DE3542593A1

DE3542593A1 - Flange connection

Info

Publication number: DE3542593A1
Application number: DE19853542593
Authority: DE
Inventors: Thaddaeus-Anton Dipl Kanczarek
Original assignee: Kraftwerk Union AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1985-12-02
Filing date: 1985-12-02
Publication date: 1987-06-04

Abstract

A flange connection in the case of which the sealing insert (7) (which is inserted into the annular groove) is higher by an amount DELTA h than the height of the annular groove, before assembly of the flanges (2, 3). The amount DELTA h is dimensioned such that, in the case of a flange which is resting on a base body (4) and using its return-springing characteristics, the sealing insert is compressed by an amount which corresponds to a surface pressure of more than 100 Newtons per mm<2>. The volume of each annular groove is dimensioned such that it encloses the insert on all sides, with the aid of the sealing surfaces of the flanges. <IMAGE>

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Flanschverbindung mit einem zwischen den einander zugewandten planen Dich tungsflächen der miteinander zu verbindenden Flansche eingelegten, scheibenförmigen Grundkörper aus inkom pressiblem Material, mit einer der lichten Weite der Flansche angepaßten zentralen Bohrung, mit mindestens einer, eine Dichteinlage aus expandiertem Graphit tra genden Ringnut.The invention relates to a flange connection with a plan between you facing each other surfaces of the flanges to be connected inserted, disc-shaped body made of incom pressible material, with one of the clear width of the Flanges matched central bore, with at least one, a sealing insert made of expanded graphite tra ring groove.

Im Hauptpatent ist eine Flanschverbindung offenbart, die ein Überdrücken und Zerstören der eingelegten Weichstoff einlage ausschließt und die selbst keinerlei Schwächung der Flansche verursacht, d. h. bei der die einander zuge wandten Flanschflächen keine Nuten oder Einfräsungen zu enthalten brauchen. Bei dieser Flanschverbindung gemäß dem Hauptpatent wird zwischen den Flanschen ein ring scheibenförmiger Grundkörper aus inkompressiblem Mate rial eingelegt, der die Anpreßkräfte der beiden Flansche aufnimmt. In diesem Grundkörper sind Ringnuten einge bracht, in die Weichstoffeinlagen, insbesondere solche aus expandiertem Graphit eingelegt werden. Dabei sind diese Ringnuten jeweils im Innern einer flachen Einsen kung eingelassen und so dimensioniert, daß sie vor dem Zusammenbau, wenn sie vollständig in die Ringnuten ein gelegt sind, insgesamt um einen Betrag Δh über die erhabene Oberfläche des Grundkörpers vorstehen, um bei am Grundkörper anliegendem Flansch die zur Dichtung not wendige Flächenpressung unter Ausnutzung der Rückfeder eigenschaften der Weichstoffeinlage zu erzeugen. In the main patent, a flange connection is disclosed, which excludes overpressing and destroying the inserted soft material insert and which itself does not cause any weakening of the flanges, ie in which the mutually facing flange surfaces need not contain any grooves or millings. In this flange connection according to the main patent, an annular disk-shaped base body made of incompressible material is inserted between the flanges, which absorbs the contact forces of the two flanges. In this base body, ring grooves are introduced into which soft material inserts, in particular those made of expanded graphite, are inserted. These ring grooves are each recessed inside a flat recess and dimensioned so that they protrude a total of an amount Δ h over the raised surface of the base body before assembly, when they are fully inserted into the base body, to at the base body adjacent flange to generate the necessary surface pressure for the seal using the resilience properties of the soft material insert.

Es ist eine Eigenart des Graphits, daß die Flächenpres sung nicht beliebig hoch getrieben werden kann, sondern im Bereich von ca. 100 bis 200 Newton pro mm² je nach Ausgangsdicke des Graphits einen Wert erreicht, bei dem die Kohlenstoffgitterebenen des Graphits aufeinander zu gleiten beginnen. Dies führt dazu, daß Graphitdichtungen beim Überschreiten dieser maximal zulässigen Flächen pressung anfangen seitlich wegzufliessen. Dies kann zu einem plötzlichen Versagen der eingebauten Flachdich tungen führen.It is a peculiarity of graphite that the surface pressure cannot be increased to an arbitrary level, but in the range of approx. 100 to 200 newtons per mm ^2, depending on the initial thickness of the graphite, reaches a value at which the carbon lattice planes of the graphite begin to slide on one another . This leads to the fact that graphite seals begin to flow away laterally when this maximum permissible surface pressure is exceeded. This can lead to a sudden failure of the installed flat seals.

