 4 zusammengeklemmt, wobei sich der Dichtungsring in seiner zusammengedrückten Dichtstellung befindet. Werden die Rohrstücke 1 und 2 durch durchfliessende Medien hohen Betriebsdrücken ausgesetzt, dann nehmen die Kupplungsringsegmente die zwischen den Flanschen wirkenden Axialkräfte auf, wobei diese Ringsegmente im wesentlichen auf Abscheren beansprucht werden. Da die Ringsegmente mit den Flanschen in einem verhältnismässig kleinen Radialabstand von der Innenwand der Rohrleitung, d. h. innerhalb des Bolzenkreises in Eingriff stehen, werden die Flanschen selbst praktisch nicht auf Biegung beansprucht. Beim Betrieb der Rohrleitung, von der die Rohrstücke 1 und 2 einen Teil bilden, sind die Bolzen 14 selbst praktisch entlastet.
Die Bolzen dienen praktisch nur zum Zusammendrücken des Dichtungsringes bis zu seinem Betriebsdruck während des Zusammenbaues der Kupplung und die Anzahl und der Durchmesser der Bolzen soll so gewählt werden, dass nach dem Entfernen eines Bolzens für die Einführung eines Kupplungsringsegments die verbleibenden Bolzen die zur Unterdruckhaltung der Dichtung erforderliche Belastung aufnehmen können. Nach dem Einbau der Ringsegmente 15 dienen die Bolzen nur mehr zur Fixierung dieser Teile gegen radiale Verstellung und als zusätzliche Sicherungen. Da die Bolzen für die Aufnahme des Arbeitsdruckes der Rohrleitung nicht benötigt werden, kann ihre Anzahl und ihr Durchmesser wesentlich kleiner gewählt werden als dies sonst der Fall wäre und ebenso können die Flanschen
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selbst entsprechend kleinere Abmessungen aufweisen.
Anzahl und Durchmesser der Bolzen kann in einigen Fällen weiter herabgesetzt werden, wenn eine zusätzliche Klemmvorrichtung, wie in den Fig. 3 und 4 dargestellt, Verwendung findet. Diese Klemm- vorrichtung besitzt zwei ähnliche Klemmbacken 18 und 19, die hakenförmig ausgebildet und für den Eingriff mit den Flanschen 3 und 4 in der dargestellten Weise bestimmt sind. Die Backen 18,19 weisen je ein Bolzenloch auf, durch das ein eine Mutter 21 tragender Zugbolzen 20 hindurchgeführt ist. Wird die Klemmvorrichtung an den beiden Flanschen angebracht, dann liegt der Bolzen 20 im Abstand vom Aussenumfang der Flanschen 3 und 4, welcher Abstand ausreicht, damit ein Kupplungsringsegment 15 in der Vertiefung zwischen den Flanschen in einer Stellung liegen kann, in der seine Ringrippen 16 noch nicht in die Nuten 7 und 8 eingreifen (Fig. 3).
Beim Zusammenbau einer Flanschkupplung mit Hilfe dieser Klemmvorrichtung werden die beiden
Flanschen 3 und 4 ebenfalls zunächst mit Hilfe der Bolzen 14 fest gegeneinander gespannt, bis der
Dichtungsring 12 hinreichend zusammengedrückt ist, wobei die Kupplungsringsegmente 15 noch nicht in die Vertiefung eingesetzt sind. Im folgenden wird einer der Bolzen 14 herausgezogen und ein Kupp- lungsringsegment 15 in die Vertiefung bis zu der in Fig. 3 veranschaulichten Stellung eingeführt.
Dann wird die Klemmvorrichtung 18, 19 auf den beiden Flanschen 4 und 3 angebracht, wobei die Klemmbacken mit den Flanschen im Bereich der den herausgezogenen Bolzen aufnehmenden Löcher in Eingriff stehen.
Durch Anziehen des Zugbolzens und der Mutter 21 der Klemmvorrichtung kann nun mit deren Hilfe auf die Flanschen an Stelle des entfernten Bolzens eine Klemmwirkung ausgeübt werden, so dass im folgenden das unterhalb des Klemmbolzens 20 liegende Kupplungsringsegment 15 völlig nach innen bis zur Erreichung der in Fig. 1 dargestellten Endstellung geschoben werden kann, wonach die Klemmvorrichtung 18,19 entfernt und der herausgezogene Bolzen 14 und die Muttern 14'erneut angebracht und angezogen werden.
In ähnlicher Weise werden danach die weiteren Kupplungsringsegmente in der Vertiefung montiert. Wenn es wünschenswert ist, können auch zwei oder mehrere Klemmvorrichtungen 18,19 Verwendung finden.
