Flanschverbindungen – Berechnung nach nationalem · PDF fileASME Sect. VIII...

| 26-Nov-10 |

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Flanschverbindungen – Berechnung nach nationalem Regelwerk AD oder nach harmonisierter Europäischer Norm EN 1591?- Vor- und Nachteile -

Beate Schettki-Schäferdieck, Beratender Ingenieur

Stand November 2010

| 26-Nov-10 | Beate Schettki-Schäferdieck |2



Normen für Flansche, die in Deutschland bzw. Europa zur Anwendung kommenfür die Festigkeitsnachweise der Bauteile an Flanschverbindungen:

� DIN 2505 (Vornorm 1964)� AD 2000 - Merkblätter B7/B8 (auf der Basis von DIN 2505 – Vornorm 1964)� DIN 2505 (Entwurf 1990) (nicht gültig)� KTA 3211.2 (1992 bzw. 2003)� TGL 32903/13 (DDR-Norm) (zurückgezogen)

� EN 13445 (Taylor-Forge-Methode und alternativ als Anhang EN 1591)� EN 13480 (Hinweis auf EN 13445 mit Taylor-Forge-Methode und EN 1591)� EN 1591� ASME Sect. VIII (Taylor-Forge-Methode)

Historie: Übersicht Normen zur Flanschberechnung




EN 1591 Teil 1 – Berechnungsverfahren für Flanschverbindungen im Krafthauptschluss� Ausgabe 10/2001

F:\DIN_EN_NOrmen\pr CEN EN 1591-1 (D)_Schlussentwurf_prA1_102007.pdf

EN 1591

EN 1591 Teil 2 – Dichtungskennwerte� Ausgabe 10/2001 � die Kennwerte sind gegenüber AD bzw. DIN 2505 neu definiert worden

:\DIN_EN_NOrmen\EN1591pt2RevFinal2007_1.doc




EN 1591 – Teil 2 Dichtungskennwerte Ausgabe 10/2001

Quelle: VDI 2200

EG = E0 + K1 x Q0MPaElastizitätsmodulEG

MPaWert von EG extrapoliert für Druckspannung Q0 = 0

E0

[-]Änderungsrate von EG mit der Druckspannung

K1

EG(mit Kriechen) = gc x EG(ohne Kriechen)gc ist ein empirischer Korrekturfaktor für den Elastizitätsmodul EG

[-]Kriechfaktor für DichtungengC

Gleichung (72)Abhängig von Dichtungswerkstoff, Konstruktion, Maßen und Rauheit der Flanschdichtflächen

MPaMaximal zulässige Druckspannung der Dichtung

Qmax

Gleichung (49)Mindest-Druckspannung auf der effektiven Dichtfläche

MPaMindest-Druckspannung der Dichtung im Montage-zustand

Qmin

MPaErforderliche mittlere effektive Druckspannung der Dichtung im Belastungszustand „I“

QI

Verwendung in derFlanschberechnungZielsetzungEinheitDichtungskennwertSymbol




Dichtungskennwerte AD B7/B8 EN 1591-1Min. erforderliche Flächenpressungim Montagezustand

k0 * KD QA (Qmin(L))

Min. erforderliche Flächenpressungim Betriebszustand

k1 QSmin(L)

Dichtheitsklasse nein ja

Max. zulässige Flächenpressungim Montagezustand

(KD ) Qsmax(RT)

Max. zulässige Flächenpressungim Betriebszustand

(KD ) Qsmax(T)

Erstzelastizitätsmodul - EG

Kriech-/Relaxationsfaktor (V) PQR

Prüfnorm nein ja

Unterschiede: AD-Merkblätter – EN 1591 – Teil 1




EN 1591 Teil 1 – Berechnungsverfahren für Flanschverbindungen im Krafthauptschluss� Ausgabe 10/2001

F:\DIN_EN_NOrmen\pr CEN EN 1591-1 (D)_Schlussentwurf_prA1_102007.pdf

EN 1591

EN 1591 Teil 2 – Dichtungskennwerte� Ausgabe 10/2001� die Kennwerte sind gegenüber AD bzw. DIN 2505 neu definiert worden

TS 1591 Teil 3 – Berechnungsverfahren für Flanschverbindungen im Kraftnebenschluss � ist erschienen in 10/2007 – Technische Spezifikation / Vornorm � Status: „under approval“ – bedeutet: „nicht bindend“ in der Anwendung

TS 1591 Teil 4 – Qualifizierung von Montage-Personal � ist erschienen in 10/2007 – Technische Spezifikation / Vornorm � Status: „under approval“ – bedeutet: „nicht bindend“ in der Anwendung

