Dichtungstechnik: Spiraldichtungen, Ringdichtungen (RTJ) und Blechdichtungen für Flanschverbindungen

1. Einleitung: Die technische Herausforderung beim Abdichten von Flanschverbindungen

Die Flanschverbindung ist ein kritischer Knotenpunkt jedes Rohrleitungssystems. Ausfallstatistiken ukrainischer Industrieunternehmen zeigen, dass bis zu 25 % der ungeplanten Ausfälle von Technologielinien auf Undichtigkeiten an Dichtungen zurückzuführen sind. Bei Betriebsdrücken von 10 bis 420 bar und Temperaturen von −196 °C bis +1000 °C bestimmt die Wahl des Dichtungstyps nicht nur die Dichtheit, sondern auch die Sicherheit des Personals, die Einhaltung von Umweltvorschriften und die allgemeine Produktionssicherheit.

Die drei Haupttypen von Dichtungen für Flanschverbindungen – Spiraldichtungen (SWG), Ringdichtungen (RTJ) und Blechdichtungen – haben grundlegend unterschiedliche Dichtungsmechanismen, Anwendungsbereiche und Installationsanforderungen. Die richtige Wahl zwischen ihnen erfordert ein Verständnis der Physik der Kontaktverformung, Kenntnisse von Normen und realen Betriebsbedingungen.

2. Grundprinzipien der Abdichtung

2.1 Dichtungsmechanismus

Die Abdichtung der Flanschverbindung beruht auf der Erzeugung eines Anpressdrucks (Dichtungsspannung), der den Druck der Arbeitsumgebung übersteigt. Zwei Schlüsselparameter gemäß ASME PCC-1:

• y ist der minimale Sitzdruck (Sitzspannung), MPa ist der Druck, der für die anfängliche Verformung der Dichtung und das Füllen von Mikrounebenheiten des Flansches erforderlich ist
• m – Wartungsfaktor – ein Multiplikator, der den minimalen Restdruck auf die Dichtung unter Arbeitsdruck bestimmt: σ_min = m × P

Für eine spiralförmig gewickelte Dichtung mit Graphitfüllstoff: y = 68,9 MPa, m = 3,0. Für eine weiche Gummiplattendichtung: y = 1,4 MPa, m = 1,0. Für Ring-RTJ (Weicheisen): y = 179,3 MPa, m = 6,5.

2.2 Kontaktmechanik

Die Effizienz der Verdichtung hängt vom Verhältnis ab:

σg = Fbolt / Ag ≥ y (während der Installation)

σg,op = (Fbolt − P × Ai) / Ag ≥ m × P (unter Druck)

Dabei ist F_bolt die gesamte Schraubenanzugskraft, A_g die wirksame Fläche der Dichtung, A_i die Fläche, auf die der Innendruck P wirkt.

RTJ-Dichtungen realisieren einen linearen Kontakt (Kontaktbreite 1,5–3 mm), der bei mäßiger Schraubenbelastung einen extrem hohen spezifischen Druck ergibt. Spiralgewickelt – flächiger Kontakt mit kontrollierter Verformung. Blatt – vollständiger planarer Kontakt mit dem niedrigsten spezifischen Druck.

3. Technische Spezifikationen und Standards

3.1 Regulatorischer Rahmen

3.2 Klassifizierung nach Typ

Spiral Wound (SWG): ASME B16.20 definiert die Typen CG (Innen- und Außenring), CGI (nur Innenring), R (keine Ringe). Bandmaterial: AISI 304, 316L, 321, Inconel 600, Monel 400, Hastelloy C-276. Füllstoff: flexibler Graphit (bis 650°C), PTFE (bis 260°C), Glimmer (bis 850°C).

Annular RTJ: Profile R, RX, BX gemäß API 6A. Materialien: Weicheisen, AISI 304/316/321, Inconel 625, Duplex. Die Härte des Ringes sollte 20-30 HB niedriger sein als die Härte des Flansches.

Platten: Paronite (gemäß GOST 481 oder EN-Analoga), asbestfreie Materialien (Aramid/NBR, Aramid/SBR, graphitverstärkte Platten), PTFE, Gummi (EPDM, NBR, FKM).

