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Die
Erfindung betrifft eine Dichtungsvorrichtung, insbesondere zum Verbinden
von zwei Rohrelementen, mit zumindest zwei Kegelflanschanschlüssen und
einer Klammer sowie einem Dichtungselement.
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Zur
Verbindung von Rohrleitungssystemen, -behältern bzw. -apparaten und -armaturen
mit Kegelflanschanschlüssen
werden in der Regel Übergänge miteinander
verschraubt, welche planebene oder konisch ausgebildete Auflageflächen aufweisen,
die zusammengepreßt
werden. Um ausreichende Dichtwirkung eines Rohrsystems zu gewährleisten,
müssen
solche Flächen
sehr sauber und genau gearbeitet werden. Die Fertigungskosten sind
entsprechend hoch und kleinste Beschädigungen der Auflageflächen gefährden die
Dichtwirkung. Zur Verbesserung der Dichtwirkung werden Dichtmittel,
beispielsweise in Form von Dichtkitt, Dichtlacke eingesetzt. Hierdurch
werden kleinere Unebenheiten ausgeglichen und eine mehr oder weniger
gute Dichtwirkung erzielt. Viele dieser Dichtmittel verhärten aber nach
kurzer Zeit und verlieren ihre Dichtfähigkeit. Desweiteren besteht
die Möglichkeit
flache Dichtringe als dünne
oder dicke Scheiben oder runde Dichtringe zwischen die Dichtflächen der
Flansche oder auch stirnseitig in eine Schraubverbindung einzulegen
und mit großer
Kraft ggfs. unter Zuhilfenahme weiterer Dichtmittel, plastisch zusammenzupressen. Die
meisten Rohrverbindungen mit Kegelflanschanschlüssen und Spannketten oder Spannklammern lassen
sich auf diese Art abdichten. Nachteilig wirkt sich aber aus, daß solche
Dichtscheiben häufig
ungleichmässig
oder zu stark verpreßt
werden, so daß sie
platzen oder rissig werden und ihre Dichtwirkung im Laufe der Zeit
verlieren können.
Weiterhin können die
Dichtscheiben durch zu starke Verpressung verhärten und zerkrümeln, so
daß die
Dichtwirkung nachläßt und ggfs.
abgelöste
Dichtmaterialien ins Innere der Konstruktionen gelangen und zu zeitaufwendigen
und teuren Störungen
führen.
Zudem weisen alle genannten Dichtmethoden relativ große Dichtflächen auf,
welche einerseits großen
Kraftaufwand und andererseits eine relativ große Baugröße der Flansche erfordern,
damit keine Durchbiegung der Flansche bzw. kein Aufbrechen der Schraubverbindungen
beim Erzeugen der notwendigen Schließkraft eintritt.
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Aus
der
EP 0 058 811 ist
eine Dichtungsart für
eine Flanschverbindung von Rohrleitungssystemen bekannt, die anstelle
der flachen Dichtungsscheiben eine genau bemessene Nut mit einem O-Dichtring
aufweist. Durch die einwirkenden Kräfte wird der Dichtungsring
in der Nut im Querschnitt nicht nur deformiert, sondern vielmehr
dessen Molekularaufbau so verdichtet, daß der Dichtungsring in der Nut
fixiert wird und während
der Aufbewahrung, Montage und Demontage keiner Lageveränderung
unterworfen ist. Hierdurch wird eine vollständige Umklammerung des Dichtungsringes
mit einem großen
praktischen Nutzen hinsichtlich der Dichtwirkung erzielt. Ferner
wird eine Beschädigung
oder vorzeitige Alterung des Dichtungsringes vermieden und eine
hohe und zuverlässige
Abdichtung der Rohrverbindung gewährleistet. Ein weiterer Vorteil
liegt in der geringeren Abmessung der Flanschverbindungen als Folge der
sehr kleinen, nur wenige Millimeter betragenden Dichtstrecke des
O-Ring-Durchmessers.
