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Dichtungsanordnung für Druckbehälter Die Erfindung bezieht sich auf
eine Dichtungsanordnung für Druckbehälter mit einem selbstdichtenden metallenen
Dichtungsring.
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Derartige Dichtungsringe sind insbesondere zur Abdichtung von Hochdruckbehältern
und -leitungen gut geeignet. Der besondere Vorzug dieser Dichtungsringe, die sich
beim Zusammenfügen der abzudichtenden Flanschteile elastisch verformen und sich
dabei unter Vorspannung an die ihnen zugeordneten Dichtungsflächen anlegen, besteht
in der selbsttätigen Anpressung an die Dichtflächen durch den Behälter-bzw. Leitungsinnendruck.
Der Betrag der hierdurch hervorgerufenen Flächenpressung auf den Dichtflächen ist
dem Innendruck proportional, wodurch bei entsprechender Wahl der Abmessungen des
Ringes und der Dichtflächen sichergestellt wird, daß für jeden Innendruck jeweils
die für die zuverlässige Abdichtung erforderliche Flächenpressung vorhanden ist.
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Da aber die Schrauben oder Klammern, welche die beiden Behälterteile
bzw. Leitungsteile miteinander verbinden, so kräftig sein müssen, daß sie die durch
den Innendruck verursachten Belastungen aufnehmen können, sind besondere Vorkehrungen
zu treffen, die ein Anwachsen der Tangentialspannungen im Ringquerschnitt über den
zulässigen Wert hinaus beim Anzug der Schrauben oder Klammern verhindern. Hierzu
ist ein erheblicher konstruktiver Aufwand und ein entsprechendes Maß an Werkstattarbeit
erforderlich, was den Einsatz dieser an sich sehr vorteilhaften Dichtungsanordnungen
erschwert.
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Bei einer bekannten Dichtungsanordnung ist ein Dichtungsring vorgesehen,
der sich in der Ecke einer nach innen gerichteten Stufe des einen Flansches und
radial dazu nach innen versetzt an einer sich radial erstreckenden ebenen Dichtungsfläche
des anderen Flansches derart abstützt, daß beim Anzug der Spannmittel eine Verdrehung
der Querschnittsform des Ringes und damit ein vorgespanntes Anliegen an den Gegendichtflächen
erfolgt und der Ring unter Einwirkung des Innendruckes an die Dichtflächen gepreßt
wird. Bei dieser Ausgestaltung kann zwar die Ringvorspannung beim Anzug der Spannmittel
bis zum Anschlag der Flanschteile nur begrenzt anwachsen, ohne daß hierzu aufwendige
Konstruktions-und Werkstattarbeiten erforderlich sind, jedoch ist diese -Dichtungsanordnung
nicht für hohe Drücke geeignet. Die Ursache hierfür ist darin zu sehen, daß bei
der bekannten Dichtungsanordnung der Dichrungsring aus einem im Querschnitt gesehen
S-förmig gewölbten Blech gefertigt ist, das hohen Innendrücken nicht standhalten
kann. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die vorstehend beschriebene Dichtungsanordnung
so auszubilden, daß sie für sehr hohe Drücke einsatzfähig ist, ohne daß zusätzliche
Vorkehrungen zur Begrenzung der Ringspannung getroffen werden müssen. Erfindungsgemäß
geschieht das dadurch, daß der Dichtungsring eine im Querschnitt im wesentlichen
dreieckige massive Form aufweist, wobei eine Querschnittsecke in die von den beiden
Flanschen gebildete Stoßecke hineinragt und die von der Querschnittsecke des Ringes
ausgehenden Schenkel einen Winkel von mehr als 90°, vorzugsweise 91 bis 95°, einschließen.
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Bei der erfindungsgemäßen Ausgestaltung stützt sich der Ring mit seinen
beiden anderen Querschnittsecken in der Stufenecke des einen Flansches bzw. an der
sich radial erstreckenden ebenen Dichtungsfläche des anderen Flansches ab, wobei
der Flansch mit der sich radial erstreckenden ebenen Dichtungsfläche infolge des
stumpfen Winkels zwischen den Schenkeln dem Ring schon aufsitzt, bevor die Flansche
nach dem Anzug der Spannmittel aneinanderliegen. Dadurch verdreht sich der Ringquerschnitt
während des Anzuges und drückt sich mit Vorspannung gegen die Flanschdichtflächen.
