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May 30, 2023

Fehlerbehebung bei Dichtungsfehlern

In der Öl-, Gas- und Prozessindustrie müssen sich Ingenieure und Techniker dem stellen

In der Öl-, Gas- und Prozessindustrie stehen Ingenieure und Techniker vor dem Problem, eine hermetische Abdichtung für eine Vielzahl von Industrieanlagen aufrechtzuerhalten. Ein Beispiel sind Flansche, die die gebräuchlichste Befestigungsmethode eines Rohrs an einem anderen Rohr oder Gerät darstellen. Da die zu verbindenden Teile beide starr sind, müssen sie beide perfekt bearbeitet und ausgerichtet sein. Sie müssen diese ausgerichtete Position auch bei wechselnden Betriebsbedingungen beibehalten, um eine Abdichtung aufrechtzuerhalten. Dies kann angesichts der Art der in der Ausrüstung verwendeten Legierungen, der enthaltenen Flüssigkeiten sowie der Prozessvariablen (wie Vibrationen, Temperaturschwankungen, Verschleiß und chemische Verträglichkeit) und Kostenbeschränkungen (Wartungszeit pro Mann, Kosten) schwierig zu erreichen sein von Produkten und Ausfallzeiten).

Aus diesem Grund sind Dichtungen von entscheidender Bedeutung. Eine Dichtung soll den Spalt zwischen zwei zusammenpassenden Bauteilen füllen, ist im Allgemeinen weicher als die zu verbindenden starren Teile und verhindert den Flüssigkeitsverlust in Form von Leckagen. Eine Abdichtung wird dadurch erreicht, dass die verbundenen Gegenstände und die Dichtung zusammengedrückt werden, wodurch letztere durch die Wechselwirkung mit den Klemmkräften und dem Innendruck die Unebenheiten der Flanschoberflächen ausfüllt.

Rohre sind nicht leer. Durch sie und durch die Flansche fließt Flüssigkeit. Jede Flüssigkeit hat die Eigenschaft, Kraft in alle Richtungen auszuüben. Zunächst kommt die in der Rohrleitung enthaltene Flüssigkeit mit der Oberfläche des Innendurchmessers des Flansches und auch der Dichtung in Kontakt. Die Höhe der Kraft kann mit Gleichung 1 berechnet werden.

Dichtungen dichten bei der anfänglichen Krafteinwirkung ab. Dichtungshersteller und Konstrukteure haben festgestellt, dass die Dichtung durch Anziehen der zum Zusammendrücken der Flansche verwendeten Schrauben zusammengedrückt werden kann. Das einfachste Modell hierfür ist Gleichung 2, die die aufgebrachte Druckkraft mit dem Schraubendrehmoment in Beziehung setzt.

Allerdings ist die Belastung, der die Dichtung ausgesetzt ist, nicht gleichmäßig proportional zum Drehmomentwert der Schraube, da die Belastung in Umfangsrichtung variieren kann. Dies liegt daran, dass sich das Kontaktmuster und die Fläche zwischen den Dichtungen und den Flanschflächen von der Kontaktfläche der Schrauben und Muttern unterscheidet. Die durch die Verschraubung auf den Flansch ausgeübte Gesamtkraft ist in Gleichung 3 dargestellt.

Das zu einer gegebenen Schraubenanzahl n proportionale Drehmoment ist in Gleichung 4 dargestellt.

T wird als Drehmoment in Fuß-Pfund ausgedrückt und ist das primäre Kraftmittel, das der Benutzer auf die Dichtung ausübt, um Leckagen zu verhindern.

Obwohl es sich bei den hier vorgestellten Gleichungen um ideale Modelle handelt (da sie Rauheit, andere Flanschkräfte usw. nicht berücksichtigen), stellen sie doch durchschnittliche beobachtete Bedingungen in der Industrie dar. Wie in Tabelle 1 dargestellt, komprimiert die beim Anziehen der Schrauben ausgeübte Kraft die Dichtung und verformt sie.

Diese aufgebrachte Kraft muss den Druck der Flüssigkeit (hydrostatische Kraft) überwinden, um Leckagen zu vermeiden. Die hydrostatische Kraft in der Rohrleitung neigt dazu, die Flansche zu trennen und wirkt der Druckkraft der Verschraubung entgegen, wodurch diese während des Betriebs verringert wird.

