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Die Erfindung betrifft eine Losflanschverbindung mit zwei über Befestigungsmittel kraftbeaufschlagte Losflanschen und zwei über ein Dichtmaterial verbundene Teile, von denen zumindest ein Teil als Rohrstutzen ausgebildet ist. Auch das andere Teil ist in der Regel ein Rohrstutzen, kann jedoch auch als einfache Platte oder dergleichen ausgeführt sein, um einen Blindflansch zu erzeugen.
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Losflansche werden bei abgedichteten Losflanschverbindungen, beispielsweise Bördelflanschverbindungen, ausschließlich dazu eingesetzt die dicht miteinander zu verbindenden Teile gegeneinander zu verspannen, wobei zwischen diesen in der Regel als Rohrstutzen ausgeführten Teilen eine Dichtung im Krafthauptschluss angeordnet ist. Die Losflansche weisen zur Kraftbeaufschlagung als Befestigungsmittel Schrauben mit Muttern, Bolzen mit beidseitig angeordneten Muttern, Stehbolzen in Kombination mit Muttern oder auch Schrauben, die in Gewindebohrungen eines der Losflansche eingreifen, auf. Die genaue Ausrichtung der Losflansche gegenüber den Dichtflächen ist dabei unerheblich. Gemäß den bekannten Ausgestaltungen von Losflanschverbindungen ist lediglich zu gewährleisten, dass die Kontaktstellen bzw. Kraftabstützungspunkte zwischen den Losflanschen und den Rohrstutzen einen ausreichend großen Spalt zwischen den Flanschen bereitstellen, um bei dem Anziehen der Befestigungsmittel unter Einbindung der Dichtung im Krafthauptschluss einen direkten Kontakt der Flansche zu vermeiden. Beim Anziehen der Befestigungsmittel werden dann Anzugsmomente eingehalten, welche auf die Kombination der Dichtung mit den Dichtflächen der zu verbindenden Teile abgestimmt ist. Da die Losflansche einen Abstand zueinander aufweisen, stellen sich diese beim Anziehen der Befestigungsmittel in einem gewissen Maße schräg. Um diese als Flanschblattrotation bezeichnete Schrägstellung gering zu halten und eine gleichmäßige Kraftverteilung um den Umfang der Losflansche zu gewährleisten, müssen diese eine hohe Festigkeit und damit eine große Materialstärke aufweisen.
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Aus der Praxis sind für andere Anwendungsfälle des Weiteren Vorschweißflansche bekannt, bei denen Flansche, welche auch die einer Dichtung zugeordneten Dichtflächen aufweisen, an gerade Rohrstutzen angeschweißt werden. Durch das Verschweißen der Rohrstutzen wird deren Anordnung gegenüber den Vorschweißflanschen dauerhaft festgelegt. Für die auf eine Dichtung wirkenden Kräfte ist damit allein die Geometrie der Vorschweißflansche sowie der jeweils eingesetzten Dichtung ausschlaggebend. Vorschweißflansche unterscheiden sich deshalb in ihrer Wirkungsweise grundsätzlich von Losflanschen.
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Bei Vorschweißflanschen ist es bekannt Dichtungen in einem Kraftnebenschluss anzuordnen. Die Vorschweißflansche werden dazu mit hohen Anzugsmomenten auf Block gezogen, wobei dann durch eine exakte Abstimmung der Flanschgeometrie auf die Abmessungen der Dichtung eine reduzierte Dichtkraft im Kraftnebenschluss auf die Dichtung wirkt. Das Dichtungs- und Nutvolumen müssen dazu sehr exakt aufeinander abgestimmt sein, wobei auch die tatsächlich wirkenden Dichtkräfte in der Praxis nicht überprüfbar sind. Vorschweißflansche, die eine Anordnung der Dichtung im Kraftnebenschluss vorsehen, sind beispielsweise in dem NORSOK STANDARD L-005 (Ref. 1, September 2003) beschrieben.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde bei einer Losflanschverbindung den Materialaufwand und das Gewicht der Losflansche zu reduzieren.
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Ausgehend von einer Losflanschverbindung mit den eingangs beschriebenen Merkmalen wird die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Losflansche zumindest um den Umfang der einzelnen Befestigungsmittel herum unmittelbar oder über ein metallisches Stützelement aufeinander aufliegen und dass das Dichtmaterial gegenüber den Befestigungsmitteln nach innen versetzt im Kraftnebenschluss zwischen Dichtflächen angeordnet ist, die den Teilen oder separaten Zwischenstücken zugeordnet sind.
