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Die
Erfindung bezieht sich auf Flanschverbindungen nach dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
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Flanschverbindungen
sind die gebräuchlichste lösbare Verbindungsart
für Rohrleitungen, Behälter und Apparate. Die
Grundform der Flansche hat sich seit ihrer Einführung bis
heute kaum verändert. Um an dieser Stelle nicht auf alle
Flanscharten eingehen zu wollen, sei zunächst der Los-Flansch
mit Vorschweißbund betrachtet, der auch im Kunststoff-Rohrleitungs-
und Apparatebau sehr häufig eingesetzt wird.
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Eine
solche Flanschverbindung setzt sich aus je zwei Vorschweißbunden
und Flanschen sowie der Dichtung und den erforderlichen Schraubenbolzen
der Flanschverschraubung zusammen. Die gesamte Axialkraft des angeschlossenen
Rohrsystems und die sich aus dem im Rohrleitungssystem herrschenden Überdruck
ergebenden Kräfte werden von den Schraubenbolzen aufgenommen.
Diese übertragen die Kraft auf die Los-Flansche und diese
wieder über den Bund auf die Dichtung. Bei insbesondere hohen
Innendrücken kann sich der Dichtspalt zwischen den Bunden
keilförmig aufweiten, so dass die Dichtwirkung verloren
geht, weshalb auch schon vorgeschlagen wurde, teure Spezialdichtungen
zu verwenden.
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Die
Schraubenbolzen werden im Allgemeinen bei Stahlflanschverbindungen
auf Vorspannung berechnet und sollen unter Betriebsdruck ein federelastisches
Verhalten zeigen. Der Los-Flansch soll unter Belastung nur eine
geringe elastische Verformung zeigen. Er soll die von den Schrauben
aufgebrachten Kräfte gleichmäßig auf
den Vorschweißbund übertragen.
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Der
Vorschweißbund ist immer aus dem gleichen Werkstoff wie
das anzuschließende Rohr oder der Apparat. Er ist mit dem
jeweiligen Anschlussstutzen verschweißt und überträgt
die von den Flanschen aufgebrachte Kraft auf die Dichtung. Die Dichtung
muss jeweils aus einem weicheren Werkstoff als der Vorschweißbund
bestehen und soll möglichst ein elastisches Dichtverhalten
zeigen.
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Im
Gegensatz zum Stahl-Vorschweißbund ist es beim thermoplastischen
Kunststoff-Vorschweißbund, der unter Druck- und Zug-Spannungen
ein Fließverhalten zeigt, schwieriger, die vom Flansch
aufgebrachten Kräfte gleichförmig über
die gesamte Dichtungsbreite auf die Dichtung zu übertragen.
Diese Erkenntnis verlangt eine dem Kunststoff in besonderer Weise
gerecht werdende Konstruktion.
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Aus
Gründen der Austauschbarkeit müssen die Hauptabmessungen,
wie Außendurchmesser, Lochkreisdurchmesser und Anzahl der
Schraubenbohrungen bei Stahl- u. Kunststoff-Flanschverbindungen
aufeinander abgestimmt sein. Es wurden Losflansche nach DIN
2673 PN 10 auch für Kunststoff
vorgesehen. Da die Maße für Pfund PP-Vorschweißbunde
bestimmt werden durch den Außendurchmesser des Rohres,
den Flanschansatzdurchmesser, den Außendurchmesser des
Bundes und den Innendurchmesser des Rohres bzw. des mit Bund versehenen
Rohrstücks, bleibt dem Konstrukteur letztlich nur die Baulänge
des Rohrstücks als variable Größe für
den konischen Übergang.
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Der
Vorschweißbund hat aufgrund dieser ungünstigen
Geometrie vom Auflagepunkt des Flansches bis zur Dichtungsfläche
ein Moment zu übertragen, das im kritischen Bereich zu
ungenügender Flächenpressung führen kann.
Das in der Leitung befindliche Medium kann zwischen Bund und Dichtung eindringen
und wirkt als zusätzliche Kraft, die ein Biegemoment bewirkt,
das am Übergang des konischen Teils zum Bund zur Spitzenspannung
führt. Da die Spitzenspannung im Bereich des Bundes nicht
erwünscht ist, wird es erforderlich, den Vorschweißbund
zu verlängern oder den Innendurchmesser des Flansches zu
verkleinern.
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Die
Möglichkeiten, dass sich Spannungsspitzen im Vorschweißbund
in der vorbeschriebenen Weise aufbauen, kann auch durch einen zu
stark angezogenen Flansch auftreten. Ist eine Flanschverbindung
undicht, so neigt man dazu, die Vorspannung der Schrauben zu erhöhen.
