Größere Kontaktfläche. Mehr Sicherheit. Bessere Abdichtung? Nicht unbedingt.

Bei gleicher Schraubenbelastung verteilt eine breitere Dichtung die wirkende Kraft auf eine größere Fläche. Dadurch wird die Belastung der Dichtung verringert. Doch genau diese Belastung sorgt dafür, dass sich die Dichtung an die Flanschoberfläche anpasst und mikroskopisch kleine Leckagewege verschließt.

 

Das physikalische Prinzip:

Die mechanische Beziehung „Druck ist gleich Kraft geteilt durch Fläche“ ist allgemein bekannt. Das gleiche Prinzip lässt sich auf die durchschnittliche Spannung in einer Dichtung anwenden:

q _G = F _G / A _G

Dichtungsspannung = Dichtungskraft / wirksame Dichtungsfläche

 

Hierbei ist qG nicht der Druck des Prozessmediums im Rohrinneren. Es handelt sich vielmehr um die durchschnittliche Druckspannung zwischen Dichtung und Flansch. FG ist die auf die Dichtung wirkende Kraft und AG die wirksame Dichtungsfläche.

Bleibt FG unverändert, führt eine größere Fläche zu einer geringeren durchschnittlichen Belastung der Dichtung.

Durch die Verkleinerung der Fläche erhöht sich die Spannung. Dies kann dazu beitragen, dass sich die Dichtung besser an Unebenheiten und Unregelmäßigkeiten des Flansches anpasst und mögliche Leckagewege verschließt.

Die Gleichung beschreibt einen Durchschnittswert. Bei einer tatsächlichen Flanschverbindung wird der Druck nicht gleichmäßig verteilt. Die Steifigkeit der Flansche, die Position der Schrauben, die Drehung der Flansche, die Eigenschaften der Dichtung und die Reihenfolge des Anziehens beeinflussen die tatsächliche Verteilung.

 

Ein einfaches Rechenbeispiel

In diesem vereinfachten Beispiel hat eine breite Dichtung eine wirksame Fläche von 20.000 mm². Eine schmalere Variante hat eine wirksame Fläche von 10.000 mm². Auf beide wirkt die gleiche Dichtungskraft von 400 kN.

Breite Dichtungsfläche: 400.000 N / 20.000 mm² = 20 MPa

Schmale Dichtungsfläche: 400.000 N / 10.000 mm² = 40 MPa

Eine Halbierung der wirksamen Fläche verdoppelt in diesem schematischen Vergleich die durchschnittliche Belastung der Dichtung. Um auch über die gesamte Fläche hinweg 40 MPa zu erreichen, wären für die Verbindung 800 kN statt 400 kN erforderlich.

Eine verringerte Dichtungsfläche kann daher die erforderliche Schraubenkraft senken. Bleiben die Schrauben, die Reibung, die Schmierung und die Montageart unverändert, kann dies auch ein geringeres Anzugsdrehmoment ermöglichen. Anzugsdrehmoment und Schraubenkraft sind jedoch nicht dasselbe. Das Anzugsdrehmoment ist lediglich ein indirekter Montagewert und wird stark von der Reibung beeinflusst.

 

Warum eine zu breite Dichtung oft von Nachteil ist

Die verfügbare Schraubenkraft in einer Flanschverbindung ist begrenzt. Wenn sie sich über eine sehr große Dichtungsfläche verteilt, wird die für die Abdichtung erforderliche Mindestspannung möglicherweise nicht erreicht. Die Dichtung scheint zwar großflächig am Flansch anzuliegen, sorgt jedoch nicht für eine zuverlässige Dichtheit.

• Bei einer größeren Fläche ist eine höhere Gesamtkraft erforderlich, um die gleiche Dichtungsspannung zu erreichen.
• Wenn die Schraubenbelastung begrenzt ist, werden die Rauheit der Flansche und feine Leckagewege möglicherweise nicht ausreichend abgedichtet.
• Eine große theoretische Kontaktfläche bedeutet nicht automatisch, dass es sich um eine durchgehend wirksame Dichtfläche handelt.

Aus diesem Grund weisen metallische Dichtungen häufig bewusst reduzierte Kontaktflächen, Rillen, Zacken oder Linienkontakte auf. Die kleinere Fläche erzeugt konzentrische Zonen mit hoher Dichtungsbeanspruchung und verbessert die Dichtfähigkeit, wenn die insgesamt verfügbare Belastbarkeit begrenzt ist.

 

Wann eine breite oder vollflächige Dichtung Vorteile bietet

Breiter ist nicht grundsätzlich falsch. Vollflächendichtungen werden häufig bei Flanschen mit flacher Dichtfläche aus vergleichsweise spröden Werkstoffen wie Gusseisen oder Kunststoff eingesetzt. Durch den vollständigen Kontakt lassen sich Lasten günstiger verteilen, lokale Biegespannungen reduzieren und eine übermäßige Flanschverdrehung begrenzen.

Eine Vollflächendichtung deckt zudem die gesamte Flanschfläche ab. In einem fachgerecht ausgelegten System kann dies das Eindringen von Fremdstoffen begrenzen, ansonsten freiliegende Bereiche abschirmen oder Teil eines Konzepts zum Korrosionsschutz und zur elektrischen Isolierung sein. Die Abdeckung allein garantiert jedoch keinen Korrosionsschutz. Auch die Materialverträglichkeit, Feuchtigkeit, das Prozessmedium und die Gesamtkonstruktion müssen berücksichtigt werden.

