Flansch, Schraubenvorspannkraft bei steigendem Innendruck

[Heiner Veelken]

Ich habe eine Flanschverbindung, bei der ich im drucklosen Zustand alle
64 Schrauben mit Vorspannkraft 48kN (sei 180Nm) angezogen habe, so dass
die Dichtung eine Fl�chenpressung von 50N/mm2 erfahre.
Jetzt wird der Apparat auf 20 bar gedr�ckt. Der Innendruck versucht, die
Flanschverbindung auseinanderzudr�cken; die Schrauben halten dagegen.
Wie rechne ich jetzt aus, wie gro� die verbleibende Fl�chenpressung auf
die Dichtung ist? Eigentlich steigt doch die Vorspannung der Schraube
jetzt an, oder? Oder geht man konservativ von nicht steigender
Vorspannung der Schraube aus?
Wer bringt Licht in mein Dunkel?
--
Gruss Heiner

[Jürgen B]

Am 05.02.2013, 10:51 Uhr, schrieb Heiner Veelken <vi...@gmx.net>:

> Ich habe eine Flanschverbindung, bei der ich im drucklosen Zustand alle
> 64 Schrauben mit Vorspannkraft 48kN (sei 180Nm) angezogen habe, so dass

> die Dichtung eine Flï¿œchenpressung von 50N/mm2 erfahre.
> Jetzt wird der Apparat auf 20 bar gedrï¿œckt........


Durch die Vorspannung erfahren die Schrauben eine Dehnung, durch die
aufgebrachte Last(Innendruck 20bar)erfahren die Schrauben eine zusï¿œtzliche
Dehnung.
Im gleichen Maï¿œe wie die Dehnung der Schrauben zunimmt, werden die
Spannungen zwischen den Flanschen abgebaut.
Die Vorspannung der Schrauben wird nicht erhï¿œht, die Schraubenbeanspruchung
betrï¿œgt dann die Summe der ursprï¿œnglichen Vorspannkrï¿œfte und den
zusï¿œtzlichen
Krï¿œften aus der inneren Druckbeanspruchung von 20bar
Die Rï¿œckbildung der Stauchung der Flansche ist im Allgemeinen
vernachlï¿œssigbar.

Jï¿œrgen

[Heiner Veelken]

J�rgen B <jbne...@arcor.de> wrote:

> Am 05.02.2013, 10:51 Uhr, schrieb Heiner Veelken <vi...@gmx.net>:
>
> > Ich habe eine Flanschverbindung, bei der ich im drucklosen Zustand alle
> > 64 Schrauben mit Vorspannkraft 48kN (sei 180Nm) angezogen habe, so dass

> > die Dichtung eine Fl�chenpressung von 50N/mm2 erfahre.
> > Jetzt wird der Apparat auf 20 bar gedr�ckt........

>
>
> Durch die Vorspannung erfahren die Schrauben eine Dehnung, durch die

> aufgebrachte Last(Innendruck 20bar)erfahren die Schrauben eine zus�tzliche
> Dehnung.
> Im gleichen Ma�e wie die Dehnung der Schrauben zunimmt, werden die

> Spannungen zwischen den Flanschen abgebaut.

> Die Vorspannung der Schrauben wird nicht erh�ht, die Schraubenbeanspruchung
> betr�gt dann die Summe der urspr�nglichen Vorspannkr�fte und den
> zus�tzlichen
> Kr�ften aus der inneren Druckbeanspruchung von 20bar
> Die R�ckbildung der Stauchung der Flansche ist im Allgemeinen
> vernachl�ssigbar.

Danke Dir! So hatte ich es angenommen/gehofft. Also l��t sich die
verbleibende Pressung wohl einfach ausrechnen durch Pressung vorher -
Druckkraft/Dichtfl�che, oder?

Pressung vorher = Pressung im drucklosen Zustand
Druckkraft = Gesamtkraft, mit der der Druck die Flanschverbindung
auseinanderziehen will (p*A innen)
Dichtfl�che = Fl�che der Dichtung, die gepresst wird.

--
Gruss Heiner

[Axel Berger]

Heiner Veelken wrote on Tue, 13-02-05 10:51:

>wie gro� die verbleibende Fl�chenpressung auf die Dichtung ist?

