WO2024033151A1 - Vorrichtung zur passgenauen abdichtung einer von einer nicht-planen dichtfläche umgebenen öffnung eines apparats - Google Patents

Vorrichtung zur passgenauen abdichtung einer von einer nicht-planen dichtfläche umgebenen öffnung eines apparats Download PDF

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WO2024033151A1
WO2024033151A1 PCT/EP2023/071240 EP2023071240W WO2024033151A1 WO 2024033151 A1 WO2024033151 A1 WO 2024033151A1 EP 2023071240 W EP2023071240 W EP 2023071240W WO 2024033151 A1 WO2024033151 A1 WO 2024033151A1
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WO
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adapter
sealing
face
profile
sealing surface
Prior art date
Application number
PCT/EP2023/071240
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French (fr)
Inventor
Felix HUELSMANN
Christian Krauss
Hans Martin ERKING
David NIEMIEC
Marvin KRAMP
Cornelis Hendricus DE RUITER
Bjoern STEIDEL
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Basf Se
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Publication date
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    • F16L23/00—Flanged joints
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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
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    • F16L23/02—Flanged joints the flanges being connected by members tensioned axially
    • F16L23/032—Flanged joints the flanges being connected by members tensioned axially characterised by the shape or composition of the flanges

Definitions

  • the invention relates to a device for the precisely fitting sealing of an opening of an apparatus surrounded by a non-planar sealing surface, comprising an adapter with a first end face as a support surface, which has a first surface profile which corresponds to the precisely fitting negative profile of the non-planar sealing surface.
  • the invention further relates to a device for precisely sealing an opening of an apparatus surrounded by a non-planar sealing surface, comprising an adapter with a first end face as a support surface which has a first surface profile, the first surface profile being irregular.
  • seals exist for an opening of an apparatus surrounded by a non-planar sealing surface.
  • ring-shaped sealing elements that are usually mass-produced as standard products.
  • the sealing and flange dimensions of annular seals and flanges are the subject of corresponding standards.
  • flat gaskets are used as flange sealing rings.
  • An essential criterion when using a flange sealing ring or an associated flange is the surface pressure acting on the sealing surfaces, which must be adjusted appropriately depending on the sealing material. If the surface pressure is too high, there is a fundamental risk that the flange sealing ring will be destroyed, whereas the sealing effect will be inadequate if the surface pressure is too low.
  • seals can also be exposed to harsh chemical conditions, so the chemical resistance of the seal is also very important.
  • the document DE 102013 002 753 B3 discloses a method for producing a sealing element for sealing a connection of two flanges, at least one of which has a non-planar sealing surface, with a plurality of circumferential positions lying in the circumferential direction of at least one flange, which are in one direction perpendicular to the circumferential tangent, in particular in a radial direction, one behind the other, a respective distance value between the opposing sealing surfaces of the flanges is determined and a single thickness value is determined from the several distance values of each circumferential position and a sealing element is manufactured as a function of all thickness values dependent on the circumferential position, which has a thickness depending on the circumferential position, which at each to the flanges corresponding circumferential positions in a direction perpendicular to the circumferential tangent, in particular in the radial direction, is constant and corresponds to the determined thickness value of the respective circumferential position.
  • a disadvantage of this implementation is that if there are significant deviations in the distance value in the perpendicular direction to the circumferential tangent, no tightness can generally be achieved, since only one thickness value per circumferential position in the radial direction is taken into account.
  • the sealing element can wear or become fatigued due to physical or chemical stress, which means that a new sealing element has to be manufactured and assembled at great expense.
  • the document DE 102011056835 B4 discloses a flange sealing ring with an annular metallic base body and with sealing surfaces which are formed by sections of the base body, the metallic base body being formed at least in three parts from an upper part, a lower part and an intermediate part and the intermediate part having at least one cavity, in which a non-electrical pressure sensor is inserted, the pressure sensor being arranged hidden from the upper part and the lower part on both sides of the intermediate part and sealed against an inner circumference of the flange sealing ring.
  • the pressure sensor determines a local pressure within the flange sealing ring, whereby the local surface pressure on the pressure sensor can be determined.
  • a disadvantage of this implementation is that if there are significant deviations in the distance value in the radial and/or perpendicular direction to the circumferential tangent, no seal can be achieved, even if the surface pressure can be optimally adjusted by the pressure sensor.
  • a device for precisely fitting sealing according to claim 1 or 2 by a sealing system according to claim 11, by a use of the device according to claim 17, by a method for producing the device or the sealing system according to claim 18 and by a procedure for Production of an adapter suitable for the device solved according to claim 19.
  • Advantageous embodiments of the device are given in claims 3 to 10 and advantageous embodiments of the sealing system are given in claims 12 to 16.
  • the device according to the invention for precisely sealing an opening of an apparatus surrounded by a non-planar sealing surface comprises an adapter with a first end face as a support surface, which has a first surface profile which corresponds to the precisely fitting negative profile of the non-planar sealing surface or is irregular, and at least one Flat gasket, which is arranged between the non-planar sealing surface of the device and the first end face of the adapter.
  • device in this document is to be understood as a general name for a technical device made up of several components that fulfills certain functions.
  • An “apparatus” can therefore be, for example, a mixer, a column, a reactor or a heat exchanger.
  • non-plane sealing surface is understood to mean an uneven, three-dimensional surface that can be connected to a corresponding device or component in such a way that a technical seal is achieved and therefore no or only an insignificant quantity of fluid flow can escape from the non-planar sealing surface.
  • an insignificant volume flow of emerging fluid can be understood as the volume flow that is maximum permitted by the standard condition TA-Luft.
  • the TA-Luft standard condition is given by the technical instructions for keeping the air clean, the new version of which is available in the first general administrative regulation for the Federal Immission Control Act at the Federal Environment Agency: https://www.umweltbundesanit.de/ (accessed on July 4, 2022).
  • the apparatus preferably has at least a partial coating. More preferably, the coating is an enamelled layer.
  • the non-plane sealing surface is particularly at the Coating formed.
  • the apparatus in particular has an enamelled layer and more preferably the non-planar sealing surface is formed on the enamelled layer.
  • the non-planar sealing surface is created, in particular, due to manufacturing reasons, through the formation or application of the coating.
  • the non-plane sealing surface is in particular a surface of a coated, in particular an enameled, apparatus.
  • opening of an apparatus is understood to mean, for example, a manhole of an apparatus or the opening of an apparatus surrounded by a flange.
  • the term “adapter” is to be understood as a component that can be positioned on a sealing surface covered with a flat gasket in order to achieve a technical seal after the adapter has been pressed into the sealing surface.
  • the term “surface profile” is understood to mean, for example, the geometric surface of the non-planar sealing surface to be sealed.
  • the first surface profile is in particular irregular.
  • the first surface profile has, in particular, elevations and depressions, with the elevations and depressions preferably deviating differently from an average level of the first surface profile.
  • adjacent elevations and/or depressions preferably have different distances from one another.
  • a difference between a maximum surface profile height and a minimum surface profile height is preferably less than 10 mm, more preferably less than 7 mm.
  • the first surface profile is typically determined by the surface of the coating of the device.
  • the first surface profile is determined in particular by the formation or application of the coating of the apparatus.
  • negative profile is understood to mean a calculated surface profile that corresponds to the mirrored surface profile of the non-planar sealing surface to be sealed.
  • the heights in the negative profile correspond to the depths in the surface profile and vice versa.
  • This calculated negative profile can then be created on an end face of an adapter using a machining tool, such as a CNC milling machine. After processing, the surface profile of this end face corresponds to the calculated negative profile, taking into account the measurement and manufacturing tolerances.
  • flat gasket is to be understood as a seal that can be installed as a sealing element between two flanges of a component or an apparatus, for example in mechanical engineering, apparatus and pipeline construction.
  • a flat gasket is annular, preferably circular.
  • the main effect on the flat gasket is pressure, Temperature and the fluid to be sealed. Chemical and physical stresses usually have to be taken into account.
  • support surface in this document is to be understood as an example of a surface or a support surface on which, for example, a flat gasket can be placed.
  • the antiderivative function determines the amounts of the individual local gap heights that arise between the non-planar sealing surface and the end face of the adapter when the adapter is positioned on the non-planar sealing surface, whereby the respective locations of the individual local gap heights are determined by the radial coordinate r and the circumferential coordinate phi are defined.
  • the thickness of the flat gasket is preferably subtracted from the individual local gap heights in order to calculate the accuracy of fit as if the adapter were positioned on the non-planar sealing surface without a flat gasket.
  • the value of the fitting accuracy is the maximum local gap height that occurs between the non-planar sealing surface and the end face of the adapter when the adapter is positioned on the non-planar sealing surface.
  • the thickness of the flat gasket can preferably be subtracted from the maximum local gap height in order to calculate the value of the fit as if the adapter were positioned on the non-planar sealing surface without a flat gasket.
  • the value of the fitting accuracy is mainly determined by the manufacturing tolerances in the manufacture of the adapter and/or by the measurement accuracy of measuring the non-planar sealing surface of an apparatus and/or by the accuracy of the positioning of the adapter.
  • the maximum permissible value for the accuracy of fit is specific to each application.
  • the type of flat gaskets, the material of the flat gaskets, and the size of the non-planar sealing surface can influence the maximum permissible value for the accuracy of fit.
  • the adapter is made of a metal or a metal alloy or of different metals or metal alloys.
  • Preferred are stainless austenitic, superaustenitic or austenitic-ferritic steels or nickel-based alloys.
  • the adapter has a greater hardness than the flat gasket and as a result the surface profile of the precisely fitting negative profile on the adapter is retained even during sealing and the flat gasket essentially only deforms.
  • the adapter also has a high level of strength, which allows high surface pressures and promises a longer service life.
  • a long service life can also be achieved by using a sufficiently corrosion-resistant material, such as a metal or a metal alloy.
  • the flat gasket contains at least some graphite or at least some perfluoroalkoxy polymers (PFA). These materials are particularly preferred in chemical processes because they have a high chemical resistance to, for example, acid-containing substances.
  • PFA perfluoroalkoxy polymers
  • the device for precise sealing is equipped with flat gaskets made of graphite with spit sheet metal or expanded metal inserts or with flat gaskets made of PFA.
  • flat gaskets made of graphite with spit sheet metal or expanded metal inserts or with flat gaskets made of PFA.
  • the adapter comprises an outer lateral surface which adjoins the first end face to form an angle and on which at least two positioning elements are fixed in place.
  • the positioning elements each have a guide rail which is designed in such a way that when positioning the adapter on the first non-planar sealing surface of the apparatus covered with the flat gasket, the respective guide rail is guided by an elevation on the apparatus, preferably by a fitting screw on the apparatus, and thereby the adapter reaches its predetermined position.
  • the guide rail is modular so that it can be removed again after positioning. This means that after positioning, for example, clamping screws can be used to clamp the device to the non-planar sealing surface of the device without any problems.
  • the guide rail contains a locking tab, which preferably comprises an elongated hole. This enables a design that is easy to implement and also allows for simple and sufficiently precise positioning.
  • the respective positioning element is fixed in place to the outer lateral surface of the adapter with at least one fastening element, preferably a screw, particularly preferably a fitting screw, or the outer lateral surface of the adapter has a groove for each positioning element and the positioning element comprises at least one screw and a spring, the respective spring fitting into the respective groove of the outer lateral surface of the adapter, and the screw fixing the groove in place with the spring.
  • the groove may be a polygonal groove, such as a triangular groove or a square groove.
  • the adapter is a cover, preferably a manhole or a blind cover.
  • the adapter has a second end face as a further support surface, which is located on the opposite side of the first end face and has a second surface profile, the second surface profile of the adapter corresponding to the precisely fitting negative profile of a sealing surface arranged on a component and surrounding an opening , and wherein the device contains at least one further flat seal which is arranged between the sealing surface of the component and the second end face of the adapter.
  • the second surface profile is in particular irregular.
