DE3317061A1

DE3317061A1 - Flanschverbindungsanordnung

Info

Publication number: DE3317061A1
Application number: DE19833317061
Authority: DE
Inventors: Harvey R. 07068 Roseland N.J. Nickerson; Irving D. 07052 West Orange N.J. Press; Helm A. 07508 North Haledon N.J. Rink
Original assignee: UMC Industries Inc
Current assignee: Crane Co
Priority date: 1982-05-11
Filing date: 1983-05-10
Publication date: 1983-11-17
Anticipated expiration: 2003-05-11
Also published as: FR2526917B1; JPH0362955B2; GB2120342B; DE3317061C2; FR2526917A1; GB8310107D0; JPS58207592A; US4537425A; GB2120342A

Description

OO I / UD I

PATENTANWÄLTE DIPL.-ING. W. EITLE · DR. RER. NAT. K. HOFFMANN · DIPL.-ING. W. LEHN DIPL.-INQ. K. FOCHSLE ■ DR. RER. NAT. B. HANSEN · DR. RER. NAT. H.-A. BRAUNS · OIPL.-ING. K. GORQ

. K. KOHLMANN · RECHTSANWALT A. NETTE

-8-

38 526 p/hl

UMC Industries, Inc.,
Stamford, Connecticut /USA

Flanschverbindungsanordnung

Die Erfindung bezieht sich auf eine Flanschverbindungsanordnung, die insbesondere eine Flanschverbindungsanordnung mit einer hohen Integrität ist. Dabei bezieht sich die Erfindung weiterhin insbesondere auf ein Strömungsmittelrohrsystem und insbesondere auf Rohrsysteme des Typs, bei dem ein metallisches Gehäuse mit einem nicht-metallischen Material ausgefüttert ist, welches aus der Gruppe gewählt ist, die aus Elastomeren und Piastomeren besteht.

Rohrsysteme sind in Verwendung, wo Metallrohrabschnitte oder Spulen mit einer Schicht aus korrosionsbeständigem Kunststoff ausgefüttert sind. Im allgemeinen nimmt man zwischen Abschnitten derartiger Rohre Flanschverbindungen■vor, in welchem Fall das Ausfütterungsmaterial aus dem Rohr herausgeführt und in erweiterter Form über die Fläche des Flansches gelegt wird, um das Metall gegenüber dem geförderten Strömungsmittel zu schützen und dient so als Dichtung. Während hierin von einer Flanschfläche gesprochen ist, sollte diese so zu verstehen sein, daß jegliche Fläche eingeschlossen ist, an die ein zugehöriger zusammenwirkender Flansch mit einer entsprechenden Fläche angeschraubt oder auf andere Weise befestigt werden kann. Ein Beispiel

ist ein Behälter mit einem Flanschanschluß, welcher wortmäßig nicht unter die Definition eines Flansches fallen würde.

Unglücklicherweise verursachen die erweiterten Ausfütterungen eine Degradierung der mechanischen Integrität der Flanschverbindungen und demzufolge der Integrität des gesamten Systems. Wegen des für die Ausfütterungen verwendeten Materials geringer Festigkeit innerhalb des Betriebstemperaturbereiches müssen die Schraubbolzenbelastungen gering sein. Solche Schraubbolzenbelastungen sind auf bezeichnende Weise geringer als bei herkömmlichen Rohrsystemen, die nicht mit einer Ausfütterung versehen sind. Daher sind die Fehlausrichtung der Rohre, die Haltung und die Erfahrung der Bedienungsperson kritische Faktoren. Ein Kaltfluß ebenso wie ein Heißfluß dieser nicht-metallischen Materialien verursacht einen Verlust an Schraubbolzendrehmoment ausgehend von einem bereits relativ niedrigen Anbringdrehmoment. Daher leiden solche Rohrverbindungen derartigen Typs bei der Verwendung unter erheblichen Ausfällen.

Unter normalen Wartungsbedingungen werden erschwerende Faktoren gelegentlich festgestellt, die weiterhin die Integrität der Verbindung degradieren. Zum Beispiel sind dies abnormale Betriebsbedingungen, wie Übertemperatur, Überdruck, Vibration, Wasserschlag; und abnormale Umgebungsbedingungen, wie Wind, Flut, Erdbeben, Fahrzeugaufschlag und Grundauflage. Entweder alleine oder in Verbindung miteinander verursachen sie zusätzliche Beeinträchtigungen der ursprünglichen Dichtungskompression und der Schraubbolzenvorspannung.

Schließlich besteht ein Kompromiß hinsichtlich der Feuerfestigkeit des ausgefütterten Systems, welche wegen der