Der Innendruck wirkt auf die dem Schalterinneren zugekehrte Ringfläche und drückt
den Ring selbstdichtend in die von den Flanschen gebildete Stoßecke. Da die wirksame
Ringfläche erheblich größer ist als die Summe der Stützflächen, ist gewährleistet,
daß die spezifische Flächenpressung an den Dichtungsflächen stets größer ist als
der innere überdruck, wodurch eine sichere Hochdruckabdichtung erhalten wird. Der
Ring nach der erfindungsgemäßen Dichtungsanordnung kann wegen seiner massiven Ausbildung
ohne Beeinträchtigung seiner Abdichtungsfunktion auch außerordentlich hohen überdrücken
standhalten und ist wieder verwendbar, da er nach dem Lösen der Spannmittel wieder
in seine Ausgangsform zurückkehrt.
Im Querschnitt im wesentlichen
dreieckförmige metallene Dichtungsringe für Hochdruckbehälter, bei denen zwei der
aneinandergrenzenden Schenkel des Dreiecks einen Winkel einschließen, der größer
als 90= ist, und die sich beim Spannen der Dichtung um ihre Querschnittsachse drehen,
sind an sich schon bekannt. Jedoch wirkt dieser bekannte Dichtungsring infolge seiner
Anordnung zum Deckel und Behälter nicht unmittelbar selbstdichtend. Die Dichtwirkung
wird vielmehr durch den auf die Deckelinnenseite wirkenden Flächendruck erzielt,
wodurch es insbesondere bei hohen Drücken zu einer überbeanspruchung der Dichtflächen
bzw. des Dichtungsringes kommen kann. Bei der erfindungsgemäßen Ausbildung wirkt
der Behälterinnendruck dagegen lediglich auf den Dichtungsring selbst und somit
auf eine wesentlich kleinere Druckfläche, so daß eine Überbeanspruchung des Ringes
ausgeschlossen ist.
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Bei weiteren bekannten Dichtungsanordnungen sind in beiden Flanschteilen
Abstützecken für einen metallenen Dichtungsring vorgesehen. Durch die Anordnung
von zwei Abstützecken ist ein erheblich größerer Aufwand für die Bearbeitung erforderlich
als bei der erfindungsgemäßen Ausgestaltung, bei der nur eine Abstützecke vorgesehen
ist. Darüber hinaus maß bei den bekannten Ausbildungen mit zwei Absiützecken auf
die Lage dieser Ecken zueinander in stärkerem Maße Rücksicht genommen werden, als
das bei der Anordnung von nur einer Abstützecke und einer ebenen Abstützfläche der
Fall ist. Die Dichtungsringe dieser bekannten Dichtungsanordnungen, die keinen dreieckförmigen
Querschnitt, sondern einen langgestreckten Querschnitt aufweisen, sind in die Abstützecken
fest eingespannt, so daß sie sich beim Spannen der Dichtung nicht verdrehen können,
sondern sich fest einkeilen und plastisch verformen. Diese Dichtungsringe können
deshalb nicht mehrmals verwendet werden. Bei der erfindungsgemäßen Ausgestaltung
kann dagegen lediglich eine elastische Verformung des Ringes auftreten, da der Ring
nur an einer Abstützecke festgelegt ist, so daß er auf der sich radial erstreckenden
ebenen Dichtungsfläche ausweichen und daher beliebig wieder verwendet werden kann.
