1. Inleiding: de technische uitdaging van het afdichten van flensverbindingen
De flensverbinding is een cruciaal knooppunt van elk pijpleidingsysteem. Uit faalstatistieken bij Oekraïense industriële ondernemingen blijkt dat tot 25% van de ongeplande stilstand van technologische lijnen verband houdt met lekkages door pakkingen. Bij werkdrukken van 10 tot 420 bar en temperaturen van −196°C tot +1000°C bepaalt de keuze van het pakkingtype niet alleen de dichtheid, maar ook de veiligheid van het personeel, de naleving van de milieuvoorschriften en de algemene productiebetrouwbaarheid.
De drie belangrijkste typen pakkingen voor flensverbindingen – Spiraalgewonden pakkingen (SWG), Ring Type Joint (RTJ) en Plaatpakkingen – hebben fundamenteel verschillende afdichtingsmechanismen, toepassingsbereiken en installatievereisten. De juiste keuze tussen beide vereist inzicht in de fysica van contactvervorming, kennis van normen en reële bedrijfsomstandigheden.
2. Fundamentele beginselen van afdichting
2.1 Afdichtingsmechanisme
De afdichting van de flensverbinding is gebaseerd op het creëren van contactdruk (pakkingspanning), die de druk van het werkmedium overschrijdt. Twee sleutelparameters volgens ASME PCC-1:
- y is de minimale zittingdruk (zitspanning), MPa is de druk die nodig is voor de initiële vervorming van de pakking en het opvullen van micro-uniformiteiten van de flens
- m — onderhoudsfactor — een factor die de minimale restdruk op de pakking onder werkdruk bepaalt: σmin = m × P
Voor een spiraalvormig gewikkelde pakking met grafietvuller: y = 68,9 MPa, m = 3,0. Voor een pakking van zacht rubber: y = 1,4 MPa, m = 1,0. Voor ring RTJ (weekijzer): y = 179,3 MPa, m = 6,5.
2.2 Contactmechanica
De efficiëntie van verdichting hangt af van de verhouding:
σg = Fbout / Ag ≥ y (tijdens installatie)
σg,op = (Fbout − P × Ai) / Ag ≥ m × P (onder druk)
waarbij Fbolt de totale aanhaalkracht van de bout is, Ag het effectieve oppervlak van de pakking is, Ai het oppervlak is waarop de interne druk P inwerkt.
RTJ-pakkingen implementeren lineair contact (contactbreedte 1,5–3 mm), wat een extreem hoge specifieke druk geeft bij een gematigde boutbelasting. Spiraalgewonden - vlak contact met gecontroleerde vervorming. Plaat - volledig vlak contact met de laagste specifieke druk.
3. Technische specificaties en normen
3.1 Regelgevend kader
| Standaard | Toepassingsgebied | Let op |
|---|---|---|
| ASME B16.20 | Spiraalgewonden en ringpakkingen | Afmetingen, toleranties, markeringen |
| ASME B16.21 | Niet-metalen platte pakkingen | Bladtypen |
| EN 1514-1 / EN 1514-2 | Pakkingen voor flenzen voor EN 1092-1 | Europees systeem |
| DSTU EN 13555:2018 | Parameters van afstandhouders voor de berekening van flensverbindingen | Geharmoniseerd met EN |
| API6A/API17D | RTJ voor olie- en gasapparatuur | Drukklassen 2000-20.000 psi |
| DIN 28091 | Plaatafstandhouders gemaakt van vezelmateriaal | Classificatie volgens DIN |
| EN 13345 (PED) | Richtlijn drukapparatuur | CE-markering |
3.2 Indeling naar type
Spiraalvormige wond (SWG): ASME B16.20 definieert de typen CG (binnen- en buitenring), CGI (alleen binnenring), R (geen ringen). Tapemateriaal: AISI 304, 316L, 321, Inconel 600, Monel 400, Hastelloy C-276. Vulstof: flexibel grafiet (tot 650°C), PTFE (tot 260°C), mica (tot 850°C).
Ringvormige RTJ: Profielen R, RX, BX volgens API 6A. Materialen: zacht ijzer, AISI 304/316/321, Inconel 625, duplex. De hardheid van de ring moet 20-30 HB lager zijn dan de hardheid van de flens.
