DE2546628A1

DE2546628A1 - Dichtungssystem fuer hochdruck und vakuum

Info

Publication number: DE2546628A1
Application number: DE19752546628
Authority: DE
Inventors: Klaus Klein; Luc Verheyden
Original assignee: European Atomic Energy Community Euratom
Current assignee: European Atomic Energy Community Euratom
Priority date: 1975-10-15
Filing date: 1975-10-15
Publication date: 1977-04-28
Also published as: IE43293L; FR2328142B1; NL7611437A; IT1080512B; FR2328142A1; IE43293B1; LU75974A1; BE847017A; DK460676A; GB1540465A

Description

PATENTANWÄLTE

BERLIN-DAHLEM 33 · PODBIELSKIALLEE 68 8 MÜNCHEN 22 · WIDENMAYERSTRASSE 49

Europäische Atoragemeinschaft

(EURATOM) BERLIN: DIPL-ING. R. MÜLLERBÖRNER

MÜNCHEN: DIPL.-ING. HANS-H. WEY

25 731 Berlin, den 15. Oktober 1975

Dichtungssystem für Hochdruck und Vakuum

Die Erfindung betrifft ein Dichtungssystem für Hochdruck und Vakuum zum Abdichten von zwei einander gegenüberliegenden sich zum Beispiel unter Wärmeeinfluß relativ zueinander radial verschiebenden Dichtflächen an Flanschen und an Ventilen aus hitze- bzw. korrosionsfesten Stählen und Metallen unter Verwendung eines an sich bekannten vorgespannten X-Ringes mit abgerundeten Lippen.

Vorgespannte X-Ringe mit abgerundeten Lippen sind bereits dazu benutzt worden, den axialen Dichtungsspalt bei thermischer Ausdehnung der abzudichtenden Teile dicht zu halten (US-PS 3 542 380) .

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, sowohl bei Hochdruck als auch bei Vakuum auch bei ungleichmäßiger thermi-

scher Ausdehnung der zu verbindenden Flansche beim Gegen-

709817/0444

BERLIN: TELEFON (O3O) 8 31 20 88 MÜNCHEN: TELEFON (089) 22-55 85¹

KABEL: PROPINDUS ■ TELEX 01 84 Ο57 KABEL: PROPlNDUS ■ TELEX 05 24 244

einandergleiten derselben zu gewährleisten, daß die Verbindungsstelle auch in radialer Richtung dicht bleibt, selbst wenn, wie beispielsweise im Kernkraftwerksanlagenbau üblich, zwischen den zu verbindenden Teilen Temperaturunterschiede von 400 bis 500 C vorkommen.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, einen X-Ring als Dichtring zu benutzen, wobei der Dichtring mindestens die gleiche Härte wie die Flansche aufweist, daß die Flanschoberfläche normal abgedreht ist mit einer Rauhigkeit von etwa 0,2 bis 2,2jum und einem Anpreßdruck von etwa 200 bis 450 kg/cm Dichtungsumfang gemäß nachstehender Tabelle 1:

Tabelle 1

Profilhöhe mm	2	3,6	7,2
Rauhigkeit der Flanschen Ra (CLA) /im	0,2 - 0,8 /im	0,6 - 1,2 /im	0,8 - 2,2 jum
Anpreßdruck kg/cm	200	300	450

daß die Kontaktflächenbreiten 0,2 bis 0,3 mm nicht überschreiten, upd daß der Dichtvorgang in zwei Stufen erfolgt,

709817/0444

von denen die erste zum Erreichen einer Vorspannung des X-Ringes zum Härten seiner Lippen, zum radialen Gleiten der Lippen mit Glätten der Flanschrauhigkeit und Härten der Flanschoberfläche, die zweite zum eigentlichen Abdichten dient, wobei die Vorspannung im plastischen Bereich verbleibt.

Diesem Dichtungssystem liegt die Erkenntnis zugrunde, daß es Voraussetzung für eine einwandfreie Dichtung in radialer Richtung ist, insbesondere dafür zu sorgen, daß die Dichtflächen unbeschädigt bleiben, wozu die Dichtlippen auf den Flanschflächen gleiten müssen, ohne daß diese beschädigt werden. Die Abrundung der Lippenenden allein reicht nicht aus, um den angestrebten Zweck zu erzielen.