E:\DIN_EN_NOrmen\prCENTS 1591-4 (D).doc




Vorteil von AD bzw. DIN 2505:� Einfache Berechnungs-Methode

Vergleich zwischen DIN 2505 und EN 1591 – Teil 1

Nachteil EN 1591 –Teil 1:� komplizierte Berechnungs-Methode� „von-Hand-Berechnung“ kaum mehr möglich aufgrund des aufwendigen

Berechnungsverfahrens

Die Berechnungs-Theorie bei beiden Berechnungsmethoden ist ähnlich:� Es wird der Querschnitt bzw. das daraus resultierende Widerstandmoment betrachtet.� Die auf die Flansch-Verbindung einwirkenden Kräfte sind gleich definiert.




Vorschweißflansch mit Kräften nach DIN 2505 und EN 1591 – Teil 1




Vorteile von EN 1591 – Teil 1 gegenüber DIN 2505

� Es wird das Verhalten des Gesamtsystems Flansch-Schraube-Dichtung betrachtet (VDI 2200).

� Dabei sind nicht nur die Kriterien der Festigkeitsbetrachtung zu sehen, sondern auch das gesamte Verformungsverhalten und die Dichtigkeit.

� Die Berechnung der Gebrauchstauglichkeit der Dichtung beruht auf der Elastizitätsanalyse der Beziehungen zwischen Belastung und Deformation zwischen allen Teilen der Flanschverbindung.

� Es wird eine komplette Kraft-Verformungs-Untersuchung der gesamten Verbindung für Flansche, Dichtung, Schrauben und evt. Klemmteile und Lose Flansche gemacht.

� Dabei wird iterativ die erforderliche Dichtungskraft mit gleichzeitiger Bestimmung der effektiven Dichtungsbreite ermittelt, was eine [exakte] Überprüfung der Dichtheit der Verbindung ermöglicht.

� Die Anforderungen nach Leckageklassen (TA Luft und EN 13555) sind nur durch diese Dichtigkeits-Betrachtung nach EN 1591 berücksichtbar, sprich: nachzuweisen.

� Es sind beliebig viele Lastzustände möglich; Montage- und Betriebslastfall sind Muss-Berechnungen; aber auch Anfahren, Abfahren, Druckstoß etc. sind möglich.




EN 1591 berücksichtigt folgende Einfluss-Parameter, die in der DIN 2505 fehlten:

Vorteile von EN 1591

� die Nachgiebigkeit der Verbindung

� den Einfluss von angeschlossenen Bauteilen (zylindrische oder konische Schalen, Kugeln, gewölbte Böden) bzgl. Elastizitätsverhalten der Flanschverbindung




EN 1591 – Anschließendes Bauteil





� die Nachgiebigkeit der Verbindung� den Einfluss von angeschlossenen Bauteilen (zylindrische oder konische Schalen, Kugeln,

gewölbte Böden) bzgl. Elastizitätsverhalten der Flanschverbindung


� den Einfluss der Differenzen der Ausdehnungskoeffizienten von geklemmten Teilen in der Flanschverbindung




EN 1591 – geklemmte Bauteile (1)






gewölbte Böden) bzgl. Elastizitätsverhalten der Flanschverbindung� den Einfluss der Differenzen der Ausdehnungskoeffizienten von geklemmten Teilen in der

Flanschverbindung� die nach innen gerichteten Flanschformen (z.B. Blockflansche)





EN 1591 – nach innen gerichtete Flansche







Flanschverbindung� die nach innen gerichteten Flanschformen (z.B. Blockflansche)� den Einfluss äußerer Axialkräfte und Biegemomente im Gesamtsystem für jeden Lastfall


� das Torsionsmoment am Schraubenschaft bei Schraubenbelastung

� die Berücksichtigung einer maximalen Beanspruchung der Dichtung

� das Schrauben-Anziehverfahren unter Berücksichtigung der damit verbundenen Streuung bei den Schraubenkräften bzw. bei den Anzugsmomenten




EN 1591 – Teil 1 – Schrauben-Anziehverfahren mit Streuung

Schrauben-Anziehverfahren bzw. Meßverfahren Streuwert epsilon (-) epsilon (+)

1: mit Schraubenschlüssel 0,3+0,5*mib 0,3+0,5*mib 2: mit Schlagschrauber 0,2+0,5*mib 0,2+0,5*mib 3: mit Drehmomentenschlüssel 0,1+0,5*mib 0,1+0,5*mib4: mit hydraulischem Dehnzylinder 0,20 0,40 5: Messung der Schrauben-Längung 0,15 0,15 6: Messung des Drehwinkels 0,10 0,10 7: Messung des Drehmomentes und des 0,07 0,07

