Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.18419/opus-6452
Authors: Kurz, Hariolf
Title: Auslegung und Optimierung von Flanschverbindungen mit SMC-Losflanschen und PTFE-Dichtungen
Other Titles: Design and optimization of bolted flange connections with SMC-slip-on-flanges and PTFE-gaskets
Issue Date: 2014
metadata.ubs.publikation.typ: Dissertation
URI: http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bsz:93-opus-94365
http://elib.uni-stuttgart.de/handle/11682/6469
http://dx.doi.org/10.18419/opus-6452
Abstract: Die Anforderungen an Rohrleitungen aus glasfaserverstärktem Kunststoff (GFK) sind im Hinblick auf die Dichtheit, die Medienbeständigkeit und die Betriebssicherheit in den letzten Jahren gestiegen. Dennoch müssen die Betreiber chemischer Anlagen mit Rohrleitungen aus glasfaserverstärktem Kunststoff mit Losflanschen aus sheet-molding-compound (SMC) diese nachweislich sicher betreiben. Die Motivation zu dieser Arbeit liegt darin, dieses Bestreben mit der Auswahl von geeigneten PTFE-Dichtungen und mit der Untersuchung und Optimierung des mechanischen Verhaltens der SMC-Losflansche sowie ihrer analytischen Berechnung zu unterstützen. Die gewonnenen Erkenntnisse sind im Folgenden zusammengefasst. • Optimierung der Dichtungen In diesem Themenbereich wurden neun verschiedene Dichtungen aus Polytetrafluorethylen (PTFE) und zwei Gummidichtungen hinsichtlich ihrer Eignung für den Einsatz in GFK-Flanschverbindungen untersucht. Die Basis der Untersuchungen bildeten die Dichtungskennwerte nach DIN EN 13555, welche unter reduzierten Anfangspressungen im Leckage- und Stauchversuch und bei niedrigerer Steifigkeit und verlängerter Versuchsdauer im Kriechrelaxationsversuch ermittelt wurden. Vier PTFE-Dichtungen stellten sich im Leckageversuch als besonders geeignet heraus. An diesen wurden zusätzlich Untersuchungen zum Rückfeder- und Kriechrelaxationsverhalten durchgeführt. Die wichtigsten Erkenntnisse aus der Dichtungsprüfung sind zum einen, dass das Leckageratenkriterium der TA Luft mit 0,01 mbar•l/(s•m) bei 40 bar Helium von einigen PTFE-Dichtungen auch bei den in GFK-Flanschverbindungen typischen Flächenpressungen unterhalb 10 MPa eingehalten werden kann. Zum anderen entspricht das Rückfederverhalten der PTFE-Dichtungen dem der Gummidichtungen und die Kriechrelaxation der PTFE-Dichtungen unter den Bedingungen in GFK-Flanschverbindungen ist mit etwa 80% verbleibender Flächenpressung im Betrieb akzeptabel. Der Verlust der Vorspannkraft der Flanschverbindung im Betrieb resultiert maßgeblich aus der Kriechrelaxation der GFK-Flansche. Zur Optimierung von PTFE-Dichtungen werden von den Dichtungsherstellern verschiedene Maßnahmen getroffen, wie zum Beispiel die Kombination unterschiedlicher Werkstoffe oder Variation der Dichtungsgeometrie, welche das Abdichtverhalten verbessern. Um die Auswirkungen dieser Modifikationen rechnerisch erfassen zu können, wurde ein zweistufiges numerisches Konzept entwickelt, welches die Durchlässigkeit der Dichtung mit einem Transportansatz beschreibt. Dafür wird im ersten Schritt in einer Finite-Elemente-Simulation die Flächenpressungsverteilung der Dichtung bestimmt. Die lokale Dichtheit kann mit dem Leckageversuch nach DIN EN 13555 bestimmt und in einem zweiten Schritt der in Finite Elemente diskretisierten Dichtung örtlich zugewiesen werden. Die Lösung des Transportproblems führt zur Druckverteilung innerhalb der Dichtung und zur globalen Leckagerate der optimierten Dichtung. Diese Vorgehensweise liefert im Vergleich zu den gemessenen Druckprofilen innerhalb unter-schiedlich verpresster Dichtungen und für die globale Leckagerate einer vorverpressten PTFE-Dichtung konsistente Werte. Dem entsprechend konnte die Reduktion der Leckagerate einer durch Vorverpressen optimierten PTFE-Flachdichtung um den Faktor 3000 korrekt vorhergesagt werden. Die Methodik ermöglicht ebenfalls eine realistische Bewertung der Dichtheit von Flansch-verbindungen mit der Finite-Elemente-Methode (FEM), mit dem Ergebnis, dass in der Regel die zur Einhaltung der Dichtheit benötigten Mindestwerte der Schraubenkräfte im Vergleich