DE19711580A1

DE19711580A1 - Schnellverschluß-Flansche in Leichtbauweise für den Einsatz im Überdruckbereich

Info

Publication number: DE19711580A1
Application number: DE1997111580
Authority: DE
Inventors: Torsten Bolik
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1997-03-20
Filing date: 1997-03-20
Publication date: 1998-09-24

Description

Flansche zählen zu den weitaus am häufigsten benutzten, lösbaren Verbindungselementen zwischen Apparate-, Rohrleitungs- und Maschinenteilen. Grundvoraussetzung ist eine hinreichende Festigkeit, Formbeständigkeit und Dichtheit der Verbindung. Im Rahmen dieser Forderungen sollen sie wirtschaftlich sein.

Der in der terrestrischen Anwendung verbreitetste Flansch wird auf der einen Seite mit den zusammenzufügenden Bauteilen fest (geschweißt) verbunden. Auf der anderen Seite werden die Flansche in der Regel mit über zwischenliegende axiale Dichtelemente gegeneinander mittels Schrauben verspannt (siehe Fig. 1).

Gerade im Rahmen von Anwendungen aus dem Bereich der Luft- und Raumfahrttechnik wird das beschriebene Anforderungsprofil von Flanschsystemen durch die Forderung an eine besondere Leichtbauweise erweitert.

Des weiteren stellen die Aufgaben aus den Bereichen der wissenschaftlichen Forschung an orbitalen wie bodengebundenen Einrichtungen Anforderungen an Handhabungstechnik und Betriebssicherheit. Erheblich verkürzte Montagezeiten durch Schnellverschlußsysteme stellen somit auch für die terrestrische Industrie und Forschung einen wirtschaftlich interessanten Aspekt dar.

Da mit den beschriebenen Qualifikationen keine genormten und standardisierten Flansche erhältlich sind, sind anwendungsspezifische Neukonstruktionen und aufwendige Einzel zulassungen notwendig. Dieses Marktsegment soll der Überdruck-Schnellverschlußverbindung in Leichtbauweise füllen.

Schnellverschluß-Überdruckflansch

Aus der Entwicklung eines Druckbehälters (P = 100 bar) mit dem Nenndurchmesser DN 175 mm ging eine gewichtssparende Sonderkonstruktion hervor.

Aufgrund der einsatzbedingten häufigen Nutzung soll dabei der Zugang einfach und schnell möglich sein. Als Ergebnis dieser Arbeit wurde ein ca. 15 kg schwerer Hochdruck- Schnellverschluß konzipiert.

Dabei sollen zwei Vorschweißflansche durch 12 Klauen-Ringsegmente formschlüssig die axiale Last aufnehmen. Beide Flansche werden somit nicht axial mit eingelegtem Dichtring vorgespannt, sondern radial mit einem Quadring gedichtet.

Die Klauen werden radial durch ein Spannband umgeben, welches über einen keilförmigen Spannring oder eine ähnliche Spannvorrichtung (z. B. eine Feder) eine geringe positive Axial- Vorspannung aufbringen kann. Diese geringe Vorspannung dient lediglich dazu, im drucklosen Zustand eine Spielfreiheit der beiden Druckbehälterhälften zu gewährleisten (siehe Fig. 2).

Die geringe Flanschblattbreite mit der resultierenden Verringerung der eingebrachten Biege spannungen erlaubt die Umsetzung einer materialsparenden Leichtbauweise. Für den Flansch können alle gängigen Rohrwerkstoffe eingesetzt werden, lediglich die Belastung der Ringsegmente erfordert die Verwendung von vergütetem Stahl.

Ein Nebeneffekt durch die Verwendung des radialen Dichtprinzips ist der Schutz der Dichtflächen und Dichtelemente im demontierten Zustand. Dies stellt bei Schnellverschlußsystemen mit definitionsmäßig häufiger Handhabung und Lagerung im demontierten Zustand einen wichtigen Aspekt bezüglich der Funktionssicherheit und Wirtschaftlichkeit dar.

In einer Weiterentwicklung zum Einsatz im allgemeinen terrestrischen Apparate- und Anlagenbau sollte der Innendurchmesser bündig angeglichen und ein Spannbandverschluß mit Zwangsentlüftung (Sicherheitsaspekt) konstruiert werden. Für die Nenndrücke von 10, 16, 25, 40, 64 und 100 bar sollen für die 19 gängigen Nennweiten von 10 bis 500 mm standardisierte Flansche erarbeitet werden.

Das Flanschsystem soll durch seine materialsparende Leichtbauweise und seiner einfachen Handhabung mit kurzen Montagezeiten für breite Anwendungen der Überdrucktechnik dem Dampfkessel-, Behälter- und Rohrleitungsbau zur Verfügung gestellt werden. Das System hat das Potential, mittelfristig die bestehenden Flanschsysteme für beschriebene Anwendungen abzulösen. Geringfügig höhere Gestehungskosten stehen dabei einem weitaus wirtschaftlichen Betrieb entgegen.

