Druckfestigkeit von Titanflanschen: Leitfaden zur Auswahl von Druck, Temperatur und Druckklasse

Einführung

Die Wahl eines Titanflansches allein anhand seiner Druckklasse kann irreführend sein, da die Druckfestigkeit von Titanflanschen von der Betriebstemperatur, den Materialeigenschaften und den geltenden Normen abhängt. Werden diese Faktoren außer Acht gelassen, kann die Auswahl des falschen Flansches für die Betriebsbedingungen des Systems zur Folge haben.

Welche Druckfestigkeit weist ein Titanflansch auf?

A Titanflansch pressure rating is the maximum pressure the flange is allowed to handle at a specified temperature, material, and pressure class. It is not one fixed pressure for every condition. For example, if a flange can handle 500 psi at 100°F, you cannot assume it can still handle 500 psi when the temperature rises to 500°F.

Der zulässige Druck kann bei höheren Temperaturen geringer sein. Daher gibt die Zahl in einer Druckklasse nicht den exakten Druck an, dem ein Flansch standhält. Ein Flansch der Klasse 300 ist beispielsweise nicht einfach für 300 psi ausgelegt. Sie müssen die Druck-Temperatur-Kennlinie prüfen, die für das Flanschmaterial und die Betriebstemperatur gilt.

Wie wird die Druckfestigkeit von Titanflanschen bestimmt?

Um den zulässigen Druck eines Titanflansches zu bestimmen, müssen mehrere Faktoren berücksichtigt werden. Die Wahl einer Druckklasse ist nicht isoliert möglich und sollte nicht davon ausgehen, dass sie für jede Anwendung geeignet ist. Im Folgenden werden einige Faktoren zur Bestimmung der Druckklasse eines Titanflansches aufgeführt.

Titan-Werkstoffqualität

Titanflansche sind erhältlich in verschiedene Klassen, Die Güteklasse ist wichtig, wenn der entsprechende Nenndruck bestimmt werden muss. Beispielsweise liefern Hersteller üblicherweise Titanflansch der Güteklasse 2 Und Titan Grade 5 Flansche gemäß ASTM B381. Die Nennleistung muss daher der Spezifikation des von Ihnen ausgewählten Titanflansches entsprechen und darf nicht als allgemeine Nennleistung für alle Titanflansche verwendet werden.

Betriebstemperatur

Die Temperatur kann den zulässigen Druck eines Flansches verringern. Beispielsweise kann ein Flansch, der 600 psi bei 200 °F aushält, bei einer höheren Temperatur von etwa 500 °F unter Umständen nicht mehr beständig sein. Daher ist es wichtig, dass Sie die Nennleistung anhand der tatsächlichen Temperatur Ihres Systems und nicht anhand eines Wertes bei Raumtemperatur überprüfen.

Druckklasse

Die Druckklasse dient als Ausgangspunkt für die Flanschauswahl. Gängige ASME B16.5-Klassen sind 150, 300, 400, 600, 900, 1500 und 2500. Die Klassennummer gibt nicht an, welchen Druck der Flansch genau in psi aushält. Vielmehr wird die Klasse zusammen mit dem entsprechenden Werkstoff und der zulässigen Temperatur verwendet, um den zulässigen Druck zu bestimmen.

Flanschgröße und -konstruktion

Die Größe und Ausführung des Flansches müssen der geltenden Norm entsprechen. ASME B16.5 legt die Abmessungen für Flansche und Flanschverbindungen fest, wobei verschiedene Flanschtypen jeweils eigene erforderliche Abmessungen haben. Prüfen Sie daher stets, ob Flanschgröße, -typ und Druckklasse mit dem Rohrleitungssystem und der geltenden Norm übereinstimmen.

Druck-Temperatur-Kennlinie

Die Druck-Temperatur-Kennlinie berücksichtigt all diese Faktoren. Sie gibt den maximal zulässigen Betriebsdruck für ein bestimmtes Material und eine bestimmte Druckklasse bei einer festgelegten Temperatur an. Durch den Vergleich dieser Kennlinie mit dem tatsächlichen Druck und der Temperatur Ihres Systems können Sie daher feststellen, ob der ausgewählte Titanflansch für Ihren vorgesehenen Einsatz geeignet ist.

