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36. CADFEM ANSYS Simulation Conference, 10. – 12. Oktober 2018 in Leipzig

Berechnung am

Armaturengehäuseflansch

-

numerische FEM-Analyse versus

analytische Berechnung nach

DIN EN 12516-2

Dipl.-Ing. Gerd Lannewehr

Peter Thomsen

Lannewehr + Thomsen GmbH & Co.KG · D-28211 Bremen

www.flangevalid.com · info@flangevalid.com

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36. CADFEM ANSYS Simulation Conference, 10. – 12. Oktober 2018 in Leipzig

Themenübersicht - Kurzvorstellung Referenten

- Betrachtung der diversen Flanschberechnungen

- AD 2000-Merkblatt B7/B8

- DIN EN 1591-1 / DIN EN 12516-2

- VDI 2230-2

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

- ®flangevalid / ANSYS

- FEM Analyse einer Gehäuseflanschverbindung an einem

Kugelhahngehäuse DN 50 PN 40

- Bewertung

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36. CADFEM ANSYS Simulation Conference, 10. – 12. Oktober 2018 in Leipzig

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36. CADFEM ANSYS Simulation Conference, 10. – 12. Oktober 2018 in Leipzig

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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36. CADFEM ANSYS Simulation Conference, 10. – 12. Oktober 2018 in Leipzig

Flanschberechnungsverfahren und ihre Einsatzgrenzen (© ®flangevalid)

Norm

Dichtung

Prüfnorm

Kennwerte

Nachweis

Kraft-

haupt-

schluss

KHS

Kraft-

neben-

schluss

KNS

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, Stand August 2018 Quelle: VDI 2290:2012-06, Tabelle 1, ergänzt und aktualisiert

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

II

IV

V

1

2

3

4

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 □

5

6

A

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

7

B

C I

III

VI

□ nicht erfasst ◙ teilweise erfasst ■ erfasst

II

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DIN EN 1591-1 / DIN EN 12516-2 (rechnet keine Apparateflansche, Probleme mit Metalldichtungen)

V

1

2

3

4

5

6

A

1 Flanschbiegemoment aus Druck/Temperatur □

2 Flanschaufweitung durch Druck/Temperatur □

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 ■

Kräfteverteilung gleichmäßig, unrealistisch ■

variabel, realistisch □

Flächenpressung:

Dichtung ■

Bördel, Plattierung oder Auskleidung □

Unterlegscheibe (falls vorhanden) □

Mutternauflage □

Rohrkräfte ◙ 1)

Torsion und/oder Biegemomente □

Wärmeausdehnung □

1) unrealistischer Ansatz, keine Berücksichtigung der angeschlossenen Schale

Bauteile/Bauteilefestigkeit:

I Flansche ■

II Dichtung ■

Setzverhalten/Relaxation ■

III Schrauben ■

IV Muttern □

V U-Scheiben (falls vorhanden) □

VI Plattierung oder Auskleidung (falls vorhanden) □

7

B

C I

II III

IV

VI

□ nicht erfasst ◙ teilweise erfasst ■ erfasst

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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)

1

2

3

4

5

6

A

1 Flanschbiegemoment aus Druck/Temperatur □

2 Flanschaufweitung durch Druck/Temperatur □

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 □

Kräfteverteilung gleichmäßig, unrealistisch □

variabel, realistisch □

Flächenpressung:

Dichtung □

Bördel, Plattierung oder Auskleidung □

Unterlegscheibe (falls vorhanden) □

Mutternauflage □

Rohrkräfte □

Torsion und/oder Biegemomente □

Wärmeausdehnung □

Bauteile/Bauteilefestigkeit:

I Flansche □

II Dichtung □

Setzverhalten/Relaxation □

III Schrauben □

IV Muttern □

V U-Scheiben (falls vorhanden) □

VI Plattierung oder Auskleidung (falls vorhanden) □

7

B

C I

II

V

III

IV

VI

□ nicht erfasst ◙ teilweise erfasst ■ erfasst

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36. CADFEM ANSYS Simulation Conference, 10. – 12. Oktober 2018 in Leipzig