Drehwinkels der Mutter 8: mit Hytorc-Schrauber und Hytorc-Disc 0,11 0,11

mit Hytorc-Schrauber und Hytorc-Clamp 0,09 0,09

Wird keine Messung der nominalen Schraubenkraft FB0nom unterstellt, so ist diese gleich der mittleren Schraubenkraft FB0av zu setzen:

FB0nom = FB0av >= FB0req * (1-epsilon(-))







Flanschverbindung� die nach innen gerichteten Flanschformen (z.B. Blockflansche)� den Einfluss äußerer Axialkräfte und Biegemomente im Gesamtsystem für jeden Lastfall� das Torsionsmoment am Schraubenschaft bei Schraubenbelastung� die Berücksichtigung einer maximalen Beanspruchung der Dichtung� das Schrauben-Anziehverfahren unter Berücksichtigung der damit verbundenen Streuung

bei den Schraubenkräften bzw. bei den Anzugsmomenten


� Berücksichtigung der Schmierung (glatt + normal + rauh) bei der Ermittlung der Streuung

� unterschiedlichste Flanschdichtflächen und Dichtungsarten




EN 1591 – Dichtflächen-Formen




EN 1591 – Dichtungsarten (1)




EN 1591 – Dichtungsarten (2)








bei den Schraubenkräften bzw. bei den Anzugsmomenten� Berücksichtigung der Schmierung (glatt + normal + rauh) bei der Ermittlung der Streuung� unterschiedlichste Flanschdichtflächen und Dichtungsarten� unterschiedliche Schraubenarten





EN 1591 – Schraubenarten (1)




EN 1591 – Schraubenarten (2)








bei den Schraubenkräften bzw. bei den Anzugsmomenten� Berücksichtigung der Schmierung (glatt + normal + rauh) bei der Ermittlung der Streuung� unterschiedlichste Flanschdichtflächen� unterschiedliche Schraubenarten





FAZIT:

EN 1591 als „Fluch“:� Die Berechnungsmethode ist aufwendig und nur noch mit entsprechender guter Software

optimal einsetzbar.� Die Dichtungskennwerte müssen von den Dichtungsherstellern zum Teil erst noch

gemessen und veröffentlicht werden.

EN 1591 als „Segen“:� Nur mit der Berechnungsmethode nach EN 1591 sind unsere bisherigen DIN-Flansche, die

nun EN-Flansche geworden sind, auch weiterhin einsetzbar.� Ohne die EN 1591-Berechnungsmethode gäbe es auch in Deutschland (und Europa) nur

noch ANSI-Flansche.� Nur mit der Berechnungsmethode nach EN 1591 ist ein Nachweis auf Dichtigkeit

(z.B. nach TA Luft) möglich.

Vergleich von AD / DIN 2505 und EN 1591




DIN EN 1092• Ratings

• Dichtflächentypen

• Materialien

DIN EN 1591 Teil 1• Berechnung

• „Auslastungsgrad“

• Verformung des Flansches

• Dichtheit/Leckage-RatenDIN EN 13555• Dichtungskennwerte

• Prüfungen

• Leckageklassen

DIN EN 1514• Abmessungen der Dichtungen

• Typen von Dichtungen

DIN EN 24015DIN EN ISO 4014/4016/4017/4018• Schrauben

DIN EN 1591 Teil 2

• Kennwerte der Dichtungen




EN 1591 Teil 1 – Berechnungsverfahren für Flanschverbindungen im Krafthauptschluss

� Erstauflage ist erschienen als DIN EN 1591-1:2001-10 F:\DIN_EN_NOrmen\DIN EN 1591-1_(D)_10_2001.pdf

EN 1591

EN 1591 Teil 1 – Berechnungsverfahren für Flanschverbindungen im Krafthauptschluss

� Amendment war geplant

� Neuauflage ist erschienen als DIN EN 1591-1:2009-10

� bzw. als EN 1591-1:2001+A1:2009 (März 2009) !!!!!!!

