Dicht in Theorie und Praxis

Flachdichtungen korrekt berechnen

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17.10.2014 Gamechanger oder Auslegungssache? Im Rahmen eines Auftrages durch den Dichtungshersteller Jungtec aus Pulheim-Brauweiler führte das Engineering-Unternehmen Planting diverse Berechnungen nach EN 1591 und FEM-Analysen durch. Gegenstand der Untersuchungen waren Flanschverbindungen nach EN 1092-1 für einen Nenndruck von 40 bar und einer Temperatur von 300 °C in der Nennweite DN 50 bis 400.

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Entscheider-Facts Für Betreiber und Planer

  • Die bisher gängige Berechnungsmethode der Prüfnorm EN 13555 für Flachdichtungen spiegelt das Verhalten bestimmter Dichtungstypen nicht korrekt wider. Zu diesem Schluss kam das Engineering-Unternehmen, als es verschiedene Dichtungen in Theorie und Praxis untersuchte.
  • Daher entwickelte der Autor ein Verfahren, mit dem sich Flachdichtungen verlässlich auf ihr Verhalten gegenüber Dauerbelastungen prüfen lassen. Hierdurch reduzieren Betreiber die Gefahr einer versagenden Dichtung - das schont den Geldbeutel des Betreibers wie auch die Umwelt.

Der Untersuchung lagen folgende Dichtungstypen zugrunde:
1. TA-Luft-Grafitflachdichtung mit genadeltem 0,1 mm dickem Edelstahlblech und einem Innenbördel aus Edelstahl 1.4571 mit einer Gesamtdicke von 2 mm. Der verwendete Grafit dieser Dichtung weist ein geringes Abbrandverhalten auf.
2. TA-Luft-Flachdichtung aus expandiertem Grafit, mit einem Reinheitsgrad von 99 %, mit Streckmetalleinlage aus Edelstahl und einem Innenbördel aus Edelstahl 1.4571 mit einer Gesamtdicke von 2 mm.
3. Geprägte Kammprofil-Flachdichtung aus 0,1 mm dickem Edelstahlblech mit beidseitigen gekapselten Grafitauflagen mit einer Gesamtdicke von 1,5 mm des Dichtungsherstellers.
Das Flächenverhältnis – das im Rahmen dieser Untersuchung eine wichtige Rolle spielte – der ersten beiden Dichtungen zur dritten Dichtung beträgt circa 3,76 : 1. Unter anderem war es Aufgabe des Unternehmens zu ergründen, woran es liegen könnte, dass die geprägte Kammprofil-Flachdichtung im praxisbezogenen Einsatz, also in Bezug auf ein dauerhaftes Relaxationsverhalten, besser abschneidet als die anderen beiden untersuchten breiten Flachdichtungstypen. Die konstruktive Ausführung der geprägten Kammprofil-Flachdichtung bestätigte im Test eine dauerhafte dichte Verbindung unter realen Betriebsbedingungen. Insbesondere dort, wo breite Flachdichtungen über einen längeren Zeitraum unter Betriebsbedingungen in Bezug auf die Anforderungen von Dichtheitskriterien (TA Luft) versagten.

Vergleich der Dichtungen
Der metallische Grundkörper der untersuchten schmalen Dichtung hat besondere Eigenschaften, die für die Standzeit der Dichtung unter realen Betriebsbedingungen von Bedeutung sind. Durch zahlreiche FEM-Analysen von metallischen Grundkörpern dieses Dichtungstyps im Vergleich zu den oben genannten breiten Flachdichtungen stellten die Prüfer fest, dass derartige Dichtungen diese besonderen Eigenschaften nicht besaßen. Die Eigenschaften bestehen darin, dass die Gesamtkonstruktion des Metallkörpers in Verbindung mit der Graphitauflage so gestaltet ist,
dass sich insgesamt ein Dichtungskörper ergibt, der trotz seiner geringen wirksamen Dichtungsbreite von den möglichen Schraubenkräften in einer Flanschverbindung praktisch und theoretisch nicht zerstört werden kann. Diese Eigenschaft der schmalen Kammprofil-Flachdichtung bewirkt ein besonders gutes temperatur- und druckneutrales Elastizititäs- und Relaxationsverhalten. Durch diese Eigenschaft, die offensichtlich auf Dauer unter realen Betriebsbedingungen wirksam ist, ist die schmale geprägte Kammprofil-Flachdichtung den breiten Flachdichtungen, die ähnliche oder sogar bessere Kennwerte nach EN 13555 haben, in der Praxis in Bezug auf das geforderte Dichtheitskriterium offensichtlich überlegen. Im Vergleich haben die breiten Flachdichtungen unter anderem geringere Kennwerte, das heißt geringere erforderliche Mindestflächenpressungen bei annähernd gleichen PQR-Werten. Und geringere Mindestflächenpressungen bezogen auf das Erreichen einer bestimmten Dichtheitsklasse bedeutet salopp formuliert: bessere Dichtung. Da die schmale Dichtung gegenüber den breiten Dichtungen wegen ihrer beschriebenen Eigenschaften in der Praxis besser abschneidet, ist davon auszugehen, dass die Kennwerte für derartige Dichtungen, die nach der EN 13555 ermittelt werden und in der Datenbank der Universität Münster festgehalten sind, die dauerhaften Betriebseigenschaften solcher Dichtungen nicht richtig abbilden.

