Lannewehr + Thomsen GmbH & Co. KG Ingenieurbüro für Apparate- Rohrleitungs- und Dichtungstechnik Optimale, realitätsnahe Flanschberechnungen Dipl.-Ing. Gerd Lannewehr Peter Thomsen Lannewehr + Thomsen GmbH & Co.KG D-28211 Bremen www.flangevalid.com [email protected] Lannewehr + Thomsen GmbH & Co. KG Ingenieurbüro für Apparate- Rohrleitungs- und Dichtungstechnik Themenübersicht - Betrachtung der diversen Flanschberechnungen - AD 2000-Merkblatt B7/B8 - DIN EN 1591-1 - VDI 2230-2 - ASME Section VIII Div.1 App.2 und VIII Div.2 App.4.16 - ®flangevalid / ANSYS - Modellierung einer Flanschverbindung mit dem flangevalidSystem-Designer 3D - Import und Berechnung in ANSYS Mechanical Lannewehr + Thomsen GmbH & Co. KG Ingenieurbüro für Apparate- Rohrleitungs- und Dichtungstechnik AD 2000-Merkblatt B7/B8 (+B0) - reiner Festigkeitsnachweis - 1 Flanschbiegemoment aus Druck/Temperatur 2 Flanschaufweitung durch Druck/Temperatur 3 Druckkraft auf System 4 Flanschbiegung durch Schraubenvorspannkraft 5 Schraubenbiegung durch Flanschblattneigung 6 Hebelarm für Flanschblattneigung 7 Schraubenvorspannkraft Montage Prüfung Betrieb A Flanschblattdicke B Schraubenabmessung C Dichtfläche 1 5 IV V □ □ ◙ ■ □ ◙ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ◙ B8 1) B8 B8 2) B7 B7 B7 B7 B8 B7 B7 3) 1) I III 2 II unrealistisch Fläche mittlerer Dichtungsdurchmesser unrealistisch immer Dichtungs- zu Schraubenmitte, er müsste am Dichtungsaußenrand liegen 3) unrealistisch unabhängig von Flanschblattneigung 2) 7 C 4 3 Dichtheitsnachweis Kräfteverteilung gleichmäßig, unrealistisch variabel, realistisch Flächenpressung: Dichtung Bördel, Plattierung oder Auskleidung Unterlegscheibe (falls vorhanden) Mutternauflage VI A 1) B 6 □ nicht erfasst ◙ teilweise erfasst ■ erfasst 2) 3) □ ◙ □ □ □ B7 1) ◙ □ □ B7 1) ■ ◙ □ ◙ □ □ □ B8 B7 1) unrealistischer Ansatz, keine Berücksichtigung der angeschlossenen Schale Bauteile/Bauteilefestigkeit: I Flansche II Dichtung Setzverhalten/Relaxation III Schrauben IV Muttern V U-Scheiben (falls vorhanden) VI Plattierung oder Auskleidung (falls vorhanden) 1) ■ gemittelt ohne Berücksichtigung des Hebelarmes Rohrkräfte Torsion und/oder Biegemomente Wärmeausdehnung 1) □ Festgelegte Werte abweichend von Herstellerangaben Sicherheitsfaktor? Dehnschrauben = 1,5, Vollschaftschrauben = 1,8 Sonderzuschlag C5 für Betrieb nur für Vollschaftschrauben B7 2) 3) B7 Lannewehr + Thomsen GmbH & Co. KG Ingenieurbüro für Apparate- Rohrleitungs- und Dichtungstechnik DIN EN 1591-1 (keine Apparateflansche, Probleme mit Metalldichtungen) 1 5 IV V I III 7 2 II C 4 3 VI A 1 Flanschbiegemoment aus Druck/Temperatur 2 Flanschaufweitung durch Druck/Temperatur 3 Druckkraft auf System 4 Flanschbiegung durch Schraubenvorspannkraft 5 Schraubenbiegung durch Flanschblattneigung 6 Hebelarm für Flanschblattneigung 7 Schraubenvorspannkraft Montage Prüfung Betrieb A Flanschblattdicke B Schraubenabmessung C Dichtfläche Dichtheitsnachweis Kräfteverteilung gleichmäßig, unrealistisch variabel, realistisch □ nicht erfasst ◙ teilweise erfasst 6 ■ erfasst ■ □ Flächenpressung: Dichtung Bördel, Plattierung oder Auskleidung Unterlegscheibe (falls vorhanden) Mutternauflage ■ □ □ □ Rohrkräfte Torsion und/oder Biegemomente