Durch die FR-PS 25 17 789 ist bereits eine Flanschver bindung bekannt geworden, bei der Dichteinlagen aus expandiertem Graphit verwendet werden und die ohne Ril len in den einander zugewandten Dichtflächen der Flan sche auskommt. Bei dieser vorbekannten Flanschverbindung ist ein Grundkörper zwischen den Flanschen eingelegt, der aus zwei konzentrischen Ringen besteht. Zwischen diesen konzentrischen Ringen des Dichtkörpers wird eine Dicht einlage aus expandiertem Graphit eingelegt. Die einander zugewandten Innenflächen der beiden konzentrischen Ringe des Grundkörpers sind keilriemenförmig ausgedreht und an ihren vorstehenden Rändern etwas aufgebogen. Vor dem Ein bau muß daher diese Dichteinlage in eine Form eingelegt und gepreßt werden. Dabei preßt sich der expandierte Graphit in die Ausnehmungen zwischen den beiden konzen trischen Ringen und werden die aufgebogenen Ränder die ser konzentrischen Ringe plan gedrückt. Nach dem Zusam menpressen der Dichtung und dem Zusammenbau der beiden Flansche übernimmt die zu beiden Seiten des Grundkörpers um den Betrag "h" vorstehende Dichtlinse aus expandier ten Graphit die Dichtung der Flanschverbindung. Eine solche Flanschverbindung läßt sich mit gutem Erfolg im mer dort einsetzen, wo der Druck des Mediums keine stärke re Flächenpressung der Dichteinlage als 100 Newton pro mm² erfordert. Infolge der relativ geringen, radialen Dicht tiefe bzw -länge des Kriechweges für das Medium ist bei der gegebenen noch zulässigen Flächenpressung der Einsatzbereich solcher Dichtungen auf niedere bis mitt lere Drücke des Mediums beschränkt. Beim Einsatz, bei höhern Drücken und entsprechend stärkerer Anpressung der beiden Flansche an die Dichtung kann es beim Betrieb zu einem plötzlichen Abgleiten der einzelnen molekularen Gitterebenen des Graphits und damit zu einer Zerstörung der Struktur der Graphiteinlage, mit der Folge eines plötzlichen Versagens der Dichtung kommen.From FR-PS 25 17 789 a flange connection has already become known, in which sealing inserts made of expanded graphite are used and which does not require grooves in the mutually facing sealing surfaces of the flanges. In this known flange connection, a base body is inserted between the flanges, which consists of two concentric rings. Between these concentric rings of the sealing body, a sealing insert made of expanded graphite is inserted. The mutually facing inner surfaces of the two concentric rings of the base body are twisted out in a V-belt shape and slightly bent at their projecting edges. Before installation, this sealing insert must therefore be inserted into a mold and pressed. The expanded graphite presses into the recesses between the two concentric rings and the bent edges of these concentric rings are pressed flat. After pressing the seal together and assembling the two flanges, the sealing lens protruding from expanded graphite on both sides of the base body by the amount "h" takes over the sealing of the flange connection. Such a flange connection can be used with good success in those places where the pressure of the medium does not require a stronger surface pressure of the sealing insert than 100 Newtons per mm ² . As a result of the relatively small, radial sealing depth or length of the creepage distance for the medium, the range of use of such seals is limited to low to medium pressures of the medium given the still permissible surface pressure. When used, at higher pressures and correspondingly stronger pressure of the two flanges on the seal, the individual molecular lattice planes of the graphite can suddenly slide off during operation and thus destroy the structure of the graphite insert, with the result of a sudden failure of the seal.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Flansch verbindung zu entwickeln, die für den Hochdruckbereich geeignet ist und bei der keine Gefahr eines plötzlichen Versagens der Dichteinlage aus expandiertem Graphit be steht.The invention has for its object a flange to develop connection for the high pressure area is suitable and with no risk of sudden Failure of the sealing insert made of expanded graphite stands.

Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Ansprüchen 2 bis 7 zu entnehmen.The object is achieved by the features of claim 1 solved. Further advantageous configurations are the Claims 2 to 7.

Infolge der vollständigen Kammerung der Einlage einer seits und der entsprechenden Wahl des Betrages Δh, um den die Einlage vor dem Einbau höher ist, als die Höhe der Ringnut, in der sie eingelegt wird, läßt sich beim Zusammenbau der Flansche eine Kompression der Graphitein lage erzeugen, bei der die Flächenpressung weit über 100 bis 200 Newton pro mm² ansteigt. Bei dieser Flächen pressung könnten zwar die Graphitgitterebenen aufeinan der gleiten. Infolge der vollständigen Kammerung bleiben sie jedoch gefangen. Weil die Graphitteilchen nicht mehr seitlich aus dem Flansch herausgedrückt werden können wird so, trotz der hohen Flächenpressung, ein Versagen der Dichtung ausgeschlossen. Dabei werden jedoch sehr enge Fertigungstoleranzen für den Metallstützring erfor derlich. Die hohe Flächenpressung ihrerseits wiederum macht die Graphiteinlage infolge molekularer Verzahnung für das Betriebsmedium undurchlässig und ermöglicht den Einsatz bei entsprechend hoch verdichteten Medien.As a result of the complete chambering of the insert on the one hand and the corresponding choice of the amount Δ h by which the insert is higher than the height of the annular groove in which it is inserted prior to installation, the graphite insert can be compressed when the flanges are assembled generate in which the surface pressure increases well over 100 to 200 Newtons per mm ² . With this surface pressure, the graphite grid planes could slide on each other. However, due to the complete chambering, they remain trapped. Because the graphite particles can no longer be pressed out of the side of the flange, failure of the seal is excluded, despite the high surface pressure. However, very tight manufacturing tolerances for the metal support ring are required. The high surface pressure, in turn, makes the graphite insert impermeable to the operating medium due to molecular interlocking and enables use with correspondingly highly compressed media.

Die Verwendung durchgehender Ringnuten mit der Folge der Unterteilung des Grundkörpers in mehrere konzentrische Ringe führt nicht nur zu einer Verbilligung der Herstel lung des Grundkörpers im Vergleich zu einem Grundkörper, bei dem Nuten eingedreht werden müssen, sondern auch zu großmöglicher Höhe der Dichteinlage bei gegebener Grund körperhöhe. Letzteres wiederum führt zu einer Maximie rung sowohl des Toleranzbereichs für die Höhe der Dicht einlage, als auch des Rückfederweges der Dichteinlage. Die Vergrößerung des Rückfederweges verringert aber wie derum die Gefahr des Undichtwerdens bei Biegebeanspru chungen der Flanschverbindung.The use of continuous ring grooves with the consequence of Subdivision of the basic body into several concentric Rings do not only lead to a cheaper production development of the basic body in comparison to a basic body, where the grooves have to be screwed in, but also too maximum possible height of the sealing insert for a given reason body height. The latter in turn leads to a maxim tion of both the tolerance range for the amount of sealing insert, as well as the spring back of the sealing insert. However, the increase in the spring-back travel reduces how which is why there is a risk of leakage when bending flange connections.

Bei der radialen Ausdehnung der Ringnut in Bereiche größer als 0,5 der Differenz zwischen Innen- und Außen durchmesser der Flansche wird die hohe Dichtkraft der überdrückten Einlage aus expandiertem Graphit über einen verhältnismäßig langen, radialen Kriechweg aufrechter halten. Bei dieser Konstruktion, die den Verzicht auf mehrere konzentrische Dichteinlagen voraussetzt, ergibt sich eine Maximierung der Dichtkraft.With the radial expansion of the ring groove in areas greater than 0.5 the difference between inside and outside diameter of the flanges is the high sealing force of the expanded graphite insert over a relatively long, radial creepage distance upright hold. In this construction, the waiver requires several concentric sealing inserts maximizing the sealing force.

