DE19726750A1

DE19726750A1 - Verbindung von Platten, insbesondere Flanschen, mit einer Schraube und einer Mutter

Info

Publication number: DE19726750A1
Application number: DE1997126750
Authority: DE
Inventors: Josef Kuboth
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1997-06-24
Filing date: 1997-06-24
Publication date: 1999-01-07
Anticipated expiration: 2017-06-25
Also published as: DE19726750C2

Description

Die Erfindung betrifft eine Verbindung von Platten, insbesondere Flanschen, mit einer Schraube und einer Mutter, wobei die Mutter direkt oder über eine Unterlegscheibe an der ersten Platte anliegt.

Derartige Schraubverbindungen sind weit verbreitet. Sie werden im Anlagenbau als lösbare Verbindungen zwischen einzelnen Bauteilen wie Behältern, Apparaten, Aggregaten und Armaturen und anderen Ausrüstungsteilen sowie Rohrleitungen eingesetzt und meist als Flanschverbindungen realisiert. Unter den verschiedenen Flanscharten wie Gewindeflansch, Bördelflansch oder Vorschweißflansch findet der Vorschweißflansch die häufigste Anwendung.

Eine Vorschweißflansch-Verbindung setzt sich aus folgenden Elementen zusammen: Schraube, Mutter, Unterlegscheibe, Unterflansch, Dichtung und Oberflansch.

Diese Schraubverbindung hat jedoch den Nachteil, daß bei einer Wärmeeinwirkung auf diese Verbindung sich die Schraube ausdehnt und dadurch die Flächenpressung der Verbindung vermindert wird. Die Gefahr einer Wärmeeinwirkung besteht jedoch bei vielen technischen Anlagen infolge einer Be- oder Unterfeuerung infolge von Leckagen brennbarer Stoffe und deren anschließende Entzündung. Durch die Dehnung der Schraube wird die für die Dichtheit der Verbindung erforderliche Flächenpressung der Flansche auf die Dichtung nicht mehr gewährleistet und es entstehen dadurch anfänglich relativ kleine, bei stärkerer Wärmeeinwirkung jedoch immer größer werdende Undichtigkeiten, die bei Rohrverbindungen ein Ausströmen des umschlossenen Mediums erlauben. Durch die Strömung wird in vielen Fällen die Dichtung beschädigt. Dabei brechen Stücke der Dichtung heraus und dies führt zu einer noch größeren Undichtigkeit der Verbindung. Insbesondere wenn brennbare Stoffe in Rohren oder Behältern geführt oder gelagert sind, können diese austreten und sich ebenfalls entzünden und somit den Schaden erhöhen.

Als Maßnahme gegen derartige Schäden ist als primäre Maßnahme zunächst die Vermeidung einer Unterfeuerung zu erwähnen. Da aber eine Unterfeuerung in einem verfahrenstechnischen Betrieb, in dem brennbare Flüssigkeiten gehandhabt werden nicht ausgeschlossen werden kann, müssen sekundäre Maßnahmen für die Dichtheit der von einer möglichen Unterfeuerung betroffenen Flansche sorgen.

Als sekundäre Maßnahmen wurde die Beschichtung oder Isolierung der Flansche mit verschiedenen Materialien vorgeschlagen. Dies hat jedoch den Nachteil, daß Korrosion an den Flanschen und daraus resultierende Leckagen nur schwer erkennbar sind. Mechanische Schutzeinrichtungen sind aufwendig im Aufbau und zumindest nach langjährigem Einsatz relativ unzuverlässig in ihrer Funktion.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Flanschverbindung vorzuschlagen, die möglichst einfach in ihrem Aufbau und ihrer Montage ist und auch bei Wärmeeinwirkung die erforderliche Mindestflächenpressung aufrechterhält.