zur herkömmlichen Bewertung der Dichtheit mit der mittleren Flächenpressung der Dichtung geringer werden. • Optimierung der Flansche Zunächst wurde der fertigungsbedingte Lagenaufbau und die damit verbundenen Werkstoffeigen-schaften der SMC-Losflansche bestimmt. Es handelt sich um eine unregelmäßige Verteilung eines transversal isotropen Lagenaufbaus. Dies wurde durch die Untersuchung der Mikrostruktur verdeutlicht, wobei festgestellt wurde, dass innerhalb der Flansche neben den eingeschlossenen Luftblasen auch die Matrix zwischen den Fasern von mikroskopischen Lufteinschlüssen durchsetzt ist. Aus diesem Grund weichen die Elastizitätskonstanten aus der theoretischen Herleitung deutlich von den gemessenen Werten an Bauteilausschnitten ab. Die Untersuchung des mechanischen Verhaltens der SMC-Losflansche wurde in einem Stauchversuch durchgeführt. Der Unterschied zur genormten Vorgehensweise nach DIN EN 16966 Teil 7 besteht darin, dass die Last kontinuierlich bis zum Bauteilversagen aufgebracht und dabei die axiale Verformung des Losflansches aufgezeichnet wird. Die Auswertung des Stauchverhaltens liefert als Ergebnis die maximale Traglast und die Steifigkeit der Losflansche. Beide Werte sind zur Bestimmung der Qualität einer Flanschverbindung von entscheidender Bedeutung. Zusätzlich werden mögliche Schwächen im Bauteil, welche zu vorzeitigem Versagen führen, erkannt. Dies ermöglicht dem Hersteller, beispielsweise durch die Variation des Lagenaufbaus oder des Matrixwerkstoffes, die Eigenschaften der Losflansche zu optimieren. Mit der messtechnischen Erfassung des Kriechrelaxationsverhaltens unter Temperatur in einem speziell dafür entwickelten Prüfstand wurde bestätigt, dass der Vorspannkraftverlust der Flanschverbindung im Betrieb maßgeblich durch die viskose Verformung der Flansche bedingt ist. Mit dem Ziel, den Lagenaufbau der SMC-Losflansche zu verbessern und die analytische Beschreibung der Losflansche zu verifizieren, wurde ein Finite-Elemente-Modell der Flanschverbindung erstellt. Darin wurden die an Bauteilausschnitten senkrecht und längs der SMC-Matten ermittelten anisotropen Elastizitätskonstanten, Festigkeits- und Kriecheigenschaften mittels geeigneter Werkstoffmodelle eingebunden. Der unregelmäßige Lagenaufbau wurde durch die Anpassung der Elementkoordinatensysteme an die an Schnitten visuell ermittelte Orientierung der SMC-Matten abgebildet. Die Bewertung der Ergebnisse der FE-Simulation mit der Festigkeits-hypothese nach Tsai-Wu bestätigt das verbesserte Tragverhalten eines Losflansches mit dem durch eine Fertigungsumstellung erzielten ebenen Lagenaufbau. Damit konnte die maximale Traglast des SMC-Losflansches um 50 % erhöht werden. Die Kriechrelaxation des SMC-Losflansches wird durch die Abbildung der an den Bauteilausschnitten ermittelten, richtungsabhängigen Kriechkurven mit dem von Hill modifizierten Kriechgesetz nach Graham-Walles beschrieben. Damit werden die gemessenen zeitlichen Verläufe der Schraubenkraft im Betrieb realistisch abgebildet. Die Vorhersage der im Vergleich zum bestehenden Losflansch geringfügig erhöhten Kriechrelaxation des Prototyps mit ebenem Lagenaufbau wird durch die Messung bestätigt. Insgesamt bedeutet die Erhöhung der zulässigen Schraubenkräfte bei Montage von 40 kN auf 60 kN eine deutliche Zunahme der Schraubenkraft im Betrieb, was die Betriebssicherheit erhöht und die Verwendung von PTFE-Dichtungen begünstigt. • Optimierung der Berechnungsmethode Mit den Erkenntnissen zur Beanspruchung von Losflanschen aus der messtechnischen Untersuchung der Flanschverbindung und aus der numerischen Simulation wurde ein analytisches Berechnungskonzept für den Losflansch entwickelt. Dieses berechnet die Beanspruchung in Umfangsrichtung aus dem Stülpmoment. Die Umfangsspannungen und die Verformung des Losflansches werden damit realistischer beschrieben als durch die bestehenden Regelwerke. Da das Berechnungskonzept ausschließlich die Spannung an der Losflanschoberseite zwischen den Schrauben abbildet, kann ein Bauteilversagen an anderer Stelle nicht erfasst werden. So muss bei der Auslegung differenziert nach