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Die vorliegende Erfindung bezieht
sich auf Überlappungsflansche
zum Verbinden eines geflanschten Rohrs einer Rohrleitung.
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In vielen Fällen wird die lecksichere Überlappungsverbindung
zweier Rohrenden oder eines Rohrs an einem geflanschten oder konisch
erweiterten Nippel eines Flüssigkeitsein-
oder -auslasses oder an anderen geflanschten Komponenten wie etwa
einem Ventil, einer Pumpe und dergleichen hergestellt, indem so
genannte Überlappungsflansche oder
freie Flansche als eine Alternative zur Verwendung von Verbindungsflanschen,
die am Rohrende festgeschweißt
sind, verwendet werden.
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Diese Flanschtypen, die auch als
freie oder lose Flansche bezeichnet werden, sind insbesondere für die Realisierung
von Rohrleitungen und Niederdruck-Rohrleitungsanlagen, die Rauchgase,
Gasgemische, Zwangsbelüftungsluft,
Flüssigkeiten,
Suspensionen und andere Fluide befördern, geeignet, die häufig mit
relativ leichten Röhren
aus Stahlblech, Wellstahlblech, Kunststoff, faserverstärkten Harzen, Gummi
oder Ähnlichem
hergestellt werden, obgleich sie auch für Hochdruck-Rohrleitungen verwendbar sind
und tatsächlich
verwendet werden.
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Die Verwendung von Überlappungsflanschen
oder freien Flanschen ist insbesondere im Fall von Rohrleitungen
zweckmäßig, die
wegen der Erfordernisse der Korrosionsbeständigkeit gegenüber dem
Fluid, das sich durch die Röhren
bewegt, aus einem relativ kostspieligen Material wie etwa z. B.
aus rostfreiem Stahl, Titan und dergleichen hergestellt sind. Da
die Überlappungsflansche
nicht in direktem Kontakt mit dem Fluid stehen, können sie
aus einem weniger kostspieligen Material hergestellt werden.
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Im Allgemeinen werden die Überlappungsflansche
auf das Rohr geschoben, bevor ein aufschiebbarer Schweißbund an
die Rohrenden geschweißt
wird.
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In diesen Rohrleitungen enthält der Abschluss-"Flansch" der Rohre oft einen
relativ schmalen aufschiebbaren Schweißflansch aus demselben Material
wie das Rohr, der an das Ende des Rohrs geschweißt ist.
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In Leitungen mit relativ niedrigem
Druck, die mit dünnwandigen
Röhren hergestellt
sind, kann der Abschlussflansch der Röhre durch Aufweitung des Röhrenendes
unter Verwendung geeigneter Werkzeuge erzeugt werden, die eine Aufweitung
und eine Endkrümmung
sowie eine Abflachung der Abdichtungsoberfläche eines derartigen Abschlussflansches
erzeugen.
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Diese Schweißbünde oder Abschlussflansche
des Rohrs oder der Röhre
sind nicht mit Löchern
versehen und besitzen eine relativ schmale radiale Breite, wobei
sie in vielen Fällen
eine unzureichende Eigensteifigkeit besitzen können, um eine Druckabdichtung
des Flansches gegen die Dichtung sicherzustellen, die zwischen dem
Abschlussflansch der Röhre
und dem Abschlussflansch der anderen Röhre oder dem Verbindungsnippel
eingeschoben ist. In diesen Anwendungen muss der Überlappungsflansch
die unzureichende Stabilität
der Abschlussaufweitung der Röhre
berücksichtigen
und außerdem die
Verankerung der Bolzen oder der Verbindungsstangen, die verwendet
werden, um die Verbindungsstelle zu befestigen, sicherstellen.
