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Strategie zur Verminderung von Emissionen aus Flanschverbindungen
(2015) Schaaf, Manfred; Roos, Eberhard (Prof. Dr.-Ing. habil.)
Stetig steigende Anforderungen an die Dichtheit von Flanschverbindungen bzw. an die Begrenzung von flüchtigen Emissionen stellen immer neue Herausforderungen an Betreiber aller Industrieanlagen, insbesondere in der chemischen und petrochemischen Industrie. Nationale oder europäische Regelwerke bieten hinsichtlich der Umsetzung dieser Umweltschutzziele nur unzureichend genaue Angaben, so dass die Betreiber immer zu individuellen Lösungen für ihren Standort tendieren. Ziel der vorliegenden Arbeit soll es daher sein, die Grundlage zur Ergänzung der betreffenden Normen und Richtlinien zu erarbeiten, damit zukünftig ein umfassendes, einheitliches und akzeptiertes Verfahren zur Begrenzung von Emissionen aus Flanschverbindungen zur Verfügung steht. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden diverse Weiterentwicklungen der Prüfeinrichtungen zur Ermittlung von Dichtungskennwerten realisiert, die die Genauigkeit der ermittelten Kennwerte erhöhen und die Reproduzierbarkeit der Ergebnisse steigern. Durch neu entwickelte Auswertealgorithmen mit Hilfe von gebrochen rationalen Funktionen können die Dichtungseigenschaften über wenige Parameter in Abhängigkeit von den Prüfparametern charakterisiert werden. Eine solche Beschreibung der Kennwerte bringt bei der Anwendung in der Berechnung von Flanschverbindungen letztendlich deutliche Vorteile, da im Prinzip für jeden beliebigen Zustand die zugehörigen Dichtungskennwerte aus diesen Näherungsfunktionen ermittelt werden können. Dies ist nicht nur für analytische Berechnungsverfahren wie EN 1591-1, sondern auch für Finite Elemente Berechnungen von großer Bedeutung, da somit die elastoplastischen Verformungseigenschaften realitätsnah abgebildet werden können. Bei der Durchführung der Kriech-/Relaxationsversuche können die größten Vereinfachungen umgesetzt werden. Aus einhüllenden Verformungskurven bei Raumtemperatur und bei Betriebstemperatur und der nominellen Dichtungshöhe kann das Setzen der Dichtung für jede Steifigkeit der Flanschverbindung berechnet werden. Die experimentell gewonnenen Erkenntnisse bei der Kennwertermittlung wurden in der vorliegenden Arbeit in den Berechnungsalgorithmus der EN 1591-1 integriert. Dies betrifft die Berücksichtigung der Verformung der Dichtung zur realistischen Abschätzung der Dichtungshöhe im Montagezustand genauso wie die modifizierte Definition des Kriech-/Relaxationsverhaltens der Dichtungen oder die Betrachtung der Abtragbarkeit von Querlasten über Reibung zwischen Dichtung und Flanschdichtflächen. Zentraler Punkt bei den rechnerischen Nachweisen ist aber die Bestimmung der Flanschblattneigung und der daraus resultierenden effektiv verpressten Dichtungsbreite. Hierbei wird nun erstmalig das reale Verformungsverhalten der Dichtung und die daraus resultierende Flächenpressungsverteilung über die Breite der Dichtung bei der Bestimmung einer effektiv verpressten Dichtungsgeometrie berücksichtigt. Der Begriff der effektiven Breite muss hierbei neu definiert werden. Es handelt sich nicht um den Teil der Dichtung, der mit den Dichtflächen in Kontakt steht, sondern durch die reduzierte effektive Breite wird vielmehr das Verformungsverhalten der Flansche bei der Annahme einer konstanten Flächenpressung realitätsnah wiedergegeben. Im Rahmen des Dichtheitsnachweises von Flanschverbindungen wird nicht nur gezeigt, dass die Mindestdichtungsflächenpressung in allen Betriebszuständen für die angestrebte Dichtheitsklasse nicht unterschritten wird, sondern dass ebenso ein genügend großer Sicherheitsabstand gegen das Ausblasen der Dichtung eingehalten wird. Im Rahmen der Verifikation der neuen analytischen Berechnungsalgorithmen zur Bestimmung der Flanschblattneigung, der effektiv verpressten Dichtungsbreite und der Flächenpressungsverteilung über die Dichtungsbreite wurde eine gute Übereinstimmung zu Finite Elemente Berechnungen nachgewiesen. Allerdings ist hierfür eine Modifikation des effektiven Lochkreisdurchmessers erforderlich, von dem aus der Hebelarm der wirkenden Dichtungskraft ermittelt wird. Die Ergebnisse bestätigen letztendlich auch die neue Begriffsdefinition der effektiven Breite der Dichtung, um das Verformungsverhalten der Flansche bei der Annahme einer konstanten Flächenpressung realitätsnah wiederzugeben. Zusammenfassend kann festgehalten werden, dass mit der entwickelten mathematischen Darstellung der Dichtungscharakteristika und deren Integration in einen neuen analytischen Berechnungsalgorithmus zur Ermittlung der auftretenden Verformungen das Auslegungsverfahren für Flanschverbindungen im Krafthauptschluss mit dem Ziel der Emissionsminderung wesentlich verbessert und auch vereinfacht werden kann.