Die Dichtung muss sowohl stark genug sein, um dem Prozessdruck standzuhalten, als auch weich genug und verformbar, um die Unregelmäßigkeiten der Flansche auszufüllen. Obwohl mehrere Artikel verfasst wurden, um ein besseres Verständnis der Beziehung zwischen Dichtungen und Flanschen zu vermitteln, ist es allgemein bekannt, dass die Dichtungsfähigkeit nicht nur durch Schrauben erreicht wird, sondern vielmehr durch eine Kombination von Faktoren, die je nach Art der Verbindung unterschiedlich sein können ein anderer.

Durch Rohrleitungen verursachte Kräfte treten kurz nach der Installation ins Spiel. Während des Betriebs beginnen sie aufgrund von Temperatur- und Prozesseinflüssen auf das Rohrmaterial und die Rohrkonfiguration Auswirkungen auf das System zu haben.

Muttern und Befestigungselemente sind weitere Schlüsselelemente, um den Druck auf die Flansche und Dichtungen auszuüben. Ihre Funktion besteht darin, die Verbindung angesichts der durch Prozessvariablen induzierten Spannung ausreichend zu klemmen. Verbindungselemente weisen außerdem eine Entspannung und Dehnung auf, die von ihrem Konstruktionsmaterial abhängt und einen erheblichen Einfluss auf die verfügbare Lastmenge hat.

Wenn der elastische Bereich eines Befestigungselements während des Betriebs überschritten wird, geben die Befestigungselemente nach und werden irreversibel verformt, und die Fähigkeit, eine Lastkraft – im Wesentlichen eine Drucklast – bereitzustellen, wird verringert.

Vibration, Ausrichtung und mechanische Flexibilität wirken sich auf die Menge und das Ausmaß dieser Verformungen aus und machen sie zu wichtigen Variablen für die Geräte- und Prozesskonstruktion, die bei wechselnden Betriebsbedingungen berücksichtigt werden müssen.

Wenn die Dichtung all diesen Kräften durch das Anziehen der Schrauben standhält, können je nach ausgeübter Belastung vier Szenarien auftreten:

Die Dichtungsspannung ist ausreichend, um inneren Kräften und Flanschkräften standzuhalten und eine gute Dichtungsleistung zu erzielen.

Die Spannung der Dichtung sinkt so weit, dass sie nicht mehr ausreicht, um die Flanschkräfte zu kompensieren.

Die Belastung der Dichtung ist zu hoch und beeinträchtigt schnell die Integrität.

Durch Rohrleitungen verursachte Kräfte/Flanschkräfte steigen auf einen Wert an, der die Integrität sowohl der Dichtung als auch des Rohrleitungssystems/der Ausrüstung beeinträchtigt.

In jedem dieser Szenarien spielen auch die Dichtungseigenschaften eine Rolle. Die Kenntnis des Dichtungsmaterials, der Dichte, der Kompressibilität, der Erholung, der Entspannung, der minimalen Sitzspannung und der minimalen Spannung im Betrieb ist wichtig, um Grenzwerte für die Spannungen der Montageschrauben festzulegen, bei denen die Dichtung Kontakt erreicht und abdichtet.

Daher kann ein vorzeitiger oder katastrophaler Ausfall der Rohrleitung auf niedrige Drehmomentbelastungen, unzureichende Dichtungsauswahl, unzureichende Installationspraktiken, schlechte Materialauswahl oder sogar schlechtes Gerätedesign zurückzuführen sein.

Dichtungshersteller und Techniker haben ihre jahrelange Erfahrung genutzt, um Anleitungen und Faustregeln zur Fehlerbehebung zu entwickeln, um Benutzern die beste Lösung für ihre jeweilige Situation zu bieten.

Für jeden spezifischen Satz von Prozessvariablen sind Empfehlungen von den Dichtungsherstellern erhältlich.

Dichtungen, Verbindungen, Befestigungselemente und Prozessvariablen sollten als ein gesamtes dynamisches System und nicht als weniger isolierte Elemente betrachtet werden, die kontrolliert werden müssen.

Auf diese Weise stellt der Untersuchungsprozess von Dichtungsversagen sicher, dass Leckageprobleme anhand der tatsächlichen Ursache und ihrer Auswirkungen auf die Prozessdynamik genau angegangen werden können.

Referenzen1. Kobayashi, Takashi „Studie über die Durchbiegung von Dichtungen und ihre Auswirkungen auf die Restschraubenkräfte und die Dichtheit von verschraubten Flanschverbindungen“ ASME 2014-Konferenz zu Druckbehältern und Rohrleitungen. PVP2014-28514

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Guillermo San Martín studierte Chemieingenieurwesen und schloss sein Studium an der Universität des Bundesstaates Mexiko ab. Derzeit ist er Leiter der Technik und Entwicklung von Empak Spirotallic Mexicana.