Das ist komplex. Du mu�t zuerst wissen, wo und wie Dein Innendruck
seine Kraft einleitet und dann alle Federkonstanten und Steifigkeiten
kennen. Aus dem Kopf bekommme ich das nicht vollst�ndig zusammen, im
Umdruck damals war es ein l�ngeres (und wichtiges) Kapitel.

Im konkreten Fall kannst Du es Dir aber einfach machen. Die Verformung
betr�gt wohl nur Mikrometer und Dichtungen sind weich, die Vorspannung
�ndert sich wohl nur minimal und innerhalb Deiner Fehlergrenzen. Die
Schrauben sehen die zus�tzliche Druckkraft deswegen fast komplett.

[gUnther nanon�m]

"Axel Berger" <Axel_...@b.maus.de> schrieb im Newsbeitrag
news:201302051...@b.maus.de...

Hi,
hat schon einer den Satz erw�hnt?
Und bei so vielen Schrauben rundherum ist die Flanschdicke auch nicht ohne.
Wo sitzt die Dichtung denn, auf dem Lochkranz oder innen davor?

Wir haben uns fr�her gerne beholfen, indem garkeine Rohre direkt verflanscht
wurden, es gab stets eine Armatur oder ein gegossenes Zwischenst�ck mit weit
h�herer Steifigkeit als das billige Flanschmetall. Erspart einem viel
Rechnerei. War auch praktisch bei Umbauten, Anbauten, Kontrollleitungen,
stets war irgendwo ein Blindst�ck in Reichweite. Ansonsten kam ein Sack
dr�ber, falls es knallt. Damit sich keiner verbr�ht. Empirische Bauten...

Und dann Dichtungsmaterial, Medium und das "arbeiten" unter
Druckschwankungen. Manche Dichtung mu� vor Walken bei Mediumkontakt
gesch�tzt werden, hat etwa einen Metallrand. Der Flansch darf sich dort
nicht weiter dehnen als der Dichtrand elastisch nachfedern kann.

--
mfg,
gUnther

[Jürgen B]

Am 06.02.2013, 11:29 Uhr, schrieb Ralf . K u s m i e r z
<m...@privacy.invalid>:

> X-No-Archive: Yes
>
> begin quoting, Jï¿œrgen B schrieb:

>
>>> Ich habe eine Flanschverbindung, bei der ich im drucklosen Zustand alle
>>> 64 Schrauben mit Vorspannkraft 48kN (sei 180Nm) angezogen habe, so dass

........

>> Im gleichen Maï¿œe wie die Dehnung der Schrauben zunimmt, werden die
>> Spannungen zwischen den Flanschen abgebaut.
>

> Das ist Unsinn.

>
>> Die Vorspannung der Schrauben wird nicht erhï¿œht, die
>> Schraubenbeanspruchung
>> betrï¿œgt dann die Summe der ursprï¿œnglichen Vorspannkrï¿œfte und den
>> zusï¿œtzlichen Krï¿œften aus der inneren Druckbeanspruchung von 20bar
>

> Quatsch mit Soï¿œe.
>
Ich empfehle Dir mal eine simple Gleichgewichtsbetrachtung der
Krï¿œfte aufzustellen!

Jï¿œrgen

[gUnther nanon�m]

"J�rgen B" <jbne...@arcor.de> schrieb im Newsbeitrag
news:op.wr2y8kviyn2ybc@home1-pc...

> Ich empfehle Dir mal eine simple Gleichgewichtsbetrachtung der

> Kr�fte aufzustellen!

Hi,
naja, er scheint von absolut h�rtestem Stahl und extrem geringer
Flanschwandst�rke auszugehen. So hab ich das aber nie erlebt. Die
"Vorspannung" der normalen Schrauben f�r solche Flansche bewirkte erhebliche
Streckung. Dazu kommt die eine oder andere U-Scheibe, oder ein
Sicherungselement. Selbstsichernde Muttern waren bei hohen Temps damals
nicht �blich.

--
mfg,
gUnther

[gUnther nanon�m]

"Ralf . K u s m i e r z" <m...@privacy.invalid> schrieb im Newsbeitrag
news:anfpfb...@mid.uni-berlin.de...