Druck-Temperatur-Kennlinie für Titanflansche

Druck-Temperatur-Kennlinie für Flansche aus Titan Grad 5

Temperatur °F	Klasse 150 (psi)	Klasse 300 (psi)	Klasse 400 (psi)	Klasse 600 (psi)	Klasse 900 (psi)	Klasse 1500 (psi)	Klasse 2500 (psi)
-20 bis 100	275	720	960	1440	2160	3600	6000
200	230	600	800	1200	1800	3000	5000
300	205	540	720	1080	1620	2700	4500
400	190	495	660	995	1490	2485	4140
500	170	465	620	930	1395	2330	3880
600	140	435	580	875	1310	2185	3640
650	125	430	575	860	1290	2150	3580
700	110	425	565	850	1275	2125	3540
750	95	415	555	830	1245	2075	3460
800	80	405	540	805	1210	2015	3360
850	65	395	530	790	1190	1980	3300
900	50	390	520	780	1165	1945	3240
950	35	380	510	765	1145	1910	3180
1000	20	320	430	640	965	1605	2675
1050	20	310	410	615	925	1545	2570
1100	20	255	345	515	770	1285	2145
1150	20	200	265	400	595	995	1655
1200	20	155	205	310	465	770	1285
1250	20	115	150	225	340	565	945
1300	20	85	115	170	255	430	715
1350	20	60	80	125	185	310	515
1400	20	50	65	95	145	240	400
1450	15	35	45	70	105	170	285
1500	10	25	35	55	80	135	230

 

Druckfestigkeitsklassen für Titanflansche

Titanflansche sind in verschiedenen Druckklassen erhältlich, darunter Klasse 150, 300, 400, 600, 900, 1500 und 2500. Die benötigte Klasse hängt von den Temperatur- und Druckanforderungen Ihres Systems ab. Die folgenden Daten beziehen sich auf Titanflansche der Güteklasse 5 und veranschaulichen den Vergleich einiger Klassen aus der obigen Tabelle.

Klasse 150

Klasse 150 stellt die untere Grenze der in diesem Bereich abgedeckten ASME B16.5-Druckklassen dar. Für Titan der Güteklasse 5 gibt die obige Druck-Temperatur-Tabelle 275 psi von -20 bis 100 °F und 170 psi bei 500 °F an. Dies verdeutlicht, warum die Auswahl eines Flansches der Klasse 150 nicht allein anhand der Klassennummer erfolgen sollte.

Klasse 300

Die Klasse 300 bietet unter gleichen Bedingungen einen etwas höheren zulässigen Druck als die Klasse 150. Die Tabelle gibt 720 psi bei -20 bis 100 °F und 465 psi bei 500 °F an. Wenn Ihr System bei höheren Temperaturen arbeitet, überprüfen Sie die Nennleistung bei dieser Temperatur und verlassen Sie sich nicht allein auf die Angabe der Klasse 300.

Klasse 600

Die Klasse 600 ist für höhere Druckanforderungen als die Klassen 150 und 300 ausgelegt. Laut den gleichen Daten beträgt der zulässige Druck 1440 psi bei Temperaturen von -20 bis 100 °F und 930 psi bei 500 °F. Ihre Betriebstemperatur muss jedoch überprüft werden, bevor Sie die Klasse als geeignet einstufen.

Klasse 900

Die Klasse 900 bietet im Vergleich zur Klasse 600 unter gleichen Temperaturbedingungen einen deutlich höheren Nenndruck. Die Werte betragen 2.160 psi bei -20 bis 100 °F und 1.395 psi bei 500 °F. Der tatsächlich zulässige Druck muss jedoch weiterhin dem entsprechenden Druck-Temperatur-Kennfeld entnommen werden.

Klasse 1500

Wenn das Rohrleitungssystem eine sehr hohe Druckklasse erfordert, ist die Klasse 1500 erforderlich. Die Daten geben 3.600 psi bei -20 bis 100 °F und 2.330 psi bei 500 °F an. Dies bedeutet jedoch nicht, dass jeder Titanflansch der Klasse 1500 exakt diese Werte aufweist; die Materialspezifikation und die Temperatur müssen mit der Tabelle übereinstimmen.

Klasse 2500

Die Klasse 2500 ist die höchste Druckklasse, die von ASME B16.5 für die darin enthaltenen Flanschgrößen abgedeckt wird. Die Tabelle gibt 6.000 psi bei Temperaturen von -20 °F bis 100 °F und 3.880 psi bei 500 °F an. ASME B16.5 beschränkt Flansche der Klasse 2500 auf Nennweiten von NPS 1/2 bis NPS 12. Daher müssen Sie die Größen- und Normenanforderungen überprüfen.

Normen und Spezifikationen für Titanflansche

Bei der Auswahl eines Titanflansches gibt die Norm vor, welche Anforderungen das Produkt erfüllen muss. Hinsichtlich Druckfestigkeit, Materialspezifikation und Flanschabmessungen können diese drei Normen bei Ihrer Recherche relevant sein. Sie gelten jedoch nicht alle gleichermaßen für Titanflansche.