  • the second surface profile has in particular elevations and depressions, the elevations and depressions preferably deviating differently from an average level of the second surface profile. Furthermore, adjacent elevations and/or depressions preferably have different distances from one another.
  • a difference between a maximum surface profile height and a minimum surface profile height is preferably less than 10 mm, more preferably less than 7 mm.
  • the component preferably has at least partially a coating. More preferably, the coating is an enamelled layer.
  • the sealing surface arranged on the component and surrounding an opening is formed in particular on the coating.
  • the component in particular has an enamelled layer and more preferably the sealing surface arranged on the component and surrounding an opening is formed on the enamelled layer.
  • the sealing surface arranged on the component and surrounding an opening is created, in particular due to production, through the formation or application of the coating.
  • the sealing surface arranged on the component and surrounding an opening is in particular a surface of a coated, in particular an enameled, component.
  • the second surface profile is typically determined by the surface of the coating of the component.
  • the second surface profile is determined in particular by the formation or application of the coating on the component.
  • Preferably the first surface profile and/or the second surface profile is irregular.
  • the adapter has a second end face as a further support surface, which is located on the opposite side of the first end face and has a second surface profile, the second surface profile being irregular, and the device containing at least one further flat gasket which is located between the sealing surface of the component and the second end face of the adapter is arranged.
  • two adapters are used for two components, for example to be able to connect two pipes, two apparatus flanges or a pipe to an apparatus.
  • One adapter is used for each component in order to seal the sealing surface arranged on the respective component and surrounding an opening.
  • An additional seal is then preferably inserted between the two adapters so that the technical tightness of the two adapters is guaranteed during their use.
  • the sealing system comprises an apparatus, a component and a device according to the invention, wherein the component is preferably a pipeline with a flange or a connecting apparatus with a flange.
  • the device allows the component to be attached to the apparatus in a fluid-tight manner.
  • the sealing system comprises an apparatus, a component and a device according to the invention, wherein the apparatus has a flange, preferably an enamelled flange, the opening of which is surrounded by the non-planar sealing surface.
  • the component is preferably a pipeline with a flange or a connecting device with a flange.
  • Flanges are typically present on an apparatus and usually need to be sealed once operation is started.
  • the non-planar sealing surface of an enamelled flange can have particularly large deviations, since the enamelled layer on the flange can have large deviations in thickness and the flange can have deviations in shape and position in relation to the adapter due to manufacturing. Deviations in shape and position, the maximum surface profile height and/or the minimum surface profile height are determined in particular in accordance with DIN 28007-2:2017-04.
  • the coating of the apparatus and/or the component is preferably an oxide layer, in particular an enamelled layer.
  • the coating, in particular the enamelled layer preferably contains oxides of silicon, boron, sodium, potassium, cobalt, nickel and/or aluminum and optionally oxides of titanium, zirconium and/or molybdenum.
  • the coating, in particular the enamelled layer further preferably contains SiO2, B2O3, Na2O, K2O and/or Al2O3.
  • the sealing system comprises an apparatus and a device according to the invention, wherein the apparatus has a flange, preferably an enamelled flange, the opening of which is surrounded by the non-planar sealing surface.
  • the apparatus or the connecting apparatus is a stirring tank, a mixing apparatus, a column, a phase separator, a separator, a pipeline or a reactor, preferably a chemical reactor or a chemical reaction column, particularly preferably a chemical reaction column for production of acrylates.
  • a further subject of the invention is the use of the device or the sealing system according to one of the above corresponding embodiments by the Use in chemical processes, especially in processes for the production of acrylates or in processes in which acrylates occur.
  • the device should have increased chemical resistance to the chemical substances in order to avoid chemical decomposition of the adapter and/or the one or two flat seals.
  • a further subject of the invention is a method for producing a device according to the invention or a sealing system according to the invention, the method comprising the following steps:
  • a machining tool preferably by a CNC milling machine, particularly preferably a 5-axis CNC milling machine, whereby the data of the negative profile of the non-planar sealing surface of the CAD design via an interface, preferably a CAD/CAM interface is transmitted to the processing tool, whereby in the case of two non-planar sealing surfaces as support surfaces, the first surface profile for the first end face of the adapter and a second surface profile for a second end face of the adapter are produced by the processing tool, wherein the data of the two negative profiles of the two non-plane sealing surfaces of the CAD design are transmitted to the processing tool via the interface, and
  • the detection of the shape and position deviation of the at least one non-planar sealing surface from a first end face of the adapter is carried out in detail by a 3D scan, preferably a 3D laser scan implemented in such a way that there are one or more elevations on the device that define a reference system for the shape and position deviation of the non-planar sealing surface.
  • the elevations are preferably fitting screws, with exactly two fitting screws being particularly preferably mounted in a stationary manner on the apparatus.
  • the adapter comprises an outer lateral surface that adjoins the first end face to form an angle.
  • the same number of positioning elements are preferably fixed in place on the outer lateral surface of the adapter, the positioning elements each having a guide rail which is designed in such a way that when positioning the adapter on the first non-plane covered with the flat gasket Sealing surface of the apparatus, the respective guide rail is guided by an elevation, preferably a fitting screw, on the apparatus and the adapter thereby reaches its predetermined position.
  • the shape and position deviation of the non-planar sealing surface from the first end face of the adapter is determined by the 3D scan, whereby the shape and position deviation is not measured by the 3D scan -plane sealing surface is preferably visually exposed.
  • Transferring the measurement data into CAD software allows the negative profile to be created quickly and error-free.
  • the combination of the individual process steps makes it possible to establish a fully automated manufacturing process for producing the device.
  • a further subject of the invention is a method for producing a sealing system according to the invention, the method preferably comprising the following steps:
  • a machining tool preferably by a CNC milling machine, particularly preferably a 5-axis CNC milling machine, whereby the data of the negative profile of the non-planar sealing surface of the CAD design via an interface, preferably a CAD/CAM interface is transmitted to the processing tool, whereby in the case of two non-planar sealing surfaces as support surfaces, the first surface profile for the first end face of the adapter and a second surface profile for a second end face of the adapter are produced by the processing tool, whereby the data of the two negative profiles of the two non-plane sealing surfaces of the CAD design are transmitted to the processing tool via the interface.
  • a further subject of the invention is a method for producing an adapter for a device according to the invention or a sealing system according to the invention, the method comprising the following steps:
  • a processing tool preferably by a CNC milling machine, particularly preferably a 5-axis CNC milling machine, whereby the data of the negative profile of the non-planar sealing surface of the CAD design via an interface, preferably a CAD / CAM interface, to which the processing tool is transmitted and the blank is thereby processed into the adapter, in the case of two non-planar sealing surfaces as support surfaces, the first surface profile for the first end face of the blank and a second surface profile for a second End face of the blank is produced by the machining tool, the data of the two negative profiles of the two non-planar sealing surfaces of the CAD design being transmitted to the machining tool via the interface and the blank is thereby machined into the adapter.
  • Fig. 1 A first embodiment of a sealing system according to the invention with an adapter and a component, the adapter being positionable on a non-plane sealing surface of an apparatus.
  • Fig. 2 A second embodiment of a sealing system according to the invention with an adapter in the form of a cover, the adapter being positionable on a non-plane sealing surface of an apparatus.
  • Fig. 3 A third embodiment of a sealing system according to the invention with a two-sided adapter, wherein the adapter has a first end face with a first surface profile and a second end face with a second surface profile and can be positioned so that it enables a component to be connected to an apparatus.
  • Fig. 4 The measured surface profile of the non-planar sealing surface for the flange from Example 1 in the form of a smoothed two-dimensional representation.
  • Fig. 5 The measured surface profile of the non-planar sealing surface for the flange from Example 2 in the form of a two-dimensional representation.
  • Fig. 6 Further details of the first embodiment of the sealing system according to the invention according to Fig. 1.
  • Fig. 7 Further details of the second embodiment of the sealing system according to the invention according to Fig. 2.
  • Fig. 8 Further details of the third embodiment of the sealing system according to the invention according to Fig. 3.
  • locking tab 1 shows a first embodiment of a sealing system according to the invention with an exemplary embodiment of a device according to the invention, an apparatus 1 and a component 12.
  • Fig. 1 On the left side of Fig. 1 a section along the longitudinal axis of the sealing system is shown, whereas on the right side of Fig. 1 an enlarged area of the section is shown in the vicinity of a positioning element 9, in the left illustration as detail "B" designated. For clarity, the individual parts are shown at a distance from each other in an unstressed state.
  • An adapter 4 is positioned on a non-planar sealing surface 3 of the apparatus 1 covered with a flat gasket 8, with an opening 2 of the apparatus 1 being surrounded by the non-planar sealing surface 3. Furthermore, on the opposite side of the adapter 4, a component 12 is positioned on the adapter 4, which is covered with a further flat gasket 8.
  • the adapter 4 is also equipped with a first end face 5 as a support surface, which has a first surface profile 6 that corresponds to the precisely fitting negative profile of the non-planar sealing surface 3. Furthermore, the adapter 4 has an outer lateral surface 7 which adjoins the first end face 5 to form an angle and two opposing positioning elements 9, which are each fixed in place on the outer lateral surface 7 of the adapter 4.
  • the positioning elements 9 each have a guide rail 10, which is designed such that when positioning the adapter 4 on the first non-plane sealing surface 3 of the apparatus 1 covered with the flat gasket 8, the respective guide rail 10 is guided by a fitting screw 11 on the apparatus 1 and thereby the adapter 4 reaches its predetermined position.
  • the guide rail 10 contains a locking tab 13 which is provided with an elongated hole.
  • FIG. 2 shows a second embodiment of a sealing system according to the invention with an exemplary embodiment of a device according to the invention and an apparatus 1.
  • a section along the longitudinal axis of the sealing system is shown, whereas on the right side of Fig. 2 an enlarged area of the section is shown in the vicinity of a positioning element 9, in the left illustration as detail "B" designated.
  • a positioning element 9 in the left illustration as detail "B" designated.
  • the individual parts are shown at a distance from each other in an unstressed state.
  • An adapter 4 is positioned on a non-planar sealing surface 3 of the apparatus 1 covered with a flat gasket 8, with an opening 2 of the apparatus 1 being surrounded by the non-planar sealing surface 3.
  • the adapter 4 is a lid.
  • the adapter 4 is also equipped with a first end face 5 as a support surface, which has a first surface profile 6 that corresponds to the precisely fitting negative profile of the non-planar sealing surface 3.
  • the adapter 4 has an outer lateral surface 7 which adjoins the first end face 5 to form an angle and two opposing positioning elements 9, which are each fixed in place on the outer lateral surface 7 of the adapter 4.
  • the positioning elements 9 each have a guide rail 10, which is designed such that when positioning the adapter 4 on the first non-plane sealing surface 3 of the apparatus 1 covered with the flat gasket 8, the respective guide rail 10 is guided by a fitting screw 11 on the apparatus 1 and thereby the adapter 4 reaches its predetermined position.
  • the guide rail 10 contains a locking tab 13 which is provided with an elongated hole.
  • FIG 3 shows a third embodiment of a sealing system according to the invention with an exemplary embodiment of a device according to the invention, an apparatus 1 and a component 12.
  • a section is shown along the longitudinal axis of the sealing system, whereas on the right side of Fig. 3 an enlarged area of the section is shown in the vicinity of a positioning element 9, in the left illustration as detail "B" designated.
  • a positioning element 9 in the left illustration as detail "B" designated.
  • the individual parts are shown at a distance from each other in an unstressed state.
  • An adapter 4 is positioned on a non-planar sealing surface 3 of the apparatus 1 covered with a flat gasket 8, with an opening 2 of the apparatus 1 being surrounded by the non-planar sealing surface 3.
  • a component 12 is positioned on a non-planar sealing surface 3 'covered with a flat gasket 8, the adapter 4 having a first and a second end face 5, 5' with corresponding surface profiles 6, 6', in order to be able to connect the component 12 to the apparatus 1.
  • the adapter 4 has an outer lateral surface 7 which adjoins the first end face 5 to form an angle and two opposing positioning elements 9, which are each fixed in place on the outer lateral surface 7 of the adapter 4.
