Dauerhaft dichte Flanschverbindungen zwischen einzelnen Kolonnensegmenten

  • Beispiel Rohrleitungsverbindung, Probedruck 741 bar – extrem belastete Verbindung an einem ­Pumpenprüfstand der KSB. © Voith Industrial Services GmbH  Beispiel Rohrleitungsverbindung, Probedruck 741 bar – extrem belastete Verbindung an einem ­Pumpenprüfstand der KSB. © Voith Industrial Services GmbH
  • Beispiel Rohrleitungsverbindung, Probedruck 741 bar – extrem belastete Verbindung an einem ­Pumpenprüfstand der KSB. © Voith Industrial Services GmbH
  • Bereits im Jahr 2006 wurde der Autor für seine Arbeiten zur kraft- und formschlüssigen Verbindungstechnik mit dem Innovationspreis Ruhr ausgezeichnet. Im Jahr 2014 ist bei PP Publico ein Band erschienen, in dem die zugrundeliegenden Prinzipien zusammengestellt sind. Der vorliegenden Beitrag beschreibt die Weiterentwicklung. © consysAS

Durch Nutzung einer neu patentierten Verbindung von Flanschbunden ergeben sich sowohl für Neuanlagen als auch durch Umbauten an vorhandenen Kolonnentürmen Erleichterungen in der Fertigung, beim Transport, bei der Montage sowie bei jedem Wechsel von Füllkörpern/Einbauten.

In der Vergangenheit wurden Kolonnentürme in der Chemie/Petrochemie aus einzelnen Schüssen/Segmenten zusammengesetzt und durch Standardflansche miteinander verbunden. Bauartbedingt erfordert das ungünstige Verformungsverhalten dieser Flansche eine Anordnung der Dichtungen ausschließlich im Krafthauptschluss (KHS). Folglich wurden standardmäßig Flachdichtungen mit Weichstoffauflagen bzw. metallummantelte Flachdichtungen genutzt. Durch Wind- und Rohrleitungsbelastungen erhöht sich im Bereich der jeweiligen Flanschebene infolge der sich aus dem resultierenden Moment der Belastungen einstellenden Druckkräfte die während der Montage aufgebrachte Dichtungsverpressung, so dass bei einem Überschreiten der zulässigen Werte die Standkraft bzw. das elastische Rückfederungsverhalten der Dichtung nicht mehr gegeben ist.

Nach einer längeren Betriebszeit ist somit die Gefahr des Versagens der im KHS angeordneten Dichtung auch dann gegeben, wenn die max. Werte zum Vorverformen der Dichtung nicht überschritten werden, da zur Pressung infolge der Vorverformung und den vorhandenen Vertikallasten die sich aus dem resultierenden Moment MR einstellenden Druckanteile infolge der nicht stetigen Wind-Staudruck-Belastung ständig verändern und als Schwellbelastung auf die Dichtung wirken, im ungünstigsten Fall bis zur Ermüdung. In einem Großteil der KHS-Dichtungsmaterialien waren seinerzeit jedoch Asbestfasern eingearbeitet, so dass diese Dichtungen eine in jeder Belastungssituation ausreichende Rückfederung aufwiesen.

Aufgrund der verfilzten Struktur der Asbestfasern war das elastische Rückfederungsverhalten dieser Dichtungen maßgeblich besser gegenüber der unter Nutzung von Asbest-Ersatzmaterialien hergestellten Dichtungen. Folglich war es nach dem Verbot von Asbest nur eine Frage der Zeit, bis die Standkraft der Dichtung unter diesen Belastungen nicht mehr gegeben war, so dass Leckagen zum Anlagenstillstand und hohen Produktionsausfallkosten führten.

Zudem existieren bis zum heutigen Tag keine Berechnungsnachweise, dass diese Dichtungen durch schwellende Druckbelastungen nicht unzulässig beansprucht werden

Logische Reaktion der Anlagenbetreiber

Die verstärkt aufgetretenen Undichtigkeiten an den Flanschverbindungen von Kolonnensegmenten führten folglich zu einer schrittweisen Umkehr von den seinerzeit geflanschten Kolonnenkörpern auf die insgesamt zu Nachteilen führenden einteilig verschweißten Kolonnen. Diese stellen heute noch den Stand der Technik dar, obwohl zusätzlich nicht unerhebliche Kosten stets aufzuwenden sind, die bspw. durch das erforderliche Beachten von Vorschriften und Regelwerken hinsichtlich der erforderlichen Arbeiten in hohen Behältern und in engen Räumen entstehen (s. u. a. UVV – Unfallverhütungsvorschriften, UGR – Berufsgenossenschaftliche Regeln für Sicherheit und Gesundheit).