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein völlig neues Konzept bei Losflanschverbindungen. Gemäß bekannten Ausgestaltungen von Losflanschverbindungen ist eine besondere Genauigkeit nicht erforderlich. Losflansche werden vielmehr gerade dann eingesetzt, wenn beispielsweise aufgrund einer Materialumformung an dem zumindest einen Rohrstutzen keine hohe Genauigkeit vorgesehen ist. Die vorliegende Erfindung lehrt im Gegensatz dazu die Geometrie der Flansche selbst als auch die Abstützung der Flansche gegenüber den zu verbindenden Teilen mit einem Höchstmaß an Präzision zu fertigen. Entgegen bekannter Vorschweißflansche sind nämlich die mit dem Dichtmaterial zusammenwirkenden Dichtflächen einerseits und die an den Befestigungsmitteln direkt aufeinander abgestützten Flanschbereiche separaten, unterschiedlichen Bauteilen zugeordnet. Überraschenderweise ist es im Rahmen der Erfindung trotz dieser räumlichen und funktionellen Aufteilung möglich die einzelnen Teile so genau zu fertigen, dass das Dichtmaterial mit einer ausreichenden Reproduzierbarkeit und Genauigkeit im Kraftnebenschluss angeordnet werden kann, obwohl die tatsächlich wirkende Dichtkraft bei einer Anordnung im Kraftnebenschluss nicht unmittelbar überprüfbar ist.
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Im Rahmen der Erfindung können die an den Befestigungsmitteln gegeneinander abgestützten Losflansche dünner als die Losflansche gemäß zum Stand der Technik gefertigt werden. Durch die Abstützung und den gesamten Umfang der einzelnen Befestigungsmittel herum können nämlich sehr hohe Anzugsmomente vorgesehen werden, ohne dass die Losflansche sich in erheblichem Maße verkippen oder auf andere Weise verformen können.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung sind an den zu verbindenden Teilen üblicherweise Rohrstutzen, Abstützflächen vorzusehen, die im Unterschied zu bekannten Losflanschverbindungen in ihrer räumlichen Anordnung sehr präzise festgelegt sein müssen. Des Weiteren muss im Rahmen der Erfindung das gesamte System bestehend aus den Vorschweißflanschen, den zu verbindenden Teilen sowie der Dichtung als gesamte Einheit konstruiert und ausgelegt werden. Als besondere Schwierigkeit stellt sich dabei heraus, dass die Kraftabstützung der Losflansche an dem zu verbindenden Teil einerseits und die Kraftabstützung der Losflansche gegeneinander im fixierten Zustand an unterschiedlichen Stellen erfolgt. Die Fertigung der erfindungsgemäßen Losflanschverbindung erfordert damit zwar zusätzlich zu der Gesamtauslegung eine sehr hohe Genauigkeit, ermöglicht dafür aber den Vorteil einer deutlichen Material- und Gewichtsreduzierung.
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Vorzugsweise beträgt die Verkippung der Flansche im fixierten Zustand gegenüber dem nicht fixierten Zustand weniger als 0,2°, besonders bevorzugt weniger als 0,1°. Auch noch geringere als Flanschblattrotation bezeichnete Verkippungen von beispielsweise weniger als 0,08° können bei einer sorgfältigen Herstellung und Abstimmung der einzelnen Komponenten erzielt werden.
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Mit der vorliegenden Erfindung können schweißfreie, lösbare Flanschverbindungen bereitgestellt werden, die beispielsweise für hydraulische Systeme einsetzbar sind.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung weist der zumindest eine Rohrstutzen eine endseitige, durch Materialumformung gebildete Aufweitung auf. Bei der Erzeugung der Aufweitung sind im Rahmen der Erfindung auch durch den Materialfluss bedingte Änderungen der Wandstärke zu berücksichtigen.
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Die Aufweitung kann beispielsweise in Form einer Umbördelung erzeugt werden, wobei der umgebördelte Endabschnitt eine der mit dem Dichtmaterial zusammenwirkenden Dichtflächen bildet und wobei der dem Rohrstutzen zugeordnete Losflansch zur Aufnahme der Umbördelung eine zurückspringende Stufe aufweist. Vorzugsweise sind beide miteinander zu verbindenden Teile als derart umgebördelte Rohrstutzen ausgebildet. Die Höhe der Stufe in dem Losflansch ist derart an die Materialstärke der Umbördelung und an die Dicke des Dichtmaterials angepasst, dass auf das Dichtmaterial eine definierte, eine sichere Abdichtung gewährleistende Kraft wirkt, wenn die Losflansche im fixierten Zustand gegeneinander abgestützt sind. Es ist dabei möglich, dass die Losflansche direkt aufeinander aufliegen. Des Weiteren kann aber auch eine harte, nicht zu Dichtzwecken dienende Zwischenschicht vorgesehen sein. So kann die Losflanschverbindung einen Dichtungsring umfassen, der einen in radialer Richtung innen liegenden Abschnitt mit Oberflächen aus dem Dichtmaterial und außen liegend einen metallischen Ring als Stützelement für die Losflansche aufweist. Der metallische Ring ist dabei mit Durchgangslöchern für die Befestigungsmittel versehen. Um an dem innen liegenden Abschnitt einen gewissen nachgiebigen Toleranzbereich zu erzielen, kann zwischen den Oberflächen aus dem Dichtmaterial beispielsweise ein Wellring angeordnet sein.
