DE202010004769U1

DE202010004769U1 - Flanschverbindung mit Dichtring

Info

Publication number: DE202010004769U1
Application number: DE201020004769
Authority: DE
Original assignee: Hiss, Ludwig
Current assignee: SCHWER FITTINGS GMBH, DE
Priority date: 2010-04-09
Filing date: 2010-04-09
Publication date: 2010-07-22
Anticipated expiration: 2020-04-10

Abstract

Flanschverbindung mit einem Dichtring, der in einen ringförmigen, durch radiale Stirnflächen und durch axiale Umfangsflächen an zwei Flanschen begrenzten Dichtraum eingesetzt ist und im radialen Querschnitt an seinem Außenumfang auswärts gerichtete Schenkel sowie zwischen den Schenkeln einen radial auswärts gerichteten Stützring aufweist, wobei im unverspannten Zustand der Flansche die Schenkel des Dichtrings auseinandergespreizt sind und mit ihren balligen Außenenden sowohl an den radialen Stirnflächen als auch an den axialen Umfangsflächen anliegen und im verspannten Zustand der Flansche die Schenkel des Dichtrings axial zusammengedrückt sind und durch Materialfluss plastisch verformt radial und axial gestaucht mit ihrem Außenumfang an den radialen Stirnflächen und an den axialen Umfangsflächen anliegen, wobei ferner der Stützring dem Dichtring einen starren Grundkörper verleiht, in dessen radialen Querschnitt ein Stützdreieck oder Stütztrapez eingeschrieben ist, und im verspannten Zustand der Flansche der Stützring mit seinem Außenumfang im radialen Abstand von den axialen Umfangsflächen verbleibt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Flanschverbindung mit Dichtring sowie einen für die Flanschverbindung verwendbaren Dichtring.
Die Deutschen Patentanmeldungen DE 10 2007 051 921.6 u. DE 10 2007 058 126.4 sowie die PCT/EP 2008/009125 -Anmeldung betreffen eine neuartige Ringdichtung für die Verbindung von Rohren, wobei die Ringdichtung auch aus dem gleichen Material wie die Flansche bestehen kann.
Die neuartige Spreizdichtung weist um ihren äußeren Rand einen oder mehrere keilförmige Einschnitte mit im Querschnitt Y bzw. W-förmigen Schenkeln auf, bei deren Kompression Druck auf die senkrechten Innenwände radialer Vertiefungen in den verbindenden Flanschen ausgeübt wird, die eine praktisch absolute Abdichtung auch gegen Helium und Wasserstoff ermöglicht.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Weiterbildung dieser Spreizdichtung dahingehend, dass die unter Fließen von Material einhergehende plastische Verformung bevorzugt an den Bereichen des Dichtrings auftritt, die dichtend mit den entsprechenden Gegenflächen der Flansche in Kontakt kommen. Ferner soll erreicht werden, dass an den Gegenflächen der Flansche, die aus demselben Material bestehen können wie der Dichtring, keine wesentliche plastische Verformung eintritt, so dass nach einem Lösen der Flanschverbindung nur eine neuer Dichtring verwendet werden muss. Überdies soll zu dem abzudichtenden Volumen hin kein Totvolumen verbleiben, in dem sich Rückstände oder Verunreinigungen festsetzen könnten. Schließlich soll der Dichtring zu dem abzudichtenden Volumen hin glatte und strömungsgünstige Begrenzungsflächen aufweisen.