Bellen: Paroniet (volgens GOST 481 of EN-analogen), asbestvrije materialen (aramide/NBR, aramide/SBR, met grafiet versterkte platen), PTFE, rubber (EPDM, NBR, FKM).
4. Gids voor selectie en berekening
4.1 Selectiecriteria
| Criterium | Spiraalwond (SWG) | Kiltseva (RTJ) | Listova |
|---|---|---|---|
| Max. druk, bar | 250 (klasse 2500) | 1450 (20.000 psi) | 40 (PN 40) |
| Max. temperatuur, °C | 1000 (met mica) | 1000 (Inconel) | 450 (grafietversterkt) |
| Min. temperatuur, °C | −196 (316L/grafiet) | −196 (austeniet) | -50 (PTFE) |
| Flenstype | Verhoogd gezicht (RF) | RTJ-groef | Plat vlak (FF), verhoogd vlak (RF) |
| Hergebruik | Ні | Nee (eenmalige vervorming) | Ні |
| Compensatie van scheefstand van flenzen | Goed (tot 0,15 mm) | beperkt | Goed (tot 0,5 mm) |
| Kosten (relatief) | Middelmatig (1×) | Hoog (3–5×) | Laag (0,2–0,5×) |
| Certificering voor CE/PED | Ja (EN 1514-2) | Ja (EN 1514-2) | Ja (EN 1514-1) |
4.2 Selectiealgoritme
- Bepaal de bedrijfsparameters: Prab, Trab, omgeving (chemische compatibiliteit).
- Bepaal de flensdrukklasse (PN of Class) volgens EN 1092-1 of ASME B16.5.
- Als P > 100 bar of T > 450°C, of medium – H₂, H₂S, zuren → overweeg SWG of RTJ.
- Als de flens een RTJ-groef heeft → gebruik dan alleen RTJ van het overeenkomstige profiel.
- Voor P < 40 bar, T < 200°C, niet-giftige omgeving → plaatpakking is toegestaan.
- Controleer de berekening van de boutkracht volgens EN 1591-1 of ASME PCC-1.
4.3 Berekening van de minimale boutkracht
Volgens de vereenvoudigde ASME-methodologie:
Wm1 = π × b × G × m × P + (π/4) × G² × P
Wm2 = π × b × G × y
waarbij b de effectieve breedte van de pakkingpassing (mm) is, G de gemiddelde diameter van de pakking (mm), m en y de parameters van de pakking zijn.
Vereiste boutkracht: Wmin = max(Wm1, Wm2).
Aanhaalmoment van één bout:
T = (K × d × F) / n
waarbij K ≈ 0,2 (gesmeerde bout), d de nominale diameter van de bout is, F = Wmin, n het aantal bouten is.
5. Installatie en inbedrijfstelling
5.1 Voorbereiding van het flensoppervlak
De ruwheid van het afdichtingsoppervlak is een kritische factor:
- Voor SWG: Ra 3,2–6,3 μm (ASME B16.5: 125–250 μin)
- Voor RTJ: Ra 0,8–1,6 μm in de groef
- Voor platen: Ra 3,2–12,5 μm
Vóór de installatie is het verplicht om: de oppervlakken te reinigen van corrosie en resten van de oude pakking, de afwezigheid van radiale krassen te controleren, de parallelliteit van de flenzen te meten (tolerantie ≤ 0,15 mm per 100 mm diameter).
5.2 Aandraaiprocedure
Pas een kruisvormig (ster) aanhaalpatroon toe volgens ASME PCC-1:
- Eerste doorgang: 30% van het streefmoment
- Tweede pas: 60%
- Derde pas: 100%
- De vierde (controle)pass: 100% in de cirkel
Voor DN ≥ 600 flenzen wordt aanbevolen om hydraulische boutspanners te gebruiken in plaats van momentsleutels — ±3% nauwkeurigheid versus ±25%.
5.3 Kenmerken van RTJ-installatie
De ring moet vrij in de groef liggen zonder geforceerde compressie. De opening tussen de onderkant van de groef en de ring (na het vastdraaien) is verplicht (metaal-metaal contact van de flenzen, niet door de pakking). Als de flenzen langs de buitendiameter botsen totdat de ring volledig is vervormd, is de verbinding lek.