ASME Section VIII Div.1 App.2

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

1

2

3

4

1 Flanschbiegemoment aus Druck/Temperatur □

2 Flanschaufweitung durch Druck/Temperatur □

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 □

Kräfteverteilung gleichmäßig, unrealistisch ■

variabel, realistisch □

5

6

A

7

B

C

Flächenpressung:

Dichtung ■

Bördel, Plattierung oder Auskleidung □

Unterlegscheibe (falls vorhanden) □

Mutternauflage □

Rohrkräfte ◙ 1)

Torsion und/oder Biegemomente □

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

Bauteile/Bauteilefestigkeit:

I Flansche ■

II Dichtung ■

Setzverhalten/Relaxation □

III Schrauben ■

IV Muttern □

V U-Scheiben (falls vorhanden) □

VI Plattierung oder Auskleidung (falls vorhanden) □

I

II III

V

IV

VI

□ nicht erfasst ◙ teilweise erfasst ■ erfasst

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®flangevalid / ANSYS

1

2

3

4

5

6

A

7

B

C

1 Flanschbiegemoment aus Druck/Temperatur ■

2 Flanschaufweitung durch Druck/Temperatur ■

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 ■

Kräfteverteilung gleichmäßig, unrealistisch □

variabel, realistisch ■

Flächenpressung:

Dichtung ■

Bördel, Plattierung oder Auskleidung ■

Unterlegscheibe (falls vorhanden) ■

Mutternauflage ■

Rohrkräfte ■

Torsion und/oder Biegemomente ■

Wärmeausdehnungen ■

Bauteile/Bauteilefestigkeit:

I Flansche ■

II Dichtung ■

Setzverhalten/Relaxation ■

III Schrauben ■

IV Muttern ■

V U-Scheiben (falls vorhanden) ■

VI Plattierung oder Auskleidung (falls vorhanden) ■

I

II III

IV

V

VI

□ nicht erfasst ◙ teilweise erfasst ■ erfasst

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36. CADFEM ANSYS Simulation Conference, 10. – 12. Oktober 2018 in Leipzig

Vergleich der Berechnungen

Bauteile und Bauteilefestigkeit

□ nicht erfasst ◙ teilweise erfasst ■ erfasst

Bauteile und Bauteilefestigkeit AD 2000

B7/B8

EN

1591-1

VDI

2230-2

ASME

Sec. VIII

flangevalid

ANSYS

Flansche ■ ■ □ ■ ■

Dichtungen ◙ ■ □ ■ ■

Setzverhalten der Dichtungen / Relaxation □ ■ □ □ ■

Schrauben ◙ ■ □ ■ ■

Muttern □ □ □ □ ■

Unterlegscheiben (falls vorhanden) □ □ □ □ ■

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

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36. CADFEM ANSYS Simulation Conference, 10. – 12. Oktober 2018 in Leipzig

Vergleich der Berechnungen

Flächenpressungen, Zusatzkräfte und

Wärmeausdehnung

□ nicht erfasst ◙ teilweise erfasst ■ erfasst

Flächenpressungen, Zusatzkräfte und

Wärmeausdehnung

AD 2000

B7/B8

EN

1591-1

VDI

2230-2

ASME

Sec. VIII

flangevalid

ANSYS

Dichtung ◙ ■ □ ■ ■

Bördel, Plattierung oder Auskleidung □ □ □ □ ■

Unterlegscheibe (falls vorhanden) □ □ □ □ ■

Mutternauflage □ □ □ □ ■

Rohrkräfte ◙ ◙ □ ◙ ■

Torsion und/oder Biegemomente □ □ □ □ ■

Wärmeausdehnung □ □ □ □ ■

Dichtheitsnachweis □ ■ □ □ ■

Kräfteverteilung ◙ ◙ □ ◙ ■

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36. CADFEM ANSYS Simulation Conference, 10. – 12. Oktober 2018 in Leipzig

