Berechnung von Flanschverbindungen nach der Finite ... · PDF file- AD 2000-Merkblatt B7/B8 -...

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[DDM] Die Fachmesse für Dichtungstechnik, Bochum 8. bis 9.11.2017

Berechnung

von Flanschverbindungen

nach der

Finite Elemente Methode

Peter Thomsen

Lannewehr + Thomsen GmbH & Co.KG

D-28211 Bremen

www.flangevalid.com

info@flangevalid.com

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Themenübersicht - Kurzvorstellung Referent

- Betrachtung der diversen Flanschberechnungen

- AD 2000-Merkblatt B7/B8

- DIN EN 1591-1

- VDI 2230-2

- ASME Section VIII Div.1 App.2 und VIII Div.2 App.4.16

- ®flangevalid / ANSYS

- Modellierung einer Flanschverbindung mit dem flangevalid-

System-Designer 3D

- Import und Berechnung in ANSYS Mechanical

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Lannew

• Jahrgang 1960, vertritt seit 1983 die Interessen deutscher

Hersteller für Dichtungen, Schraubenbolzen, Flanschen-

und Fittings, Berstscheiben und Armaturen in

Norddeutschland

• Mitarbeit in Normenausschüssen beim DIN, EN, VDI und

DVGW, sowie AGFW

• Neben Vorträgen zum Dichtungskolloquium und der

Arbeit in der Normung macht er durch Schulungen beim

Kunden, beim DVGW , dem GWI oder im Haus der Technik

HDT, um die Anwender von Flanschverbindungen über die

Komplexität dieses Dichtsystems zu Informieren. Durch

Entwicklung von Flanschsystemen hat er einen Beitrag

zur Verbesserung der Dichtheit, Montagefreundlichkeit,

Betriebssicherheit und Kosteneffizienz geleistet.

• Gemeinsam mit Dipl.-Ing. Gerd Lannewehr wurde 2006 die

Lannewehr + Thomsen GmbH & Co. KG, Ingenieurbüro für

Apparate-, Rohrleitungs- und Dichtungstechnik

gegründet.

• Autor der lizensierten Übersetzung der ASME PCC-1-2010,

des Dichtungsvademecum und 10 Schritte zur optimalen,

auf Dauer technisch dichten Dichtverbindung

Peter Thomsen

31.08.1960

technischer Kaufmann

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ISBN-13: 978-3-934736-22-1 ISBN-13: 978-3-934736-27-6 ISBN-13: 978-3-934736-23-8

Verlag: PP PUBLICO Publications, www.pp-publico.de, order@pp-publico.de

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Sicherheitssteckscheiben

mit Entlüftung

mechanisch widerstandsfähige

auf Dauer technisch dichte Isolierflansche

Entwässerungsunterlegscheiben

für waagerechte Flansche

Vorspannkraft messende

Messunterlegscheiben

Erfindungen

von und mit

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Flanschberechnungsverfahren und ihre Einsatzgrenzen (©®flangevalid)

Dichtung

Prüfnorm

Kennwerte

Nachweis

Kraft-

haupt-

schluss

Kraft-

neben-

schluss

Festigkeit Dichtheit TA Luft Verfahrens-

technik

EN 1591-1 X - EN 13555 X X X 1) -

CEN/TS 1591-3 2) - X - X X X 1) -

KTA 3211.2 X - DIN 28091-1 X X X 1) -

- X MPA/VBG 3) X X X 1) -

AD 2000-

Regelwerk X - Merkblatt B 7 X X 4) - -

EN 13445-3

Ab. 11 X - - X - - -

FEA Finite Elemente

Analyse

X X EN 13555

+ erweiterte

Auswertung X X X X

1) nur in Verbindung mit Bauteileversuch nach VDI 2440 und 2200 und einer qualifizierten Montage 2) Vornorm seit 2007 3) VBG ist der Verband der Großkraftwerksbetreiber 4) nur in Verbindung mit EN 1591 (Ergänzung aus Vortrag von M.Schaaf, AMTEC, XVII Dichtungskolloquium)

Quelle: VDI 2290:2012-06, Tabelle 1, ergänzt und aktualisiert

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AD 2000-Merkblatt B7/B8 (+B0) - reiner Festigkeitsnachweis -

1 Flanschbiegemoment aus Druck/Temperatur □

2 Flanschaufweitung durch Druck/Temperatur □

3 Druckkraft auf System ◙ B8 1)

4 Flanschbiegung durch Schraubenvorspannkraft ■ B8

5 Schraubenbiegung durch Flanschblattneigung □

6 Hebelarm für Flanschblattneigung ◙ B8 2)

7 Schraubenvorspannkraft ■ B7

Montage ■ B7

Prüfung ■ B7

Betrieb ■ B7

A Flanschblattdicke ■ B8

B Schraubenabmessung ■ B7

C Dichtfläche ◙ B7 3)