In den meisten Fällen ist aber schon durch eine zu hohe
Vorspannung der Vorschweißbund vorgeschädigt,
so dass durch ein weiteres Anziehen der Schrauben die Verbindung
zerstört werden kann.
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Ähnliche
Verhältnisse liegen bei sog. Sonderflanschen vor, die z.
B. zum Anschluss einer Rohrleitung an Armatur dienen. Während
hierbei armaturenseitig der Armaturenflansch von den Schraubbolzen
durchgriffen wird und somit eine Festflansch-Anordnung vorliegt,
ist der Rohranschlussbereich mit Vorschweißbund und Losflansch
wie oben beschrieben gestaltet und weist dieselbe Problematik auf.
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Folglich
bezieht sich vorliegende Erfindung auf beide Rohrverbindungstypen.
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EP 0 793 049 B1 löst
die Aufgabe, eine Flanschverbindung so auszubilden, dass die Verbindung
ohne Beeinträchtigung des Kunststoffmaterials der Rohrstücke
(Vorschweißbunde) und der Dichtungsfähigkeit sowie
ohne Verwendung von Spezialdichtungen sehr hohen Innendrücken
zuverlässig standhalten kann, dadurch, dass der Mantel
des zylindrischen Rohrabschnitts über eine Kehlnut in die axialweisende
Flansch-Anlagefläche übergeht, in welche die Kehlnut
eingearbeitet ist und der Flansch mit einer in die Kehlnut eingreifenden
Ringwulst versehen ist. Hierdurch ergeben sich radial weiter innen liegende
Kontaktflächen bzw. Kraftangriffspunkte zwischen Flansch
und Ringbund und die Krafteinleitung in die Verbindung wird wesentlich
verbessert. Die Flanschverbindung ist gegen ein keilförmiges Aufspreizen
des Dichtspaltes unter Innendruck in hohem Maße resistent
und kann erheblich höhere Innendrücke aushalten
wie auch Zugkräfte übertragen als herkömmliche
Rohrverbindungen.
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Gleichwohl
besteht im Zuge technischen Fortschritts weiterer Bedarf, Rohrverbindungen
auf einfache Weise noch druckresistenter zu gestalten, ein Aspekt,
der umso mehr von Bedeutung ist, je größer die
vorliegenden Rohrleitungen dimensioniert sind. Dies ist Aufgabe
der vorliegenden Erfindung.
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Gelöst
wird die Aufgabe von einem Gegenstand mit den Merkmalen des Anspruches
1, insbesondere mit den kennzeichnenden Merkmalen, wonach das Rohrstück
im Bereich des Ringbundes in seiner Innenwandung einen in Umfangrichtung
verlaufenden Radialschlitz aufweist, in welchen das von der Rohrleitung
geführte Medium eindringen kann.
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Diese
vorteilhafte Flanschverbindung ermöglicht es, auch sehr
hohen Rohrinnendrücken standzuhalten. Auf geschickte Weise
wird das unter Druck stehende Medium, welches im Stand der Technik
zum problematischen Verformungsverhalten bzw. Fließverhalten
des thermoplastischen Kunststoffes führt, zur Erhaltung
eines auf die Dichtung zwischen zwei Kunststoffrohren bzw. zwischen
Kunststoffrohr und Armatur einliegenden Axialdichtung aufrechtzuerhalten.
Das in den Radialschlitz eindringende Medium weitet in genau dem
Maße den Radialschlitz auf, in welchem sich die Kunststoffrohrleitung
im Bereich der Flanschverbindung verformt. Dies gewährleistet
das ordnungsgemäße Aneinanderliegen von Axialdichtung
und leitungsseitiger Dichtfläche.
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Bei
einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen,
dass das Rohrstück im Bereich des Ringbundes zwischen der
Radialebene der Dichtfläche und Radialschlitz eine Dichtlippe
ausbildet, die aus der Radialebene der Dichtfläche ausgestellt
ist, insbesondere wenn die Ausstellung der Dichtlippe aus der Radialebene
der Dichtfläche des Ringbundes der Weite des Radialschlitzes
entspricht.
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Das
hier als Dichtlippe bezeichnete Element ist im Grunde nichts weiter
als der zwischen der Radialebene der Dichtfläche des Ringbundes
und Radialschlitz verbleibende Materialabschnitt des Rohrstückes.
