DE19706889C2 - Dichtungsanordnung für eine Flanschverbindung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Dichtungsanordnung für eine Flanschverbindung, mit einem Stützring aus duktilem, zeit­ standfestem metallischen Werkstoff und beidseitigen Weichstoffauflagen, wobei der Stützring an seinem radial inneren und äußeren Rand Kammerungswülste aufweist, die Aufnahmeräume für die im Einbauzustand plastisch ver­ formten Weichstoffauflagen begrenzen. - Bevorzugter Werkstoff des Stützrings sind austenitische Edelstähle. Die Weichstoffauflagen bestehen beispielsweise aus flexiblem Graphit, PTFE, verpreßten Faserstoffen, Blei, Aluminium, Feinsilber und dergleichen.

Eine Dichtungsanordnung des beschriebenen Aufbaus ist aus DE-C 36 23 310 bekannt. In der Praxis wird diese Dich­ tungsanordnung auch in eine Ausführung eingesetzt, die ei­ nen Stützring mit einer an der äußeren Umfangsfläche um­ laufenden Ringnut aufweist. Bei dieser Ringnut handelt es sich um einen Zentrierungseinstich geringer Tiefe zur Auf­ nahme eines ringförmigen Bleches, welches den Stützring an den Flanschschrauben der Flanschverbindung zentriert. Der ringförmige Zentrierungseinstich beschränkt sich auf den Bereich der Kammerungswülste und leistet keinen Bei­ trag zur Funktion der Dichtungsanordnung im eingebauten Zustand.

Die durch randseitige Flanschschrauben aufgebrachten Spannkräfte einer Flanschverbindung bewirken eine Nei­ gung der gegeneinander verspannten Flansche. Gemäß einer Richtlinie der Arbeitsgemeinschaft Druckbehälter (AD- Merkblatt B8) wird eine Flanschblattneigung bis zu einem Winkelgrad beider Flansche toleriert. Aufgrund der Flanschblattneigung tritt am äußeren Umfang der Dich­ tungsanordnung jedoch eine erhöhte und störende Kanten­ pressung auf, die einerseits die Dichtungsfunktion der Dich­ tungsanordnung beeinträchtigt und andrerseits auch eine Beschädigung der Flanschflächen verursachen kann. Die Flanschblattneigung führt am innenseitigen Umfang der Dichtungsanordnung ferner zu einem Klaffen, also zu einem Spalt zwischen der Dichtungsanordnung und den angren­ zenden Flanschflächen. Je nach Flanschsteifigkeit und Dich­ tungsbreite können sich Spalträume zwischen wenigen zehntel Millimetern und ein bis zwei Millimetern ergeben. Bei starker Flanschblattneigung und breiten Dichtungsan­ ordnungen ist eine ausreichende Kammerung des Weich­ stoffes am innenseitigen Umfang der Dichtungsanordnung nicht mehr gewährleistet. Der zwischen den Kammerungs­ wülsten fixierte Weichstoff kommt mit dem in der Rohrlei­ tung geführten Medium in Berührung, wobei das Medium durch den Kontakt mit dem Dichtungsmaterial verunreinigt werden kann und das Dichtungsmaterial einem chemischen Angriff des Mediums ausgesetzt ist. Bei hohen Temperatu­ ren muß beispielsweise bei Verwendung von Graphit als Weichstoff eine Sauerstoffkorrosion des Dichtungsmaterials in Betracht gezogen werden. Die unzureichende Kamme­ rung des Weichstoffes bei einer Flanschblattneigung be­ grenzt in der Praxis daher auch die zulässigen Temperatu­ ren.

Für eine Dichtungsanordnung mit einem Kammdich­ tungselement ist zur Verbesserung der Weichstoffkamme­ rung vorgeschlagen worden, den Innenzahn des Kammer­ dichtungselementes mit einer größeren Höhe auszubilden als den Außenzahn, wobei die Höhendifferenz an die Flanschblattneigung angepaßt ist (DE 41 39 453 A1). Diese Maßnahme ist in der Praxis nur schwer realisierbar, denn die sich einstellende Flanschblattneigung ist abhängig von der Flanschsteifigkeit sowie der Anzugskraft der Flansch­ schrauben. Schließlich muß bei der Bemessung der unter­ schiedlichen Zahnhöhen die Ringbreite des Stützringes be­ rücksichtigt werden. Eine Standardisierung der Dichtungs­ anordnung ist nicht möglich. Vielmehr muß für jeden Ein­ satzfall eine besondere Bemessung vorgenommen werden, um die angestrebte gute Kammerung des Weichstoffs zwi­ schen Innenzahn und Außenzahn zu gewährleisten.

