04603 Montage und Instandhaltung von Flanschverbindungen
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Die steigenden Anforderungen an die Dichtheit von Flanschverbindungen und die Begrenzung von Emissionen stellen neue Herausforderungen für Industrieanlagen dar. Bisher gab es keine konkreten Vorgaben zu Dichtheitsklassen oder Leckageraten. Die TA Luft 2021 fordert nun Dichtheitsnachweise für bestimmte Flanschverbindungen und legt eine Dichtheitsklasse von L0,01 mit einer spezifischen Leckrate von ≤ 0,01 mg/(s·m) fest. Dies erhöht die Anforderungen und Prüfungen für Flanschdichtungen.
Zukünftig gelten Regeln für Berechnung, Montage, Kontrolle, Personal und ein maximales Leckagelimit. Das macht entsprechende Managementanweisungen erforderlich. Dieser Beitrag möchte Ihnen dabei helfen, ein umfassendes und einheitliches Verfahren zur Begrenzung von Emissionen aus Flanschverbindungen bereitzustellen und die TA Luft 2021 zu erfüllen. Arbeitshilfen: von: |
Dipl.-Umweltwiss., Dipl.-Ing. Birgit Schmidt-Becker ist technische Dezernentin in der Bezirksregierung Köln. Sie war von 2020 bis 2023 berufen in den Arbeitskreis zur Überarbeitung der VDI 2290 aus dem Jahr 2012 und insofern intensiv mit der Erarbeitung von Unterlagen zur Flanschmontage betraut. Die Autorin vertritt ihre aus der Erfahrung der Anlagenüberwachung und aus dem Arbeitskreis heraus resultierende persönliche Meinung, die nicht zwangsläufig deckungsgleich mit der Meinung der Bezirksregierung Köln ist.
1 Einleitung
Industrie soll Emissionen senken
Obwohl nach Umweltbundesamt von 1990 bis 2021 die Emissionen flüchtiger organischer Verbindungen ohne Methan (NMVOC) insbesondere durch die Entwicklungen der Emissionen aus dem Straßenverkehr sowie im industriellen und gewerblichen Bereich von 3,9 Millionen Tonnen (Mio. t) auf 1,0 Mio. t gesenkt und somit um 73,6 % zurückgeführt werden konnten, soll eine weitere Reduktion durch die Industrie erfolgen. Aus Untersuchungen zur Erfassung der Emissionen aus industriellen Anlagen geht hervor, dass in Abhängigkeit von der Art der Anlage die Emission aufgrund der Undichtigkeiten der Flanschverbindungen mit insgesamt 28 % einen bedeutenden Teil der Gesamtemission darstellt. Weitere wesentliche Anteile verursachen Armaturen mit 44 und Pumpen mit 22 Prozent (s. Abb. 1), die in der TA Luft 2021 ebenfalls betrachtet werden, aber nicht Bestandteil dieses Artikels sind [1] [2]. Reduzieren kann man Emissionen durch die richtige Auswahl des Flansches, der Schrauben, der Dichtung, deren korrekten Einbau und die sichere Montage der Flanschverbindung unter allen Vor-Ort-Gegebenheiten.
Obwohl nach Umweltbundesamt von 1990 bis 2021 die Emissionen flüchtiger organischer Verbindungen ohne Methan (NMVOC) insbesondere durch die Entwicklungen der Emissionen aus dem Straßenverkehr sowie im industriellen und gewerblichen Bereich von 3,9 Millionen Tonnen (Mio. t) auf 1,0 Mio. t gesenkt und somit um 73,6 % zurückgeführt werden konnten, soll eine weitere Reduktion durch die Industrie erfolgen. Aus Untersuchungen zur Erfassung der Emissionen aus industriellen Anlagen geht hervor, dass in Abhängigkeit von der Art der Anlage die Emission aufgrund der Undichtigkeiten der Flanschverbindungen mit insgesamt 28 % einen bedeutenden Teil der Gesamtemission darstellt. Weitere wesentliche Anteile verursachen Armaturen mit 44 und Pumpen mit 22 Prozent (s. Abb. 1), die in der TA Luft 2021 ebenfalls betrachtet werden, aber nicht Bestandteil dieses Artikels sind [1] [2]. Reduzieren kann man Emissionen durch die richtige Auswahl des Flansches, der Schrauben, der Dichtung, deren korrekten Einbau und die sichere Montage der Flanschverbindung unter allen Vor-Ort-Gegebenheiten.
Was behandelt dieser Beitrag?
Dieser Beitrag beschäftigt sich insofern mit der Montage und Demontage von allen Flanschverbindungen in allen Industriezweigen, die Anlagen, Maschinen oder Apparate und Rohrleitungen und Armaturen miteinander verbinden. Er gilt für Verbindungen im Krafthauptschluss (KHS) und im Kraftnebenschluss (KNS) unabhängig von den verwendeten Konstruktionswerkstoffen. Im Beitrag werden nur der Weg aufgezeigt und die anzuwendenden Normen genannt. Berechnungen sind dann mittels der dort benannten Formeln durchzuführen. Verbindungen mit Abdichtungen gegen Atmosphäre, wie bspw. Steck- oder Schraubverbindungen, sind nicht im Geltungsbereich der TA Luft Nr. 5.2.6.3 geregelt und werden damit auch in diesem Beitrag nicht behandelt.