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Schließlich ist noch eine weitere Hochdruckdich-tung bekanntgeworden,
bei welcher ein metallener elastischer Dichtungsring sich mit kegelförmigen Dichtungsflächen
an entsprechend geformte Dichtungsflächen des Behälters und des Deckels dichtend
anlegt. Bei dieser bekannten Ausgestaltung maß jedoch eine besondere den Maßen des
Dichtungsringes angepaßte Stützfläche vorgesehen werden, die das Ausweichen des
Dichtungsringes beim Anziehen der Dichtungsanordnung zur Vermeidung von überbeanspruchungen
begrenzt. Die Ausbildung der Dichtungsflächen und der Stützfläche erfordert eine
aufwendige maßgenaue Bearbeitung, die bei der erfindungsgemäßen Ausbildung nicht
im gleichen Umfang erforderlich ist. Bei der Abdichtung nach der Erfindung ist keine
gesonderte Stützfläche erforderlich, da die aneinanderstoßenden Flansche selbst
die Begrenzung für den Anzug der Dichtung bilden.
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Die erfindungsgemäße Dichtungsanordnung kann vorteilhaft auch für
Rohrverbindungen eingesetzt werden. wenn in jedem der beiden Flansche eine nach
innen gerichtete Stufe vorgesehen ist, wobei in jeder der beiden Stufen ein gesonderter
erfindungsgemäß ausgebildeter Dichtungsring eingelegt ist und die einander zugekehrten
Dichtungsflächen der Ringe gegeneinanderliegen.
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Die Erfindung wird nachfolgend an Hand der Ausführungsbeispiele darstellenden
Zeichnungen erläutert. Darin zeigt F i g. 1 einen abgebrochen dargestellten Querschnitt
durch die Flanschteile eines Hochdruckbehälters ohne Dichtungsring, F i g. 2 einen
der F i g. 1 ähnlichen Querschnitt in angespannter Stellung der Flanschteile, jedoch
mit eingelegtem Dichtungsring, F i g. 3 die Anordnung nach F i g. 2 mit aneinanderliegenden
Flanschteilen und eingespanntem Dichtungsring, F i g. 4 schematische Darstellungen
der Vorgänge beim Spannen des Dichtungsringes und F i g. 5 die Verbindung von zwei
Rohren mit zwei Dichtungsringen.
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Die F i g. 1 zeigt den Behälterflansch mit der zylindrischen Dichtungsfläche
2 und den Deckelflansch 3 mit der ebenen sich radial erstreckenden Dichtungsfläche
4. Die Dichtungsflächen 2 und 4 schließen einen Winkel von 901 ein. Beide
Dichtungsflächen 2, 4 und auch der Dichtungsring 5 lassen sich infolge ihrer geometrisch
einfachen Form ohne Mühe sehr genau herstellen.
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Wie die F i g. 2 zeigt, besitzt der Dichtungsring 5 eine zylindrische
Dichtungsfläche 6 und eine zweite Dichtungsfläche 7, die durch eine flache Kegelfläche
gebildet wird. Der wirksame Keilwinkel des Ringes ist also etwas größer als 90°.
Die F i g. 2 zeigt den Dichtungsring 5 im spannungsfreien Zustand. Mit seinem unteren
Rand sitzt er auf der Stufe 8 auf. Wird nun der Deckelflansch 3 gegen den
Behälterflansch 1 um die Strecke des Anzuges a herangezogen, so führt der Dichtungsring
5 eine nach innen gerichtete Kippbewegung aus. Dabei zeigt er ein Verhalten ähnlich
wie eine Tellerfeder. Durch die elastische Verformung, die er dabei erleidet, enstehen
Spannungen, die Vordichtungsdrucke p,.1 und p,._, erzeugen, wie in F i g. 4 gezeigt
ist. Die Vordichtungsdrücke bewirken schon im drucklosen Zustand des Behälters bzw.
der Rohrleitung eine vollkommene Abdichtung.
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Das Zustandekommen der Vordichtungsdrücke erläutern die drei Bilder
der F i g. 5. Das obere Bild zeigt den Dichtungsring in spannungsfreiem Zustand.
Die Höhe des Ringes ist mit h. und der Schwerpunkt der Querschnittsfläche mit S
bezeichnet. Das mittlere Bild zeigt, daß bei dem Angriff eines durch zwei senkrechte
Kräfte gebildeten Kräftepaares das ursprüngliche Höhenmaß ho auf das Maß hl verkleinert
wird. Dabei weicht der obere Innenrand des Dichtungsringes nach rechts, der untere
Außenrand nach links aus. Der Schwerpunkt S erfährt dabei in horizontaler Richtung
keine Verschiebung. Der Dichtungsring verhält sich wie eine Tellerfeder.
