DE4340051A1

DE4340051A1 - Flanschverbindung

Info

Publication number: DE4340051A1
Application number: DE19934340051
Authority: DE
Inventors: Albrecht Dr Brenner
Original assignee: Balcke Duerr AG
Current assignee: Balcke Duerr AG
Priority date: 1993-11-24
Filing date: 1993-11-24
Publication date: 1995-06-01

Description

Die Erfindung betrifft eine Flanschverbindung, insbesondere zum Verschließen von Behältern mit einem Deckel oder zum Verbinden von Rohren oder Behälterabschnitten mittels Flanschen, mit einer zwischen den radial zur Längsachse verlaufenden Anlageflächen angeordneten Dichtung und mit radial außerhalb der Dichtung an geordneten Schrauben, deren Vorspannkraft zumindest teilweise durch metallischen Kontakt der Anlageflächen längs einer radial außerhalb der Dichtung verlaufenden, ringförmigen Kontaktlinie übertragen wird.

Derartige Flanschverbindungen sind in verschiedensten Aus führungen bekannt. Die Dichtungen liegen hierbei im sogenannten Kraftnebenschluß. Sie sind nur dann betriebssicher, wenn bei der Auslegung neben den zulässigen Spannungsgrenzen auch die Deformation im Bereich der Anlageflächen begrenzt wird. Bei Flanschen mit großen Durchmessern ist hierbei die Einhaltung der Deformationsgrenzen dimensionsbestimmend für die Flanschen bzw. den Flansch und den Deckel.

Bei der Auslegung von Flanschverbindungen unter Verwendung von Kraftnebenschluß-Dichtungen ist somit besondere Sorgfalt hin sichtlich des Verformungsverhaltens der Bauteile erforderlich. Kraftnebenschluß-Dichtungen zeichnen sich dadurch aus, daß die Schraubenkraft überwiegend nicht durch die Dichtung, sondern durch direkten metallischen Kontakt zwischen den Anlageflächen der Flanschverbindung übertragen wird. Die Flächenpressung der Dichtung bleibt hierbei bei korrekter Auslegung unabhängig vom Betriebsverhalten des mit der Flanschverbindung ausgestatteten Bauteils konstant. Die Pressung ergibt sich allein aus den geo metrischen Bedingungen der Dichtungsnut und der Dichtungshöhe beim Anziehen der Schrauben.

Der Vorteil dieser Dichtungskonstruktion liegt darin, daß sich die für die Dichtheit maßgeblichen Parameter auch bei wechselnden Bedingungen, beispielsweise bei wiederholtem An- und Abfahren des Apparates, nicht mehr ändern. Dies gilt allerdings nur unter der Voraussetzung, daß die Kammerung der Dichtung in allen Betriebszuständen erhalten bleibt. Führt beispielsweise der Innendruck durch Deformation der Flansche bzw. des Flansches und des Deckels zu einer partiellen Aufklaffung der Dichtfläche, sind Undichtigkeiten nicht zu vermeiden, da die Kraftneben schluß-Dichtungen normalerweise nur ein geringes Rückfederungs potential haben. Die Dichtheit derartiger Kraftneben schluß-Dichtungen ist somit in großem Maße vom Deformationsver halten der Flanschverbindung abhängig.

Bei den bekannten Flanschverbindungen mit planparallelen, recht winklig zur Mittelachse verlaufenden Anlageflächen liegt die je weilige Anlagefläche bei Beginn der Montage verformungs- und kräftefrei auf der Dichtung, die um ihr konstruktiv vorgegebenes Übermaß aus der Dichtungsnut in der jeweils anderen Anlagefläche herausragt. Beim anschließenden Anziehen der Schrauben verformen sich die Flansche bzw. der Flansch und der Deckel derart, daß sich unter Zusammenpressung der Dichtung ein metallischer Kon takt längs einer ringförmigen Kontaktlinie im Bereich zwischen der Dichtung und den radial außerhalb liegenden Schrauben ergibt. Durch die Lage der ringförmigen Berührungslinie radial außerhalb der Dichtung ergibt sich zwangsläufig eine Ver ringerung der Dichtflächenpressung, die durch weiteres Anziehen der Schrauben nicht etwa erhöht, sondern durch die hiermit ver bundene zusätzliche Verformung weiter verringert wird. Es tritt somit genau das Gegenteil dessen ein, was durch zusätzliches An ziehen der Schrauben bezweckt werden soll, wobei es besonders nachteilig ist, daß dieser Effekt, der im wesentlichen von der Steifigkeit der Bauteile abhängt, von außen nicht beobachtet werden kann.