  • the positioning elements 9 each have a guide rail 10, which is designed such that when positioning the adapter 4 on the first non-plane sealing surface 3 of the apparatus 1 covered with the flat gasket 8, the respective guide rail 10 is guided by a fitting screw 11 on the apparatus 1 and thereby the adapter 4 reaches its predetermined position.
  • the guide rail 10 contains a locking tab 13 which is provided with an elongated hole. 6 shows further details of the first embodiment of the sealing system according to the invention according to FIG Sectional drawing of the sealing system according to Fig. 1 is shown.
  • the guide rail 10, fitting screw 11, lateral surface 7 and locking tab 13 associated with the sealing system are also shown in the lower area of the figure.
  • FIG. 7 shows further details of the second embodiment of the sealing system according to the invention according to FIG Sectional drawing of the sealing system according to Fig. 2 is shown.
  • the guide rail 10, fitting screw 11, lateral surface 7 and locking tab 13 associated with the sealing system are also shown in the lower area of the figure.
  • FIG. 8 shows further details of the third embodiment of the sealing system according to the invention according to FIG Sectional drawing of the sealing system according to FIG. 3 is shown.
  • the guide rail 10, fitting screw 11, lateral surface 7 and locking tab 13 associated with the sealing system are also shown in the lower area of the figure
  • the measured surface profile 6 of the non-planar sealing surface 3 is shown in FIG 4 is shown.
  • the individual numerical values shown on the surface profile 6 are measured in millimeter units. As can be seen from Fig. 4, the maximum surface profile height is 3.6 mm and the minimum surface profile height is - 4.3mm. The maximum and minimum values are increasingly located in the edge areas of the surface profile 6 of the non-planar sealing surface 3.
  • the adapter 4 was positioned with the respective flat gasket 8 on the non-plane sealing surface 3 of the flange and then clamped.
  • the tension corresponded to an assembly tightening torque of 75 Nm intended for the nominal width DN 50.
  • the coefficient of friction p was 0.13.
  • Example 1 shows that the flat seals 8 can adapt sufficiently when the adapter 4 is pressed with the non-planar sealing surface 3 and mechanical integrity can thereby be ensured. Mechanical integrity is a basic requirement for a reliable seal.
  • Example 2 shows that the flat seals 8 can adapt sufficiently when the adapter 4 is pressed with the non-planar sealing surface 3 and mechanical integrity can thereby be ensured. Mechanical integrity is a basic requirement for a reliable seal.
  • FIG. 2 corresponds to the sealing system of this example.
  • the experimental apparatus represents the apparatus 1 and the corresponding surface of the flange, the non-plane sealing surface 3 of the apparatus 1.
  • the adapter 4 was made from steel EN 1.4541.
  • the nominal width of the glass-lined flange was DN50, with the glass-lined flange having a non-planar sealing surface 3.
  • the shape and position deviation of the non-planar sealing surface 3 from the first end face 5 of the adapter 4 was first determined by a 3D laser scan.
  • the measurement data from the 3D scan was transferred to CAD software.
  • a reconstruction of the adapter 4 was then calculated as a CAD design, with the negative profile of the at least one non-plane sealing surface 3 being created for the reconstruction of the adapter.
  • the CAD design data was then transferred to a CNC milling machine through a CAD/CAM interface, whereby the CNC milling machine was able to generate the precisely fitting negative profile of the non-planar sealing surface 3 on the first end face 5 of the adapter 4.
  • the measured surface profile 6 of the non-planar sealing surface 3 is shown in FIG. 5 is shown.
  • the individual numerical values shown on the surface profile 6 are measured in millimeter units. As can be seen from Fig. 5, the maximum surface profile height is 0.2 mm and the minimum surface profile height is -0.4 mm. The maximum and minimum values are increasingly located on the edge areas of the surface profile 6 of the non-planar sealing surface 3.
  • a test device with a vacuum-tight hood was used, whereby the space around the flange was measured by a helium mass spectrometer was evacuated. From the bottom of the test device, helium at room temperature was fed into the opening 2 of the flange as a test medium. An overpressure of 10 bar was set. The leakage rate was determined using a helium mass spectrometer. The measured leakage rates for the tested seals are shown in Table 2.
  • the measured leakage rates from Table 2 show, in comparison to the common PTFE seal Gylon Style 3504E, that the tightness is at a comparable level by using the examined flat seals 8 Sigraflex and PFA.
  • the permissible leakage rate for leakage class 0.01 under the TA-Luft standard condition corresponds to a leakage rate of 1*10' 2 mg / (s*m), whereby the TA-Luft standard condition is given by the technical instructions for keeping the air clean, which New version in the first general administrative regulation for the Federal Immission Control Act is available at the Federal Environment Agency: https://www.umweltbundetics.de/ (accessed on July 4, 2022).
  • Example 2 shows that reliable technical tightness when sealing a non-planar sealing surface 3 is achieved by the shown embodiments of the device according to the invention and the sealing system according to the invention.
  • An exemplary embodiment of the method for producing the device according to the invention was used and successfully implemented.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur passgenauen Abdichtung einer von einer nicht- planen Dichtfläche (3) umgebenen Öffnung (2) eines Apparats (1) umfassend einen Adapter (4) mit einer ersten Stirnfläche (5) als Auflagefläche, die ein erstes Oberflächenprofil (6) aufweist, das dem passgenauen Negativprofil der nicht-planen Dichtfläche (3) entspricht, und zumindest eine Flachdichtung (8), die zwischen der nicht-planen Dichtfläche (3) des Apparats (1) und der ersten Stirnfläche (5) des Adapters (4) angeordnet ist. Ferner betrifft die Erfindung ein Dichtsystem mit solch einer Vorrichtung, eine Verwendung solch einer Vorrichtung, ein Verfahren zur Herstellung solch einer Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Adapters (4) für solch eine Vorrichtung.

Description

Vorrichtung zur passgenauen Abdichtung einer von einer nicht-planen Dichtfläche umgebenen Öffnung eines Apparats
Beschreibung
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur passgenauen Abdichtung einer von einer nicht- planen Dichtfläche umgebenen Öffnung eines Apparats umfassend einen Adapter mit einer ersten Stirnfläche als Auflagefläche, die ein erstes Oberflächenprofil aufweist, das dem passgenauen Negativprofil der nicht-planen Dichtfläche entspricht. Ferner betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur passgenauen Abdichtung einer von einer nicht-planen Dichtfläche umgebenen Öffnung eines Apparats umfassend einen Adapter mit einer ersten Stirnfläche als Auflagefläche, die ein erstes Oberflächenprofil aufweist, wobei das erste Oberflächenprofil unregelmäßig ist.
Es ist im Allgemeinen bekannt, dass Abdichtungen einer von einer nicht-planen Dichtfläche umgebenen Öffnung eines Apparats existieren. So gibt es beispielsweise ringförmige Abdichtungselemente, die in der Regel als Standardprodukte in einer Massenfertigung hergestellt werden. In der Regel sind die Dichtungs- und Flanschmaße von ringförmigen Dichtungen und Flanschen Gegenstand entsprechender Normungen. In der Regel werden Flachdichtungen als Flanschdichtungsringe verwendet. Ein wesentliches Kriterium bei der Verwendung eines Flanschdichtungsrings bzw. eines zugeordneten Flansches ist die an den Dichtflächen wirkende Flächenpressung, die abhängig von dem abdichtenden Material in geeigneter Weise eingestellt werden muss. Bei einer zu hohen Flächenpressung besteht grundsätzlich die Gefahr einer Zerstörung des Flanschdichtungsrings, wobei die Dichtungswirkung bei einer zu niedrigen Flächenpressung unzureichend ist. Zudem können Abdichtungen auch harschen chemischen Bedingungen ausgesetzt sein, sodass auch die chemische Beständigkeit der Abdichtung von großer Bedeutung ist.
Das Dokument DE 102013 002 753 B3 offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines Dichtungselementes zur Abdichtung einer Verbindung von zwei Flanschen, von denen wenigstens einer eine nicht-plane Dichtfläche aufweist, wobei an einer Vielzahl von in Umfangsrichtung wenigstens eines Flansches liegenden Umfangspositionen, die in einer Richtung senkrecht zur Umfangstangente, insbesondere in einer radialen Richtung hintereinander liegen, ein jeweiliger Abstandswert zwischen den einander gegenüberliegenden Dichtflächen der Flansche bestimmt wird und aus den mehreren Abstandswerten jeder Umfangsposition ein einziger Dickenwert ermittelt wird und in Abhängigkeit aller von der Umfangsposition abhängiger Dickenwerte ein Dichtungselement gefertigt wird, welches eine von der Umfangsposition abhängige Dicke aufweist, die an jeder zu den Flanschen korrespondierenden Umfangspositionen in einer Richtung senkrecht zur Umfangstangente, insbesondere in radialer Richtung konstant ist und dem ermittelten Dickenwert der jeweiligen Umfangsposition entspricht.
Ein Nachteil dieser Umsetzung ist es, dass bei signifikanten Abweichungen des Abstandswerts in senkrechter Richtung zur Umfangstangente keine Dichtheit in der Regel erreicht werden kann, da nur ein Dickenwert pro Umfangsposition in radialer Richtung beachtet wird. Zudem kann das Dichtelement durch physikalische oder chemische Beanspruchungen verschleißen oder ermüden, wodurch ein neues Dichtelement aufwendig gefertigt und montiert werden muss.
Das Dokument DE 102011056835 B4 offenbart einen Flanschdichtungsring mit einem ringförmigen metallischen Grundkörper und mit Dichtflächen, die von Abschnitten des Grundkörpers gebildet sind, wobei der metallische Grundkörper zumindest dreiteilig aus einem Oberteil, einem Unterteil und einem Zwischenteil gebildet ist und das Zwischenteil zumindest einen Hohlraum aufweist, in dem ein nicht-elektrischer Drucksensor eingesetzt ist, wobei der Drucksensor an beiden Seiten des Zwischenteils von dem Oberteil sowie dem Unterteil verdeckt angeordnet und gegenüber einem Innenumfang des Flanschdichtungsrings abgedichtet ist. Hierbei ermittelt der Drucksensor einen lokalen Druck innerhalb des Flanschdichtungsrings, wodurch die lokale Flächenpressung am Drucksensor ermittelt werden kann.
Ein Nachteil dieser Umsetzung ist es, dass bei signifikanten Abweichungen des Abstandswerts in radialer und/oder senkrechter Richtung zur Umfangstangente keine Dichtheit erreicht werden kann, auch wenn die Flächenpressung durch den Drucksensor optimal eingestellt werden kann.
Es stellten sich daher die Aufgaben, eine Vorrichtung zur Abdichtung einer nicht-planen Dichtfläche bereitzustellen, die bei einer chemischen Zersetzung, einem signifikanten Verschleiß oder einer Materialermüdung einfach, schnell, kostengünstig und ohne signifikante Lageabweichung austauschbar ist. Eine weitere Aufgabe war es, dass bei einer Reparatur der Vorrichtung die in der Regel benötigten Ersatzteile einfach, schnell und kostengünstig bereitgestellt werden können. Eine zusätzliche Aufgabe war es, eine Vorrichtung zur zuverlässigen Abdichtung einer nicht-planen Dichtfläche bereitzustellen, auch wenn die Abstandswerte in radialer und/oder senkrechter Richtung zur Umfangstangente der nicht- planen Dichtflächen signifikant abweichen sollten. Hierbei ist die Sicherstellung der mechanischen Integrität eine Grundvoraussetzung für eine zuverlässige Abdichtung.
