WO2019201654A1 - Vorrichtung zur dichtenden verbindung zweier rohrelemente - Google Patents

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WO2019201654A1
WO2019201654A1 PCT/EP2019/058859 EP2019058859W WO2019201654A1 WO 2019201654 A1 WO2019201654 A1 WO 2019201654A1 EP 2019058859 W EP2019058859 W EP 2019058859W WO 2019201654 A1 WO2019201654 A1 WO 2019201654A1
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WO
WIPO (PCT)
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collar
tubular
connecting element
compensating
tube
Prior art date
Application number
PCT/EP2019/058859
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English (en)
French (fr)
Inventor
Udo KIESELBACH
Grigorios Kolios
Heinrich Laib
Michael Reitz
Frederik SCHEIFF
Bernd Zoels
Roland Bauer
Original Assignee
Basf Se
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Filing date
Publication date
Application filed by Basf Se filed Critical Basf Se
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16L—PIPES; JOINTS OR FITTINGS FOR PIPES; SUPPORTS FOR PIPES, CABLES OR PROTECTIVE TUBING; MEANS FOR THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16L23/00—Flanged joints
    • F16L23/16—Flanged joints characterised by the sealing means
    • F16L23/24—Flanged joints characterised by the sealing means specially adapted for unequal expansion of the parts of the joint
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16L—PIPES; JOINTS OR FITTINGS FOR PIPES; SUPPORTS FOR PIPES, CABLES OR PROTECTIVE TUBING; MEANS FOR THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16L23/00—Flanged joints
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16L—PIPES; JOINTS OR FITTINGS FOR PIPES; SUPPORTS FOR PIPES, CABLES OR PROTECTIVE TUBING; MEANS FOR THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16L23/00—Flanged joints
    • F16L23/16—Flanged joints characterised by the sealing means
    • F16L23/162—Flanged joints characterised by the sealing means the pipe ends abutting each other

Definitions

  • the invention relates to a device for sealing connection of two pipe elements, in which an end face of a first pipe element is sealingly connected to an end face of a second pipe element.
  • tubular elements made of different materials is desirable or necessary in some applications, for example in power plant technology or in chemical engineering.
  • pipe elements made of ceramic materials since they have advantages over metallic materials.
  • the use of ceramic pipes usually requires that a connection between a pipe element made of metal and a pipe element made of ceramic must be made - with the above-described problem with regard to the permanent sealing effect and the mechanical integrity of the compound.
  • connection technology is suitable for a specific temperature range and certain material combinations, it nevertheless has some disadvantages. On the one hand, it can come with a strong thermal load that the inner
  • the shrink ring expands so far that an annular gap is created between the ceramic tube and the inner shrink ring, causing the connection to leak.
  • an end face of a first pipe element is sealingly connected to an end face of a second pipe element.
  • Each tube element has a collar in the radial direction to the outside.
  • a connecting element covers both collars in the axial direction and causes axial clamping of the tubular elements by means of direct or indirect engagement on the two collars.
  • At least one first compensation element is arranged in the axial direction between the collar of the first tubular element and the connecting element. The coefficient of linear expansion of the connecting element lies between the coefficients of linear expansion of at least one collar and of the compensating element.
  • the coefficient of linear expansion a is defined in the usual way as a proportionality constant between the relative change in length of a solid and the temperature change which causes the change in length. It is also called "linear expansion coefficient”.
  • a hollow component is referred to, through which a fluid medium can be passed.
  • This may be, for example, an end piece of a straight or curved tube.
  • Further examples are tubular sections of other components, for example a flange, valve or tube plate of a reactor or heat exchanger.
  • the collar is firmly connected to the respectively associated pipe element, wherein a "solid compound" in this context means that no relative movement between the collar and pipe element is possible.
  • the collar is made as a separate component, for example as a ring, and firmly connected to the pipe element, for example by welding, soldering, gluing or shrinking.
  • the collar is an integral part of the tubular element.
  • the collar forms the front end of the pipe element.
  • the connecting element covers both collars in the axial direction and is designed such that it causes axial clamping of the tubular elements by direct or indirect engagement on the two collars, so that the end faces of the first tubular element and the second tubular element are pressed against one another.
  • the sealing connection between the two tubular elements is produced by a tension in the axial direction according to the invention. This has the advantage that the tube elements are loaded to axial pressure, which is particularly favorable for ceramic materials.
  • “Immediate engagement” is to be understood as meaning that the connecting element interacts directly with the collar, for example, bears directly against the collar. In the case of an “indirect engagement”, however, the connecting element acts on the collar via at least one further component.
  • An indirect engagement is accordingly on the side of the first tubular element, in which at least one first compensating element is arranged in the axial direction between the collar and the connecting element. The coefficient of linear expansion of the connecting element lies between the coefficients of linear expansion of at least one collar and of the compensating element.
  • the device according to the invention further comprises a second compensating element, which is arranged in the axial direction between the collar of the second Rohrele- element and the connecting element. In this embodiment, it is also on the side of the second tube element to an indirect engagement of the kausele- ment on the collar.
  • the coefficient of linear expansion of the connecting element in this embodiment lies between the coefficients of linear expansion of at least one collar and the compensating elements.
  • the first compensation element or the plurality of compensation elements are not firmly connected to the respective pipe elements, so that pipe elements and compensation elements can expand independently of each other under thermal stress.
  • the choice according to the invention of the coefficients of linear expansion ensures that, given a thermal loading of the pipe connection, the axial longitudinal extent of the connecting element, on the one hand, and the sum of the axial length expansions of On the other hand, they are essentially of equal size so that the end faces of the two tube elements remain pressed against each other and thus the sealing effect is ensured. Compared to the prior art, leakage or damage to the pipe connection under thermal stress, in particular during thermal cycling, is effectively prevented.
  • Linear expansion coefficients are material-specific characteristics.
  • the ratio of the coefficients of linear expansion according to the invention to one another can be set as required.
  • several compensating elements with different coefficients of linear expansion can be arranged on the side of the first tubular element and / or on the side of the second tubular element.
  • the axial expansions of the collar of the first tube element LKI, the collar of the second tube element L K 2, the first compensating element L AI and optionally the second compensating element LA2 SO are selected such that the condition
  • the connecting element covers both collars in the axial direction.
  • the connecting element also covers the end-side part of the tubular element between the collar and the end face.
  • the axial expansions of the collars (LKI, LK2) are to be understood as meaning the axial extent of the actual collar plus the axial extent of the end-side part of the tubular element.
  • the determination of the axial expansions (Ui, ü ⁇ 2, LAI, L A 2, etc.) is preferably carried out at ambient temperature, in particular at 20 ° C.
  • the first compensation element is designed as a ring, which is pushed over the first tubular element until it rests against the collar in the axial direction.
  • the first compensation element is not designed as a closed ring, but in several parts, particularly preferably in the form of at least two partial elements, in particular partial shells. This multi-part variant is particularly advantageous if a sliding of a ring is not possible, for example due to bends or other geometric limitations of the first pipe element.
  • the first compensating element is designed as a ring segment, which is pushed over the first tubular element until it bears against the collar in the axial direction.
  • the design as a ring segment is - similar to the multi-part variant - especially advantageous if a sliding of a closed ring due to geometric limitations of the first tube element is not possible, for example, radially from the tube element outwardly extending fasteners, nozzles or the like.
  • the first compensating element preferably comprises at least 10%, preferably at least 30%, particularly preferably at least 50%, in particular at least 80% of the tube circumference.
  • the values for the sum of the parts apply.
  • the collar and the connecting element as well as the first compensating element or the plurality of compensating elements and the connecting element can touch each other in the radial direction or have a spacing from one another. Preferably, they are at a distance from each other.
  • This embodiment favors the possibility that collar, compensating elements and connecting element can expand in the radial direction, so that unwanted tensile or bending stresses can be avoided.
  • the only relevant and desired force is a compressive stress acting on the collar due to the axial strain.
  • the connecting element is fixedly connected to the second tubular element.
  • the connecting element is fixedly connected to the collar of the second tubular element.
  • a fixed connection is understood that no relative movement takes place between the connecting element and the second pipe element or its collar in the axial direction.
  • a rotational relative movement is possible in principle, but the connection is preferably also stationary in rotation or circumferential direction.
  • the fixed connection between the connecting element and the second tubular element or with its collar can be designed in different ways, for example by frictional connection, positive connection, material connection or combinations thereof. Preferred types of connection include screwing, gluing, soldering or welding.
  • no compensation element is provided on the side of the second tube element.
  • the coefficients of linear expansion of the collar of the first tubular element aki, of the first compensating element OAI and of the connecting element av satisfy the condition OAI ⁇ an ⁇ aki or O AI > aki.
  • a plurality of identical or different compensation elements may be present on the side of the first tubular element.
  • the above condition should be completed as follows: (OAI, ÜA2, 7) ⁇ an ⁇ aki or (OAI, 0A2, 7)
  • the axial expansions of the collar of the first tubular element L KI and the first compensating element L AI SO are selected such that the condition
  • the connecting element can be designed in different ways, as long as it is able to cause an axial tension between the two tube elements.
  • the connecting element is constructed in several parts and comprises at least one pressing element, which rests in the axial direction on the first compensating element.
  • the pressing element is designed as a ring which is slid over the first tubular element until it bears against the first compensating element in the axial direction.
  • the pressing element is designed in several parts, particularly preferably in the form of at least two partial elements, in particular partial shells. This multi-part variant is particularly advantageous when a sliding of a ring is not possible, for example due to bends or other geometric limitations of the first pipe element.
  • the second pressing element is designed as a ring segment, which is pushed over the first tubular element until it is in the axial direction abuts the first compensation element.
  • the design as a ring segment is - similar to the multi-part variant - particularly advantageous if it is not possible to postpone a closed ring due to geometrical limitations of the first tube element, for example in radially from the tube element extending fasteners, nozzles or the like.
  • the pressing element preferably comprises at least 10%, preferably at least 30%, more preferably at least 50%, in particular at least 80% of the tube circumference.
  • the values for the sum of the parts apply.
  • the proportion of the connecting element which covers the collar is fixedly connected to the pressing element.
  • a fixed connection is understood in this context that takes place between the connecting element and the pressing in the axial direction no relative movement.
  • a rotational relative movement is possible in principle, but the connection is preferably also stationary in rotation or circumferential direction.
  • the fixed connection between the connecting element and the pressing element can be designed in different ways, for example by frictional connection, positive connection, material connection or combinations thereof. Preferred types of connection include screwing, gluing, soldering or welding.
  • the connecting element can be designed as a component, in particular as a ring or sleeve, or as a multi-part component, in particular in the form of at least two partial elements, in particular partial shells.
  • the pressing element are designed as a sleeve with an external thread and the connecting element as a sleeve with an internal thread.
  • the contact pressure element can be formed in one or more parts.
  • a multi-part design is preferably at least two sub-elements, in particular sub-shells, each having an external thread. This configuration is particularly advantageous if the connection between the two pipe elements is designed to be detachable with little effort.
  • the contact element and the connecting element form an integral component.
  • An integral component is to be understood as meaning that the pressing element and connecting element are formed in one piece, ie not as separate components which are subsequently joined together. "Integral", however, does not mean that the combined connecting and pressing element must be in one piece.
  • the combined connecting and pressing element is designed as a sleeve which has different inner diameters at its two ends, wherein the transition between the two diameters, in particular an edge, is intended to in the mounted state to rest on the first compensation element.
  • the combined connecting and pressing element is designed in several parts, preferably in the form of at least two partial elements, in particular partial shells. Also in this embodiment, there is a transition, in particular an edge, in the axial direction, which is intended to rest on the first compensation element in the mounted state.
  • the connecting element and / or the first compensating element and / or optionally the second compensating element are constructed in several parts in the circumferential direction of the tubular elements.