Erreicht wird dies durch die in den Schutzansprüchen angegebene Ausgestaltung der Flanschverbindung und des Dichtrings. Dieser Ausgestaltung liegen Erkenntnisse zugrunde, die durch „Finite Elemente-Untersuchungen” (kurz FEM) erhärtet werden konnten. Überraschend wurde gefunden, dass bei Ausbildung des Dichtrings mit einem Stützring und einem starren Grundkörper, in den ein Stützdreieck oder Stütztrapez eingeschrieben ist, die für die Abdichtung benötigten plastischen Verformungen auf genau diejenigen Bereiche des Dichtrings konzentriert werden können, an denen die Dichtwirkung erwünscht ist, ohne dass wesentliche Verformungen an den Gegenflächen der Flansche auftreten. Die Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. In den Zeichnungen zeigen:
1.1 einen unverspannten Dichtring in Seitenansicht und im diametralen Schnitt;
1.2 einen unverspannten Blinddeckel mit angeformtem Dichtring in Seitenansicht und im diametralen Schnitt;
2.1 eine vergrößerte schematische Schnittdarstellung des unverspannten Dichtrings;
2.2 eine vergrößerte schematische Schnittdarstellung des Dichtrings im verspannten Zustand;
3 eine Perspektivansicht einer Flanschverbindung unter Verwendung des Dichtrings;
4.1 eine Stirnansicht der Flanschverbindung;
4.2 einen diametralen Schnitt der Flanschverbindung im unverspannten Zustand;
4.3 einen diametralen Schnitt der Flanschverbindung im verspannten Zustand; und
4.4 einen diametralen Schnitt der Flanschverbindung im gelösten Zustand.
Ausführung der Spreizdichtung
Die Spreizdichtung kann als ein- oder zweiseitig wirkende Dichtung ausgeführt werden. In 1 ist die zweiseitig wirkende Dichtung entsprechend den bisherigen Anmeldungen aufgezeigt. Das Profil der ringförmigen Anordnung besteht aus dem stabilen Ringsteg (1.0) mit den beiden Spreiztellern (1.2).
1.2 zeigt eine einseitig wirkende Dichtung, wie sie z. B. als Deckel von Gehäusen angewandt werden kann. Der zweite Spreizteller wird durch eine durchgängige scheibenförmige Anordnung (1.3), die beliebige Außenformen annehmen kann, ersetzt. Die einseitig wirkende Dichtung könnte, wie in der Technik üblich, auch als „Blinddichtung” bezeichnet werden. Sie ermöglicht auch, beliebige Funktionsteile im Sinne einer dichten „Durchführung” direkt im Innenbereich (1.4) des Dichtungsrings, zu integrieren.
Funktion der Spreizdichtung (aufgezeigt in 2.1 + 2.2)
Die Funktion der Spreizdichtung basiert auf dem im Dichtungsprofil mittig angeordneten Ringsteg (1.0), der bezüglich seiner statischen Wirkung als sehr stabiles Dreieck (1.1) betrachtet werden kann. An seinen Seitenflanken sind die Spreizteller (1.2) in die Struktur eingebunden.
Die zweifache Dichtungswirkung entsteht durch die Verformung der Spreizteller in den Zonen (32), in Folge der sich aufeinander zu bewegenden Flansche (2) beim Verschraubungsprozess und in Form einer Flachdichtung im Dichtungsbereich (24) durch Kraftschluss mit der Pressflanke der Flansche (22) in der Zone (37).
Vorteile des FEM optimierten Dichtungsprofils (aufgezeigt in 2.1 + 2.2)
Unmessbare Dichtigkeit in Dichtungszone (32) durch optimiertes Fließverhalten im Tellerradius (14), bei gleichzeitiger Nichtbeschädigung der Flanschflanke (26).
Erzielung einer Helium-Leckrate < 10^–8 mbar l s^–1 in Zone (37) durch die Flachdichtungswirkung. Im Flachdichtungsbereich wird eine absolute Sperre für biologisch kleinste Teilchen erreicht, weshalb dieser Dichtungsbereich in der technischen Umgangssprache als „absolut spaltfrei” bezeichnet werden kann.
Summe Totvolumen < 10^–5 l, für Dichtungen bis Rohrdurchmesser < 100 mm, im Bereich der Zonen (36) + (39).