Weitere Einzelheiten der Erfindung werden anhand der Figuren erläuteret. Es zeigtFurther details of the invention are based on the Figures explained. It shows

Fig. 1 den aufgeschnittenen Randbereich einer erfin dungsgemäßen Flanschverbindung, Fig. 1 the cut edge region of a flange connection OF INVENTION to the invention,

Fig. 2 ein Diagramm der Abhängigkeit der Dicke einer Einlage aus expandierten Graphit von der Flä chenpressung bei erstmaliger Kompression und Fig. 2 is a diagram of the dependence of the thickness of an insert made of expanded graphite on the surface pressure at the first compression and

Fig. 3 ein Diagramm der Rückfederung von expandiertem Graphit in Abhängigkeit von der Vorpressung und der Ausgangsdicke der Einlage. Fig. 3 is a diagram of the springback of expanded graphite depending on the pre-compression and the initial thickness of the insert.

Die Fig. 1 zeigt den Randbereich einer erfindungsgemäßen Flanschverbindung 1. Zwischen den beiden Flanschen 2, 3 ist ein scheibenförmiger Grundkörper 4 aus inkompressib len Material, im vorliegenden Fall aus Stahl, eingelegt. Dieser inkompressable Grundkörper 4 besteht im Ausfüh rungsbeispiel aus zwei konzentrischen Ringen 5, 6. Zwi schen diese beiden Ringe ist eine Dichtstoffeinlage 7, aus expandiertem Graphit, eingelegt. Die einander zuge wandten inneren Stirnflächen 8, 9 des äußeren und inne ren Ringes 5, 6 des Grundkörpers 4 sind giebelförmig an geschrägt. Außerdem sind die beiden, den Flanschflächen zugewandten Seiten der konzentrischen Ringe, im Bereich der Dichtstoffeinlage mit einer Eindrehung 10, 11, 12, 13 versehen. Wie in der Fig. 1 angedeutet ist, hatte die Dichtstoffeinlage vor dem Zusammenbau der Flanschverbin dung die gestrichelt angedeutete Höhe besessen. Sie war damit um den Betrag Δh höher als der Grundkörper 4. Fig. 1 shows the edge area of a flange joint 1 of the invention. Between the two flanges 2 , 3 , a disk-shaped base body 4 made of incompressible material, in the present case made of steel, is inserted. This incompressible base body 4 consists in the exemplary embodiment of two concentric rings 5 , 6 . Between these two rings is a sealant insert 7 , made of expanded graphite, inserted. The mutually facing inner end faces 8 , 9 of the outer and inner ring 5 , 6 of the base body 4 are gabled to beveled. In addition, the two sides of the concentric rings facing the flange surfaces are provided with a recess 10 , 11 , 12 , 13 in the area of the sealant insert. As indicated in FIG. 1, the sealant insert had the height indicated by dashed lines before assembly of the flange connection. It was thus higher than the base body 4 by the amount Δ h.

Beim Zusammenbau, d. h. bei der Verschraubung der beiden Flansche 2, 3 wurde die Dichtstoffeinlage 7 auf die Höhe des Grundkörpers 4 komprimiert. Dabei wurde sie im Rand bereich etwas in die Eindrehungen 10 bis 13 der beiden konzentrischen Ringe 5, 6 hineingedrückt.During assembly, ie when the two flanges 2 , 3 are screwed together, the sealant insert 7 was compressed to the height of the base body 4 . It was pressed slightly into the recesses 10 to 13 of the two concentric rings 5 , 6 in the edge area.