der Lokalisierung des Versagens im Stauchversuch vorgegangen werden: - Losflansch versagt im Stauchversuch an der Flanschoberseite zwischen den Schrauben Das Berechnungskonzept ist anwendbar. Zur Berechnung der Flanschverbindung kann die analytische Beschreibung des Verhaltens von Losflanschen die bestehenden Regelwerken ersetzen. Mit dem zur Diskussion stehenden Wegfall der Werkstoffabminderungsfaktoren gemäß den Definitionen im AD 2000-Merkblatt führt die beschriebene Vorgehensweise zu höheren Schraubenkräften bei Montage und im Betrieb der Flanschverbindung. Dies bewirkt eine höhere Dichtheit und Betriebssicherheit von Anlagen mit GFK-Rohrleitungen. - Losflansch versagt an anderer Stelle Das Berechnungskonzept kann nicht angewendet werden. Alternativ können die maximale zulässige Schraubenkraft für Montage und im Betrieb sowie die Steifigkeiten im Stauchversuch ermittelt werden. Der Hersteller kann die sich im Stauchversuch offenbarenden Schwachstellen im Bauteil identifizieren und den Fertigungsprozess hinsichtlich des Tragverhaltens der Losflansche optimieren.
The present discussion on environmental impact leads to the need to reduce fugitive emissions in the processing industry. In the European Union, the strategy to avoid and reduce fugitive emissions is draft in the EG-guideline 96/61/EG with its corresponding german version, the IVU-Richtlinie. It describes the required measures that plant operators have to apply, in order to meet the requirements on national level. In Germany, the TA Luft in conjunction with the VDI guidelines 2440 and 2200 refer to the standards DIN EN 1591-1 and KTA 3211.2 to carry out the requested strength and tightness proof with the gasket parameters according to DIN EN 13555. For flange connections with grp-flanges, the design method according to AD 2000-Merkblatt B8 is used with the specifications in AD 2000-Merkblatt N1, which account for the specific material behaviour of grp in terms of reduction ratios for the strength analysis. According to the operational experience of the plant operators, this method leads to unrealistic results for the allowable bolt loads. The aim of the present work is to enable plant operators to design and to operate grp-piping with grp-flanges at temperatures up to 80 °C, using polytetraflourethylene (PTFE) gaskets that shall replace the mandatory rubber gaskets. PTFE-gaskets, unlike rubber gaskets, provide an extraordinary chemical resistance to almost all corrosive media and no deterioration. Unfortunately, applying PTFE-gaskets leads to increased creep-relaxation behaviour and higher leakage rates at the characteristically low bolt forces in grp-flange connections. Nine PTFE gaskets have been evaluated according to the gasket test procedure DIN EN 13555 with respect to their qualification for grp-flange connections in terms of tightness, elastic recovery and creep relaxation behaviour. In comparison to the rubber gaskets, the leakage rates of the PTFE-gaskets were higher, but four gaskets met the leakage rate criterion of the TA Luft under the condition in grp-flange connections. These four PTFE-gaskets showed an elastic resilience comparable to rubber gaskets and acceptable creep-relaxation behaviour. Altogether, it was shown, that PTFE-gaskets can be suitable for grp-flange connections. In order to improve the sealing performance and reduce fugitive emissions, an approach was developed to estimate the effects of inhomogeneous gasket stresses, geometry changes and combinations of different gasket materials. Compression and leakage tests according to DIN EN 13555 formed the basis to characterize the gasket pressure-closure behaviour and the permeability of a homogeneously stressed sheet gasket material. Provided that linear pressure dependency is applicable, a transport-theory according to heat conduction could be applied to calculate the effects of an inhomogeneous gasket stress distribution or a variation of gasket geometry, particularly the gasket width. The developed method implies a two-stage procedure. In the first step, the local gasket stress distribution and