DE1186703B

DE1186703B - Flange connection between two pipes exposed to high temperatures during operation

Info

Publication number: DE1186703B
Application number: DEU5976A
Authority: DE
Inventors: Harry Chilton
Original assignee: UK Atomic Energy Authority
Current assignee: UK Atomic Energy Authority
Priority date: 1958-02-12
Filing date: 1959-02-11
Publication date: 1965-02-04
Also published as: GB849123A; DE1190272B; CH368667A

Description

Flanschverbindung zwischen zwei im Betrieb hohen Temperaturen ausgesetzten Rohren Die Erfindung betrifft Flanschverbindungen zwischen zwei im Betrieb hohen Temperaturen ausgesetzten Rohren, die an einer ebenen Fläche zusammenstoßen und deren Flansche durch Schrauben oder Klemmeinrichtungen mit einer anderen Wärmedehnzahl als eines oder beide dieser Rohre zusammengehalten werden.Flange connection between two exposed to high temperatures during operation Pipes The invention relates to flange connections between two high in service Pipes exposed to temperatures that collide on a flat surface and their flanges by screws or clamping devices with a different thermal expansion coefficient as one or both of these tubes are held together.

Derartige Flanschverbindungen, bei denen die ebenen Stirnflächen der Rohre durch Läppen oder Schleifen fein bearbeitet sind, halten auch bei starken Temperaturänderungen in den Rohren ausreichend dicht, wenn die Bolzen und die beiden Flanschenrohre gleiche Wärmedehnzahlen aufweisen. Schwierigkeiten treten jedoch auf, wenn zwei Rohre zu verbinden sind, von denen eines oder beide aus Werkstoffen mit Wärmedehnzahlen hergestellt sind, welche verschieden von denjenigen der Schrauben oder der Klemmeinrichtung sind, die die Flansche zusammenhalten. Wenn man beispielsweise Stahlschrauben zum Zusammenspannen von zwei zunächst kalten Graphitrohren verwendet, werden deren Endflächen sich bei hohen Temperaturen infolge der niedrigeren Wärmedehnzahl des Graphits voneinander trennen, so daß die Verbindung undicht wird. Dieselbe Schwierigkeit entsteht beim Verbinden eines Stahlrohres mit einem Graphitrohr unter Verwendung von Stahlschrauben.Such flange connections, in which the flat end faces of the Pipes finely machined by lapping or grinding hold up even when strong Temperature changes in the pipes sufficiently tight when the bolt and the two Flanged pipes have the same coefficient of thermal expansion. Difficulties arise, however on when two pipes are to be joined, one or both of which are made of materials are made with coefficients of thermal expansion which are different from those of the screws or the clamps that hold the flanges together. For example, if you Steel screws used to clamp two initially cold graphite tubes together, their end faces will be at high temperatures due to the lower thermal expansion coefficient of the graphite from each other, so that the connection is leaky. Same difficulty arises when connecting a steel pipe with a graphite pipe using of steel screws.

Es ist bereits eine Flanschverbindung für Rohre mit unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten bekanntgeworden, bei der ein ringförmiger Fortsatz des einen Rohres in eine entsprechend ausgebildete Ringnut des anderen Rohres eingreift, wobei durch die verschiedene Ausdehnung dieser ineinandergreifenden Teile in radialer Richtung sowohl bei Normal- als auch bei Höchsttemperatur im Betrieb stets eine Ringfläche des Fortsatzes entweder an die Innen- oder an die Außenfläche der Ringnut angepreßt wird. Außerdem führen gemäß diesem Vorschlag die Klemmschrauben so durch die ringförmigen Fortsätze, daß die Beanspruchungen, welche durch die unterschiedliche Wärmeausdehnung zwischen den Schrauben und den Fortsätzen entstehen, so gering wie möglich sind.It is already a flange connection for pipes with different Coefficient of expansion has become known, in which an annular extension of the one pipe engages in a correspondingly designed annular groove of the other pipe, whereby due to the different expansion of these interlocking parts in radial Direction both at normal and at maximum temperature during operation is always one Annular surface of the extension either to the inner or to the outer surface of the annular groove is pressed. In addition, according to this proposal, the clamping screws carry out this way the annular projections that the stresses caused by the different Thermal expansion between the screws and the projections arise as little as possible are.