Die Fig. 2 zeigt die Abhängigkeit der Dicke einer neuen, zuvor noch nicht komprimierten Einlage aus expandiertem Graphit, von der auf diese Einlage ausgeübten Flächen pressung. Man sieht daraus, daß die Flächenpressung "P" bei zunehmendem Zusammendrücken der Einlage aus expan diertem Graphit, d. h. mit zunehmender Verringerung der Dicke "D" exponentiell ansteigt. In diesem Diagramm ist auch jene maximale Zusammenpressung eingetragen, bei der eine Flächenpressung von 100 Newton pro mm² erreicht wird, und oberhalb derer bisher mit einem plötzlichen Versagen der Dichtung zu rechnen war. Für dieses plötz liche Versagen von Dichtungen aus expandiertem Graphit wird die flächige Gitterstruktur des Graphits verant wortlich gemacht. Die einzelnen Gitterebenen werden im wesentlichen durch Van der Waal′sche Kräfte aufeinander festgehalten. Bei Überschreiten dieser Haftkräfte können die einzelnen Gitterebenen voneinander abrutschen und die Dichteinlage auseinanderfließen. Fig. 2 shows the dependence of the thickness of a new, previously uncompressed insert made of expanded graphite, from the surface pressure exerted on this insert. It can be seen from this that the surface pressure "P " increases exponentially with increasing compression of the expanded graphite insert, ie with increasing reduction in the thickness "D" . This diagram also shows the maximum compression at which a surface pressure of 100 Newtons per mm ^{2 is} reached, and above which a sudden failure of the seal could previously be expected. The flat lattice structure of graphite is held responsible for this sudden failure of seals made of expanded graphite. The individual lattice planes are essentially held together by Van der Waal's forces. If these adhesive forces are exceeded, the individual lattice levels can slide off one another and the sealing insert can flow apart.

Die Fig. 3 zeigt die Rückfederung "d" der Einlage aus ex pandiertem Graphit in Abhängigkeit von der zuvor ausge übten maximalen Flächenpressung "P". Man erkennt aus die sem Diagramm, daß das expandierte Graphit, nachdem es ein mal komprimiert worden ist, nicht mehr auf seine Ausgangs dicke "D" zurückfedert, sondern daß seine Rückfederung "d" ausgehend von der Dicke "D" im komprimierten Zustand nur um einen bestimmten, von der ausgeübten Flächenpres sung nahezu unabhängigen Prozentsatz der ursprünglichen Ausgangsdicke zurückfedert. Aus dieser Fig. 3 wird deut lich, welche Bedeutung der Ausgangsdicke der Einlage aus expandiertem Graphit für die Rückfedereigenschaft - wel che ja für Dichtheit bei Biegebeanspruchungen der Flansch verbindung maßgebend ist - zukommt. Da aber die Ausgangs dicke abhängig ist sowohl von der Höhe des Grundkörpers als auch von der Kompression, der man die Graphiteinlage beim Zusammenbau der Flanschverbindung unterwirft, er geben sich um so günstigere Eigenschaften bei einer ge gebenen Grundkörperhöhe, je höher man die Flächenpres sung wählt. Es ist nun ein besonderer Vorteil der erfin dungsgemäßen Konstruktion, daß sie infolge der voll ständigen Kammerung der Graphiteinlage Flächenpressungen zuläßt, die weit jenseits jener 100 Newton pro mm² liegen, die normalerweise nicht überschritten werden dürfen. Fig. 3 shows the springback "d" of the insert made of expanded graphite depending on the previously exerted maximum surface pressure "P" . It can be seen from this diagram that the expanded graphite, after it has been compressed once, no longer springs back to its original thickness "D" , but that its springback "d" , based on the thickness "D", only in the compressed state springs back a certain percentage of the original starting thickness that is almost independent of the surface pressure exerted. From this Fig. 3 is clear Lich, what importance the initial thickness of the insert made of expanded graphite for the springback property - which che yes is decisive for tightness under bending stresses of the flange connection. However, since the initial thickness depends on both the height of the base body and the compression to which the graphite insert is subjected when assembling the flange connection, the higher the surface pressure chosen, the more favorable the properties are at a given base body height. It is now a particular advantage of the construction according to the invention that it allows surface pressures due to the complete chambering of the graphite insert, which are far beyond those 100 Newtons per mm ² , which normally should not be exceeded.