Diese Aufgaben werden gemäß der vorliegenden Erfindung durch eine Vorrichtung zur passgenauen Abdichtung nach Anspruch 1 oder 2, durch ein Dichtsystem nach Anspruch 11, durch eine Verwendung der Vorrichtung nach Anspruch 17, durch ein Verfahren zur Herstellung der Vorrichtung oder des Dichtsystems nach Anspruch 18 und durch ein Verfahren zur Herstellung eines für die Vorrichtung geeigneten Adapters nach Anspruch 19 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der Vorrichtung sind in den Ansprüchen 3 bis 10 und vorteilhafte Ausführungsformen des Dichtsystems sind in den Ansprüchen 12 bis 16 gegeben.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur passgenauen Abdichtung einer von einer nicht-planen Dichtfläche umgebenen Öffnung eines Apparats umfasst einen Adapter mit einer ersten Stirnfläche als Auflagefläche, die ein erstes Oberflächenprofil aufweist, das dem passgenauen Negativprofil der nicht-planen Dichtfläche entspricht oder unregelmäßig ist, und zumindest eine Flachdichtung, die zwischen der nicht-planen Dichtfläche des Apparats und der ersten Stirnfläche des Adapters angeordnet ist.
Daraus ergibt sich der Vorteil, dass wegen des passgenauen Negativprofils beziehungsweise des unregelmäßigen Oberflächenprofils lokal keine zu großen Flächenpressungen erreicht werden, die zu einer physikalischen Beschädigung der Flachdichtung führen würden. Die zwischen dem Adapter und der nicht-planen Dichtfläche angeordnete Flachdichtung kann somit auf ihrer gesamten Fläche mit einer homogenen und für den jeweiligen Dichtungstyp geeigneten Flächenpressung verpresst werden, sodass infolgedessen eine technisch dichte Dichtfläche realisiert werden kann. Zudem ist die Flachdichtung leicht kommerziell verfügbar, da diese keiner speziellen Anfertigung für die nicht-plane Dichtfläche unterliegt.
Der Begriff „Apparat“ ist in dieser Schrift als allgemeine Bezeichnung für ein aus mehreren Bauteilen zusammengesetztes technisches Gerät zu verstehen, welches bestimmte Funktionen erfüllt. Somit kann ein „Apparat“ beispielhaft ein Mischer, eine Kolonne, ein Reaktor oder ein Wärmeübertrager sein.
Unter dem Begriff „nicht-plane Dichtfläche“ wird in dieser Schrift eine unebene, dreidimensionale Fläche verstanden, die mit einer entsprechenden Vorrichtung oder einem entsprechenden Bauteil so verbunden werden kann, dass eine technische Dichtheit erreicht wird und somit kein oder nur ein unwesentlicher Mengenstrom an Fluid bei der nicht-planen Dichtfläche austreten kann. Hierbei kann ein unwesentlicher Mengenstrom an austretendem Fluid als der Mengenstrom verstanden werden, der durch die Normbedingung TA-Luft maximal zulässig ist. Die Normbedingung TA-Luft ist durch die technische Anleitung zur Reinhaltung der Luft gegeben, deren Neufassung in der ersten allgemeinen Verwaltungsvorschrift zum Bundes- Immissionsschutzgesetz beim Umweltbundesamt: https://www.umweltbundesanit.de/ (abgerufen am 4.07.2022) zugänglich ist.
Der Apparat weist bevorzugt zumindest teilweise eine Beschichtung auf. Weiter bevorzugt ist die Beschichtung eine emaillierte Schicht. Die nicht-plane Dichtfläche ist insbesondere an der Beschichtung ausgebildet. Der Apparat weist insbesondere eine emaillierte Schicht auf und weiter bevorzugt ist die nicht-plane Dichtfläche an der emaillierten Schicht ausgebildet. Die nicht- plane Dichtfläche entsteht insbesondere herstellungsbedingt durch Bildung oder Aufbringung der Beschichtung. So ist die nicht-plane Dichtfläche insbesondere eine Oberfläche eines beschichteten, insbesondere eines emaillierten, Apparats.
In dieser Schrift wird unter dem Begriff „Öffnung eines Apparats“ beispielhaft ein Mannloch eines Apparats oder die von einem Flansch umgebene Öffnung eines Apparats verstanden.
Der Begriff „Adapter“ ist in dieser Schrift als ein Bauteil zu verstehen, das auf einer mit einer Flachdichtung belegten Dichtfläche positioniert werden kann, um nach dem Verpressen des Adapters mit der Dichtfläche eine technische Dichtheit erzielen zu können.
In dieser Schrift wird unter dem Begriff „Oberflächenprofil“ beispielsweise die geometrische Oberfläche der abzudichtenden nicht-planen Dichtfläche verstanden. Das erste Oberflächenprofil ist insbesondere unregelmäßig. So weist das erste Oberflächenprofil insbesondere Erhöhungen und Vertiefungen auf, wobei die Erhöhungen und Vertiefungen bevorzugt unterschiedlich von einem mittleren Niveau des ersten Oberflächenprofils abweichen. Weiterhin weisen benachbarte Erhöhungen und/oder Vertiefungen bevorzugt unterschiedliche Abstände zueinander auf. Eine Differenz zwischen einer maximalen Oberflächenprofilhöhe und einer minimalen Oberflächenprofilhöhe beträgt bevorzugt weniger als 10 mm, weiter bevorzugt weniger als 7 mm. Das erste Oberflächenprofil ist typischerweise durch die Oberfläche der Beschichtung des Apparats bestimmt. So ist das erste Oberflächenprofil insbesondere durch Bildung oder Aufbringung der Beschichtung des Apparats bedingt.
Unter dem Begriff „Negativprofil“ wird in dieser Schrift ein berechnetes Oberflächenprofil verstanden, das dem gespiegelten Oberflächenprofil der abzudichtenden nicht-planen Dichtfläche entspricht. Somit entsprechen die Höhen im Negativprofil den Tiefen im Oberflächenprofil und umgekehrt. Dieses berechnete Negativprofil kann dann durch ein Bearbeitungswerkzeug, wie beispielhaft eine CNC-Fräsmaschine, auf einer Stirnfläche eines Adapters erstellt werden. Nach der Bearbeitung entspricht somit das Oberflächenprofil dieser Stirnfläche dem berechneten Negativprofil unter Beachtung der Mess- und Fertigungstoleranzen.
Der Begriff „Flachdichtung“ ist in dieser Schrift als eine Dichtung zu verstehen, die beispielhaft im Maschinen-, Apparate- und Rohrleitungsbau als Dichtelement zwischen zwei Flanschen eines Bauteils oder eines Apparats eingebaut werden kann. Typischerweise ist eine Flachdichtung ringförmig, bevorzugt kreisrund. Auf die Flachdichtung wirken vor allem Druck, Temperatur und das abzudichtende Fluid. Zu berücksichtigen sind in der Regel die chemischen und physikalischen Beanspruchungen.
Der Begriff „Auflagefläche“ ist in dieser Schrift beispielhaft als eine Fläche oder als eine Stützfläche zu verstehen, auf die zum Beispiel eine Flachdichtung gelegt werden kann.
Die Passgenauigkeit des passgenauen Negativprofils kann beispielhaft durch das bestimmte Integral F der Stammfunktion f(r, phi) gegeben sein: F = $Af(r,phi) dA, wobei dA das Oberflächenelement ist und die Integration über die Stirnfläche A des Adapters erfolgt. Die Stammfunktion bestimmt die Beträge der einzelnen lokalen Spalthöhen, die sich zwischen der nicht-planen Dichtfläche und der Stirnfläche des Adapters ergeben, wenn der Adapter auf der nicht-planen Dichtfläche positioniert ist, wobei die jeweiligen Orte der einzelnen lokalen Spalthöhen durch die radiale Koordinate r und die Umfangskoordinate phi definiert sind. Innerhalb der Stammfunktion wird von den einzelnen lokalen Spalthöhen bevorzugt noch die Dicke der Flachdichtung abgezogen, um die Passgenauigkeit so zu berechnen, als ob der Adapter ohne Flachdichtung auf die nicht-plane Dichtfläche positioniert sei. Durch die Integration des bestimmten Integrals F über die Stirnfläche A des Adapters kann der Wert der Passgenauigkeit berechnet werden.
In einem weiteren Beispiel zur Berechnung des Werts der Passgenauigkeit beträgt der Wert der Passgenauigkeit die maximal auftretende lokale Spalthöhe, die sich zwischen der nicht-planen Dichtfläche und der Stirnfläche des Adapters ergibt, wenn der Adapter auf der nicht-planen Dichtfläche positioniert ist. Hierbei kann vorzugsweise von der maximalen lokalen Spalthöhe noch die Dicke der Flachdichtung abgezogen, um den Wert der Passgenauigkeit so zu berechnen, als ob der Adapter ohne Flachdichtung auf die nicht-plane Dichtfläche positioniert sei.
Der Wert der Passgenauigkeit wird hauptsächlich durch die Fertigungstoleranzen bei der Herstellung des Adapters und/oder durch die Messgenauigkeit der Vermessung der nicht- planen Dichtfläche eines Apparats und/oder durch die Genauigkeit der Positionierung des Adapters geprägt. Der maximal zulässige Wert für die Passgenauigkeit ist für jeden Anwendungsfall spezifisch. Dabei können die Art der Flachdichtungen, das Material der Flachdichtungen, die Größe der nicht-planen Dichtfläche den maximal zulässigen Wert für die Passgenauigkeit beeinflussen.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Adapter aus einem Metall oder einer Metalllegierung oder aus verschiedenen Metallen oder Metalllegierungen gefertigt. Bevorzugt werden nichtrostende austenitische, superaustenitische oder austenitisch-ferritische Stähle oder Nickelbasislegierungen.
Dies bietet den Vorteil, dass der Adapter eine größere Härte als die Flachdichtung aufweist und dadurch das Oberflächenprofil des passgenauen Negativprofils auf dem Adapter auch während der Abdichtung erhalten bleibt und sich die Flachdichtung im Wesentlichen nur verformt. Zudem weist der Adapter eine hohe Festigkeit auf, die hohe Flächenpressungen zulässt und eine längere Lebensdauer verspricht. Eine lange Lebensdauer kann zudem durch die Verwendung eines ausreichend korrosionsbeständigen Materials, wie eines Metalls oder einer Metalllegierung, erreicht werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform enthält die Flachdichtung zumindest teilweise Grafit oder zumindest teilweise Perfluoralkoxy-Polymere (PFA). Diese Materialien sind insbesondere bei chemischen Verfahren zu bevorzugen, da sie eine hohe chemische Beständigkeit gegenüber beispielsweise säurehaltigen Substanzen aufweisen.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Vorrichtung zur passgenauen Abdichtung mit Flachdichtungen aus Grafit mit Spießblech oder Streckmetalleinlagen oder mit Flachdichtungen aus PFA ausgestattet. Dadurch werden geeignete Flachdichtungen eingesetzt, die in Kombination mit dem Adapter im Einsatz standhalten können, weil das Material der Flachdichtung eine ausreichende Verformungsfähigkeit zur Anpassung an das Oberflächenprofil des Adapters und an das Oberflächenprofil der nicht-planen Dichtfläche aufweist.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der Adapter eine sich unter Bildung eines Winkels an die erste Stirnfläche anschließende äußere Mantelfläche, an der mindestens zwei Positionierelemente ortsfest fixiert sind. Die Positionierelemente weisen jeweils eine Führungsschiene auf, die derart ausgelegt ist, dass beim Positionieren des Adapters auf die mit der Flachdichtung bedeckte erste nicht-plane Dichtfläche des Apparats die jeweilige Führungsschiene von einer Erhebung am Apparat, bevorzugt von einer Passschraube am Apparat, geführt wird und dadurch der Adapter seine vorbestimmte Position erreicht. Daraus ergibt sich der Vorteil, dass eine radiale Verschiebung oder eine Verschiebung in Umfangsrichtung bei der Positionierung vermieden wird. Dadurch kann der Adapter möglichst einfach in seine vorgesehene Position in Relation zur nicht-planen Dichtfläche positioniert werden, so dass im Anwendungsfall eine passgenaue Abdichtung der von der nicht-planen Dichtfläche umgebenen Öffnung des Apparats einfach erreicht wird. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Führungsschiene modular, damit diese wieder nach der Positionierung entfernt werden kann. Dadurch können dann nach der Positionierung beispielsweise Klemmbügelschrauben zur Verspannung der Vorrichtung mit der nicht-planen Dichtfläche des Apparats störungsfrei verwendet werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform enthält die Führungsschiene eine Arretierlasche, die bevorzugt ein Langloch umfasst. Damit wird eine einfach umzusetzende Konstruktion ermöglicht, die auch eine einfache und eine hinreichende genaue Positionierung zulässt.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das jeweilige Positionierelement mit mindestens einem Befestigungselement, bevorzugt einer Schraube, besonders bevorzugt einer Passschraube, an die äußere Mantelfläche des Adapters ortsfest fixiert, oder die äußere Mantelfläche des Adapters weist je Positionierelement eine Nut auf und das Positionierelement umfasst mindestens eine Schraube und eine Feder, wobei die jeweilige Feder in die jeweilige Nut der äußeren Mantelfläche des Adapters passt, und die Schraube die Nut mit der Feder ortsfest fixiert. Dadurch wird eine sehr präzise Fixierung des Adapters mit der nicht-planen Dichtfläche gewährleistet. Vorzugsweise kann die Nut eine mehrkantige Nut sein, wie beispielsweise eine dreikantige Nut oder eine vierkantige Nut.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Adapter ein Deckel, bevorzugt ein Mannloch oder ein Blinddeckel.