Vergleich der Berechnungen

Abmessungen und Anforderungen

an das Flanschsystem

□ nicht erfasst ◙ teilweise erfasst ■ erfasst

Abmessungen und Anforderungen

an das Flanschsystem AD 2000

B7/B8

EN

1591-1

VDI

2230-2

ASME

Sec. VIII

flangevalid

ANSYS

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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36. CADFEM ANSYS Simulation Conference, 10. – 12. Oktober 2018 in Leipzig

®flangevalid / ANSYS

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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36. CADFEM ANSYS Simulation Conference, 10. – 12. Oktober 2018 in Leipzig

®flangevalid / ANSYS

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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36. CADFEM ANSYS Simulation Conference, 10. – 12. Oktober 2018 in Leipzig

FEM Analyse einer Gehäuseflanschverbindung an einem

Kugelhahngehäuse DN 50 PN 40

1. Ziel der FEM-Analyse

Durch die FEM Analyse sollen die in der Praxis angewendeten

Dichtungsbreiten von PTFE Dichtungen, an einem Kugelhahngehäuse

gegenüber der EN12516-2 überprüft werden.

2. Einleitung

Bei der Flanschauslegung der Gehäuseflanschverbindung gemäß DIN EN

12516-2, Kapitel 10 wird wie nachstehend beschrieben vorgegangen, wobei

eine Differenzierung zwischen direkter Belastung (Dichtung im

Krafthauptschluss), Bild a) und keiner direkten Belastung (Dichtung im

Kraftnebenschluss) Bild b) beinhaltet ist.

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36. CADFEM ANSYS Simulation Conference, 10. – 12. Oktober 2018 in Leipzig

2. Einleitung (Fortsetzung)

Ausführungen

von

Flanschverbindungen (Bildquelle DIN EN 12516-2)

a) direkte Belastung b) keiner direkten Belastung unterlegen

Auszug aus DIN EN 12516-2, Kapitel 10:

„Die Berechnung der Flansche muss nach oder in Anlehnung an die in DIN

EN 1591-1 oder DIN EN 13445-3 enthaltenen Festlegungen erfolgen.

Bei ebenen Dichtungen mit direkter Belastung ist es nur zulässig, die

Kennfaktoren von Dichtungen zu verwenden, wenn diese auf Grundlage der

Prüfnorm DIN EN 13555 erhalten wurden.“

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2. Einleitung (Fortsetzung)

Bei der DIN EN 12516-2, Kapitel 10 handelt sich ausschließlich um einen

Festigkeitsnachweis der verwendeten Bauteile. Zur Einschätzung der Größen

hier ein paar Daten der Gehäuseflanschverbindung:

Die Vorspannkraft einer M12 Schraube bei 70% Auslastung der Streckgrenze

liegt bei 23.310 N, d.h. bei 6 wirkenden Schrauben wird eine

Gesamtvorspannkraft von 139.860 N aufgebracht.

Die gemeinsame metallische Kontaktfläche der Gehäuseflansche beträgt

4.515 mm², die Dichtungsfläche beträgt 848 mm², d.h. die

Gesamtkontaktfläche metallischer Kontakt inkl. Dichtung beträgt 5.362 mm².

Gemäß Definition, Kapitel 10, wird als Innendruckkraft mit dem mittleren

Kontaktdurchmesser der Metallflächen gerechnet, d.h. dD = 106,5mm

(120mm+93mm)/2. Die daraus resultierende Berechnungsfläche wird mit dem

Designdruck bzw. Probedruck beaufschlagt. Die zu berücksichtigenden

Innendruckkräfte sind

F = 35.614 N aus dem Designdruck 40bar (4 MPa)

und

F = 57.340 N aus dem Probedruck 64,4bar (6,44 MPa)

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3. Lastfälle

Als Lastfälle wurden die Montagevorspannung der Schraubenbolzen unter

Ausnutzung der Streckgrenze des Schraubenmateriales mit 70% gewählt.

Anschließend wird der Designdruck von 40 bar (4 MPa) sowie der

Probedruck von 64,4 bar (6,44 MPa) appliziert.