Metallgehäuse hoch sein sollte, und zwar durch die Gesamtverletzbarkeit der erweiterten Enden der Ausfütterung.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Rohrverbindung mit hoher Integrität zu schaffen, welche die vorgenannten Nachteile überwindet oder zumindest vermindert. Mehr insbesondere besteht die Aufgabe der Erfindung darin, eine Flanschverbindung vorzusehen, welche mit einer im wesentlichen permanent hohen Schraubbolzenvorspannung zusammengefügt werden kann, wobei Mittel vorhanden sind, die eine automatische Kompensation des Schrumpfens und des" Kalt- und Heißfließens des Ausfütterungsmaterials vorsieht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Anordnung zum Einrichten einer Strömungsmitteldichten Dichtung zwischen den Flächen einer Flanschverbindung eines Rohrsystems, dadurch gekennzeichnet, daß ein starrer Metallbelastungslagerring so bemessen ist, daß er zwischen den Flanschflächen sitzt und einen Innendurchmesser aufweist, welcher größer ist als der Durchmesser der Strömungsmittelpassage durch das Rohrsystem an der Verbindungsstelle, daß der Belastungslagerring eine vorbestimmte axiale Länge zum Einrichten eines Hohlraumes hat, welcher Hohlraum von den Flanschflächen, dem Innendurchmesser und dem Außendurchmesser der Strömungsmittelpassage begrenzt wird, daß zumindest eine konische Ringfeder, ein Kraft- oder Lastverteilungsring und ein radial erweiterter Abschnitt einer Schicht aus nicht-metallischem Material vorgesehen ist, welcher radial erweiterter Abschnitt innerhalb des Belastungslagerringes für die Anordnung innerhalb des Hohlraumes angeordnet ist und mit dem Kraftverteilungsring in Eingriff bringbar ist, daß das Verhältnis zwischen der konischen Ringfeder, dem Kr.if tverteilungsring und dem erweiterten Abschnitt so ist, daß die konische Ringfeder innerhalb des Hohlraumes sich unter einer Teilzusammendrückung befindet, die über den Kraftverteilungsring gegen den erweiterten Ab-

schnitt eine Kraft ausübt, um den erweiterten Abschnitt in einen strömungsmitteldichtenden Eingriff mit einer zusammenwirkenden Fläche zu drücken.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der in den Zeichnungen rein schematisch dargestellten Ausführungsbeispiele. Es zeigt

Fig. 1 eine Längsschnittansicht durch eine ausgefütterte Rohrverbindung, bei der die Rohrenden getrennt sind und die Flansche des Van Stone-Typs sind,

Fig. 2 eine perspektivische Ansicht eines starren Metallbelastungslagerringes, welcher bei der Ausfüh

rungsform gemäß Fig. 1 verwendet wird,

Fig. 3 eine perspektivische Ansicht des Kraftverteilungsringes , welcher bei der Ausführungsform gemäß Fig. 1 verwendet wird,

Fig. 4 eine perspektivische Ansicht der konischen Ringfeder, die bei der Ausführungsform der Fig. 1 verwendet wird,
25

Fig. 5 eine Teillängsschnittansicht der Ausführungsform der Fig. 1 mit der Darstellung der vor dem Festziehen der Schraubenbolzen zusammengebrachten Teile,
30

Fig. 6 eine der Fig. 1 ähnliche Ansicht, jedoch mit der Darstellung der Komponenten nach dem vollständigen Anziehen der Schraubenbolzen,

Fig. 7 eine der Fig. 6 ähnliche Ansicht, jedoch mit der

Darstellung einer anderen Ausführungsform der Erfindung, bei der eines der Rohre mit einem Van Stone-Flansch und das andere Rohr mit einem festen Flansch versehen ist,

Fig. 8 eine der Fig. 6 ähnliche Ansicht, jedoch mit der Darstellung einer anderen Ausführungsform der Erfindung, bei der ein ausgefüttertes Rohr mit einem Van Stone-Flanschende an eine Flanschverbindungsfläche eines Behälters oder dgl. angeschlossen ist,

Fig. 9 eine Ansicht mit der Darstellung der Verwendung eines Adapters zwischen zwei geflanschten und ausgefütterten Rohrenden,

Fig. 10 eine der Fig. 9 ähnliche Ansicht, jedoch mit der Darstellung der Verwendung des Adapters dort, wo ein ausgefütterter Rohrabschnitt mit einem unausgefütterten Flanschanschluß verbunden

ist,

Fig. 11 eine der Fig. 10 ähnliche Ansicht, jedoch mit der Darstellung beider Rohrkomponenten, die unausgefüttert miteinander verbunden sind,

Fig. 12 eine vergrößerte Teilschnittansicht mit der

Darstellung einer alternativen Ausführungsform der Erfindung,
30

Fig. 13 eine der Fig. 2 ähnliche Ansicht mit der Darstellung einer Modifizierung des Belastungslagerringes zum Vorsehen einer Hilfsströmungsmitteldichtung,
35

Fig. 14 eine der Fig. 6 ähnliche Ansicht, jedoch mit der Darstellung des Rings der Fig. 13 in der vollständigen Anordnung,

Fig. 15 eine Querschnittsansicht einer Anordnung, die eine Modifizierung des Adapters gemäß Fig. 9 beinhaltet,

Fig. 16 eine Sammelansicht verschiedener Komponenten, die ein Teil der Erfindung bilden und bestimmte

signifikante Dimensionen zeigen.

In den Zeichnungen bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder ähnliche Teile.

In Fig. 1-4 sind die wesentlichen Komponenten einer typischen Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Zwei Rohrabschnitt 10 und 11, von denen in den Zeichnungen jeweils nur ein Ende dargestellt ist, enden in Rohrausbiegungen 12 bzw. 13. Am Ende jedes Rohrabschnittes ist jeweils ein Van Stone-Flansch 14 und 15 befestigt. Der Rohrabschnitt 10 ist mit einer Innenausfütterung 16 versehen, deren Ende in einem radial erweiterten Abschnitt oder Erweiterung 17 endet, die über der Fläche der Rohrausbiegung 12 liegt. Jedoch endet der Rand der Erweiterung 17 radial innerhalb des Randes der Ausbiegung 12, welche letztere über den Punkt hinausragt, welcher bisher konventionell auf einen Punkt angewandt wurde, der kurz vor der radialen Innengrenze des Schraubenbolzenkreises des Flansches 14 liegt. Rein beispielsweise kann die Ausfütterung 16 aus Polytetrafluorethylen (PTFE) bestehen, der Rohrabschnitt 10 aus Stahl und der Flansch 14 aus geschmiedetem Eisen.