  • “Multi-part” is to be understood in this context as meaning that the relevant component comprises at least two partial elements in the circumferential direction ,
  • the connecting element is constructed in several parts in the axial direction. "Multi-part" in this context is to be understood as meaning that the connecting element comprises at least two partial elements in the axial direction.
  • the sealing effect between the end faces of the two tube elements can be produced in different ways.
  • the end faces of the first tubular element and of the second tubular element are connected to one another in a material-locking and / or form-fitting manner.
  • positive locking means that the two end surfaces are coordinated with one another in such a way that a sealing effect results after the tensioning by means of the connecting element.
  • the end faces of the two pipe elements are flat.
  • a high-temperature cement is used as the adhesive.
  • the end faces of the first tube element and the second tube element are connected via a sealing element.
  • sealing elements all types and materials can be used that meet the respective requirements, e.g. with regard to pressure, temperature or the fluid to be transported in the tubes.
  • the sealing element is designed as a flat gasket, metal seal, stuffing box or labyrinth seal.
  • a flat gasket is preferably made of mica or graphite.
  • a metal gasket is preferably a lens gasket or a gas-filled O-ring.
  • a stuffing box is preferably a packing of ceramic fibers, e.g. Glass, alumina or carbon.
  • a circumferential recess for receiving the sealing element is preferably present in the end face of the first tubular element.
  • a circumferential recess for receiving the sealing element is present in the end face of the second tubular element.
  • Recesses for receiving the sealing element may also be present both in the end face of the first tubular element and in the end face of the second tubular element.
  • the collar of the first and / or of the second tubular element forms the respective front end, and in the end face of at least one collar there is a circumferential recess for receiving the sealing element.
  • the sealing element is taken into account.
  • first and second tubular element whose collar, first and optionally further compensation elements and the connecting element - can be made of different materials, for example of metallic, ceramic or composite fiber materials.
  • the device according to the invention has a particularly advantageous effect if the coefficients of linear expansion of the first and second tubular elements differ greatly.
  • the coefficients of linear expansion of the first tubular element on and of the second tubular element a R 2 are in the ratio 0.2 ⁇ am / a R 2 ⁇ 5 to one another.
  • the first pipe element and its collar or the second pipe element and its collar are made of a metallic material.
  • the metallic material is selected from the group consisting of high-temperature-resistant stainless steels, nickel-based alloys or refractory metals and alloys. Examples are materials with the generic material number w.4xyz, where we ⁇ 1, 2 ⁇ , xe ⁇ 3, 4, 5, 8, 9 ⁇ , ye ⁇ 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 , 9 ⁇ and ze ⁇ 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 ⁇ .
  • the first pipe element and its collar or the second pipe element and its collar are made of a ceramic material.
  • the ceramic material is preferably selected from the group comprising quartz glass (SiO 2), silicon carbide (SiC), silicon nitride (S 13 N 4), aluminum nitride (AIN), corundum (Al 2 O 3), zirconium (ZrO 2 ), magnesia (MgO), yttria ( Y2O3), beryllia (BeO), graphite (C), mullite, cordierite, stoneware, porcelain or fiber composites based on these components.
  • the connecting element or its components and the first compensating element and optionally further compensating elements are made of a metallic and / or ceramic material.
  • the metallic material is selected from the group comprising high-temperature-resistant stainless steels, nickel-base alloys or refractory metals and alloys. Examples are materials with the generic material number w.4xyz, where we ⁇ 1, 2 ⁇ , xe ⁇ 3, 4, 5, 8, 9 ⁇ , ye ⁇ 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 ⁇ and ze ⁇ 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 ⁇ .
  • the ceramic material is preferably selected from the group comprising quartz glass (Si0 2 ), silicon carbide (SiC), silicon nitride (S13N4), aluminum nitride (AIN), corundum (Al 2 O 3), zirconium (ZrO 2), magnesia (MgO), yttria ( Y2O3), beryllia (BeO), graphite (C), mullite, cordierite, stoneware, porcelain or fiber composites based on these components.
  • the second tubular element is made of a ceramic material. Its connection-side end is at least partially provided with a peripheral over the circumference supporting layer, which is preferably made of an oxide-ceramic fiber composite material.
  • the collar of the second tubular element is also made of a ceramic material as a separate component, in particular as a sleeve. The collar surrounds the support layer of the tubular element and is firmly connected thereto.
  • the connecting element is connected to the outside of the collar.
  • the connecting element is preferably also made of a ceramic material. Particularly preferably, the outer lateral surface of the connecting element is provided with a support layer, which is made in particular of an oxide-ceramic fiber composite material.
  • the device according to the invention has the advantage that due to the compensating with respect to the length expansion effect of the materials of collar, compensating element (s) and connecting element, even at high thermal load on the pipe joint neither spontaneous nor permanent leaks comes.
  • the device according to the invention can be adapted individually to the respective requirements over a large temperature range and is structurally simple to produce. The invention will be explained in more detail below with reference to the drawings.
  • the drawings are to be understood as schematic representations. They do not limit the invention, for example with regard to specific dimensions or design variants. Show it:
  • Fig. 1 a longitudinal section through a first embodiment of the invention
  • FIG. 2 embodiment of FIG. 1 with designation of the axial dimensions
  • FIG 3 shows a longitudinal section through a second embodiment according to the invention with two compensating elements
  • Fig. 6 a longitudinal section through a fifth embodiment of the invention
  • Fig. 7 Graphic to Example 2: Values of the contact pressure on the seal as a function of
  • Fig. 1 shows schematically a longitudinal section through a first preferred embodiment of the device according to the invention.
  • the device is constructed rotationally symmetrical, the dashed line in the middle of Fig. 1 denotes the axis of symmetry.
  • a first tubular element 10 has on its front side a collar 12, which extends in the radial direction to the outside.
  • a second tubular element 20 also has on its front side a collar 22 which extends in the radial direction to the outside.
  • the collars form the respective front end of the tubular elements.
  • the two end faces are sealingly connected to one another via a sealing element 40.
  • a multipart connection element 30 comprises a sleeve which has a contact element 32 at both ends, which are firmly connected to the sleeve.
  • the pressing element 32 shown on the right in FIG. 1 abuts against the collar 22 of the second tubular element in the axial direction and thus is in direct engagement with the collar 22.
  • On the side of the first tubular element 10, between the collar 12 and the pressing element is located in the axial direction.
  • ment 32 arranged a first compensation element 14, so that the connecting element 30 on Pages of the first tubular element in indirect engagement on the collar 12 is.
  • the connecting element 30 covers both collars in the axial direction and is designed such that it brings about axial engagement of the two tubular elements by engagement with the collar.
  • the clamping can be realized by a force, form and / or material connection between the pressing elements 32 and the sleeve, for example by opposing threads or by pressing together the tube elements and then screwing, riveting or gluing the pressing elements 32 with the sleeve.
  • the coefficient of linear expansion of the connecting element 30 lies between the expansion coefficients of length of at least one collar 12, 22 and of the compensating element 14.
  • FIG. 2 shows the embodiment according to FIG. 1 supplemented by the designation of the axial expansions for the collars LKI and LK2, the compensating element LAI, as well as the sealing element LD.
  • Fig. 3 shows schematically a longitudinal section through a second preferred embodiment of the device according to the invention.
  • the difference from the embodiment shown in FIG. 1 is that a second compensating element 24 is provided on the side of the second tubular element 20 in the axial direction between the collar 22 and the pressing element 32 of the connecting element.
  • FIG. 4 schematically shows a longitudinal section through a third preferred embodiment of the device according to the invention.
  • the difference from the embodiment shown in FIG. 1 is that in the end face of the collar 22 of the second tube element there is a circumferential depression in which the sealing element 40 is accommodated.
  • Fig. 5 shows schematically a longitudinal section through a fourth preferred embodiment of the device according to the invention.
  • the connecting element 30 is designed in this example as an integral component, in which the axial portion of the connecting element is integrally formed with the acting as a pressing member portion.
  • the connecting element 30 is constructed in several parts and comprises two sleeves, which are positively, positively and / or cohesively connected to each other, for example, as a bayonet, screwing, gluing, welding or soldered connection.
  • the two sleeves each have different inner diameters at their two ends, whereby the transition between the two diameters is in each case designed as an edge.
  • FIG. 6 schematically shows a longitudinal section through a fifth preferred embodiment of the device according to the invention.
  • the first tube element 10 is made of a metallic material and has at its connection-side end a collar 12, in which a circumferential depression is present, in which a sealing element 40 is accommodated.
  • the second tubular element 20 is made of a ceramic material. Its connection-side end is at least partially provided with a circumferential support layer, which is preferably produced from an oxide-ceramic fiber composite material.
  • the collar 22 of the second tubular element is manufactured as a separate component, in the illustrated example as a sleeve with an external thread.
  • the sleeve 22 is also made of a ceramic material and surrounds the support layer of the second tubular element 20 and is firmly connected thereto.
  • a multi-part connecting element 30 is likewise made of a ceramic material and is connected at one end firmly to the outside of the collar 22 of the second tubular element.
  • the connecting element On the side of the first tubular element, the connecting element has a contact pressure element 32 which presses a compensating element 14 against the collar 12 of the first tubular element.
  • a pipe joint according to the embodiment described with reference to FIG. 6 was produced and subjected to a temperature load.
  • the first pipe member 10 was made of a heat resistant steel having the material number 1.4876 (Alloy 800H) and had an outer diameter of 55 mm.
  • a collar 12 was integrally formed, which had an outer diameter of 60 mm.
  • a circumferential recess was provided, in which a ring of mica was inserted as a sealing element 40.
  • the depression and the sealing element were dimensioned so that the end faces of the two tube elements just touched when the connecting element 30 was completely fastened.
  • the second tube element 20 was made of the ceramic material Degussit AL23 (corundum, Al 2 O 3 ) and had an outer diameter of 55 mm. In the region of its connection-side end, it was reinforced with a layer of an oxide-ceramic fiber composite material, which served as a support layer to increase the mechanical strength of the pipe end.
  • Degussit AL23 corundum, Al 2 O 3
  • a sleeve with an external thread (threading thread M64x2) was applied to the tube end and glued to the support layer.
  • the sleeve was also made of the material Degussit AL23.
  • the connecting element was designed in several parts and comprised a pressing element 32 and a sleeve 30.
  • the pressing element was designed as a sleeve with an external thread (fine thread M64x2) and pushed onto the first tube element 10.
  • the part of the connecting element covering the collars 12, 22 was designed as a sleeve 30 with an internal thread (fine thread M64x2) and had a total length of 79 mm and an outside diameter of 70 mm.
  • Both parts of the connecting element were made of the ceramic material Degussit AL23.
  • the outer surface of the sleeve 30 was encased with an oxide-ceramic fiber composite for mechanical reinforcement.
  • the sleeve 30 of the connecting element was screwed both to the pressing element 32 and to the collar 22 of the second tubular element, so that the connecting element was fixedly connected to the second tubular element 20.
  • the first compensating element 14 a ring between the collar 12 of the first tube element and the pressing element 32 was arranged.
  • the radial material thickness was 3 mm. Its outer diameter was dimensioned such that a distance of approximately 2 mm existed between the outer surface of the compensating element 14 and the inner surface of the connecting element 30.
  • the connecting member 30 was fixedly connected to the second pipe member 20, and the coefficients of linear expansion of the collar 12 of the first tubular member aki, the first compensating member 14 O A I and the connecting member av fulfilled the condition
  • the pipe connection was installed in a heatable chamber inside which sensors for the detection of propane were present.