Außerdem ist es bekannt, federnde Zwischenlagen zwischen den Schrauben und den Flanschen vorzusehen. Die Federn werden jedoch unhandlich groß und sind in vielen Fällen den hohen Temperaturen nicht gewachsen. Bei einer bekannten Rohrverbindung werden die Dehnungsunterschiede zwischen den Schrauben und den Rohren bei hohen Temperaturen ausgesetzten Flanschverbindungen z. B. dadurch ausgeglichen, daß unter den Köpfen der Muttern der Flanschverbindungsschrauben Zwischenringe angeordnet sind, die eine solche Wärmedehnzahl aufweisen, daß in den Schrauben bei allen Temperaturen eine konstante Zugspannung aufrechterhalten bleibt.It is also known to have resilient intermediate layers between the screws and the flanges. However, the feathers grow and are unwieldy in many cases not able to cope with the high temperatures. With a known pipe connection the expansion differences between the screws and the pipes at high Flange connections exposed to temperatures e.g. B. compensated for that under the heads of the nuts of the flange connection bolts arranged intermediate rings are that have such a coefficient of thermal expansion that in the screws at all temperatures constant tension is maintained.

Schließlich gibt es Rohrverbindungen, bei denen die miteinander zu verbindenden Teile mit Kegelflächen versehen sind, die in Linienkontakt miteinander gehalten werden, wobei die Lage der Berührungslinie sich ändert, wenn die Flächen während der Wärmeausdehnung gleiten.Finally, there are pipe connections where they are too connecting parts are provided with conical surfaces that are in line contact with each other be held, with the position of the contact line changing when the surfaces slide during thermal expansion.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Unzulänglichkeiten, die die vorbekannten Verbindungen zweier Rohre mit unterschiedlichen Wärmedehnzahlen aufweisen, derart zu umgehen, daß bei ungleicher Wärmedehnung der zu verbindenden Rohre die dabei auftretende Neigung zum Trennen an den Berührungsflächen und damit ein Undichtwerden der Verbindung verhindert wird.The invention is based on the task of eliminating the shortcomings the previously known connections between two pipes with different coefficients of thermal expansion have to bypass in such a way that in the case of unequal thermal expansion of the to be connected Tubes the tendency that occurs to separate at the contact surfaces and thus leakage of the connection is prevented.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zumindest eine Abstützfläche der Klemmelemente auf den Flanschen der Rohre mit der Ebene der Stoßfläche der Rohre zusammenfällt.This object is achieved in that at least one Support surface of the clamping elements on the flanges of the pipes with the plane of the abutment surface the pipes collapse.

Bei einer Flanschverbindung zwischen zwei im Betrieb hohen Temperaturen ausgesetzten Rohren mit unterschiedlichen Wärmedehnzahlen, die an einer ebenen Fläche zusammenstoßen und deren Flansche durch Schrauben oder Klemmeinrichtungen mit derselben Wärmedehnzahl wie das eine dieser Rohre zusammengehalten werden, ist die Erfindung demzufolge dadurch gekennzeichnet, daß die Schrauben oder Klemmeinrichtungen sich an dem Flansch des anderen Rohres in der durch die Stoßfläche der beiden Rohre bestimmten Ebene abstützen.In the case of a flange connection between two temperatures that are high during operation exposed pipes with different coefficients of thermal expansion, which are on a flat surface collide and their flanges by screws or clamping devices with the same Thermal expansion coefficient, how one of these tubes are held together, is the invention consequently characterized in that the screws or clamping devices on the flange of the other pipe in the through the joint surface of the two pipes support certain level.

Wenn die Klemmeinrichtung. eine andere Wärmedehnzahl aufweist als beide der mittels des Flansches zu verbindenden Rohre, so ist die erfindungsgemäße Flanschverbindung dadurch gekennzeichnet, daß die Klemmeinrichtung sich an den Flanschen beider Rohre in der durch die Stoßfläche der Rohre bestimmten Ebene abstützt, wobei jeder der Flansche in Umfangsrichtung unterbrochen ist, die stehengebliebenen Sektoren des einen Flansches in die Lücken des anderen Flansches eingreifen und die aus Ringen mit entsprechenden Innensektoren bestehende Klemmeinrichtung auf den Rückseiten der Flanschsektoren in der genannten Ebene aufliegt.When the clamping device. has a different thermal expansion coefficient than both of the pipes to be connected by means of the flange are the one according to the invention Flange connection, characterized in that the clamping device is attached to the flanges both tubes is supported in the plane determined by the joint surface of the tubes, with each of the flanges is interrupted in the circumferential direction, the stopped sectors of one flange engage in the gaps of the other flange and those made of rings with corresponding inner sectors existing clamping device on the rear the flange sectors rests in the above-mentioned plane.