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Überlappungsflansche
können
aus demselben Material wie das Rohr hergestellt werden, das am Ende,
auf das sie verschiebbar geschoben sind, mit einem geschweißten aufschiebbaren
Schweißbund
versehen oder konisch erweitert ist, wobei sie jedoch sehr viel
häufiger
aus einem anderen Material hergestellt werden, das weniger kostspielig
ist als das Material des Rohrs, und mechanische Eigenschaften besitzen,
die geeignet sind, um als beanspruchungsbeständige Elemente zu wirken, die
vorzugsweise in einer Gießform
formbar sind, wobei sie entsprechende Formbeständigkeits- und Steifigkeitseigenschaften
besitzen.
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Lagern im Freiluftklima oder Korrosionsbeständigkeit
in der besonderen Nutzungsumgebung sind weitere Erwägungen,
die die Wahl des Konstruktionsmaterials von Überlappungsflanschen ebenso bestimmen
wie eine wiederkehrende Forderung hinsichtlich der Minimierung der
Gewichte.
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Überlappungsflansche
werden im Allgemeinen durch einen ringförmigen Körper gebildet, der ein zentrales
Loch einer passenden Größe, um sie über die
Röhre oder
das Rohr schieben zu können,
und mehrere Löcher
für die
Schäfte
der Befestigungsbolzen besitzt, siehe z. B. Dokument DE-A-196 022
8.
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Ein innerster Abschnitt des ringförmigen Körpers stößt gegen
den Abschlussbund oder die Abschlussaufweitung des Rohrs und drückt ihn
bzw. sie nach der Befestigung der Bolzen oder der Verbindungsstangen,
die durch die Löcher
des Überlappungsflansches
und des Kupplungsflansches verlaufen, die längs. einer Kreislinie außerhalb
des Umfangs der Dichtung und des Abschlussbundes oder des konisch
erweiterten Abschnitts des Rohrs gleichmäßig angeordnet sind, gegen
die eingeschobene Dichtung und den Kupplungsflansch.
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Häufig
sind Überlappungsflansche
flach und können
mit einem zylindrischen Bund über
dem zentralen Durchgangsloch der Röhre versehen sein, wobei sie
eine bestimmte Anzahl von Löchern
für den Durchgang
der Schäfte
der Befestigungsbolzen oder der Verbindungsstangen besitzen.
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Sie werden oft durch Schmieden hergestellt oder
häufiger
in einer Gießform
geformt oder gegossen.
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Im Allgemeinen ermöglichen
sowohl Schmiede- als auch Formungstechniken zur Herstellung von Überlappungsflanschen
im Wesentlichen Fertigerzeugnisse zu erzielen, die keine weitere
maschinelle Bearbeitung erfordern.
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Die Steifigkeit ist eine markante
mechanische Eigenschaft eines Überlappungsflansches.
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Besonders in Anwendungen, in denen
der Flansch nötig
ist, um den Dichtungsverbund aufgrund der unzureichenden Eigensteifigkeit
der Abschlussaufweitung der Röhre
selbst mit Steifigkeit zu versehen, wird eine richtige mechanische
Dimensionierung des Überlappungsflansches
zur Aufrechterhaltung einer lecksicheren Verbindungsstelle wichtig. Durchbiegungen
unter Last müssen
innerhalb sehr enger Grenzwerte bleiben, um Lecks in kritischen
Zonen zu verhindern, die häufig
in der Mitte des Abstandes, der benachbarte Löcher des Flansches trennt, feststellbar
sind.
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Der Innendruck neigt dazu, dass sich
die Abschlussaufweitung der Röhre
oder der Bund, der an das Rohrende geschweißt ist, an Punkten biegt, die am
ent ferntesten von den Punkten liegen, an denen die Befestigungskräfte durch
die Bolzen oder Verbindungsstangen, die durch die Löcher des Überlappungsflansches
verlaufen, ausgeübt
werden.
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Es gibt Optimierungskriterien zur
Auswahl zwischen der Option der Vergrößerung der Anzahl der Löcher (d.
h. der Verringerung des Abstands zwischen benachbarten Bolzen) und
somit der Anzahl der Bolzen oder Verbindungsstangen und der Option der
Vergrößerung des
Querschnitts der Überlappungsflansche,
um so eine vergrößerte Steifigkeit und
Biegefestigkeit zu schaffen, während
eine relativ verringerte Anzahl von Löchern und Bolzen verwendet
wird.