Auf gleiche Weise ist der Rohrabschnitt 11 mit einer Ausfütterung 18 versehen, welche vom Rohr 11 so vorsteht,

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daß sie im axialen Abstand zur Rohrausbiegung 13 steht. In solch einem axialen Raum zwischen der Ausbiegung 13 und der Erweiterung 19 befindet sich ein Kraftverteilungsring 20 und eine konische Ringfeder 21, welche auf der vorstehenden Ausfütterungsschicht 18 befestigt ist. Wie am besten aus Fig. 3 ersichtlich ist, ist die Innenkante 22 des Ringes 20 abgerundet. Wenn der Ring 20 hinter der Erweiterung 19 angebracht wird, berührt die abgerundete Kante 22 die Ausfütterung 18, wodurch zwischen dem Hauptkörper der Ausfütterung 18 und dem erweiterten Abschnitt 19 ein Übergang geschaffen wird, welcher keinen Bruch bzw. kein Aufspringen induziert.

Die konische Ringfeder 21 und der Kraftverteilungsring haben im wesentlichen denselben Innendurchmesser (ID) und Außendurchmesser (OD), wobei der OD vorzugsweise nahezu gleich dem Durchmesser des äußeren Randes der Erweiterung 19 ist. Vorzugsweise haben die Außenränder der Erweiterungen 17 und 19 im wesentlichen denselben Durchmesser. Aus ersichtlichen Gründen sollte die Wanddicke der beiden Erweiterungen 17 und 19 so gesteuert werden, daß sie im wesentlichen gleich und zumindest über den Umfang gleichförmig ist.

Die letzte Komponente der Verbindung ist mit Ausnahme der üblichen Schraubbolzen (nicht dargestellt) ein starrer Metallbelastungslagerring 23, welcher so bemessen ist, daß er zwischen Flächen 24 und 25 des Flanschanschlusses liegt, hier jeweils an den Rohrerweiterungen 12 und 13.

Der Innendurchmesser des Ringes 23 ist größer als die Strömungsmittelpassage durch die Rohre 10 und 11, um so die Ringe 20 und 21 mit geringem Freiraum zu umgeben. Ein Paar von radialen Gewindebohrungen 30 und 31, von denen jede, wenn gewünscht, in einem Ansenkungssitz am radial äußeren Ende desselben enden, sind an entgegengesetzten

Seiten des Ringes 23 angeordnet.

Fig. 5 zeigt die Rohrenden der Fig. 1, wie sie mit den erweiterten Abschnitten 16 und 19 in Eingriff miteinander gebracht sind, wobei allerdings die konische Ringfeder 21 noch entspannt ist und somit einen Nulldrehmoment auf die Schraubbolzen aufbringt, von denen einer bei 32 erscheint. Bei den nun zu beschreibenden Ausführungsbeispielen ist die konische Ringfeder 21 so angebracht, daß die konvexe Seite auf den Kraftverteilungsring 20 weist. Somit wird die durch die Feder 21 gegen den Ring 20 ausgeübte Kraft in der Nähe des radial inneren Randes des Ringes 20 in der Nähe der Biegestelle der Ausfütterung 18 aufgebracht. Wenn folglich der Ring 20 unzureichend steif ist, um einem kegelförmigen Aufbörteln zu widerstehen, wird der maximale Dichtungsdruck näher zur radial innenliegenden als zur radial außenliegenden Grenze des ausgebogenen oder aufgebogenen Abschnittes der Ausfütterung aufgebracht. Daher ist es von Bedeutung, daß der Ring 20 ausreichend steif ist und somit die von der Feder 21 ausgehende Kraft über einen breiten Flächenbereich der Kunststofferweiterung verteilt und nicht erlaubt, daß sich diese Kraft konzentriert, was zu einem Durchschneiden des nicht-metallischen Materials führen könnte. Jedoch in Abhängigkeit von den besonderen nichtmetallischen Materialien, die für die Ausfütterung ausgewählt werden, kann es wünschenswert sein, die Steifigkeit des Ringes 20 mit einer besonderen konstruktiven Ausgestaltung vorzunehmen, oder dessen üblichen rechteckigen Querschnitt zu ändern, um eine gewünschte Kraftkonzentrationszone vorzusehen und/oder ein gewünschtes Kraftmuster einzurichten. Ebenso aus Gründen, die später in dieser Beschreibung noch zu diskutieren sind, können Umstände existieren, die ein Umkehren der konischen Ringfeder gewährleisten.