In einer bevorzugten Ausführungsform hat der Adapter eine zweite Stirnfläche als weitere Auflagefläche, die sich auf der gegenüberliegenden Seite der ersten Stirnfläche befindet und ein zweites Oberflächenprofil aufweist, wobei das zweite Oberflächenprofil des Adapters dem passgenauen Negativprofil einer an einem Bauteil angeordneten, eine Öffnung umgebenden Dichtfläche entspricht, und wobei die Vorrichtung zumindest eine weitere Flachdichtung enthält, die zwischen der Dichtfläche des Bauteils und der zweiten Stirnfläche des Adapters angeordnet ist. Das zweite Oberflächenprofil ist insbesondere unregelmäßig. So weist das zweite Oberflächenprofil insbesondere Erhöhungen und Vertiefungen auf, wobei die Erhöhungen und Vertiefungen bevorzugt unterschiedlich von einem mittleren Niveau des zweiten Oberflächenprofils abweichen. Weiterhin weisen benachbarte Erhöhungen und/oder Vertiefungen bevorzugt unterschiedliche Abstände zueinander auf. Eine Differenz zwischen einer maximalen Oberflächenprofilhöhe und einer minimalen Oberflächenprofilhöhe beträgt bevorzugt weniger als 10 mm, weiter bevorzugt weniger als 7 mm. Das Bauteil weist bevorzugt zumindest teilweise eine Beschichtung auf. Weiter bevorzugt ist die Beschichtung eine emaillierte Schicht. Die an dem Bauteil angeordnete, eine Öffnung umgebende Dichtfläche ist insbesondere an der Beschichtung ausgebildet. Das Bauteil weist insbesondere eine emaillierte Schicht auf und weiter bevorzugt ist die an dem Bauteil angeordnete, eine Öffnung umgebende Dichtfläche an der emaillierten Schicht ausgebildet. Die an dem Bauteil angeordnete, eine Öffnung umgebende Dichtfläche entsteht insbesondere herstellungsbedingt durch Bildung oder Aufbringung der Beschichtung. So ist die an dem Bauteil angeordnete, eine Öffnung umgebende Dichtfläche insbesondere eine Oberfläche eines beschichteten, insbesondere eines emaillierten, Bauteils.
Das zweite Oberflächenprofil ist typischerweise durch die Oberfläche der Beschichtung des Bauteils bestimmt. So ist das zweite Oberflächenprofil insbesondere durch Bildung oder Aufbringung der Beschichtung des Bauteils bedingt. Bevorzugt ist das erste Oberflächenprofil und/oder das zweite Oberflächenprofil unregelmäßig.
Insbesondere hat der Adapter eine zweite Stirnfläche als weitere Auflagefläche, die sich auf der gegenüberliegenden Seite der ersten Stirnfläche befindet und ein zweites Oberflächenprofil aufweist, wobei das zweite Oberflächenprofil unregelmäßig ist, und wobei die Vorrichtung zumindest eine weitere Flachdichtung enthält, die zwischen der Dichtfläche des Bauteils und der zweiten Stirnfläche des Adapters angeordnet ist.
Diese bevorzugten Ausführungsformen ermöglichen eine zweiseitige Abdichtung durch einen Adapter, der auf beiden seiner Stirnflächen ein jeweiliges Negativprofil der nicht-planen Dichtfläche aufweist. Dadurch können beispielsweise zwei Rohrleitungen miteinander verbunden werden.
In einer alternativen und bevorzugten Ausführungsform werden zwei Adapter für zwei Bauteile verwendet, um beispielsweise zwei Rohrleitungen, zwei Apparateflansche oder eine Rohrleitung mit einem Apparat verbinden zu können. Jeweils ein Adapter wird für ein Bauteil verwendet, um die am jeweiligen Bauteil angeordnete, eine Öffnung umgebende Dichtfläche abzudichten. Zwischen den beiden Adaptern wird dann bevorzugt eine zusätzliche Dichtung eingelegt, damit die technische Dichtheit über die beiden Adapter während ihrer Verwendung gewährleistet bleibt.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Dichtsystem umfassend einen Apparat und eine erfindungsgemäße Vorrichtung. In einer ersten bevorzugten Ausführungsform umfasst das Dichtsystem einen Apparat, ein Bauteil und eine erfindungsgemäße Vorrichtung, wobei das Bauteil bevorzugt eine Rohrleitung mit einem Flansch oder ein Anschlussapparat mit einem Flansch ist. Durch die Vorrichtung kann das Bauteil fluiddicht an den Apparat angebracht werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst das Dichtsystem einen Apparat, ein Bauteil und eine erfindungsgemäße Vorrichtung, wobei der Apparat einen Flansch, bevorzugt einen emaillierten Flansch, aufweist, dessen Öffnung von der nicht-planen Dichtfläche umgeben ist. Hierbei ist das Bauteil bevorzugt eine Rohrleitung mit einem Flansch oder ein Anschlussapparat mit einem Flansch.
Flansche sind typischerweise bei einem Apparat vorhanden und sind in der Regel abzudichten, sobald der Betrieb gestartet wird. Die nicht-plane Dichtfläche eines emaillierten Flanschs kann besonders große Abweichungen aufweisen, da die emaillierte Schicht auf dem Flansch große Dickenabweichungen und der Flansch fertigungsbedingt Form- und Lageabweichungen in Relation zum Adapter aufweisen kann. Form- und Lageabweichungen, die maximale Oberflächenprofilhöhe und/oder die minimale Oberflächenprofilhöhe werden jeweils insbesondere gemäß DIN 28007-2:2017-04 bestimmt.
Die Beschichtung des Apparats und/oder des Bauteils ist bevorzugt eine Oxidschicht, insbesondere eine emaillierte Schicht. Die Beschichtung, insbesondere die emaillierte Schicht, enthält bevorzugt Oxide von Silicium, Bor, Natrium, Kalium, Cobalt, Nickel und/oder Aluminium und gegebenenfalls Oxide von Titan, Zirconium und/oder Molybdän. Die Beschichtung, insbesondere die emaillierte Schicht, enthält weiter bevorzugt SiÜ2, B2O3, Na2Ü, K2O und/oder AI2O3.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst das Dichtsystem einen Apparat und eine erfindungsgemäße Vorrichtung, wobei der Apparat einen Flansch, bevorzugt einen emaillierten Flansch, aufweist, dessen Öffnung von der nicht-planen Dichtfläche umgeben ist.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Dichtsystems ist der Apparat oder der Anschlussapparat ein Rührbehälter, ein Mischapparat, eine Kolonne, ein Phasenscheider, ein Abscheider, eine Rohrleitung oder ein Reaktor, bevorzugt ein chemischer Reaktor oder eine chemische Reaktionskolonne, besonders bevorzugt eine chemische Reaktionskolonne zur Herstellung von Acrylaten.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist die Verwendung der Vorrichtung oder des Dichtsystems gemäß einer der vorstehenden, entsprechenden Ausführungsformen durch den Einsatz in chemischen Verfahren, insbesondere in Verfahren zur Herstellung von Acrylaten oder in Verfahren, bei denen Acrylate vorkommen. Bei solchen Verwendungen sollte die Vorrichtung eine erhöhte chemische Beständigkeit gegenüber den chemischen Substanzen aufweisen, um eine chemische Zersetzung des Adapters und/oder der einen bzw. der beiden Flachdichtungen zu vermeiden.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung oder eines erfindungsgemäßen Dichtsystems, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:
• Bereitstellen zumindest einer von einer nicht-planen Dichtfläche umgebenen Öffnung eines Apparats, einer Flachdichtung und eines Adapters,
• Erfassen der Form- und Lageabweichung der zumindest einen nicht-planen Dichtfläche von einer ersten Stirnfläche des Adapters durch einen 3D-Scan, bevorzugt einen 3D-Laserscan,
• Nachkonstruktion des Adapters als CAD-Design basierend auf den Messdaten des 3D- Scan, wobei für die Nachkonstruktion des Adapters das Negativprofil der zumindest einen nicht-planen Dichtfläche erstellt wird und im Fall von zwei nicht-planen Dichtflächen als Auflageflächen jeweils ein Negativprofil für die beiden nicht-planen Dichtflächen erstellt werden,
• Herstellen eines ersten Oberflächenprofils auf der ersten Stirnfläche des Adapters durch ein Bearbeitungswerkzeug, bevorzugt durch eine CNC-Fräsmaschine, besonders bevorzugt eine 5-Achsen CNC-Fräsmaschine, wobei die Daten des Negativprofils der nicht-planen Dichtfläche des CAD-Designs über eine Schnittstelle, bevorzugt eine CAD/CAM- Schnittstelle, an das Bearbeitungswerkzeug übermittelt werden, wobei im Fall von zwei nicht-planen Dichtflächen als Auflageflächen das erste Oberflächenprofil für die erste Stirnfläche des Adapters und ein zweites Oberflächenprofil für eine zweite Stirnfläche des Adapters durch das Bearbeitungswerkzeug hergestellt werden, wobei die Daten der beiden Negativprofile der zwei nicht-planen Dichtflächen des CAD-Designs über die Schnittstelle an das Bearbeitungswerkzeug übermittelt werden, und
• Positionieren des Adapters auf der nicht-planen Dichtfläche, wobei die Flachdichtung zwischen der ersten Stirnfläche des Adapters und der nicht-planen Dichtfläche angeordnet ist, und im Fall von zwei nicht-planen Dichtflächen als Auflageflächen jeweils eine Flachdichtung zwischen der jeweiligen Stirnfläche des Adapters und der entsprechenden nicht-planen Dichtfläche angeordnet ist.
Das Erfassen der Form- und Lageabweichung der nicht-planen Dichtfläche von der ersten Stirnfläche des Adapters durch einen 3D-Scan oder durch einen 3D-Laserscan ist sehr präzise und kann Messtoleranzen je nach Messgerät im zweistelligen oder sogar im einstelligen Mikrometerbereich ermöglichen. In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung oder eines erfindungsgemäßen Dichtsystems wird das Erfassen der Form- und Lageabweichung der zumindest einen nicht-planen Dichtfläche von einer ersten Stirnfläche des Adapters durch einen 3D-Scan, bevorzugt einen 3D-Laserscan, im Detail so umgesetzt, dass eine oder mehrere Erhebungen am Apparat vorhanden sind, die ein Bezugssystem für die Form- und Lageabweichung der nicht-planen Dichtfläche definieren. Hierbei sind die Erhebungen bevorzugt Passschrauben, wobei besonders bevorzugt genau zwei Passschrauben am Apparat ortsfest montiert sind.