Beliebige Dichtungsdurchmesser durch verschieben des gleich bleibenden Dichtungsprofils in Bezug zu seinem Rotationsmittelpunkt herstellbar.
Optimales Strömungsverhalten im Dichtungs- und Flanschbereich, da der Dichtungsinnendurchmesser im verpressten Dichtungszustand exakt dem Flansch- bzw. Rohrinnendurchmesser angepasst werden kann.
Wirkung des FEM optimierten Dichtungsprofils für Funktion und Herstellprozess (aufgezeigt in 2.1 + 2.2)
Die Herstellung der Spreizdichtung erfolgt vorzugsweise mit einer Drehmaschine aus Rund- oder Rohrmaterial.
Im ersten Arbeitsablauf werden auf der Hauptspindel der Dichtungsinnendurchmesser, der erste Spreizteller komplett und das restliche Außenprofil der Dichtung bis in den Bereich (14) hergestellt, danach die bereits hergestellte Form in die Gegenspindel transferiert, vom Rohmaterial getrennt und fertig bearbeitet.
Die Schnittstellen der verschiedenen zum Einsatz kommenden Drehmeißel werden an Oberflächenpunkten mit untergeordneter funktioneller Bedeutung gelegt.
Die wichtigste Bedeutung bei der Profilkonstruktion hat die Gestaltung aller systemrelevanten Oberflächen. Sie müssen bei der Verpressung für eine gleichförmige Entwicklung der Materialspannungsverläufe in den Flanschen und der Spreizringdichtung sorgen.
Die 2.2 zeigt im verpressten Zustand in weiten Bereichen ein sehr homogenes Spannungsniveau (kristallförmig schraffierte Fläche) bei ca. 40% der Kraft, die zum „Fließen” des Materials führen würde.
Von besonderer Bedeutung ist diese Tatsache für die Flansche. Die innere Materialspannung darf den genannten Wert nicht wesentlich übersteigen, da dies zu einer Materialschädigung führen würde und damit die Widerverwendbarkeit der Flansche nach der ersten Verschraubung gefährdet wäre.
Dies gilt insbesondere für die Zone der Flanschflanke (26), die an der Fließzone (32) des Spreiztellers anliegt. Auch hier entsteht auf der Flanschseite, selbst oberflächennah, kein erhöhter Spannungswert.
Im Gegensatz zum Flansch ist das „Fließen” des Materials innerhalb der Spreizdichtung ein wesentlicher Bestandteil der Dichtungsfunktion und zwingend für diese erforderlich. Die Fließgrenze wird in den Zonen (32), (34) und (35) deutlich überschritten. Eine Voraussetzung dafür stellt das sehr stabile Materialdreieck (1.1) dar. Würde die trapezförmige Fläche im Dichtungsprofil zwischen den beiden Einstichen fehlen, könnten die Spreizteller im Verformungsprozess während des Dichtvorgangs die nur noch durchgehenden Fläche unterhalb der Einstichradien (18) nach unten drücken und die Innenkontur zur Ringmitte hin nach unten wölben.
Dieser Effekt muss konstruktiv möglichst klein gehalten werden, damit die Spreizteller beim Pressvorgang eine größtmögliche Durchmesservergrößerung in die Fließzone (32) erfahren.
In der Fließzone (32) füllt das während des Fließvorgangs relativ weich gewordene Material im Teilkreisquerschnitt (14) der Spreizteller sämtliche Hohlräume der gegenüberliegenden Flanschflächen (26), womit die hervorragende Dichtwirkung erzielt wird.
Eine genau so wichtige Funktion für das FEM-optimierte Fließverhalten wie das stabile Materialdreieck (1.1) hat die Gestaltung des Spreizteller Querschnitts.
Er wird gebildet durch Einstichradius (19), Kreisbogen (18), Innengerade (16), Kreisbogen (14), Außengerade (16), Kreisbogen (17) und Gerade (25). Die Konstruktionsübergänge zwischen den einzelnen Querschnittsbegrenzenden sind als Tangentenkonstruktion ausgeführt.