  • the pipe connection was put into operation at ambient temperature (20 ° C.) and heated in a controlled manner at a temperature rise rate of 300 Kelvin per hour to 950 ° C. At this temperature level, the pipe connection was operated for several hours. Subsequently, the tube connection was cooled uncontrollably, whereby temperature drop rates of up to 800 Kelvin per hour were reached. During the entire process (start-up, steady-state operation, shut-down), no propane exit was detected and the connection remained tight. After completion of the experiment, the pipe joint was examined for mechanical damage. No damage was detected.
  • a hybrid tube with a ceramic inner layer and an outer layer made of an oxide-ceramic fiber composite material was connected at both tube ends in each case with a tube made of a metallic material according to the embodiment described with reference to FIG. 6 and subjected to a temperature load.
  • the first tube element 10 was made of a heat resistant steel with the material number 1.4876 (Alloy 800H) and had an outside diameter of 52 mm and an inside diameter of 44 mm.
  • a collar 12 was integrally formed, which had an outer diameter of 59 mm and an inner diameter of 44 mm.
  • the inner diameter of the recess was 46 mm, the outer diameter 54 mm.
  • a ring-shaped, flat seal made of mica was inserted into the indentation as a sealing element 40 (Klinger milam PSS 300 from Rieh, Klinger Dichtungstechnik GmbH & Co.
  • the sealing member 40 Prior to installation, the sealing member 40 had an outer diameter of 53 mm, an inner diameter of 47 mm and a thickness of 3.2 mm.
  • the recess and the sealing element were dimensioned so that the end faces of the two tube elements just touched when the connecting element 30 was fully fastened.
  • the second tube element 20 was designed as a hybrid tube according to the patent application WO 2016/184776 A1.
  • the inner layer was made of the densely sintered ceramic material Degussit AL23 (corundum, Al2O3, Friatec GmbH, 68229 Mannheim, Germany) and had an outer diameter of 55 mm. Its inner diameter was 47 mm, the length 840 mm. Over its entire length, and thus also in the region of its connection-side end, the tube was armed with a layer of an oxide-ceramic fiber composite material, which served as a support layer for increasing the mechanical strength of the tube. This outer layer had a thickness of 1, 5 mm.
  • the hoses were braided from Nextel 610 yarns from 3M (St. Paul, MN, U.S.A.). The fibers were oriented at +/- 45 ° to the longitudinal axis. The same slurry was used to impregnate the fibers as in the first variant.
  • the hybrid tube was dried in an oven and then fired. Through this manufacturing process, a material and non-positive connection between the OCMC outer layer and the inner layer was achieved.
  • a sleeve with an external thread (fine thread M64x2) was applied as collar 22 of the second tube element and glued to the backing layer.
  • the sleeves were also made of the material Degussit AL23. As adhesive, the same slurry was used as for the preparation of the outer layer.
  • the sleeves On the side facing the second tubular element 20, the sleeves had an outer diameter of 64.5 mm and an inner diameter of 58 mm.
  • the sleeves On the side facing away from the second tube member 20, the sleeves have an inner diameter of 42 mm. The surfaces of these end faces were flat and smooth, so that they could be used as sealing surfaces opposite the sealing element 40.
  • the length of the sleeves was 32 mm, with the inner diameter reduced portion having a length of 7 mm.
  • the connecting element was designed in several parts and comprised a pressing member 32 and a sleeve 30.
  • the pressing member 32 was designed as a sleeve with an external thread (fine thread M64x2) and pushed onto the first tube member 10.
  • the inner diameter of the pressing member 32 was 53 mm and its length 45 mm. It was also made from the ceramic material Degussit AL23.
  • the part of the connecting element covering the collars 12, 22 was designed as a sleeve 30 with an internal thread (fine thread M64x2) and had a total length of 79 mm and an outside diameter of 70 mm.
  • the sleeve 30 was made of the ceramic material Degussit AL23.
  • the outer surface of the sleeve 30 was encased with an oxide-ceramic fiber composite for mechanical reinforcement.
  • the fibrous framework of the OCMC sheathing consisted of six superimposed braiding tubes with a nominal diameter of 70 mm.
  • the hoses were braided from Nextel 610 (3M, St. Paul, MN, USA) yarns. The fibers are oriented at an angle of +/- 45 ° with respect to the longitudinal axis.
  • the sleeve 30 of the connecting element was screwed to both the pressing element 32 and the collar 22 of the second tubular element, so that the connecting element with the second
  • Tube member 20 was fixedly connected.
  • the first compensating element 14 a ring between the collar 12 of the first tube element and the pressing element 32 was arranged.
  • the connecting element 30 was fixedly connected to the second tubular element 20, and the coefficients of linear expansion of the collar 12 of the first tubular element aki, the first compensating element 14 OAI and the connecting element av fulfilled the condition
  • the screw connections were made with a tightening torque of 60 Nm.
  • the flat gaskets 40 between the hybrid tube 20 and the metallic connecting pieces 10 were pressed in each case to block.
  • the compression of the flat gasket from 3.2 mm to 2.2 mm corresponded to a pressure of about 30 MPa.
  • the contact pressure [in MPa] is indicated on the seal 40 as a function of the temperature [in ° C].
  • the solid line shows the values according to the embodiment of Example 2, that is, with the compensation element 14.
  • the contact pressure is almost constant over the entire temperature range from approximately 20 ° C. to 1000 ° C.
  • the operability of the seal is ensured by the embodiment according to the invention.
  • the hypothetical contact pressure (dashed curve in FIG. 7) would assume values so high that the seal would be destroyed.

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Abstract

Vorrichtung zur dichtenden Verbindung zweier Rohrelemente Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur dichtenden Verbindung zweier Rohrelemente (10, 20), bei der eine Stirnfläche eines ersten Rohrelementes dichtend mit einer Stirnfläche eines zweiten Rohrelementes verbunden ist. Jedes Rohrelement weist einen Kragen (12, 22) in radialer Richtung nach außen auf. Ein Verbindungselement (32, 30) überdeckt in axialer Richtung beide Kragen und bewirkt durch mittelbaren oder unmittelbaren Eingriff an den beiden Kragen eine axiale Verspannung der Rohrelemente. Mindestens ein erstes Ausgleichselement (14) ist in axialer Richtung zwischen dem Kragen des ersten Rohrelementes und dem Verbindungselement angeordnet. Der Längenausdehnungskoeffizient des Verbindungselementes liegt zwischen den Längenausdehnungskoeffizienten mindestens eines Kragens und des Ausgleichselementes.

Description

Vorrichtung zur dichtenden Verbindung zweier Rohrelemente
Beschreibung
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur dichtenden Verbindung zweier Rohrelemente, bei der eine Stirnfläche eines ersten Rohrelementes dichtend mit einer Stirnfläche eines zweiten Rohr- elementes verbunden ist.
Gattungsgemäße Rohrverbindungen sind aus dem Stand der Technik für unterschiedliche Ein- satzzwecke bekannt. Ein Problem im Hinblick auf die dauerhafte Dichtigkeit stellt sich häufig bei Rohrverbindungen, bei denen die zu verbindenden Rohrelemente aus unterschiedlichen Materi- alien gefertigt sind, insbesondere wenn sich die Rohrelemente hinsichtlich ihrer Wärmeausdeh- nungskoeffizienten unterscheiden. Werden derartige Rohrelemente einer thermischen Belas- tung oder thermischen Wechselbelastung unterzogen, erfahren die Rohrelemente aufgrund ih- rer Materialeigenschaften unterschiedliche Längenausdehnungen, was zu einer Undichtigkeit an der Rohrverbindung oder zu Schäden an den Rohrelementen, z.B. Rissen, führen kann.
Der Einsatz von Rohrelementen aus unterschiedlichen Materialien ist jedoch in einigen Anwen- dungen erwünscht oder erforderlich, beispielsweise in der Kraftwerkstechnik oder der chemi- schen Verfahrenstechnik. So hat es sich zum Beispiel bei Hochtemperaturprozessen bewährt, Rohrelemente aus keramischen Werkstoffen zu verwenden, da sie Vorteile gegenüber metalli- schen Werkstoffen aufweisen. Der Einsatz von Keramikrohren erfordert allerdings meist, dass eine Verbindung zwischen einem Rohrelement aus Metall und einem Rohrelement aus Keramik hergestellt werden muss - mit der oben geschilderten Problematik hinsichtlich der dauerhaften Dichtwirkung und der mechanischen Integrität der Verbindung.
Aus dem Stand der Technik sind Rohrverbindungen bekannt, die das Problem der unterschied- lichen Ausdehnung bei Wärmebelastung aufgreifen. So offenbart die Patentanmeldung US 2012/0003128 A1 eine Vorrichtung zur Verbindung eines Keramikrohres mit einem Metallrohr, bei der auf das Keramikrohr ein erster, innerer Schrumpfring aufgeschrumpft ist, der mit dem Metallrohr verbunden ist. Auf den ersten Schrumpfring ist ein zweiter, äußerer Schrumpfring montiert, der aus einem Material mit einem geringeren Schrumpfungskoeffizienten als der erste Schrumpfring gefertigt ist. Bei einer thermischen Belastung durch Erhitzen der Rohrverbindung wird die Ausdehnung des ersten Schrumpfringes durch den zweiten Schrumpfring begrenzt.
Auch wenn diese Art der Verbindungstechnik für einen bestimmten Temperaturbereich und be- stimmte Materialkombinationen geeignet ist, weist sie doch einige Nachteile auf. Zum einen kann es bei einer starken thermischen Belastung dazu kommen, dass sich der innere
Schrumpfring trotz äußerer Begrenzung so weit ausdehnt, dass ein Ringspalt zwischen Kera- mikrohr und innerem Schrumpfring entsteht, wodurch die Verbindung undicht wird. Zum ande- ren ist es zur Montage des inneren Schrumpfringes auf das Keramikrohr erforderlich, den Schrumpfring stark zu erhitzen. Wird dann der heiße Schrumpfring auf das kühle Keramikrohr aufgebracht, kann dies zu einem thermischen Schock des Keramikmaterials und somit zu des- sen Beschädigung oder Zerstörung führen.
Einen ähnlichen Ansatz zur Verbindung eines Keramikrohres mit einem Metallrohr offenbart das Dokument EP 1 795 794 A1. Über die Verbindungsstelle der beiden Rohre wird ein Schlauch aus einem elastomeren Material geschoben, der seinerseits vollumfänglich von einer Bandfeder umschlossen ist, die Druck nach innen auf das Elastomer ausübt. Auch bei dieser Art der Ver- bindungstechnik kann eine hinreichend große thermische Belastung, insbesondere eine starke thermische Wechselbelastung dazu führen, dass sich Undichtigkeiten einstellen, z.B. aufgrund einer plastischen Verformung des elastomeren Materials. Zudem ist der Einsatzbereich dieser Rohrverbindung auf einen relativ niedrigen Temperaturbereich beschränkt, da das elastomere Material bei hohen Temperaturen Schaden nimmt oder zerstört wird.
Es stellte sich die Aufgabe, gattungsgemäße Rohrverbindungen derart weiterzubilden, dass sie einerseits einfach herzustellen sind, und andererseits für ein breites Spektrum an thermischer Belastung einsetzbar sind, ohne dass es zu spontanen oder dauerhaften Undichtigkeiten kommt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1. Vorteil- hafte Ausgestaltungen der Vorrichtung sind in den Ansprüchen 2 bis 16 angegeben.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur dichtenden Verbindung zweier Rohrelemente ist eine Stirnfläche eines ersten Rohrelementes dichtend mit einer Stirnfläche eines zweiten Rohr- elementes verbunden. Jedes Rohrelement weist einen Kragen in radialer Richtung nach außen auf. Ein Verbindungselement überdeckt in axialer Richtung beide Kragen und bewirkt durch mit- telbaren oder unmittelbaren Eingriff an den beiden Kragen eine axiale Verspannung der Rohr- elemente. Mindestens ein erstes Ausgleichselement ist in axialer Richtung zwischen dem Kra- gen des ersten Rohrelementes und dem Verbindungselement angeordnet. Der Längenausdeh- nungskoeffizient des Verbindungselementes liegt zwischen den Längenausdehnungskoeffizien- ten mindestens eines Kragens und des Ausgleichselementes.