>> Ich empfehle Dir mal eine simple Gleichgewichtsbetrachtung der

>> Kr�fte aufzustellen!
>
> Dito. Und diesmal solltest Du die Fl�chenpressung der Dichtung dabei
> nicht ignorieren.

Hi,
u�rks, schei� Tensorrechnung. Flanschverformung integriert �ber den Umfang
�h Radius, Volumenwanderung der Dichtmasse, Wanderung der Schraubensch�fte
in den Bohrungen (Pa�schrauben?), Hebelkr�fte am Flanschinnenrand wegen
Dichtringabstands, Form und Ma� der Schraubenkopfunterseite und und und. Da
kam auch noch die Eigenschwingung der freien Rohrl�nge mit Flansch rein
sowie thermische Bewegungen...gut, darum k�mmert sich alles Sankt Alzheim...

--
mfg,
gUnther

[Axel Berger]

Ralf . K u s m i e r z wrote on Wed, 13-02-06 11:29:
>Was sich �ndert, ist die Fl�chenpressung an der Dichtung:
>Quatsch mit So�e.

Teile der Grundlagenvorlesungen aus dem Grundstudium vergessen zu haben
mag entschuldbar sein, wenn man seitdem anderes macht, aber etwas mehr
Zur�ckhaltung sollte dann schon sein.

Bei unendlicher Steifigkeit aller Bauteile geht die Druckkraft allein
in die Schraubenspannung. Real federt aber alles ein wenig und in genau
dem Ma�e bauen sich Vorspannung und Fl�chenpressung ab, die
Schraubenspannung steigt also etwas weniger als mit der zus�tzlichen
Addition der Druckkraft.

>weil die Dichtung als weich und die Flansche als starr angesehen werden
>k�nnen

Eben. Damit eine weiche Dichtung Fl�chenpressung abbauen kann mu� sie
sich sp�rbar dehnen, genau das verhindert Deine Annahme eines starren
Umfeldes aber.

[Ernst Sauer]

Am 06.02.2013 20:32, schrieb Ralf . K u s m i e r z:
...
>
> begin quoting, J�rgen B schrieb:
>
...

>> Ich empfehle Dir mal eine simple Gleichgewichtsbetrachtung der

>> Kr�fte aufzustellen!
>
> Dito. Und diesmal solltest Du die Fl�chenpressung der Dichtung dabei
> nicht ignorieren.
>

Die Gleichgewichtsbetrachtung gen�gt nicht, man muss
zus�tzlich die Verformungen betrachten.

Als statisches Modell hat man 2 gegenseitig vorgespannte Federn,
auf dieses System wird zus�tzlich eine �u�ere Kraft aufgebracht.
Die Aufteilung erfolgt im Verh�ltnis der vorhandenen
Feder-Steifigkeiten, dass zeigt eine einfach statisch unbestimmte
Rechnung und ist anschaulich klar.

Ich vermute mal, dass die Federsteifigkeiten der Schrauben
deutlich gr��er sein werden als die Federsteifigkeiten von
Dichtung + ... (wobei man dabei nicht nur den Werkstoff sondern
auch die Fl�che und Dicke) ber�cksichtigen muss.

Stimmt meine Annahme, geht der gr��ere Teil der zus�tzlichen Kraft in
die Schrauben und die Gesamtkraft der Schrauben wird gr��er als die
Vorspannkraft.

Gru�
E.S.

[Heiner Veelken]

Eventuell Bedarf an den wirklichen Abmessungen?

- Dichtung 1232/1200mm
- Beh�lterinnendurchmesser 1172mm

Ich rechne jetzt (hoffentlich konservativ) so: Die Schrauben seien
relativ lang, mit der Folge, dass die Schraubenkraft konstant bleibt,
wenn der Druck "anf�ngt" die Fl�chenpressung von der Dichtung
wegzunehmen. Bei 20 bar Innendruck bleiben dann von meiner
Fl�chenpressung der Dichtung im Montagezustand von 50N/mm2 noch ca.
15N/mm2 �brig, wenn das Ding mal auf 20 bar aufgepustet sein sollte.

Rechne/�berschlage ich richtig/konservativ?

--
Gruss Heiner

[Ernst Sauer]

Am 07.02.2013 17:38, schrieb Heiner Veelken:
> Heiner Veelken <vi...@gmx.net> wrote:
>
...