Es können selbstverständlich auch Dichtungen einer andern Type als der schematisch in Fig. 1 darge- stellten Verwendung finden. So kann die Dichtung z. B. aus einem O-Ring 28 bestehen, der in einer in einer der beiden Flanschstirnflächen 11 vorgesehene Ringnut 27 untergebracht ist (Fig. 5) ; oder auch als Dichtungsring29 mit trapezförmigem Querschnitt (Fig. 6) ausgebildet sein, der in einer nach innen offenen, in die beiden anstossenden Flanschflächen 11 geschnittenen Nut mit entsprechendem Querschnitt untergebracht ist. Im letzteren Fall wird der Dichtungsring durch den in der Rohrleitung herrschenden Druck dichtend in den Ringsitz gepresst.
Es ist ferner möglich, die aneinanderstossenden Kanten der Randstücke 9 und 10 am Umfang durch eine fortlaufende Dichtungsschweissung oder V-förmige Endverbindung 30 zu verbinden (Fig. 7), welche Verbindung natürlich nicht zur Aufnahme von Axialkräften bestimmt ist, sondern nur zur Abdichtung dient. Wenn die Flanschkupplung geöffnet werden soll, muss die Schweissverbindung 30 weggeschnitten werden.
Fig. 8 zeigt eine erfindungsgemässe Flanschkupplung, die zur Befestigung eines Deckels oder einer Rohrplatte am Ende eines Druckbehälters bestimmt ist und welche Konstruktion z. B. bei Wärmeaustauschern, Reaktoren od. dgl. Verwendung finden kann. Der Druckbehälter 22 besitzt einen Flansch 23, der ähnlich wie im Zusammenhang mit den Fig. 1 und 2 beschrieben, eine Ausnehmung mit einer Seitenwand 5, einer Nut 7 und einem radial vorstehenden Randstück 9 aufweist. Es ist ein am Flansch 23 anliegender Deckel 24 vorgesehen, der eine entsprechende Ausnehmung mit Seitenwánd 6, Nut 8 und Endstück 10 besitzt.
In der zwischen den Seitenwänden 5 und 6 der beiden Ausnehmungen eingeschlossenen Vertiefung sind wieder Kupplungsringsegmente 15 in einer entsprechenden Anzahl untergebracht, die mit ihren nach innen weisenden Ringrippen 16 in die Nuten 6 und 8 eingreifen und Flansch und Deckel in einer Lage zusammenhalten, in der ein zwischen den zusammenstossenden Flächen von Deckel und Flansch angeordneter Dichtungsring 12 zusammengedrückt wird.
Bei dieser Ausführung ist der Flansch 23 mit einer Anzahl von Gewindelöchern 25 versehen, in die Bolzen 26 eingeschraubt sind, die durch Bolzenlöcher der Kupplungsringsegmente und des Flanschteiles des Deckels ragen und auf ihren Aussenenden Muttern 26'tragen. Die Flanschkupplung nach Fig. 8 kann in ähnlicher Weise wie die Flanschkupplung nach den Fig. 1 und 2 montiert werden.
Fig. 9 zeigt eine abgeänderte Ausführung der Flanschkupplung nach Fig. 8 zur Befestigung eines Deckels an einem Druckbehälter. Dabei ist gegenüber dem Flansch 23 des Behälters 22 ein Überwurfring 31 angeordnet und in der oben beschriebenen Weise mit diesem Flansch 23 über einen geschlossenen Ring von Kupplungssegmenten 15 und über Sperrbolzen 14 mit Muttern 14'verbunden. Der Überwurfring 31 ragt über den Innenrand der Behälteröffnung radial vor und ist mit einem ringförmigen Kragansatz 32 versehen, der neben der Innenwand des Behälters axial nach innen ragt und eine schräge Endfläche besitzt.
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Der eigentliche Deckel 33 besitzt einen nach aussen vorragenden Teil 34, der innen in den Überwurfring 31 passt, eine ringförmige Schulter 35, die der nach innen weisenden Seite des Überwurfringes 31 gegenüberliegt und eine weitere, abgeschrägte Schulter 36 an der Aussenseite, die hinter die Schulter 35 zurückspringt. Zwischen den abgeschrägten Seiten der Schulter 36 und des Kragteiles 32 ist ein Dichtungsring 37 mit trapezförmigem Querschnitt angeordnet.