JJ'l'/Ub I

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Die axiale Länge des Belastungslagerringes 23 sollte so gewählt werden, daß die entgegengesetzten radialen Flächen 26 und 27 die jeweiligen Flächen 24 und 25 der Erweiterungen 12 und 13 berühren, bevor die konische Ringfeder 21 vollständig abgeflacht worden ist. Dies bedeutet, daß das Verhältnis am endgültigen Zusammenbau im wesentlichen so sein sollte, wie dies in Fig. 6 dargestellt ist. Das Berühren der Flächen oder Seitenwände 26 und 27 mit den Erweiterungen 12 und 13 kann in Abhängigkeit von der Glattheit der miteinander wirkenden Flächen ausreichend sein, um dazwischen eine wesentliche Strömungsmitteldichte Dichtung einzurichten. In jedem Fall sollte das Drehmoment ausreichend sein, um eine hohe strukturelle Vorbelastung oder Vorspannung der Schraubenbolzen einzurichten. Solange kein Bezug zum Einrichten einer strömungsmitteldichten Dichtung vorliegt, ist das für die Flanschschraubbolzen erforderliche Drehmoment nicht kritisch und kann leicht "erfüllt" und durch einen Durchschnittsrohrmontierer beurteilt werden. Hinsichtlich des Anziehdrehmomentes besteht kein weiteres Problem, da die strukturellen Kräfte ausschließlich durch Metall aufgebracht werden. Der auf die nicht-metallischen Ausfütterungserweiterungen aufgebrachte Druck wird dank der Tatsache gesteuert, daß der Druck vollständig eine Funktion der Federeigenschaft und der durch die Feder 21 entwickelten Rückstellkraft ist. Wenn die Dicke der Erweiterungen 17 und 19 sorgfältig gesteuert bzw. ausgewählt wird, und zwar zusammen mit den Dimensionen der metallischen Teile und der Zusammendrückung der Feder 21, so kann ihre Rückstellkraft innerhalb ziemlich enger Grenzen vorbestimmt werden, wenn der Ring 23 mit den Erweiterungen 12 und 13 in Berührung steht. Daher kann der zwischen den Erweiterungen 17 und 19 eingerichtete Dichtdruck unabhängig von der tatsächlichen Drehmomentenbelastung der Flanschschraubbolzen optimiert werden. Weiterhin wird der Druck auf die Erweiterungen 17 und 19 innerhalb des Stromungsmitteldichtbereiches gehalten, und zwar durch die

Rückstellkraft der Feder 21, wenn ein Kalt- oder Heißfließen des Kunststoffs auftritt.

Wenn das Rohr druckgetestet wird, wird über die Bohrungen 30 und 31 jegliche Leckage vorbei an den Erweiterungen 17 und 19 festgestellt. Auch sorgen die Bohrungen 30 und 31 für ein angenehmes Testen, wenn es erwünscht ist, die Dichtfähigkeit des Ringes 23 durch Einführen des Strömungsmittels unter Druck zu testen. Ein zusätzlicher Vorteil ergibt sich durch die Bohrungen 30 und 31 dahingehend, daß sie ein Spülen des Raumes innerhalb des Ringes 23 erlauben, wenn irgendeine Leckage vorbei an den Erweiterungen 17 und 19 auftreten sollte, beispielsweise infolge einer unrichtigen Montage. Sie erlauben ebenso die Installation von Lüftungsverbindungen, wenn dies gewünscht ist, um einen gefährlichen Gasaufbau zu eliminieren. Es können natürlich auch feste Stopfen angebracht werden.

Die Erfindung ist natürlich nicht auf Van Stone'sehe Flansche der Fig. 1 beschränkt. Es können auch andere Flanschanschlüsse vorgesehen werden. Hierzu wird beispielsweise auf Fig. 7 Bezug genommen, in der ein Flansch 34 dargestellt ist, der mit dem zugehörigen Gebilde integriert ausgebildet ist. Die Ausfütterung 35 verläuft durch den Flansch und endet in einer radialen Erweiterung 36. Darüber hinaus ist die Anordnung dieselbe wie in Fig . 6 .

Bei den soweit beschriebenen Ausführungsformen befinden sich zwei Ausfütterungserweiterungen innerhalb des Hohlraumes, welcher von den Flanschen und dem Innendurchmesser des Belastungslagerringes begrenzt wird. Entsprechend der Darstellung in Fig. 8 kann eine Ausfütterungskomponente mit einer nicht ausgefütterten Komponente verbunden sein. Die nicht ausgefütterte Komponente

kann dabei ein Behälter 40 sein, der mit einer Öffnung 41 versehen ist. Diese Öffnung 41 ist von einer erhabenen Flanschanschlußfläche 42 umgeben, die mit Gewindebohrungen 43 versehen ist, um Flanschschraubbolzen 44 aufzunehmen. Wegen des Weglassens des zweiten erweiterten Abschnittes ist die Axiallänge des Belastungslagerringes 45 über die Länge des Ringes 23 der zuvor beschriebenen Art reduziert. Jedoch ist das relative Verhältnis der Teile im wesentlichen dasselbe, wobei der Ring 45 die Fläche 42 und die Ausbiegung 13 berührt, bevor die Feder 21 vollständig abgeflacht ist.

Wenn die Vorteile der Erfindung mit zuvor existierenden ausgefütterten Rohrkomponenten zu erzielen sind, ist es notwendig, sich auf einen Adapter zu beziehen, wie dieser in Fig. 9 dargestellt ist. Der Adapter ist doppelt-wirkend und hat zwei konische Ringfedern 21a und 21b, die im wesentlichen identisch sind, und zwei Kraftverteilungsringe 20a und 20b, die ebenso identisch sind.