Die PTFE Dichtung wird durch die aufgebrachte Vorspannkraft von der

direkten Belastung, (kleiner Überstand der Dichtung bei der Montage) in die

indirekte Belastung gebracht, d.h. es existieren gemäß Definition DIN EN

12516-2 beide Belastungszustände.

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4. Materialien

Die verwendeten Materialien sind:

· 1.4408 (GX 5 CrNiMo 19 11 2), DIN EN 10213 für die Gehäuseflansche

· A2-70 nach DIN EN ISO 3506-1 für die Schrauben nach DIN EN ISO 4017

· PTFE- Dichtung

Als Reibung an den Gehäusekontaktflächen wurde ein Reibwert von 0,12

berücksichtigt.

5. Geometrieimport

Die Schraubenkopfauflageflächen zur Flanschfläche wurden als

Verbundkontakt berücksichtigt, da keine thermischen Zusatzlasten

vorhanden sind. Die PTFE Dichtung wurde als Verbundkontakt

berücksichtigt, da die Dichtung zentriert und geführt ist. Sämtliche inneren

Einbauteile des Kugelhahnes, wie z.B. die Kugel, die Kugeldichtungen, die

Welle inkl. Abdichtung zum Öffnen und Schließen der Kugel wurden bei der

Analyse nicht berücksichtigt.

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Die Flanschverbindung wurde als STEP Datei zur Verfügung gestellt und in

den ANSYS Design Modeler importiert und anschließend in ANSYS

Mechanical eingelesen.

Bild 1: Geometrieimport der gesamten Flanschverbindung in den

ANSYS Design Modeler

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Bild 2: Kugel mit Dichtungen und Schaftwelle

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Bild 3: Schnittmodell mit Kugel und Dichtungen

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Bild 4: Schnittmodell mit Gehäusedichtung, FEA-Modell

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Bild 5: Schnittmodell, statisch mechanisches FEA Modell

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Bild 6: Verbundkontakt Schraubenkopfauflage-Flanschfläche

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Bild 7: Reibungsbehafteter Kontakt, metallische Dichtflächen,

Gehäuse-Gehäusegegenflansch

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Bild 8: Geometrieimport des Kugelhahnes, Gesamtmodell

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Bild 9: Vernetzung der gesamten Flanschverbindung

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Bild 10: statisch, mechanisches Modell der gesamten Flanschverbindung

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6. Berechnungsergebnisse

Bild 11: max. von Mises Spannung, Lastfall Vorspannung am Gehäusegegenflansch,

im Schraubenlochbereich Spannungen >108,7 N/mm² (MPa) Maximalspannung gemäß

DIN EN 12516-2

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Bild 12: max. von Mises Spannung, Lastfall Vorspannung am Gehäuseflansch, im

Schraubenlochbereich Spannungen >108,7 N/mm² (MPa) Maximalspannung

gemäß DIN EN 12516-2

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Bild 13: max. Flächenpressung der PTFE Dichtung, Lastfall Vorspannung

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Bild 14: Kontaktstatus der metallischen Dichtflächen, Lastfall Vorspannung

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Bild 15: Kontaktstatus der Dichtung, Lastfall Vorspannung

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Bild 16: Kontaktstatus der Schraubenkopfflächen

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Bild 17: Durchdringung am Gehäusegegenflansch, Lastfall

Vorspannung im Schraubenlochbereich

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7. Zusammenfassung

Eine Berechnung dieser Gehäuseverbindung nach

DIN EN 12516-2

ist nicht zielführend.

Die unterschiedlichen Spannungen im Dichtungs- und

Schraubensitz würden mit dieser analytischen

Berechnung nicht nachgewiesen.

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8. Bewertung

Die Differenzen der analytischen und numerischen

Berechnungsarten, besonders auch die Abweichungen der

analytischen Berechnung nach

DIN EN 12516-2

von der Realität sind so groß, dass unbedingt weitere Unter-

suchungen zur Überprüfung einer sinnvollen Anwendung der

DIN EN 1591.1:2014-04

gemacht werden müssen.

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Vielen Dank für Ihre

Aufmerksamkeit!