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Ferner
ist aus der
EP 0 022 293 eine
Rohrverschraubung für
ein Rohrleitungssystem bekannt, welche zum Einschrauben in ein Rohrende,
einen Behälter,
einen Apparat oder eine Armatur zur Herstellung einer druckdichten
Verbindung gedacht ist. Die Rohrverschraubung weist zu diesem Zweck
an einem Ende einen Schraubanschluß auf, welcher an seinem kopfseitigen
Ende ebenfalls eine Nut mit einem Dichtungsring aufweist. Die Nut
ist wiederum so bemessen, daß der
Dichtungsring im Querschnitt nicht nur deformiert, sondern vielmehr
dessen Molekularaufbau so verdichtet wird, daß eine dauerhafte Dichtung
mit den bereits genannten Vorteilen zur
EP 0 058 811 entsteht.
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Aus
der
DE 80 30 074 U1 ist
eine Kupplungsvorrichtung für
aneinander anschließende
Rohrabschnitte bekannt, welche durch zwei miteinander verschraubbare
halbkreisförmige
Klammern, die im Kreisinneren zwei schräg aufeinander zulaufende Flächen aufweisen,
zwei aneinander liegende Kegelflanschanschlüsse durch die Innenkonuswirkung
der Klammern aneinander presst. Eine derartige Kupplungsvorrichtung
eignet sich zwar zur dichten Kupplung zweier Rohre, jedoch ist eine
Dauerhaftdichtigkeit durch diese Kupplungsvorrichtung nicht gewährleistet,
weil die Dichtigkeit allein durch einen elastischen Dichtungsring
erreicht wird.
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Aus
der
GB 2 172 363 A ist
eine Rohrkupplung bekannt, welche eine in einem vorgegebenen Winkelbereich
angewinkelte dichte Verbindung ermöglicht. Der zentrale Gedanke
in dieser Druckschrift ist, eine Rohrkupplung aus zwei Elementen zur
Verfügung
zu stellen, in welcher das erste Element durch zwei gedachte parallele
Schnitte aus einer Kugel geformt ist und in ein zweites korrespondierendes
Element mit konkaver Innenfläche
greift. Ein angewinkelt zu befestigendes Rohrelement greift mit
einer korrespondierenden Kugelinnenfläche, auf das erste sphäroide Element,
wobei der Winkel frei gewählt
werden kann. Dichtungsringe auf der sphäroiden Fläche stellen die gewünschte Dichtigkeit
zur Verfügung.
Diese Rohrkupplung ist jedoch nicht dafür gedacht, dauerhafte Dichtigkeit
zur Verfügung
zu stellen, sondern ein nahezu beliebig angewinkelte Rohrverbindung
zu ermöglichen.
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Aus
der
DE 7022555 ist ein
Spannring für Kleinflanschverbindungen
bekannt. Dieser Spannring wird um zwei aneinander liegende Kegelflansche gelegt,
wobei die aufeinander treffenden Flächen der Kegelflasche planparallel
ausgebildet sind, jedoch die von der Dichtungsfläche wegweisende Fläche konisch
zuläuft.
Der Spannring weist einen korrespondierenden Innenkonus auf und
beim Spannen des Ringes, beispielweise durch eine Schraubverbindung,
quetscht der Innenkonus die beiden Kegelflansche gegeneinander.
In einer besonderen Ausführungsvariante
liegt zwischen den beiden Flanschen ein metallischer Dichtungsring,
welcher von einem Gummiring umspannt wird. Beim Aufeinanderpressen
der Flansche drücken
die Flansche auf den metallischen Dichtungsring und deformieren
dabei den um den metallischen Dichtungsring gelegten Gummiring.
Hierdurch wird eine durchaus dauerhafte Verbindung von zwei Rohrenden
erreicht, die jedoch von der Dichtungswirkung des nur einen Dichtungsringes aus
Gummi abhängig
ist.
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Aufgabe
der Erfindung ist es jedoch, eine Dichtungsvorrichtung für Flanschanschlüsse zur
Verfügung
zu stellen, welche eine weit höhere
Resistenz gegenüber
Dichtigkeitsverlust, insbesondere für Hochdruck- und Ultravakuumrohrsysteme, aufweist als
gattungsgemäße Dichtungsvorrichtungen,
die aus dem Stand der Technik bekannt sind.