4. Leitfaden zur Auswahl und Berechnung

4.1 Auswahlkriterien

4.2 Auswahlalgorithmus

1. Arbeitsparameter definieren: P_rab, T_rab, Umgebung (chemische Verträglichkeit).
2. Bestimmen Sie die Flanschdruckklasse (PN oder Class) gemäß EN 1092-1 oder ASME B16.5.
3. Wenn P > 100 bar oder T > 450 °C oder Medium – H₂, H₂S, Säuren → SWG oder RTJ in Betracht ziehen.
4. Wenn der Flansch eine RTJ-Nut hat → nur RTJ des entsprechenden Profils verwenden.
5. Für P < 40 bar, T < 200°C, ungiftige Umgebung → Blechdichtung ist zulässig.
6. Überprüfen Sie die Schraubenlastberechnung gemäß EN 1591-1 oder ASME PCC-1.

4.3 Berechnung der minimalen Schraubenlast

Gemäß der vereinfachten ASME-Methodik:

Wm1 = π × b × G × m × P + (π/4) × G² × P

Wm2 = π × b × G × y

Dabei ist b die effektive Breite des Dichtungssitzes (mm), G der durchschnittliche Durchmesser der Dichtung (mm), m und y die Parameter der Dichtung.

Erforderliche Schraubenlast: W_min = max(W_m1, W_m2).

Anzugsmoment einer Schraube:

T = (K × d × F) / n

wobei K ≈ 0,2 (geschmierte Schraube), d der Nenndurchmesser der Schraube, F = W_min, n die Anzahl der Schrauben ist.

5. Installation und Inbetriebnahme

5.1 Vorbereitung der Flanschoberfläche

Die Rauheit der Dichtfläche ist ein entscheidender Faktor:

• Für SWG: Ra 3,2–6,3 μm (ASME B16.5: 125–250 μin)
• Für RTJ: Ra 0,8–1,6 μm in der Nut
• Für Bleche: Ra 3,2–12,5 μm

Vor dem Einbau ist Folgendes zwingend erforderlich: Reinigen Sie die Oberflächen von Korrosion und Resten der alten Dichtung, prüfen Sie, ob keine radialen Kratzer vorhanden sind, messen Sie die Parallelität der Flansche (Toleranz ≤ 0,15 mm pro 100 mm Durchmesser).

5.2 Anzugsverfahren

Wenden Sie ein Kreuz-(Stern-)Anziehmuster gemäß ASME PCC-1 an:

1. Erster Durchgang: 30 % des Sollmoments
2. Zweiter Durchgang: 60 %
3. Dritter Durchgang: 100 %
4. Der vierte (Kontroll-)Durchgang: 100 % im Kreis

Für DN ≥ 600-Flansche wird empfohlen, anstelle von Drehmomentschlüsseln hydraulische Schraubenspanner zu verwenden – ±3 % Genauigkeit gegenüber ±25 %.

5.3 Funktionen der RTJ-Installation

Der Ring sollte ohne erzwungene Kompression frei in der Nut liegen. Der Spalt zwischen Nutgrund und Ring (nach dem Anziehen) ist zwingend erforderlich (Metall-Metall-Kontakt der Flansche, nicht durch die Dichtung). Wenn die Flansche entlang des Außendurchmessers kollidieren, bis der Ring vollständig verformt ist, ist die Verbindung undicht.

6. Fehlermodi und Ursachenanalyse

6.1 Typische Ausfälle von Spiraldichtungen

6.2 Haftungsausschluss von RTJ

• Plastische Verformung der Nut: Der Grund ist wiederholter Gebrauch oder die Härte des Rings ist höher als die des Flansches. Lösung: API 6A Härtekontrolle (Differenz ≥ 20 HB).
• Korrosionslochfraß in der Nut: Die Ursache ist ein galvanisches Paar zwischen unterschiedlichen Metallen. Lösung: Einen Ring aus der gleichen Legierung wählen oder eine Beschichtung auftragen.

6.3 Ausfälle von Blechdichtungen

• Extrusion (Quetschen): bei P > zulässig für die Dicke. Dünnere Abstandshalter (1,5 mm statt 3 mm) widerstehen der Extrusion besser.
• Kalter Fluss (Kriechen): charakteristisch für PTFE. Lösung: verstärkte PTFE-Dichtungen oder Wechsel zu SWG.
• Riss: Zu festes Anziehen von Schrauben bei dünnem Material.

7. Vorausschauende Wartung und Zustandsüberwachung

7.1 Kontrollmethoden

Ultraschall-Leckortung: Detektoren im 38-42-kHz-Bereich (z. B. SDT 340) erkennen Mikrolecks frühzeitig. Schwellenwert für Flanschverbindung: > 8 dB über dem Hintergrundpegel weist auf den Beginn einer Leckage hin.

Überwachung der Schraubenlast: Ultraschall-Schraubendehnungsmessgeräte (Genauigkeit ±1 %) oder Dehnungsmessstreifen an kritischen Verbindungen. Eine Abnahme der Belastung um > 10 % gegenüber der ursprünglichen Belastung ist ein Signal für ein erneutes Nachziehen.