Jedoch sind die Federn 21a und 21b entgegengesetzt ausgerichtet, wobei ihre konvexen Seitenflächen aufeinander zu gerichtet sind und ihre konkaven Seiten die Ringe 20a und 20b berühren. Die Ringe 20a und 20b und die Federn 21a und 21b sind auf einem Abschnitt 50 des Ausfütterungsmaterials befestigt, welche mit Erweiterungen 51 und 52 versehen sind. Zwischen den Federn 21a und 21b befindet sich ein axialer Abstandsring 101 mit einem radial verlaufenden Umfangswulst 102 zur Aufnahme eines radial nach außen gerichteten Wulstes oder einer nach außen gerichteten Wellung des Ausfütterungsabschnittes 50, wenn dieser während des Zusammenfügens der Flanschverbindung axial zusammengezogen wird. Die Rohrabschnitte 53 und 54, die in Flanschen 55 und 56 enden, sind mit konventionellen Ausfütterungen 57 und 58 versehen, die in Erweiterungen 59 und 60 enden. Schließlich umfaßt die Anordnung einen Metallbelastungslagerring 61 mit einer vergrößerten Axiallänge zur Aufnahme

der vier Ausfütterungserweiterungen 51,52,59 und 60 sowie den axialen Abstandsring 101 und die zwei Sätze von Kraftverteilungsringen und konischen Ringfedern. In anderem Bezug sollte die Anordnung den Prinzipien folgen, welche zuvor im Zusammenhang mit den zuvor beschriebenen Ausführungsformen erläutert wurden.

Eine andere ins Auge gefaßte Situation ist in Fig. 10 dargestellt, in der ein unausgefütterter Flanschanschluß 65 mit einem herkömmlichen ausgefütterten Rohr 54 zu verbinden ist. Die Elemente 20a, 20b, 21a, 21b, 50, 51, 52 und 101 des Adapters können mit denen der Fig. 9 identisch sein. Jedoch hat der Metallbelastungslagerring 66 eine reduzierte Länge gegenüber dem Ring 61, um die Abwesenheit der vierten Ausfütterungserweiterung zu erlauben. Andererseits ist die Konstruktion und der Betrieb dieselbe wie in Verbindung mit Fig. 9.

Wenn die durch den Adapter bewirkten Vorteile sogar zu erzielen sind, wenn keiner der Flanschkomponenten mit einer Ausfütterung versehen ist, kann man sich der Anordnung gemäß Fig. 11 bedienen. Die unausgefütterten Flansche sind mit 70 und 71 bezeichnet, während der axial verkürzte Metallbelastungslagerring mit dem Bezugszeichen 72 versehen ist. Die verbleibenden Komponenten des Adapters können mit denen der Fig. 9 und 10 identisch sein und tragen dieselben Bezugszeichen.

Während die zuvor anhand von Fig. 1-8 beschriebenen Ausführungsbeispiele offenbaren, daß die konvexe Seite der konischen Ringfeder mit dem Kraftverteilungsring in Berührung steht, kann die Feder auch umgedreht werden, was bei Fig. 9-11 der Fall ist. Unter den nun zu beschreibenden Umständen ist das Umdrehen sogar wünschenswert. Während der Herstellung des mit Kunststoff ausgefütterten Rohres und der Anschlußbeschläge werden die Erweiterungen dadurch hergestellt, daß ein radiales

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Expandieren und ein Zurückschlagen der vorstehenden Länge des rohrförmigen Materials vorgenommen wird. In Abhängigkeit van dem verwendeten spezifisichen Verfahren kann das Material der Erweiterung eine Tendenz zu einer Wanq"verdünnung haben, wenn eine Spreizung über den Umfang erfolgt. Daher kann entsprechend der Darstellung in Fig, 12 eine Ausfütterung 90 in einer Erweiterung 91 enden, welche in Radialrichtung sich verjüngt, so daß die inneren und äußeren Flächen um einen gewissen kleinen Winkel 92 konvergieren. Wenn folglich der Kraftverteilungsring 93 so ausgestaltet ist, daß in ausreichendem Maße eine Anpassung an den Schrägungswinkel erfolgt, erlaubt die Verwendung der Anordnung in Fig. mit einer auf geeignete Weise gestalteten konischen Ringfeder 94 einen gleichförmigen Dichtungsdruck, welcher wunschgemäß über den breiten Flächenbereich verteilt wird. Dieses Resultat wurde erzielt bei Versuchen bei 260⁰C (500^eF).

Unter bestimmten Umständen ist es wünschenswert, die Entwicklung einer Strömungsmitteldichten Dichtung zwischen dem Belastungslagerring und den damit zusammenwirkenden Flanschflächen sicherzustellen. Für diesen Zweck sind die entgegengesetzten Radialflächen 126 und 127 des Ringes 123 entsprechend der Darstellung in Fig. mit jeweiligen Dichtungsformmitteln versehen, die aus Kreisrippen 128 und 129 bestehen und axial von diesen vorstehen. Fig. 14 zeigt den Ring 123 eingebaut in einen Flanschanschluß ähnlich der in Fig. 6 gezeigten Art.

Eine Betrachtung der Adapterkonstruktion, wie sie in Fig. 9-11 dargestellt ist, sollte zeigen, warum die konischen Ringfedern so angeordnet sind, daß deren konkave Seiten auf die Druckverteilungsringe gerichtet sind. Wenn jedoch ein radial nach innen gerichteter

Vorsprung des Adapterausfutterungsabschnittes toleriert werden kann, kann der axiale Abstandsring 101 weggelassen werden und es können die Federn 21a und 21b umgedreht werden. Diese Modifizierung ist in Fig. dargestellt, in der der Ausfütterungsabschnitt 150 radial nach innen gewölbt ist. Der Belastungslagerring 161 muß kürzer sein als der Ring 61 der Fig. 9, und zwar hinsichtlich der reduzierten Axiallänge des Adapters.