Hierbei umfasst der Adapter eine sich unter Bildung eines Winkels an die erste Stirnfläche anschließende äußere Mantelfläche. Entsprechend der Anzahl der Erhebungen am Apparat sind bevorzugt in gleicher Anzahl Positionierelemente an der äußeren Mantelfläche des Adapters ortsfest fixiert, wobei die Positionierelemente jeweils eine Führungsschiene aufweisen, die derart ausgelegt ist, dass beim Positionieren des Adapters auf die mit der Flachdichtung bedeckte erste nicht-plane Dichtfläche des Apparats die jeweilige Führungsschiene von einer Erhebung, bevorzugt einer Passschraube, am Apparat geführt wird und dadurch der Adapter seine vorbestimmte Position erreicht.
Unter Beachtung des Bezugssystems und der Positionen der Positionierelemente des Adapters wird durch den 3D-Scan die Form- und Lageabweichung der nicht-planen Dichtfläche von der ersten Stirnfläche des Adapters ermittelt, wobei während der Messung der Form und Lageabweichung durch den 3D-Scan die nicht-plane Dichtfläche bevorzugt optisch freigelegt ist.
Das Überführen der Messdaten in eine CAD-Software erlaubt es, das Negativprofil schnell und fehlerunanfällig zu erstellen. Die Kombination der einzelnen Verfahrensschritte ermöglicht es, einen voll automatisierten Fertigungsprozess zur Herstellung der Vorrichtung zu etablieren.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Dichtsystems, wobei das Verfahren bevorzugt die folgenden Schritte umfasst:
• Bereitstellen zumindest einer von einer nicht-planen Dichtfläche umgebenen Öffnung eines Apparats, einer Flachdichtung und eines Adapters,
• Erfassen der Form- und Lageabweichung der zumindest einen nicht-planen Dichtfläche von einer ersten Stirnfläche des Adapters durch einen 3D-Scan, bevorzugt einen 3D-Laserscan,
• Nachkonstruktion des Adapters als CAD-Design basierend auf den Messdaten des 3D- Scan, wobei für die Nachkonstruktion des Adapters das Negativprofil der zumindest einen nicht-planen Dichtfläche erstellt wird und im Fall von zwei nicht-planen Dichtflächen als Auflageflächen jeweils ein Negativprofil für die beiden nicht-planen Dichtflächen erstellt werden,
• Herstellen eines ersten Oberflächenprofils auf der ersten Stirnfläche des Adapters durch ein Bearbeitungswerkzeug, bevorzugt durch eine CNC-Fräsmaschine, besonders bevorzugt eine 5-Achsen CNC-Fräsmaschine, wobei die Daten des Negativprofils der nicht-planen Dichtfläche des CAD-Designs über eine Schnittstelle, bevorzugt eine CAD/CAM- Schnittstelle, an das Bearbeitungswerkzeug übermittelt werden, wobei im Fall von zwei nicht-planen Dichtflächen als Auflageflächen das erste Oberflächenprofil für die erste Stirnfläche des Adapters und ein zweites Oberflächenprofil für eine zweite Stirnfläche des Adapters durch das Bearbeitungswerkzeug hergestellt werden, wobei die Daten der beiden Negativprofile der zwei nicht-planen Dichtflächen des CAD-Designs über die Schnittstelle an das Bearbeitungswerkzeug übermittelt werden.
• Positionieren des Adapters auf der nicht-planen Dichtfläche, wobei die Flachdichtung zwischen der ersten Stirnfläche des Adapters und der nicht-planen Dichtfläche angeordnet ist, und im Fall von zwei nicht-planen Dichtflächen als Auflageflächen jeweils eine Flachdichtung zwischen der jeweiligen Stirnfläche des Adapters und der entsprechenden nicht-planen Dichtfläche angeordnet ist, und
• Verspannen des Dichtsystems durch zumindest ein Spannelement, vorzugsweise durch mehrere Klemmbügelschrauben, wobei das Spannelement die nicht-plane Dichtfläche des Apparats mit dem Adapter verspannt und im Fall von zwei nicht-planen Dichtflächen als Auflageflächen zumindest ein Spannelement beide nicht-planen Dichtflächen des Apparats mit dem Adapter verspannt.
Analog zum Verfahren zur Herstellung der Vorrichtung ermöglicht die Kombination der einzelnen Verfahrensschritte zur Herstellung des erfindungsgemäßen Dichtsystems einen voll automatisierten Fertigungsprozess.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines Adapters für eine erfindungsgemäße Vorrichtung oder ein erfindungsgemäßes Dichtsystem, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:
• Bereitstellen zumindest einer von einer nicht-planen Dichtfläche umgebenen Öffnung eines Apparats und eines Rohlings für einen Adapter,
• Erfassen der Form- und Lageabweichung der zumindest einen nicht-planen Dichtfläche von einer ersten Stirnfläche des Rohlings durch einen 3D-Scan, bevorzugt einen 3D-Laserscan, • Nachkonstruktion des Adapters als CAD-Design basierend auf den Messdaten des 3D- Scan, wobei für die Nachkonstruktion des Adapters das Negativprofil der zumindest einen nicht-planen Dichtfläche erstellt wird und im Fall von zwei nicht-planen Dichtflächen als Auflageflächen jeweils ein Negativprofil für die beiden nicht-planen Dichtflächen erstellt werden, und
• Herstellen eines ersten Oberflächenprofils auf einer ersten Stirnfläche des Rohlings durch ein Bearbeitungswerkzeug, bevorzugt durch eine CNC-Fräsmaschine, besonders bevorzugt eine 5-Achsen CNC-Fräsmaschine, wobei die Daten des Negativprofils der nicht-planen Dichtfläche des CAD-Designs über eine Schnittstelle, bevorzugt eine CAD/CAM- Schnittstelle, an das Bearbeitungswerkzeug übermittelt werden und dadurch der Rohling zu dem Adapter bearbeitet wird, wobei im Fall von zwei nicht-planen Dichtflächen als Auflageflächen das erste Oberflächenprofil für die erste Stirnfläche des Rohlings und ein zweites Oberflächenprofil für eine zweite Stirnfläche des Rohlings durch das Bearbeitungswerkzeug hergestellt werden, wobei die Daten der beiden Negativprofile der zwei nicht-planen Dichtflächen des CAD-Designs über die Schnittstelle an das Bearbeitungswerkzeug übermittelt werden und dadurch der Rohling zu dem Adapter bearbeitet wird.
Analog zum Verfahren zur Herstellung der Vorrichtung oder des Dichtsystems ermöglicht die Kombination der einzelnen Verfahrensschritte zur Herstellung eines Adapters für eine erfindungsgemäße Vorrichtung oder ein erfindungsgemäßes Dichtsystem einen voll automatisierten Fertigungsprozess.
Die Erfindung wird im Folgenden mit Verweis auf die Zeichnungen näher erläutert. Die Zeichnungen sind als Prinzipdarstellungen zu verstehen. Sie stellen keine Beschränkung der Erfindung dar, beispielsweise im Hinblick auf konkrete Abmessungen oder Ausgestaltungsvarianten.
Es zeigen:
Fig. 1: Eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Dichtsystems mit einem Adapter und einem Bauteil, wobei der Adapter auf eine nicht-plane Dichtfläche eines Apparats positionierbar ist.
Fig. 2: Eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Dichtsystems mit einem Adapter in Form eines Deckels, wobei der Adapter auf eine nicht-plane Dichtfläche eines Apparats positionierbar ist. Fig. 3: Eine dritte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Dichtsystems mit einem zweiseitigen Adapter, wobei der Adapter eine erste Stirnfläche mit einem ersten Oberflächenprofil und eine zweite Stirnfläche mit einem zweiten Oberflächenprofil aufweist und so positionierbar ist, dass er einen Anschluss eines Bauteils an einen Apparat ermöglicht.
Fig. 4: Das vermessene Oberflächenprofil der nicht-planen Dichtfläche für den Flansch aus Beispiel 1 in Form einer geglätteten zweidimensionalen Darstellung.
Fig. 5: Das vermessene Oberflächenprofil der nicht-planen Dichtfläche für den Flansch aus Beispiel 2 in Form einer zweidimensionalen Darstellung.
Fig. 6: Weitere Details zur ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Dichtsystems nach Fig. 1.
Fig. 7: Weitere Details zur zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Dichtsystems nach Fig. 2.
Fig. 8: Weitere Details zur dritten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Dichtsystems nach Fig. 3.
Liste der verwendeten Bezugszeichen:
1 Apparat
2 Öffnung eines Apparats
2‘ Öffnung eines Bauteils
3 Nicht-plane Dichtfläche eines Apparats
3‘ Nicht-plane Dichtfläche eines Bauteils
4 Adapter
5 erste Stirnfläche
5‘ zweite Stirnfläche
6 erstes Oberflächenprofil
6‘ zweites Oberflächenprofil
7 Mantelfläche
8 Flachdichtung
9 Positionierelemente
10 Führungsschiene
11 Erhebung
12 Bauteil
13 Arretierlasche Fig. 1 zeigt eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Dichtsystems mit einer beispielhaften Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, einem Apparat 1 und einem Bauteil 12.
Auf der linken Seite der Fig. 1 ist ein Schnitt entlang der Längsachse des Dichtsystems dargestellt, wohingegen auf der rechten Seite der Fig. 1 ein vergrößerter Bereich des Schnitts in der Nähe eines Positionierelements 9 gezeigt wird, in der linken Abbildung als Detail „B“ bezeichnet. Zur Übersichtlichkeit sind die Einzelteile mit Abstand zueinander im nicht verspannten Zustand dargestellt.
Ein Adapter 4 wird hierbei auf einer mit einer Flachdichtung 8 belegten nicht-planen Dichtfläche 3 des Apparats 1 positioniert, wobei eine Öffnung 2 des Apparats 1 von der nicht-planen Dichtfläche 3 umgeben ist. Ferner wird auf der gegenüberliegenden Seite des Adapters 4 ein Bauteil 12 auf den mit einer weiteren Flachdichtung 8 belegten Adapter 4 positioniert. Der Adapter 4 ist zudem mit einer ersten Stirnfläche 5 als Auflagefläche ausgestattet, die ein erstes Oberflächenprofil 6 aufweist, das dem passgenauen Negativprofil der nicht-planen Dichtfläche 3 entspricht. Ferner weist der Adapter 4 eine sich unter Bildung eines Winkels an die erste Stirnfläche 5 anschließende äußere Mantelfläche 7 und zwei einander gegenüberliegende Positionierelemente 9 auf, die an der äußeren Mantelfläche 7 des Adapters 4 jeweils ortsfest fixiert sind. Die Positionierelemente 9 weisen jeweils eine Führungsschiene 10 auf, die derart ausgelegt ist, dass beim Positionieren des Adapters 4 auf die mit der Flachdichtung 8 bedeckte erste nicht-plane Dichtfläche 3 des Apparats 1 die jeweilige Führungsschiene 10 von einer Passschraube 11 am Apparat 1 geführt wird und dadurch der Adapter 4 seine vorbestimmte Position erreicht. Die Führungsschiene 10 enthält in dieser beispielhaften Ausgestaltung eine Arretierlasche 13, die mit einem Langloch versehen ist.
Fig. 2 zeigt eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Dichtsystems mit einer beispielhaften Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung und einem Apparat 1.
Auf der linken Seite der Fig. 2 ist ein Schnitt entlang der Längsachse des Dichtsystems dargestellt, wohingegen auf der rechten Seite der Fig. 2 ein vergrößerter Bereich des Schnitts in der Nähe eines Positionierelements 9 gezeigt wird, in der linken Abbildung als Detail „B“ bezeichnet. Zur Übersichtlichkeit sind die Einzelteile mit Abstand zueinander im nicht verspannten Zustand dargestellt.