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Gegenüber diesem Stand der Technik
ist nun ein Weg gefunden worden, die Steifigkeit sowie die Fähigkeit
der Sicherstellung einer lecksicheren Abdichtung wesentlich zu steigern,
ohne dass zwangsläufig
die Dicke und das Gesamtgewicht eines Überlappungsflansches merklich
vergrößert werden,
so dass eine effizientere Optimierung der Überlappungsverbindungen längs einer
Rohrleitung auch bezüglich
der Anzahl der Bolzen oder der Verbindungsstangen für jede Verbindung
möglich
ist.
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Dieses wichtige Ergebnis wird durch
eine besondere geometrische Konfiguration des Überlappungsflansches nach Anspruch
1 erzielt. Der ringförmige
Körper
des Flansches ist anders als bei den bekannten Konfigurationen durch
einen inneren Abschnitt, der im Wesentlichen flach und zu der Achse des
ringförmigen
Körpers
senkrecht ist, um so eine im Wesentlichen flache Anschlagfläche gegen
das konisch erweiterte Ende der Röhre oder gegen einen angeschweißten Abschlussbund
zu definieren, und durch einen äußeren Abschnitt
mit einer Kegel- oder Pyramidenstumpfform, der Löcher für den Durchgang der Schäfte der
Befestigungsbolzen oder der Verbindungsstangen besitzt, definiert.
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Die Löcher für den Durchgang der Befestigungsbolzen
werden durch höckerförmige Vorsprünge von
einer im Allgemeinen zylindrischen Form gebildet, die sich aus der
kegel- oder pyramidenstumpfförmigen
konkaven Fläche
des äußeren Abschnitts des
Flanschkörpers
erstrecken. Diese Vorsprünge oder
Höcker
können
durch eine geeignete Formgebung der Gießform geschaffen werden, in
der die Flansche geformt oder gegossen werden. Die Funktion dieser
zylindrischen Vorsprünge
und Höcker
besteht einerseits in der Bereitstellung einer flachen zur Achse
des Flansches senkrechten Stirnfläche, auf der die Befestigungsmutter
oder der Kopf des Befestigungsbolzens gehalten werden kann, aber
auch in der Verbesserung der Beanspruchungsverteilung in dem kegel-
oder pyramidenstumpfförmigen
Abschnitt des ringförmigen
Körpers
des Flansches.
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Im Fall einer Pyramidenstumpfform
sind diese höckerförmigen Vorsprünge, durch
deren zentrales Loch der Schaft des Befestigungsbolzens verläuft, längs der
Diederwinkel der konkaven Fläche des
pyramidenstumpfförmigen
Abschnitts des ringförmigen
Körpers
des Flansches ausgebildet, wobei sie dazu beitragen, den ringförmigen Körper des Flansches
als Ganzes zu verstärken.
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Es ist ermittelt worden, dass die
Kegel- oder Pyramidenstumpfform des äußeren Abschnitts des Überlappungsflansches,
auf den die Befestigungskraft durch die Bolzen ausgeübt wird,
deutlich verbesserte Steifigkeitseigenschaften schafft, die als eine
verringerte Durchbiegung (die als die Durchbiegung der äußersten
Umrandung des Flansches zu der des anderen Flansches der Verbindungsstelle definierbar
ist) für
die gleiche Befestigungslast verglichen mit einem im Wesentlichen
flachen Überlappungsflansch
von ähnlicher
Dicke und/oder ähnlichem
Gewicht des Standes der Technik bestimmt ist. Diese vorteilhaften
Eigenschaften der verbesserten Steifigkeit ermöglichen eine Ausführung des Überlappungsflansches
der Erfindung, die mit der herkömmlicher
flacher Flansche mit größerer Dicke
und größerem Gewicht
für dasselbe
Konstruktionsmaterial vergleichbar ist.