Diese Aufgabe wird mit einer gattungsgemäßen Verbindung gelöst, bei der der Kopf der Schraube an einer ersten Stirnfläche einer inneren Hülse anliegt, die gegenüberliegende zweite Stirnfläche der inneren Hülse an einem Innenflansch einer äußeren Hülse anliegt und ein dem Innenflansch gegenüberliegender äußerer Flansch der äußeren Hülse an der zweiten Platte anliegt.

Der beschriebene Aufbau der ineinandergesteckten Hülsen führt dazu, daß die sich durch Wärmeeinwirkung ergebenden Dehnungskräfte der jeweiligen Teile so geführt und umgelenkt werden, daß die resultierende Klemmkraft der Schraubverbindung im wesentlichen gleichbleibt. Die erfindungsgemäße Schraubverbindung gewährleistet somit die erforderliche Mindestflächenpressung der verschraubten Teile auch dann, wenn diese Schraubverbindung durch Wärmeeinwirkung beeinträchtigt wird. Durch die spezielle Anordnung der einzelnen Komponenten der Verbindung wird die Kraft, die sich durch die Wärmeausdehnung ergibt so umgelenkt, daß sich nur unbedeutende Flächenpressungsänderungen der verschraubten Teile ergeben. Bei einer Flanschverbindung hat dies zur Folge, daß die Dichtheit der Verbindung auch bei Wärmeeinwirkung erhalten bleibt.

Die einzelnen Elemente sind so aufeinander abgestimmt, daß keine Möglichkeit besteht, die Elemente der Verbindung falsch zusammenzusetzen und dadurch ist eine einfache Montage vor Ort gewährleistet.

Verständlicherweise sollte bei Verwendung einer Dichtung zwischen den Flanschteilen eine hitzebeständige Dichtung verwendet werden, damit durch Wärmeeinfluß die Dichtung nicht beschädigt wird.

Vorteilhaft ist es, wenn die Wärmeausdehnungskoeffizienten und Längen von Schraube, innerer und äußerer Hülse so aufeinander abgestimmt sind, daß bei kürzerer Erwärmung der Abstand zwischen äußerem Flansch der äußeren Hülse und der Mutter im wesentlichen konstant bleibt.

Je nach verwendeten Materialien und der Dicke der zu verbindenden Platten bzw. Flansche werden die Komponenten so aufeinander abgestimmt, daß sich die Längenausdehnung der Schraubverbindung aufgrund der Wärmeeinwirkung durch die drei Kraftumlenkungen kompensiert.

Vorzugsweise sind die Wärmeausdehnungskoeffizienten und Längen von Schraube, innerer und äußerer Hülse so aufeinander abgestimmt, daß bei längerer Erwärmung der Abstand zwischen äußerem Flansch der äußeren Hülse und der Mutter im wesentlichen dem Abstand der Anlageflächen zwischen der Schraubverbindung und den Platten entspricht.

Bei kürzerer Wärmeeinwirkung wird die Wärme von den Flanschen abgeleitet und es entsteht keine wesentliche Dickenänderung an den Flanschen. Bei längerer Erwärmung erwärmen sich jedoch auch die Platten bzw. Flansche und es entsteht ein erhöhter Abstand zwischen den Anlageflächen der Schraubverbindung an den Platten. Dieser erhöhte Abstand wird vorzugsweise durch eine Längung der Schraubverbindung kompensiert.

Um ein Verklemmen der einzelnen Elemente der Schraubverbindung zu vermeiden, wird vorgeschlagen, daß die Durchmesser der Schraube, der inneren und der äußeren Hülse so bemessen sind, daß diese bei Wärmeausdehnung gegeneinander verschiebbar sind.

Obwohl beim Aufbau der Schraubverbindung besonderer Wert auf einen kompakten Aufbau gelegt wurde ist zu beachten, daß die Abstände zwischen den einzelnen Teilen der Schraubverbindung so groß gewählt werden, daß auch bei einer Ausdehnung der Teile infolge einer Wärmeausdehnung eine Verschiebbarkeit der Komponenten zueinander gewährleistet bleibt.