Ausgehend von der vorstehend erläuterten Problematik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Dichtungs­ anordnung der eingangs beschriebenen Art so weiter auszu­ bilden, daß bei einer Flanschblattneigung der gegeneinander verspannten Flansche keine die Dichtungsfunktion beein­ trächtigende Abweichung der Flächenpressung von einem vorgegebenen Druckspannungsverlauf auftritt. Außerdem wird eine perfekte Kammerung des zwischen den Kamme­ rungswülsten gehaltenen plastifizierten Weichstoffs ange­ strebt.

Zur Lösung dieser Aufgabe lehrt die Erfindung, daß die an der äußeren Umfangsfläche des Stütz rings umlaufende Ringnut sich radial in den die Weichstoffauflage tragenden Kernbereich des Stützrings zwischen den äußeren Kamme­ rungswülsten einerseits und den inneren Kammerungswül­ sten andererseits hinein erstreckt und als Entlastungsnut der­ gestalt bemessen ist, daß die axiale Dicke des Stützrings dich im Bereich der plastisch verformten Weichstoffaufla­ gen innerhalb vorgegebener Toleranzen an eine Flansch­ blattneigung der durch Schrauben gegeneinander verspann­ ten Flansche der Flanschverbindung anpaßt. Vorzugsweise beträgt die radiale Tiefe der Entlastungsnut 1/6 bis 1/3 der Stützringbreite. Bei auftretender Flanschblattneigung läßt die Entlastungsnut eine Verformung des Stützrings zu, die zumindest teilweise elastisch ist. Bei der Verwendung eines austenitischen Stahls können im Bereich des Nutengrundes zusätzliche Kaltverfestigungseffekte auftreten. An den Ringbereich, der die Entlastungsnut enthält, schließt ein mittlerer Arbeitsbereich des Stützrings an, der eine Dicht­ zone hoher Flächenpressung bildet und zur Aufnahme die­ ser hohen Stützkräfte als Massivteil ausgebildet ist.

Die Entlastungsnut ist zweckmäßig in der mittleren axialen Schnittebene des Stützrings angeordnet, wobei die axiale Nutbreite der Entlastungsnut so bemessen ist, daß die Verformung des Stützrings eine maximale Flanschblattnei­ gung beider Flansche um jeweils 1 Grad zur axialen Schnitt­ ebene aufnimmt.

In weiterer Ausgestaltung lehrt die Erfindung, daß an der inneren Umfangsfläche des Stützrings ebenfalls eine ring­ förmig umlaufende Entlastungsnut vorgesehen ist, die sich radial in den Kernbereich des Stützrings hinein erstreckt. Die radiale Tiefe der inneren Entlastungsnut beträgt vor­ zugsweise ebenfalls 1/6 bis 1/3 der Stützringbreite. Bei auf­ tretender Flanschblattneigung ermöglicht die innenseitige Entlastungsnut eine teilelastische Verformung des Stütz­ rings randinnenseitig, die einem Klaffen auf der Innenseite entgegenwirkt. Die an der inneren Umfangsfläche des Stütz­ rings angeordnete Entlastungsnut trägt zu einer perfekten Kammerung des Weichstoffs bei, wobei die inneren und äu­ ßeren Kammerungswülste gleiche Abmessungen aufweisen können.

Bei der erfindungsgemäßen Dichtungsanordnung können die Flächen der von den Kammerungswülsten begrenzten Aufnahmeräume auf verschiedene Weise gestaltet sein. Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung, die zu sehr de­ finierten Druckverhältnissen in der Dichtungsanordnung insgesamt führt, sieht vor, daß der Aufnahmeraum für die Weichstoffauflage eine glatte, ballig gewölbte Auflagefläche aufweist. Darunter soll auch eine Ausführung fallen, bei der die ballige Auflagefläche durch ebene Flächenstücke ange­ nähert ist.