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Die verbesserte Steifigkeit des Überlappungsflansches
der Erfindung kann sogar für
die Optimierung der Anzahl der für
die Verbindungsstelle verwendeten Bolzen von Verbindungsstangen
bei gleicher Wirksamkeit in der Sicherstellung einer lecksicheren
Abdichtung "verbraucht" werden.
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Eine derartige Fähigkeit der Aufrechterhaltung
einer lecksicheren Dichtung selbst mit einer relativ geringeren
Anzahl von Befestigungsbolzen kann durch die Bereitstellung der
Fläche
des relativ flachen inneren Abschnitts des ringförmigen Flansches, die gegen
das geflanschte Rohrende mit einer kreisförmi gen Welligkeit angrenzt,
weiter verbessert werden, wobei die Spitzen der Welligkeit mit den
Mittelpunkten der kreisförmigen
Sektoren zusammenfallen, die durch die Radien definiert sind, die
die Achsen zweier benachbarter Löcher
für die
Befestigungsbolzen schneiden, und deren Täler mit den Radien zusammenfallen,
die die Achsen der Löcher
des Flansches, durch die die Schäfte
der Befestigungsbolzen verlaufen, schneiden. Eine derartige kleine kreisförmige Welligkeit
der Anschlagoberfläche
des Flansches besitzt keine konstante Amplitude in radialer Richtung.
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Ihre Amplitude ist nahe dem äußeren Umfang
der Anschlagfläche
des Flansches maximal und nimmt fortlaufend ab, um nach Annäherung an
den inneren Rand der Anschlagfläche
des Flansches, d. h. an den Umfang des zentralen Lochs des Flansches,
praktisch null zu werden.
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Die Wirkung dieser kleinen kreisförmigen Welligkeit
besteht in der gleichmäßigeren
Verteilung des nach der Befestigung der Verbindungsstelle auf die
Dichtung ausgeübten
Drucks, wobei in der Praxis eine Restnachgiebigkeit des Überlappungsflansches kompensiert
sowie eine Überbeanspruchung
des Dichtungsmaterials in der Nähe
der Befestigungsbolzen im Vergleich zu den hiervon entferntesten
Gebieten vermieden wird. Die kreisförmige Welligkeit und ihre Anhebung
zum äußeren Abschnitt
der Anschlagfläche
des Flansches erzeugt eine gleichmäßige Klemmung der Dichtung
und stellt eine verbesserte lecksichere Abdichtung auch unter den
Grenzbedingungen des Innendrucks sicher.
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1, 2 und 3 sind eine Draufsicht, eine Querschnittsansicht
und eine vergrößerte Ansicht längs der
Schnittachsen A und B eines Vier-Loch-Überlappungsflansches der Erfindung.
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4, 5 und 6 sind eine Draufsicht, eine Querschnittsansicht
und eine vergrößerte Ansicht längs der
Schnittachsen A und B eines Acht-Loch-Flansches der Erfindung.
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7, 8 und 9 sind eine Draufsicht, eine Querschnittsansicht
und eine Vergrößerung eines pyramidenstumpfförmigen Flansches
der Erfindung.
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10 ist
eine dreidimensionale Explosionsdarstellung einer Rohrverbindung,
die ein Überlappungsflanschpaar
der Erfindung verwendet.
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Die Figuren zeigen Ausführungsformen
des Überlappungsflansches
der Erfindung. Für
eine einfache Rückverweisung
sind dieselben funktionellen Abschnitte in allen Figuren mit denselben
Bezugszeichen bezeichnet.
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Wie in den 1, 2 und 3 gezeigt ist, ist ein Überlappungsflansch
der vorliegenden Erfindung durch Formung in einer passend geformten
Gießform hergestellt,
wobei er im Wesentlichen durch das Formungsverfahren gefertigt werden
kann, ohne irgendeine maschinelle Nachbearbeitung zu benötigen.