Ein Adapter 4 wird hierbei auf einer mit einer Flachdichtung 8 belegten nicht-planen Dichtfläche 3 des Apparats 1 positioniert, wobei eine Öffnung 2 des Apparats 1 von der nicht-planen Dichtfläche 3 umgeben ist. In dieser Ausführungsform ist der Adapter 4 ein Deckel. Der Adapter 4 ist zudem mit einer ersten Stirnfläche 5 als Auflagefläche ausgestattet, die ein erstes Oberflächenprofil 6 aufweist, das dem passgenauen Negativprofil der nicht-planen Dichtfläche 3 entspricht. Ferner weist der Adapter 4 eine sich unter Bildung eines Winkels an die erste Stirnfläche 5 anschließende äußere Mantelfläche 7 und zwei einander gegenüberliegende Positionierelemente 9 auf, die an der äußeren Mantelfläche 7 des Adapters 4 jeweils ortsfest fixiert sind. Die Positionierelemente 9 weisen jeweils eine Führungsschiene 10 auf, die derart ausgelegt ist, dass beim Positionieren des Adapters 4 auf die mit der Flachdichtung 8 bedeckte erste nicht-plane Dichtfläche 3 des Apparats 1 die jeweilige Führungsschiene 10 von einer Passschraube 11 am Apparat 1 geführt wird und dadurch der Adapter 4 seine vorbestimmte Position erreicht. Die Führungsschiene 10 enthält in dieser beispielhaften Ausgestaltung eine Arretierlasche 13, die mit einem Langloch versehen ist.
Fig. 3 zeigt eine dritte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Dichtsystems mit einer beispielhaften Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, einem Apparat 1 und einem Bauteil 12.
Auf der linken Seite der Fig. 3 ist ein Schnitt entlang der Längsachse des Dichtsystems dargestellt, wohingegen auf der rechten Seite der Fig. 3 ein vergrößerter Bereich des Schnitts in der Nähe eines Positionierelements 9 gezeigt wird, in der linken Abbildung als Detail „B“ bezeichnet. Zur Übersichtlichkeit sind die Einzelteile mit Abstand zueinander im nicht verspannten Zustand dargestellt.
Ein Adapter 4 wird hierbei auf einer mit einer Flachdichtung 8 belegten nicht-planen Dichtfläche 3 des Apparats 1 positioniert, wobei eine Öffnung 2 des Apparats 1 von der nicht-planen Dichtfläche 3 umgeben ist. Zudem wird auf der gegenüberliegenden Seite des Adapters 4 ein Bauteil 12 auf einer mit einer Flachdichtung 8 belegten nicht-planen Dichtfläche 3‘ positioniert, wobei der Adapter 4 eine erste und eine zweite Stirnfläche 5, 5‘ mit entsprechenden Oberflächenprofilen 6, 6‘ aufweist, um das Bauteil 12 mit dem Apparat 1 verbinden zu können. Ferner weist der Adapter 4 eine sich unter Bildung eines Winkels an die erste Stirnfläche 5 anschließende äußere Mantelfläche 7 und zwei einander gegenüberliegende Positionierelemente 9 auf, die an der äußeren Mantelfläche 7 des Adapters 4 jeweils ortsfest fixiert sind. Die Positionierelemente 9 weisen jeweils eine Führungsschiene 10 auf, die derart ausgelegt ist, dass beim Positionieren des Adapters 4 auf die mit der Flachdichtung 8 bedeckte erste nicht-plane Dichtfläche 3 des Apparats 1 die jeweilige Führungsschiene 10 von einer Passschraube 11 am Apparat 1 geführt wird und dadurch der Adapter 4 seine vorbestimmte Position erreicht. Die Führungsschiene 10 enthält in dieser beispielhaften Ausgestaltung eine Arretierlasche 13, die mit einem Langloch versehen ist. Fig. 6 zeigt weitere Details zur ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Dichtsystems nach Fig. 1. Insbesondere wird in der Abbildung unten links in der Fig. 6 eine Draufsicht auf den Adapter 4 präsentiert, wohingegen in der Abbildung unten rechts in der Fig. 6 eine perspektivische Schnittzeichnung des Dichtsystems nach Fig. 1 dargestellt wird. Zudem werden im unteren Bereich der Abbildung auch die dem Dichtsystem zugehörige Führungsschiene 10, Passschraube 11, Mantelfläche 7 sowie Arretierlasche 13 dargestellt.
Fig. 7 zeigt weitere Details zur zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Dichtsystems nach Fig. 2. Insbesondere wird in der Abbildung unten links in der Fig. 7 eine Draufsicht auf den Adapter 4 präsentiert, wohingegen in der Abbildung unten rechts in der Fig. 7 eine perspektivische Schnittzeichnung des Dichtsystems nach Fig. 2 dargestellt wird. Zudem werden im unteren Bereich der Abbildung auch die dem Dichtsystem zugehörige Führungsschiene 10, Passschraube 11, Mantelfläche 7 sowie Arretierlasche 13 dargestellt.
Fig. 8 zeigt weitere Details zur dritten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Dichtsystems nach Fig. 3. Insbesondere wird in der Abbildung unten links in der Fig. 8 eine Draufsicht auf den Adapter 4 präsentiert, wohingegen in der Abbildung unten rechts in der Fig. 8 eine perspektivische Schnittzeichnung des Dichtsystems nach Fig. 3 dargestellt wird. Zudem werden im unteren Bereich der Abbildung auch die dem Dichtsystem zugehörige Führungsschiene 10, Passschraube 11, Mantelfläche 7 sowie Arretierlasche 13 dargestellt
Beispiel 1
Bauteilversuch des Dichtsystems
In diesem Beispiel 1 wurde eine erfindungsgemäße Ausführungsform des Dichtsystems mit einem Flansch, einer Flachdichtung 8 und einem Adapter 4 auf die mechanische Integrität der jeweils eingesetzten Flachdichtungen 8 nach dem Verpressen getestet. Hierbei wurde sowohl der Adapter 4 als auch der Flansch aus dem Stahl EN 1.4541 gefertigt. Die Nennweite des Flanschs betrug DN50, wobei der Flansch eine nicht-plane Dichtfläche 3 aufwies.
Das vermessene Oberflächenprofil 6 der nicht-planen Dichtfläche 3 wird in der Fig. 4 in Form einer geglätteten zweidimensionalen Darstellung gezeigt, wobei das Oberflächenprofil 6 der nicht-planen Dichtfläche 3 in den Graustufen entsprechend der Skala, welche sich auf der linken Seite in der Fig. 4 befindet, dargestellt wird. Die einzelnen auf dem Oberflächenprofil 6 ausgewiesenen Zahlenwerte sind in Millimetereinheit bemessen. Wie aus Fig. 4 ersichtlich, beträgt die maximale Oberflächenprofilhöhe 3,6 mm und die minimale Oberflächenprofilhöhe - 4,3 mm. Die maximalen und minimalen Werte befinden sich vermehrt in den Randbereichen des Oberflächenprofils 6 der nicht-planen Dichtfläche 3.
Bei den Versuchen wurden verschiedene kreisrunde, ringförmige Flachdichtungen 8 mit der Nennweite DN 50 gemäß der Tabelle 1 getestet. Der Innendurchmesser betrug 61 mm und der Außendurchmesser betrug 107 mm.
Der Adapter 4 wurde mit der jeweiligen Flachdichtung 8 an die nicht-plane Dichtfläche 3 des Flanschs positioniert und anschließend verspannt. Die Verspannung entsprach einem für die Nennweite DN 50 vorgesehenen Montageanziehdrehmoment von 75 Nm. Der Reibwert p betrug 0,13.
Tabelle 1: Flachdichtungen für mechanische Versuche
Figure imgf000020_0002
Die Versuche haben gezeigt, dass die Flachdichtungen 8 mit Grafiteinlage sowohl des Typs Sigraflex Universal Pro als auch des Typs Novaphit SSTC TaL sich den Unebenheiten der nicht-planen Dichtfläche 3 ausreichend anpassen können, ohne dabei mechanisch beschädigt zu werden. Gleiches gilt für die Dichtung aus dem Werkstoff PFA. Das PFA wurde von der Firma Simona bezogen und das technische Datenblatt ist unter dem Internetlink
Figure imgf000020_0001
(abgerufen am 30.06.2022) verfügbar.
Das Beispiel 1 zeigt, dass sich die Flachdichtungen 8 beim Verpressen des Adapters 4 mit der nicht-planen Dichtfläche 3 ausreichend anpassen können und dadurch eine mechanische Integrität sichergestellt werden kann. Die mechanische Integrität ist eine Grundvoraussetzung für eine zuverlässige Abdichtung. Beispiel 2:
Durchführung von Dichtheitsversuchen
In diesem Beispiel 2 wurde eine erfindungsgemäße Ausführungsform des Dichtsystems mit einem emaillierten Flansch, einer Flachdichtung 8 und einem Adapter 4 auf die technische Dichtheit des Dichtsystems nach dem Verpressen getestet. Fig. 2 entspricht dem Dichtsystem dieses Beispiels. Hierbei stellt der Versuchsapparat den Apparat 1 und die entsprechende Oberfläche des Flanschs, die nicht-plane Dichtfläche 3 des Apparats 1 , dar.
Der Adapter 4 wurde aus dem Stahl EN 1.4541 gefertigt. Die Nennweite des emaillierten Flanschs betrug DN50, wobei der emaillierte Flansch eine nicht-plane Dichtfläche 3 aufwies. Bei der Fertigung wurde zunächst die Form- und Lageabweichung der nicht-planen Dichtfläche 3 von der ersten Stirnfläche 5 des Adapters 4 durch einen 3D-Laserscan bestimmt. Die Messdaten des 3D-Scans wurden in eine CAD-Software übertragen. Anschließend wurde eine Nachkonstruktion des Adapters 4 als CAD-Design berechnet, wobei für die Nachkonstruktion des Adapters das Negativprofil der zumindest einen nicht-planen Dichtfläche 3 erstellt wird. Anschließend wurden die Daten des CAD-Designs an eine CNC-Fräsmaschine durch eine CAD/CAM Schnittstelle übertragen, wodurch die CNC-Fräsmaschine auf die erste Stirnfläche 5 des Adapters 4 das passgenaue Negativprofil der nicht-planen Dichtfläche 3 erzeugen konnte.
Das vermessene Oberflächenprofil 6 der nicht-planen Dichtfläche 3 wird in der Fig. 5 in Form einer zweidimensionalen Darstellung gezeigt, wobei das Oberflächenprofil 6 der nicht-planen Dichtfläche 3 in den Graustufen entsprechend der Skala, welche sich auf der linken Seite in der Fig. 5 befindet, dargestellt wird. Die einzelnen auf dem Oberflächenprofil 6 ausgewiesenen Zahlenwerte sind in Millimetereinheit bemessen. Wie aus Fig. 5 ersichtlich beträgt die maximale Oberflächenprofilhöhe 0,2 mm und die minimale Oberflächenprofilhöhe -0,4 mm. Die maximalen und minimalen Werte befinden sich vermehrt an den Randbereichen des Oberflächenprofils 6 der nicht-planen Dichtfläche 3.
Bei den Versuchen wurden verschiedene Flachdichtungen 8 gemäß der Tabelle 2 getestet. Jeweils eine kreisrunde, ringförmige Flachdichtung 8 wurde für einen Dichtheitsversuch herangezogen, um eine Bewertung zu ermöglichen, ob alle Verfahrensschritte zur Herstellung eines Dichtsystems so umgesetzt werden können, dass eine ausreichende technische Dichtheit erreicht werden kann.
Für die Dichtheitsversuche wurde eine Versuchsvorrichtung mit einer vakuumfesten Haube verwendet, wodurch der Raum um den Flansch herum durch ein Heliummassenspektrometer evakuiert wurde. Von der Unterseite der Versuchsvorrichtung wurde Helium bei Raumtemperatur als Prüfmedium in die Öffnung 2 des Flanschs zugeführt. Es wurde ein Überdruck von 10 bar eingestellt. Die Leckagerate wurden durch ein Heliummassenspektrometer ermittelt. Die gemessenen Leckageraten sind für die getesteten Dichtungen in der Tabelle 2 dargestellt.