Da die innere Hülse sowohl die Wärmeausdehnung der äußeren Hülse als auch der Schraube kompensieren muß, wird vorgeschlagen, daß die innere Hülse aus einem anderen Werkstoff hergestellt ist als die übrigen Teile der Verbindung. Je nach Einsatzzweck sind jedoch verschiedenartige Werkstoffkombinationen möglich.

Um eine nahezu konstante Flächenpressung zu erhalten, wird vorgeschlagen, daß die Wärmeausdehnung der inneren Hülse mindestens der Summe der Wärmeausdehnung der äußeren Hülse und der Schraube zwischen Kopf und Mutter entspricht.

Andererseits ist jedoch auch darauf zu achten, daß Abmessungen und Material der inneren Hülse so gewählt sind, daß die von der inneren Hülse bei einer Wärmeausdehnung auf die Schraube wirkenden Kräfte die Fließgrenze und Festigkeit der Schraube nicht übersteigen.

Einfache Berechnungen und Versuche, die im Rahmen des handwerklichen Könnens des Fachmannes liegen, führen zu unterschiedlichen Materialkombinationen und bevorzugten Abmessungen der einzelnen Komponenten der Verbindung.

Ein besonders kompakter Aufbau der Verbindung wird dadurch erzielt, daß die Schraube mit Innensechskant ausgebildet ist. Dies ermöglicht es, den Kopf der Schraube innerhalb der äußeren Hülse anzuordnen, um somit einen möglichst ebenen oberen Abschluß zwischen äußerer Hülse und Schraube zu erzielen.

Um Korrosionen zwischen den verschiedenen Materialien zu vermeiden und auch nach längerem Gebrauch und Hitzeeinwirkung das Lösen der Verbindung zu ermöglichen, wird vorgeschlagen, zwischen der Schraube und der inneren Hülse und der inneren Hülse und der äußeren Hülse die Hohlräume mit einem Schmiermittel wie beispielsweise Schmierfett zu füllen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher erläutert.

Es zeigt,

Fig. 1 einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Verbindung zweier Platten,

Fig. 2 einen Schnitt durch eine Verbindung zweier Platten nach dem Stand der Technik,

Fig. 3 die Kraftübertragung von der zweiten Platte auf den Flansch der äußerer Hülse,

Fig. 4 eine Einzelheit aus Fig. 3,

Fig. 5 die Kraftübertragung von der äußeren Hülse auf die innere Hülse,

Fig. 6 eine Einzelheit aus Fig. 5,

Fig. 7 die Kraftübertragung von der inneren Hülse auf den Schraubenkopf und

Fig. 8 eine Einzelheit aus Fig. 7.

Die in Fig. 1 gezeigte erfindungsgemäße Flanschverbindung dient der Verbindung zweier Platten 1 und 2, die im vorliegenden Beispiel einen Oberflansch und einen Unterflansch bilden. Zwischen den Platten 1 und 2 ist eine Dichtung 3 vorgesehen, die aus einem hitzebeständigen Material besteht. Diese Dichtung 3 kann in begrenztem Umfang federnd wirken, so daß unterschiedliche Kräfte der Platten 1 und 2 aufeinander durch die Dichtung abgefangen werden.

In den Platten 1 und 2 ist jeweils eine Bohrung 4 bzw. 5 vorgesehen, die die gleiche Größe aufweisen und zueinanderfluchtend angeordnet sind. In diese Bohrungen ist eine äußere Hülse 6 eingesteckt, die mit einem äußeren Flansch 7 an der Oberseite 8 der als Oberflansch dienenden Platte 2 anliegt. Diese äußere Hülse erstreckt sich durch die Bohrung 4 in der Platte 2 hindurch bis in die Bohrung 5 der Platte 1 hinein und hat an ihrem dem äußeren Flansch 7 gegenüberliegenden Ende einen Innenflansch 9.

