DE1186703B

DE1186703B - Flanschverbindung zwischen zwei im Betrieb hohen Temperaturen ausgesetzten Rohren

Info

Publication number: DE1186703B
Application number: DEU5976A
Authority: DE
Inventors: Harry Chilton
Original assignee: UK Atomic Energy Authority
Current assignee: UK Atomic Energy Authority
Priority date: 1958-02-12
Filing date: 1959-02-11
Publication date: 1965-02-04
Also published as: CH368667A; DE1190272B; GB849123A

Description

Flanschverbindung zwischen zwei im Betrieb hohen Temperaturen ausgesetzten Rohren Die Erfindung betrifft Flanschverbindungen zwischen zwei im Betrieb hohen Temperaturen ausgesetzten Rohren, die an einer ebenen Fläche zusammenstoßen und deren Flansche durch Schrauben oder Klemmeinrichtungen mit einer anderen Wärmedehnzahl als eines oder beide dieser Rohre zusammengehalten werden.
Derartige Flanschverbindungen, bei denen die ebenen Stirnflächen der Rohre durch Läppen oder Schleifen fein bearbeitet sind, halten auch bei starken Temperaturänderungen in den Rohren ausreichend dicht, wenn die Bolzen und die beiden Flanschenrohre gleiche Wärmedehnzahlen aufweisen. Schwierigkeiten treten jedoch auf, wenn zwei Rohre zu verbinden sind, von denen eines oder beide aus Werkstoffen mit Wärmedehnzahlen hergestellt sind, welche verschieden von denjenigen der Schrauben oder der Klemmeinrichtung sind, die die Flansche zusammenhalten. Wenn man beispielsweise Stahlschrauben zum Zusammenspannen von zwei zunächst kalten Graphitrohren verwendet, werden deren Endflächen sich bei hohen Temperaturen infolge der niedrigeren Wärmedehnzahl des Graphits voneinander trennen, so daß die Verbindung undicht wird. Dieselbe Schwierigkeit entsteht beim Verbinden eines Stahlrohres mit einem Graphitrohr unter Verwendung von Stahlschrauben.
Es ist bereits eine Flanschverbindung für Rohre mit unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten bekanntgeworden, bei der ein ringförmiger Fortsatz des einen Rohres in eine entsprechend ausgebildete Ringnut des anderen Rohres eingreift, wobei durch die verschiedene Ausdehnung dieser ineinandergreifenden Teile in radialer Richtung sowohl bei Normal- als auch bei Höchsttemperatur im Betrieb stets eine Ringfläche des Fortsatzes entweder an die Innen- oder an die Außenfläche der Ringnut angepreßt wird. Außerdem führen gemäß diesem Vorschlag die Klemmschrauben so durch die ringförmigen Fortsätze, daß die Beanspruchungen, welche durch die unterschiedliche Wärmeausdehnung zwischen den Schrauben und den Fortsätzen entstehen, so gering wie möglich sind.
Außerdem ist es bekannt, federnde Zwischenlagen zwischen den Schrauben und den Flanschen vorzusehen. Die Federn werden jedoch unhandlich groß und sind in vielen Fällen den hohen Temperaturen nicht gewachsen. Bei einer bekannten Rohrverbindung werden die Dehnungsunterschiede zwischen den Schrauben und den Rohren bei hohen Temperaturen ausgesetzten Flanschverbindungen z. B. dadurch ausgeglichen, daß unter den Köpfen der Muttern der Flanschverbindungsschrauben Zwischenringe angeordnet sind, die eine solche Wärmedehnzahl aufweisen, daß in den Schrauben bei allen Temperaturen eine konstante Zugspannung aufrechterhalten bleibt.
Schließlich gibt es Rohrverbindungen, bei denen die miteinander zu verbindenden Teile mit Kegelflächen versehen sind, die in Linienkontakt miteinander gehalten werden, wobei die Lage der Berührungslinie sich ändert, wenn die Flächen während der Wärmeausdehnung gleiten.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Unzulänglichkeiten, die die vorbekannten Verbindungen zweier Rohre mit unterschiedlichen Wärmedehnzahlen aufweisen, derart zu umgehen, daß bei ungleicher Wärmedehnung der zu verbindenden Rohre die dabei auftretende Neigung zum Trennen an den Berührungsflächen und damit ein Undichtwerden der Verbindung verhindert wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zumindest eine Abstützfläche der Klemmelemente auf den Flanschen der Rohre mit der Ebene der Stoßfläche der Rohre zusammenfällt.
Bei einer Flanschverbindung zwischen zwei im Betrieb hohen Temperaturen ausgesetzten Rohren mit unterschiedlichen Wärmedehnzahlen, die an einer ebenen Fläche zusammenstoßen und deren Flansche durch Schrauben oder Klemmeinrichtungen mit derselben Wärmedehnzahl wie das eine dieser Rohre zusammengehalten werden, ist die Erfindung demzufolge dadurch gekennzeichnet, daß die Schrauben oder Klemmeinrichtungen sich an dem Flansch des anderen Rohres in der durch die Stoßfläche der beiden Rohre bestimmten Ebene abstützen.
Wenn die Klemmeinrichtung. eine andere Wärmedehnzahl aufweist als beide der mittels des Flansches zu verbindenden Rohre, so ist die erfindungsgemäße Flanschverbindung dadurch gekennzeichnet, daß die Klemmeinrichtung sich an den Flanschen beider Rohre in der durch die Stoßfläche der Rohre bestimmten Ebene abstützt, wobei jeder der Flansche in Umfangsrichtung unterbrochen ist, die stehengebliebenen Sektoren des einen Flansches in die Lücken des anderen Flansches eingreifen und die aus Ringen mit entsprechenden Innensektoren bestehende Klemmeinrichtung auf den Rückseiten der Flanschsektoren in der genannten Ebene aufliegt.
