【Dichtungswissen】Dämpfer und Bolzen-Flanschverbindungs Systeme

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Dichtung: Eine Dichtung ist ein einzelnes Dichtelement, das zwischen den Dichtflächen eines Flansches eingelegt wird. Während der Montage wird durch das Anziehen der Bolzen eine äußere Kraft auf die Flansche ausgeübt. Diese Kraft wird an die Dichtungen weitergeleitet, wodurch diese komprimiert und deformiert werden. Ausgehend vom Konzept der Energie wird die von einer äußeren Kraft auf die Dämpfungsschicht ausgeübte Arbeit, sofern keine Energieverluste berücksichtigt werden, vollständig in Deformationsenergie umgewandelt, die in der Dämpfungsschicht gespeichert wird. Während der Arbeit drückt der Druck des Dichtflüssigkeits die Dichtflächen der Flansche voneinander. Dadurch wird die Last auf die Dichtungsschicht teilweise reduziert. Die in der Dichtungsschicht gespeicherte Deformationsenergie kann wieder genutzt werden, um Arbeit zu leisten – mit anderen Worten: Die Dichtungsschicht gibt ihre Energie frei. Wenn noch Energie zur Speicherung vorhanden ist, bleiben die Dichtungen in Kontakt mit den Dichtflächen der Flansche – dadurch kommt es zu keinem Leck. Daher wird auch die Dichtung als „ein Gerät beschrieben, das zwischen zwei Oberflächen eingeschlossen ist und Energie speichert“. 1. I. Wenn das System der Verbindung mit Schrauben und Flanschen technisch und wirtschaftlich machbar ist, kann eine sehr glatte und präzise Verbindungsfläche zwischen den zu verbindenden Bauteilen erzeugt werden. Diese Bauteile werden anschließend mithilfe von Schrauben miteinander verbunden, sodass die Verbindungsflächen stets in Kontakt bleiben. In diesem Fall ist es nicht notwendig, Dichtungen zwischen den Verbindungsflächen einzusetzen. Solche Schraubverbindungen werden als „non-gasketed bolt joints“ bezeichnet und kommen häufig in der Automobilindustrie, in der Luftfahrt, bei Stahlkonstruktionen sowie in der Herstellung von Schwergeräten zum Einsatz. Doch aufgrund der Struktur und Abmessungen der Geräte ist es schwierig, durch Bearbeitung und Montage eine ideal glatte Verbindungsfläche zu erzielen ； Zweitens können die Verbindungsflächen im Laufe der Zeit durch Korrosion oder Abnutzung uneben werden. Daher müssen zwischen diesen Verbindungsflächen Dichtungen als Übergangselemente eingebaut werden, um einen festen Kontakt herzustellen und die für die Verbindung notwendige Dichtigkeit zu gewährleisten. Im Vergleich zu Verbindungen mit Schrauben ohne Dichtungen lässt sich so bei geringerer Schraubendrucklast eine effiziente Dichtigung erreichen. Solche Schraubverbindungen werden als dichtungsgefütterte Schraubverbindungen bezeichnet und sind die am häufigsten verwendeten trennbaren Verbindungen in Druckleitungen, Druckbehältern sowie anderen druckfesten Geräten. Da zur Verbindung in der Regel ein Paar Flansche verwendet wird, ist eine Seite des Flansches mit dem Gehäuse oder der Rohrleitung verbunden, und die beiden Flansche werden miteinander mit einer Reihe von Bolzen festgezogen. Solche Bolzenverbindungen werden in der Regel als bolzenverstärkte Flanschverbindung (bolted flanged connection, BFC) oder bolzenverstärkter Flanschanschluss (bolted flanged joint, BFJ) bezeichnet, wie in Abbildung 3.18 dargestellt. Daraus geht hervor, dass BFC ein Baugruppe ist, die aus Elementen wie Flanschen, Bolzen und Dichtungen besteht. Die beiden Flansche können Flansche derselben Art und des gleichen Materials sein, aber auch Flansche unterschiedlicher Art und/oder Materialien. Oder einer der Flansche kann ein flacher Deckel sein, der mit Schrauben befestigt wird. Dämpfer bestehen immer aus weicheren Materialien als die Dichtungen der Flansche. Zweitens werden die beiden Arten von Bolzenflanschverbindungen je nach Verschlusstechnik in Bolzenflanschverbindungen vom schwebenden Typ (floating type, FL) oder solche mit keinem Kontakt zwischen Metallteilen (nonmetal-to-metal contact) sowie Bolzenflanschverbindungen mit Kontakt zwischen Metallteilen (metal to metal contact, MMC) eingeteilt. Wie in Abbildung 3.19(a) dargestellt, bezeichnet eine schwebende Bolzenflanschverbindung eine Situation, bei der die Dichtung zwischen den beiden Verbindungsflächen des Flanschs eingelegt wird. Von dem Zeitpunkt an, an dem die Bolzen vorgerichtet werden, bis zum Ende der Lebensdauer der Flanschverbindung kommt es zu keiner Berührung zwischen den Verbindungsflächen. Daher wirkt die Vorlast der Bolzen vollständig auf die