Strategie zur Verminderung von Emissionen aus Flanschverbindungen

Abstract

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.

Increased demands on the tightness of bolted flanged joints or on the reduction of fugitive emissions continue to pose new challenges to operators of industrial plants, especially in the chemical and petrochemical industries. National or European regulations may not provide sufficiently accurate information, so operators tend use to individual solutions for their location in order to implement these environmental objectives. The aim of the present thesis is to develop a basis for supplementing the relevant standards and guidelines, so that in the future a comprehensive, unified and accepted method for the control of emissions from bolted flanged joints is available. In the present work, various developments of the testing equipment to determine gasket characteristics were implemented that increase the accuracy of the determined characteristics and increase the reproducibility of the results. Using newly developed algorithms using fractional rational functions, the sealing properties can be characterized by a few parameters as a function of the test parameters. Such a description of the characteristics leads to distinct advantages when used in the calculation of bolted flanged joints, since in principle the associated gasket characteristics can be determined from these approximate functions for any condition. This is true not only for analytical calculation method such as EN 1591-1, but also for finite element calculations of great importance, since thus the elasto-plastic deformation properties can be reproduced realistically. The experimental procedures can be simplified and reduced somewhat, by which the determination of the characteristics can be made much more efficient and less costly. In the creep/relaxation tests significant simplifications can be implemented. Using enveloping curves for the deformation at room temperature and at operating temperature and the nominal height of the gasket, the additional deflection due to creep / relaxation can be calculated for each rigidity of the flange connection. In the present work, the experimental findings in the determination of the gasket characteristics have been integrated into the calculation algorithm of EN 1591-1. This affects the consideration of the deformation of the gasket for a realistic estimate of the gasket height when assembled as well as the modified definition of creep / relaxation behavior of the gaskets or the consideration of the counterbalance of the lateral loads by friction between the gasket and flange faces. However, the focal point for the theoretical evidence is to determine the rotation of the flange ring and the resulting compressed effective gasket width. Here, the real deformation behavior of the gasket and the resulting surface pressure distribution over the width of the gasket in determining an effective gasket compressed geometry is now for the first time considered. The concept of the effective width must be redefined here. The effective width is not the part of the gasket, which is in contact with the flange surfaces, rather the flange rotation can be determined realistically using the reduced effective width under the assumption of a constant gasket surface pressure. In the tightness test of bolted flanged joints it is not only shown that the minimum gasket surface pressure is met in all operating conditions for the desired tightness class, but also that a sufficiently large safety margin against the blow-out of the gasket is maintained. As part of the verification of the new analytical calculation algorithms for determining the flange rotation, the effective compressed gasket width and the gasket surface pressure distribution over the gasket width achieved good agreement with finite element calculations. However, this required a modification of the effective bolt circle diameter from which the lever arm of the acting gasket force is determined. The results validate the new definition of the effective width of the gasket to reflect the deformation behavior of the flanges on the assumption of a constant surface pressure. In summary, with the developed mathematical representation of the gasket characteristics and their integration into a new analytical calculation algorithm to determine the occurring deformations, the design process for bolted flanged joints with the goal of reducing emissions can be significantly improved and simplified.