| 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
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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
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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
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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
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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
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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
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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.
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Vorschweißflansch mit Kräften nach DIN 2505 und EN 1591 – Teil 1
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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.
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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
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EN 1591 – Anschließendes Bauteil
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EN 1591 berücksichtigt folgende Einfluss-Parameter, die in der DIN 2505 fehlten:
� die Nachgiebigkeit der Verbindung� den Einfluss von angeschlossenen Bauteilen (zylindrische oder konische Schalen, Kugeln,
gewölbte Böden) bzgl. Elastizitätsverhalten der Flanschverbindung
Vorteile von EN 1591
� den Einfluss der Differenzen der Ausdehnungskoeffizienten von geklemmten Teilen in der Flanschverbindung
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EN 1591 – geklemmte Bauteile (1)
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EN 1591 – geklemmte Bauteile (2)
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EN 1591 – geklemmte Bauteile (3)
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EN 1591 berücksichtigt folgende Einfluss-Parameter, die in der DIN 2505 fehlten:
� 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� die nach innen gerichteten Flanschformen (z.B. Blockflansche)
Vorteile von EN 1591
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EN 1591 – nach innen gerichtete Flansche
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EN 1591 berücksichtigt folgende Einfluss-Parameter, die in der DIN 2505 fehlten:
� 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� die nach innen gerichteten Flanschformen (z.B. Blockflansche)� den Einfluss äußerer Axialkräfte und Biegemomente im Gesamtsystem für jeden Lastfall
Vorteile von EN 1591
� 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
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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(-))
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EN 1591 berücksichtigt folgende Einfluss-Parameter, die in der DIN 2505 fehlten:
� 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� 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
Vorteile von EN 1591
� Berücksichtigung der Schmierung (glatt + normal + rauh) bei der Ermittlung der Streuung
� unterschiedlichste Flanschdichtflächen und Dichtungsarten
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EN 1591 – Dichtflächen-Formen
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EN 1591 – Dichtungsarten (1)
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EN 1591 – Dichtungsarten (2)
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EN 1591 berücksichtigt folgende Einfluss-Parameter, die in der DIN 2505 fehlten:
� 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� 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� unterschiedliche Schraubenarten
Vorteile von EN 1591
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EN 1591 – Schraubenarten (1)
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EN 1591 – Schraubenarten (2)
| 26-Nov-10 | Beate Schettki-Schäferdieck |27
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EN 1591 berücksichtigt folgende Einfluss-Parameter, die in der DIN 2505 fehlten:
� 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� 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� unterschiedliche Schraubenarten
Vorteile von EN 1591
| 26-Nov-10 | Beate Schettki-Schäferdieck |28
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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
| 26-Nov-10 | Beate Schettki-Schäferdieck |29
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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
| 26-Nov-10 | Beate Schettki-Schäferdieck |30
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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
| 26-Nov-10 | Beate Schettki-Schäferdieck |31
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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
| 26-Nov-10 | Beate Schettki-Schäferdieck |32
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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
| 26-Nov-10 | Beate Schettki-Schäferdieck |33
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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
| 26-Nov-10 | Beate Schettki-Schäferdieck |34
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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
| 26-Nov-10 | Beate Schettki-Schäferdieck |35
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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
� wurden und werden momentan aufgrund der EN 13555 von den Herstellern neu ermittelt und veröffentlicht
� siehe www.gasketdata.org..\..\index.html
| 26-Nov-10 | Beate Schettki-Schäferdieck |36
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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
� 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
| 26-Nov-10 | Beate Schettki-Schäferdieck |37
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EN 1591 – Der Flansch als Gesamtsystem
Ich danke für Ihre Aufmerksamkeit.Für Fragen stehe ich gerne zur Verfügung.
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oderTel. +49 - 208 – 43 789 785Fax +49 - 208 – 43 789 786