Thermografie: Infrarot-Scanning von Flanschverbindungen erkennt Lecks von Dampf und heißen Medien. Ein Temperaturunterschied von > 5°C zwischen Flansch und Leckstelle ist ein Hinweis auf ein Problem.

Emissionskontrolle (LDAR): gemäß EN 15446, Überwachung flüchtiger organischer Verbindungen (VOC) im Bereich der Flansche. Zulässiger Wert gemäß Richtlinie 2010/75/EU (IED): < 500 ppm für Verbindungen in flüchtigen Medien.

7.2 Periodizität der Inspektionen

• Kritische Verbindungen (H₂, H₂S, HF, Dampf > 40 bar): monatliche UZ-Kontrolle
• Standardtechnologie: vierteljährliche Thermografie
• Versorgung (Wasser, Luft < 10 bar): jährliche Sichtprüfung

8. Vergleichsmatrix

9. Praktische Empfehlungen für ukrainische Unternehmen

9.1 Übergang von Paronit zu asbestfreien Materialien

Gemäß der EU-Verordnung 1907/2006 (REACH) und der ukrainischen Gesetzgebung zur Beschränkung von Asbest müssen Unternehmen auf asbestfreie Plattenmaterialien umsteigen. Ein direkter Ersatz für PON-B Paronite für Dampf bis 200°C und 16 bar ist eine asbestfreie Platte auf Basis von Aramidfasern mit einem NBR-Binder (ähnlich Klingersil C-4400). Für härtere Bedingungen (Dampf 300°C, 40 bar) – eine verstärkte Graphitplatte mit Metalleinlage (ähnlich Sigraflex).

9.2 Lagerung von Dichtungen

Gemäß den Empfehlungen der EN 1514:

• SWG: horizontal, keine Verformung, Feuchtigkeitsschutz. Die Haltbarkeit ist für Metallteile unbegrenzt, für Graphitfüller bis zu 5 Jahre.
• RTJ: Einzelverpackung, Korrosionsschutzbeschichtung. Härteprüfung vor Einbau bei Lagerung > 2 Jahre.
• Belaubt: direkte Sonneneinstrahlung vermeiden (Zersetzung der Elastomere), Lagertemperatur 5–35 °C, Luftfeuchtigkeit < 70 %.

10. Zusammenfassung

Die Wahl des Dichtungstyps für eine Flanschverbindung ist eine technische Entscheidung, die auf klaren Kriterien basieren muss: Betriebsdruck und -temperatur, chemische Verträglichkeit mit der Umgebung, Flanschtyp, verfügbare Schraubenlast und Dichtheitsanforderungen. Spiraldichtungen bieten für die meisten Industrieanwendungen die optimale Balance zwischen Zuverlässigkeit und Kosten. RTJs sind in Hochdruck- und Hochtemperaturgeräten unverzichtbar. Plattendichtungen bleiben eine wirtschaftliche Lösung für Niederdruck-Versorgungssysteme.

Die korrekte Installation unter Einhaltung des Verfahrens des kontrollierten Anziehens und die regelmäßige Überwachung des Zustands der Verbindungen sind zwingende Voraussetzungen für die Erreichung der vorgesehenen Lebensdauer der Dichtung und die Vermeidung von Notlecks.

UNITEC-D GmbH liefert ein komplettes Sortiment an Dichtungen – Spiraldichtungen (alle Typen nach ASME B16.20), Ring-RTJ (R-, RX-, BX-Profile), asbestfreie Platten und PTFE-Dichtungen. Alle Produkte verfügen über eine CE-Zertifizierung gemäß PED 2014/68/EU und werden von Materialzertifikaten EN 10204 3.1 begleitet.

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Referenzliste

1. ASME PCC-1-2022 „Richtlinien für verschraubte Flanschverbindungsbaugruppen mit Druckbegrenzung“
2. EN 1591-1:2014 „Flansche und ihre Verbindungen – Gestaltungsregeln für abgedichtete runde Flanschverbindungen – Berechnung“
3. ASME B16.20-2017 „Metallische Dichtungen für Rohrflansche – Ringverbindung, Spiraldichtung und Mantel“
4. DSTU EN 13555:2018 „Flansche und ihre Verbindungen. Dichtungsparameter und Prüfmethoden zur Verwendung bei Flanschverbindungsberechnungen gemäß EN 1591-1“
5. API-Standard 6A, 21. Ausgabe „Wellhead and Tree Equipment“ – Ringdichtungsspezifikationen