Im Rahmen der Erfindung liegt es, in die Entlastungsnut der äußeren Umfangsfläche ein Zentrierungsringblech ein­ zusetzen, welches die Montage der Dichtungsanordnung er­ leichtert. Erfindungsgemäß ist das Zentrierungsringblech mit Axialspiel in die Entlastungsnut eingelegt, wobei das Axialspiel die an die Flanschblattneigung angepaßte Verfor­ mung des Stützrings zuläßt.

Im folgenden wird die Erfindung anhand einer lediglich ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung ausführ­ lich erläutert. Es zeigen schematisch:

Fig. 1 einen Schnitt durch eine in eine Flanschverbindung eingesetzte Dichtungsanordnung,

Fig. 2 eine weitere Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Dichtungsanordnung, ebenfalls im Schnitt und im eingebau­ ten Zustand,

Fig. 3 eine Dichtungsanordnung gemäß Fig. 2 vor dem Einbau in eine Flanschverbindung,

Fig. 4 die in Fig. 3 dargestellte Dichtungsanordnung nach dem Einbau in eine Flanschverbindung, teilweise kompri­ miert,

Fig. 5 die in Fig. 3 dargestellte Dichtungsanordnung nach dem Einbau in eine Flanschverbindung, auf das Endmaß komprimiert,

Fig. 6 die in Fig. 3 dargestellte Dichtungsanordnung nach dem Einbau in eine Flanschverbindung, auf das Endmaß komprimiert und bei zusätzlich auftretender Flanschblatt­ neigung.

Zum grundsätzlichen Aufbau der in den Figuren darge­ stellten Dichtungsanordnung gehören ein Stützring 1 aus duktilem, zeitstandfestem metallischen Werkstoff, beispiels­ weise einem austenitischen Stahl, und beidseitigen, pla­ stisch verformbaren Weichstoffauflagen 2. Bei den Weich­ stoffauflagen mag es sich um Graphit, PTFE, einen verpreß­ ten Faserstoffring, Aluminium, Feinsilber oder dergleichen handeln. Der metallische Stützring 1 weist an seinem radial inneren und äußeren Rand Kammerungswülste 3, 3' auf, die Aufnahmeräume für die im Einbauzustand plastisch ver­ formten Weichstoffauflagen begrenzen. Die Kammerungs­ wülste 3, 3' sind in den Figuren mit gerundeten Kanten ver­ sehen. Auf die Funktion der Dichtungsanordnung hat die Form der Kammerungswülste 3, 3' keinen Einfluß. Es sind z. B. dreieckige und rechteckige Kammerungswülste ein­ setzbar.

Den Figuren entnimmt man, daß an der äußeren Um­ fangsfläche 4 des Stützrings 1 eine umlaufende Ringnut 5 vorgesehen ist, die sich radial in den die Weichstoffauflage 2 tragenden Kernbereich A des Stützrings 1 erstreckt. Kernbe­ reich A bezeichnet den Abschnitt des Stützrings 1 zwischen den äußeren Kammerungswülsten 3 einerseits und den inne­ ren Kammerungswülsten 3' andererseits. Die Ringnut 5 ist als Entlastungsnut dergestalt bemessen, daß die axiale Dicke B des Stützrings 1 sich im Bereich der plastisch verformten Weichstoffauflagen 2 innerhalb vorgegebener Toleranzen an eine Flanschblattneigung der durch Schrauben 6 gegenein­ ander verspannten Flansche 7 der Flanschverbindung an­ paßt. Die radiale Tiefe a der Entlastungsnut 5 beträgt 1/6 bis ein 1/3 der Stützringbreite C. Die axiale Nutbreite b der Ent­ lastungsnut 5 ist so bemessen, daß die Verformung des Stützrings 1 eine maximale Flanschblattneigung beider Flansche um jeweils 1 Grad zur axialen Schnittebene 8 auf­ nimmt.

Die Aufnahmeräume für die Weichstoffauflagen weisen eine glatte, ballig gewölbte Auflagefläche 9 auf, die durch ebene Flächenstücke angenähert sein kann.