Wärmeausdehnung ◙ □ □ 1) B □ □ ■ ■ ◙ ◙ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ unrealistischer Ansatz, keine Berücksichtigung der angeschlossenen Schale Bauteile/Bauteilefestigkeit: I Flansche II Dichtung Setzverhalten/Relaxation III Schrauben IV Muttern V U-Scheiben (falls vorhanden) VI Plattierung oder Auskleidung (falls vorhanden) ■ ■ ■ ■ □ □ □ 1) VDI 2230-2 Lannewehr + Thomsen GmbH & Co. KG Ingenieurbüro für Apparate- Rohrleitungs- und Dichtungstechnik (berechnet keine Flansche mit Dichtungen im Krafthauptschluss) 1 5 IV V I III 7 2 II C 4 3 VI A B □ nicht erfasst ◙ teilweise erfasst 6 ■ erfasst 1 Flanschbiegemoment aus Druck/Temperatur 2 Flanschaufweitung durch Druck/Temperatur 3 Druckkraft auf System 4 Flanschbiegung durch Schraubenvorspannkraft 5 Schraubenbiegung durch Flanschblattneigung 6 Hebelarm für Flanschblattneigung 7 Schraubenvorspannkraft Montage Prüfung Betrieb A Flanschblattdicke B Schraubenabmessung C Dichtfläche Dichtheitsnachweis Kräfteverteilung gleichmäßig, unrealistisch variabel, realistisch □ □ □ □ □ □ □ □ □ □ □ □ □ □ □ □ Flächenpressung: Dichtung Bördel, Plattierung oder Auskleidung Unterlegscheibe (falls vorhanden) Mutternauflage □ □ □ □ Rohrkräfte Torsion und/oder Biegemomente Wärmeausdehnung □ □ □ Bauteile/Bauteilefestigkeit: I Flansche II Dichtung Setzverhalten/Relaxation III Schrauben IV Muttern V U-Scheiben (falls vorhanden) VI Plattierung oder Auskleidung (falls vorhanden) □ □ □ □ □ □ □ Lannewehr + Thomsen GmbH & Co. KG ASME Section VIII Div.1 App.2 und VIII Div.2 App.4.16 Ingenieurbüro für Apparate- Rohrleitungs- und Dichtungstechnik - reiner Festigkeitsnachweis - 1 5 IV V I III 7 2 II C 4 3 VI A 1 Flanschbiegemoment aus Druck/Temperatur 2 Flanschaufweitung durch Druck/Temperatur 3 Druckkraft auf System 4 Flanschbiegung durch Schraubenvorspannkraft 5 Schraubenbiegung durch Flanschblattneigung 6 Hebelarm für Flanschblattneigung 7 Schraubenvorspannkraft Montage Prüfung Betrieb A Flanschblattdicke B Schraubenabmessung C Dichtfläche Dichtheitsnachweis Kräfteverteilung gleichmäßig, unrealistisch variabel, realistisch □ nicht erfasst ◙ teilweise erfasst 6 ■ erfasst ■ □ Flächenpressung: Dichtung Bördel, Plattierung oder Auskleidung Unterlegscheibe (falls vorhanden) Mutternauflage ■ □ □ □ Rohrkräfte Torsion und/oder Biegemomente Wärmeausdehnung ◙ □ □ 1) B □ □ ■ □ □ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ □ unrealistischer Ansatz, keine Berücksichtigung der angeschlossenen Schale Bauteile/Bauteilefestigkeit: I Flansche II Dichtung Setzverhalten/Relaxation III Schrauben IV Muttern V U-Scheiben (falls vorhanden) VI Plattierung oder Auskleidung (falls vorhanden) ■ ■ □ ■ □ □ □ 1) Lannewehr + Thomsen GmbH & Co. KG ®flangevalid Ingenieurbüro für Apparate- Rohrleitungs- und Dichtungstechnik / ANSYS 1 5 IV V I III 7 2 II C 4 3 VI A B □ nicht erfasst ◙ teilweise erfasst 6 ■ erfasst 1 Flanschbiegemoment aus Druck/Temperatur 2 Flanschaufweitung durch Druck/Temperatur 3 Druckkraft auf System 4 Flanschbiegung durch Schraubenvorspannkraft 5 Schraubenbiegung durch Flanschblattneigung 6 Hebelarm für Flanschblattneigung 7 Schraubenvorspannkraft Montage Prüfung Betrieb A Flanschblattdicke B Schraubenabmessung C Dichtfläche