Eine in die äußere Hülse 6 eingesteckte innere Hülse 10 liegt an dem Innenflansch 9 der äußeren Hülse 6 an und erstreckt sich konzentrisch zum äußeren Flansch 6 und zu den Bohrungen 4 und 5. Am oberen Ende der inneren Hülse 10 liegt der Schraubenkopf 11 einer Schraube 12 an, so daß der Schaft 14 der Schraube 12 in der inneren Hülse 10 liegt und sich konzentrisch zur inneren und zur äußeren Hülse erstreckt. Der Schaft 14 der Schraube 12 erstreckt sich weiter durch den Innenflansch 9 der äußeren Hülse 6 hindurch und ragt über die untere Seite 13 der Platte 1 heraus, so daß auf dem Gewinde des Schaftes 14 der Schraube 12 eine Unterlegscheibe 15 aufsteckbar ist, die mit einer Mutter 16 gegen die Unterseite 13 der Platte 2 geschraubt ist.

Die Schraube 12 hat in ihrem Schraubenkopf 11 einen Innensechskant 17, mit dem die Schraube 12 gehalten werden kann, wenn die Mutter 16 angezogen wird. Beim Anziehen der Mutter 16 wird der Schraubenkopf 11 der Schraube 12 gegen das obere Ende der inneren Hülse 10 gedrückt, so daß das untere Ende der inneren Hülse 10 gegen den Innenflansch 9 des äußeren Flansches 10 gepreßt wird. Dadurch wirkt eine Kraft auf den äußeren Flansch 7, die dazu führt, daß der äußere Flansch 7 der äußeren Hülse 6 auf die Oberseite 8 der oberen Platte 2 gedrückt wird. Somit werden durch Festziehen der Mutter 16 die Platten 1 und 2 gegeneinander gedrückt.

Fig. 2 zeigt den Aufbau einer herkömmlichen Schraubverbindung für eine Flanschverbindung, bei der die Platten 1' und 2' mittels einer Schraube 12', einer Mutter 16' und einer Unterlegscheibe 15' gegen eine zwischen den Platten 1' und 2' liegende Dichtung 3' gepreßt werden. Der Schraubenkopf 11' liegt an der Oberseite 8' der oberen Platte 2' auf und die Mutter 16' drückt die Unterlegscheibe 15' gegen die Unterseite 13' der Platte 1'.

Der Vergleich der Fig. 1 und 2 zeigt somit deutlich, daß der Aufbau der Schraubverbindungen im wesentlichen gleich ist, wobei äußerlich bei der erfindungsgemäßen Schraubverbindung nach Fig. 1 der Kopf 11 der Schraube 12 innerhalb der äußeren Hülse 6 und zum Teil auch innerhalb der Bohrung 4 in der oberen Platte 2 angeordnet ist und somit nur unbedeutend über die Oberseite 8 der oberen Platte 2 vorsteht, während der Schraubenkopf 11' vollständig auf der Oberseite 8' der oberen Platte 2' aufliegt. Die bei der Schraubverbindung nach Fig. 1 etwas größer ausgebildeten Bohrungen 4 und 5 erlauben die Anordnung der beiden Hülsen 6 und 10 innerhalb der Bohrungen, die dazu führen, daß bei einer Wärmeeinwirkung auf die Schraubverbindung der Abstand zwischen dem äußeren Flansch 7 der äußeren Hülse und der Mutter 16 im wesentlichen konstant bleibt, so daß auch die auf die Dichtung 3 wirkende Flächenpressung erhalten bleibt.

Den Kraftfluß zwischen Oberseite 8 der oberen Platte 1 und der Schraube 12 zeigen verdeutlicht die Fig. 3 bis 8, wobei die radialen Abstände zwischen der Schraube 12, der inneren Hülse 10 und der äußeren Hülse 6 vergrößert dargestellt sind und die Dicken der Schraube und der Hülsen nicht maßstabsgerecht eingezeichnet sind.