Der Längenausdehnungskoeffizient a ist dabei in üblicher Weise als Proportionalitätskonstante zwischen der relativen Längenänderung eines Festkörpers und der Temperaturänderung, die die Längenänderung bewirkt, definiert. Er wird auch als„linearer Ausdehnungskoeffizient“ be- zeichnet.
Als„Rohrelement“ wird erfindungsgemäß ein hohles Bauteil bezeichnet, durch das ein fluides Medium geleitet werden kann. Dabei kann es sich beispielsweise um ein Endstück eines gera- den oder gebogenen Rohres handeln. Weitere Beispiele sind rohrförmige Abschnitte anderer Bauteile, z.B. eines Flansches, Ventils oder Rohrbodens eines Reaktors oder Wärmetauschers. Der Kragen ist fest mit dem jeweils zugehörigen Rohrelement verbunden, wobei unter einer „festen Verbindung“ in diesem Zusammenhang verstanden wird, dass keine Relativbewegung zwischen Kragen und Rohrelement möglich ist. In einer erfindungsgemäßen Ausführungsform ist der Kragen als separates Bauteil gefertigt, beispielsweise als Ring, und mit dem Rohrele- ment fest verbunden, beispielsweise durch Verschweißen, Verlöten, Verkleben oder Auf- schrumpfen. In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform ist der Kragen integraler Bestandteil des Rohrelementes. Bevorzugt bildet der Kragen das stirnseitige Ende des Rohrele- mentes.
Das Verbindungselement überdeckt beide Kragen in axialer Richtung und ist derart gestaltet, dass es durch mittelbaren oder unmittelbaren Eingriff an den beiden Kragen eine axiale Ver- spannung der Rohrelemente bewirkt, sodass die Stirnflächen von erstem Rohrelement und zweitem Rohrelement gegeneinandergedrückt werden. Im Gegensatz zum Stand der Technik wird erfindungsgemäß die dichtende Verbindung zwischen den beiden Rohrelementen durch eine Verspannung in axialer Richtung hergestellt. Das hat den Vorteil, dass die Rohrelemente auf axialen Druck belastet werden, was insbesondere für keramische Werkstoffe günstig ist.
„Unmittelbarer Eingriff“ ist dahingehend zu verstehen, dass das Verbindungselement unmittel- bar mit dem Kragen zusammenwirkt, beispielsweise direkt an dem Kragen anliegt. Bei einem „mittelbaren Eingriff“ hingegen wirkt das Verbindungselement über mindestens ein weiteres Bauteil auf den Kragen ein. Um einen mittelbaren Eingriff handelt es sich demgemäß auf Seiten des ersten Rohrelementes, bei dem in axialer Richtung zwischen dem Kragen und dem Verbin- dungselement mindestens ein erstes Ausgleichselement angeordnet ist. Der Längenausdeh- nungskoeffizient des Verbindungselementes liegt zwischen den Längenausdehnungskoeffizien- ten mindestens eines Kragens und des Ausgleichselementes.
In einer bevorzugten Ausgestaltung umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung weiterhin ein zweites Ausgleichselement, das in axialer Richtung zwischen dem Kragen des zweiten Rohrele- mentes und dem Verbindungselement angeordnet ist. Bei dieser Ausgestaltung handelt es sich auch auf Seiten des zweiten Rohrelementes um einen mittelbaren Eingriff des Verbindungsele- mentes an dem Kragen. Der Längenausdehnungskoeffizient des Verbindungselementes liegt bei dieser Ausgestaltung zwischen den Längenausdehnungskoeffizienten mindestens eines Kragens und der Ausgleichselemente.
Das erste Ausgleichselement bzw. die mehreren Ausgleichselemente sind mit den jeweiligen Rohrelementen nicht fest verbunden, sodass sich Rohrelemente und Ausgleichselemente bei einer thermischen Beanspruchung unabhängig voneinander ausdehnen können.
Durch die erfindungsgemäße Wahl der Längenausdehnungskoeffizienten wird gewährleistet, dass bei einer thermischen Belastung der Rohrverbindung die axiale Längenausdehnung des Verbindungselementes einerseits und die Summe der axialen Längenausdehnungen von Kra- gen und Ausgleichselementen andererseits im Wesentlichen gleich groß sind, sodass die Stirn- flächen der beiden Rohrelemente aneinandergepresst bleiben und somit die Dichtwirkung ge- währleistet bleibt. Gegenüber dem Stand der Technik wird einer Undichtigkeit oder einer Be- schädigung der Rohrverbindung bei thermischer Belastung, insbesondere bei einer thermischen Wechselbelastung, wirksam vorgebeugt.
Längenausdehnungskoeffizienten sind materialspezifische Kenngrößen. Durch eine geeignete Wahl der Materialien für das Verbindungselement und die Ausgleichselemente bei gegebenen Materialwerten der Rohrelemente bzw. ihrer Kragen lässt sich das erfindungsgemäße Verhält- nis der Längenausdehnungskoeffizienten zueinander je nach Bedarf einstellen. Dazu können auch mehrere Ausgleichselemente mit unterschiedlichen Längenausdehnungskoeffizienten auf Seiten des ersten Rohrelementes und/oder auf Seiten des zweiten Rohrelementes angeordnet werden.
In einer weiterhin bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung werden die axialen Ausdehnungen des Kragens des ersten Rohrelementes LKI , des Kragens des zweiten Rohrelementes LK2, des ersten Ausgleichselementes LAI und gegebenenfalls des zweiten Aus- gleichselementes LA2 SO gewählt sind, dass die Bedingung
- x 1 0"6 K 1 < ( (an - aki) LKI + (an - ak2) LK2 + (av - OA-I) LAI + (av - ÜA2) LA2 )
/ ( LKI + LK2 + LAI + LA2 ) < x 10 6 K 1 erfüllt ist, wobei a die Längenausdehnungskoeffizienten des Verbindungselementes (av), der Kragen (aki, ak2) und der Ausgleichselemente (OAI , ÜA2) bezeichnet, und wobei x = 2, besonders bevorzugt x = 1 , insbesondere x = 0,5 ist.
Erfindungsgemäß überdeckt das Verbindungselement in axialer Richtung beide Kragen. Bei Ausführungsformen, bei denen der Kragen nicht das stirnseitige Ende des Rohrelementes bil det, überdeckt das Verbindungselement zudem den endseitigen Teil des Rohrelementes zwi- schen dem Kragen und der Stirnfläche. In einem solchen Fall ist unter den axialen Ausdehnun- gen der Kragen (LKI , LK2) die axiale Ausdehnung des eigentlichen Kragens zuzüglich der axia- len Ausdehnung des endseitigen Teils des Rohrelementes zu verstehen.
Bei Ausführungsformen, bei denen mehr als zwei Ausgleichselemente verwendet werden, wird die obige bevorzugte Auslegungsformel um jeweils einen Term pro weiterem Ausgleichsele- ment ergänzt. Bei drei Ausgleichselementen lautet die Beziehung:
- x 10-6 K-1 <
( (av - OKI) ' LKI + (av (av - OAI) LAI + (av - OA2) LA2 + (av - OA3) ' LA3 )
Figure imgf000006_0001
LK2 + LAI + LA2 + LA3)
< x 10-6 K-1 wobei l_A3 die axiale Ausdehnung des dritten Ausgleichselementes und 0A3 seinen Längenaus- dehnungskoeffizienten bezeichnen.
Die Festlegung der axialen Ausdehnungen (Ui, ü<2, LAI , LA2, etc.) erfolgt vorzugsweise bei Um- gebungstemperatur, insbesondere bei 20°C.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das erste Ausgleichselement als Ring gestaltet, der über das erste Rohrelement geschoben ist, bis er in axialer Richtung an dem Kragen anliegt. In einer alternativen bevorzugten Ausführungsform ist das erste Ausgleichselement nicht als ge- schlossener Ring, sondern mehrteilig gestaltet, besonders bevorzugt in Form von mindestens zwei Teilelementen, insbesondere Teilschalen. Diese mehrteilige Variante ist insbesondere dann von Vorteil, wenn ein Aufschieben eines Ringes nicht möglich ist, beispielsweise aufgrund von Biegungen oder anderen geometrischen Begrenzungen des ersten Rohrelementes.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das erste Ausgleichselement als Ringseg- ment gestaltet, das über das erste Rohrelement geschoben ist, bis es in axialer Richtung an dem Kragen anliegt. Die Ausgestaltung als Ringsegment ist - ähnlich der mehrteiligen Variante - insbesondere dann von Vorteil, wenn ein Aufschieben eines geschlossenen Ringes aufgrund von geometrischen Begrenzungen des ersten Rohrelementes nicht möglich ist, beispielsweise bei radial vom Rohrelement nach außen sich erstreckenden Befestigungsmitteln, Stutzen oder ähnlichem.
Das erste Ausgleichselement umfasst vorzugsweise mindestens 10%, bevorzugt mindestens 30%, besonders bevorzugt mindestens 50%, insbesondere mindestens 80% des Rohrumfan- ges. Bei einer mehrteiligen Ausgestaltung des ersten Ausgleichselementes gelten die Werte für die Summe der Teile.
Bei Ausgestaltungen der Erfindung mit mehr als einem Ausgleichselement gelten die obigen be- vorzugten Ausführungen hinsichtlich der Gestaltung der Ausgleichselemente sinngemäß auch für das zweite und alle weiteren Ausgleichselemente.
Die Kragen und das Verbindungselement sowie das erste Ausgleichselement bzw. die mehre- ren Ausgleichselemente und das Verbindungselement können sich in radialer Richtung berüh- ren oder einen Abstand voneinander aufweisen. Bevorzugt weisen sie einen Abstand voneinan- der auf. Diese Ausgestaltung begünstigt die Möglichkeit, dass sich Kragen, Ausgleichselemente und Verbindungselement in radialer Richtung ausdehnen können, sodass unerwünschte Zug- oder Biegespannungen vermieden werden. Als einzige relevante und gewünschte Kraft wirkt eine Druckspannung auf die Kragen aufgrund der axialen Verspannung.
In einer Variante der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist das Verbindungselement mit dem zweiten Rohrelement ortsfest verbunden. Vorzugsweise ist das Verbindungselement mit dem Kragen des zweiten Rohrelementes ortsfest verbunden. Unter einer ortsfesten Verbindung wird dabei verstanden, dass zwischen dem Verbindungselement und dem zweiten Rohrelement bzw. dessen Kragen in axialer Richtung keine Relativbewegung stattfindet. Eine rotatorische Relativbewegung ist grundsätzlich möglich, bevorzugt ist die Verbindung jedoch auch in Rotati- ons- bzw. Umfangsrichtung ortsfest. Die feste Verbindung zwischen dem Verbindungselement und dem zweiten Rohrelement bzw. mit dessen Kragen kann auf unterschiedliche Weise gestal- tet sein, beispielsweise durch Kraftschluss, Formschluss, Stoffschluss oder Kombinationen dar- aus. Bevorzugte Arten der Verbindung umfassen Verschrauben, Verkleben, Verlöten oder Ver- schweißen. Bei dieser Variante der Vorrichtung ist auf Seiten des zweiten Rohrelementes kein Ausgleichselement vorgesehen. Bei dieser Variante der erfindungsgemäßen Vorrichtung erfül len die Längenausdehnungskoeffizienten des Kragens des ersten Rohrelementes aki, des ers- ten Ausgleichselementes OAI und des Verbindungselementes av die Bedingung OAI < an < aki oder OAI > an > aki. Auch bei dieser Variante können auf Seiten des ersten Rohrelementes mehrere gleiche oder unterschiedliche Ausgleichselemente vorhanden sein. In diesem Fall ist die obige Bedingung folgendermaßen zu ergänzen: (OAI , ÜA2, ...) < an < aki oder (OAI , 0A2, ...)