Dieser ringartige Körper ist leicht aus der radialen Dichtfläche
des Ringbundes ausgestellt, wodurch eine gewisse Vorspannung erzielbar
ist. Wird nun das Rohrstück mit seinem Ringbund gegen eine Armatur
oder eine weitere Kunststoffrohrleitung verspannt, wird die Dichtlippe
entgegen einer ihr inhärenten Rückstellelastizität
in die Radialebene der Dichtfläche des Ringbundes zurückgestellt.
Die Rückstellelastizität der Dichtlippe bewirkt
einen definierbaren Mindestdruck, der auf die an der Dichtfläche
anliegende Axialdichtung der Flanschverbindung ausgeübt
wird.
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Des
weiteren bewirkt die Ausstellung der Dichtlippe um etwa den Betrag
der Schlitzweite, dass beim Verspannen der Flansch gegeneinander
die Dichtlippe beim Rückstellen in die Radialebene der Dichtfläche
rohrstückseitig ein Widerlager findet und die Flächenpressung
zwischen einem innenumfänglichen Bereich der Dichtfläche
und der Axialdichtung und einem außenumfänglichen
Bereich der Dichtfläche und der Axialdichtung identisch
ist und der durch das Anziehen der Flansche aufzubringende Flächenpressung
besteht. Ein dieser Flächenpressung ausweichendes Rückstellen
hinter die Radialebene der Dichtfläche ist nicht möglich.
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Es
ist vorgesehen, dass in die Rohrinnenwandung auf der Umfangslinie
des Radialschlitzes wenigstens eine Radialbohrung angeordnet ist.
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Radialbohrungen
auf der Umfangslinie des Radialschlitzes gewährleisten,
dass unabhängig von der Schlitzweite das von der Rohrleitung
geführte Medium in den Schlitz eindringen kann, um über
die Dichtlippe den Druck auf die Axialdichtung aufrecht zu halten.
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Außerordentlich
bevorzugt ist eine Ausführungsform, die sich dadurch kennzeichnet,
dass die Dichtlippe bei gegeneinander verspannten Flanschen in die
Radialebene der Dichtfläche des Ringbundes zurückgestellt
und der Radialspalt im Bereich der Innenumfangsfläche des
Rohrstücks weitestgehend geschlossen ist, das von der Rohrleitung
geführte Medium jedoch über die Radialbohrung
in den Radialspalt eindringen kann.
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Es
ist vorgesehen, dass die Tiefe des Radialspaltes in etwa der Stärke
des benachbart des Ringbundes befindlichen zylindrischen Rohrabschnitts entspricht,
insbesondere wenn die Tiefe der Radialbohrung in etwa der Stärke
der benachbart des Ringbundes befindlichen zylindrischen Rohrstücks
entspricht.
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Alternativ
kann vorgesehen sein, dass die Radialbohrung gegenüber
dem Radialspalt eine geringere Tiefe aufweist.
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Weitere
Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung
verschiedener Ausführungsbeispiele. Es zeigen:
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1 einen
Axialschnitt durch einen Teilschnitt einer erfindungsgemäßen
Kunststoff-Rohrleitung,
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2 einen
Axialschnitt durch eine erfindungsgemäße Flanschverbindung
mit Losflansch und Vorschweißbund,
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3 einen
Axialschnitt der Flanschverbindung gemäß 1 in
druckbelastetem Zustand,
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4 einen
Axialschnitt durch eine montierte sogenannte Sonder-Flanschverbindung
mit einem Losflansch und einem Vorschweißbund auf der linken
und einem Armaturenflansch auf der rechten Seite,
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5 die
Flanschverbindung gemäß 4 in druckbelastetem
Zustand.
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Die
in ihrer Gesamtheit mit 10 bezeichnete Flanschverbindung
umfasst zwei Rohrstücke 11 und zwei Flansche 12,
hier sogenannte Losflansche, sowie eine Anzahl von umfangsverteilt
angeordneten Schraubenbolzen 13 für die feste
Verspannung der beiden Flansche 12 gegeneinander.
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Jedes
Rohrstück 11 weist einen zylindrischen Rohrabschnitt 14 und
an einem Ende einen damit in einstückig-stoffschlüssiger
Verbindung stehenden Ringbund 15 auf. Beim dargestellten
Ausführungsbeispiel handelt es sich bei den Rohrstücken um
sogenannte Vorschweißbunde, die mit ihren freien Stirnenden 14a an
das angrenzende Spitzende 14b von Rohren 14c gleicher
Dimension angeschweißt werden.
