Normgerecht und emissionsarm: So erfüllen GFK-Flanschverbindungen die TA Luft

Flanschverbindungskomponenten und Annahmen 

Um den firmenspezifischen Standards Rechnung zu tragen, wurden insgesamt 13 unterschiedliche Flanschsysteme für den Bauteilversuch festgelegt. Die ausgewählten Kombinationen aus Bund, Losflansch, Schrauben und Dichtungen wurden so zusammengestellt, dass sie eine möglichst breite Bandbreite an Flanschsystemen aus dem realen Anlagenbetrieb abbilden. 

• Festigkeitsauslegung: Die Festigkeitsauslegung der kompletten Flanschverbindung ist Teil des TA Luft Nachweises und wurde für den Bauteilversuch über die DIN EN 13121-3 mit einem Sicherheitsfaktor von 6 und einer Grenzdehnung für die Auskleidung bzw. die Chemieschutzschicht von 0,2 % durchgeführt bzw. bemessen. Beim rechnerischen Nachweis erfolgte der Festigkeitsnachweis auf Basis der DIN EN 1591-1. 

• Schrauben: Als Schraubenwerkstoff wurde 25CrMo4 gewählt. Für die Unterlegscheiben kamen Scheiben mit einer Härte von 200 HV zum Einsatz. Die Übertragbarkeit der Ergebnisse auf Flanschverbindungen mit Schrauben vergleichbarer Festigkeit, wie beispielsweise Edelstahl A2-70 ist gegeben. Für Schrauben mit geringerer Festigkeit ist eine individuelle Prüfung der Übertragbarkeit erforderlich. 

• Losflansche und Bunde: Frühere Untersuchungen haben gezeigt, dass Losflansche aus GFK-Materialien nicht die erforderliche Festigkeit bieten, um die notwendigen Flächenpressungen für eine effektive Abdichtung zu erreichen. Daher wurden für die Versuche metallische Losflansche verwendet. 

Die in den Versuchsreihen eingesetzten Bunde wurden von der Firma Kurotec zur Verfügung gestellt und basieren auf den Abmessungen des aktuellen Entwurfs zur Überarbeitung der DIN 16965. Zwar sieht dieses Regelwerk auch Bundgeometrien mit reduzierter Blattdicke für Elastomer-Dichtungen vor, in den durchgeführten Untersuchungen kamen jedoch ausschließlich Varianten mit verstärkter Blattstärke zum Einsatz. 

Da im Rahmen des Projekts genormte Standardbauteile verwendet wurden, beziehen sich die erbrachten TA-Luft-Nachweise nicht auf einen bestimmten GFK-Hersteller. 

• Auskleidungsmaterial: Bei der Auswahl des Auskleidungsmaterials für die Bunde wurden Werkstoffgruppen gebildet. Beispielsweise können Tests mit einer PE-el Auskleidung auf Basis von PE 80 auf PE 100 übertragen werden. 

• Dichtungen: Die Untersuchung berücksichtigte zwei Gruppen von Dichtungen: Elastomere Profildichtungen (EPDM) mit einer Stahleinlage und expandierte PTFE-Flachdichtungen (ePTFE). Die Auswahl dieser Dichtungsgruppen basiert auf den Werkstandards der beteiligten Chemie unternehmen und den spezifischen Dichtungskennwerten nach DIN EN 13555. Dies entspricht den gängigen Dichtungstypen, die in der Industrie für Flanschverbindungen in GFK-Rohrsystemen zum Einsatz kommen. 

• Prüftemperatur: Die Auswahl der Auslagerungstemperaturen für den Bauteilversuch wurde auf Basis der max. Einsatztemperatur gem. DIN 16867:1982 Tab. 1 gewählt. Für Einsatzbedingungen unter 85 °C wurde das Traglaminat Derakane 411-350, bei Temperaturen über 85 °C das Traglaminat Derakane 470-300 verwendet. 

• Prüfdruck: Der für die Versuchsreihe gewählte Prüfdruck von 16 bar basiert auf Tab. 1 der DIN 16867:1982. 

In Tab. 1 sind die Auskleidungswerkstoffe sowie die zugehörigen Einsatztemperaturen und der Prüfdruck zusammengefasst. 