> Ov > OK1
In einer bevorzugten Ausgestaltung der obigen Variante sind die axialen Ausdehnungen des Kragens des ersten Rohrelementes LKI und des ersten Ausgleichselementes LAI SO gewählt, dass die Bedingung
- x 106 K 1 < ( (an - aki) LKI + (av - QAI) LAI ) / ( LKI + LAI ) < x 10 6 K_1 erfüllt ist, wobei x = 2, bevorzugt x = 1 , besonders bevorzugt x = 0,5 ist. Beim Vorhandensein mehrerer Ausgleichselemente ist die Bedingung analog der obigen Ausführungen durch weitere Terme zu ergänzen.
Das Verbindungselement kann auf unterschiedliche Arten gestaltet sein, solange es in der Lage ist, eine axiale Verspannung zwischen den beiden Rohrelemente zu bewirken.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist das Verbindungs- element mehrteilig aufgebaut und umfasst mindestens ein Anpresselement, das in axialer Rich- tung an dem ersten Ausgleichselement anliegt.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Anpresselement als Ring gestaltet, der über das erste Rohrelement geschoben ist, bis er in axialer Richtung an dem ersten Ausgleichselement anliegt. In einer alternativen bevorzugten Ausführungsform ist das Anpresselement mehrteilig gestaltet, besonders bevorzugt in Form von mindestens zwei Teilelementen, insbesondere Teil- schalen. Diese mehrteilige Variante ist insbesondere dann von Vorteil, wenn ein Aufschieben eines Ringes nicht möglich ist, beispielsweise aufgrund von Biegungen oder anderen geometri- schen Begrenzungen des ersten Rohrelementes.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das zweite Anpresselement als Ringseg- ment gestaltet, das über das erste Rohrelement geschoben ist, bis es in axialer Richtung an dem ersten Ausgleichselement anliegt. Die Ausgestaltung als Ringsegment ist - ähnlich der mehrteiligen Variante - insbesondere dann von Vorteil, wenn ein Aufschieben eines geschlos- senen Ringes aufgrund von geometrischen Begrenzungen des ersten Rohrelementes nicht möglich ist, beispielsweise bei radial vom Rohrelement sich erstreckenden Befestigungsmitteln, Stutzen oder ähnlichem.
Das Anpresselement umfasst vorzugsweise mindestens 10%, bevorzugt mindestens 30%, be- sonders bevorzugt mindestens 50%, insbesondere mindestens 80% des Rohrumfanges. Bei ei- ner mehrteiligen Ausgestaltung des Anpresselementes gelten die Werte für die Summe der Teile.
Bei dem mehrteiligen Verbindungselement ist der Anteil des Verbindungselementes, der die Kragen überdeckt, mit dem Anpresselement ortsfest verbunden. Unter einer ortsfesten Verbin- dung wird in diesem Zusammenhang verstanden, dass zwischen dem Verbindungselement und dem Anpresselement in axialer Richtung keine Relativbewegung stattfindet. Eine rotatorische Relativbewegung ist grundsätzlich möglich, bevorzugt ist die Verbindung jedoch auch in Rotati- ons- bzw. Umfangsrichtung ortsfest. Die feste Verbindung zwischen dem Verbindungselement und dem Anpresselement kann auf unterschiedliche Weise gestaltet sein, beispielsweise durch Kraftschluss, Formschluss, Stoffschluss oder Kombinationen daraus. Bevorzugte Arten der Ver- bindung umfassen Verschrauben, Verkleben, Verlöten oder Verschweißen.
Wie die Ausgleichselemente und das Anpresselement kann das Verbindungselement als ein Bauteil, insbesondere als Ring oder Hülse, gestaltet sein, oder als mehrteiliges Bauteil, insbe- sondere in Form von mindestens zwei Teilelementen, insbesondere Teilschalen.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des mehrteiligen Verbindungselementes sind das Anpress- element als Hülse mit einem Außengewinde und das Verbindungselement als Hülse mit einem Innengewinde gestaltet. Das Anpresselement kann dabei einteilig oder mehrteilig ausgebildet sein. Bei einer mehrteiligen Gestaltung handelt es sich bevorzugt um mindestens zwei Teilele- mente, insbesondere Teilschalen, die jeweils ein Außengewinde aufweisen. Diese Ausgestal- tung ist insbesondere dann von Vorteil, wenn die Verbindung zwischen den beiden Rohrele- menten mit wenig Aufwand lösbar gestaltet sein soll.
In einer alternativen vorteilhaften erfindungsgemäßen Ausgestaltung bilden das Anpressele- ment und das Verbindungselement ein integrales Bauteil. Unter einem integralen Bauteil ist zu verstehen, dass Anpresselement und Verbindungselement einstückig ausgebildet sind, also nicht als separate Bauteile, die nachträglich zusammengefügt sind.„Integral“ bedeutet jedoch nicht, dass das kombinierte Verbindungs- und Anpresselement einteilig sein muss. In einer be- vorzugten Ausführungsform ist das kombinierte Verbindungs- und Anpresselement als Hülse gestaltet, die an ihren beiden Enden unterschiedliche Innendurchmesser aufweist, wobei der Übergang zwischen den beiden Durchmessern, insbesondere eine Kante, dazu vorgesehen ist, im montierten Zustand am ersten Ausgleichselement anzuliegen. In einer alternativen bevor- zugten Ausführungsform ist das kombinierte Verbindungs- und Anpresselement mehrteilig aus- geführt, vorzugsweise in Form von mindestens zwei Teilelementen, insbesondere Teilschalen. Auch bei dieser Ausführungsform ist in axialer Richtung ein Übergang, insbesondere eine Kante, vorhanden, die dazu vorgesehen ist, im montierten Zustand am ersten Ausgleichsele- ment anzuliegen.
In einer vorteilhaften Ausführungsform sind das Verbindungselement und/oder das erste Aus- gleichselement und/oder gegebenenfalls das zweite Ausgleichselement in Umfangsrichtung der Rohrelemente mehrteilig aufgebaut.„Mehrteilig“ ist in diesem Zusammenhang so zu verstehen, dass das betreffende Bauteil in Umfangsrichtung mindestens zwei Teilelemente umfasst.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist das Verbindungselement in axialer Richtung mehrteilig aufgebaut.„Mehrteilig“ ist in diesem Zusammenhang so zu verstehen, dass das Ver- bindungselement in axialer Richtung mindestens zwei Teilelemente umfasst.
Die Dichtwirkung zwischen den Stirnflächen der beiden Rohrelemente kann auf unterschiedli- che Art hergestellt sein. In einer ersten erfindungsgemäßen Ausgestaltung sind die Stirnflächen des ersten Rohrelementes und des zweiten Rohrelementes stoffschlüssig und/oder formschlüs- sig miteinander verbunden. In diesem Zusammenhang bedeutet„Formschluss“, dass die bei- den Stirnflächen so aufeinander abgestimmt sind, dass sich nach der Verspannung mittels des Verbindungselementes eine Dichtwirkung ergibt. In einer vorteilhaften Ausgestaltung sind die Stirnflächen der beiden Rohrelemente plan. Bei einer bevorzugten Ausführungsform einer stoff- schlüssigen Verbindung wird ein Hochtemperaturkitt als Klebstoff eingesetzt.
In einer zweiten erfindungsgemäßen Ausgestaltung sind die Stirnflächen des ersten Rohrele- mentes und des zweiten Rohrelementes über ein Dichtelement verbunden. Als Dichtelemente können alle Bauformen und Materialien eingesetzt werden, die den jeweiligen Anforderungen genügen, z.B. bezüglich Druck, Temperatur oder der in den Rohren zu transportierenden Flu- ide. Bevorzugt ist das Dichtelement als Flachdichtung, Metalldichtung, Stopfbuchse oder Laby- rinthdichtung ausgeführt. Eine Flachdichtung ist vorzugsweise aus Glimmer oder Graphit herge- stellt. Bei einer Metalldichtung handelt es sich vorzugsweise um eine Linsendichtung oder einen gasgefüllten O-Ring. Bei einer Stopfbuchse handelt es sich vorzugsweise um eine Packung aus keramischen Fasern, z.B. Glas, Aluminiumoxid oder Kohlenstoff.
Bei einer Ausführungsform, die ein Dichtelement zwischen dem ersten und dem zweiten Rohr- element aufweist, ist vorzugsweise in der Stirnfläche des ersten Rohrelementes eine umlau- fende Vertiefung zur Aufnahme des Dichtelementes vorhanden. In einer weiterhin bevorzugten Ausgestaltung ist in der Stirnfläche des zweiten Rohrelementes eine umlaufende Vertiefung zur Aufnahme des Dichtelementes vorhanden. Vertiefungen zur Aufnahme des Dichtelementes können auch sowohl in der Stirnfläche des ersten Rohrelementes als auch in der Stirnfläche des zweiten Rohrelementes vorhanden sein. In einer bevorzugten Ausgestaltung mit Dichtelement bildet der Kragen des ersten und/oder des zweiten Rohrelementes das jeweilige stirnseitige Ende, und in der Stirnfläche mindestens eines Kragens ist eine umlaufende Vertiefung zur Aufnahme des Dichtelementes vorhanden.
Bei Ausführungsformen mit einem Dichtelement ist es bevorzugt, dass in den oben angegebe- nen Bedingungen der axialen Ausdehnungen das Dichtelement berücksichtigt wird. Vorzugs- weise werden demnach die axialen Ausdehnungen des Kragens des ersten Rohrelementes LK-I , des Kragens des zweiten Rohrelementes l_K2, des ersten Ausgleichselementes LAI und gegebe- nenfalls des zweiten Ausgleichselementes l_A2 sowie des Dichtelementes I_D SO gewählt, dass die Bedingung
Figure imgf000011_0001
erfüllt ist, wobei a die Längenausdehnungskoeffizienten des Verbindungselementes (av), der Kragen (aki, ak2), der Ausgleichselemente (OAI , ÜA2) und des Dichtelementes (OD) bezeichnet, und wobei x = 2, besonders bevorzugt x = 1 , insbesondere x = 0,5 ist. In analoger Weise ist die obenstehende Bedingung für Ausführungsformen mit ortsfester Verbindung zwischen Verbin- dungselement und zweitem Rohrelement anzupassen. Als axiale Ausdehnung des Dichtele- mentes LD ist dabei nur der Anteil zu berücksichtigen, der sich zwischen den Stirnflächen er- streckt. Bei einer Ausführungsform, bei der das Dichtelement komplett in einer Nut eingebettet ist, ist LD gleich null.
Sämtliche Bauteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit Ausnahme eines gegebenenfalls vorhandenen Dichtelementes - also erstes und zweites Rohrelement, deren Kragen, erstes und gegebenenfalls weitere Ausgleichselemente sowie das Verbindungselement - können aus un- terschiedlichen Materialien gefertigt sein, beispielsweise aus metallischen, keramischen oder Verbundfaser-Werkstoffen. Besonders vorteilhaft wirkt sich die erfindungsgemäße Vorrichtung aus, wenn sich die Längenausdehnungskoeffizienten von erstem und zweitem Rohrelement stark unterscheiden.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung stehen die Längenaus- dehnungskoeffizienten des ersten Rohrelementes am und des zweiten Rohrelementes aR2 im Verhältnis 0,2 < am / aR2 < 5 zueinander.