Durch die Lage der Schrauben radial außerhalb der Dichtung und durch eine zusätzliche, in derselben Richtung wie die Schrauben kraft verlaufende Verformung der Flanschverbindung aufgrund von Innendruck ergibt sich somit eine ringförmige Kontaktlinie zwischen den Anlageflächen der Flanschverbindung außerhalb der Dichtung. Sobald die Vorspannkraft der Schrauben und/oder die Verformung der Flanschverbindung aufgrund des Innendruckes be stimmte Werte übersteigen, ergibt sich eine Verringerung der Dichtflächenpressung, die häufig zu Undichtigkeiten führt, wobei ein starkes Anziehen der Schrauben diesen Effekt noch verstärkt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Nach teile der voranstehend beschriebenen Flanschverbindungen mit möglichst einfachen Mitteln zu vermeiden.

Die Lösung dieser Aufgabenstellung durch die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß radial innerhalb der Dichtung eine zusätzliche ringförmige Kontaktlinie zwischen den Anlage flächen ausgebildet wird.

Durch diese erfindungsgemäße Ausbildung wird erreicht, daß der erste metallische Kontakt zwischen den Anlageflächen der Flanschverbindung nicht mehr radial außerhalb, sondern radial innerhalb der Dichtung auftritt und daß erst beim Aufbringen der Schraubenkraft ein zweiter metallischer Kontakt radial außerhalb der Dichtung eintritt. Die Dichtung liegt dann in einem ring förmigen Bereich zwischen den beiden Kontaktlinien, so daß auch ein weiteres Anziehen der Schrauben und/oder eine auftretende Verformung der Flanschverbindung aufgrund von Innendruck nicht zu einer Verringerung der Dichtflächenpressung führt. Gegenüber der bekannten Ausführung kann bei der erfindungsgemäßen Weiter bildung die Betriebssicherheit somit auch mit weniger steifen Bauteilen der Flanschverbindung erreicht werden. Die Dimensi onierung der Flansche bzw. des Flansches und des Deckels muß somit nicht mehr hinsichtlich der zulässigen Verformungen er folgen, sondern kann im wesentlichen hinsichtlich der zulässigen Spannungsgrenzen vorgenommen werden, weil die an der Flanschver bindung auftretenden Verformungen zur geometrisch einwandfreien Verspannung der Flanschverbindung herangezogen werden und nicht wie bei den herkömmlichen Konstruktionen schädlich sind.

Bei Flanschverbindungen, bei denen mindestens eine der beiden Anlageflächen im Bereich der Schrauben in axialer Richtung mit einer rückspringenden Freifläche versehen ist, läßt sich die radial innerhalb der Dichtung liegende zusätzliche Kontaktlinie gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung dadurch erzielen, daß der zwischen der Freifläche und der Dichtung liegende Teil mindestens einer der beiden Anlageflächen gegenüber dem radial innerhalb der Dichtung liegenden Teil der Anlagefläche in axialer Richtung rückversetzt ist.

Durch diesen zusätzlichen Rückversatz des radial außerhalb der Dichtung liegenden Teils mindestens einer der beiden Anlage flächen ergibt sich beim Anziehen der Schrauben und bei einer zusätzlichen Verformung aufgrund einer Belastung der Flanschver bindung mit Innendruck eine ringförmige Kontaktlinie für einen unmittelbaren metallischen Kontakt der Anlageflächen außerhalb der Dichtung. Die Dichtung liegt somit zwischen zwei ring förmigen Kontaktlinien und bleibt damit unabhängig von der Be lastung der Flanschverbindung durch Verformung stets mit einer konstanten Dichtflächenpressung beaufschlagt.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird die Dichtung in einer Nut einer der beiden Anlageflächen der Flanschverbindung ange ordnet; der Rückversatz des zwischen der Freifläche und der Dichtung liegenden Teils der Anlagefläche kann an einer oder beiden Anlageflächen ausgebildet werden. Selbstverständlich ist es auch möglich, die Dichtung in Nuten anzuordnen, die in beiden Anlageflächen ausgebildet sind. In der Praxis liegt die zum Rückversatz eines Teils der Anlagefläche führende Abarbeitung in der Größenordnung von 0,5 bis 5 Zehntel Millimeter.