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Eine
weitere Aufgabe der Erfindung ist es auch im Fall einer durch Alterung,
Korrosion und mechanischer Über-
und/oder Fehlbeanspruchung der Dichtungsvorrichtung genügend Dichtigkeit
zur Verfügung
zu stellen, damit das Rohrsystem keine unerwünschten Leckagen an den Verbindungsstellen
aufweist.
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Noch
eine Aufgabe der Erfindung ist es, auch im Falle des Versagens eines
Dichtungsringes das Versagen des Dichtungsringes detektieren zu
können,
ohne dass dabei die Dichtigkeit des Rohrsystems gefährdet ist.
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Erfindungsgemäß ist zur
Lösung
der gestellten Aufgabe vorgesehen, dass das Dichtungselement mehr
als eine Nut und mehr als einen Dichtungsring in beiden oder einer
seiner Auflageflächen aufweist,
und das Dichtungselement zwischen den Nuten einer Auflagefläche eine
weitere Nut aufweist, welche über
einen Kanal mit einer äußeren Axial- oder
Radialfläche
zur Leckagekontrolle verbunden ist, wobei das Dichtungselement in
mindestens einen der Kegelflanschanschlüsse integriert ist oder als
eigenständiger
metallischer Dichtungsring vorliegt, wobei im Falle des integrierten
Dichtungselementes die Auflagefläche
des Dichtungselementes und des Kegelflanschanschlusses identisch
sind.
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Die
verschiedenen Ausführungsvarianten
ermöglichen
eine wesentliche Verbesserung der Dichtigkeitseigenschaften gegenüber herkömmlichen Abdichtungen,
weil durch die Verwendung eines hochkomprimierten Dichtungsringes
in einer oder mehrfacher Anordnung in den Dichtungsflächen eine
wesentlich höhere
und langlebigere Abdichtung der Vakuumflanschanschlüsse gewährleistet
wird und eine jederzeitige Wiederverwendung des Dichtungsringes durch
die Lagerung in einer Nut ohne Beschädigung möglich ist.
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In
weiterer Ausgestaltung der ersten Ausführungsform ist vorgesehen,
daß die
Kegelflanschanschlüsse
gleich- oder unterschiedlich dimensioniert sind und daß das Dichtungselement
jeweils in dem größeren Kegelflansch anschluß vorgesehen
ist, wodurch eine gleichbleibende Stabilität aufrechterhalten wird. In
einer Auflagefläche
können
hierbei ein oder mehrere Dichtungselemente, jeweils bestehend aus einer
Nut und einem Dichtungsring, vorgesehen sein.
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Bei
der zweiten Ausführungsform
ist alternativ vorgesehen, daß der
Dichtungsring auf einer oder beiden Stirnflächen mehr als eine Nut und
einen Dichtungsring aufweist, so daß ggfs. die Dichtwirkung den
jeweiligen Erfordernissen angepaßt werden kann, wobei die Nuten
und Dichtungsringe in gleichen oder voneinander verschiedenen Radialabständen zur
Längsachse
der Kegelflanschanschlüsse
angeordnet sein können.
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In
besonderer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß bei beiden
Ausführungsformen zwischen
den Nuten eine weitere Nut vorhanden ist, welche über einen
Verbindungskanal mit einer äußeren Axial-
oder Radialfläche
zur Leckagekontrolle verbunden ist, um ein Meßgerät anzuschließen und eine
automatische Leckagekontrolle vornehmen zu können.
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Um
die Montage der kegelflanschanschlüsse zu erleichtern ist vorgesehen,
daß der
Dichtungsring eine Innen- oder Außenzentrierung bei dem zweiten Ausführungsbeispiel
aufweist oder daß zumindest ein
Kegelflanschanschluß eine
Innen- oder Außenzentrierung
bei dem ersten Ausführungsbeispiel
aufweist, wobei das Rohrelement ggfs. eine korrespondierende Aussparung
für die
Zentrierung aufweist. Das Rohrelement kann bei allen Ausführungsformen ein
Rohranschluß,
ein Blindflansch, ein Druck- oder Vakuumkörper sein.
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Zur
Verbindung der beiden sich gegenüberliegenden
Kegelflanschanschlüsse
ist eine Klammer vorgesehen, welche zwei- oder mehrteilig, beispielsweise
als Spannketten system, ausgebildet sein kann und über die
Anzahl der Kettenteile eine unproblematische Anpassung an beliebige
Rohrdurchmesser ermöglicht.