In einer erfindungsgemäßen Ausführungsform sind das erste Rohrelement und sein Kragen oder das zweite Rohrelement und sein Kragen aus einem metallischen Werkstoff gefertigt. Be- vorzugt ist der metallische Werkstoff ausgewählt aus der Gruppe umfassend hochtemperatur- feste Edelstähle, Nickel-Basis-Legierungen oder refraktäre Metalle und Legierungen. Beispiele sind Werkstoffe mit der generischen Werkstoffnummer w.4xyz, wobei w e {1 , 2}, x e {3, 4, 5, 8, 9}, y e {0, 1 , 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9} und z e {0, 1 , 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9}.
In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform sind das erste Rohrelement und sein Kragen oder das zweite Rohrelement und sein Kragen aus einem keramischen Werkstoff gefer- tigt. Bevorzugt ist der keramische Werkstoff ausgewählt aus der Gruppe umfassend Quarzglas (Si02), Siliciumcarbid (SiC), Siliciumnitrid (S13N4), Aluminiumnitrid (AIN), Korund (AI2O3), Zirco- nia (Zr02), Magnesia (MgO), Yttria (Y2O3), Beryllia (BeO), Graphit (C), Mullit, Cordierit, Stein- zeug, Porzellan oder Faserverbundwerkstoffe auf Basis dieser Komponenten.
In Abhängigkeit von den konkreten Anforderungen sind das Verbindungselement bzw. seine Bestandteile und das erste Ausgleichselement und gegebenenfalls weitere Ausgleichselemente aus einem metallischen und/oder keramischen Werkstoff gefertigt. Bevorzugt ist der metallische Werkstoff ausgewählt aus der Gruppe umfassend hochtemperaturfeste Edelstähle, Nickel-Ba- sis-Legierungen oder refraktäre Metalle und Legierungen. Beispiele sind Werkstoffe mit der ge- nerischen Werkstoffnummer w.4xyz, wobei w e {1 , 2}, x e {3, 4, 5, 8, 9}, y e {0, 1 , 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9} und z e {0, 1 , 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9}. Der keramische Werkstoff ist bevorzugt ausgewählt aus der Gruppe umfassend Quarzglas (Si02), Siliciumcarbid (SiC), Siliciumnitrid (S13N4), Aluminium- nitrid (AIN), Korund (AI2O3), Zirconia (Zr02), Magnesia (MgO), Yttria (Y2O3), Beryllia (BeO), Gra- phit (C), Mullit, Cordierit, Steinzeug, Porzellan oder Faserverbundwerkstoffe auf Basis dieser Komponenten.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist das zweite Rohrelement aus einem keramischen Werkstoff gefertigt. Sein verbindungsseitiges Ende ist zumindest teilweise mit einer über den Umfang umlaufenden Stützschicht versehen, die vor- zugsweise aus einem oxidkeramischen Faserverbundwerkstoff hergestellt ist. Der Kragen des zweiten Rohrelementes ist als separates Bauteil, insbesondere als Hülse, ebenfalls aus einem keramischen Werkstoff gefertigt. Der Kragen umgibt die Stützschicht des Rohrelementes und ist mit dieser fest verbunden. Das Verbindungselement ist mit der Außenseite des Kragens ver- bunden. Das Verbindungselement ist vorzugsweise ebenfalls aus einem keramischen Material gefertigt. Besonders bevorzugt ist auch die äußere Mantelfläche des Verbindungselementes mit einer Stützschicht versehen, die insbesondere aus einem oxidkeramischen Faserverbundwerk- stoff hergestellt ist.
Gegenüber dem Stand der Technik weist die erfindungsgemäße Vorrichtung den Vorteil auf, dass aufgrund der hinsichtlich der Längenausdehnung ausgleichenden Wirkung der Materialien von Kragen, Ausgleichselement(en) und Verbindungselement es auch bei einer hohen thermi- schen Belastung der Rohrverbindung weder zu spontanen noch zu dauerhaften Undichtigkeiten kommt. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist über einen großen Temperaturbereich individuell auf die jeweiligen Erfordernisse anpassbar und ist konstruktiv einfach herzustellen. Die Erfindung wird im Folgenden mit Verweis auf die Zeichnungen näher erläutert. Die Zeich- nungen sind als Prinzipdarstellungen zu verstehen. Sie stellen keine Beschränkung der Erfin- dung dar, beispielsweise im Hinblick auf konkrete Abmessungen oder Ausgestaltungsvarianten. Es zeigen:
Fig. 1 : Längsschnitt durch eine erste erfindungsgemäße Ausführungsform
Fig. 2: Ausführungsform gemäß Fig. 1 mit Bezeichnung der axialen Ausdehnungen
Fig. 3: Längsschnitt durch eine zweite erfindungsgemäße Ausführungsform mit zwei Aus- gleichselementen
Fig. 4: Längsschnitt durch eine dritte erfindungsgemäße Ausführungsform
Fig. 5: Längsschnitt durch eine vierte erfindungsgemäße Ausführungsform
Fig. 6: Längsschnitt durch eine fünfte erfindungsgemäße Ausführungsform
Fig. 7: Grafik zu Beispiel 2: Werte des Anpressdrucks auf die Dichtung in Abhängigkeit der
Temperatur
Liste der verwendeten Bezugszeichen
10 ... Erstes Rohrelement
12 ... Kragen des ersten Rohrelementes
14 ... Erstes Ausgleichselement
20 ... Zweites Rohrelement
22 ... Kragen des zweiten Rohrelementes
24 ... Zweites Ausgleichselement
30 ... Verbindungselement
32 ... Anpresselement
40 ... Dichtelement
Fig. 1 zeigt schematisch einen Längsschnitt durch eine erste bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Die Vorrichtung ist rotationssymmetrisch aufgebaut, die gestri- chelte Linie in der Mitte der Fig. 1 bezeichnet die Symmetrieachse. Ein erstes Rohrelement 10 weist an seiner Stirnseite einen Kragen 12 auf, der sich in radialer Richtung nach außen er- streckt. Ein zweites Rohrelement 20 weist ebenfalls an seiner Stirnseite einen Kragen 22 auf, der sich in radialer Richtung nach außen erstreckt. Bei der in Fig. 1 dargestellten exemplari- schen Ausführungsform bilden die Kragen das jeweilige stirnseitige Ende der Rohrelemente.
Die beiden Stirnflächen sind über ein Dichtelement 40 dichtend miteinander verbunden.
Ein mehrteilig aufgebautes Verbindungselement 30 umfasst eine Hülse, die an beiden Enden jeweils ein Anpresselement 32 aufweist, die fest mit der Hülse verbunden sind. Das in Fig. 1 rechts dargestellte Anpresselement 32 liegt in axialer Richtung an dem Kragen 22 des zweiten Rohrelementes an und steht somit in unmittelbarem Eingriff an dem Kragen 22. Auf Seiten des ersten Rohrelementes 10 ist in axialer Richtung zwischen dem Kragen 12 und dem Anpressele- ment 32 ein erstes Ausgleichselement 14 angeordnet, sodass das Verbindungselement 30 auf Seiten des ersten Rohrelementes in mittelbarem Eingriff an dem Kragen 12 steht. Das Verbin- dungselement 30 überdeckt in axialer Richtung beide Kragen und ist so gestaltet, dass es durch den Eingriff an den Kragen eine axiale Verspannung der beiden Rohrelemente bewirkt. Bei- spielsweise kann die Verspannung durch eine kraft-, form- und/oder stoffschlüssige Verbindung zwischen den Anpresselementen 32 und der Hülse realisiert sein, z.B. durch gegenläufige Ge- winde oder durch Zusammenpressen der Rohrelemente und anschließendes Verschrauben, Vernieten oder Verkleben der Anpresselemente 32 mit der Hülse.
Der Längenausdehnungskoeffizient des Verbindungselementes 30 liegt zwischen den Längen- ausdehnungskoeffizienten mindestens eines Kragens 12, 22 und des Ausgleichselementes 14.
Fig. 2 zeigt die Ausführungsform gemäß Fig. 1 ergänzt um die Bezeichnung der axialen Aus- dehnungen für die Kragen LKI und LK2, das Ausgleichselement LAI , sowie das Dichtelement LD.
Fig. 3 zeigt schematisch einen Längsschnitt durch eine zweite bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Der Unterschied zu der in Fig. 1 dargestellten Ausführungs- form besteht darin, dass auf Seiten des zweiten Rohrelementes 20 in axialer Richtung zwischen dem Kragen 22 und dem Anpresselement 32 des Verbindungselementes ein zweites Ausgleich- selement 24 vorhanden ist.
In Fig. 4 ist schematisch ein Längsschnitt durch eine dritte bevorzugte Ausführungsform der er- findungsgemäßen Vorrichtung dargestellt. Der Unterschied zu der in Fig. 1 dargestellten Aus- führungsform besteht darin, dass in der Stirnfläche des Kragens 22 des zweiten Rohrelementes eine umlaufende Vertiefung vorhanden ist, in der das Dichtelement 40 aufgenommen ist.
Fig. 5 zeigt schematisch einen Längsschnitt durch eine vierte bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung. In Abwandlung zu der in Fig. 4 dargestellten Ausführungsform ist das Verbindungselement 30 in diesem Beispiel als integrales Bauteil gestaltet, bei dem der axiale Anteil des Verbindungselementes mit dem als Anpresselement fungierenden Anteil ein- stückig ausgebildet ist. In axialer Richtung ist das Verbindungselement 30 mehrteilig aufgebaut und umfasst zwei Hülsen, die kraft-, form- und/oder stoffschlüssig miteinander verbunden sind, beispielsweise als Bajonettverschluss, Verschraubung, Verklebung, Schweißverbindung oder Lötverbindung. Die beiden Hülsen weisen jeweils an ihren beiden Enden unterschiedliche In- nendurchmesser auf, wobei der Übergang zwischen den beiden Durchmessern jeweils als Kante gestaltet ist. Der Anteil mit dem kleineren Innendurchmesser fungiert als Anpresselement und erfüllt die gleiche Funktion wie das separate Bauteil 32 in den Beispielen gemäß Figs. 1 bis 4. Der Längenausdehnungskoeffizient des Verbindungselementes 30 liegt zwischen den Län- genausdehnungskoeffizienten mindestens eines Kragens 12, 22 und des Ausgleichselementes In Fig. 6 ist schematisch ein Längsschnitt durch eine fünfte bevorzugte Ausführungsform der er- findungsgemäßen Vorrichtung dargestellt. Das erste Rohrelement 10 ist aus einem metalli- schen Werkstoff hergestellt und weist an seinem verbindungsseitigen Ende einen Kragen 12 auf, in dem eine umlaufende Vertiefung vorhanden ist, in der ein Dichtelement 40 aufgenom- men ist. Das zweite Rohrelement 20 ist aus einem keramischen Werkstoff gefertigt. Sein verbin- dungsseitiges Ende ist zumindest teilweise mit einer über den Umfang umlaufenden Stütz- schicht versehen, die vorzugsweise aus einem oxidkeramischen Faserverbundwerkstoff herge- stellt ist. Der Kragen 22 des zweiten Rohrelementes ist als separates Bauteil gefertigt, in dem dargestellten Beispiel als Hülse mit einem Außengewinde. Die Hülse 22 ist ebenfalls aus einem keramischen Werkstoff gefertigt und umgibt die Stützschicht des zweiten Rohrelementes 20 und ist mit dieser fest verbunden. Ein mehrteiliges Verbindungselement 30 ist ebenfalls aus ei- nem keramischen Werkstoff gefertigt und mit einem Ende fest mit der Außenseite des Kragens 22 des zweiten Rohrelementes verbunden. Auf Seiten des ersten Rohrelementes weist das Verbindungselement ein Anpresselement 32 auf, das ein Ausgleichselement 14 gegen den Kra- gen 12 des ersten Rohrelementes drückt.