Bei Flanschverbindungen mit einem zwischen den Anlageflächen an geordneten Dichtring aus einem metallischen Grundkörper und in Nuten auf beiden Seiten des Grundkörpers angeordneten Dicht elementen kann die erfindungsgemäße zusätzliche, radial innerhalb der Dichtung verlaufende Kontaktlinie gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung dadurch geschaffen werden, daß die axiale Dicke des metallischen Grundkörpers radial außerhalb der Dichtelemente kleiner als die axiale Dicke des metallischen Grundkörpers radial innerhalb der Dichtelemente ausgebildet wird.

Durch diese Ausgestaltung des Dichtringes ergibt sich zwar nur ein mittelbarer metallischer Kontakt zwischen den Anlageflächen der Flanschverbindung; dieser radial außerhalb und radial innerhalb des Dichtringes erzeugte metallische Kontakt führt je doch ebenfalls zu dem voranstehend beschriebenen Ergebnis, das eine Aufrechterhaltung einer nahezu konstanten Dichtflächen pressung unabhängig von der Vorspannkraft der Schrauben und der beim Betrieb auftretenden Verformungen der Flanschverbindung gewährleistet.

Auf der Zeichnung sind ein Ausführungsbeispiel einer Flanschver bindung nach dem Stand der Technik und mehrere Ausführungsbei spiele von erfindungsgemäßen Flanschverbindungen schematisch dargestellt, und zwar jeweils zum Verschließen eines Behälters mit einem Deckel. Es zeigen:

Fig. 1a bis 1d eine Flanschverbindung nach dem Stand der Technik in vier verschiedenen Zuständen,

Fig. 2a bis 2d ein erstes Ausführungsbeispiel einer er findungsgemäßen Flanschverbindung in vier ver schiedenen Zuständen,

Fig. 3 bis 7 fünf weitere Ausführungsbeispiele einer er findungsgemäßen Flanschverbindung im Ausgangs zustand gemäß Fig. 2a,

Fig. 8a bis 8d ein weiteres Ausführungsbeispiel einer er findungsgemäßen Flanschverbindung unter Ver wendung eines separaten Dichtringes.

Sämtliche Zeichnungen zeigen in einem axialen Teilschnitt einen mit einem Flansch 1a versehenen Behälter 1, der durch einen Deckel 2 verschlossen werden soll. Dieser Deckel 2 ist in seinem flanschartigen Rand 2a mit einer Reihe von Bohrungen 2b versehen, die mit Bohrungen 1b im Flansch 1a des Behälters 1 fluchten und zur Aufnahme von nicht dargestellten Schrauben dienen, mit denen der Deckel 2 mit dem Behälter 1 verspannt wird.

Um das Innere des Behälters 1 abzudichten, ist eine Dichtung 3 vorgesehen, die beim Ausführungsbeispiel nach den Fig. 1a bis 1d in einer Ringnut im Flansch 1a des Behälters 1 angeordnet ist. Im Ausgangszustand gemäß Fig. 1a überragt die Dichtung 3 die sie aufnehmende Ringnut.

Bei der in den Fig. 1a bis 1d dargestellten Flanschverbindung nach dem Stand der Technik sind die Anlageflächen 1c und 2c der Flanschverbindung eben und planparallel ausgeführt. Im Bereich der Bohrungen 1b bzw. 2b sind der Flansch 1a des Behälters 1 und der Rand 2a des Deckels 2 mit in axialer Richtung rück springenden Freiflächen 1d bzw. 2d versehen, so daß beim An ziehen der Schrauben der Behälter 1 und der Deckel 2 aus schließlich im Bereich ihrer Anlageflächen 1c und 2c einander berühren. Derartige Freiflächen 1d und 2d müssen nicht sowohl am Flansch 1a als auch am Rand 2a ausgebildet sein; es genügt die Ausbildung einer Freifläche 1d bzw. 2d, um den nötigen Freiraum zu schaffen.