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Mit 16 ist
ein Dichtring bezeichnet, für den aufgrund seiner mittigen
Anordnung nachfolgend die Bezeichnung „Axialdichtung" oder
auch „zentrale Axialdichtung" gewählt wird. Beim
dargestellten Ausführungsbeispiel handelt es sich bei der
Axialdichtung 16 um eine kreisringförmige Flachdichtung;
es sind jedoch auch andere Dichtungen, so insbesondere O-Ringe,
denkbar.
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Eine
Besonderheit besteht bei der dargestellten Ausführungsform
entsprechend
EP 0 793 049
B1 in der äußeren Form der Rohrstücke
11 und ist
darin zu sehen, dass der zylindrische Außenmantel
14b unter
Verzicht auf einen sich zum Bund
15 hin im Durchmesser
vergrößernden konischen Übergang im Anschluss
an eine Kehlnut
18 in die zum Stirnende
14a hin
weisende Bundfläche
19 (auch als Flanschanlagefläche
bezeichnet) übergeht. Dabei ist die Kehlnut
18 unmittelbar
an die Außenmantelfläche
14b angrenzend
in diese Bundfläche, die Flanschanlagefläche,
19 eingearbeitet.
Der Flansch
12 weist an seinem Innenumfang eine in die
Kehlnut
18 – bei lockerer Zuordnung mit geringem
Spiel – passende Ringwulst
20 auf und stützt
sich mit einer axialweisenden Innenfläche
21 an
der Bundfläche
19 als der Flanschanlagefläche
möglichst satt ab. Dadurch können die Flansche
12 die
Bunde
15 der Rohrkörper
11 auf der vollen
radialen Erstreckung der umlaufenden Ringflächen
19 kontaktieren
und über die Ringwulst
20 mit möglichst
kurzem Abstand von der Längsmittelachse L, nämlich
im Bereich des Außendurchmessers des zylindrischen Abschnitts
14 des
Rohrstücks
11, Kräfte übertragen.
Hierdurch konnte bei der in
EP 0
793 049 B1 beschriebenen Rohrverbindung auf einfache Weise
vermieden werden, dass bei nennenswerten Innendrücken der
Dichtspalt unzuträglich aufgeweitet und dadurch die Dichtung
wirkungslos wurde.
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Die
Flächenpressung zwischen den Dichtflächen 22 und
der Axialdichtung 16 wird durch Verspannen der Flansche 12 mittels
des Schraubbolzens 13 sichergestellt.
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Im
Bereich des Ringbundes 14 weist die Innenwandung 23 des
Rohrstückes 11 gemäß der vorliegenden
Erfindung einen vollumfänglichen Radialschlitz 24 auf.
Dieser hat eine Tiefe, die in etwa der Wandungsdicke des sich an
den Ringbund 15 anschließenden zylindrischen Rohrabschnittes
entspricht. Auf der Umgangslinie des Radialschlitzes sind Radialbohrungen 25 angeordnet,
deren Tiefe im vorliegenden Ausführungsbeispiel nicht ganz
der Tiefe des Radialschlitzes 24 entspricht. Da die Bohrungen 25 sich
auf derselben Umfangslinie wie der Radialschlitz 24 befinden,
gewährleisten sie, dass das vom Rohr geführte
Medium, unabhängig von der Schlitzweite im Bereich der
Innenwandung 23, in den Radialschlitz 24 eindringen
kann.
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In 1 ist
ein mit Vorschweißbund 15 versehenes Rohr 14c in
axialem Halbschnitt vor der Kopplung mit einem Gegenstück
dargestellt. Mittels des Einbringens des Radialschlitzes 24 in
die Innenwandung 23 des Rohrstücks 14 ist
zwischen Radialschlitz 24 und der Radialdichtung der ringbundseitigen
Dichtfläche 22 eine umlaufende Dichtlippe 26 gebildet.
Diese ist aus der hier strichpunktiert dargestellten Radialebene
R der Dichtfläche 22 in Richtung der zwischen
den in 2 dargestellten Rohrstücken 14 angeordneten
Axialdichtung 16 ausgestellt. Der Spalt 24 ist
in Folge der Ausstellung der Dichtlippe 26 geöffnet
und weist eine Spaltweite W auf.