Die Tellerquerschnittsform kann, vom Kreisbogen (14) aus betrachtend, betreffend den Kreisbogen (18) und die Innengerade (16) auch als eine um den Durchmesser (15) des Kreisbogens (14) nach außen versetzte Struktur beschrieben werden.
Ein weiteres Konstruktionsmerkmal stellt ebenfalls der gemeinsame Mittelpunkt der Kreisbögen (17) und (18) dar.
Der Tellerquerschnitt wird am Einstichradius (19) und mit der Geraden (25) in das stabile Materialdreieck (1.1) eingebunden.
Beim Dichtungsvorgang erhält man mit der beschriebenen Geometrie das optimale Ergebnis der Tellerverformung. Der im Herstellzustand nach außen gewölbte Teller wird in eine möglichst ideal scheibenförmige Form überführt, die mit ihrer Außenoberfläche, mit dem kleinstmöglichen Spalt, an der Pressflanke (22) des Flanschs anliegt. Eine weitere Variable als Voraussetzung zur Erzielung dieses Ergebnisses stellt die Einbindungsgerade (25) dar. Sie ist bereits im Herstellzustand um < 0,05 mm parallel zum Flachdichtungsbereich (24) nach innen versetzt. Durch die Variation ihrer Länge und zusammen mit dem tangential anschließenden Kreisbogen (17) kann sichergestellt werden, dass die das Pressergebnis erzielende Druckkraft der Flansche während des Pressvorgangs nur im oberen Bereich der Spreizteller, am Teilkreisquerschnitt (14), anliegt.
Die zuvor genannten, FEM optimierten Konstruktionsmerkmale sind weiterhin ausschlaggebend dafür, dass sich zwischen den Fließzonen (34) und (35) eine neutrale knick- und rissfreie Biegezone einstellt. Sie ist von größter Bedeutung für die Aufrechterhaltung der inneren Spannung im Dichtungsprofil und sorgt damit letztendlich für die gleich bleibende Dichtkraft während des gesamten Gebrauchszyklus in der Dichtzone (31), zwischen Spreizringdichtung und Flansch.
Die Fließzonen (34) und (35) sind eine direkte Folge der Tellerbiegung. Durch ihre kontinuierlich ansteigende und großflächige Ausbildung können Knicke und Risse auch in diesen Bereichen vermieden werden.
Konstruktionsmerkmale der Flachdichtungszonen (37)
Der Dichtungsvorgang ist beendet, wenn zunächst die Dichtung mit ihren Flachdichtungszonen (24) an den Pressflanken (22) der Flansche und in Folge die beiden Flansche an ihren Stirnseiten (31) kraftschlüssig anliegen. Um dies sicherzustellen muss mit der Flansch- und Dichtungskonstruktion gewährleistet werden, dass vor der Dichtungsverpressung der Stirnseitenabstand der Flansche (11) leicht größer ist als die Summe der Abstände zwischen der Dichtung mit ihren Flachdichtungszonen (24) und den Pressflanken (22) der Flansche.
Eine Optimierung der Flachdichtungswirkung kann über die Länge der Flachdichtungszone (24) und der damit steuerbaren flächenspezifischen Presskraft erreicht werden. Praxisversuche zeigen hervorragende Flachdichtungswirkungen bei Flachdichtungslängen von 0,5 bis 1,0 mm bei gleichzeitig um 0,04 bis 0,10 mm größerem Anfangsspalt (11) an den Flanschstirnseiten.
Der aufgezeigte geringe Spaltunterschied wird durch eine zusätzliche Verspannkraft (30) in den Flanschen aufgenommen. Sie erhöht im verpressten Dichtungszustand wie eine vorgespannte Feder die innere Spannkraft des Gesamtsystems und wirkt deshalb wie ein zusätzlicher Energiespeicher bei der Aufrechterhaltung der Dichtkraft.