Die erfindungsgemäßen Flanschverbindungen haben sich in der Praxis als sehr brauchbar erwiesen. Zum Beispiel sind solche Rohrverbindungen verwendet worden, um Flüssigkeiten im Temperaturbereich von 540 bis 750° C zu=befördern,.ohne daß die Verbindungen undicht wurden.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind im folgenden an Hand der Zeichnungen ausführlicher beschrieben. Es zeigt F i g. 1 einen Schnitt durch eine einfache Flanschrohrverbindung einer bekannten Bauart, F i g. 2 einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Flanschrohrverbindung, F i g. 3 eine Halbschnittdarstellung einer weiteren erfindungsgemäßen Flanschrohrverbindung, während F i g. 4 einen Schnitt durch eine dritte erfindungsgemäße Flanschrohrverbindung darstellt.
F i g. 1 zeigt eine herkömmliche Rohrverbindung, bei welcher die geläppten Stirnflächen von zwei Rohren 22 und 23 in der Dichtungsebene Y-Y zu- sammentreffen. Die Rohre 22 und 23 weisen Flansche 24 bzw. 25 auf, welche aus einem Stück mit den Rohren bestehen und durch Schrauben 26 zusammengehalten sind.
Wenn das Rohr 22 die gleiche Wärmedehnzahl wie das Rohr 23 und die Bolzen 26 hat, sind Festigkeit und Dichtigkeit der Verbindung von Temperaturänderungen unbeeinflußt. Wenn jedoch das Rohr 23 und die Schraube 26 beispielsweise aus Stahl bestehen, das Rohr 22 jedoch aus Graphit gefertigt ist, dann wird, wenn sich die Temperatur der Verbindung um d T ändert, die Stoßfläche des Graphitrohres 22 dazu neigen, sich relativ zur Stoßfläche des Stahlrohres 23 axial zu bewegen, und zwar um d - (a, - a8) A T, wobei d der Abstand zwischen den Ebenen X-X und Y-Y und a, und cag die Wärmedehnzahlen von Stahl bzw. Graphit sind, und die Verbindung wird sich lösen.
Bei der in F i g. 2 dargestellten Verbindung ist das Rohr 22' mit dem Flansch 24' aus Graphit hergestellt, während das Rohr 23' mit dem Flansch 25' sowie die Schrauben 26' aus Stahl gefertigt sind. Bei dieser Verbindung wird die vorerwähnte Neigung zu einer axialen Bewegung durch Verminderung des Abstandes d auf Null aufgehoben, da die Stoßfläche Y-Y und die Klemmdruckfläche X-X in F i g. 1 in der Ebene C-C von F i g. 2 zusammenfallen.
F i g. 3 veranschaulicht eine Ausführungsform, bei welcher der Flansch am Graphitrohr zweckmäßiger hergestellt ist als der einstückige Flansch 24' in F i g. 2 und bei welcher die Stoßfläche des Graphitrohres zum Zwecke des Läppens leichter zugänglich ist. In F i g. 3 treffen die geläppten Stoßflächen eines Graphitrohres 1 und eines Stahlrohres 7 in einer Ebene A-A zusammen. Das Stahlrohr 7 weist nahe seinem Ende einen Flansch 6 auf, während sich nahe dem Ende des Graphitrohres 1 eine ringförmige Vertiefung 9 befindet. Eine zweiteilige Graphit-Innenbüchse 4, wird im Eingriff mit einer Ringnut 9 von einer Graphit-Außenbüchse 3 gehalten, welche auf dem Rohr 1 gleiten kann. Die Außenbüchse 3 übt einen Axialdruck auf die Innenbüchse 4 in der Fläche 10 aus. Die Innenbüchse 4 überträgt diesen Druck auf das Rohr 1 in der Fläche 11. Außen um die Außenbüchse 3 verläuft ein Ringbund 22 mit einer in der Ebene A A liegenden Stützfläche 12. Auf den Ringbund 22 wird von einer Klemmeinrichtung, bestehend aus einem Stahl-Klemmring 5, welcher sich gegen die Stützfläche 12 legt, und aus Stahlschrauben 8, die durch Löcher im Flansch 6 hindurchgehen, ein Druck ausgeübt.
Wenn angenommen wird, daß die Verbindung bei Raumtemperatur mit der vorgeschriebenen Vorspannung angezogen ist, so werden sich beim Erhitzen die Stahlteile der Verbindung, Rohr 7, Schrauben 8 und Ring 5, die alle etwa die gleiche Wärmedehnzahl haben müssen, mehr ausdehnen als die Graphitteile. Da sich jedoch der Ring 5 auf der Stützfläche 22 des Ringbundes 12 in der gleichen Ebene A-A abstützt, in welcher die geschliffenen Rohrenden aufeinandertreffen, ist die Anordnung in ihrer Wirkung die gleiche wie die von F i g. 2, und es besteht keine Veranlassung, daß die Stoßflächen sich trennen.
Nach F i g. 4 weisen die Rohre 13 und 14, welche aus dem gleichen Werkstoff (beispielsweise Graphit) oder aus zwei Werkstoffen mit verschiedenen Wärmedehnzahlen bestehen können, geläppte Stoßflächen auf, welche in einer Ebene B-B aneinanderstoßen. Die Flansche 15 bzw. 16 bestehen mit den Rohren aus einem Stück und sind in Umfangsrichtung so unterbrochen, daß jeweils drei 60°-Sektoren gebildet werden, welche durch 60°-Ausnehmungen voneinander getrennt sind. Dadurch können die Flansche, wie dargestellt, ineinandergefügt werden. Der Anpreßdruck wird auf die Rückseiten beider Flansche in der Ebene B-B über Flächen 17 und 18 durch Stahl-Klemmringe 19 bzw. 20 ausgeübt, welche von Stahlschrauben 21 zusammengehalten werden. Bei dieser Anordnung haben temperaturbedingte Längenänderungen beider Rohre gegenüber den Stahlschrauben und Klemmringen keinen Einfluß auf die Dichtkraft zwischen den Stoßflächen der Rohre.
Für den wirksamen Einsatz der erfindungsgemäßen Flanschverbindungen ist es erforderlich, daß alle Teile der Verbindungen im Betrieb untereinander die gleiche Temperatur aufweisen. Es sollte deshalb der Einbau so vorgenommen werden, daß für einen möglichst guten Temperaturausgleich gesorgt ist. Außerdem sollten plötzliche Temperaturänderungen des in der Leitung strömenden Mediums vermieden werden, da hierdurch das Temperaturgleichgewicht in den Verbindungen gestört wird. Auch werden durch die Erfindung relative Radialbewegungen der Stoßflächen nicht verhindert. Diese Radialbewegungen sind aber meist weniger schwerwiegend als die Axialbewegungen, welche große Leckverluste bewirken können. Die erfindungsgemäße Flanschverbindung ist auch anwendbar zum Befestigen eines Deckels auf einer Behälteröffnung oder für den Anchluß eines Rohres an einen Behälter.