Die erfindungsgemäßen Flanschverbindungen haben sich in der Praxis als sehr brauchbar erwiesen. Zum Beispiel sind solche Rohrverbindungen verwendet worden, um Flüssigkeiten im Temperaturbereich von 540 bis 750° C zu=befördern,.ohne daß die Verbindungen undicht wurden.The flange connections according to the invention have proven themselves in practice proved to be very useful. For example, such pipe connections are used has been used to convey liquids in the temperature range from 540 to 750 ° C, .without that the connections were leaking.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind im folgenden an Hand der Zeichnungen ausführlicher beschrieben. Es zeigt F i g. 1 einen Schnitt durch eine einfache Flanschrohrverbindung einer bekannten Bauart, F i g. 2 einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Flanschrohrverbindung, F i g. 3 eine Halbschnittdarstellung einer weiteren erfindungsgemäßen Flanschrohrverbindung, während F i g. 4 einen Schnitt durch eine dritte erfindungsgemäße Flanschrohrverbindung darstellt.Embodiments of the invention are shown below with reference to the drawings described in more detail. It shows F i g. 1 shows a section through a simple flange pipe connection of a known type, FIG. 2 shows a section through a flange pipe connection according to the invention, F i g. 3 a half-sectional view of a further flange pipe connection according to the invention, while F i g. 4 shows a section through a third flange pipe connection according to the invention represents.

F i g. 1 zeigt eine herkömmliche Rohrverbindung, bei welcher die geläppten Stirnflächen von zwei Rohren 22 und 23 in der Dichtungsebene Y-Y zu- sammentreffen. Die Rohre 22 und 23 weisen Flansche 24 bzw. 25 auf, welche aus einem Stück mit den Rohren bestehen und durch Schrauben 26 zusammengehalten sind.F i g. 1 shows a conventional pipe joint, in which the lapped end faces of two pipes 22 and 23 sammentreffen in the sealing plane YY supply. The tubes 22 and 23 have flanges 24 and 25 , respectively, which are made in one piece with the tubes and are held together by screws 26.

Wenn das Rohr 22 die gleiche Wärmedehnzahl wie das Rohr 23 und die Bolzen 26 hat, sind Festigkeit und Dichtigkeit der Verbindung von Temperaturänderungen unbeeinflußt. Wenn jedoch das Rohr 23 und die Schraube 26 beispielsweise aus Stahl bestehen, das Rohr 22 jedoch aus Graphit gefertigt ist, dann wird, wenn sich die Temperatur der Verbindung um d T ändert, die Stoßfläche des Graphitrohres 22 dazu neigen, sich relativ zur Stoßfläche des Stahlrohres 23 axial zu bewegen, und zwar um d - (a, - a8) A T, wobei d der Abstand zwischen den Ebenen X-X und Y-Y und a, und cag die Wärmedehnzahlen von Stahl bzw. Graphit sind, und die Verbindung wird sich lösen.If the tube 22 has the same coefficient of thermal expansion as the tube 23 and the bolts 26 , the strength and tightness of the connection are unaffected by temperature changes. However, if the pipe 23 and screw 26 are made of steel, for example, but the pipe 22 is made of graphite, then if the temperature of the joint changes by d T , the abutment surface of the graphite pipe 22 will tend to move relative to the abutment surface of the Steel pipe 23 to move axially, namely by d - (a, - a8) AT, where d is the distance between the planes XX and YY and a, and cag are the thermal expansion coefficients of steel or graphite, and the connection will loosen.

Bei der in F i g. 2 dargestellten Verbindung ist das Rohr 22' mit dem Flansch 24' aus Graphit hergestellt, während das Rohr 23' mit dem Flansch 25' sowie die Schrauben 26' aus Stahl gefertigt sind. Bei dieser Verbindung wird die vorerwähnte Neigung zu einer axialen Bewegung durch Verminderung des Abstandes d auf Null aufgehoben, da die Stoßfläche Y-Y und die Klemmdruckfläche X-X in F i g. 1 in der Ebene C-C von F i g. 2 zusammenfallen.In the case of the in FIG. 2, the pipe 22 'with the flange 24' is made of graphite, while the pipe 23 'with the flange 25' and the screws 26 'are made of steel. In this connection, the aforementioned tendency to axial movement is canceled by reducing the distance d to zero, since the abutment surface YY and the clamping pressure surface XX in FIG. 1 in the plane CC of FIG. 2 coincide.