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Gemäß einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung weist der zumindest eine Rohrstutzen endseitig eine trichterförmige Aufweitung auf, in die ein zusätzliches Zwischenstück eingesetzt ist, wobei der zugeordnete Losflansch den Rohrstutzen im fixierten Zustand gegen das Zwischenstück zieht und wobei das Zwischenstück eine der mit dem Dichtmaterial zusammenwirkenden Dichtflächen aufweist. Üblicherweise sind beide miteinander zu verbindenden Teile als trichterförmig aufgeweitete Rohrstutzen ausgebildet, an die jeweils ein Zwischenstück angeschlossen ist. Bei einer solchen Ausgestaltung muss eine Abdichtung einerseits sowohl zwischen den beiden Zwischenstücken untereinander und andererseits zwischen den Rohrstutzen und dem jeweils zugeordneten Zwischenstücken gewährleistet werden. Durch die Verwendung von Zwischenstück ergibt sich der Vorteil, dass die mit dem Dichtmaterial zusammenwirkenden Dichtflächen nicht an den Rohrstutzen selbst gebildet werden müssen, wodurch das Herstellungsverfahren vereinfacht werden kann. Die Anordnung der Zwischenstücke gegenüber den Rohrstutzen einerseits und den Losflanschen andererseits muss aber exakt vorgegebenen Werten entsprechen, damit das Dichtmaterial im Kraftnebenschluss mit einer hinreichend definierten Dichtkraft beaufschlagt ist.
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Gemäß einer weiteren erfindungsgemäßen Ausgestaltung ist vorgesehen, dass der zumindest eine Rohrstutzen gegenüber seinem Ende zurückversetzt eine Verdickung aufweist, an welcher der zugeordnete Losflansch angreift, wobei das Dichtmaterial an der Stirnfläche des Rohrstutzens angeordnet ist. Auch bei einer solchen Ausgestaltung muss die Position der Verdickung räumlich präzise festgelegt und an die Dicke des Dichtmaterials sowie die Form der Losflansche angepasst sein. Im Rahmen einer solchen Ausgestaltung ergibt sich der Vorteil, dass der Rohrstutzen an seinem Ende nicht umgeformt werden muss. Insbesondere kann die Verdickung durch eine separat erzeugte Wulst oder dergleichen gebildet sein. Das Ende des Rohrstutzens weist dann jenseits der Verdickung eine gerade zylindrische Außenfläche auf, wobei an der Stirnseite des Rohrstutzens zweckmäßigerweise eine Nut zur Aufnahme des Dichtmaterials angeordnet sein kann.
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Insbesondere wenn der Rohrstutzen eine gegenüber seinem Ende zurückversetzte Verdickung oder eine trichterförmige Aufweitung, die mit einem Zwischenstück zusammenwirkt, aufweist, kann das Dichtmaterial auch von einem O-Ring oder von einer Elastomerlippe, welche an einem Trägerring angeordnet ist, gebildet sein.
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Im Rahmen der Erfindung ergibt sich der Vorteil, dass durch die Blocklage der Losflansche auch bei einer reduzierten Materialstärke eine ausreichende Abdichtung erreicht werden kann, da eine besonders gleichmäßige Kraftverteilung gewährleistet ist. Insbesondere wird eine unerwünschte, übermäßige Schrägstellung der Losflansche (Flanschblattrotation) vermieden. Um das Gewicht und die Größe der erfindungsgemäßen Losflansche weiter zu reduzieren, kann auch vorgesehen sein, den Durchmesser der Befestigungsmittel zu verringern und die Anzahl der Befestigungsmittel entsprechend zu erhöhen. Als Befestigungsmittel sind wie bei den herkömmlichen Losflanschverbindungen Schrauben mit Muttern, Bolzen mit beidseitig angeordneten Muttern, Stehbolzen in Kombination mit Muttern oder auch Schrauben, die in Gewindebohrungen eines der Losflansche eingreifen, geeignet.