Die Umfangsfläche des Deckels ist bei 38 konisch nach innen verjüngt, um so zwischen dieser Umfangsfläche und der Innenwand des Behälters ein das Entfernen
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Deckels erleichterndes Spiel zudie an ihren nach aussen weisenden, mit einem Gewinde versehenen Enden mit Muttern 39'versehen sind, welche Bolzen und Muttern dazu bestimmt sind, um den Überwurfring 31 und den Deckel 33 während des Zusammenbaues zusammenzuhalten und ferner um d en Deckel nach dem Zusammenbau in der gewünschten
Stellung zu fixieren. Beim Betrieb wird der Deckel 33 durch den im Behälter herrschenden Druck in
Axialrichtung nach aussen gepresst, wodurch der Dichtungsring zusammengedrückt wird und abdichtend mit der Innenwand des Behälters 22 in Eingriff kommt.
Sobald der Dichtungsring 37 hinreichend zusam- mengedrückt ist, kommt die Schulter 35 des Deckels mit dem Überwurfring 31 in Eingriff und verhindert so ein weiteres Zusammendrücken des Dichtungsringes und ein übermässiges Fliessen des letzteren bei be- sonders hohen Drücken im Behälter 22. Während dieser kleinen Auswärtsbewegung des Deckels, die das
Zusammendrücken des Dichtungsringes begleitet, können die Bolzen 39 frei in Längsrichtung in den Bol- zenlöchern des Überwurfringes 31 gleiten.
Bei der Montage des Deckels kann der Überwurfring 31 zunächst in ähnlicher Weise, wie dies im
Zusammenhang mit der Flanschkupplung nach Fig. 1 beschrieben wurde, am Flansch 23 des Behälters 22 befestigt werden. Dadurch, dass man sowohl die Innenöffnung des Überwurfringes als auch die Umfangsform des Deckels oval wählt, wird es möglich, den Deckel durch den montierten Überwurfring hindurch in den
Behälter einzuführen, wobei der Deckel 33 nach Einlegen der Dichtung 37 in der richtigen, an den Krag- ansatz 32 stossenden Stellung um seine Achse verdreht und in die richtige Lage zum Überwurfring 31 ge- bracht werden kann, in der nun ein Einführen der Bolzen 39 zur Fixierung des Deckels möglich ist.
Es ist natürlich jedoch ebenfalls möglich, den Deckel 33 zunächst lose und praktisch ohne Zusammendrücken der zwischen die Teile 32 und 36 eingelegten Dichtung 37 mit Hilfe der Bolzen 39 mit dem Überwurfring
31 zu verbinden, dann den Deckel in die Behälteröffnung einzuführen und den Überwurfring 31 mit dem Behälterflansch 23 mittels der Kupplungsringsegmente 15 in der beschriebenen Weise zu verbinden, wonach die Muttern 39'fester angezogen werden können.
Wenn die Erfindung auch im Zusammenhang mit besonderen Ausgestaltungen dargestellt und beschrieben wurde, ist es doch selbstverständlich, dass auch andere Ausführungsformen im Rahmen der Erfindung möglich sind, die ebenfalls unter den Schutzbereich der folgenden Patentansprüche fallen.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Flanschkupplung zum Verbinden zweier benachbarter, mit Flanschen versehener Teile von Hochdruckbehältern, wie zweier Abschnitte einer Rohrleitung oder eines Deckels mit einem Druckkessel, bei der die beiden zu verbindenden Flanschen auf einem Kreisbogen liegende, fluchtende Löcher für durch sie durchführbare Zugbolzen aufweisen und zwischen den Behälterteilen Dichtungen vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, dass jeder der beiden Flanschen (3,4, 23,24, 31) an seiner gegen den andern Flansch gerichteten Seite eine ringförmige, von einer sich vom Aussenumfang des Flansches radial nach innen erstreckenden Seitenwand (5,6) und einer zylindrischen, sich von der Flanschstirnfläche axial nach innen erstreckenden Bodenwand begrenzte Ausnehmung aufweist, wobei die Bodenwand in ihrem an die Seitenwand anschliessenden Bereich eine Ringnut (7,8) besitzt,
so dass die beiden gegenüberliegenden Ausnehmungen bei zusammenstossenden Flanschen miteinander eine ringförmige Umfangsvertiefung von im wesentlichen U-förmigem Querschnitt bilden, in die die Bolzenlöcher (13) münden und dass in die Umfangsvertiefung Ringsegmente (15) eines unterteilten Kupplungsringes eingelegt sind, deren Körper eng zwischen die Seitenwände (5,6) der Ausnehmungen passen und die mit Ringrippen (16) passend in die beiden Ringnuten (7, 8) eingreifen, wobei jedes Segment zumindest ein mit den Flanschlöchern (13) fluchtendes Bolzenloch (17) aufweist, durch welche Bolzenlöcher die Zugbolzen (14,26) hindurchgeführt sind, so dass sie die Segmente gegen Radialbewegungen sichern.