subsequently the corresponding permeability in a flange connection was calculated. The local permeability was allocated for each element in terms of a unique material definition. Solving the steady state in the second step under inner and ambient pressure constraint leads to the internal pressure distribution, the local leakage flow and the overall leak rate. The approach is applied and verified at an inhomogeneously stressed sheet gasket and enables us to predict a reduction in the leak rate of a prestressed PTFE-sheet gasket by a factor of 3000 due to the decreased gasket width. This method can form the basis for conducting appropriate tightness proofs in designing flange connections using the finite element method. For the development of a design method that accounts for the specific material properties of grp, a detailed knowledge of the mechanical behaviour of grp-flanges was essential. In this work, the mechanical behaviour of grp slip-on flanges, fabricated using sheet molding compound (smc) was investigated in compression tests and creep-relaxation tests in order to develop a procedure to characterize their mechanical behaviour and describe it in a design method. The fabrication process of the smc slip-on flanges yields a wavy transverse isotropic layer structure. The elastic constants, the strength properties and the creep behaviour with respect to the layer orientations were determined from cylindrical cut outs with known layer orientation, and implemented in a finite element model. Comparative calculations show good agreement with the compression tests and creep-relaxation tests. Calculating the effects of different layer structures, the advantage of a slip-on flange with uniformly stacked layer structure became evident. The bearing load of a slip-on flange with uniformly stacked layer structure exceeds the load bearing capacity of the slip-on flange with wavy layer structure by a factor of 1,5. The calculation of the bolted flange connection in accordance with AD-Merkblatt does not agree with the real loading situation in a slip-on flange. The AD-Merkblatt design is based on a radially clamped bending beam. Thus, the design calculates a radial stress which represents the usage level of the flange. In real terms, the loose flange is rotated due to the lever arm caused by the difference between the diameter of the bolt-force circle and the outer diameter of the collar. Additionally, a linearly distributed load in circumferential direction is caused by the finite bolt hole pitch with the consequence of an additional bending stress. The circumferential stresses and the flange rotation were described analytically, showing good agreement with the results of the FE simulation and the experimental investigations. If the compression test of the slip-on flange shows failure under the washer, the analytical concept cannot be applied. Alternatively, it was possible to determine the maximum load bearing capacity and the stiffness in the compression test. If the slip-on flange fails at the position between the bolts, and the material strength value is known, the flange connection can be designed according to the presented new analytical concept. If the maximum strength of the grp material in the circumferential direction was reached at the position between the bolts it can be assumed that weak points existed in the structure of the grp-compound. If the reduction ratios according to AD 2000-Merkblatt-N1 were omitted and the specific material properties of grp were characterized in the design method with the analytic concept for slip-on flanges, the allowable bolt forces for grp-flange connections with slip-on flanges increased significantly. This leads to increased gasket stresses during mounting and service conditions with the benefit of improved tightness behaviour and a reduction of fugitive emissions.
Appears in Collections:13 Zentrale Universitätseinrichtungen

Files in This Item:
File Description SizeFormat 
Dissertation_07_2014.pdf5,23 MBAdobe PDFView/Open


Items in OPUS are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.