In der nachfolgenden Tabelle sind vorteilhafte Kombinationen von Materialien in Bezug auf die in den Figs. 1 bis 6 dargestellten beispielhaften Ausführungsformen angegeben, ohne dass die Erfindung jedoch auf diese Kombinationen beschränkt wird.
Figure imgf000015_0001
In obiger Tabelle bedeuten
1 .4876 ... Stahl aus dem Werkstoff 1 .4876 (Alloy 800H)
2.4816 ... Stahl aus dem Werkstoff 2.4816 (Alloy 600)
OCMC ... Oxidkeramischer Verbundwerkstoff
Beispiel 1
Es wurde eine Rohrverbindung gemäß der mit Bezug auf Fig. 6 beschriebenen Ausführungs- form hergestellt und einer Temperaturbelastung unterzogen.
Das erste Rohrelement 10 war aus einem hitzebeständigen Stahl mit der Werkstoffnummer 1.4876 (Alloy 800H) hergestellt und wies einen Außendurchmesser von 55 mm auf. An seinem Ende war ein Kragen 12 einstückig angeformt, der einen Außendurchmesser von 60 mm auf- wies. Die axiale Ausdehnung des Kragens betrug LKI = 5 mm. In der Stirnseite des Kragens 12 war eine umlaufende Vertiefung vorhanden, in die ein Ring aus Glimmer als Dichtungselement 40 eingelegt war. Die Vertiefung und das Dichtungselement waren so dimensioniert, dass sich die Stirnseiten der beiden Rohrelemente bei vollständiger Befestigung des Verbindungselemen- tes 30 gerade berührten. Der mittlere Längenausdehnungskoeffizient des Kragens des ersten Rohrelementes zwischen 20°C und 950°C war aki = 18,5 10 6 K 1.
Das zweite Rohrelement 20 war aus dem keramischen Material Degussit AL23 (Korund, AI2O3) gefertigt und wies einen Außendurchmesser von 55 mm auf. Im Bereich seines verbindungssei- tigen Endes war es mit einer Schicht eines oxidkeramischen Faserverbundwerkstoffes armiert, welche als Stützschicht zur Erhöhung der mechanischen Festigkeit des Rohrendes fungierte.
Als Kragen 22 des zweiten Rohrelementes wurde eine Hülse mit einem Außengewinde (Feinge- winde M64x2) auf das Rohrende aufgebracht und mit der Stützschicht verklebt. Die Hülse war ebenfalls aus dem Material Degussit AL23 gefertigt. Die zur Aufnahme des Verbindungsele- mentes 30 vorgesehene Gewindelänge betrug LK2 = 30 mm, der mittlere Längenausdehnungs- koeffizient des Kragens zwischen 20°C und 950°C war ak2 = 8,1 10 6 K 1.
Das Verbindungselement war mehrteilig ausgeführt und umfasste ein Anpresselement 32 sowie eine Hülse 30. Das Anpresselement war als Hülse mit einem Außengewinde (Feingewinde M64x2) ausgeführt und auf das erste Rohrelement 10 aufgeschoben. Der die Kragen 12, 22 überdeckende Teil des Verbindungselementes war als Hülse 30 mit einem Innengewinde (Fein- gewinde M64x2) ausgeführt und hatte eine Gesamtlänge von 79 mm sowie einen Außendurch- messer von 70 mm. Beide Teile des Verbindungselementes waren aus dem keramischen Werk- stoff Degussit AL23 gefertigt. Die äußere Mantelfläche der Hülse 30 war zur mechanischen Ver- stärkung mit einem oxidkeramischen Faserverbundwerkstoff ummantelt. Der mittlere Längen- ausdehnungskoeffizient des Verbindungselementes zwischen 20°C und 950°C war an = 8,1 10 6 K 1. Die Hülse 30 des Verbindungselementes war sowohl mit dem Anpresselement 32 als auch mit dem Kragen 22 des zweiten Rohrelementes verschraubt, sodass das Verbindungsele- ment mit dem zweiten Rohrelement 20 ortsfest verbunden war.
Als erstes Ausgleichselement 14 war ein Ring zwischen dem Kragen 12 des ersten Rohrele- mentes und dem Anpresselement 32 angeordnet. Der Ring hatte eine axiale Ausdehnung von LAI = 9,5 mm und war aus Siliciumnitrid (S13N4) gefertigt. Sein Längenausdehnungskoeffizient war aAi = 3,1 10_6 K-1. Die radiale Materialstärke betrug 3 mm. Sein Außendurchmesser war so bemessen, dass zwischen äußerer Oberfläche des Ausgleichselementes 14 und innerer Ober- fläche des Verbindungselementes 30 ein Abstand von ca. 2 mm bestand.
Das Verbindungselement 30 war mit dem zweiten Rohrelement 20 ortsfest verbunden, und die Längenausdehnungskoeffizienten des Kragens 12 des ersten Rohrelementes aki, des ersten Ausgleichselementes 14 OAI und des Verbindungselementes av erfüllten die Bedingung
QAI < Qv < aki (3,1 < 8,1 < 18,5, Angaben in 10 6 K-1). Die axialen Ausdehnungen des Kragens 12 des ersten Rohrelements LKI und des ersten Aus- gleichselementes 14 LAI waren so gewählt, dass die Bedingung
- 0,5 106 K 1 < ( (an - aki) LKI + (an - OAI) LAI ) / ( LKI + LAI ) < 0,5 106 K_1 erfüllt war:
- 0,5 106 K 1 < ( (8,1 - 18,5) 5 + (8,1 - 3 5 + 9,5 ) 10-6 K-1 < 0,5 10 6 K 1
- 0,5 106 K 1 < - 0,31
Figure imgf000017_0001
0,5 - 10-6 K-1
Durch die Rohrverbindung wurde kontinuierlich ein propanhaltiges Gas geleitet. Die Rohrverbin- dung war in einer beheizbaren Kammer installiert, innerhalb derer Sensoren zur Detektion von Propan vorhanden waren. Die Rohrverbindung wurde bei Umgebungstemperatur (20°C) in Be- trieb genommen und kontrolliert mit einer Temperaturanstiegsrate von 300 Kelvin pro Stunde auf 950°C aufgeheizt. Auf diesem Temperaturniveau wurde die Rohrverbindung mehrere Stun- den betrieben. Anschließend wurde die Rohrverbindung unkontrolliert abgekühlt, wobei Tempe- raturabfallraten von bis zu 800 Kelvin pro Stunde erreicht wurden. Während des gesamten Pro- zesses (Anfahren, stationärer Betrieb, Abfahren) wurde kein Propanaustritt detektiert, die Ver- bindung blieb dicht. Nach Abschluss des Versuches wurde die Rohrverbindung auf mechani- sche Schäden untersucht. Es wurden keine Schäden festgestellt.
Beispiel 2
Ein Hybridrohr mit einer keramischen Innenschicht und einer Außenschicht aus einem oxidkera- mischen Faserverbundwerkstoff wurde an beiden Rohrenden jeweils mit einem Rohr aus einem metallischen Werkstoff gemäß der mit Bezug auf Fig. 6 beschriebenen Ausführungsform ver- bunden und einer Temperaturbelastung unterzogen.
Das erste Rohrelement 10 war aus einem hitzebeständigen Stahl mit der Werkstoffnummer 1.4876 (Alloy 800H) hergestellt und wies einen Außendurchmesser von 52 mm und einen In- nendurchmesser von 44 mm auf. An seinem Ende war ein Kragen 12 einstückig angeformt, der einen Außendurchmesser von 59 mm und einen Innendurchmesser von 44 mm aufwies. Die axiale Ausdehnung des Kragens betrug LKI = 7,2 mm. In der Stirnseite des Kragens 12 war eine umlaufende Vertiefung vorhanden, die 2 mm tief und 4 mm breit war. Der innere Durchmesser der Vertiefung betrug 46 mm, der äußere Durchmesser 54 mm. In die Vertiefung war eine ring- förmige Flachdichtung aus Glimmer als Dichtungselement 40 eingelegt (Klinger milam PSS 300 der Firma Rieh. Klinger Dichtungstechnik GmbH & Co. KG, 82352 Gumpoldskirchen, Öster- reich). Vor dem Einbau hatte das Dichtungselement 40 einen Außendurchmesser von 53 mm, einen Innendurchmesser von 47 mm und eine Stärke von 3,2 mm. Die Vertiefung und das Dich- tungselement waren so dimensioniert, dass sich die Stirnseiten der beiden Rohrelemente bei vollständiger Befestigung des Verbindungselementes 30 gerade berührten. Der mittlere Län- genausdehnungskoeffizient des Kragens des ersten Rohrelementes zwischen 20°C und 950°C war QKI = 18,5 10 6 K 1. Das zweite Rohrelement 20 war als Hybridrohr gemäß der Patentanmeldung WO 2016/184776 A1 gestaltet. Die Innenschicht war aus dem dicht gesinterten keramischen Material Degussit AL23 (Korund, AI2O3, Firma Friatec GmbH, 68229 Mannheim, Deutschland) gefertigt und wies einen Außendurchmesser von 55 mm auf. Sein Innendurchmesser betrug 47 mm, die Länge 840 mm. Über seine gesamte Länge, und somit auch im Bereich seines verbindungsseitigen Endes, war das Rohr mit einer Schicht eines oxidkeramischen Faserverbundwerkstoffes ar- miert, welche als Stützschicht zur Erhöhung der mechanischen Festigkeit des Rohres fungierte. Diese Außenschicht hatte eine Stärke von 1 ,5 mm.
Es wurden zwei Varianten der Herstellung der Außenschicht getestet. Bei der ersten Variante wurde auf die Innenschicht ein Fasergerüst aus sechs übereinander geschichteten Gewebe- bahnen in 0/90°-Orientierung vom Typ DF-1 1 der Firma 3M (St. Paul, MN, U.S.A.) gewickelt und mit Schlicker getränkt, der nach dem Brand die Matrix der OCMC-Struktur bildet. Als Schlicker wurde eine Mischung aus 85% AI2O3 und 15% 3YSZ mit der Typbezeichnung FW12 von der Firma Walter E.C. Pritzkow Spezialkeramik (70794 Filderstadt-Sielmingen) eingesetzt. Bei der zweiten Variante wurde auf die Innenschicht ein Fasergerüst aus sechs übereinander ge- schichteten Flechtschläuchen mit einem Nenndurchmesser von 50 mm aufgebracht. Die Schläuche waren aus Garnen vom Typ Nextel 610 der Firma 3M (St. Paul, MN, U.S.A.) gefloch- ten. Die Fasern waren gegenüber der Längsachse im Winkel von +/- 45° orientiert. Es wurde der gleiche Schlicker zum Tränken der Fasern verwendet wie in der ersten Variante. Nach dem Aufbringen der OCMC-Außenschicht wurde das Hybridrohr in einem Ofen getrocknet und an- schließend gebrannt. Durch diesen Fertigungsprozess wurde eine Stoff- und kraftschlüssige Verbindung zwischen der OCMC-Außenschicht und der Innenschicht erreicht.
Auf beide Enden des Hybridrohres wurde als Kragen 22 des zweiten Rohrelementes jeweils eine Hülse mit einem Außengewinde (Feingewinde M64x2) aufgebracht und mit der Stütz- schicht verklebt. Die Hülsen waren ebenfalls aus dem Material Degussit AL23 gefertigt. Als Klebstoff wurde derselbe Schlicker wie zur Herstellung der Außenschicht verwendet. Auf der dem zweiten Rohrelement 20 zugewandten Seite hatten die Hülsen einen Außendurchmesser von 64,5 mm und einen Innendurchmesser von 58 mm. Auf der dem zweiten Rohrelement 20 abgewandten Seite wiesen die Hülsen einen Innendurchmesser von 42 mm auf. Die Oberflä- chen dieser Stirnseiten waren eben und glatt, sodass sie als Dichtflächen gegenüber dem Dich- tungselement 40 nutzbar waren. Die Länge der Hülsen betrug 32 mm, wobei der im Innen- durchmesser verringerte Abschnitt eine Länge von 7 mm aufwies. Die zur Aufnahme des Ver- bindungselementes 30 vorgesehene Gewindelänge der Hülsen betrug LK2 = 30 mm, der mittlere Längenausdehnungskoeffizient des Kragens zwischen 20°C und 950°C war cd<2 = 8,1 106 K-1.
