Experimentelle und numerische Untersuchung des Relaxationsverhaltens von Rohrflanschverbindungen

Abstract

Um Rohrflanschverbindungen im Hochtemperaturbereich sicher auslegen- und überwachen zu können, ist ein detailliertes Wissen ihres Relaxationsverhaltens nötig. Aufgrund der Wechselwirkung zwischen dem Verformungsverhalten des Flanschkörpers, der Schrauben und der Dichtung ist die Bestimmung der Spannungsverteilung in einer Flanschverbindung äußerst komplex. Zur Absicherung konstruktiver Gestaltungsrichtlinien für Rohrflanschverbindungen wurden drei, in Werkstoff und geometrischer Gestaltung unterschiedliche Modellflanschverbindungen (Maßstab 1:2,5) unter Innendruck (55 bar) experimentell untersucht. Bei den Experimenten wurde das Verformungsverhalten der Flanschkörper sowie die Restspannung der Schrauben on-line mittels kapazitiver Hochtemperatur-Wegaufnehmer sowie durch Messungen bei Versuchsende bestimmt. Zusätzlich wurden für alle drei Flanschverbindungen analytische Untersuchungen auf der Basis der Finiten Elemente Analyse (FEM) durchgeführt. In den Berechnungen wurde das elastisch-viskoplastische Materialverhalten in Form von Kriechgesetzen berücksichtigt. Es ergab sich eine zufriedenstellende Übereinstimmung zwischen experimentellen Ergebnissen und den Berechnungen, die zeigten, daß die FEM eine verläßliche Methode ist, um das Langzeitverhalten von Rohrflanschverbindungen bestimmen zu können.

For the design and supervising of pipe flange connections used in high temperature plant, detailed knowledge about their relaxation behaviour is required. Due to the interaction between the deformation of flange cast, bolts and gasket and the different time dependent material behaviour of the components, the determination of the stress on a flange connection is very complex. To obtain design rules for pipe flange connections, three different types (in terms of material and design) of pressurized (55 bar) model pipe flange joints (scale 1:2,5) were tested. In the tests the deformation of the flanges and the remanent stress on the bolts was measured on-line by capacitive high-temperature strain gages and at the end of the tests. Additionally analytical investigations were made by means of inelastic finite element analysis (FEM). In the calculations the elastic-viscoplastic materials behaviour was described by creep laws. A suitable coincidence between both, experimental and numerical results could be observed and the FEM could be established as a suitable, reliable tool to determine the time dependent behaviour of pipe flange connections.