Dieser Beitrag beschäftigt sich insofern mit der Montage und Demontage von allen Flanschverbindungen in allen Industriezweigen, die Anlagen, Maschinen oder Apparate und Rohrleitungen und Armaturen miteinander verbinden. Er gilt für Verbindungen im Krafthauptschluss (KHS) und im Kraftnebenschluss (KNS) unabhängig von den verwendeten Konstruktionswerkstoffen. Im Beitrag werden nur der Weg aufgezeigt und die anzuwendenden Normen genannt. Berechnungen sind dann mittels der dort benannten Formeln durchzuführen. Verbindungen mit Abdichtungen gegen Atmosphäre, wie bspw. Steck- oder Schraubverbindungen, sind nicht im Geltungsbereich der TA Luft Nr. 5.2.6.3 geregelt und werden damit auch in diesem Beitrag nicht behandelt.
2 Flanschverbindung
Zahlreiche Flanschverbindungen
Flanschverbindungen gehören bei medienführenden Komponenten (Rohrleitungen, Behältern, Armaturen, Pumpen usw.) zu den am meisten verwendeten Konstruktionselementen. Für die Abdichtung des geführten Mediums wird zwischen die Flansche eine Dichtung eingelegt, die üblicherweise durch Schrauben verspannt wird. Grundsätzlich sind zwei Konstruktionen möglich (s. Abb. 2):
Flanschverbindungen gehören bei medienführenden Komponenten (Rohrleitungen, Behältern, Armaturen, Pumpen usw.) zu den am meisten verwendeten Konstruktionselementen. Für die Abdichtung des geführten Mediums wird zwischen die Flansche eine Dichtung eingelegt, die üblicherweise durch Schrauben verspannt wird. Grundsätzlich sind zwei Konstruktionen möglich (s. Abb. 2):
| • | Flanschverbindung mit der Dichtung im Krafthauptschluss (KHS), |
| • | Flanschverbindung mit der Dichtung im Kraftnebenschluss (KNS). [4] |
Die Dichtung im KHS liegt zwischen den Dichtleisten. Sie überträgt bei der Montage grundsätzlich die volle Vorspannkraft. Die Flächenpressung der Dichtung verändert sich im Betrieb wesentlich durch äußere Belastungen, wie z. B. durch den Innendruck, Rohrleitungskräfte und -momente, Wärmedehnungsunterschiede sowie durch plastische Verformungen der Einzelteile (Flansche, Schrauben, Dichtung). Die Dichtung im KNS liegt in einer Nut bzw. ein spezielles Dichtelement (Dichtung mit Träger) liegt zwischen den glatten Dichtleisten. Die Dichtung bzw. das Dichtelement überträgt nur einen (kleinen) Teil der Vorspannkraft, nämlich die, die zum Erreichen des Kontakts der metallischen Flächen (Blocklage) beim Vorspannen erforderlich ist; eine darüber hinausgehende Vorspannkraft wird über die metallischen Flächen abgetragen. Die Vorspannkraft muss so hoch sein, dass die Blocklage in keinem Betriebszustand verlassen wird. Eine Änderung der Dichtungsflächenpressung im Betrieb kann dann nur durch Relaxation der Dichtung erfolgen.
Dichtheit nicht erkennbar
Um zu gewährleisten, dass Flanschverbindungen die Anforderungen nach der TA Luft und den Industrienormen erfüllen, bedarf es zahlreicher Faktoren. Dabei kann eine unzureichend dichte Flanschverbindung in der Regel nicht, wie in Beispiel 1 der Abbildung 3, visuell erkannt werden. Auch muss die Verbindung nicht direkt übermäßige Leckagemengen verursachen. Häufig führen durch falsche Montage beschädigte Dichtungen erst später zu erhöhten Leckagen, bis hin zum Komplettversagen der Dichtung.
Um zu gewährleisten, dass Flanschverbindungen die Anforderungen nach der TA Luft und den Industrienormen erfüllen, bedarf es zahlreicher Faktoren. Dabei kann eine unzureichend dichte Flanschverbindung in der Regel nicht, wie in Beispiel 1 der Abbildung 3, visuell erkannt werden. Auch muss die Verbindung nicht direkt übermäßige Leckagemengen verursachen. Häufig führen durch falsche Montage beschädigte Dichtungen erst später zu erhöhten Leckagen, bis hin zum Komplettversagen der Dichtung.
3 Regulatorische Anforderungen
Die TA Luft und viele andere Regelwerke (z. B. die Betriebssicherheitsverordnung) fordern „technisch dichte” bzw. „auf Dauer technisch dichte” Flanschverbindungen für Rohrleitungssysteme und Apparate, um Brand-, Explosions- und Gesundheitsgefahren zu vermeiden und um Gefahren und die Emission umweltschädlicher Substanzen zu begrenzen. Für das System Flanschverbindung gibt es zudem zahlreiche Normen, bspw. für den Herstellungsprozess oder für spezielle Anlagen. In diesem Beitrag wird nur auf die wesentlichen Richtlinien, die im Zusammenhang mit der derzeitigen TA Luft zu berücksichtigen sind, eingegangen.