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Der ringförmige Körper 1 des Flansches
ist durch einen im Wesentlichen flachen inneren Abschnitt 2,
der eine Anschlagfläche 3 gegen
einen geschweißten
Abschlussbund eines konisch erweiterten Endes eines Rohrs oder einer
Röhre definiert,
die herkömmlich
flach sein kann oder vorzugsweise in einer Weise, die später ausführlicher
beschrieben wird, leicht wellig ist, und durch einen äußeren Abschnitt 4, der,
wie im Beispiel gezeigt ist, eine Kegelstumpfform besitzt, die mit
dem inneren flachen Abschnitt 2 des ringförmigen Körpers zusammenfließt, definiert.
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In dem kegelstumpfförmigen Abschnitt
des Körpers
des Flansches sind vier Löcher 5 für den Durchgang
der Schäfte
der Befestigungsbolzen oder der Verbindungsstangen vorhanden, wobei
jedes Loch durch im Allgemeinen zylindrische höckerförmige Vorsprünge verläuft, die
durch das Formungsverfahren des ringförmigen Körpers definiert wurden.
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In den gezeigten Ausführungsformen
ragen die zylindrischen Höcker
außer
aus der konkaven Fläche
des kegelstumpfförmigen
Abschnitts des Körpers
auch aus dessen konvexer Fläche
heraus, obgleich ihr Vorkommen auf die konkave Fläche beschränkt sein
kann, um so eine passende zur Achse des Flansches senkrechte Oberfläche zu schaffen, auf
der der Bolzenkopf oder die Befestigungsmutter gehalten werden kann.
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Gemäß einem bevorzugten, wenn auch
untergeordneten Aspekt des Flansches oder der Erfindung ist die
Anschlagfläche 3,
die senkrecht zu der Achse des Flansches einem konisch erweiterten Röhrenende
oder einem aufschiebbaren an das Rohrende geschweißten Bund
gegenüberliegt,
nicht völlig
flach, sondern besitzt sie eine leicht kreisförmige Welligkeit, deren Spitzen,
die in 2 übertrieben dargestellt
sind und durch den Buchstaben P angegeben werden, mit den Mittellagen
des kreisförmigen Sektors
zusammenfallen, der durch zwei Radien definiert ist, die die Achsen
zweier benachbarter Löcher des
Flansches schneiden (B in 1).
Die Täler
V fallen mit den Radien zusammen, die die Achsen der Löcher schneiden
(A in 1).
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Die Amplitude der kreisförmigen Welligkeit ist
in radialer Richtung nicht konstant. Die Amplitude der kreisförmigen Welligkeit
ist in Übereinstimmung mit
oder nahe der äußersten
Umrandung der Anschlagfläche 3 des
Flansches maximal und nimmt fortlaufend ab, um vor oder etwa beim
Erreichen der innersten Umrandung oder des innersten Rands der Anschlagfläche 3 des
Flansches Null zu werden. Die Amplitude der Welligkeit kann an der
innersten Umrandung der Anschlagfläche des Flansches oder in Übereinstimmung
mit einem Mittelradius zwischen dem äußersten Radius und dem innersten
Radius der Anschlagfläche 3 des
Flansches null werden.
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In der Einzelheitsansicht von 3 kann das Profil der Welligkeit
in der Nähe
der Achse B aus 1 über einen
Beobachtungspunkt längs
der Achse B selbst betrachtet werden.
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Ob das konisch erweiterte Röhrenende
eine mangelnde Steifigkeit besitzt oder das Rohr einen geschweißten Abschlussbund
besitzt, der an sich im Wesentlichen steif ist, die leichte Welligkeit
der Anschlagfläche 3 des Überlappungsflansches
der Erfindung kompensiert die Restnachgiebigkeit während der
Beanspruchung des Flanschkörpers,
d. h. die Durchbiegung zwischen den Befestigungspunkten, um so den
Druck der elastischen Dichtung der Überlappungsverbindung so gleichmäßig wie
möglich
zu verteilen.