Das beschriebene Flanschsystem weicht komplett von herkömmlichen Flanschsystemen und damit auch von etablierten Berechnungsverfahren ab. Entsprechend den von der Arbeitsgemeinschaft Druckbehälter erstellten AD-Merkblätter, den entsprechenden Gesetzen und nicht zuletzt dem TÜV sollen Genehmigungs- und Zulassungsverfahren angestrebt werden. Das Flanschsystem soll damit zum Stand der Technik qualifiziert werden.

Stand der Technik

Nach DIN 2637 beträgt das theoretische Gewicht eines DN 175 (PN 100) Flansches 39,5 kg. Zwei dieser Flanschhälften plus das Gewicht der Schrauben summieren sich zu über 80 kg. Der vergleichbare Schnellverschluß-Überdruckflansch hat ein Gewicht von nur 16 kg (siehe Fig. 3). Die Entwicklung der Hochdrucktechnik hat neben den allgemein bekannten Flanschsystemen zu verschiedenen Verschlußkonstruktionen geführt. Dem nachfolgenden Bild können die wesentlichen Konstruktionsmerkmale bereits existierender Verschlußkonstruktionen entnommen werden.

Die wichtigsten Bauprinzipien (E. Klapp. Apparate und Anlagentechnik. Berlin, Heidelberg, New York: Springer, 1980) sind in Fig. 4 dargestellt.

Gemein haben diese Flanschsysteme, daß zur Kraftumleitung und Gewährleistung der Dichtheit Schraubverbindungen genutzt werden. Nachteile bekannter Flanschsysteme sind ihr hohes Eigengewicht und ein zumeist großer Montageaufwand.

Flanschsysteme mit einer radialen Dichtung im Nebenschluß mit einer Kraftumleitung durch Klammern ohne axiale Vorspannung sind nicht bekannt.

Zusammenfassung der Vorteile

- extrem kurze Montagezeiten durch Schnellverschlußsystem
- extreme Leichtbau-Entwicklung
- einfache und sichere Handhabungstechnik durch ein Spannschloß mit integrierter Zwangsentlüftung
- bessere Abdichtung mit äußerst niedriger Leckagerate im Vergleich mit Flachdichtungs systemen
- Ausführung als Vorschweißflansch
- fertigungsgerechte und ökonomische Konstruktion
- Auslegung bis zu einem maximalem Betriebsdruck von PN 100 bar
- 80% Gewichtsersparnis im Vergleich mit DIN-Flanschen
- standardisierte Flanschpalette für alle gängigen Nennweiten und Druckstufen
- durch radiale Dichtung kein Nachlassen der Dichtkräfte durch Setzen
- effektiver Dichtungsschutz gewährleistet Funktionssicherheit bei häufiger Montage
- zuverlässiger Spannbandverschluß mit Zwangsentlüftung (Sicherheitsaspekt)
- entwickelt für eine breite Anwendung in der Hochdrucktechnik des Dampfkessel-, Behälter- und Rohrleitungsbaus.

Claims

1. Die Schnellverschluß-Flansche in Leichtbauweise für den Einsatz im Überdruckbereich sind dadurch gekennzeichnet, daß bei radialer Dichtung die mehrteiligen Klauen- Ringsegmente die axiale Last formschlüssig aufnehmen, ohne daß dadurch das Ringsegment bei Druckbeaufschlagung eine radiale Kraft erfährt.

2. Die Vorrichtung nach Anspruch 1 ist dadurch gekennzeichnet, daß im drucklosen Zustand ein Vorspannungsvorrichtung eine positive Axialvorspannung aufbringt und die beiden Flanschhälften gegen den Formschluß der Klauen-Ringsegmentes auseinander drückt.

3. Die Vorrichtung nach Anspruch 1 ist dadurch gekennzeichnet, daß die Klauen- Ringsegmente durch ein ringförmiges Spannelement gehalten werden und beim Öffnen eine Zwangsentlüftung erfolgt.

4. Die Vorrichtung nach Anspruch 1 ist dadurch gekennzeichnet, daß eine notwendige Vorspannung durch ein Spannwerkzeug aufgebracht wird.

5. Die Vorrichtung nach Anspruch 1 ist dadurch gekennzeichnet, daß die Klauen- Ringsegmente ringförmig umgeben und verschlossen werden.

6. Die Vorrichtung nach Anspruch 1 ist dadurch gekennzeichnet, daß durch die Reduzierung der Flanschblattbreite und somit der wirksamen Biegespannungen den Leichtbau ermöglicht.

7. Die Vorrichtung nach Anspruch 1 ist dadurch gekennzeichnet, daß das radiale Dichtprinzip den Schutz der Dichtflächen und Dichtelemente im demontierten Zustand gewährleistet.