>
> Eventuell Bedarf an den wirklichen Abmessungen?
>
> - Dichtung 1232/1200mm
> - Beh�lterinnendurchmesser 1172mm
>
> Ich rechne jetzt (hoffentlich konservativ) so: Die Schrauben seien
> relativ lang, mit der Folge, dass die Schraubenkraft konstant bleibt,
> wenn der Druck "anf�ngt" die Fl�chenpressung von der Dichtung
> wegzunehmen. Bei 20 bar Innendruck bleiben dann von meiner
> Fl�chenpressung der Dichtung im Montagezustand von 50N/mm2 noch ca.
> 15N/mm2 �brig, wenn das Ding mal auf 20 bar aufgepustet sein sollte.
>
> Rechne/�berschlage ich richtig/konservativ?
>

Konservativ in welcher Hinsicht (Pressung oder Schrauben)?

Bei Beachtung vorhandener Steifigkeiten ist
die Fl�chenpressung gr��er als 15 N/mm� (15 < p < 50).
Die Zugkr�fte in den Schrauben werden aber ebenfalls gr��er.

Gru�
E.S.

[Ernst Sauer]

Am 07.02.2013 20:02, schrieb Ralf . K u s m i e r z:
...
>
> Nat�rlich ist Stahl "h�rter" als Dichtungen - die haben aber auch die
> gr��ere Fl�che und mithin wesentlich kleinere Spannungen. Und damit
> sind das dann doch die steiferen Federn.
>

Mit den Spannungen hat das nichts zu tun,
die Federsteifigkeit betr�gt k=E*A/L

Die Dichtung hat einen kleineren E-Modul, eine gr��ere Fl�che,
und eine kleinere L�nge (Dicke der Schicht).

Ich spekuliere mal:

Faktoren Stahl/Gummi:
>100 Bei E, ca. 1/10 bei A, ca. 10/1 bei L

Dann w�re es fifty, fifty.

Die Spezialisten werden es genauer wissen.

Gru�
E.S.

[gUnther nanon�m]

"Ralf . K u s m i e r z" <m...@privacy.invalid> schrieb im Newsbeitrag

news:anicbf...@mid.uni-berlin.de...

> Idealisiert nimmt man aber deutlich unterschiedliche
> Federsteifigkeiten an und kann dann die h�rtere Feder als starr
> ansehen.

Hi,
das eben mu� man erstmal herleiten. Ist in RL meist wenig �berraschend
falsch.

>
>> Ich vermute mal, dass die Federsteifigkeiten der Schrauben
>> deutlich gr��er sein werden als die Federsteifigkeiten von
>> Dichtung + ... (wobei man dabei nicht nur den Werkstoff sondern
>> auch die Fl�che und Dicke) ber�cksichtigen muss.
>

> Eben nicht, es ist genau umgekehrt: Die "elastischen" Bauteile sind
> die Schrauben. Und das liegt genau an dem, was Du schreibst: Die
> Schrauben sind lang und d�nn, aber die Dichtungen sehr d�nn und
> gro�fl�chig. (Und die Flansche sind sowieso sehr dick und auch aus
> Stahl, also n�herungsweise starre K�rper.)

Der Flansch ist vermutlich etwa von derselben Wandst�rke wie das Rohr. Und
gleiches Material. W�r sonst kniffelig zu schwei�en. Meist ist das kein
"starres Material".

>
>> Stimmt meine Annahme, geht der gr��ere Teil der zus�tzlichen Kraft in
>> die Schrauben und die Gesamtkraft der Schrauben wird gr��er als die
>> Vorspannkraft.
>

> Und umgekehrt folgt genau das Gegenteil.

Und in der Mitte steht ein "="...

--
mfg,
gUnther

[Heiner Veelken]

Ralf . K u s m i e r z <m...@privacy.invalid> wrote:

> X-No-Archive: Yes
>
> begin quoting, Heiner Veelken schrieb:

>
> > Eventuell Bedarf an den wirklichen Abmessungen?
>

> Kann nicht schaden.
>
> > - Dichtung 1232/1200mm
>
> Also (nur) 6,11E-2 m^2 Dichtungsfl�che (lediglich 16 mm breite
> Dichtungen?).
>
> > - Beh�lterinnendurchmesser 1172mm
>
> Ma�geblich sind die "1200", also 1,13 m^2 freie �ffnung. Das bringt
> Faktor 18,5 gegen�ber der Dichtungsfl�che, entsprechend �ndert sich
> bei der die Fl�chenpressung um 18,5*20 bar = 37 MPa.