Es ist möglich, die Axiallängen der verschiedenen Belastungslagerringe in Ausdrücken der Dimensionen der anderen Komponente zu definieren. Wenn so unter Bezugsnahme auf Fig. 16 die Dicke der Erweiterung 80 mit A angegeben wird, die Dicke des Kraftverteilungsrings mit B, die Dicke der konischen Ringfeder 82 mit C, die Höhe der Konkavität der letzteren mit D und die Axiallänge des Abstandsringes 101 mit E, so bilden die folgenden Gleichungen eine dichte Annäherung der Axiallänge L des Metallbelastungslagerringes für jedes der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele, worin χ einen Faktor repräsentiert. Die besondere Belastungslagerringausführung ist dadurch identifiziert, daß die angemessene Bezugszahl als Index unten zu dem Buchstaben L angegeben wird:
25

= 2A + B + C + xD =A+B+C+xD

2(2A+B+C+xD) + E = 3A + 2(B+C+xD) + E

(Fig. 11) L,_o = 2(A+B+C+xD) + E

_t= 2A + B + C + XD

161= 2(2A+B+C+xD)

Ein gewisses Verständnis für die.dramatische Verbesserung der Erfindung kann erreicht werden, indem die Ergebnis-

(Figs.	. 1 und 7)	^L23
(Fig.	8)	^L45
(Fig.	9)	^L61
(Fig.	10)	^L66
(Fig.	11)	^L72
(Fig.	1 4)	^L123
(Fig.	15)	L

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se der Vergleichsversuche betrachtet und berücksichtigt werden. Die weiter unten beschriebenen Versuche wurden an Flanschverbindungen zwischen 4"-Rohren durchgeführt, welche als Ausfütterung mit Polytetrafluorethylen beschichtet sind. Diese Versuche sind typisch für Versuche an anderen Größen. Anordnungen, die für den Stand der Technik repräsentativ sind, wurden erzeugt bei Verwendung von: (a) ebenen Flanschen, wo die hintere oder äußere Fläche der Erweiterung eine glatte Dichtfläche auf der Flanschseite berührte; (b) Flansche mit Kreisnuten auf den Dichtflächen in Berührung mit der Erweiterung; und (c) Flansche, wo die Erweiterung durch flache Ringe hinterfangen wurde, die eine Vielzahl von gleichförmig verteilten Perforationen beinhaltet, d.h.

Hinterstützringe wurden zwischen dem Flansch und der Erweiterung auf der Ausfütterung befestigt. Zum Vergleich wurden Anordnungen gemäß Fig. 1-6 getestet. Jede Anordnung wurde anfänglich so zusammengebaut, daß alle Flanschschraubbolzen mit einem Drehmoment von 12,42 m/kp (90 ft-lbs) angezogen wurden. Die Anordnungen wurden dann bei 232^eC (450⁰F) für ungefähr 4 h in einen Ofen gebracht, um einen Betrieb am oberen Temperaturgrenzbereich für das besondere Ausfütterungsmaterial zu simulieren. Die Anordnungen wurden dann aus dem Ofen entnommen und auf Raumtemperatur abgekühlt. Bei allen bekannten Anordnungen fiel das Schraubbolzendrehmoment wesentlich ab und erreichte Werte im Bereich von 1,38 bis 2,07 m/kp (10-15 ft-lbs.). Die Verbindungen erzeugten bezeichnende Leckagen, wenn mit einem Luftdruck von 29,5 kg/cm² (420 psi) getestet wurde. Die Anordnungen wurden dann erneut wieder auf ein Drehmoment von 12,42 m/kp (90 ft-lbs) gebracht und erneut für einen anderen Temperaturversuchsvorgang für ungefähr 4 h auf 232⁰C gehalten. Die Anordnung mit dem ebenen Flansch verlor erneut nahezu denselben Botrag an Drehmoment und zeigte Leckagen wie beim ersten Zyklus. Der Nuttyp

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verlor erneut dieselbe Menge an Drehmoment, zeigte aber keine Leckagen. Ohne das Wiederherstellen des anfänglichen Drehmomentes erfolgte mehrere Male eine erneute Behandlung im. Ofen, wonach einige der Schraubbolzendrehmomente auf nahezu 0 m/kp (0 ft-lbs) abfiel. Die Verbindung zeigte auch ernsthafte Leckagen. Der Typ mit den perforierten Hinterfangringen zeigte nur ein Anziehdrehmoment von 1,38 m/kp (10 ft-lbs) und ernsthafte Leckagen nach dem ersten Zyklus. Es erfolgte ein Wiederanziehen auf das ursprüngliche Drehmoment und ein weiteres Aussetzen von zwei und mehr Zyklen mit dem Resultat des ersten Zyklus. So fiel in allen Fällen das Schraubbolzendrehmoment bei den bekannten Anordnungen ernsthaft ab und erzeugte strukturell relativ lose Verbindungen, sogar dann, wenn bei einigen Beispielen der Kunststoff immer noch abgedichtet war .

Im Gegensatz dazu erfuhr die Anordnung gemäß der Erfindung weder einen Verlust an Schraubbolzendrehmoment noch trat eine Leckage auf, auch wenn der Versuch mit 15 Versuchszyklen durchgeführt wurde.

Während Polytetrafluorethylen insbesondere erwähnt wurde, kann im Rahmen der Erfindung wirksam auch anderes Ausfütterungsmaterial verwendet werden, welches unter die breite Klassifizierung von Elastomeren und Piastomeren fällt. Außerdem können verschiedene Flanschenden mit zugehörigen Anschlußbeschlägen, ausgefüttert oder nicht ausgefüttert, zusammenwirken. Die Erfindung ist nicht auf die Verwendung an Rohrabschnitten beschränkt. Tatsächlich kann die Erfindung auch auf eine Flanschverbindung angewendet werden, und zwar unabhängig von der Komponente, der der Flansch oder der Verbinder zugeordnet ist.