ASME B16.5

ASME B16.5 ist die wichtigste Flanschnorm für Titanflansche in diesem Größenbereich. Sie umfasst Druck-Temperatur-Kennwerte, Werkstoffe, Abmessungen, Toleranzen, Kennzeichnung, Prüfung und Flanschverbindungen für Nennweiten von NPS 1/2 bis NPS 24. Darüber hinaus deckt sie die Druckklassen 150 bis 1500 sowie die Druckklasse 2500 für NPS 1/2 bis NPS 12 ab. Bei der Prüfung der Druckkennwerte eines Titanflansches müssen der Werkstoff und die Druckklasse den Anforderungen der Norm entsprechen.

ASTM B381

ASTM B381 ist eine Werkstoffspezifikation und keine Norm für Flanschdruckwerte. Sie umfasst Titan und Titanlegierung Schmiedeteile und Anforderungen wie chemische Zusammensetzung und mechanische Eigenschaften für die jeweiligen Güteklassen werden festgelegt. Titanium Industries führt beispielsweise Titanflansche der Güteklasse 2 gemäß ASTM B381 F2 und ASME SB-381.

Diese Unterscheidung ist bei der Flanschprüfung wichtig. ASTM B381 gibt Auskunft über das Titan-Schmiedematerial, während ASME B16.5 die Flanschabmessungen und die Druck-Temperatur-Kennlinie regelt. Prüfen Sie daher beide Spezifikationen, wenn das Produkt diesen Normen entspricht.

ASME B16.47

ASME B16.47 deckt Stahlflansche mit großem Durchmesser von NPS 26 bis NPS 60 ab. Die Norm beinhaltet Druck-Temperatur-Kennwerte, Werkstoffe, Abmessungen, Toleranzen, Kennzeichnung und Prüfverfahren mit den Druckklassen 75 bis 900. Da sie sich speziell auf Stahlflansche mit großem Durchmesser bezieht, sollte sie nicht als Norm für gewöhnliche Titanflansche verwendet werden.

Bei Projekten mit Titanflanschen großen Durchmessers darf nicht automatisch davon ausgegangen werden, dass die Norm B16.47 allein aufgrund der Flanschgröße anwendbar ist. Prüfen Sie zunächst das spezifizierte Material und die geltenden Konstruktionsnormen des Projekts.

Wie man die richtige Druckstufe für Titanflansche auswählt

Die Wahl des richtigen Nenndrucks beginnt mit den Betriebsbedingungen Ihres Systems. Sie müssen den Druck und die Temperatur prüfen, denen der Flansch standhält, und diese Bedingungen mit der Titangüte, der Druckklasse, der Größe, der Ausführung und der geltenden Norm abgleichen. Im Folgenden finden Sie einige Punkte, die Sie bei der Auswahl des richtigen Titanflansch-Nenndrucks für Ihr System beachten sollten.

Bestimmen Sie den Auslegungsdruck

Beginnen Sie mit der Ermittlung des höchsten Drucks, dem der Flansch unter den Bedingungen Ihres Rohrleitungssystems standhalten soll. Verwenden Sie nicht allein den normalen Betriebsdruck, wenn im System während des Anfahrens, Abschaltens oder anderer Ihnen bekannter, vorhersehbarer Ereignisse höhere Drücke auftreten können. Der Auslegungsdruck sollte die maximal zu erwartende Druck-Temperatur-Kombination für das Bauteil darstellen.

Bestimmen Sie die Auslegungstemperatur

Bei der Auswahl der Druckfestigkeit von Titanflanschen für Ihr System sollten Sie die höchste zu erwartende Temperatur ermitteln, der der Flansch bei dem vorgesehenen Druck ausgesetzt sein wird. Dies ist wichtig, da sich der zulässige Druck mit der Temperatur ändern kann. Überprüfen Sie daher unbedingt die Druckfestigkeit bei der entsprechenden Temperatur.

Bestätigen Sie die Titanqualität.

Sie müssen die genaue Titangüte und die Materialspezifikation bestätigen, bevor Sie die Druckklasse auswählen. Titanflansche sind in verschiedenen Güteklassen erhältlich, darunter Güteklasse 2 und Güteklasse 5, und die Hersteller geben diese Güteklassen separat an. Stellen Sie sicher, dass die Druckangabe der verwendeten Materialspezifikation entspricht.

Wählen Sie die entsprechende Druckklasse aus

Sobald Sie den Auslegungsdruck, die Temperatur und das Material kennen, wählen Sie anhand der entsprechenden Drucktabelle die Druckklasse aus, die den erforderlichen Bedingungen entspricht. Gehen Sie nicht davon aus, dass eine Druckklassennummer dem gleichen Druck in psi entspricht.