Dichtheitsnachweis Kräfteverteilung gleichmäßig, unrealistisch variabel, realistisch ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ □ ■ Flächenpressung: Dichtung Bördel, Plattierung oder Auskleidung Unterlegscheibe (falls vorhanden) Mutternauflage ■ ■ ■ ■ Rohrkräfte Torsion und/oder Biegemomente Wärmeausdehnungen ■ ■ ■ Bauteile/Bauteilefestigkeit: I Flansche II Dichtung Setzverhalten/Relaxation III Schrauben IV Muttern V U-Scheiben (falls vorhanden) VI Plattierung oder Auskleidung (falls vorhanden) ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ Lannewehr + Thomsen GmbH & Co. KG Ingenieurbüro für Apparate- Rohrleitungs- und Dichtungstechnik Vergleich der Berechnungen Bauteile und Bauteilefestigkeit AD 2000 B7/B8 EN 1591-1 VDI 2230-2 ASME Sec. VIII flangevalid ANSYS Flansche ■ ■ □ ■ ■ Dichtungen ◙ ■ □ ■ ■ Setzverhalten der Dichtungen / Relaxation □ ■ □ □ ■ Schrauben ◙ ■ □ ■ ■ Muttern □ □ □ □ ■ Unterlegscheiben (falls vorhanden) □ □ □ □ ■ Plattierung oder Auskleidung (falls vorhanden) □ □ □ □ ■ Bauteile und Bauteilefestigkeit □ nicht erfasst ◙ teilweise erfasst ■ erfasst Vergleich der Berechnungen Flächenpressungen, Zusatzkräfte und Wärmeausdehnung Flächenpressungen, Zusatzkräfte und Wärmeausdehnung Lannewehr + Thomsen GmbH & Co. KG Ingenieurbüro für Apparate- Rohrleitungs- und Dichtungstechnik AD 2000 B7/B8 EN 1591-1 VDI 2230-2 ASME Sec. VIII flangevalid ANSYS Dichtung ◙ ■ □ ■ ■ Bördel, Plattierung oder Auskleidung □ □ □ □ ■ Unterlegscheibe (falls vorhanden) □ □ □ □ ■ Mutternauflage □ □ □ □ ■ Rohrkräfte ◙ ◙ □ ◙ ■ Torsion und/oder Biegemomente □ □ □ □ ■ Wärmeausdehnung □ □ □ □ ■ Dichtheitsnachweis □ ■ □ □ ■ Kräfteverteilung ◙ ◙ □ ◙ ■ □ nicht erfasst ◙ teilweise erfasst ■ erfasst Vergleich der Berechnungen Abmessungen und Anforderungen an das Flanschsystem Abmessungen und Anforderungen an das Flanschsystem Lannewehr + Thomsen GmbH & Co. KG Ingenieurbüro für Apparate- Rohrleitungs- und Dichtungstechnik AD 2000 B7/B8 EN 1591-1 VDI 2230-2 ASME Sec. VIII flangevalid ANSYS Flanschblattdicke ■ ■ □ ■ ■ Schraubenabmessung ■ ■ □ ■ ■ Dichtfläche ◙ ■ □ ■ ■ Flanschbiegemoment aus Druck/Temperatur □ □ □ □ ■ Flanschaufweitung aus Druck/Temperatur □ □ □ □ ■ Druckkraft auf das System ◙ ■ □ ■ ■ Flanschbiegung durch Schraubenkraft ◙ ◙ □ □ ■ Schraubenbiegung durch Flanschblattneigung □ ◙ □ □ ■ Hebelarm für Flanschblattneigung ◙ ◙ □ ■ ■ Schraubenvorspannkraft ■ ■ □ ■ ■ □ nicht erfasst ◙ teilweise erfasst ■ erfasst Lannewehr + Thomsen GmbH & Co. KG ®flangevalid / ANSYS Verformung unter Temperatur und Druck Ingenieurbüro für Apparate- Rohrleitungs- und Dichtungstechnik Quelle: PVP2005-71340 Case study of Temperature Analysis in a 48“ Diamater Heat Exanger Flange Die Flanschbiegung durch die Schrauben muss größer sein als das Biegen des Flansches durch die unterschiedliche Wärmeausdehnung, sonst kippt der Flansch weiter und die Schrauben werden entlastet. Ist der Flansch nicht ausreichend vorgespannt wirkt der Innendruck ähnlich. Lannewehr + Thomsen GmbH & Co. KG ®flangevalid / ANSYS Ingenieurbüro für Apparate- Rohrleitungs- und Dichtungstechnik Flanschverbindungen mit Dichtungen im Krafthaupt- und Kraftnebenschluss sind für eine analytische Berechnung zu komplex. Nur