Optimale, realitätsnahe Flanschberechnungen - … · flangevalid / ANSYS - Modellierung einer...

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Lannewehr + Thomsen GmbH & Co. KG Ingenieurbüro für Apparate- Rohrleitungs- und Dichtungstechnik Optimale, realitätsnahe Flanschberechnungen Dipl.-Ing. Gerd Lannewehr Peter Thomsen Lannewehr + Thomsen GmbH & Co.KG D-28211 Bremen www.flangevalid.com [email protected]

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Lannewehr + Thomsen GmbH & Co. KG Ingenieurbüro für Apparate- Rohrleitungs- und Dichtungstechnik

Optimale, realitätsnahe

Flanschberechnungen

Dipl.-Ing. Gerd Lannewehr

Peter Thomsen

Lannewehr + Thomsen GmbH & Co.KG

D-28211 Bremen

www.flangevalid.com

[email protected]

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Themenübersicht - 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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II

IV

V

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

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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V

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

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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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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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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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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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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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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®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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®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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Lannewehr + Thomsen GmbH & Co. KG Ingenieurbüro für Apparate- Rohrleitungs- und Dichtungstechnik Modellierung einer Flanschverbindung

mit dem flangevalid-System-Designer 3D

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Lannewehr + Thomsen GmbH & Co. KG Ingenieurbüro für Apparate- Rohrleitungs- und Dichtungstechnik Import IGS-Datei aus ®flangevalid

in das ANSYS Design

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Lannewehr + Thomsen GmbH & Co. KG Ingenieurbüro für Apparate- Rohrleitungs- und Dichtungstechnik Import in ANSYS Mechanical

sowie Netzgenerierung

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Lannewehr + Thomsen GmbH & Co. KG Ingenieurbüro für Apparate- Rohrleitungs- und Dichtungstechnik Dichtungskennwerte bei 20°C

-Herstellerangabe Moeller Metalldichtungen

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Lannewehr + Thomsen GmbH & Co. KG Ingenieurbüro für Apparate- Rohrleitungs- und Dichtungstechnik Dichtungskennwerte bei 200°C

- Herstellerangabe Moeller Metalldichtungen

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Lannewehr + Thomsen GmbH & Co. KG Ingenieurbüro für Apparate- Rohrleitungs- und Dichtungstechnik Dichtungskennwerte bei 400°C

- Herstellerangabe Moeller Metalldichtungen

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Lannewehr + Thomsen GmbH & Co. KG Ingenieurbüro für Apparate- Rohrleitungs- und Dichtungstechnik Temperaturprofil Anfahrzustand

von 20°C auf 200°C

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Lannewehr + Thomsen GmbH & Co. KG Ingenieurbüro für Apparate- Rohrleitungs- und Dichtungstechnik Externe Zusatzkräfte

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Lannewehr + Thomsen GmbH & Co. KG Ingenieurbüro für Apparate- Rohrleitungs- und Dichtungstechnik Externe Zusatzmomente

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Lannewehr + Thomsen GmbH & Co. KG Ingenieurbüro für Apparate- Rohrleitungs- und Dichtungstechnik

Lastaufbringung in ANSYS Mechanical

Schraubenvorspannkraft, Innendruck

externe Zusatzlasten

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Lannewehr + Thomsen GmbH & Co. KG Ingenieurbüro für Apparate- Rohrleitungs- und Dichtungstechnik Von Mises Spannungen

der Schrauben

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Lannewehr + Thomsen GmbH & Co. KG Ingenieurbüro für Apparate- Rohrleitungs- und Dichtungstechnik Von Mises Spannungen

der Flanschverbindung

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Lannewehr + Thomsen GmbH & Co. KG Ingenieurbüro für Apparate- Rohrleitungs- und Dichtungstechnik Flächenpressung der Dichtung unter

Berücksichtigung externer Zusatzlasten

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Lannewehr + Thomsen GmbH & Co. KG Ingenieurbüro für Apparate- Rohrleitungs- und Dichtungstechnik Schubspannung der Dichtung unter

Berücksichtigung externer Zusatzlasten

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Lannewehr + Thomsen GmbH & Co. KG Ingenieurbüro für Apparate- Rohrleitungs- und Dichtungstechnik 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 von flangevalid der Norm-Standardelemente,

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!