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Bei
der Ausführung
mit Dichtungsring in der Dichtungsfläche ist das Dichtungselement
im Montagezustand vollständig
umklammert, d. h. von Metalloberflächen zu 100 umgeben, im Gegensatz
zu flachen Dichtungsscheiben, so daß eine Relativbewegung des
Elastomers bei Druckänderungen
oder mechanischen Schwingungen vermieden wird. Ferner wird hierdurch
eine erleichterte Anpassung an konventionelle Kegelflanschsysteme
mit nutfreien Kegelflanschen ermöglicht,
wobei eine höhere
Betriebssicherheit und ein größerer Schutz
gegenüber
Undichtigkeiten aufgrund der isostatischen Kompression der Dichtungsmaterialien
mit einer langzeitstabilen und sehr dichten Verbindung erzielt wird.
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Die
Nuten der Kegelflanschanschlüsse und/oder
des Dichtungsringes können
zumindest teilweise einen runden oder eckigen Querschnitt aufweisen,
je nachdem, ob reine O-Ringe
oder Rechteckringe mit zwei abgeschrägten Kanten als Dichtungsmaterialien
verwendet werden.
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Zur
Erzielung der optimalen Dichtwirkung der Kegelflanschanschlüsse mit
einer hohen Kompression des Dichtungsringes ist vorgesehen, daß im Querschnitt
gesehen die beiden zur Auflagefläche bzw.
zu den Stirnflächen
hin auslaufenden Wandabschnitte der Nut zueinander parallel und
von dem Dichtungsring beabstandet verlaufen, wobei zwischen den
auslaufenden Wandabschnitten und dem Dichtungsring zwei Freiräume entstehen.
Zur bestmöglichen
Molekularverdichtung des Dichtungsringes ist ferner vorgesehen,
daß je
nach Dichtungsmaterial bis zu fünfunddreißig, insbesondere
fünfundzwanzig
bis fünfunddreißig, Volumenprozente des
Dichtungsringes aus der Nut hervorstehen, wobei der Durchmesser
bzw. die Breite und
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Tiefe
der Nut so bemessen sind, daß der Dichtungsring
in seinem unbelasteten Zustand der Form der Nut bereits weitestgehend
entspricht und von der Kreisaussparungs- oder Rechteckwand und den seitlichen
Wandabschnitten größtenteils
dicht umschlossen ist.
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Vorteilhafterweise
werden als Dichtungsringe elastisch nachgiebige Materialien eingesetzt,
die im Querschnitt gesehen eine zumindest teilweise runde oder rechteckförmige Form
mit zwei abgerundeten oder abgeschrägten nach außen hervorstehenden
Ecken aufweisen.
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In
besonderer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Nut
tiefer ausgebildet ist und der Dichtungsring vollständig in
der Nut liegt und daß zwischen
Dichtungsring und der gegenüberliegenden
Auflagefläche
eine Teflonisolierscheibe angeordnet ist, welche gegenüber der
Auflagefläche
bzw. den Stirnflächen
mit Nut im unbelasteten Zustand zumindest teilweise hervorsteht.
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Die
erfindungsgemäße Dichtungsvorrichtung wird
nachfolgend anhand der Figuren näher
erläutert.
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Es
zeigt:
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1 eine
geschnittene Ansicht zweier Kegelflanschanschlüsse mit einer Nut und einem
Dichtungsring in einem Flansch vor der Montage,
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2 eine
geschnittene Ansicht zweier Kegelflanschanschlüsse gemäß 1 nach der
Montage,
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3 eine
geschnittene Ansicht eines Kegelflanschanschlusses mit einer Nut
und einem Dichtungsring gemäß 1 mit
einem Blinddeckel,
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4 eine
geschnittene Ansicht eines Kegelflanschanschlusses gemäß 3 mit
einem Blinddeckel, welcher eine Nut und einen Dichtungsring aufweist,
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5 eine
geschnittene Ansicht eines metallischen Dichtungsringes mit jeweils
einer Nut und einem Dichtungsring in den Stirnflächen und
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6 eine
geschnittene Ansicht zweier Kegelflanschanschlüsse nach der Montage mit einem Dichtungsring
gemäß 5.