Handhabungsbeeinflussende und fertigungsspezifische Konstruktionsmerkmale
Um das Verkratzen des bereits im Hauptspindeldrehprozess fertig gestellten Spreiztellers auszuschließen, erhält die Zone (13) im Ringsteg (1.0) zur Teileübergabe und der Teilespannung in der Gegenspindel einen leicht größeren Außendurchmesser als die Spreizteller. Der Höhenunterschied (12) ist < 0,1 mm.
Zur Verbesserung der Rundlaufeigenschaften nach der Übergabe in die Gegenspindel wird außerdem die Länge der Zone (13) des Mittelstegs im Ringsteg (1.0) maximiert. Die aus diesem Konstruktionsmerkmal resultierende Abweichung der Trapezform des Ringstegs (1.0) von der Form des stabilen Dreiecks (1.1) ist der eigentliche Grund für den trapezförmig ausgeführten Ringsteg (1.0). Die Trapezform wäre aus Stabilitätsgründen nicht nötig gewesen.
Die Zone (13) im Mittelsteg darf im verpressten Dichtungszustand wegen Verkratzgefahr die Flanschflanken (26) nicht berühren. Dazu wird die Flanschflanke (26) um 1° nach außen geneigt bzw. der Dichtungseinstich in die Flansche erhält einen Winkel von 91° zwischen der senkrecht zur Rotationsachse stehenden Pressflanke (22) und der Flanschflanke (26). Die sichergestellte Berührungsfreiheit ist in 2.2 an der Stelle (38) aufgezeigt.
Das Konstruktionsmerkmal „Durchmesservergrößerung der Flanschflanke (26)”, von der Pressflanke (22) in Richtung Flanschstirnseite betrachtet, begünstigt Montage und Demontage der Dichtung.
3 zeigt die praktische Ausführung der Dichtverbindung nach dem Prinzip „Schrauben/Mutter-Lösung”.
Die Pressung der Dichtung (45) durch die Flansche mit Anschweißstutzen (40) erfolgt zwischen der Hohlschraube (41) mit dem Außengewinde (42) und der Mutter (46) in einer als Achtkant (43) ausgeführten Vertiefung der Hohlschraube (41). Der Innen-Achtkant (43) der Hohlmutter wirkt zusammen mit dem Außen-Achtkant der Flansche (44) beim Verschraubungsvorgang als Verdrehsicherung. Würde die Verdrehsicherung beim Verschrauben fehlen, könnte das Verdrehen der Spreizdichtung (45) in den Dichtungseinstichen der Flansche (40) zu einer die Dichtwirkung zerstörenden Reibschweißung führen.
Die gewählte 8-Kant Konstruktion hat den Vorteil, dass z. B. mit Klemmringverschraubungen ausgerüstete Armaturen in allen orthogonalen Raumachsen und unter 45° dazu installierbar sind.
4.1 zeigt eine der DIN-Flansch-Verbindung ähnliche Verschraubung. Der Flansch mit Anschweißstutzen (50) wird mit einer speziell geformten Zylinderschraube (51) verschraubt.
Der Mittelteil (55) der Sonderschraube (51) ist gegenüber der verbleibenden Gewindezone (54) auf einen kleineren Durchmesser als der Gewindekerndurchmesser verjüngt.
4.2 zeigt die Verschraubung unmittelbar vor der Dichtungspressung. Die Sonderschrauben (51) sind bereits mit ihrer Gewindezone (54) komplett durch die Gewinde (57) des unteren Flanschs (50) bis in die Gewindebereiche (57) des oberen Flanschs (50) geschraubt. Die dazwischen liegenden Bohrungen (56) in den Flanschinnenseiten haben größere Durchmesser als die Außendurchmesser der Gewindezonen (54). Die Sonderschrauben können sich dementsprechend auf den Unterlegscheiben (53) mit ihrem Mittelteil (55) in den Zonen (56) und den Gewindebereichen (57) des unteren Flanschs (50) frei drehen.