F:\DIN_EN_NOrmen\DIN EN 1591-1_(D)_10_2009.pdf




EN 1591

DIN EN 1591 Teil 2 – Ausgabe 09/2008 – Dichtungskennwerte (neu)� die Kennwerte sind neu definiert worden

aufgrund der Vorgaben der EN 13555 F:\DIN_EN_NOrmen\DIN EN 1591-2_(D)_09_2008.pdf




EN 1591 – Teil 2 Dichtungskennwerte Ausgabe 2001 (alt)

Quelle: VDI 2200

EG = E0 + K1 x Q0MPaElastizitätsmodulEG

MPaWert von EG extrapoliert für Druckspannung Q0 = 0

E0

[-]Änderungsrate von EG mit der Druckspannung

K1

EG(mit Kriechen) = gc x EG(ohne Kriechen)gc ist ein empirischer Korrekturfaktor für den Elastizitätsmodul EG

[-]Kriechfaktor für DichtungengC

Gleichung (72)Abhängig von Dichtungswerkstoff, Konstruktion, Maßen und Rauheit der Flanschdichtflächen

MPaMaximal zulässige Druckspannung der Dichtung

Qmax

Gleichung (49)Mindest-Druckspannung auf der effektiven Dichtfläche

MPaMindest-Druckspannung der Dichtung im Montage-zustand

Qmin

MPaErforderliche mittlere effektive Druckspannung der Dichtung im Belastungszustand „I“

QI

Verwendung in derFlanschberechnungZielsetzungEinheitDichtungskennwertSymbol




EN 1591 – Teil 2 Dichtungskennwerte Ausgabe 2008 (neu)

Quelle: VDI 2200

Ermittlung der Änderung derDichtungskraft zwischen Einbau- und Betriebszustand

Beschreibung des Rückfederungs-verhaltens der Dichtung

N/mm2ElastizitätsmodulEG

Ermittlung der Änderung derDichtungskraft zwischen Einbau- und Betriebszustand

Beschreibung des Verlustes der Flächenpressung des Flanschaufbaus

[-]Kriech-Relaxations-FaktorPQR

Ermittlung der maximal zulässigenDichtungskraft im Betriebszustand

Vermeidung der Entspannung durchplastische Verformung/Zerstörung der Dichtung im Betriebszustand

N/mm2Höchstflächenpressungim Betriebszustand

QSmax/T

Ermittlung der maximal zulässigenDichtungskraft im Einbauzustand

Vermeidung der Entspannung durchplastische Verformung/Zerstörung der Dichtung im Einbauzustand

N/mm2Höchstflächenpressungim Einbauzustand

QSmax/RT

Ermittlung der Mindestdichtungskraftim Betriebzustand

Gewährleistung der Dichtheit im technischen Sinne (zulässige Leckagerate)

N/mm2Mindestflächenpressungim BetriebszustandQSmin/L

Ermittlung der Mindestdichtungskraftim Einbauzustand

Optimale Anpassung an den Dichtflächen und Schließen innerer Hohlräume

N/mm2Mindestflächenpressungim Einbauzustand

Qmin/L

Verwendung in derFlanschberechnung

ZielsetzungEinheitDichtungskennwertSymbol




Neue Definitionen in der DIN EN 1591-1 Ausgabe 10/2009:

� Definition von Leckageklassen „L“� L1,0 bis L0,00001.

� Dichtungsklasse Spezifische Leckagerate [mg/(s.m)]L1,0 <= 1,0L0,1 <= 0,1L0,01 <= 0,01.

� Qmin[L] - Mindest-Dichtungsflächenpressung im Montagezustand undQS,min[L ] - Mindest-Dichtungsflächenpressung für alle Zustände außer im Montagezustand

� Qmax - maximal zul. Dichtungspressung bei Betriebstemperatur [Gleichungen (72b), (72c)]� QS,max - maximal zul. Dichtungspressung bei Betriebstemperatur [Gleichungen (72a), (72b)]

� QA - Dichtungsflächenpressung im Montagezustand vor der Entlastung, der für die Gültigkeit von QS,min[L] bei Betriebsbedingungen erforderlich ist




EN 1591



� wurden und werden momentan aufgrund der EN 13555 von den Herstellern neu ermittelt und veröffentlicht

� siehe www.gasketdata.org..\..\index.html




EN 1591



� aber Vorsicht bzgl. der QSmax -Werte und der PQR –Werte :PQR = Verhältnis von Restflächenpressung zu Ausgangsflächenpressungjedoch OHNE eine Vorgabe der Formbeständigkeit !!!!!

� siehe Veröffentlichung der Firma KLINGER F:\DIN_EN_NOrmen\Klinger_PQS_Werte.doc




EN 1591 – Der Flansch als Gesamtsystem

Ich danke für Ihre Aufmerksamkeit.Für Fragen stehe ich gerne zur Verfügung.

Sie erreichen mich unter:[email protected]

oderTel. +49 - 208 – 43 789 785Fax +49 - 208 – 43 789 786

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