Flanschgröße und -konstruktion prüfen

Prüfen Sie anhand der geltenden Norm und Ihrer Rohrleitungsverbindung, ob Flanschgröße, Bohrung, Typ, Dichtfläche und weitere Maßvorgaben korrekt sind. Wir empfehlen Ihnen, vor der Auswahl Details wie Lochkreis, Lochanzahl, Flanschdicke und Anforderungen an Dichtung oder Dichtfläche zu überprüfen.

Überprüfen Sie den anwendbaren Standard

Prüfen Sie, ob der Flansch die für Ihr System erforderlichen Standardabmessungen aufweist. Beispielsweise deckt ASME B16.5 Druck-Temperatur-Kennwerte und Flanschabmessungen ab, während ASTM B381 Schmiedeteile aus Titan und Titanlegierungen behandelt. Die Material- und Maßnormen müssen Ihren Anforderungen entsprechen.

Berücksichtigen Sie das Betriebsumfeld

Abschließend sollten Sie prüfen, welchen Einflüssen der Flansch im Betrieb ausgesetzt sein wird. Die Art des Mediums, die Korrosionsbedingungen, die Temperatur und andere Betriebsbedingungen können die benötigte Titansorte und Flanschspezifikation beeinflussen.

FAQs

Was passiert, wenn ein Titanflansch einem Druck oberhalb seiner Nennleistung ausgesetzt wird?

Wird ein Titanflansch einem Druck ausgesetzt, der über seiner zulässigen Nennleistung liegt, können der Flansch und seine Verbindung überbeansprucht werden, was zu dauerhaften Verformungen, Dichtungsleckagen, Rissen oder sogar zum Ausfall des Flansches führen kann.

Beeinflusst das Schraubenmaterial die Druckfestigkeit eines Titanflansches?

Ja. Das Schraubenmaterial kann die Druckfestigkeit einer Titanflanschverbindung beeinträchtigen, wenn die Schrauben nicht die erforderliche Klemmkraft aufbringen, um die Dichtung unter Betriebsbedingungen aufrechtzuerhalten. Daher muss stets sichergestellt werden, dass Flansch, Schrauben, Dichtung und Verbindung als Gesamtbaugruppe für den vorgesehenen Druck und die vorgesehene Temperatur geeignet sind.

Worin besteht der Unterschied zwischen Flanschdruckkennwert und Auslegungsdruck?

Die Flanschdruckangabe ist der maximal zulässige Druck, den ein Flansch bei einer bestimmten Temperatur, Materialgruppe und Druckklasse gemäß der geltenden Norm aushalten kann.

 

Der Auslegungsdruck hingegen ist der Druck, der zur Auslegung des Rohrleitungssystems oder Bauteils für die vorgesehenen Betriebsbedingungen verwendet wird. Vereinfacht gesagt, ist der Auslegungsdruck eine Systemauslegungsanforderung, während die Flanschdruckfestigkeit die für den Flansch unter festgelegten Bedingungen ermittelte Belastbarkeit angibt.

Warum sinkt der zulässige Druck mit steigender Temperatur?

Der zulässige Druck sinkt im Allgemeinen mit steigender Temperatur, da die mechanische Festigkeit des Materials bei höheren Temperaturen abnimmt. Da das Flanschmaterial also weniger widerstandsfähig gegen Belastungen ist, reduziert sich auch der zulässige Druck, um einen angemessenen Sicherheitsabstand zu gewährleisten. Aus diesem Grund werden Flanschdruckkennwerte als Druck-Temperatur-Kennwerte und nicht als einzelner fester Druckwert angegeben.

Wie liest man eine Druck-Temperatur-Kennlinie für Titanflansche?

Um die Drucktabelle für Titanflansche zu lesen, müssen Sie zunächst die Flanschdruckklasse und das entsprechende Titanmaterial bzw. die Materialgruppe bestimmen. Suchen Sie dann in der Tabelle die Betriebs- oder Auslegungstemperatur und lesen Sie den zugehörigen maximal zulässigen Druck ab. Die Reihenfolge ist: Titangüte → Druckklasse → Betriebstemperatur → zulässiger Druck.

Wie wirkt sich Korrosion auf die Langzeit-Druckfestigkeit eines Titanflansches aus?

Korrosion kann die langfristige Drucktragfähigkeit Ihres Flansches beeinträchtigen, wenn sie Materialverlust, Lochfraß, Risse oder andere Schäden verursacht. Mit zunehmendem Materialverlust verringert sich die Dicke und Festigkeit des Flansches, wodurch die Belastung bei gleichem Betriebsdruck steigt.

Allerdings weist Titan in vielen Umgebungen eine ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit auf, sodass korrosionsbedingte Druckverschlechterungen bei Titanflanschen im Allgemeinen weniger problematisch sind als bei vielen herkömmlichen Metallen.

Abschluss

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