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1 zeigt
eine geschnittene Ansicht der Dichtungsvorrichtung 1 mit
zwei Kegelflanschanschlüssen 2, 3 vor
der Montage, welche aus jeweils einem Rohrstutzen 4, 5 bestehen
und welche eine radiale Erweiterung 6, 7 am Rohrstutzenende
aufweisen, die sich gegenüberstehen
und zusammengefügt die
kegelförmige
Flanschverbindung bilden. Die Flanschverbindung kann hierbei durch
eine zwei- oder
mehrteilige Klammer zusammengepreßt werden. Der links abgebildete
Kegelflanschanschluß 2 entspricht
hierbei einer bisher verwendeten Ausführungsform, welche mit einem
neuen Kegelflanschanschluß 3 kombinierbar
ist. Die neue Ausführung
des Kegelflanschanschlusses 3 weist in der Stirnfläche bzw.
Auflagefläche 8 eine
Nut 9 auf , in der ein Dichtungsring 10 einliegt,
so daß nach
dem Zusammenfügen
der beiden Kegelflanschanschlüsse 2, 3 der Dichtungsring 10 gegen
die Auflagefläche 11 des
Kegelflanschanschlusses 2 gedrückt und eine Abdichtung mit
hoher Dichtwirkung erzielt wird. Der Nutengrund der Nut 9 kann
rund oder eckig ausgebildet sein, wobei die Nut 9 so ausgebildet
ist, daß die
beiden zur Auflagefläche 8 hin
auslaufenden Wandabschnitte 12, 13 zueinander
parallel und zum Dichtungsring 10 beabstandet verlaufen,
so daß sich zwei
Freiräume
links und rechts des Dichtungs ringes 10 bilden, die einen
Teil des elastischen und nachgiebigen Dichtungsringes 10 aufnehmen
können.
Die Tiefe der Nut 8 ist wiederum so bemessen, daß der Dichtungsring 10 in
seinem unbelasteten Zustand die Form der Nut 9 annimmt
und von der Nutenwand bzw. den Nutenwänden größtenteils dicht umschlossen
ist, wobei cirka fünfunddreißig, insbesondere fünfundzwanzig
bis fünfunddreißig, Volumenprozente
des Dichtungsringes 10 aus der Nut 9 hervorstehen.
Der hervorstehende Teil des Dichtungsringes 10 wird bei
der Montage in der Nut 9 und den beiden Freiräumen komprimiert,
wodurch eine besonders langlebige und zuverlässige Dichtwirkung erzielt wird.
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Damit
keine Materialschwächung
bei dem links abgebildeten Kegelflanschanschluß 3 mit Nut 9 eintritt,
ist die radiale Erweiterung 7 gegenüber der radialen Erweiterung 6 axial
länger
ausgebildet. Zur Montageerleichterung weist der Kegelflanschanschluß 3 an
der Erweiterung 7 zusätzlich
eine Außenzentrierung 14 auf,
die aus einem axialen Ansatz besteht. Die beiden Außendurchmesser
der radialen Erweiterungen 6, 7 sind so dimensioniert,
daß die
Erweiterung 6 in der Außenzentrierung 14 zu
liegen kommt und eine besonders leichte Montage ermöglicht.
Die beiden Durchgangsbohrungen 15, 16 der Rohrstutzen 4, 5 sind
hierdurch ebenfalls zentriert, ohne daß ein Versatz entsteht. Die
gezeigten Kegelflanschanschlüsse 2, 3 sind
insbesondere für
den Einsatz bei Vakuumrohrverbindungen bzw. bei speziell entwickelten Überdruckrohrverbindungen
vorgesehen.