Bei der in Fig. 2 dargestellten Ausführung der erfindungs­ gemäßen Dichtungsanordnung ist an der inneren Umfangs­ fläche 10 des Stützrings 1 ebenfalls eine ringförmig umlau­ fende Entlastungsnut 5' vorgesehen, die sich radial in den Kernbereich A des Stützrings 1 hinein erstreckt und deren radiale Nuttiefe a' ebenfalls ein 1/6 bis 1/3 der Stützring­ breite C beträgt. Nimmt die Flächenpressung in dem der in­ neren Entlastungsnut 5' zugeordneten Ringbereich des Stützringes 1 aufgrund einer der Spannung der Flanschblatt­ schrauben 6 auftretenden Flanschblattneigung ab, so federt der zumindest teilelastisch verformte Ringbereich nach und verhindert auf diese Weise ein Klaffen zwischen Flanschflä­ che und Dichtungsanordnung.

Die Funktion der erfindungsgemäßen Dichtungsanord­ nung wird im folgenden anhand der Fig. 3 bis 6 näher erläu­ tert. Die Fig. 3 zeigt die Dichtungsanordnung im Lieferzu­ stand. Der metallische Stützring 1 weist eine an den Kam­ merungswülsten 3, 3' gemessene axiale Dicke B und eine et­ was geringere maximale Dicke B' im Kernbereich A auf. Oberseitig und unterseitig sind ringscheibenförmige Weich­ stoffauflagen 2 angeordnet. Die Materialmenge der Weich­ stoffauflagen 2 ist so bemessen, daß die Weichstoffauflagen nach ihrer Plastifizierung und ggf. Komprimierung die zu­ geordneten Aufnahmeräume zwischen den Kammerungs­ wülsten 3, 3' ausfüllen. Die Dicke der Weichstoffauflagen im Lieferzustand und ihre Kompressibilität bestimmen die erforderliche Differenz der Dicke B der Kammerungswülste im Lieferzustand und der Dicke B' des Kernbereichs A.

Die Fig. 4 bis 6 zeigen die Verformung der Dichtungsan­ ordnung nach deren Einbau in eine Flanschverbindung, wo­ bei aus Gründen der Übersichtlichkeit lediglich die Flansch­ flächen der Flansche 7 angedeutet worden sind. In Fig. 4 sind die Weichstoffauflagen 2 durch Spannen der Flansch­ verbindung bereits plastisch verformt, wobei die Dichtungs­ anordnung jedoch noch nicht auf das für die Dichtungswir­ kung erforderliche Endmaß komprimiert worden ist. Die sich bei der Teilkomprimierung einstellende Dicke D der Dichtung weist gegenüber der im Lieferzustand an den Kammerungswülsten gemessenen Dicke B des metallischen Stützringes ein geringes Übermaß, z. B. von einigen zehntel Millimetern, auf. In dem dargestellten Lastzustand haben die Entlastungsnuten 5, 5' noch ihre ursprüngliche Breite b und ist auch eine Flanschblattneigung noch nicht aufgetre­ ten.

Bei dem in Fig. 5 dargestellten Lastzustand ist die Dich­ tungsanordnung auf das für die Dichtungswirkung erforder­ liche Endmaß komprimiert worden, wobei die im Kernbe­ reich gemessene maximale Dicke D' der Dichtung kleiner oder höchstens gleich groß ist als die an den Kammerungs­ wülsten 3, 3' gemessene axiale Dicke B des Stützrings 1 im Lieferzustand. Unter der zunehmenden Flächenpressung verformen sich die Entlastungsnuten 5, 5', wobei das Auf­ nahmevolumen der von den Kammerungswülsten 3, 3' ge­ kapselten Aufnahmeräume durch die zum Rand des Stütz­ rings 1 abnehmende Breite b der Entlastungsnuten 5, 5' kon­ stant bleibt.