Zur Erzielung einer möglichst hohen Dichtheit wird daher der Grundkörper bei der erfindungsgemäßen Flanschverbin dung zur Maximierung der Einlagenhöhe aus konzentrischen Ringen aufgebaut. Die Höhe der Graphiteinlagen wird so dann von dem erstmaligen Einbau so gewählt, daß sie beim Zusammenpressen auf die Höhe des Grundkörpers einer Flächenpressung unterliegt, die weit über 100 Newton pro mm² beträgt. Wenngleich bei diesen extrem hohen Flächen pressungswerten auf die Graphitstruktur Kräfte ausgeübt werden, die oberhalb der Haftkräfte liegen, mit denen die einzelnen, schichtförmigen Strukturen des Graphits aufeinander haften, so kann der Graphit jedoch infolge der beim vollständigen Zusammenbau des Flansches unmit telbar aufeinandergepreßten Stahlflächen des Flansches und des Grundkörpers jedoch nicht aus der zwischen dem äußeren und inneren Ring des Grundkörpers und den beiden anliegenden Flanschflächen gebildeten Kammer entweichen. Auf diese Weise ist ein Versagen der Dichtung trotz dieser extrem hohen Flächenpressung ausgeschlossen. Da rüber hinaus wird die Undurchlässigkeit des Graphits für jedes Betriebsmedium durch diese extreme Flächenpressung erhöht. Hinzu kommt, daß durch die radiale Länge der Anlagefläche der Dichteinlage am Flansch lange Kriech wege entstehen, die äußerst hohen Mediumsdrücken wider stehen können.To achieve the highest possible tightness, the base body is therefore constructed from concentric rings in the flange connection according to the invention to maximize the insert height. The height of the graphite inlays is then chosen from the initial installation in such a way that when pressed together to the height of the base body, it is subject to a surface pressure which is well over 100 Newtons per mm ² . Although these extremely high surface pressures exert forces on the graphite structure that lie above the adhesive forces with which the individual, layer-like structures of the graphite adhere to one another, the graphite can, however, due to the steel surfaces of the flange that are immediately pressed together when the flange is fully assembled and the base body, however, do not escape from the chamber formed between the outer and inner ring of the base body and the two adjacent flange surfaces. In this way, failure of the seal is excluded despite this extremely high surface pressure. In addition, the impermeability of graphite to any operating medium is increased by this extreme surface pressure. In addition, the radial length of the contact surface of the sealing insert on the flange creates long creeping paths that can withstand extremely high medium pressures.

Claims

1. Flange connection with a disc-shaped base body made of incompressible material inserted between the mutually facing flat sealing surfaces of the flanges to be connected, with a central bore adapted to the inside width of the flanges, with at least one annular groove carrying a sealing insert made of expanded graphite, characterized in that the inserted in the ring groove sealing insert ( 7 ) before assembling the flanges ( 2 , 3 ) by an amount Δ h higher than the height of the ring groove, which is dimensioned such that the sealing insert with the flange ( 4 ) lying against the base body Utilization of their spring back properties is compressed by an amount which corresponds to a surface pressure of more than 100 N per mm ² and the volume of each annular groove is dimensioned such that they enclose the insert after assembly with the help of the sealing surfaces of the flanges on all sides.

2. Flange connection according to claim 1, characterized in that the base body ( 4 ) by one or more continuous ring grooves in two or more concentric rings ( 5 , 6 ) is divided.

3. Flange connection according to claim 2, characterized in that the radial extent of the annular groove defined as Ra-Ri in the region of its contact surfaces on the flanges ( 2 , 3 ) is greater than 0.5 × the difference between R _A - R _{I of} the flanges .

4. Flange connection according to claim 2, characterized in that the radial extent of the annular groove defined as Ra-Ri is greater than twice the height of the basic body ( 4 ).

5. Flange connection according to claim 1, characterized in that the height Δ h, with which the fully inserted into the annular groove sealing insert ( 7 ) of expanded graphite protrudes all over the base body ( 4 ) is such that the density of the insert after the assembly of the flanges ( 2 , 3 ) is between 1.7 and 2.35 kg per dm ³ , based on the graphite material.

6. Flange connection according to claim 1, characterized in that the annular groove inside a flat recess ( 10 , 11 , 12 , 13 ) is embedded.