Nachweis der TA Luft über typbasierte Bauteilversuche 

Der ursprünglich vorgesehene Projektumfang bestand darin, die Dichtheit gemäß den Anforderungen der TA Luft durch Bauteilversuche nachzuweisen – basierend auf der VDI 2290 sowie dem vom VCI beschriebenen typbasierten Prüfverfahren. 

Die Anziehdrehmomente für Schrauben bei Verwendung von Elastomer- bzw. PTFE-Dichtungen wurden gemäß der DIN EN 13121-3 (Ausgabe 2016) ermittelt. Dabei erfolgte die Auslegung unter der Annahme einer Einbauflächenpressung von 10 MPa und einer Betriebsflächenpressung von 5 MPa bei PTFE-Dichtungen. Die ermittelten Drehmomente sind Tab. 2 zu entnehmen. 

Durchführung der Bauteilversuche 

Im Rahmen des Bauteilversuchs wird die montierte Flanschverbindung DN40 zunächst mit Helium befüllt, der Prüfdruck auf 16 bar eingestellt und eine erste Leckagemessung bei Raumtemperatur durchgeführt. Um störende Einflüsse durch Permeation der Auskleidung und des GFK-Materials zu minimieren, kommt dabei eine spezielle Messpatrone zum Einsatz. Über einen Zeitraum von 24 Stunden wird die Leckagerate kontinuierlich mit einem Helium-Massenspektrometer im Vakuummodus erfasst. 

Anschließend wird die Flanschverbindung bei Umgebungsdruck auf die vorgesehene Auslagerungstemperatur aufgeheizt, die über 48 Stunden konstant gehalten wird. Nach dem Abkühlen auf Raumtemperatur erfolgt eine weitere 24-stündige Leckagemessung unter dem festgelegten Prüfdruck, erneut unter Verwendung des Helium-Massenspektrometers. Bei allen Messungen gilt zur Erfüllung der TA-Luft-Vorgaben ein Grenzwert von 0,01 mg/(s·m). 

Ergebnisse der Dichtheitstests 

Bei den Versuchen mit EPDM-Dichtung wurde das Dichtheitskriterium nach der Montage der Flanschverbindung gemäß Montagevorgabe nach Tab. 2 immer eingehalten. Für die Werkstoffkombination GFK mit Chemieschutzschicht (CSS) war auch der Versuch mit einem GFK-Losflansch erfolgreich. Ein Nachziehen der Flanschverbindungen während des Versuches war nicht erforderlich. 

Anders verhielt es sich bei den Versuchen, in welchen eine ePTFE-Dichtung zum Einsatz kam. Teilweise waren die Verbindungen bereits beim ersten Befüllen so undicht, dass der Versuch abgebrochen werden musste. Bei anderen Versuchen waren dann die Leckageraten nach der Temperaturauslagerung nicht mehr zulässig. Bei den Bunden aus PP/GFK und PE-el/GFK wurden zudem Versuche mit reduzierten Auslagerungstemperaturen (60 °C) durchgeführt. Bei PP/GFK hat die Temperaturreduzierung ausgereicht, um den TA Luft Nachweis ohne Nachziehen zu bestehen. Bei PE-el/GFK war der Versuch bei 60 °C nicht erfolgreich. 

Sämtliche Ergebnisse der Versuchsreihe 1 sind in Bild 3 zusammengestellt. 

Nachweis der TA Luft über rechnerische Methode 

Nach den gescheiterten Bauteilversuchen mit PTFE-Dichtungen wurden Berechnungen nach DIN EN 1591-1 durchgeführt, um die Drehmomente der Tab. 2 zu überprüfen. Das Berechnungsverfahren der DIN EN 1591-1 kann auf Flanschverbindungen mit runden Flanschen, Schrauben und Dichtungen angewandt werden, eine Betrachtung von nicht-metallischen Werkstoffen ist hierbei nicht explizit ausgeschlossen. Mit den in der DIN 16965 / DIN EN 13121-6:2016 beschriebenen Mindestanforderungen an die Festigkeit der GFK-Bauteile stehen nun erstmalig Festigkeitskennwerte zur Verfügung, die auch im Berechnungsverfahren der DIN EN 1591-1 eingesetzt werden können. Hierzu wurden die in der DIN EN 13121-3 definierten Sicherheitsbeiwerte für die Bunde aus GFK in der Berechnungsroutine angesetzt. Das Verhalten der Auskleidungswerkstoffe wird in den Berechnungen nicht betrachtet, eine Berücksichtigung der unterschiedlichen Kriech-/Relaxationseigenschaften wäre aber denkbar. 