Hinzu tritt ein Phänomen, das auf der Verwindung des X-Profils um einen gewissen Winkel beruht, wodurch das Profil eine Vorspannung erhält, die ihrerseits dazu führt, daß unter Einwirkung eines Teils der Dichtkraft die Lippenenden sich verhärten und widerstandsfähig gegen plastische Verformung werden, dabei aber ballig gleitfähig bleiben, während zugleich die Flanschrauhigkeit entlang der Gleitstrecke geglättet und gleichzeitig auch die Gleitfläche verfestigt wird.

709817/0444

Neben einer ausgezeichneten Abdichtung erhält man auf diese Weise den zusätzlichen Vorteil, daß die Dichtungen nicht nach einmaligem Gebrauch unbrauchbar sind und die Flanschflächen nachgearbeitet werden müssen, sondern daß diese relativ teuren Dichtringe ohne Nacharbeiten der Dichtflächen häufig wiederbenutzt werden können, wobei es genügt, wenn die Dichtflächen ohne weitere Oberflächenbehandlung normal abgedreht sind mit einem Rauheitsgrad wie oben in Tabelle 1 beschrieben.

In der Zeichnung ist der Gegenstand der Erfindung beispielsweise dargestellt. Die einzige Abbildung zeigt einen Schnitt durch ein erfindungsgemäß ausgebildetes Dichtungssystem. Dabei ist in der linken Hälfte der Dichtring im entspannten Zustand, in der rechten Hälfte im vorgespannten Zustand gezeigt.

Zwischen zwei Flansche 1 und 2 ist ein Dichtring 3 angeordnet, dessen äußere Dichtlippen mit 4 und dessen innere Dichtlippen mit 4' bezeichnet sind. Der Dichtring 3 hat einen Außendurchmesser d und einen Innendurchmesser d.. Eine

e χ

durch den Mittelpunkt des Ringprofils gelegte symmetrische Achse 5 schließt mit den Flanschebenen einen Winkel OO ein.

709817/0444

Die Höhe des Dichtringes ist H, seine Breite T, der Lippenradius r.

Bei einem praktischen Beispiel ist H ^β 3,6 mm, T » 1 ram, r «» 0,5 ram,d « 90 ram, d. ■= 82 ram, oC » 10°.

Nach der ersten Stufe des Dichtungsvorganges wird der Winkel Ot » O. Alle vier Lippen des Dichtringes liegen nunmehr zwischen den Flanschen I¹ und 2'. Die Anpreßkraft, welche die Lippen auf die Flanschebene drückt, kann in eine waagerechte und in eine senkrechte Komponente zerlegt werden. Die horizontale Komponente bewirkt ein Gleiten der Dichtlippe, wodurch die Flanschrauhigkeit entlang der Gleitstrecke geglättet wird, während die senkrechte Komponente die Gleitfläche festigt und verhärtet.

Während sich bei normalen Dichtungen unter dem Einfluß der Dichtkraft in den Flanschflächen Riefen, Rillen u. dgl. bilden, die zwangsläufig bei Entlastung oder Verschiebung zu Leckagen führen müssen und eine wiederholte Verwendung der Dichtringe verhindern, gibt es bei der Erfindung keine Zerstörung des Rauheitsbildes der Flanschoberfläche, wodurch hohe Leckdichtigkeit auch bei differentiaHem Gleiten

709817/0A44

der Flansche gesichert ist, weil durch das Glätten der Oberfläche ein perfekter Kontakt zwischen Dichtlippe und Flanschoberfläche gewährleistet ist. Bedeutsam ist, daß infolge der Vorspannung die Lippenenden sich verhärten und damit widerstandsfähiger gegen plastische Verformung werden, d.h. ballig gleitfähig bleiben. Eine unterschiedliche Anpressung innen und außen ist dabei die Folge der verschiedenen Durchmesser der inneren und äußeren Dichtlippen.