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Schließlich wird auch die Montage der Losflansche deutlich vereinfacht, da im Unterschied zu der Anordnung von Dichtmaterial im Krafthauptschluss keine genaue Einhaltung enger Anzugsmomente notwendig ist. Vielmehr werden die Befestigungsmittel derart fest angezogen, dass die Losflansche mit einer großen Andruckkraft aufeinandergepresst werden. Auch dies trägt dazu bei, dass die erfindungsgemäße Losflanschverbindung sich durch eine hohe Stabilität auszeichnet. Da die Losflansche außerhalb des Dichtungsmaterials unmittelbar oder über ein metallisches Stützmaterial aufeinander aufliegen, ergibt sich auch eine besonders hohe Ausblassicherheit der Dichtung selbst unter extremen Beanspruchungen. Zusätzlich wird im Rahmen der Erfindung bei einer Losflanschverbindung die Gefahr einer Leckage durch auf die Rohrstutzen wirkende Knickkräfte oder dergleichen verringert.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand einer lediglich ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung erläutert, es zeigen:
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1 eine Losflanschverbindung zwischen ungebördelten Rohrstutzen gemäß dem Stand der Technik,
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2a eine erfindungsgemäße Ausgestaltung einer Losflanschverbindung mit einer Anordnung von Dichtmaterial im Kraftnebenschluss,
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2b eine Detailansicht der in 2a vorgesehenen Dichtung,
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3a, 3b und 4 alternative Ausgestaltungen einer erfindungsgemäßen Losflanschverbindung.
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1 zeigt eine herkömmliche Losflanschverbindung gemäß dem Stand der Technik mit zwei über Befestigungsmittel 1 kraftbeaufschlagten Losflanschen 2 und mit zwei über ein Dichtmaterial 3 verbundene Rohrstutzen 4. Bei der beispielhaft dargestellten Bördelflanschverbindung weisen die Rohrstutzen 4 endseitig jeweils eine Umbördelung 5 auf, wobei das Dichtmaterial 3 zwischen den Umbördelungen 5 der Rohrstutzen 4 angeordnet ist. Die Losflansche 2 sind gerade ausgeführt und drücken bei einem Anziehen der Befestigungsmittel 1 auf die Umbördelungen 5, wodurch das Dichtmaterial 3 im Krafthauptschluss verspannt wird. Zwischen den Losflanschen 2 bleibt randseitig ein Spalt, dessen Breite bei den aus dem Stand der Technik benannten Losflanschverbindungen unerheblich ist. Die Befestigungsmittel 1 sind mit einem genau vorgegebenen Drehmoment anzuziehen, um eine definierte Presskraft der Umbördelungen 5 auf das Dichtmaterial 3 zu bewirken. Da das Dichtmaterial 3 nach außen hin nicht geschützt ist, besteht die Gefahr, dass dieses ausgeblasen wird, wenn keine weiteren Schutzmaßnahmen vorgesehen sind. Da die Losflansche 2 im Bereich der Befestigungsmittel 1 nicht gegeneinander abgestützt sind, stellen sich die Losflansche 2 beim Anziehen der Befestigungsmittel 1 in einem gewissen Maße schräg. Um diese als Flanschblattrotation bezeichnete Schrägstellung zu begrenzen, müssen die Losflansche 2 eine erhebliche Dicke aufweisen.
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2a zeigt eine erfindungsgemäße Losflanschverbindung, bei der die Losflansche 2 in etwa bis zu ihrem äußeren Rand auf einem metallischen Stützmaterial 6, welches nicht zur Abdichtung vorgesehen ist, aufliegen. Um die Umbördelung 5 des jeweils zugeordneten Rohrstutzens 4 aufnehmen zu können, weisen die Losflansche 2 eine zurückspringende Stufe auf. Im Unterschied zu der Ausgestaltung gemäß der 1 sind die Befestigungsmittel fest angezogen, so dass die beiden Losflansche 2 über das Stützmaterial 6 mit einer großen Kraft aufeinandergepresst werden. Die Losflansche 2 sind dabei auf die Materialstärke der Umbördelung 5, die Dicke des Dichtmaterials 3 und die Dicke des Stützmaterials 6 abgestimmt, so dass auf das Dichtmaterial 3 im Kraftnebenschluss eine definierte Flächenpressung wirkt. Um eine definierte Flächenpressung zu erreichen sind gemäß der vorliegenden Erfindung die einzelnen Teile präzise und genau aufeinander abgestimmt zu fertigen.