Kennwertermittlung nach EN 13555
Zwei Themen der Prüfnorm EN 13555 scheinen auf Basis unserer Untersuchungsergebnisse betrachtenswert: Zum einen ist es bekanntlich so, dass das Ermitteln der Kennwerte der Dichtungen auf Basis des technischen Kriteriums Flächenpressung geschieht. Das heißt, beim Prüfen einer schmalen Dichtung nach EN 13555 wird – um bei kleineren Dichtflächen auf die gleiche Flächenpressung zu kommen – bei gleicher Nennweite und sonst gleichen Prüfkriterien eine unter anderem wesentlich geringere Prüfkraft zur Anwendung gebracht. Diese geringere Prüfkraft hat zur Folge, dass die schmalen Dichtungen, bei den nach der EN 13555 ermittelten Kennwerten, insbesondere in Bezug auf reale Vergleichszustände, wesentlich schlechter abschneiden. Dies könnte wie folgt begründet werden: In einer Flanschverbindung gibt es auf Basis einer vorgegebenen Nennweite und Druckstufe sowie eines gewählten Schraubentyps und Werkstoffs eine begrenzte Schraubenkraft, die zur Verfügung steht. In der Flanschverbindungstechnik ist es allgemein üblich, dass es auf Basis der notwendigen Flanschverbindungsnachweise vordefinierte Anzugsmomente und Anzugsverfahren gibt, die zu einer maximal zulässigen Gesamtschraubenkraft führen. Um einen praxisbezogenen beziehungsweise realen Vergleich zweier in die gleiche Flanschverbindung eingebauten Dichtungen zu erhalten, würde der Prüfer aus technischer Sicht einfach die eine Dichtung (beispielsweise eine breite Flachdichtung durch eine schmale Flachdichtung) austauschen und die Verbindung mit dem gleichen Anzugsmoment beziehungsweise mit der gleichen Gesamtschraubenkraft herstellen. Einen derartig praxisbezogenen Vergleich gibt es im hydraulischen Prüfverfahren der EN13555 nicht, da bei einer schmalen Dichtung eine wesentlich geringere Kraft als bei einer breiten Flachdichtung zum Einsatz kommt.

Theorie vs. Praxis
Im Fall der im Rahmen dieser Arbeit untersuchten Flanschverbindungen PN 40 am Beispiel der DN 50 Nennweite beträgt das Verhältnis der Dichtungsflächen zwischen der Flachdichtung nach EN 1514-1 und der schmalen Dichtung 3,76 : 1. Das bedeutet, dass die Leckageprüfung der breiten Flachdichtungen auf Basis einer um den Faktor 3,76 höheren Dichtflächenkraft erfolgt. Unter realen Bedingungen ist bei der hier genannten schmalen Dichtung bei gleicher Schraubenkraft aber eine 3,76-fach höhere Flächenpressung vorhanden. Auf Basis der gleichen Prüfkräfte sind bei schmalen Dichtungen aus rein physikalischen Gesichtspunkten bei höheren Flächenpressungen höherwertigere Dichtheitsklassen zu erwarten. Um einen realitätsnahen Vergleich von schmalen Dichtungen gegenüber Dichtungen mit den Abmessungen nach Prüfnorm, hier nach EN 1514-1, herzustellen, wäre folgende Vorgehensweise möglich: Das Ermitteln von Qmin(L) und QSmin(L) erfolgt mit den gleichen beziehungsweise normierten Prüfkräften. Außerdem sollte der Prüfer die Flächenpressungskennwerte nicht auf die reale Prüffläche der schmalen Dichtung, sondern auf die Normfläche der breiten Dichtung, die sich aus der Dichtleiste und der Dichtungsgeometrie nach EN 1514-1 ergibt, beziehen. Die so ermittelten mindestens erforderlichen Flächenpressungskennwerte multipliziert er anschließend mit dem Zahlenwert des Flächenverhältnisses (ANorm/ Aschmal). Bei dieser Vorgehensweise würden die so ermittelten Dichtungskennwerte nach EN 13555 Qmin(L) und QSmin(L) die betriebsrelevanten Eigenschaften nach Auffassung des Engineering-Unternehmens besser abbilden und damit einen korrekten praktischen Vergleich von schmalen und breiten Flachdichtungen ermöglichen.