Für die Festlegung der Anziehdrehmomente in Versuchsreihe 2 diente die Flanschverbindung DN40 als Referenz. Das berechnete Anziehdrehmoment von 100 Nm erzeugt dabei eine Einbauflächenpressung von rund 55 MPa. Um diese Ergebnisse auf andere Nennweiten übertragen zu können, war sicherzustellen, dass bei der Montage mindestens vergleichbare Flächenpressungen auf die Dichtung aufgebracht werden. 

Die daraus abgeleiteten Anziehdrehmomente für verschiedene Nennweiten wurden, soweit möglich, so angepasst, dass einheitliche Montagevorgaben für identische Schraubengrößen erreicht werden konnten. Bei den Schraubengrößen M16 und M24 war jedoch keine vollständige Vereinheitlichung möglich, da sich kein gemeinsames Anziehdrehmoment definieren ließ, das sowohl die Anforderungen an die Dichtheit erfüllte als auch unterhalb des maximal zulässigen Werts lag – wie in Bild 4 veranschaulicht. 

Überprüfung der Berechnungen mittels typbasierter Bauteilversuche 

Die noch ausstehenden Bauteilversuche mit PTFE-Dichtungen wurden anschließend mit den neu ermittelten Drehmomenten durchgeführt. Damit wurden die rein mathematischen, theoretischen Nachweise mittels Bauteilversuchen experimentell verifiziert. 

Wie die Übersicht in Bild 5 zeigt, wurde das Abdichtverhalten der Flanschverbindungen durch die Erhöhung des Anziehdrehmomentes verbessert. Das Anziehdrehmoment von 46 Nm, welches als unterer Grenzwert aus der rechnerischen Auslegung hervorging, reichte jedoch noch nicht aus, um die Anforderungen der TA Luft zu erfüllen. Bei einem Anziehdrehmoment von 100 Nm wurde schließlich für alle Flanschwerkstoffkombinationen mit ePTFE-Dichtung der Grenzwert von 0,01 mg/(s·m) eingehalten. Eventuell hätte schon ein geringeres Anziehdrehmoment ausgereicht, um die Anzahl der Versuche zu minimieren wurden jedoch keine weiteren Zwischenschritte überprüft. Ein Nachziehen der Flanschverbindung war auch hier nicht erforderlich. 

Zusammenfassung 

Zur Erfüllung der Dichtheitsanforderungen der TA Luft für GFK-Flanschverbindungen wurden die Bundgeometrien hinsichtlich ihrer Blattstärken angepasst und die entsprechenden Festigkeitskennwerte innerhalb der geltenden Normen neu definiert. Auf dieser Grundlage konnte nachgewiesen werden, dass sowohl ein typbasierter Bauteilversuch als auch ein rechnerischer Nachweis gemäß DIN EN 1591-1 als geeignete Methoden zur Dichtheitsbewertung herangezogen werden können. 

Der Bauteilversuch, bei dem der Temperatureinfluss durch eine einmalige Auslagerung im Ofen simuliert wird, erlaubt allerdings nur eingeschränkte Aussagen über das Langzeitverhalten der Bauteile unter realen Betriebsbedingungen. Insbesondere bei Anwendungen mit häufigen Temperaturschwankungen kann ein Nachziehen der Flanschverbindungen erforderlich werden. Die am Projekt beteiligten Betreiber werden ihre individuellen Montagevorgaben auf Basis der neu ermittelten Anziehdrehmomente anpassen und die Umsetzung im Betrieb erproben. 

Auch wenn nicht sämtliche im Regelwerk beschriebenen GFK-Flanschsysteme in die Untersuchung einbezogen wurden, liefern die erzielten Ergebnisse wertvolle Erkenntnisse für die Konstruktion und Auslegung von GFK-Flanschverbindungen, die den verschärften Emissionsvorgaben der überarbeiteten TA Luft gerecht werden.