6. Analyse van faalwijzen en hoofdoorzaken
6.1 Typische storingen van spiraalgewonden pakkingen
| Foutmodus | Visuele indicator | De grondoorzaak | Voorzorgsmaatregel |
|---|---|---|---|
| Radiale stratificatie | Lekkage langs de buitendiameter, zichtbare lagen | Overmatig aandraaien (>110% van de nominale waarde), ontbreken van buitenring | Gebruik het CG-type met een buitenste begrenzingsring |
| Interne erosie | Lekkage van binnenuit, beschadiging van de vuller | Turbulente stroming, trillingen, gebrek aan binnenring | Type CGI, controleer pijpleidingtrilling |
| Ontspanning | Geleidelijke vermindering van de boutkracht | Thermische cycli, kruip bij T > 400°C | Naspannen 24 uur na het opstarten, veerringen |
| Chemische afbraak van het vulmiddel | Verduistering, kwetsbaarheid van grafiet | Oxidatie van grafiet bij T > 450°C in lucht | Schakel over naar mica filler of RTJ |
6.2 Disclaimers van RTJ
- Plastische vervorming van de groef: de reden is herhaald gebruik of de hardheid van de ring is hoger dan die van de flens. Oplossing: API 6A hardheidscontrole (verschil ≥ 20 HB).
- Corrosieve putvorming in de groef: de oorzaak is een galvanisch paar tussen ongelijksoortige metalen. Oplossing: een ring uit dezelfde legering kiezen of een coating aanbrengen.
6.3 Defecten van plaatpakkingen
- Extrusie (knijpen): wanneer P > toegestaan voor de dikte. Dunnere afstandhouders (1,5 mm in plaats van 3 mm) zijn beter bestand tegen extrusie.
- Koude vloei (kruip): karakteristiek voor PTFE. Oplossing: versterkte PTFE-pakkingen of overstappen op SWG.
- Breek: opnieuw vastdraaien van bouten op dun materiaal.
7. Voorspellend onderhoud en conditiebewaking
7.1 Controlemethoden
Ultrasone lekdetectie: detectoren in het bereik van 38-42 kHz (bijv. SDT 340) detecteren microlekken in een vroeg stadium. Drempelwaarde voor flensaansluiting: > 8 dB boven het achtergrondniveau geeft het begin van lekkage aan.
Bewaking van de boutbelasting: ultrasone boutrekmeters (nauwkeurigheid ±1%) of rekstrookjes bij kritische verbindingen. Een afname van de belasting met > 10% ten opzichte van de oorspronkelijke belasting is een signaal voor opnieuw aanspannen.
Thermografie: Infraroodscannen van flensverbindingen detecteert lekken van stoom en hete media. Een temperatuurverschil van > 5°C tussen de flens en het lekgebied is een indicatie van een probleem.
Emissiebeheersing (LDAR): volgens EN 15446, monitoring van vluchtige organische stoffen (VOC) rond de flenzen. Toelaatbaar niveau volgens Richtlijn 2010/75/EU (IED): < 500 ppm voor verbindingen in vluchtige media.