Das Verbindungselement war mehrteilig ausgeführt und umfasste ein Anpresselement 32 sowie eine Hülse 30. Das Anpresselement 32 war als Hülse mit einem Außengewinde (Feingewinde M64x2) ausgeführt und auf das erste Rohrelement 10 aufgeschoben. Der Innendurchmesser des Anpresselementes 32 betrug 53 mm und seine Länge 45 mm. Es war ebenfalls aus dem keramischen Werkstoff Degussit AL23 gefertigt.
Der die Kragen 12, 22 überdeckende Teil des Verbindungselementes war als Hülse 30 mit ei- nem Innengewinde (Feingewinde M64x2) ausgeführt und hatte eine Gesamtlänge von 79 mm sowie einen Außendurchmesser von 70 mm. Auch die Hülse 30 war aus dem keramischen Werkstoff Degussit AL23 gefertigt. Die äußere Mantelfläche der Hülse 30 war zur mechani- schen Verstärkung mit einem oxidkeramischen Faserverbundwerkstoff ummantelt. Das Faser- gerüst der OCMC-Ummantelung bestand aus sechs übereinander geschichteten Flechtschläu- chen mit einem Nenndurchmesser von 70 mm. Die Schläuche waren aus Garnen vom Typ Nextel 610 (Firma 3M, St. Paul, MN, U.S.A.) geflochten. Die Fasern sind gegenüber der Längs- achse im Winkel von +/- 45° orientiert. Der mittlere Längenausdehnungskoeffizient des Verbin- dungselementes zwischen 20°C und 950°C war an = 8,1 106 K-1. Die Hülse 30 des Verbin- dungselementes war sowohl mit dem Anpresselement 32 als auch mit dem Kragen 22 des zweiten Rohrelementes verschraubt, sodass das Verbindungselement mit dem zweiten
Rohrelement 20 ortsfest verbunden war.
Als erstes Ausgleichselement 14 war ein Ring zwischen dem Kragen 12 des ersten Rohrele- mentes und dem Anpresselement 32 angeordnet. Der Ring hatte eine axiale Ausdehnung von LAI = 9,5 mm und war aus Siliciumnitrid (S13N4) gefertigt (Typ Frialit HP 79 der Firma Friatec GmbH). Sein Innendurchmesser betrug 53 mm, sein Außendurchmesser 59 mm. Zwischen der äußeren Oberfläche des Ausgleichselementes 14 und der inneren Oberfläche des Verbindungs- elementes 30 bestand somit ein Abstand von ca. 2 mm. Der Längenausdehnungskoeffizient des Ausgleichselementes 14 betrug OAI = 3, 1 10_6 K-1.
Das Verbindungselement 30 war mit dem zweiten Rohrelement 20 ortsfest verbunden, und die Längenausdehnungskoeffizienten des Kragens 12 des ersten Rohrelementes aki, des ersten Ausgleichselementes 14 OAI und des Verbindungselementes av erfüllten die Bedingung
OAI < an < aki (3,1 < 8,1 < 18,5, Angaben in 10 6 K-1).
Die axialen Ausdehnungen des Kragens 12 des ersten Rohrelements LKI und des ersten Aus- gleichselementes 14 LAI waren so gewählt, dass die Bedingung
- 0,5 10 6 K 1 < ( (an - aki) LKI + (av - OAI) LAI ) / ( LKI + LAI ) < 0,5 1 0 6 K_1 erfüllt war:
- 0,5 106 K 1 < ( (8,1 - 18,5) 5 + (8,1 - 3 5 + 9,5 ) 10-6 K-1 < 0,5 10 6 K 1
- 0,5 106 K 1 < - 0,31
Figure imgf000019_0001
0,5 - 10-6 K-1
Die Schraubverbindungen wurden mit einem Anzugsmoment von 60 Nm ausgeführt. Dabei wur- den die Flachdichtungen 40 zwischen dem Hybridrohr 20 und den metallischen Anschlussstü- cken 10 jeweils auf Block verpresst. Das Zusammendrücken der Flachdichtung von 3,2 mm auf 2,2 mm entsprach einer Pressung von ca. 30 MPa. In Fig. 7 ist der Anpressdruck [in MPa] auf die Dichtung 40 in Abhängigkeit der Temperatur [in °C] angegeben. Die durchgezogene Linie zeigt die Werte gemäß der Ausführungsform des Bei- spiels 2, also mit dem Ausgleichselement 14. Der Anpressdruck ist in diesem Fall nahezu kon- stant über den gesamten Temperaturbereich von ca. 20°C bis zu 1000 °C. Die Funktionsfähig- keit der Dichtung ist durch die erfindungsgemäße Ausführungsform sichergestellt. Im Gegen- satz dazu würde ohne Ausgleichselement 14 der hypothetische Anpressdruck (gestrichelte Kurve in Fig. 7) so hohe Werte annehmen, dass die Dichtung zerstört würde.
Mit dem Hybridrohr gemäß Beispiel 2 wurden mehrere Versuche im Temperaturbereich von 900°C bis 980°C durchgeführt. Das Rohr inklusive seiner Verbindungen mit den metallischen
Anschlussstücken überstand 300 Betriebsstunden ohne erkennbare Schäden. Es wurden keine Undichtigkeiten festgestellt.

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zur dichtenden Verbindung zweier Rohrelemente, bei der eine Stirnfläche ei- nes ersten Rohrelementes (10) dichtend mit einer Stirnfläche eines zweiten Rohrelemen- tes (20) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Rohrelement einen Kragen (12, 22) in radialer Richtung nach außen aufweist, ein Verbindungselement (30) in axialer Richtung beide Kragen überdeckt und durch mittelbaren oder unmittelbaren Eingriff an den beiden Kragen eine axiale Verspannung der Rohrelemente bewirkt, wobei mindes- tens ein erstes Ausgleichselement (14) in axialer Richtung zwischen dem Kragen (12) des ersten Rohrelementes und dem Verbindungselement (30) angeordnet ist, und wobei der Längenausdehnungskoeffizient des Verbindungselementes zwischen den Längen- ausdehnungskoeffizienten mindestens eines Kragens und des Ausgleichselementes liegt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , die weiterhin ein zweites Ausgleichselement (24) umfasst, das in axialer Richtung zwischen dem Kragen (22) des zweiten Rohrelementes und dem Verbindungselement (30) angeordnet ist, und wobei der Längenausdehnungskoeffizient des Verbindungselementes zwischen den Längenausdehnungskoeffizienten mindestens eines Kragens und der Ausgleichselemente liegt.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die axialen Ausdehnungen des Kragens (12) des ersten Rohrelementes LKI , des Kragens (22) des zweiten Rohrelementes LK2, des ersten Ausgleichselementes (14) LAI und gegebenenfalls des zweiten Ausgleichselemen- tes (24) LA2 SO gewählt sind, dass die Bedingung
- x 106 K 1 < ( (av (av - C(K2) LK2 + (qn - OAI) LAI + (av - OA2) LA2 )
Figure imgf000021_0001
+ LAI + LA2 ) < x 106 K 1 erfüllt ist, wobei a die Längenausdehnungskoeffizienten des Verbindungselementes (av), der Kragen (aki, ak2) und der Ausgleichselemente (OAI , ÜA2) bezeichnet, und wobei x = 2, bevorzugt x = 1 , besonders bevorzugt x = 0,5 ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1 , wobei das Verbindungselement (30) mit dem zweiten
Rohrelement (20) ortsfest verbunden ist, und die Längenausdehnungskoeffizienten des Kragens (12) des ersten Rohrelementes aki, des ersten Ausgleichselementes (14) OAI und des Verbindungselementes (30) av die Bedingung OAI < av < aki oder OAI > av > aki erfüllen.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei die axialen Ausdehnungen des Kragens (12) des ersten Rohrelementes LKI und des ersten Ausgleichselementes (14) LAI SO gewählt sind, dass die Bedingung
- x 106 K 1 < ( (an - aki) LKI + (av - OAI) LAI ) / ( LKI + LAI ) < x 10 6 K_1 erfüllt ist, wobei x = 2, bevorzugt x = 1 , besonders bevorzugt x = 0,5 ist.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Verbindungselement (30) mehrteilig aufgebaut ist und mindestens ein Anpresselement (32) umfasst, das in axialer Richtung an dem ersten Ausgleichselement (14) anliegt.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei das Anpresselement (32) als Hülse mit einem Au- ßengewinde und das Verbindungselement (30) als Hülse mit einem Innengewinde gestal- tet sind.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Verbindungselement (30) und/oder das erste Ausgleichselement (14) und/oder gegebenenfalls das zweite Aus- gleichselement (24) in Umfangsrichtung der Rohrelemente mehrteilig aufgebaut sind.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das erste Rohrelement (10) und sein Kragen (12) oder das zweite Rohrelement (20) und sein Kragen (22) aus einem me- tallischen Werkstoff gefertigt sind, bevorzugt ausgewählt aus der Gruppe umfassend hochtemperaturfeste Edelstahle, Nickel-Basis-Legierungen oder refraktäre Metalle und Legierungen.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das erste Rohrelement (10) und sein Kragen (12) oder das zweite Rohrelement (20) und sein Kragen (22) aus einem ke- ramischen Werkstoff gefertigt sind, bevorzugt ausgewählt aus der Gruppe umfassend Quarzglas (S1O2), Siliciumcarbid (SiC), Siliciumnitrid (S13N4), Aluminiumnitrid (AIN), Ko- rund (AI2O3), Zirconia (ZrÜ2), Magnesia (MgO), Yttria (Y2O3), Beryllia (BeO), Graphit (C), Mullit, Cordierit, Steinzeug, Porzellan oder Faserverbundwerkstoffe auf Basis dieser Kom- ponenten.
1 1. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Stirnflächen des ersten Rohr- elementes (10) und des zweiten Rohrelementes (20) stoffschlüssig und/oder formschlüs- sig miteinander verbunden sind.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Stirnflächen des ersten Rohr- elementes (10) und des zweiten Rohrelementes (20) über ein Dichtelement (40) verbun- den sind, bevorzugt über eine Flachdichtung aus Glimmer oder Graphit, eine Linsendich- tung oder einen gasgefüllten O-Ring aus Metall oder eine Stopfbuchse aus keramischen Fasern.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei der Kragen (12, 22) des ersten und/oder des zwei- ten Rohrelementes das jeweilige stirnseitige Ende bildet, und in der Stirnfläche mindes- tens eines Kragens (12, 22) eine umlaufende Vertiefung zur Aufnahme des Dichtelemen- tes (40) vorhanden ist.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei die Längenausdehnungskoeffi- zienten des ersten Rohrelementes (10) am und des zweiten Rohrelementes (20) aR2 im
Verhältnis 0,2 < am / OR2 < 5 zueinander stehen.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei das zweite Rohrelement (20) aus einem keramischen Werkstoff gefertigt ist, sein verbindungsseitiges Ende zumindest teil- weise mit einer über den Umfang umlaufenden Stützschicht versehen ist, eine Hülse aus einem keramischen Werkstoff als Kragen (22) die Stützschicht umgibt und mit dieser fest verbunden ist, und das Verbindungselement (30) mit der Außenseite der Hülse verbun- den ist.
16. Vorrichtung nach Anspruch 15, wobei die Stützschicht aus einem oxidkeramischen Faser- verbundwerkstoff hergestellt ist.
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