Nee, ma�geblich sind schon diese 1172mm

> > Ich rechne jetzt (hoffentlich konservativ) so: Die Schrauben seien
> > relativ lang, mit der Folge, dass die Schraubenkraft konstant bleibt,
> > wenn der Druck "anf�ngt" die Fl�chenpressung von der Dichtung
> > wegzunehmen.
>

> W�rde ich auch so machen.

>
> > Bei 20 bar Innendruck bleiben dann von meiner
> > Fl�chenpressung der Dichtung im Montagezustand von 50N/mm2 noch ca.
> > 15N/mm2 �brig, wenn das Ding mal auf 20 bar aufgepustet sein sollte.
>

> 50 - 37 = 13 als worst case.
>
> > Rechne/�berschlage ich richtig/konservativ?
>
> Wenn Du Dir mit den 20 bar als Spitzendruck sicher sein kannst, dann
> ja - k�nnen noch h�here Druckspitzen vorkommen, dann pustet Di das
> Medium die Dichtung aus dem Flansch.
>
> (Gibt es keine T-f�rmigen Dichtungen, die dann von innen gegen die
> Wand dr�cken?)
>
> Falls sich die Schrauben dehnen, also Flansch + Dichtung nicht als
> "unendlich steif" angenommen werden k�nnen, nimmt die Pressung zwar
> weniger stark ab, aber es besteht theoretisch die Gefahr des
> Aufklaffens eines Spalts, z. B. wenn die Beanspruchung unsymmetrisch
> ist. Das ist auch unsch�n: Die Elastizit�t der Dichtung sollte
> eigentlich nicht in Anspruch genommen werden.
>
>
> Gru� aus Bremen
> Ralf


--
Gruss Heiner

[Heiner Veelken]

Heiner Veelken <vi...@gmx.net> wrote:

> > Ma�geblich sind die "1200", also 1,13 m^2 freie �ffnung. Das bringt
> > Faktor 18,5 gegen�ber der Dichtungsfl�che, entsprechend �ndert sich
> > bei der die Fl�chenpressung um 18,5*20 bar = 37 MPa.
>
> Nee, ma�geblich sind schon diese 1172mm

Dieses Posting habe ich zu fr�h (oder zu sp�t abends) abgeschickt. Sorry
f�r die Unvollst�ndigkeit.
--
Gruss Heiner

[Heiner Veelken]

Ralf . K u s m i e r z <m...@privacy.invalid> wrote:

> X-No-Archive: Yes
>
> begin quoting, Heiner Veelken schrieb:
>

> >>>> - Dichtung 1232/1200mm
>
> >>> Ma锟絞eblich sind die "1200", also 1,13 m^2 freie 锟絝fnung. Das bringt
> >>> Faktor 18,5 gegen锟絙er der Dichtungsfl锟絚he, entsprechend 锟絥dert sich
> >>> bei der die Fl锟絚henpressung um 18,5*20 bar = 37 MPa.
> >> Nee, ma锟絞eblich sind schon diese 1172mm
> > Dieses Posting habe ich zu fr锟絟 (oder zu sp锟絫 abends) abgeschickt. Sorry
> > f锟絩 die Unvollst锟絥digkeit.
>
> Du machst gleich zwei gef锟絟rliche Fehler:
>
> 1. Untersch锟絫zt Du die Angriffsfl锟絚he des Drucks - das ist *nicht* die
> Nennweite des Beh锟絣ters, sondern *mindestens* die 锟絝fnung der
> Flanschdichtung (-> hydrostatisches Paradoxon), also hier "1200".

Ich meinte ja, das Posting war etwas vorschnell abgeschickt:-) Wollte
eigentlich weiter schreiben und noch mal nach der Zeichnung gucken, als
ich dann irgendwie abgeschickt habe.
Meiner Ansicht nach hat Du Recht. Mir ist das "hydrostatische" kein
"Paradoxon" :-)
--
Gruss Heiner