F i g. 3 veranschaulicht eine Ausführungsform, bei welcher der Flansch am Graphitrohr zweckmäßiger hergestellt ist als der einstückige Flansch 24' in F i g. 2 und bei welcher die Stoßfläche des Graphitrohres zum Zwecke des Läppens leichter zugänglich ist. In F i g. 3 treffen die geläppten Stoßflächen eines Graphitrohres 1 und eines Stahlrohres 7 in einer Ebene A-A zusammen. Das Stahlrohr 7 weist nahe seinem Ende einen Flansch 6 auf, während sich nahe dem Ende des Graphitrohres 1 eine ringförmige Vertiefung 9 befindet. Eine zweiteilige Graphit-Innenbüchse 4, wird im Eingriff mit einer Ringnut 9 von einer Graphit-Außenbüchse 3 gehalten, welche auf dem Rohr 1 gleiten kann. Die Außenbüchse 3 übt einen Axialdruck auf die Innenbüchse 4 in der Fläche 10 aus. Die Innenbüchse 4 überträgt diesen Druck auf das Rohr 1 in der Fläche 11. Außen um die Außenbüchse 3 verläuft ein Ringbund 22 mit einer in der Ebene A A liegenden Stützfläche 12. Auf den Ringbund 22 wird von einer Klemmeinrichtung, bestehend aus einem Stahl-Klemmring 5, welcher sich gegen die Stützfläche 12 legt, und aus Stahlschrauben 8, die durch Löcher im Flansch 6 hindurchgehen, ein Druck ausgeübt.F i g. 3 illustrates an embodiment in which the flange on the graphite tube is made more convenient than the one-piece flange 24 ' in FIG. 2 and in which the joint surface of the graphite tube is more easily accessible for the purpose of lapping. In Fig. 3, the lapped abutment surfaces of a graphite tube 1 and a steel tube 7 meet in a plane AA. The steel tube 7 has a flange 6 near its end, while an annular recess 9 is located near the end of the graphite tube 1. A two-part graphite inner liner 4 is held in engagement with an annular groove 9 by a graphite outer liner 3 which can slide on the tube 1. The outer sleeve 3 exerts an axial pressure on the inner sleeve 4 in the surface 10 . The inner liner 4 transmits this pressure to the tube 1 in the surface 11. On the outside of the outer liner 3 there is an annular collar 22 with a support surface 12 lying in the plane AA . A clamping device consisting of a steel clamping ring 5 , which rests against the support surface 12 , and exerted a pressure from steel screws 8 which pass through holes in the flange 6.

Wenn angenommen wird, daß die Verbindung bei Raumtemperatur mit der vorgeschriebenen Vorspannung angezogen ist, so werden sich beim Erhitzen die Stahlteile der Verbindung, Rohr 7, Schrauben 8 und Ring 5, die alle etwa die gleiche Wärmedehnzahl haben müssen, mehr ausdehnen als die Graphitteile. Da sich jedoch der Ring 5 auf der Stützfläche 22 des Ringbundes 12 in der gleichen Ebene A-A abstützt, in welcher die geschliffenen Rohrenden aufeinandertreffen, ist die Anordnung in ihrer Wirkung die gleiche wie die von F i g. 2, und es besteht keine Veranlassung, daß die Stoßflächen sich trennen.If it is assumed that the connection is tightened with the prescribed preload at room temperature, the steel parts of the connection, tube 7, screws 8 and ring 5, which must all have approximately the same thermal expansion coefficient, expand more than the graphite parts when heated. However, since the ring 5 is supported on the support surface 22 of the annular collar 12 in the same plane AA in which the ground pipe ends meet, the effect of the arrangement is the same as that of FIG. 2, and there is no reason for the abutment surfaces to separate.