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Da gemäß der vorliegenden Erfindung die Losflansche 2 stets auf Block gezogen werden und dann gegeneinander abgestützt sind, ergibt sich eine besonders hohe Festigkeit und Stabilität auch bei vergleichsweise geringen Abmessungen der Losflansche 2. Insbesondere kann bei einer präzisen Fertigung eine wesentliche Schrägstellung der Losflansche 2 vermieden werden. So beträgt die Verkippung im fixierten Zustand gegenüber dem nicht fixierten Zustand vorzugsweise weniger als 0,2°, besonders bevorzugt weniger als 0,1°. Überraschenderweise kann bei der Verwirklichung der erfindungsgemäßen Losflanschverbindung eine definierte Flächenpressung erreicht werden, obwohl die Kraftbeaufschlagung der Umbördelungen 5 durch die Losflansche 2 einerseits und die gegenseitige Abstützung der Losflansche 2 andererseits an unterschiedlichen Stellen erfolgt.
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2b zeigt den in 2a eingesetzten Dichtungsring 7, der einen in radialer Richtung innen liegenden Abschnitt aus dem Dichtmaterial 3 aufweist und der außen liegend einen metallischen Ring 8 als Stützelement für die Losflansche 2 aufweist. Einer vergleichenden Betrachtung der 2a und 2b ist zu entnehmen, dass der metallische Ring 8 Durchgangslöcher 9 für die Befestigungsmittel 1 umfasst.
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Die 3a und 3b zeigen eine alternative Ausgestaltung der Erfindung, bei der die Rohrstutzen 4 endseitig eine trichterförmige Aufweitung 10 aufweisen, in die jeweils ein Zwischenstück 11 eingesetzt ist. Im fixierten Zustand ziehen die Losflansche 2 den jeweils zugeordneten Rohrstutzen 4 gegen das entsprechende Zwischenstück 11, wobei die Zwischenstücke 11 die mit dem Dichtmaterial 3 zusammenwirkenden Dichtflächen aufweisen. Auch bei der Ausgestaltung gemäß den 3a und 3b sind sämtliche Teile der Losflanschverbindung, das heißt, die beiden Losflansche 2, die beiden Rohrstutzen 4 mit ihrer Aufweitung 10 sowie die beiden Zwischenstücke 11 genau aufeinander abgestimmt mit einer sehr hohen Präzision zu fertigen, damit bei einer Blocklage der Losflansche 2 das Dichtmaterial 3 mit einer definierten Dichtkraft beaufschlagt ist. Während gemäß der 3a das Dichtmaterial 3 von einer Elastomerlippe gebildet ist, welche an einem Trägering 12 angespritzt ist, ist gemäß der 3b das Dichtmaterial 3 als O-Ring ausgeführt.
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Während gemäß der 2a exemplarisch Bolzen mit jeweils zwei Muttern als Befestigungsmittel 1 dargestellt sind, zeigen die 3a und 3b eine Kombination von Schrauben und Muttern als Befestigungsmittel 1. Des Weiteren können als Befestigungsmittel auch Stehbolzen in Kombination mit Muttern oder Schrauben, die in Gewindebohrungen eines der Losflansche 2 eingreifen, vorgesehen sein.
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Bei den Ausführungsformen gemäß der 2a bis 3b ist an den Enden der Rohrstutzen 4 eine Materialumformung vorzusehen. Die 4 zeigt dagegen eine Ausgestaltung, bei keine solche Umformung in Form einer endseitigen Aufweitung erfolgt. Die Losflansche 2 stützen sich vielmehr an Verdickungen 13 der Rohrstutzen 4 ab, die gegenüber den Enden der Rohrstutzen 4 zurückversetzt sind. Das Dichtmaterial 3 ist dabei an der Stirnfläche der Rohrstutzen 4 angeordnet. Die Enden der beiden Rohrstutzen 4 weisen eine gerade, zylindrische Außenfläche auf, wobei das Dichtmaterial 3 an der Stirnfläche in einer Nut 14 angeordnet ist, die beispielsweise durch Fräsen oder Drehen erzeugt werden kann. In dem Ausführungsbeispiel der 4 ist entsprechend der 3a eine Dichtungsanordnung vorgesehen, bei der das Dichtmaterial 3 als Elastomerlippe ausgeführt ist, welche an einem Trägerring 12 angespritzt ist.
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Die Ausführungsbeispiele zeigen jeweils die im Wesentlichen symmetrische Verbindung zweier Rohrstutzen 4. Darüber hinausgehend ist es auch möglich einen Rohrstutzen mit einem anders ausgebildeten Teil, beispielsweise einem Blindflansch zu verbinden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- NORSOK STANDARD L-005 (Ref. 1, September 2003) [0004]