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2 zeigt
eine geschnittene Ansicht der Dichtungsvorrichtung 1 mit
zwei Kegelflanschanschlüssen 2, 3 gemäß 1 nach
der Montage. Die radiale Erweiterung 6 des Kegelflanschanschlusses 2 liegt
in der Außenzentrierung 14 der
Erweiterung 7 des Kegelflanschanschlusses 3, wobei
der Dichtungsring 10 zwischen den Auflageflächen 8, 11 in der
Nut 9 durch die von außen
aufge setzte Klammer 17 komprimiert wird. Die Klammer 17 ist
außen
ebenfalls trapezförmig
geformt, während
die innere Ausnehmung eine zu den radialen Erweiterungen 6, 7 der
Kegelflanschanschlüsse
korrespondierende Form aufweist und mit zwei abgeschrägten Radialflächen 18, 19 an
den äußeren abgeschrägten Radialflächen 20, 21 der
Erweiterungen 6, 7 anliegt, so daß der Klemmdruck
auf die Stirnflächen 8, 11 übertragen werden
kann. Die äußere Form
der Klammer 17 hingegen kann beliebig gestaltet sein.
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3 zeigt
eine geschnittene Ansicht einer Dichtungsvorrichtung 1 mit
einem Kegelflanschanschluß 3,
der eine Nut 9 und einen Dichtungsring 10 gemäß 1 in
der Auflagefläche 8 aufweist,
wobei anstelle des zweiten Kegelflanschanschlusses ein Blinddeckel 22 zum
Verschließen
des Vakuumrohres vorhanden ist. Der Blinddeckel 22 besteht
im wesentlichen aus einer abdichtenden Platte mit einer radialen
Erweiterung 23, die genauso dimensioniert ist, wie bei
dem Kegelflanschanschluß 2.
Gehalten und zusammengepreßt
wird der Blinddeckel 22 und der Kegelflanschanschluß 3 wiederum
von einer aus 2 bekannten Klammer 17.
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4 zeigt
abweichend zur 3 eine Dichtungsvorrichtung 1,
bei der die Nut 9 und der Dichtungsring 10 in
dem Blinddeckel 22 vorgesehen sind. Der Kegelflanschanschluß entspricht
in diesem Fall dem herkömmlichen
Kegelflanschanschluß 2 aus 1.
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5 zeigt
eine geschnittene Ansicht eines einteiligen metallischen Dichtungsringes 30,
welcher zwischen zwei herkömmlichen
Kegelflanschanschlüssen 2 eingebaut
werden kann. In den beiden Stirnflächen 31, 32 ist
jeweils eine Nut 33, 34 eingelassen, die jeweils
einen Dichtungsring 35, 36 aufnehmen. Im gezeigten
Ausführungsbeispiel
sind die Nuten in unterschiedlichen Radialabständen angeordnet, es ist jedoch
denkbar, daß der
metallische Dichtungsring eine größere axiale Länge aufweist und
daß in
jeder Stirnfläche
eine oder mehrere Nuten mit gleichen oder unterschiedlichen Radialabständen eingelassen
sind. Zur Montageerleichterung weist der Dichtungsring 30 auf
beiden Stirnflächen
jeweils einen axialen Ansatz auf, die als Außenzentrierung 37, 38 für die Kegelflanschanschlüsse vorgesehen sind.
Die jeweiligen Nuten 33, 34 entsprechen in der Ausführung den
aus 1 bekannten Nuten 9 und ermöglichen
eine besonders gute Abdichtung der Rohrverbindung in Verbindung
mit einem elastischen nachgiebigen Dichtungsring 35, 36.
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6 zeigt
eine geschnittene Ansicht der Dichtungsvorrichtung 1 mit
einem metallischen Dichtungsring 30 gemäß 5 zwischen
zwei herkömmlichen
Kegelflanschanschlüssen 2 nach
der Montage. Der Dichtungsring 30 liegt mit seinen beiden Dichtungsringen 35, 36 zwischen
den beiden Stirnflächen 11 der
Kegelflanschanschlüsse 2 und
dichtet die Rohrverbindung zuverlässig ab, wobei die Kegelflanschanschlüsse in den
Außenzentrierungen 37, 38 zu
liegen kommen. Aufgrund der axialen Größe des Dichtungsringes 30 ist
eine andere Klammer 37 notwendig, welche eine der Dicke
des Dichtungsringes 30 angepaßte axiale Länge aufweist.
Ansonsten entsprechen die Ausführungen
der Nuten bzw. der radialen Erweiterungen an den Kegelflanschenden
den aus 2 bekannten Ausführungsformen.