Claims

Patentansprüche: 1. Flanschverbindung zwischen zwei im Betrieb hohen Temperaturen ausgesetzten Rohren mit unterschiedlichen Wärmedehnzahlen, die an einer ebenen Fläche zusammenstoßen und deren Flansche durch Schrauben oder Klemmeinrichtungen mit derselben Wärmedehnzahl wie das eine dieser Rohre zusammengehalten werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Schrauben oder Klemmeinrichtungen sich an dem Flansch des anderen Rohres in der durch die Stoßfläche der beiden Rohre bestimmten Ebene abstützen.
2. Flanschverbindung zwischen zwei im Betrieb hohen Temperaturen ausgesetzten Rohren, die an einer ebenen Fläche zusammenstoßen und deren Flansche durch eine eine andere Wärmedehnzahl als beide Rohre aufweisende Klemmeinrichtung verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Klemmeinrichtung (19, 20) sich an den Flanschen beider Rohre in der durch die Stoßfläche der Rohre bestimmten Ebene abstützt, wobei jeder der Flansche (15, 16) in Umfangsrichtung unterbrochen ist, die stehengebliebenen Sektoren des einen Flansches in die Lükken des anderen Flansches eingreifen und die aus Ringen (1920) mit entsprechenden Innensektoren bestehende Klemmeinrichtung auf den Rückseiten (17,18) der Flanschsektoren in der genannten Ebene (B-B) aufliegt (F i g. 4). In Betracht gezogene Druckschriften: Britische Patentschriften Nr. 708 263, 718 625; französische Patentschriften Nr. 501050, 732 842; USA.-Patentschrift Nr. 2 695184.