Die richtige Frage lautet daher nicht, ob die Dichtung so breit oder so schmal wie möglich sein sollte. Die entscheidende Frage ist vielmehr, welche Breite für den Flansch, die verfügbare Schraubenkraft, das Dichtungsmaterial und die tatsächlichen Betriebsbedingungen sowohl wirksam als auch sicher ist.

 

Was die Norm EN 1591-1 tatsächlich berücksichtigt

Die Norm EN 1591-1 dient der Bewertung von verschraubten Rundflanschverbindungen hinsichtlich ihrer mechanischen Integrität und Dichtheit. Die effektiven Dichtungsabmessungen und die daraus resultierenden Dichtungskräfte sind Bestandteil des Verfahrens. Die Dichtungsbreite wird daher bei der Berechnung nicht einfach außer Acht gelassen.

Ein weiterer Vorteil der vollständigen Gesichtsabdeckung, wie beispielsweise der Schutz äußerer Bereiche vor Umwelteinflüssen, ist in der Norm EN 1591-1 kein eigenständiges Dichtheitskriterium. CEN/TR 1591-5 enthält ergänzende Leitlinien zur Berechnung von vollständig abgedichteten Gesichtsverbindungen auf der Grundlage des in der Norm EN 1591-1 beschriebenen Verfahrens.

Der Grundsatz, dass eine kleinere Fläche zu einer höheren Belastung der Dichtung führt, ist physikalisch korrekt. Er stellt jedoch keine allgemeingültige Konstruktionsregel dar und ersetzt keine Berechnung. Nur eine Bewertung der gesamten Verbindung kann bestätigen, ob die Schrauben, der Flansch und die Dichtung innerhalb eines angemessenen und zulässigen Belastungsbereichs arbeiten.

 

Die Obergrenze: maximale Belastung der Dichtung

Die Dichtungsfläche kann nicht unbegrenzt verkleinert werden. Mit abnehmender Fläche steigt das Risiko einer Überlastung, ebenso wie die gewünschte Dichtungsspannung. Die Dichtung kann zusammengedrückt werden, in die Rohrbohrung eindringen oder ihre Rückstellfähigkeit verlieren. Auch der Flansch und die Schrauben setzen Grenzen.

Die gemäß EN 13555 ermittelten Dichtungsparameter beschreiben diesen Betriebsbereich:

• Q (L) ist die minimale Dichtungsspannung, die für die angegebene Mindestdichtheit erforderlich ist.

Klasse.

• Q (L) ist die Mindestspannung, die im Betrieb nach Entlastung und bei smin erforderlich ist

Temperatur.

• Q ist die maximal zulässige Spannung bei der jeweiligen Temperatur vor dem smax

Die Dichtung ist beschädigt.

Eine zuverlässige Konstruktion liegt zwischen diesen Grenzwerten und berücksichtigt zudem die Relaxation, die Temperatur, den Zustand der Flanschoberfläche und die Montageabweichungen. Das Ziel ist nicht die kleinstmögliche Fläche, sondern eine lastoptimierte Fläche mit einer angemessenen Sicherheitsreserve.

 

Wie Revoseal JP dieses Prinzip anwendet

Das Revoseal JP sorgt durch eine speziell gestaltete Dichtungsgeometrie für eine Verringerung der Kontaktfläche. Metallische Innen- und Außenzähne konzentrieren die Dichtwirkung auf sehr schmale, konzentrische Kontaktzonen. Dadurch entsteht bereits bei vergleichsweise geringen Schraubenvorspannkräften eine hohe lokale Belastung der Dichtung.

Die höheren inneren und äußeren Zähne umschließen die Graphit- oder PTFE-Beschichtung. Die Zahngeometrie sorgt für die Kompression der Beschichtung und bildet eine zusätzliche metallische Dichtung. Dadurch wird die Anpassungsfähigkeit einer weichen Beschichtung mit definierten metallischen Dichtlinien kombiniert.

Graphit dient nicht nur als Füllstoff. Es passt sich Unebenheiten an, verschließt mikroskopisch kleine Leckagewege und stützt das Metallprofil während der kontrollierten Kompression. Die Konstruktion kann daher hohe lokale Spannungen aushalten, ohne dass die Flanschfläche einem unkontrollierten, ungestützten, scharfen Kontakt ausgesetzt wird. Die richtige Materialauswahl und eine anwendungsspezifische Berechnung sind nach wie vor unerlässlich.

 

Fazit: Eine kleinere Fläche kann eine bessere Abdichtung bedeuten.

Eine breitere Dichtung verteilt die Kraft. Dies kann konstruktionsbedingt von Vorteil sein, senkt jedoch bei gleicher Gesamtkraft die durchschnittliche Belastung der Dichtung. Eine schmalere, sorgfältig ausgelegte Dichtfläche kann daher eine bessere Dichtheit gewährleisten und gleichzeitig die erforderliche Schraubenkraft sowie das Anzugsmoment reduzieren.

Der zulässige Bereich wird durch das Zusammenspiel von Dichtung, Flansch und Schrauben bestimmt. Die minimale und maximale Beanspruchung der Dichtung muss unter Berücksichtigung von Temperatur, Medium, Zustand der Flanschoberfläche und Montagequalität berücksichtigt werden.

Haben Sie es mit einer Flanschverbindung zu tun, bei der die Schraubenbelastung begrenzt ist, die Dichtungsfläche ungewöhnlich groß ist oder immer wieder Undichtigkeiten auftreten? Revoseal unterstützt Sie bei der Auswahl der Dichtung, der Auslegung der Verbindung und der Berechnung einer belastungsoptimierten Dichtungslösung.