Die Fig. 1a zeigt einen Zustand der Flanschverbindung, bei der der Deckel 2 lose auf dem Behälter 1 aufliegt. Die plan parallelen Anlageflächen 1c und 2c liegen im Abstand parallel zueinander. Die Dichtung 3 ist nur geringfügig zusammengedrückt.

Bei einem Anziehen der Schrauben, das durch die Pfeile in Fig. 1b symbolisiert wird, erfolgt ein Zusammenpressen der Dichtung 3 bis die Anlageflächen 1c und 2c mit ihrem radial außenliegenden Rand aufeinandertreffen. Hierdurch ergibt sich ein metallischer Kontakt zwischen den Anlageflächen 1c und 2c längs einer ring förmigen Kontaktlinie L_a, die in Fig. 1b mit einem Pfeil gekenn zeichnet ist. Diese Kontaktlinie L_a liegt radial außerhalb der Dichtung 3.

Durch ein weiteres Anziehen der Schrauben, das durch die längeren Pfeile in Fig. 1c symbolisiert ist, ergibt sich eine stärkere Verformung der Flanschverbindung, die gemäß Fig. 1c zu einem Aufklaffen der Anlageflächen 1c und 2c und damit zu einer Verringerung der Dichtflächenpressung der Dichtung 3 führt. In Fig. 1c ist der entstehende Spalt zwischen den Anlageflächen 1c und 2c, der selbstverständlich übertrieben dargestellt ist, deutlich zu erkennen.

Durch den ausschließlich längs der Kontaktlinie L_a vorhandenen metallischen Kontakt zwischen den Anlageflächen 1c und 2c kann sich schließlich eine vollständige Entlastung der Dichtung 3 er geben, wenn zusätzlich zu den durch die Pfeile in den Fig. 1c und 1d symbolisierten Schraubenkräften Verformungen der Flansch verbindung aufgrund eines Innendruckes im Behälter 1 hinzu treten. Dieser Innendruck ist durch die Pfeile in Fig. 1d symbolisiert. Die Zeichnung in Fig. 1d zeigt, daß in einem solchen Fall die Dichtung 3 wirkungslos werden kann, ohne daß dies der Flanschverbindung von außen angesehen werden kann.

Beim ersten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Flansch verbindung nach den Fig. 2a bis 2d ist der Deckel 2 der Flansch verbindung gegenüber dem Stand der Technik nach den Fig. 1a bis 1d unverändert ausgeführt. Am Flansch 1a des Behälters 1 ist jedoch der zwischen der Freifläche 1d und der Dichtung 3 liegende Teil 1e der Anlagefläche 1c gegenüber dem radial inner halb der Dichtung liegenden Teil der Anlagefläche 1c in axialer Richtung rückversetzt. Dies zeigt am deutlichsten die Fig. 2a, bei der der Deckel 2 lose auf der im Flansch 1a des Behälters 1 angeordneten Dichtung 3 aufliegt.

Durch diesen Rückversatz des zwischen der Freifläche 1d und der Dichtung 3 liegenden Teiles 1e ergibt sich bei einem Anziehen der Schrauben gemäß Fig. 2b nach einem Zusammenpressen der Dichtung 3 als erstes ein metallischer Kontakt zwischen den An lageflächen 1c und 2c der Flanschverbindung längs einer ring förmigen Kontaktlinie L_i, die radial innerhalb der Dichtung 3 liegt. Dieser metallische Kontakt längs der Kontaktlinie L_i wird auch dann aufrechterhalten, wenn die Schrauben gemäß Fig. 2c stärker angezogen werden, so daß die Anlagefläche 2c des Deckels 2 zusätzlich am rückversetzten Teil 1e des Flansches 1a längs einer Kontaktlinie L_a anliegt, die sich radial außerhalb der Dichtung 3 befindet. Das stärkere Anziehen der Schrauben führt somit nicht zu einer Verringerung der Dichtflächenpressung der Dichtung 3, da diese im Bereich zwischen den beiden Kontakt linien L_a und L_i liegt, an denen die beiden Teile der Flansch verbindung metallischen Kontakt haben.