In Abhängigkeit von dem gewünschten Verhältnis zwischen der Federkraft und der elastischen Deformation der konischen Ringfeder, welches Verhältnis durch die verwendeten besonderen Materialien und die Geometrie des Flanschan-

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schlusses diktiert wird, kann jede konische Ringfeder der zuvor beschriebenen Art vorteilhafterweise durch eine Reihe und/oder eine Parallelanordnung von solchen Federn gebildet sein.

Claims

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Flanschverbindungsanordnung

P a te ntansprüche

Anordnung zum Einrichten einer stromungsmitteldichten Dichtung zwischen den Flächen einer Flanschverbindung eines Rohrsystems, dadurch gekennzeichnet , daß ein starrer Metallbelastungslagerring (23 ; 45 ; 61 ; 66 ; 72;123; 161) so bemessen ist, daß er zwischen den Flanschflächen sitzt und einen Innendurchmesser aufweist, welcher größer ist als der Durchmesser der Strömungsmittelpassage durch das Rohrsystem an der Verbindungsstelle, daß der Belastungslagerring eine vorbestimmte axiale Länge (L) zum Einrichten eines Hohlraumes hat, welcher Hohlraum von den Flanschflächen, dem Innendurchmesser und dem Außendurchmesser der Strömungsmittelpassage begrenzt wird, daß zumindest eine kon.ische Ringfeder (21;21a, 21b; 82), ein Kraft- oder Lastverteilungsring (20; 20a,20b; 81) und ein radial erweiterter Abschnitt (17,19; 59,60; 60; 80) einer Schicht aus nichtmetallischem Material vorgesehen sind, welcher radial erweiterer Abschnitt innerhalb des Belastungslagerringes für die Anordnung innerhalb des Hohlraumes angeordnet ist und mit dem Kraftverteilungsring in Eingriff bringbar ist, daß das Verhältnis zwischen

ARABELLASTRASSE A · D-8OOO MDNCHfPN 81 · TELEFONCOBS^-)SiIOO? · TELEX O5-2961Q CPATHE} ■ TELEKOPIFRER O1RE

der konischen Ringfeder, dem Kraftverteilungsring und dem erweiterten Abschnitt so ist, daß die konische Ringfeder innerhalb des Hohlraumes sich unter einer Teilzusammendrückung befindet, die über den Kraftverteilungsring gegen den erweiterten Abschnitt eine Kraft ausübt, um den erweiterten Abschnitt in einen strömungsmitteldichtenden Eingriff mit einer zusammenwirkenden Fläche zu drücken.
2. Anordnung nach Anspruch 1 , dadurch g e k e η η zeichnet, daß zumindest eine der Flanschflächen sich am Ende eines geflanschten Metallrohres (10., 11; 53,54) und der erweiterte Abschnitt aus nichtmetallischem Material am Ende einer Schicht (16,18; 57,58) des Materials befindet, welches das Rohr innen ausfüttert, wobei der erweiterte Abschnitt von dieser Ausfütterungsschicht absteht und dabei die konische Ringfeder und der Kraftverteilungsring an der vorstehenden Ausfütterungsschicht zwischen dem erweiterten Abschnitt und der einen Flanschfläche angebracht ist.
3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine andere Flanschfläche am Ende des zweiten geflanschten Metallrohres angeordnet ist, welches zweite Rohr ebenso mit einer Schicht aus nichtmetallischem Material ausgefüttert ist, welches in einem zweiten erweiterten Abschnitt endet, das einen Abschnitt der anderen Flanschfläche überliegt, und daß die zusammenwirkende Fläche sich auf dem zweiten erweiterten Abschnitt befindet.
4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß der Belastungslagerring

(123) eine Dichtung bildende Kreisrippen (128,129) aufweist, die axial von entgegengesetzten Radialflächen (126,127) des Belastungslagerringes abstehen,

um mit den Flanschflächen in strömungsmitteldichtender Berührung zu stehen.
5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die konvexe Seite der konischen Ringfeder (21) auf den Kraftverteilungsring (20) gerichtet ist.
6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Innendurchmesser

der konischen Ringfeder (21) im wesentlichen gleich dem Innendurchmesser des Kraftverteilungsringes (20) ist, so daß die Feder den Kraftverteilungsring dicht am Innendurchmesser des letzteren berührt. 15
7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Kraftverteilungsring (20) ausreichend starr ist, um so eine hochlokalisierte Belastung zugunsten einer breitflächig verteilten Belastung des erweiterten Abschnittes unter der Kraft zu vermeiden, die von der konischen Ringfeder ausgeübt wird.
8. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet , daß der Belastungslagerring an entgegengesetzten Radialflächen Dichtungsausbildungsmittel umfaßt, die mit den Flanschflächen in strömungsmitteldichter Berührung stehen.
9. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch

gekennzeichnet, daß vom erweiterten Abschnitt, dem Kraftverteilungsring und der konischen Ringfeder einer vorhanden ist, und daß die Gesamtlänge (L) des Belastungslagerringes folgender Gleichung genügt: L=A+B+C+xD, und zwar in enger Annäherung, worin χ eine Fraktion ist, A, B und C jeweils die Dicke des erweiterten Abschnittes, des Kraftvertei-

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lungsringes und der konischen Ringfeder ist und D die Höhe der Konkavität der konischen Ringfeder.
10. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß vom Kraftverteilungsring und der konischen Ringfeder einer vorgesehen ist sowie zwei erweiterte Abschnitte, wobei die Gesamtaxiallänge L des metallischen Belastungslagerringes der folgenden Gleichung genügt:

L=2A+B+C+ xD, und zwar in einer engen Annäherung, worin x eine Fraktion ist. A, B und C jeweils die Dicke des erweiterten Abschnittes, des Kraftverteiluncjsringes und der konischen Ringfeder, und D die Höhe der Konkavität der konischen Ringfeder ist.
11. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet , daß vom erweiterten Abschnitt,

•dem Kraftverteilungsring und der konischen Ringfeder jeweils zwei vorhanden sind und die Gesamtaxiallänge L des Metallbelastungslagerringes der folgenden Gleichung genügt: L = 2(A+B+C+xD), und zwar mit einer dichten Annäherung, worin χ eine Fraktion ist, A, B und C jeweils die Dicke des erweiterten Abschnittes, des Kraftverteilungsringes und der konischen Ringfeder ist, D die Höhe der Konkavität der konischen Ringfeder.
12. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Kraftverteilungsringe und zwei konische Ringfedern und drei erweiterte Abschnitte vorgesehen sind und die Gesamtaxiallänge L des Metallbelastungslagerringes mit dichter Annäherung der folgenden Gleichung genügt:

L = 3A + 2(B+C+xD), worin χ eine Fraktion ist, A, B und C jeweils die Dicke des erweiterten Abschnittes,

des Kraftverteilungsringes und der konischen Ringfeder, und D die Höhe der Konkavität der konischen Ringfeder ist.
13. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet , daß jeweils zwei Kraftverteilungsringe und zwei konische Ringfedern sowie vier erweiterte Abschnitte vorgesehen sind und die Gesamtaxiallänge L des Metallbelastungslagerringes der folgenden Gleichung genügt: L = 4A + 2(B+C+xD), und zwar in dichter Annäherung, wobei χ eine Fraktion ist, A, B und C jeweils die Dicke des erweiterten Abschnittes, des Kraftverteilungsringes und der konischen Ringfeder ist, und D die Höhe der Konkavitat der konischen Ringfeder.
. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4 und 6 bis 1 3 , dadurch gekennzeichnet , daß die konkave Seite der konischen Ringfeder auf den Kraftverteilungsring gerichtet ist.
15. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch ge kennzeichnet , daß der Außendurchmesser der konischen Ringfeder fast so groß ist wie der Außendurchmesser des Kraftverteilungsringes, so daß die Feder den Kraftverteilungsring dicht beim Außendurchmesser des letzteren berührt.
16. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch ge kennzeichnet , daß die Starrheit oder Steifigkeit des Kraftverteilungsringes so vorbestimmt ist, daß zugunsten einer breitflächigen Verteilung der Last des erweiterten Abschnittes oder der Kraft, die von der konischen Ringfeder übertragen wird, eine hochlokalisierte Belastung vermieden wird.
7. Anordnung nach Anspruch 1 6, dadurch gekennzei cn net, daß die vorbestimmte Steifigkeit oder Starrheit des Kraftverteilungsringes auf die Kraft bezogen ist, die auf diesen Ring durch den konisehen Federring innerhalb des Hohlraumes ausgeübt wird, und im Verhältnis zu einer Verjüngung des erweiterten Abschnittes des nicht-metallischeri Materials steht, um so einen Betrag zu treiben, welcher im wesentlichen gleich der Verjüngung ist, um so einen breiten Oberflächenkontakt mit letzterem einzurichten.
18. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8 und 14 bis 1 7, dadurch gekennzeichnet , daß ein axialer Abstandsring (101) zusätzlich zu zwei erweiterten Abschnitten, zwei Kraftverteilungsringen und zwei konischen Ringfedern angeordnet ist, und die Gesamtaxiallänge L des Metallbelastungslagerringes mit dichter Annäherung der folgenden Gleichung genügt: L = 2(A+B+C+xD) + E, worin χ eine Fraktion ist, A, B und C jeweils die Dicke des erweiterten Abschnittes, des Kraftverteilungsringes und der konischen Ringfeder ist, D die Höhe der Konkavität der konischen Ringfeder und E die Länge des axialen Abstandsringes.
19. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8 und 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß ein axialer Abstandsring (101) zusätzlich zu zwei Kraft-Verteilungsringen und zwei konischen Ringfedern sowie drei erweiterten Abschnitten, vorgesehen ist, und die Gesamtaxiallänge L des Metallbelastungslagerringes in dichter Annäherung der folgenden Gleichung genügt: L = 3A + 2(B+C+xD) + E, wobei χ eine Fraktion ist. A, B und C jeweils die Dicke des erweiterten Abschnittes, des Kraftverteilungsringes und der konischen Ringfeder ist, D die Höhe der

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Konkavität der konischen Ringfeder ist und E die Länge des axialen Abstandsringes.
20. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8 und 14 bis 1 7, dadurch gekennzeichnet , daß ein axialer Abstandsring (101) zusätzlich zu zwei Kraftverteilungsringen und zwei konischen Ringfedern sowie vier erweiterten Abschnitten vorgesehen ist und die axiale Gesamtlänge L des Metallbelastungs· lagerringes mit dichter Annäherung der folgenden Gleichung genügt: L = 4A + 2(B+C+xD) ■+■ E, wobei χ eine Fraktion ist, A, B und C jeweils die Dicke des erweiterten Abschnittes, des Kraftverteilungsringes und der konischen Ringfeder ist, D die Höhe der Konkavität der konischen Ringfeder und E die Länge des axialen Abstandsringes.