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Ist der Dichtungsring nun anfänglich in Berührung mit der zylindrischen
Dichtungsfläche 2 des Behälterflansches, wie in dem unteren Bild dargestellt ist,
so kann der untere Außenrand des Dichtungsringes nicht nach links ausweichen. Infolgedessen
erfährt der gesamte Ringquerschnitt eine Verschiebung nach rechts und der Schwerpunktkreis
wird verkleinert. Größe und Richtung der dadurch erzeugten Spannungen in dem Ringkörper
sind maßgebend für die Größe der dadurch erzeugten Vordichtungsdrucke pv, und pv2.
Wird
nun der Behälter- bzw. Leitungsinnendruck erhöht, so sucht der pneumatische oder
hydraulische Druck den Dichtungsring aufzuweiten und ihn mit seiner den stumpfen
Winkel bildenden Querschnittsecke in die Stoßecke zwischen den beiden Flanschdichtungsflächen
hineinzuschieben. Dadurch werden zusätzlich zu den Vordichtungsdrücken Dichtungsdrücke
erzeugt, die dem Innendruck proportional, aber stets größer als dieser sind. Der
Innendruck kann daher bis zur Grenze der Haltbarkeit der verwendeten Werkstoffe
gesteigert werden, ohne daß die Abdichtung verlorengeht. Die F i g. 5 zeigt eine
Verbindung von zwei Rohren, deren Flansche 9 und 10
jeweils mit einer
nach innen gerichteten Stufe 8' versehen sind. In jede der Stufen ist ein Dichtungsring
5' eingelegt, so daß die einander zugekehrten Dichtungsflächen 7' der Ringe gegeneinanderliegen.
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Wird ein Behälter, der mit der beschriebenen Abdichtung versehen ist,
geöffnet, so ist nicht notwendig, den Dichtungsring aus der zylindrischen Passung
herauszunehmen. Wenn der Ring mit einem geringen Übermaß seines äußeren Durchmessers
in die zylindrische Dichtungsfläche des betreffenden Behälterteiles eingesetzt ist,
wird er durch die Haftreibung am Herausfallen gehindert. Es besteht dann keine Gefahr,
daß die zylindrische Dichtungsfläche durch Fremdkörper beschädigt werden kann. Es
ist also im allgemeinen nur eine Beschädigung der Dichtungsflächen möglich, die
in der Ebene senkrecht zur Behälterachse liegen. Eine Nacharbeit der ebenen Dichtungsfläche
an dem betreffenden Behälterteil ist aber infolge der geometrisch einfachen Form
leicht durchführbar. Sie wird jedoch vermieden, wenn beide Behälterteile mit je
einem Dichtungsring versehen werden, wie beispielsweise F i g. 5 an Hand einer Rohrleitungsverbindung
zeigt. In diesem Falle haben beide Behälterteile eine zylindrische Dichtungsfläche
und eine nach innen gerichtete Stufe. In dem zylindrischen Behälter und dem Deckel
ist dabei je ein der Stufe aufsitzender Dichtungsring vorgesehen. Beide Dichtungsringe
führen beim Schließen des Behälters eine Kippbewegung aus, wobei die aneinanderliegenden
Dichtungsflächen der beiden Dichtungsringe sich gegeneinander abdichten. Das hat
den Vorteil, daß bei Beschädigung einer stirnseitigen Dichtungsfläche am Ring durch
einfaches Auswechseln des betreffenden Dichtungsringes der Behälter sofort wieder
einsatzbereit ist, ohne daß Nacharbeit an einem Behälterteil notwendig ist.
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Bei der erfindungsgemäßen Abdichtung ergeben sich infolge der sehr
einfachen Form der Bauelemente insbesondere dann erhebliche Vorteile. wenn die mit
dem Produkt in Berührung kommenden Flächen des Behälters durch Plattierung, Auftragschweißung
oder Auskleidung gegen Korrosionsangriff geschützt werden müssen.