Auch wenn zu der Belastung durch die Vorspannkraft der Schrauben der Innendruck im Behälter 1, der eine zusätzliche Verformung der Flanschverbindung zur Folge hat, gemäß Fig. 2d hinzukommt, tritt keine Veränderung der Belastung der Dichtung 3 auf. Die Dichtung 3 wird somit unabhängig von der Belastung der Flansch verbindung durch Schraubenkräfte oder Verformung aufgrund von Innendruck stets mit einer konstanten Dichtflächenpressung be aufschlagt. Es ist lediglich erforderlich, die Schraubkraft und die Rücksprünge unter Berücksichtigung der Steifigkeit der Bau teile und unter Berücksichtigung der zu erwartenden Innendruck belastung richtig zu bemessen.

Während beim Ausführungsbeispiel nach den Fig. 2a bis 2d die Dichtung 3 in einer Ringnut des Flansches 1a angeordnet und dieser Flansch 1a zugleich mit dem rückversetzten Teil 1e der Anlagefläche 1c ausgebildet ist, zeigen die Fig. 3 bis 7 alter native Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Flanschver bindung.

Die Fig. 3 und 4 zeigen in einer der Fig. 2a entsprechenden Dar stellung, daß die Dichtung 3 auch in einer Ringnut im Deckel 2 angeordnet werden kann. Der gegenüber der Anlagefläche 1c bzw. 2c rückspringende Teil kann hierbei entweder gemäß Fig. 3 am Flansch 1a oder gemäß Fig. 4 am Rand 2a des Deckels 2 ausge bildet sein. Dieser rückversetzte Teil 2e ist in Fig. 4 einge zeichnet.

Die Fig. 5 zeigt, daß bei einer Anordnung der Dichtung 3 in einer Nut des Flansches 1a der rückversetzte Teil 2e auch am Deckel 2 ausgeführt sein kann. Die Fig. 6 und 7 zeigen schließlich, daß die Dichtung 3 auch in Ringnuten sowohl des Flansches 1a als auch des Randes 2a des Deckels 2 angeordnet sein kann, und zwar unabhängig davon, ob der rückversetzte Teil 1e bzw. 2e am Flansch 1a oder am Rand 2a des Deckels 2 ausge bildet ist.

In allen Fällen ergibt sich beim Anziehen der Schrauben und beim Auftreten zusätzlicher Verformungen aufgrund des Innendruckes im Behälter 1 zusätzlich zu der radial außerhalb der Dichtung 3 verlaufenden Kontaktlinie L_a radial innerhalb der Dichtung 3 eine ringförmige Kontaktlinie L_i zwischen den Anlageflächen 1c und 2c der Flanschverbindung, die eine Reduzierung der Dicht flächenpressung verhindert und dafür sorgt, daß die Dichtung 3 in allen Betriebszuständen stets mit der erforderlichen Dicht flächenpressung an den beiden Teilen der Flanschverbindung an liegt.

Während bei den voranstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen ein unmittelbarer metallischer Kontakt längs zweier Kontakt linien L_a und L_i erzeugt wird, zeigt das Ausführungsbeispiel nach den Fig. 8a bis 8d eine Konstruktion, bei der dieser metallische Kontakt zwischen den Anlageflächen 1c und 2c mittelbar mit Hilfe eines zwischen den Anlageflächen 1c und 2c angeordneten Dichtringes 4 erzeugt wird. Aufgrund der Verwendung eines derartigen Dichtringes 4 kann auf die Ausbildung von Frei flächen 1d bzw. 2d am Flansch 1a bzw. am Rand 2a des Deckels 2 verzichtet werden.

Wie am besten die Fig. 8a erkennen läßt, besteht der Dichtring 4 aus einem metallischen Grundkörper 4a und in Nuten auf beiden Seiten dieses Grundkörpers 4a angeordneten Dichtelementen 4b.