Die Vorspannung sorgt dafür, daß die inneren Lippen härter werden als die äußeren, um bei dieser unterschiedlichen, nämlich infolge des kleineren Durchmessers, größeren Anpressung nicht plastisch verformt zu werden und ihr Gleitvermögen bei ungleichmäßiger thermischer Ausdehnung zu verlieren. Der überraschungseffekt liegt darin, daß man gleichzeitig ein Glätten der Flanschoberfläche und einen perfekten leckdichten Kontakt bekommt, ohne die Dichtlippen zu verformen, wobei wichtig ist, daß nur eine kleine Kontaktoberfläche mit dem richtigen spezifischen Druck (Hertz¹scher Druck) belastet wird. Dabei benötigt man nur eine relativ niedrige Dichtkraft, und die Kontaktflächen werden nicht beschädigt. Unter Dichtkraft im Sinne der Erfindung ist die Kraft zu verstehen, bei der ausreichende Dichtigkeit gewährleistet ist.

70 9-8 17/0444

und zwar ohne plastische Verformung der Dichtebenen, wahrend bei allen bisher bekanntgewordenen normalen Dichtungssystemen immer eine plastische Verformung eintritt.

Das Glätten der Rauhigkeit an der Flanschoberfläche erfordert bei dieser ersten Stufe des Dichtvorgangs nur etwa

/10 der Dichtkraft, d.h. bei einer Dichtkraft von 300 kg/cm Dichtungsumfang nur 30 kg/cm bei einer Höhe H = 3,6 mm. Dadurch bildet die geglättete Rauhigkeit eine ideelle flache Ebene, auf welche die weitere Dichtkraft - im angegebenen Beispiel 270 kg/cm - ausgeübt werden kann ohne Einzudringen, da auf die Dichtfläche nur der angegebene spezifische Druck ausgeübt wird.

Die Erfindung beruht im einzelnen auf folgenden Überlegungen:

Zum Erlangen einer guten Dichtigkeit bei den angegebenen Planschoberflächenrauhigkexten braucht man pro Flansch zwei Auflagebreiten von 0,2 bis 0,3 mm, wenn nicht unter dem Anpreßdruck von 300 kg/cra Dichtungsumfang die elastische Grenze überschritten werden soll. Bei einem Lippenradius von 0,5 mm und dem Anpreßdruck von 300 kg/cm Dichtungsumfang erhält man eine elastische verformte Kontaktfläche von

709817/0444

0,2 bis 0,3 ram Breite. Die Kraft, die als Dichtkraft benutzt wird, beträgt dann 420 kg/cm in Richtung der Dicht lippen.

2 Diese wird über zwei Dichtflächen von 2 mm /cm Dichtlänge

verteilt, so daß sich eine Kompressionskraft von 105 kg/mm auf die verhärteten Lippenoberflächen in Richtung der Lippenachse ergibt. Senkrecht auf der verhärteten Flansch-

2 ebene steht somit eine Kompressionskraft von 75 kg/mm , wobei Versuche zeigen, daß diese Kraft gerade ausreicht, um die Öberflächenrauhigkeit der Flansche abzuglätten.

Die Vorspannung ergibt eine plastische Verformung des Dichtringes, wobei die vier Lippen durch Verfestigung verhärten und wobei diese Härtung der Lippen bestehen bleibt. Bei den äußeren Lippen tritt neben dem Verfestxgungseffekt auch der "Bauschinger"-Effekt auf, so daß diese Lippen weicher als die inneren Lippen bleiben. Experimente haben ergeben, daß durch den Einfluß der Verformung die inneren Lippen bis zu 60 % härter wurden und die äußeren bis zu 25 % im Vergleich zum Ring selbst vor der Verformung. Um nun dieselbe Vorspannung an Dichtungen mit verschiedenen Durchmessern, aber aus demselben Material, d.h. bei unverändertem E-Modul und unveränderter Poissonzahl V zu erhalten, muß der Vorspannung swinkel Ot gewechselt werden. Dazu kann man den Winkel

709817/0444

Oc aus nachstehender Formel errechnen, die abgeleitet worden ist von den sehr ähnlichen Verformungen bei Tellerfedern, wobei lediglich die Größe T experimentell ermittelt werden mußte.