Nach F i g. 4 weisen die Rohre 13 und 14, welche aus dem gleichen Werkstoff (beispielsweise Graphit) oder aus zwei Werkstoffen mit verschiedenen Wärmedehnzahlen bestehen können, geläppte Stoßflächen auf, welche in einer Ebene B-B aneinanderstoßen. Die Flansche 15 bzw. 16 bestehen mit den Rohren aus einem Stück und sind in Umfangsrichtung so unterbrochen, daß jeweils drei 60°-Sektoren gebildet werden, welche durch 60°-Ausnehmungen voneinander getrennt sind. Dadurch können die Flansche, wie dargestellt, ineinandergefügt werden. Der Anpreßdruck wird auf die Rückseiten beider Flansche in der Ebene B-B über Flächen 17 und 18 durch Stahl-Klemmringe 19 bzw. 20 ausgeübt, welche von Stahlschrauben 21 zusammengehalten werden. Bei dieser Anordnung haben temperaturbedingte Längenänderungen beider Rohre gegenüber den Stahlschrauben und Klemmringen keinen Einfluß auf die Dichtkraft zwischen den Stoßflächen der Rohre.According to FIG. 4, the tubes 13 and 14, which can consist of the same material (for example graphite) or of two materials with different thermal expansion coefficients, have lapped abutment surfaces which abut one another in a plane BB. The flanges 15 and 16 are made in one piece with the tubes and are interrupted in the circumferential direction so that three 60 ° sectors are formed, which are separated from one another by 60 ° recesses. This allows the flanges to fit into one another as shown. The contact pressure is exerted on the rear sides of both flanges in the plane BB via surfaces 17 and 18 by steel clamping rings 19 and 20 , which are held together by steel screws 21 . With this arrangement, temperature-related changes in length of both pipes compared to the steel screws and clamping rings have no effect on the sealing force between the joint surfaces of the pipes.

Für den wirksamen Einsatz der erfindungsgemäßen Flanschverbindungen ist es erforderlich, daß alle Teile der Verbindungen im Betrieb untereinander die gleiche Temperatur aufweisen. Es sollte deshalb der Einbau so vorgenommen werden, daß für einen möglichst guten Temperaturausgleich gesorgt ist. Außerdem sollten plötzliche Temperaturänderungen des in der Leitung strömenden Mediums vermieden werden, da hierdurch das Temperaturgleichgewicht in den Verbindungen gestört wird. Auch werden durch die Erfindung relative Radialbewegungen der Stoßflächen nicht verhindert. Diese Radialbewegungen sind aber meist weniger schwerwiegend als die Axialbewegungen, welche große Leckverluste bewirken können. Die erfindungsgemäße Flanschverbindung ist auch anwendbar zum Befestigen eines Deckels auf einer Behälteröffnung oder für den Anchluß eines Rohres an einen Behälter.For the effective use of the flange connections according to the invention it is necessary that all parts of the connections in operation with each other the have the same temperature. The installation should therefore be carried out in such a way that that the best possible temperature compensation is provided. Also should sudden temperature changes of the medium flowing in the line avoided as this disturbs the temperature equilibrium in the connections. The invention also does not prevent relative radial movements of the abutment surfaces prevented. However, these radial movements are usually less severe than that Axial movements, which can cause large leakage losses. the Flange connection according to the invention can also be used for fastening a cover on a container opening or for connecting a pipe to a container.

Claims

Claims: 1. Flange connection between two high in operation Temperatures exposed pipes with different thermal expansion coefficients, which are at a flat surface and their flanges by screws or clamping devices with the same coefficient of thermal expansion as one of these pipes are held together, thereby characterized in that the screws or clamping devices are attached to the flange of the support the other pipe in the plane determined by the joint surface of the two pipes.

2. Flange connection between two pipes which are exposed to high temperatures during operation and which collide on a flat surface and whose flanges are connected by a clamping device having a different thermal expansion coefficient than the two pipes, characterized in that the clamping device (19, 20) is attached to the flanges of both Pipes supported in the plane determined by the abutment surface of the pipes, each of the flanges (15, 16) being interrupted in the circumferential direction, the remaining sectors of one flange engage in the gaps of the other flange and those consisting of rings (1920) with corresponding inner sectors Clamping device rests on the rear sides (17, 18) of the flange sectors in said plane (BB) (FIG. 4). References considered: British Patent Nos. 708 263, 718 625; French Patent Nos. 501050, 732 842; U.S. Patent No. 2,695,184.