4.3 zeigt die fertige Verschraubung. Die Stirnseiten der Flansche und die Flachdichtungszone sind mittels der Sonderschrauben kraftschlüssig verschraubt.
In 4.4 ist das Lösen der verpressten Flanschverbindung dargestellt. Die Sonderschrauben (51) sind aus dem Gewindebereich des oberen Flanschs (50) in den Gewindebereich des unteren Flanschs (50) zurückgedreht. In Gewindebereich des oberen Flanschs sind bereits Standardschrauben (58) so tief eingedreht, dass sie, sich auf den Sonderschrauben (51) abstützend, den oberen Flansch (50) bereits von der Spreizdichtung (52) und dem unteren Flansch getrennt haben.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 102007051921 [0002]
- DE 102007058126 [0002]
- EP 2008/009125 [0002]

Claims

Flanschverbindung mit einem Dichtring, der in einen ringförmigen, durch radiale Stirnflächen und durch axiale Umfangsflächen an zwei Flanschen begrenzten Dichtraum eingesetzt ist und im radialen Querschnitt an seinem Außenumfang auswärts gerichtete Schenkel sowie zwischen den Schenkeln einen radial auswärts gerichteten Stützring aufweist, wobei im unverspannten Zustand der Flansche die Schenkel des Dichtrings auseinandergespreizt sind und mit ihren balligen Außenenden sowohl an den radialen Stirnflächen als auch an den axialen Umfangsflächen anliegen und im verspannten Zustand der Flansche die Schenkel des Dichtrings axial zusammengedrückt sind und durch Materialfluss plastisch verformt radial und axial gestaucht mit ihrem Außenumfang an den radialen Stirnflächen und an den axialen Umfangsflächen anliegen, wobei ferner der Stützring dem Dichtring einen starren Grundkörper verleiht, in dessen radialen Querschnitt ein Stützdreieck oder Stütztrapez eingeschrieben ist, und im verspannten Zustand der Flansche der Stützring mit seinem Außenumfang im radialen Abstand von den axialen Umfangsflächen verbleibt.
Flanschverbindung nach Anspruch 1, bei welcher im verspannten Zustand der Flansche der Grundkörper des Dichtrings axial expandiert ist und mit seinen ringförmigen Stirnflächen von Totvolumen freie Flachdichtungszonen an den radialen Stirnflächen des Dichtraumes bildet.
Flanschverbindung nach Anspruch 2, bei der im verspannten Zustand der Flansche plastische Verformung des Dichtrings durch Materialfluss bevorzugt auftritt am Übergang der Schenkel zu dem Grundkörper sowie an den Außenenden der Schenkel.
Flanschverbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der im radialen Querschnitt des Dichtrings die Schenkel mit einem gerundeten Wandungsbereich an den Stützring anschließen.
Dichtring zur Verwendung in einer Flanschverbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, der im radialen Querschnitt einen starren Grundkörper aufweist, an dessen Außenumfang auswärts gerichtete Schenkel anschließen, die auseinandergespreizt sind und zwischen denen ein radial auswärts gerichteter Stützring angeordnet ist, der mit je einem gerundeten Wandungsbereich an die Schenkel anschließt und mit dem Grundkörper ein eingeschriebenes Stützdreieck oder Stütztrapez bildet.
Dichtring, angeformt an einen Blind- oder Verschlussdeckel und im radialen Querschnitt einen massiven Stützring aufweisend, der mit einem allgemein V-förmigen gerundeten Wandungsbereich einteilig an einen axial angesetzten Schenkel anschließt, der den Stützring axial und radial überragt.
Dichtring nach Anspruch 5 oder 6, hergestellt als Drehteil aus Aluminium, Aluminiumlegierungen, Titan, Titanlegierungen, Stahl, insbesondere Edelstahl.