über Berechnungen nach der Finite Elemente Methode können die tatsächlichen Anforderungen an eine Flanschverbindung sinnvoll berechnet werden. Lannewehr + Thomsen GmbH & Co. KG Modellierung einer Flanschverbindung mit dem flangevalid-System-Designer 3D Ingenieurbüro für Apparate- Rohrleitungs- und Dichtungstechnik Lannewehr + Thomsen GmbH & Co. KG Import IGS-Datei aus ®flangevalid in das ANSYS Design Ingenieurbüro für Apparate- Rohrleitungs- und Dichtungstechnik Lannewehr + Thomsen GmbH & Co. KG Import in ANSYS Mechanical sowie Netzgenerierung Ingenieurbüro für Apparate- Rohrleitungs- und Dichtungstechnik Lannewehr + Thomsen GmbH & Co. KG Dichtungskennwerte bei 20°C -Herstellerangabe Moeller Metalldichtungen Ingenieurbüro für Apparate- Rohrleitungs- und Dichtungstechnik Lannewehr + Thomsen GmbH & Co. KG Dichtungskennwerte bei 200°C - Herstellerangabe Moeller Metalldichtungen Ingenieurbüro für Apparate- Rohrleitungs- und Dichtungstechnik Lannewehr + Thomsen GmbH & Co. KG Dichtungskennwerte bei 400°C - Herstellerangabe Moeller Metalldichtungen Ingenieurbüro für Apparate- Rohrleitungs- und Dichtungstechnik Lannewehr + Thomsen GmbH & Co. KG Temperaturprofil Anfahrzustand von 20°C auf 200°C Ingenieurbüro für Apparate- Rohrleitungs- und Dichtungstechnik Lannewehr + Thomsen GmbH & Co. KG Externe Zusatzkräfte Ingenieurbüro für Apparate- Rohrleitungs- und Dichtungstechnik Lannewehr + Thomsen GmbH & Co. KG Externe Zusatzmomente Ingenieurbüro für Apparate- Rohrleitungs- und Dichtungstechnik Lastaufbringung in ANSYS Mechanical Schraubenvorspannkraft, Innendruck externe Zusatzlasten Lannewehr + Thomsen GmbH & Co. KG Ingenieurbüro für Apparate- Rohrleitungs- und Dichtungstechnik Lannewehr + Thomsen GmbH & Co. KG Von Mises Spannungen der Schrauben Ingenieurbüro für Apparate- Rohrleitungs- und Dichtungstechnik Lannewehr + Thomsen GmbH & Co. KG Von Mises Spannungen der Flanschverbindung Ingenieurbüro für Apparate- Rohrleitungs- und Dichtungstechnik Lannewehr + Thomsen GmbH & Co. KG Flächenpressung der Dichtung unter Berücksichtigung externer Zusatzlasten Ingenieurbüro für Apparate- Rohrleitungs- und Dichtungstechnik Lannewehr + Thomsen GmbH & Co. KG Schubspannung der Dichtung unter Berücksichtigung externer Zusatzlasten Ingenieurbüro für Apparate- Rohrleitungs- und Dichtungstechnik Lannewehr + Thomsen GmbH & Co. KG Verformung der Dichtung in Z-Richtung (Axialrichtung) Ingenieurbüro für Apparate- Rohrleitungs- und Dichtungstechnik Lannewehr + Thomsen GmbH & Co. KG Ingenieurbüro für Apparate- Rohrleitungs- und Dichtungstechnik • Die Dichtungskennwerte wurden von der Firma Moeller Metalldichtungen, www.moeller-md.de zur Verfügung gestellt. • Die Dichtungsdaten sind ebenfalls unter www.gasketdata.org verfügbar. • Die Datenbank von flangevalid der Norm-Standardelemente, Flansche, Dichtungen, Schrauben, Muttern, U-Scheiben, Hülsen umfasst z. Zt. ca. 12000 Elemente, die beliebig angepasst werden können, d.h. auch viele runde Sonderflanschkonstruktionen sind schnell modellierbar. Lannewehr + Thomsen GmbH & Co. KG Ingenieurbüro für Apparate- Rohrleitungs- und Dichtungstechnik Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!
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