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Ist
das in 1 dargestellte Rohrstück 11 mit einem
zweiten Rohrstück 11 (2) oder
aber mit einem Armaturenflansch 29 verspannt (4)
bewirkt das Anzugsmoment zwischen den Flanschen 12 bzw. 12 und 29 ein
Rückstellen der Dichtlippe 26 in die Radialebene
R der Dichtfläche 22. Hierdurch schließt
sich der Spalt 24 im Bereich der Rohrinnenwandung 23,
wobei die der Dichtlippe 26 abgewandte Schlitzwandung als
Widerlager dient. Dieses Widerlager verhindert ein Rückstellen
der Dichtlippe hinter die Radialebene R. Infolge dessen ist gewährleistet, dass
das von den Flanschen auf die Axialdichtung 16 wirkende
Anzugsmoment im zum Schlitz 24 benachbarten Dichtflächenbereich
mindestens so hoch ist wie im Außenumfangsbereich der Dichtfläche 22. Tatsächlich
bewirkt in der vorliegenden Ausführungsform die Rückstellelastizität
der Dichtlippe 26 im Bereich des Schlitzes 24 eine
Erhöhung des auf die Axialdichtung 16 wirkenden
Momentes.
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In 2 ist
die Flanschverbindung 10 in drucklosem Zustand dargestellt.
Bei Druckbelastung der in 2 gezeigten
Rohrverbindung 10 ergibt sich qualitativ eine Verformung
der Vorschweißbunde 15, wie sie – stark übertrieben – in 3 dargestellt
ist. Das Material der Vorschweißbunde 15 gerät
unter Einwirkung sehr hoher Drücke innerhalb der Rohrleitung
derart zum Fließen, dass sich die mit 24 bezeichneten
Schlitze öffnen. Aufgrund der erfindungsgemäßen
Anordnung führt nun der in die Schlitze 24 eintretende
Druck dazu, die Dichtlippen 26 gegeneinander und folglich
gegen die zentrale Axialdichtung 16 pressen, so dass – und
zwar mit zunehmendem Druck um so besser – selbsttätig
eine hydraulische Dichtung erzielt wird. Die Bohrungen 25 stellen
sicher, dass bereits vor der Öffnung der Schlitze 24 das unter Druck
stehende Medium in den Schlitz 24 eintreten kann und eine
ausreichende Flächenpressung zwischen den Dichtflächen 22 der
Ringbunde 15 und der Axialdichtung 16 auch vor
der qualitativen Verformung der Vorschweißbunde gewährleistet
ist.
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Erste
Versuche haben die Wirksamkeit dieser erfindungsgemäßen
Maßnahme bestätigt. Eine Rohrverbindung nach
EP 0 793 049 B1 hielt
bei einer Rohrverbindung mit 800 mm ⌀ Nennweite einem Prüfdruck
von ca. 15 bar stand. Dem gegenüber wurde die erfindungsgemäße
Rohrverbindung bei demselben Nenndurchmesser selbst bei einem Prüfdruck von
21 bar und darüber noch nicht undicht.
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Mit
dem Verständnis der in den 1 bis 3 dargestellten
Ausführungsform lässt sich das zweite, in den 4 und 5 gezeigte
Ausführungsbeispiel nun ohne weiteres verstehen.
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Im
Unterschied zu der erstgenannten Ausführungsform handelt
es sich bei der zweiten Ausführung nach den 4 und 5 um
eine Sonderflanschverbindung mit nur einem Vorschweißbund 15 auf
der einen (in der Zeichnung linken) Seite und einem Apparate- oder
Festflansch 29 auf der anderen (in der Zeichnung rechten)
Seite. Gleichwohl öffnet sich unter Belastung des Vorschweißbundes 15 auch hier
der Schlitz 24, öffnet sich also gewissermaßen für
den Innendruck und presst die Dichtlippe 26 fest gegen
die zentrale Axialdichtung 16, auf deren anderer Seite
der relativ stabile, z. B. aus Stahlguss bestehende, Festflansch 29 einer
Armatur od. dgl. presst, an den die Rohrleitung angeschlossen ist.
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Kurz
zusammengefasst betrifft die Erfindung Flanschverbindungen für
Kunststoff-Rohrleitungen untereinander sowie zur Verbindung einer
Kunststoff-Rohrleitung mit einem Armaturenflansch. Im Bereich eines
Ringbundes der Kunststoff-Rohrleitung ist in die Innenwandung ein
Radialschlitz eingebracht. Bei Verformung des Vorschweißbundes infolge
hohen Drucks in der Rohrleitung öffnet sich der Radialschlitz,
in den der Druck eintreten kann. Als Folge davon wird die Dichtlippe
gegen die zentrale Axialdichtung gepresst. Im Prinzip wird mittels
des Radialschlitzes mit zunehmendem Innendruck in der Rohrleitung
eine sich selbst verstärkende hydraulische Dichtung geschaffen,
die zu einer enormen Druckbelastbarkeit der Rohrverbindung ohne
Dichtigkeitsverlust führt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - EP 0793049
B1 [0012, 0033, 0033, 0039]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - DIN 2673 [0007]
- - PN 10 [0007]