Wirtschaftlich vorteilhafte Bauformen von Kolonnen durch dauerhaft dichte Flanschverbindungen

Durch Nutzung der neu patentierten kraft- und formschlüssigen Flanschbund-Verbindung System „Schlemenat“ – diese ist bspw. bei der DLR, dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt, an einem Heißluftprüfstand für Hochtemperaturspeicher (t max. = 830 °C) als lösbare Rohrleitungsverbindung im Einsatz – ergeben sich sowohl an Neuanlagen als auch durch Umbauten an vorhandenen Kolonnentürmen enorme wirtschaftliche Vorteile gegenüber den gegenwärtigen Bauformen, da Stillstandszeiten erheblich zu verkürzen und Produktionsausfallkosten zu minimieren sind. So sind komplett am Boden vorzumontierende, u. a. mit neuen Füllkörpern/Einbauten bestückte Kolonnenschüsse/-segmente zu nutzen, die jeweils nach dem Abheben des Kolonnenkopfes bzw. der oberen Segmente nach dem Einsetzen des neuen Kolonnenschusses wieder aufzusetzen sind.

Die Vorteile werden u. a. durch die ausschließliche Anordnung der Dichtungen im Kraftnebenschluss (KNS) erreicht. Während auftretende Druckkräfte stets über die Stirnflächen der Flanschbunde abgetragen und folglich die Standkraft der Dichtungen nicht zerstört werden kann, sind weitere Pro­bleme infolge von Schraubenrelaxation ebenfalls ausgeschlossen, da hohe Kerbwirkungszahlen aufweisende Schrauben an der Übertragung von Betriebsbelastungen nicht beteiligt sind (s. weiter unten). Bei einer korrekten Dimensionierung und Berücksichtigung aller stationär und instationär wirkenden Belastungen ist ein Versagen dieses Systems ausgeschlossen. Die Forderung „technisch dicht“ wird erfüllt, die Lebenszykluskosten der betreffenden Aggregate/Bauteile werden maßgeblich minimiert.

Aufbau und Wirkungsweise des kraft- und formschlüssigen Verbindungssystems
Die herausgestellte Flanschbundverbindung basiert als Weiterentwicklung auf einer bereits weltweit genutzten kraft- und formschlüssigen Verbindungstechnik, die härtesten Belastungen standhält. Unter anderem wurden Verbindungen zum Einsatz an der „Kalten Neutronenquelle des Hahn-Meitner-Instituts, Berlin“ getestet, in dem schlagartige Temperaturänderungen von 300 K schadlos von den Bauteilen aufgenommen wurden.

Die Übertragung der (Betriebs-) Belastungen erfolgt nicht mehr über Schrauben, sondern – analog dem Wirkprinzip eines Keils – über keilförmige Spannelemente. Diese erzeugen zwischen den lösbar zu verbindenden, im Bereich ihrer Stirnflächen metallisch aneinanderliegenden rotationssymmetrischen Bauteilen einen Kraft- und Formschluss. Die Winkel zwischen den Verspannflächen und der Verspannachse bewirken eine Selbsthemmung der verspannten Bauteile zueinander, wobei relativ kleine Schrauben, mit denen zuvor der Verspannungszustand erzeugt wurde, einen Übergang von der Haft- zur Gleitreibung verhindern, u. a. infolge von Erschütterungen bzw. bei dynamischen Belastungen.

Die kraft- und formschlüssige Flanschbundverbindung weist gegenüber den gegenwärtigen Verbindungen in nahezu sämtlichen industriellen Anwendungsbereichen – unabhängig von Nennweite, Nenndruck, Temperatur- und Zusatzbelastungen – optimale Dichtheitsvoraussetzungen auf. Leckagen an neu erstellten Verbindungen werden dauerhaft vermieden, an vorhandenen Verbindungen sind aufgetretene Undichtigkeiten durch Nutzung eines Adapters dauerhaft zu beseitigen.
Im Service bzw. in der Instandhaltung tätige Unternehmen können durch eine Übernahme der noch bis 2035 geltenden Patentrechte die Technologie-Führerschaft im Rahmen einer wettbewerbsfreien Vermarktung des Verbindungssystems erreichen.

Dieses führt in nahezu allen Bereichen der Technik – vor allem bei explosiven und toxischen Medien – zu wirtschaftlich vorteilhaften Anwendungen, u. a. an Rohrleitungs-Verbindungen, Rohrleitungsanschlüssen an Maschinengehäusen/Aggregaten, an Verbindungen zwischen Wärmetauscherhauben und WT-Gehäusen sowie an Turmverbindungen jeglicher Art, u. a. auch in der Windenergie. Als neue Isolier-Flanschbund-Verbindung kann zudem erstmals eine vorbeugende Instandhaltung im Pipelinebetrieb realisiert werden. Im Rahmen des aktuellen Studierenden-Wettbewerbs chemPLANT „Kreative Ideen für den Anlagenbau der Zukunft“ werden sich interessante Aufgabenstellungen zum Erstellen von wissenschaftlichen Arbeiten ergeben, die vom Autor in jeder Hinsicht unterstützt werden.

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Telefon: +49 209 35 93 025

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