Dichtung. Nach Inbetriebnahme ändert sich die Anfangslast auf der Dichtung je nach den auftretenden äußeren Belastungen – zudem ist die Lastverteilung auf der Dichtung ungleichmäßig. Bei den Bolzenflanschverbindungen vom Typ Metall-an-Metall-Kontakt (im Folgenden „MMC“ genannt) können dieselben Flansche wie bei den Bolzenflanschverbindungen vom schwebenden Typ verwendet werden. Allerdings werden bestimmte Arten von Kompressionsbegrenzungsvorrichtungen auf der Flanschoberfläche innerhalb des zentralen Kreises des Bolzens platziert. Diese Kompressionsbegrenzungsvorrichtungen können entweder Teil der Dichtungen sein oder als eigenständige Komponenten fungieren, die als Begrenzer dienen – wie in Abbildung 3.19(b) dargestellt. Daher kommt es nach der Vorspannung der Bolzen zu einem mechanischen Kontakt zwischen den beiden Verbindungsflächen der Flansche oder zwischen dem Metall der Flanschverbindungsflächen und dem Metall des Kompressionsbegrenzers. Im Vergleich zu den schwebenden Verbindungen weist die MMC-Arten von Bolzenflanschverbindungen die Besonderheit auf, dass auf die Bolzen eine ausreichend hohe Last ausgeübt werden muss – nicht nur, um einen metallischen Kontakt herzustellen, sondern auch, damit bei jeglichen späteren äußeren Belastungen während der gesamten Lebensdauer der Flanschverbindung weiterhin ein metallischer Kontakt besteht und keine Trennung auftritt. Dadurch bleibt auch die Last auf den Dämpfern stets konstant und gleichmäßig über die Umfangsfläche verteilt. Die Kompressionsbeschränkungsvorrichtung übernimmt die Funktion, äußere Lasten aufzunehmen, und gewährleistet so eine optimale Dichtigkeit der Flanschverbindungen. Daher besteht der Hauptunterschied zwischen den Flanschschraubverbindungen vom Typ Floating und MMC darin, dass jede Veränderung in der Umgebung der Dämpfer keine Gefahr darstellt, dass die Belastung sowie ihre Verteilung beeinträchtigt werden. Solche Störungen – wie das Eigengewicht, der Fluiddruck, äußere Biegemomente sowie Temperaturänderungen – sowie deren Schwankungen werden stattdessen auf die Schrauben und die mechanischen Kontaktteile übertragen. Zweitens verringert die Verbindung mit MMC-Flanschschrauben auch das Risiko, dass die Schrauben aufgrund der Belastung durch zyklische Kräfte ermüden oder locker werden. Außerdem erhöht es die Steifigkeit der Flansche und verringert deren Winkel. III. Belastungen bei der Verbindung mit Bolzenflanschen Wie in Abbildung 3.20 dargestellt, sind die auf die Verbindung mit Bolzenflanschen einwirkenden Belastungen wie folgt. ①Druckbelastung P: Der in radialer Richtung gleichmäßig auf die Innenwand der Flansche sowie auf die innere Oberfläche der Dichtungen wirkende Druck des Mediums. ②Endlast W: Axiale Last, die durch den Druck im Medium am Ende der Flansche entsteht und dazu führt, dass sich die Flansche axial voneinander trennen. ③Bolzenlast F: Die Kraft, die den Bolzen beim Anziehen der Mutter dehnt; diese Gegenkraft dient dazu, die Flansche zu komprimieren. ④Dämpflast G: Die Kompressionskraft der Flansche auf die Dämpfer. Die auf die Dichtung ausgeübte Kompressionslast dient teilweise dazu, das Material der Dichtung in Bewegung zu setzen, um damit Vertiefungen sowie andere unregelmäßige Strukturen auf der Abdichtungsfläche der Flansche auszufüllen. Der Rest der Last wird verwendet, um eine Trennung der Abdichtungsflächen durch innenwirkenden Druck oder Unterschiede in der thermischen Ausdehnung der Flansche und Bolzen zu verhindern – dadurch wird ein Austreten des Dichtmittels verhindert. ⑤Äußere Kräfte T und äußere Drehmomente M: Es handelt sich dabei um die axialen Kräfte oder (und) die Drehmomente, die von den an der Flanschverbindung angebrachten Geräten und Rohren auf den Flansch ausgeübt werden. In der Regel kommt es zu Leckagen bei Dichtungen dadurch, dass in der Dichtung selbst Leckkanäle vorhanden sind (interne Leckage), oder durch Kanäle zwischen der Oberfläche der Dichtung und der Abdichtungsfläche des Flansches (Interfacialleckage). Wenn die Flanschschrauben angezogen werden, werden die Ober- und Unterflächen der Dichtungen zusammengedrückt. Dadurch schließen sich die inneren Leckkanäle, und die Deformation der Oberflächen blockiert die Leckkanäle an der Grenzfläche. Daher sind die Größe und Verteilung der Vorlast des Bolzens oder der Spannungsbelastung der Dichtungselemente die direktesten und wichtigsten Faktoren, die die Dichtigkeit einer Verbindung zwischen Bolzen und Flanschen beeinflussen.