F„ ■ KwD » . ^s . h'tgßtl(h-h'tgoc)

* ⁿ ^m 3(m²-l) (D₁-d,)² L

(h - )T + τ³

F ist die Kraft in kg, um den Dichtungsring über den Winkel OC zusammenzudrücken, d.h. OL wird - O.

F = ^K7t^D 3-ⁿ to?» ^K i^st <3i^e konstante Anpreßkraft pro Dichtlänge in kg/nun, damit bleibt die Vorspannung dieselbe für jeden Dichtungsring mit einer bestimmten Profilhöhe.

^ae ^{+ d}i

D = -^£-₅—— (mm) m z,

d ist der Außendurchmesser in mm e

d. ist der Innendurchmesser in mm m = — . -J ν Poisson-Zahl (hier 0,3)

4 2
E ^β 2,1 10 kg/um (E-modul)

d + d., _ ι
^Dl " "^~— ⁺ V^{2 cos (45}°

⁺ 2 V^{2 cos (45}

- 10 -

70981 7/0444

-ίλ-

-KJ-

h = H

^T"cos ( 45° + CC )

(45° + OC )

H ist die Höhe des Dichtprofils

h¹ ist der Abstand zwischen den zentralen Linien der Kontaktflächen der Dichtlippen mit den Planschen.

T ist die Dicke der Lippe; da die Lippen in einem Körper verbunden sind, ist das Maß von T experimentell ermittelt worden; z.B. für Profilhöhe H « 3,6 ist T nicht 1 mm wie in der Wirklichkeit, aber 1,55 mm. Dies ist ein Mittelwert, der auf Experimenten und Berechnungen an Dichtungen mit folgenden Durchmessern beruht:

e
0 72

d.
64

e 0 90

^di
82

e
0 100

In Tabelle 2 sind die Werte für h¹, Anpreßkraft P_tot# K und T angegeben für die verschiedenen Profilhöhen

- 11 -

709817/0444

Tabelle 2

Profilhöhe mm	2	3,6	7,2
Anpreßkraft ^ptot' *y^/ma	20	30	45
^{κ β} TO ^Ptot ^kg/ram	2	3	4,5
Γ mm	0,79	1,55	3
h¹ mm	1,4	2,5	5

Durch numerische Iteration wird eine Lösung fürCL für jeden Durchmesser gefunden.

d , d., m, E, H und T sind bekannt. In einer ersten Berechnung gibt man OL Werte zwischen 0 und 45° mit Stufen von 1° und berechnet jedesmal die Formel.

Nach Durchlauf aller dieser Werte findet man für OC die Werte, zwischen denen sich die Lösung befindet. Mit diesen Werten mit Stufen von 0,05° dazwischen wird QC genau präzisiert.

- 12 -

709817/0444

Bei Verwendung von Inconel 600, das wegen seiner großen Hitze- und Korrosionsbeständigkeit bei entsprechenden thermischen und Korrosions-Beanspruchungen in den einschlägigen Industrien besonders häufig angewandt wird, treffen die oben genannten Werte für das Ε-Modul und die Poisson-Zahl V zu. Daraus ergibt sich für Durchmesser zwischen 50 und 250 mm ein Winkel OC gemäß nachstehender Tabelle 3:

Tabelle 3

^de	^di	OC
50	42	2,95
60	52	4,25
70	62	5,60
80	72	7,10
90	82	10,20
100	92	10,20
150	142	17,85
200	192	24,35
250	242	29,35

- 13 -

709817/0 444

Für den Durchmesserbereich von 10 bis 50 rom und einer Profilhöhe H von 2 mm ergibt sich folgende Tabelle 4:

Tabelle 4

^de	^di	Winkel OC in Grad
10	6	0,45
15	11	1,050
25	21	3,150
30	26	4,55
35	31	6,0
40	36	7,55
45	41	9,15
50	46	10,85

Bei Durchmessern von 250 bis 2000 mm mit einer Profilhöhe H von 7,2 ergeben sich folgende Winkel Oi ι

- 14 -

709817/0444

— IrI —

Tabelle 5

d e	d.	11,95
250	234	15,35
300	284	21,55
400	384	26,65
500	484	30,65
600	584	33,7
700	684	35,95
800	784	37,65
900	884	38,95
looo	984	42,25
1500	1484	43,45
2000	1984