In Fig. 6 ist der in Fig. 5 dargestellte Lastzustand darge­ stellt, jedoch bei zusätzlich auftretender Neigung der Flanschflächen 7. Die Flächenpressung in dem der inneren Entlastungsnut 5' zugeordneten Ringbereich nimmt auf­ grund der Flanschblattneigung ab, wobei der zumindest tei­ lelastisch verformte Ringbereich zurückfedert und auf diese Weise ein Klaffen zwischen der Flanschfläche 7 und der Dichtungsanordnung verhindert. In Fig. 6 ist eine nach au­ ßen konvergierende Flanschblattneigung dargestellt. Auch nach innen konvergierende Flanschblattneigungen sind möglich, wenn Rohre und Flansche beispielsweise aus me­ tallischen Werkstoffen mit unterschiedlichen Ausdehnungs­ koeffizienten bestehen und starke Temperaturgradienten in der Flanschverbindung in radialer Richtung auftreten. Auch derartige, nach innen konvergierende Flanschblattneigun­ gen werden von der erfindungsgemäßen Dichtungsanord­ nung ohne weiteres aufgenommen.

In die Entlastungsnut 5 der äußeren Umfangsfläche 4 ist ein Zentrierungsringblech 11 einlegbar (vgl. Fig. 1 und 2). Das Einlegen erfolgt mit ausreichendem Axialspiel, welches die an die Flanschblattneigung angepaßte Verformung des Stützrings 1 zuläßt. Es versteht sich, daß das Zentrierungs­ ringblech 11 geteilt ausgebildet ist und die Verbindung der beiden Ringhälften nach dem Einlegen der Hälften in die Entlastungsnut 5 erfolgt. Das Zentrierungsringblech 11 liegt einerseits am Nutgrund der Entlastungsnut 5 und anderer­ seits an den Flanschschrauben 6 an und erleichtert den lage­ genauen Einbau der Dichtungsanordnung im Zuge der Mon­ tage der Flanschverbindung.

Claims (7)

1. Dichtungsanordnung für eine Flanschverbindung, mit
einem Stützring (1) aus duktilem, zeitstandfestem me­ tallischen Werkstoff und
beidseitigen Weichstoffauflagen (2),
wobei der Stützring (1) an seinem radial inneren und äußeren Rand Kammerungswülste (3, 3') aufweist, die Aufnahmeräume für die im Einbauzustand plastisch verformten Weichstoffauflagen (2) begrenzen, und wo­ bei an der äußeren Umfangsfläche (4) des Stützrings (1) eine umlaufende Ringnut (5) vorgesehen ist, da­ durch gekennzeichnet, daß die Ringnut (5) sich radial in den die Weichstoffauflage (2) tragenden Kernbe­ reich (A) des Stützrings (1) zwischen den äußeren Kammerungswülsten (3) einerseits und den inneren Kammerungswülsten (3') andererseits hinein erstreckt und als Entlastungsnut dergestalt bemessen ist, daß die axiale Dicke (B) des Stützrings (1) ich im Bereich der plastisch verformten Weichstoffauflagen (2) innerhalb vorgegebener Toleranzen an eine Flanschblattneigung der durch Schrauben (6) gegeneinander verspannten Flansche (7) der Flanschverbindung anpaßt.

2. Dichtungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die radiale Tiefe (a) der Entlastungs­ nut (5) 1/6 bis 1/3 der Stützringbreite (C) beträgt.

3. Dichtungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, da­ durch gekennzeichnet, daß die Entlastungsnut (5) in der mittleren axialen Schnittebene (8) des Stützrings (1) angeordnet ist und die axiale Nutbreite (b) der Ent­ lastungsnut (5) so bemessen ist, daß die Verformung des Stützrings (1) eine maximale Flanschblattneigung beider Flansche um jeweils 1 Grad zur axialen Schnitt­ ebene (8) aufnimmt.

4. Dichtungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß an der inneren Um­ fangsfläche (10) des Stützrings (1) ebenfalls eine ring­ förmig umlaufende Entlastungsnut (5') vorgesehen ist, die sich radial in den Kernbereich (A) des Stützrings (1) hinein erstreckt.

5. Dichtungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die inneren und äu­ ßeren Kammerungswülste (3, 3') gleiche Abmessungen aufweisen.

6. Dichtungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Aufnahmeraum für die Weichstoffauflage (2) eine glatte, ballig ge­ wölbte Auflagefläche (9) aufweist.

7. Dichtungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß in die Entlastungs­ nut (5) der äußeren Umfangsfläche (4) ein Zentrie­ rungsringblech (11) mit Axialspiel eingelegt ist, wobei das Axialspiel die an die Flanschblattneigung ange­ paßte Verformung des Stützrings (1) zuläßt.