Repräsentative Haltezeit in der Prüfprozedur

Ebenfalls entscheidend für die Dichtheit einer Flanschverbindung unter realen Betriebsbedingungen ist die Fähigkeit der Dichtung, unter wechselnden Drücken, Temperaturen, Kräften und Momenten eine dauerhafte Elastizität beziehungsweise Relaxation zu ermöglich. Besitzt eine Dichtung diese Eigenschaft auf Dauer nicht, so sind sämtliche rechnerischen Nachweise von Flanschverbindungen in Bezug auf das nachgewiesene Dichtheitskriterium nicht mehr von praktischer Relevanz, da die Verbindungen undicht werden und damit das Dichtheitskriterium in der Realität nicht mehr erfüllen. Die EN 13555 fordert zum Ermitteln dieser Eigenschaft, also des PQR-Wertes, eine vierstündige Haltezeit. Druckgeräte, beispielsweise Apparate und Rohrleitungen, werden in bestimmten Fristen einer wiederkehrenden Prüfung unterzogen. In deren Rahmen tauscht das Personal in der Regel die Dichtungen und Schrauben aus. Damit keine Belastungen für Mensch und Umwelt durch schädliche Medien entstehen, müssen Flanschverbindungen über diesen Zeitraum dicht bleiben. Um einen Kennwert für diese Forderung zu erhalten, fordert die EN 13555 die vierstündige Haltezeit, die im oben genannten Zusammenhang als unzureichend betrachtet werden muss. Denn schneidet eine bestimmte Dichtung im praktischen Einsatz gegenüber einer anderen – unter sonst vollkommenen identischen Bedingungen – deutlich schlechter ab, so ist dies im Wesentlichen auf einen nicht auf Dauer vorhandenen PQR-Wert beziehungsweise eine nicht auf Dauer vorhandene Elastizität und Relaxation zurückzuführen. Durch im Rahmen dieser Arbeit vorgelegte Referenzen wurde für die schmale Dichtung des Auftraggebers bestätigt dass dort, wo alternative breite Flachdichtungen auf Dauer versagten, eine dauerhafte Dichtheit der Verbindungen zu erreichen ist. Gemäß des PQR-Wertevergleichs nach EN 13555 hätten die Dichtungen, die versagt haben, auch dauerhaft dichte Verbindungen liefern müssen. Daher spiegeln die derzeit vorliegenden PQR-Werte nach Meinung des Engineering-Dienstleisters kein dauerhaftes Relaxationsverhalten wieder. Um einen nach modernen statistischen Gesichtspunkten repräsentativen Wert nach EN 13555 zu erhalten, sollte die bisherige Haltezeit von vier Stunden zum Bestimmen des Werte erheblich erhöht werden. Die geprägte gekammerte Kammprofildichtung übertrifft mit 5.6er Schrauben bei weitem die Anforderungen der VDI 2290.

Zur Berechnung
Weitere technische Dichtungskenngröße

Eine weitere Erkenntnis der Untersuchung besteht darin, dass selbst bei Umsetzen der in diesem Bericht diskutierten Ansätze, in Bezug auf die Kennwertermittlung nach EN 13555, eine unter realen Betriebsbedingungen wichtige Komponente immer noch unberücksichtigt bleibt: Das in Betrag und Richtung veränderliche resultierende Biegemoment einer Flanschverbindung. Für diese Belastungskomponente sollte ebenfalls eine entsprechende Prüfprozedur entwickelt werden, die zu einer weiteren technischen Kenngröße führen könnte. Diese Kenngröße, die das Dichtheitsverhalten einer Dichtung in Bezug auf veränderliche Biegemomente kennzeichnen würde, könnte ein entscheidender Fortschritt für das theoretische Abbilden von Dichtheitskriterien, unter realen Betriebsbedingungen sein. Top31501

Hier gelangen Sie zum Dichtungshersteller.

Und hier zum Engineering-Unternehmen, das die bisherige Berechnungsmethode nach EN 13555 untersucht hat.

Weitere Beiträge rund um das Thema Dichtungstechnik finden Sie hier.

Heftausgabe: Oktober 2014
Heinz-Jakob Spies, Teamleiter Design & Calculation bei Planting

Über den Autor

Heinz-Jakob Spies, Teamleiter Design & Calculation bei Planting

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