Unter Benutzung vorstehender Rechnungsergebnisse kommt man zu einer glexchblexbenden Vorspannung auch bei verschiedenen Durchmessern des Dichtringes mit gleichbleibender Dichtkraft und voller Auswirkung der mit der Erfindung erzielten Vorteile,

- 15 -

709817/0444

Man erhält ein Dichtungssystem, welches auch bei radialem Gleiten der Plansche und überdurchschnittlichen Temperaturdifferenzen der abzudichtenden Flächen eine ausgezeichnete Dichtigkeit gewährleistet. Die Dichtlippen haben, ohne in die Plansche einzudringen, einen perfekten Kontakt, wobei die Plansche sich bei unterschiedlichen Wärmedehnungen gefahrlos gegeneinander verschieben können, ohne die Dichtigkeit zu beeinträchtigen. Dabei tragen die inneren Lippen den größten Teil der Anpreßkraft, weil sie auf dem Innendurchmesser der Dichtung liegen, was wiederum vorteilhaft ist, weil hier Lippe und Planschmaterial verhärtet sind und so das Eindringen der Lippen in die Flansche verhindert wird.

Dieser Dichtungsmechanismus, der zu einem Gleiten der X-Lippen über die Flanschebene führt, ermöglicht nicht nur eine gute Abdichtung mit relativ geringem Anpreßdruck, sondern sorgt vor allen Dingen auch dafür, daß keinerlei Beschädigungen an den Dichtlippen oder den Flanschoberflächen eintreten, so daß Dichtringe und Flansche ohne zusätzliche Bearbeitung wiederholt benutzt werden können.

- 16 -

709817/0444

Es ist selbstverständlich, daß bei anderen Materialien als Inconel 600 sich E und ^ ändern. Dann muß in Abhängigkeit von der Elastizitätsgrenze des Materials ein passender Vorspannungswinkel (X gewählt werden, mit dem ^ich dann der Koeffizient K errechnen läßt.

Patentansprüche;

ΜΒ/Ϊ1Ρ - 25 731

- 17 -

09817/0 4

Claims

Patentansprüche

( 1.j Dichtungssystem für Hochdruck und Vakuum zum Abdichten von zwei einander gegenüberliegenden sich zum Beispiel unter Wärmeeinfluß relativ zueinander radial verschiebenden Dichtflächen an Flanschen aus hitze- bzw. korrosionsfesten Stählen unter Verwendung eines an sich bekannten vorgespannten X-Ringes mit abgerundeten Lippen, dadurch gekennzeichnet, daß der Dichtring mindestens die gleiche Härte wie die Flansche aufweist, daß die Flanschoberfläche normal abgedreht ist mit einer Rauhigkeit von etwa 0,2 bis 2,2 jam, daß die Kontaktflächenbreiten 0,2 bis 0,3 mm nicht überschreiten, daß der Anpreßdruck etwa 200 bis 450 kg/cm Dichtungsumfang beträgt und daß der Dichtvorgang in zwei Stufen erfolgt, von denen die erste zum Erreichen einer Vorspannung des X-Ringes zum Härten seiner Lippen, zum radialen Gleiten der Lippen mit Glätten der Flanschrauhigkeit und Härten der Flanschoberfläche, die zweite zum eigentlichen Abdichten dient, wobei die Vorspannung im plastischen Bereich verbleibt.

- 18 -

709817/0444

ORIGINAL !NSPEGTED

-X-
2. Dichtungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß etwa /10 der Dichtkraft von z.B. 300 kg/cm Dichtungsurafang für das Erzielen der Vorspannung und zum Härten der Lippen aufgewandt wird, worauf die darüber hinaus ausgeübte Dichtkraft nach Glätten der Rauhigkeit an der F lanschcber fläche eine ideelle flache gehärtete Ebene bildet, auf der die Lippen des Dichtringes gleiten ohne einzudringen.
3. Dichtungs sy stern nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei gleichbleibendem Krümmungsradius der Dichtlippenenden zwecks Einhaltung gleicher Vorspannung der Verdrehungswinkel des Dichtringes gegenüber der Flanschebene vom Ringdurchmesser allein abhängig ist.

- 25 731

709817/0444