Die Fig. 3 und 4 zeigen den Kraftfluß von der Oberseite 8 der Platte 1 in den äußeren Flansch 7 der äußeren Hülse 6, der wie in den Fig. 5 und 6 gezeigt, vom Innenflansch 9 auf die innere Hülse 10 übertragen wird. Die Fig. 7 und 8 zeigen schließlich den Übergang des Kraftflusses von der Oberseite der inneren Hülse 10 in den Kopf der Schraube 12.

Bei einer Wärmeeinwirkung auf die Schraubverbindung dehnen sich die Schraube 12 und die äußere Hülse 6 aus. Da sich gleichzeitig jedoch auch die innere Hülse 10 in ihrer Längsrichtung ausdehnt, wird durch die innere Hülse 10 die Ausdehnung der äußeren Hülse 6 und der Schraube 12 kompensiert. Das Material für die innere Hülse 10 ist daher so zu wählen, daß der Wärmeausdehnungskoeffizient so hoch ist, daß sowohl die Ausdehnung der Schraube als auch die Ausdehnung der äußeren Hülse kompensiert wird.

Bei längerer Erwärmung der Schraubverbindung werden sich auch die Flansche erwärmen und ausdehnen. In diesem Stadium kann sich die Schraubverbindung soweit ausdehnen, daß auch die Ausdehnung der Flansche kompensiert wird.

Um kleinere Unregelmäßigkeiten bei der Ausdehnung der einzelnen Elemente der Schraubverbindung auszugleichen, ist als Dichtung 3 eine flexible Dichtung vorgesehen.

Claims

1. Verbindung von Platten (1, 2), insbesondere Flanschen, mit einer Schraube (12) und einer Mutter (16), wobei die Mutter (16) direkt oder über eine Unterlegscheibe (15) an der ersten Platte (1) anliegt, dadurch gekennzeichnet, daß

- der Kopf (11) der Schraube (12) an einer ersten Stirnfläche einer inneren Hülse (10) anliegt,
- die gegenüberliegende zweite Stirnfläche der inneren Hülse (10) an einem Innenflansch (9) einer äußeren Hülse (6) anliegt und
- dem Innenflansch (9) gegenüberliegender äußerer Flansch (7) der äußeren Hülse (6) an der zweiten Platte (2) anliegt.

2. Schraubverbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeausdehnungskoeffizienten und Längen von Schraube (12), innerer (10) und äußerer Hülse (6) so aufeinander abgestimmt sind, daß bei kürzerer Erwärmung der Abstand zwischen äußerem Flansch (7) der äußeren Hülse (6) und der Mutter (16) im wesentlichen konstant bleibt.

3. Schraubverbindung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeausdehnungskoeffizienten und Längen von Schraube (12), innerer (10) und äußerer Hülse (6) so aufeinander abgestimmt sind, daß bei längerer Erwärmung der Abstand zwischen äußerem Flansch (7) der äußeren Hülse (6) und der Mutter (16) im wesentlichen dem Abstand der Anlageflächen (8, 13) zwischen der Schraubverbindung und den Platten (1, 2) entspricht.

4. Schraubverbindung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchmesser der Schraube (12), der inneren (10) und der äußeren Hülse (6) so bemessen sind, daß diese auch bei Wärmeausdehnung gegeneinander verschiebbar sind.

5. Schraubverbindung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die innere Hülse (10) aus einem anderen Werkstoff hergestellt ist, als die übrigen Teile der Verbindung.

6. Schraubverbindung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeausdehnung der inneren Hülse (10) mindestens der Summe der Wärmeausdehnung der äußeren Hülse (6) und der Schraube (12) zwischen Kopf (11) und Mutter (16) entspricht.

7. Schraubverbindung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Abmessungen und Material der inneren Hülse (10) so gewählt sind, daß die von der inneren Hülse (10) bei einer Wärmeausdehnung auf die Schraube (12) wirkenden Kräfte die Fließgrenze und Festigkeit der Schraube (12) nicht übersteigen.

8. Schraubverbindung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schraube (12) mit Innensechskant ausgebildet ist.