Um nach einem vollständigen Anziehen der Schrauben gemäß Fig. 8c und insbesondere beim Auftreten einer zusätzlichen Verformung aufgrund eines im Inneren des Behälters 1 herrschenden Innen druckes einen metallischen Kontakt zwischen den Anlageflächen 1c und 2c der Flanschverbindung längs zweier Kontaktlinien L_a und L_i zu erzielen, ist die axiale Dicke des metallischen Grundkörpers 4a radial außerhalb der Dichtelemente 4b kleiner als die axiale Dicke des metallischen Grundkörpers 4a radial innerhalb der Dichtelemente 4b ausgebildet. Durch diese Ausge staltung des Dichtringes 4 wird sichergestellt, daß im Endzu stand die verformbaren Dichtelemente 4b des Dichtringes 4 zwischen einer radial außerhalb und einer radial innerhalb der Dichtelemente 4b verlaufenden Kontaktlinie L_a bzw. L_i liegen. Der auf diese Weise zwischen den Anlageflächen 1c und 2c mit Hilfe des metallischen Grundkörpers 4a erzeugte metallische Kon takt entlang zweier Kontaktlinien L_a und L_i verhindert somit ebenso wie bei den Ausführungsbeispielen nach den Fig. 2 bis 7 eine Verringerung der Dichtflächenpressung und garantiert in allen Betriebszuständen die Aufrechterhaltung eines vorherbe stimmbaren Dichtwirkung der Dichtelemente 4b.

Bezugszeichenliste

1 Behälter
1a Flansch
1b Bohrung
1c Anlagefläche
1d Freifläche
1e rückversetzter Teil
2 Deckel
2a Rand
2b Bohrung
2c Anlagefläche
2d Freifläche
2e rückversetzter Teil
3 Dichtung
4 Dichtring
4a Grundkörper
4b Dichtelement
L_a Kontaktlinie, äußere
L_i Kontaktlinie, innere

Claims

1. Flanschverbindung, insbesondere zum Verschließen von Be hältern mit einem Deckel oder zum Verbinden von Rohren oder Behälterabschnitten mittels Flanschen, mit einer zwischen den radial zur Längsachse verlaufenden Anlageflächen angeordneten Dichtung und mit radial außerhalb der Dichtung angeordneten Schrauben, deren Vorspannkraft zumindest teilweise durch metallischen Kontakt der Anlageflächen längs einer radial außerhalb der Dichtung verlaufenden, ringförmigen Kontakt linie übertragen wird, dadurch gekennzeichnet, daß radial innerhalb der Dichtung (3, 4b) eine zusätzliche ringförmige Kontaktlinie (L_i) zwischen den Anlageflächen (1c) und (2c) ausgebildet ist.

2. Flanschverbindung nach Anspruch 1, bei der mindestens eine der beiden Anlageflächen im Bereich der Schrauben in axialer Richtung mit einer rückspringenden Freifläche versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß der zwischen der Freifläche (1d, 2d) und der Dichtung (3) liegende Teil (1e) bzw. (2e) mindestens einer der beiden An lageflächen (1c) bzw. (2c) gegenüber dem radial innerhalb der Dichtung (3) liegenden Teil der Anlagefläche (1c) bzw. (2c) in axialer Richtung rückversetzt ist.

3. Flanschverbindung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtung (3) in einer Nut einer der beiden Anlage flächen (1c) bzw. (2c) angeordnet und der Rückversatz des zwischen der Freifläche (1d) bzw. (2d) und der Dichtung liegenden Teiles (1e) bzw. (2e) der Anlagefläche (1c) bzw. (2c) an einer der beiden Anlagefläche (1c) bzw. (2c) ausge bildet ist.

4. Flanschverbindung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekenn zeichnet, daß die Dichtung (3) in Ringnuten beider Anlageflächen (1c) und (2c) angeordnet ist.

5. Flanschverbindung nach Anspruch 1 mit einem zwischen den An lageflächen (1c) und (2c) angeordneten Dichtring (4) aus einem metallischen Grundkörper (4a) und in Nuten auf beiden Seiten des Grundkörpers (4a) angeordneten Dichtelementen (4b), dadurch gekennzeichnet, daß die axiale Dicke des metallischen Grundkörpers (4a) radial außerhalb der Dichtelemente (4b) kleiner als die axiale Dicke des metallischen Grundkörpers (4a) radial inner halb der Dichtelemente (4b) ausgebildet ist.