Tabelle 2: Versuchsergebnisse / Leckageraten
Figure imgf000022_0001
Die gemessenen Leckageraten aus der Tabelle 2 zeigen im Vergleich zur gebräuchlichen PTFE Dichtung Gylon Style 3504E, dass durch die Verwendung der untersuchten Flachdichtungen 8 Sigraflex und PFA die Dichtheit auf vergleichbarem Niveau gegeben ist. Die zulässige Leckagerate für die Leckageklasse 0,01 bei der Normbedingung TA-Luft entspricht einer Leckagerate von 1*10'2 mg / (s*m), wobei die Normbedingung TA-Luft durch die technische Anleitung zur Reinhaltung der Luft gegeben ist, deren Neufassung in der ersten allgemeinen Verwaltungsvorschrift zum Bundes-Immissionsschutzgesetz beim Umweltbundesamt: https://www.umweltbundesamt.de/ (abgerufen am 4.07.2022) zugänglich ist.
Alle Versuche weisen eine geringere Leckagerate auf als es die Normbedingung TA-Luft für eine technische Dichtheit vorschreibt. Alle Versuche erfüllen somit das Kriterium der technischen Dichtheit.
Das Beispiel 2 zeigt, dass eine zuverlässige technische Dichtheit bei der Abdichtung einer nicht-planen Dichtfläche 3 durch die aufgezeigten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sowie des erfindungsgemäßen Dichtsystems erreicht wird. Eine beispielhafte Ausgestaltung des Verfahrens zur erfindungsgemäßen Herstellung der Vorrichtung wurde hierbei angewendet und erfolgreich umgesetzt.

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zur passgenauen Abdichtung einer von einer nicht-planen Dichtfläche (3) umgebenen Öffnung (2) eines Apparats (1) umfassend einen Adapter (4) mit einer ersten Stirnfläche (5) als Auflagefläche, die ein erstes Oberflächenprofil (6) aufweist, das dem passgenauen Negativprofil der nicht-planen Dichtfläche (3) entspricht, und zumindest eine Flachdichtung (8), die zwischen der nicht-planen Dichtfläche (3) des Apparats (1) und der ersten Stirnfläche (5) des Adapters (4) angeordnet ist.
2. Vorrichtung zur passgenauen Abdichtung einer von einer nicht-planen Dichtfläche (3) umgebenen Öffnung (2) eines Apparats (1) umfassend einen Adapter (4) mit einer ersten Stirnfläche (5) als Auflagefläche, die ein erstes Oberflächenprofil (6) aufweist, und zumindest eine Flachdichtung (8), die zwischen der nicht-planen Dichtfläche (3) des Apparats (1) und der ersten Stirnfläche (5) des Adapters (4) angeordnet ist, wobei das erste Oberflächenprofil (6) unregelmäßig ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Adapter (4) aus einem Metall oder einer Metalllegierung oder aus verschiedenen Metallen oder Metalllegierungen gefertigt ist.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Flachdichtung (8) zumindest teilweise Grafit oder zumindest teilweise Perfluoralkoxy-Polymere (PFA) enthält.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei die Vorrichtung mit Flachdichtungen (8) aus Grafit mit Spießblech oder Streckmetalleinlagen oder mit Flachdichtungen aus PFA ausgestattet ist.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Adapter (4) eine sich unter Bildung eines Winkels an die erste Stirnfläche (5) anschließende äußere Mantelfläche (7) umfasst, mindestens zwei Positionierelemente (9) an der äußeren Mantelfläche (7) des Adapters (4) ortsfest fixiert sind und die Positionierelemente (9) jeweils eine Führungsschiene (10) aufweisen, die derart ausgelegt ist, dass beim Positionieren des Adapters (4) auf die mit der Flachdichtung (8) bedeckte erste nicht-plane Dichtfläche (3) des Apparats (1) die jeweilige Führungsschiene (10) von einer Erhebung (11) am Apparat (1), bevorzugt von einer Passschraube am Apparat (1), geführt wird und dadurch der Adapter (4) seine vorbestimmte Position erreicht.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei das jeweilige Positionierelement (9) mit mindestens einem Befestigungselement, bevorzugt einer Schraube, besonders bevorzugt einer Passschraube, an die äußere Mantelfläche (7) des Adapters (4) ortsfest fixiert ist, oder die äußere Mantelfläche (7) des Adapters (4) je Positionierelement (9) eine Nut aufweist und das Positionierelement (9) mindestens eine Schraube und eine Feder umfasst, wobei die jeweilige Feder in die jeweilige Nut der äußeren Mantelfläche (7) des Adapters (4) passt, und die Schraube die Nut mit der Feder ortsfest fixiert.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Adapter (4) ein Deckel, bevorzugt ein Mannloch oder ein Blinddeckel, ist.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Adapter (4) eine zweite Stirnfläche (5‘) als weitere Auflagefläche hat, die sich auf der gegenüberliegenden Seite der ersten Stirnfläche (5) befindet und ein zweites Oberflächenprofil (6‘) aufweist, wobei das zweite Oberflächenprofil (6‘) des Adapters (4) dem passgenauen Negativprofil einer an einem Bauteil (12) angeordneten, eine Öffnung (2‘) umgebenden Dichtfläche (3‘) entspricht, und wobei die Vorrichtung zumindest eine weitere Flachdichtung (8‘) enthält, die zwischen der Dichtfläche (3‘) des Bauteils (12) und der zweiten Stirnfläche (5‘) des Adapters (4) angeordnet ist.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das erste Oberflächenprofil (6) und/oder das zweite Oberflächenprofil (6‘) unregelmäßig ist.
11. Dichtsystem umfassend einen Apparat (1) und eine Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10.
12. Dichtsystem nach Anspruch 11 , wobei der Apparat (1) eine Beschichtung aufweist und die nicht-plane Dichtfläche (3) an der Beschichtung ausgebildet ist.
13. Dichtsystem nach Anspruch 11 oder 12, wobei der Apparat (1) eine emaillierte Schicht aufweist.
14. Dichtsystem nach einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei das Dichtsystem eine Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10 und ein Bauteil (12) umfasst, wobei das Bauteil (12) bevorzugt eine Rohrleitung mit einem Flansch oder ein Anschlussapparat mit einem Flansch ist.
15. Dichtsystem nach einem der Ansprüche 11 bis 14, wobei der Apparat (1) einen Flansch, bevorzugt einen emaillierten Flansch, aufweist, dessen Öffnung (2) von der nicht-planen Dichtfläche (3) umgeben ist.
16. Dichtsystem nach einem der Ansprüche 11 bis 15, wobei der Apparat (1) oder der Anschlussapparat ein Rührbehälter, ein Mischapparat, eine Kolonne, ein Phasenscheider, ein Abscheider, eine Rohrleitung oder ein Reaktor, bevorzugt ein chemischer Reaktor oder eine chemische Reaktionskolonne, besonders bevorzugt eine chemische Reaktionskolonne zur Herstellung von Acrylaten, ist.
17. Verwendung einer Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10 oder eines Dichtsystems nach einem der Ansprüche 11 bis 16, wobei die Vorrichtung oder das Dichtsystem in chemischen Verfahren, insbesondere in Verfahren zur Herstellung von Acrylaten oder in Verfahren, bei denen Acrylate vorkommen, eingesetzt wird.
18. Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10 oder eines Dichtsystems nach einem der Ansprüche 11 bis 16 umfassend die Schritte:
• Bereitstellen zumindest einer von einer nicht-planen Dichtfläche (3) umgebenen Öffnung (2) eines Apparats (1), einer Flachdichtung (8) und eines Adapters (4),
• Erfassen der Form- und Lageabweichung der zumindest einen nicht-planen Dichtfläche (3) von einer ersten Stirnfläche (5) des Adapters (4) durch einen 3D-Scan, bevorzugt einen 3D-Laserscan,
• Nachkonstruktion des Adapters (4) als CAD-Design basierend auf den Messdaten des 3D-Scan, wobei für die Nachkonstruktion des Adapters (4) das Negativprofil der zumindest einen nicht-planen Dichtfläche (3) erstellt wird und im Fall von zwei nicht- planen Dichtflächen (3, 3‘) als Auflageflächen jeweils ein Negativprofil für die beiden nicht-planen Dichtflächen (3, 3‘) erstellt werden,
• Herstellen eines ersten Oberflächenprofils (6) auf der ersten Stirnfläche (5) des Adapters (4) durch ein Bearbeitungswerkzeug, bevorzugt durch eine CNC- Fräsmaschine, besonders bevorzugt eine 5-Achsen CNC-Fräsmaschine, wobei die Daten des Negativprofils der nicht-planen Dichtfläche (3) des CAD-Designs über eine Schnittstelle, bevorzugt eine CAD/CAM-Schnittstelle, an das Bearbeitungswerkzeug übermittelt werden, wobei im Fall von zwei nicht-planen Dichtflächen (3, 3‘) als Auflageflächen das erste Oberflächenprofil (6) für die erste Stirnfläche (5) des Adapters und ein zweites Oberflächenprofil (6‘) für eine zweite Stirnfläche (5‘) des Adapters durch das Bearbeitungswerkzeug hergestellt werden, wobei die Daten der beiden Negativprofile der zwei nicht-planen Dichtflächen (3, 3‘) des CAD-Designs über die Schnittstelle an das Bearbeitungswerkzeug übermittelt werden, und • Positionieren der Flachdichtung (8) zwischen der nicht-planen Dichtfläche (3) des Apparats (1) und der ersten Stirnfläche (5) des Adapters (4), wobei im Fall von zwei nicht-planen Dichtflächen (3, 3‘) als Auflageflächen eine weitere Flachdichtung (8) bereitgestellt wird, wobei eine der beiden Flachdichtungen (8) zwischen der ersten nicht-planen Dichtfläche (3) und der ersten Stirnfläche (5) angeordnet ist, und die andere Flachdichtung (8) zwischen der zweiten nicht-planen Dichtfläche (3‘) und der zweiten Stirnfläche (5‘) angeordnet ist. Verfahren zur Herstellung eines Adapters (4) für eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, umfassend die Schritte:
• Bereitstellen zumindest einer von einer nicht-planen Dichtfläche (3) umgebenen Öffnung (2) eines Apparats (1) und eines Rohlings für einen Adapter,
• Erfassen der Form- und Lageabweichung der zumindest einen nicht-planen Dichtfläche (3) von einer ersten Stirnfläche (5) des Rohlings durch einen 3D-Scan, bevorzugt einen 3D-Laserscan,
• Nachkonstruktion des Adapters (4) als CAD-Design basierend auf den Messdaten des 3D-Scan, wobei für die Nachkonstruktion des Adapters (4) das Negativprofil der zumindest einen nicht-planen Dichtfläche (3) erstellt wird und im Fall von zwei nicht- planen Dichtflächen (3, 3‘) als Auflageflächen jeweils ein Negativprofil für die beiden nicht-planen Dichtflächen (3, 3‘) erstellt werden, und
• Herstellen eines ersten Oberflächenprofils (6) auf einer ersten Stirnfläche (5) des Rohlings durch ein Bearbeitungswerkzeug, bevorzugt durch eine CNC-Fräsmaschine, besonders bevorzugt eine 5-Achsen CNC-Fräsmaschine, wobei die Daten des Negativprofils der nicht-planen Dichtfläche (3) des CAD-Designs über eine Schnittstelle, bevorzugt eine CAD/CAM-Schnittstelle, an das Bearbeitungswerkzeug übermittelt werden und dadurch der Rohling zu dem Adapter (4) bearbeitet wird, wobei im Fall von zwei nicht-planen Dichtflächen (3, 3‘) als Auflageflächen das erste Oberflächenprofil (6) für die erste Stirnfläche (5) des Rohlings und ein zweites Oberflächenprofil (6‘) für eine zweite Stirnfläche (5‘) des Rohlings durch das Bearbeitungswerkzeug hergestellt werden, wobei die Daten der beiden Negativprofile der zwei nicht-planen Dichtflächen (3, 3‘) des CAD-Designs über die Schnittstelle an das Bearbeitungswerkzeug übermittelt werden und dadurch der Rohling zu dem Adapter (4) bearbeitet wird.
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