1) unrealistisch Fläche mittlerer Dichtungsdurchmesser

2) unrealistisch immer Dichtungs- zu Schraubenmitte, er müsste am

Dichtungsaußenrand liegen 3) unrealistisch unabhängig von Flanschblattneigung

Dichtheitsnachweis □

Kräfteverteilung gleichmäßig, unrealistisch ■

variabel, realistisch □

Flächenpressung:

Dichtung ◙ B7 1)

Bördel, Plattierung oder Auskleidung □

Unterlegscheibe (falls vorhanden) □

Mutternauflage □ 1) gemittelt ohne Berücksichtigung des Hebelarmes

Rohrkräfte ◙ B7 1)

Torsion und/oder Biegemomente □

Wärmeausdehnung □

1) unrealistischer Ansatz, keine Berücksichtigung der angeschlossenen Schale

Bauteile/Bauteilefestigkeit:

I Flansche ■ B8

II Dichtung ◙ B7 1)

Setzverhalten/Relaxation □

III Schrauben ◙ B7 2) 3)

IV Muttern □ B7

V U-Scheiben (falls vorhanden) □

VI Plattierung oder Auskleidung (falls vorhanden) □

1) Festgelegte Werte abweichend von Herstellerangaben 2) Sicherheitsfaktor? Dehnschrauben = 1,5, Vollschaftschrauben = 1,8 3) Sonderzuschlag C5 für Betrieb nur für Vollschaftschrauben

□ nicht erfasst ◙ teilweise erfasst ■ erfasst

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DIN EN 1591-1 (rechnet keine Apparateflansche, Probleme mit Metalldichtungen)

3 Druckkraft auf System ■

4 Flanschbiegung durch Schraubenvorspannkraft ■

5 Schraubenbiegung durch Flanschblattneigung ◙

6 Hebelarm für Flanschblattneigung ◙

7 Schraubenvorspannkraft ■

Montage ■

Prüfung ■

Betrieb ■

A Flanschblattdicke ■

B Schraubenabmessung ■

C Dichtfläche ■

Dichtheitsnachweis ■

Flächenpressung:

Dichtung ■

Mutternauflage □

Rohrkräfte ◙ 1)

1) unrealistischer Ansatz, keine Berücksichtigung der angeschlossenen Schale

I Flansche ■

II Dichtung ■

Setzverhalten/Relaxation ■

III Schrauben ■

IV Muttern □

II III

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DIN EN 1591-1 (rechnet keine Apparateflansche)

Dichtung oder Wahrheit?

So wurde gerechnet: - kein Klöpperboden

- kein Trennblech

- keine Flanschstutzen für Ein- und Auslass

- keine Rohrbündelplatte

- nur ein Flansch mit Rücksprung

- keine Dichtung mit Mittelsteg (hätte 28 % mehr Dichtfläche)

- Dehnhülsen als Ersatz für Schraubenlängen

So wurde tatsächlich gebaut:

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VDI 2230-2 (berechnet keine Flansche mit Dichtungen

im Krafthauptschluss)

3 Druckkraft auf System □

4 Flanschbiegung durch Schraubenvorspannkraft □

6 Hebelarm für Flanschblattneigung □

7 Schraubenvorspannkraft □

Montage □

Prüfung □

Betrieb □

A Flanschblattdicke □

B Schraubenabmessung □

C Dichtfläche □

Kräfteverteilung gleichmäßig, unrealistisch □

Flächenpressung:

Dichtung □

Mutternauflage □

Rohrkräfte □

I Flansche □

II Dichtung □

III Schrauben □

IV Muttern □

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ASME Section VIII Div.1 App.2

und VIII Div.2 App.4.16 - reiner Festigkeitsnachweis -

4 Flanschbiegung durch Schraubenvorspannkraft □

6 Hebelarm für Flanschblattneigung ■

Montage ■

Prüfung ■

Betrieb ■

C Dichtfläche ■

Flächenpressung:

Dichtung ■

Mutternauflage □

Rohrkräfte ◙ 1)

Wärmeausdehnung □ 1) unrealistischer Ansatz, keine Berücksichtigung der angeschlossenen Schale

I Flansche ■

II Dichtung ■

III Schrauben ■

IV Muttern □

II III

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®flangevalid / ANSYS

1 Flanschbiegemoment aus Druck/Temperatur ■

2 Flanschaufweitung durch Druck/Temperatur ■

4 Flanschbiegung durch Schraubenvorspannkraft ■

5 Schraubenbiegung durch Flanschblattneigung ■

6 Hebelarm für Flanschblattneigung ■

Montage ■

Prüfung ■

Betrieb ■

C Dichtfläche ■

Dichtheitsnachweis ■

Kräfteverteilung gleichmäßig, unrealistisch □

variabel, realistisch ■

Flächenpressung:

Dichtung ■

Bördel, Plattierung oder Auskleidung ■

Unterlegscheibe (falls vorhanden) ■

Mutternauflage ■

Rohrkräfte ■

Torsion und/oder Biegemomente ■

Wärmeausdehnungen ■

I Flansche ■

II Dichtung ■

Setzverhalten/Relaxation ■

III Schrauben ■

IV Muttern ■

V U-Scheiben (falls vorhanden) ■

VI Plattierung oder Auskleidung (falls vorhanden) ■

II III

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Vergleich der Berechnungen

Bauteile und Bauteilefestigkeit

Bauteile und Bauteilefestigkeit AD 2000

1591-1

2230-2

Sec. VIII

flangevalid

Flansche ■ ■ □ ■ ■

Dichtungen ◙ ■ □ ■ ■

Setzverhalten der Dichtungen / Relaxation □ ■ □ □ ■

Schrauben ◙ ■ □ ■ ■

Muttern □ □ □ □ ■

Unterlegscheiben (falls vorhanden) □ □ □ □ ■

Plattierung oder Auskleidung (falls vorhanden) □ □ □ □ ■

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Flächenpressungen, Zusatzkräfte und

Wärmeausdehnung

Flächenpressungen, Zusatzkräfte und

Wärmeausdehnung

AD 2000

1591-1

2230-2

Sec. VIII

flangevalid

Dichtung ◙ ■ □ ■ ■

Bördel, Plattierung oder Auskleidung □ □ □ □ ■

Unterlegscheibe (falls vorhanden) □ □ □ □ ■

Mutternauflage □ □ □ □ ■

Rohrkräfte ◙ ◙ □ ◙ ■

Torsion und/oder Biegemomente □ □ □ □ ■

Wärmeausdehnung □ □ □ □ ■

Dichtheitsnachweis □ ■ □ □ ■

Kräfteverteilung ◙ ◙ □ ◙ ■

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Abmessungen und Anforderungen

an das Flanschsystem

Abmessungen und Anforderungen

an das Flanschsystem AD 2000

1591-1

2230-2

Sec. VIII

flangevalid

Flanschblattdicke ■ ■ □ ■ ■

Schraubenabmessung ■ ■ □ ■ ■

Dichtfläche ◙ ■ □ ■ ■

Flanschbiegemoment aus Druck/Temperatur □ □ □ □ ■

Flanschaufweitung aus Druck/Temperatur □ □ □ □ ■

Druckkraft auf das System ◙ ■ □ ■ ■

Flanschbiegung durch Schraubenkraft ◙ ◙ □ □ ■

Schraubenbiegung durch

Flanschblattneigung □ ◙ □ □ ■

Hebelarm für Flanschblattneigung ◙ ◙ □ ■ ■

Schraubenvorspannkraft ■ ■ □ ■ ■

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Verformung unter Temperatur und Druck

Die Flanschbiegung durch die

Schrauben muss größer sein als das

Biegen des Flansches durch die

unterschiedliche

Wärmeausdehnung, sonst kippt der

Flansch weiter und die Schrauben

werden entlastet. Ist der Flansch

nicht ausreichend vorgespannt wirkt

der Innendruck ähnlich.

Quelle: PVP2005-71340

Case study of Temperature Analysis

in a 48“ Diamater Heat Exanger Flange

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Flanschverbindungen mit Dichtungen im Krafthaupt- und

Kraftnebenschluss sind für eine analytische Berechnung zu

komplex.

Nur über Berechnungen nach der Finite Elemente Methode

können die tatsächlichen Anforderungen an eine

Flanschverbindung sinnvoll berechnet werden.

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Modellierung einer Flanschverbindung

mit dem flangevalid-System-Designer 3D

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Import IGS-Datei aus ®flangevalid

in das ANSYS Design

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Import in ANSYS Mechanical

sowie Netzgenerierung

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Dichtungskennwerte bei 20°C

-Herstellerangabe Moeller Metalldichtungen

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- Herstellerangabe Moeller Metalldichtungen

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- Herstellerangabe Moeller Metalldichtungen

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Temperaturprofil Anfahrzustand

von 20°C auf 200°C

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Externe Zusatzkräfte

Folie 27

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Externe Zusatzmomente

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Lastaufbringung in ANSYS Mechanical

Schraubenvorspannkraft, Innendruck

externe Zusatzlasten

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Lannew

Von Mises Spannungen

der Schrauben

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Lannew

Von Mises Spannungen

der Flanschverbindung

Folie 31

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Lannew

Flächenpressung der Dichtung unter

Berücksichtigung externer Zusatzlasten

Folie 32

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Lannew

Schubspannung der Dichtung unter

Berücksichtigung externer Zusatzlasten

Folie 33

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Lannew

Verformung der Dichtung in Z-Richtung

(Axialrichtung)

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• Die Dichtungskennwerte wurden von der Firma Moeller

Metalldichtungen, www.moeller-md.de zur Verfügung gestellt.

• Die Dichtungsdaten sind ebenfalls unter www.gasketdata.org

verfügbar.

• Die Datenbank der Norm-Standardelemente von ®flangevalid

mit Flansche, Dichtungen, Schrauben, Muttern, U-Scheiben,

Hülsen umfasst z. Zt. ca. 12000 Elemente, die beliebig

angepasst werden können, d.h. auch viele runde

Sonderflanschkonstruktionen sind schnell modellierbar.

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Vielen Dank für Ihre

Aufmerksamkeit!

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