7.2 Periodiciteit van inspecties
- Kritische aansluitingen (H₂, H₂S, HF, stoom > 40 bar): maandelijkse UZ-controle
- Standaardtechnologie: driemaandelijkse thermografie
- Utiliteit (water, lucht < 10 bar): jaarlijkse visuele inspectie
8. Vergelijkende matrix
| Parameter | SWG (316L/grafiet, CG) | RTJ (R-type, 316) | Plaat (asbestvrij, aramide/NBR) | Plaat (grafietversterkt) | PTFE-envelop |
|---|---|---|---|---|---|
| Drukbereik, bar | Vacuüm - 250 | 70 — 1450 | Vacuüm — 40 | Vacuüm - 100 | Vacuüm - 25 |
| Temperatuurbereik, °C | -196 ... +650 | -196 ... +800 | -40 ... +350 | -200 ... +550 | -200 ... +260 |
| Chemische resistentie | Hoog (afhankelijk van legering) | Hoog | Beperkt (zuren, oplosmiddelen) | Hoog (behalve voor sterke oxidatiemiddelen) | Universeel (behalve F₂, alkalimetalen) |
| Weerstand tegen trillingen | goed | Uitstekend | Bevredigend | goed | Bevredigend |
| Eisen aan het flensoppervlak | Ra 3,2–6,3 μm | Ra 0,8–1,6 μm (groef) | Ra 3,2–12,5 μm | Ra 3,2–6,3 μm | Ra 3,2–6,3 μm |
| Minimale landingsdruk y, MPa | 68,9 | 179,3 | 15.2 | 44,8 | 6.9 |
| Factor m | 3.0 | 6.5 | 2.5 | 3.0 | 2.0 |
| Typische toepassing | Olieraffinage, chemie, energie | Boorapparatuur, HP/HT-systemen | Loodgieterswerk, HVAC, lage druk | Stoom, warmtewisselaars, chemie | Farmaceutische producten, voedingsindustrie |
| Geschatte prijs DN100 | € 12–25 | € 45–120 | € 2–5 | € 8–15 | € 6–12 |
9. Praktische aanbevelingen voor Oekraïense ondernemingen
9.1 Overgang van paroniet naar asbestvrije materialen
Conform de EU-verordening 1907/2006 (REACH) en de Oekraïense wetgeving inzake de beperking van asbest moeten bedrijven overstappen op asbestvrije plaatmaterialen. Een directe vervanger van PON-B paroniet voor stoom tot 200°C en 16 bar is een asbestvrije plaat op basis van aramidevezel met een NBR bindmiddel (vergelijkbaar met Klingersil C-4400). Voor zwaardere omstandigheden (stoom 300°C, 40 bar) — een versterkte grafietplaat met een metalen inzetstuk (vergelijkbaar met Sigraflex).
9.2 Opslag van pakkingen
Volgens EN 1514 aanbevelingen:
- SWG: horizontaal, geen vervorming, bescherming tegen vocht. De houdbaarheid is onbeperkt voor metalen onderdelen, tot 5 jaar voor grafietvuller.
- RTJ: individuele verpakking, corrosiewerende coating. Hardheidscontrole vóór installatie bij opslag > 2 jaar.
- Bladrijk: vermijd direct zonlicht (afbraak van elastomeren), opslagtemperatuur 5–35°C, luchtvochtigheid < 70%.
10. Samenvatting
De keuze van het pakkingtype voor een flensverbinding is een technische beslissing die gebaseerd moet zijn op duidelijke criteria: werkdruk en temperatuur, chemische compatibiliteit met de omgeving, flenstype, beschikbare boutbelasting en dichtheidseisen. Spiraalgewonden pakkingen bieden de optimale balans tussen betrouwbaarheid en kosten voor de meeste industriële toepassingen. RTJ's zijn onmisbaar in hogedruk- en hogetemperatuurapparatuur. Plaatpakkingen blijven een economische oplossing voor lagedruk-utiliteitssystemen.
Correcte installatie met naleving van de procedure van gecontroleerd aandraaien en regelmatige controle van de toestand van de verbindingen zijn verplichte voorwaarden voor het bereiken van de ontwerplevensduur van de pakking en het voorkomen van noodlekken.
UNITEC-D GmbH levert een volledig assortiment pakkingen: spiraalgewonden (alle typen volgens ASME B16.20), ring RTJ (profielen R, RX, BX), niet-asbestplaatmaterialen en PTFE-pakkingen. Alle producten zijn CE-gecertificeerd in overeenstemming met PED 2014/68/EU en gaan vergezeld van materiaalcertificaten EN 10204 3.1.
Ga naar de elektronische catalogus UNITEC-D →
Referentielijst
- ASME PCC-1-2022 "Richtlijnen voor drukgrensgeboute flensverbindingsconstructies"
- EN 1591-1:2014 "Flenzen en hun verbindingen — Ontwerpregels voor cirkelvormige flensverbindingen met pakkingen — Berekening"
- ASME B16.20-2017 "Metalen pakkingen voor pijpflenzen - ringverbinding, spiraalgewonden en mantel"
- DSTU EN 13555:2018 "Flenzen en hun verbindingen. Parameters van pakkingen en testmethoden voor gebruik bij berekeningen van flensverbindingen volgens EN 1591-1»
- API-standaard 6A, 21e editie "Wellhead and Tree Equipment" - Ringpakkingspecificaties