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Es ist ermittelt worden, dass die
Amplitude H der kreisförmigen
Welligkeit der Anschlagfläche 3 des
Flansches in erster Annäherung
die empirische Beziehung: H = K*P*D*L/(E*B) erfüllt, wobei K ein Koeffizient
im Bereich von 25 bis 120 ist, P der Druck des Fluids in dem Rohr
ist, D der Innendurchmesser des Überlappungsflansches
ist, L der Abstand zwischen den Achsen zweier benachbarter Löcher des Flansches
ist, E der Elastizitätskoeffizient
des Materials des ringförmigen
Körpers
des Flansches ist und B die Dicke des Flansches in dem flachen Abschnitt des
Flansches ist.
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Die 4, 5 und 6 zeigen eine andere Ausführungsform
des Flansches mit acht Löchern.
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Die 7, 8 und 9 zeigen eine alternative Ausführungsform
des Flansches der Erfindung mit acht Löchern, die dadurch gekennzeichnet
ist, dass sie eine achteckige Form besitzt und dass der äußere Abschnitt 4 des
Körpers
des Flansches an Stelle der Kegelstumpfform eine Pyramidenstumpfform
besitzt. Gemäß dieser
alternativen Ausführungsform
sind die Höcker 6,
durch die die Löcher
für die
Schäfte
der Befestigungsbolzen verlaufen, in Übereinstimmung mit den acht
Diederwinkeln des pyramidenstumpfförmigen Abschnitts des ringförmigen Körpers des
Flansches ausgebildet. Diese geometrische Konfiguration hat sich
auf Grund der Versteifung der Diederwinkel der Konstruktion, die
auf das Vorhandensein der zylindrischen Höcker längs jedes Diederwinkels zurückzuführen ist,
als sehr steif erwiesen.
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Natürlich ist es möglich, Versteifungsrippen zur
weiteren Verstärkung
des kegel- oder pyramidenstumpfförmigen
Abschnitts des ringförmigen
Körpers des
Flansches auszubilden, die z. B. benachbarte zylindrische Höcker verbinden.
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Auch in diesem Fall kann die Anschlagfläche 3 des
Flansches 1 gegen das konisch erweiterte Röhrenende
oder gegen den an das Rohrende geschweißten Bund vorteilhaft mit einer
kreisförmigen Welligkeit
wie oben beschrieben versehen sein, um die Gleichmäßigkeit
des Zusammendrückens
der Dichtung zu verbessern und um eine verbessern Fähigkeit,
die Abdichtung selbst unter den Grenzbedingungen in Bezug auf den
Rohrleitungsinnendruck aufrechtzuerhalten, zu fördern.
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10 ist
eine perspektivische Explosionsdarstellung, die eine typische Verbindungsstelle
zwischen zwei Rohren zeigt, die mit zwei Überlappungsflanschen der Erfindung
realisiert ist.
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Das Fertigungsmaterial der Überlappungsflansche
der Erfindung kann von verschiedener Art sein, die von der beabsichtigten
Verwendung und von den Spezifikationen abhängt.
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Der ringförmige Körper 1 des Flansches kann
durch Gießen
in einer Gießform
oder durch einen heißen
Formstahl, aus Gusseisen oder aus Bronze, die in eine Gießform gegossen
werden, aus Aluminium oder aus einer Aluminiumlegierung oder aus
einem wärmehärtenden
Harz, das mit Verstärkungsfasern
und/oder Verstärkungspulvern
gefüllt oder
nicht gefüllt
ist, aus einem thermoplastischen Harz, das mit Verstärkungsfasern
gefüllt
oder nicht gefüllt
ist, aus Titan oder aus anderen Materialien gefertigt werden, die
für die
beabsichtigte Verwendung der Flansche geeignet sind. Es ist ferner
möglich, den
ringförmigen
Körper
des Flansches in einer Verbundform, z. B. aus einem formbaren Kunststoff,
der Metalleinlagen oder Verstärkungskerne
aufweist, zu fertigen.