Aufgabenstellung und Berechnungsziel
Das Modul berechnet Flanschverbindungen nach DIN EN 1591-1 – dem modernen, dichtheitsorientierten Nachweisverfahren für Flansche und ihre Verbindungen. Es behandelt Aufschweiß-, Vorschweiß-, Blind- und Losflansche als komplettes System aus Flansch, Schrauben, Dichtung und angeschlossener Schale. Anders als klassische Verfahren (etwa nach Taylor-Forge oder AD 2000-Merkblatt B 8) betrachtet DIN EN 1591-1 die Verbindung als elastisch gekoppeltes Gesamtsystem: Die Nachgiebigkeiten von Flanschring, Schale, Schrauben und Dichtung sowie die Wärmedehnungsunterschiede zwischen den Bauteilen gehen direkt in die Kraftverteilung ein.
Das Verfahren bestimmt für alle Lastfälle – Montage, Prüfung, Betrieb und An-/Abfahrzustände – die erforderlichen Schrauben- und Dichtungskräfte, die effektive Dichtungsfläche und das erforderliche Montagedrehmoment. Als Ergebnis liefert es die Auslastungsgrade von Flansch, Schrauben, Dichtung und gegebenenfalls Losflansch, sodass Tragfähigkeit und Dichtheit gleichzeitig nachgewiesen werden.
In der Praxis ist die Berechnung nach DIN EN 1591-1 immer dann gefragt, wenn eine Flanschverbindung mit definierter Leckagerate ausgelegt werden muss – etwa bei TA-Luft-Anforderungen, kritischen Medien, hohen Temperaturwechseln oder großen Zusatzlasten aus der Rohrleitung. Die Dichtungskennwerte werden dabei nach EN 13555 angesetzt.
Regelwerk und Berechnungsbasis: DIN EN 1591-1: 2014-04
So läuft die Berechnung ab
- Geometrie und Werkstoffe erfassen: Flanschtyp (Vorschweiß-, Aufschweiß-, Blind- oder Losflansch mit Bund), Flansch- und Schalengeometrie, Schraubendaten und Dichtungsabmessungen werden eingegeben; für alle Bauteile werden Festigkeitskennwerte, E-Moduln und Wärmeausdehnungskoeffizienten bei den jeweiligen Temperaturen hinterlegt.
- Dichtungskennwerte nach EN 13555 ansetzen: Für die Dichtung werden die geprüften Kennwerte verwendet: erforderliche Mindestpressungen für die geforderte Leckageklasse, maximal zulässige Pressung sowie Entlastungs-E-Modul und Kriechfaktor. Daraus ergibt sich die effektive Dichtungsbreite iterativ aus dem Kräftegleichgewicht.
- Lastfälle definieren: Für Montage, Druckprüfung und alle Betriebszustände werden Mediendruck, Bauteiltemperaturen sowie äußere Axialkräfte, Querkräfte, Biege- und Torsionsmomente festgelegt (im Modul über die zugehörigen 1591-Lastfälle).
- Nachgiebigkeiten und Kräfte berechnen: Aus den elastischen Nachgiebigkeiten von Flanschen, Schrauben und Dichtung sowie den thermischen Dehnungsunterschieden berechnet das Verfahren die Kraftumlagerung zwischen den Lastfällen: Die erforderliche Mindest-Schraubenkraft bei Montage wird iterativ so bestimmt, dass in jedem Folgelastfall die Mindest-Dichtungskraft für Dichtheit erhalten bleibt.
- Montagestreuung berücksichtigen: Die Streuung des Anziehverfahrens (z. B. Drehmomentschlüssel, hydraulisches Spannen) wird über Streufaktoren erfasst; nachgewiesen wird sowohl der Fall minimaler als auch maximaler tatsächlicher Schraubenkraft, und das erforderliche Montagedrehmoment wird ausgegeben.
- Auslastungsgrade prüfen: Abschließend werden die Belastungsgrenzen kontrolliert: Auslastung von Flanschring, Schrauben, Dichtung (Überpressung) und Losflansch müssen in allen Lastfällen unter 100 % liegen; andernfalls werden Geometrie, Dichtung oder Anziehverfahren angepasst.
Eingabegrößen
| Größe | Symbol | Einheit |
|---|---|---|
| Effektive Fläche | AGe | mm² |
| Theoretische Fläche | AGt | mm² |
| Die Angaben zum Normflansch sind unvollständig oder ungültig. | berechenbar | – |
| Effektive Fläche für axiale Kraft des Mediendrucks | AQ | mm² |
| Elastizitätsmodul | EB0 | N/mm² |
| Elastizitätsmodul | EBI | N/mm² |
| Elastizitätsmodul | EFI | N/mm² |
| Elastizitätsmodul Flansch (2ter Flansch) EFI | ẼFI | N/mm² |
| Elastizitätsmodul | EF0 | N/mm² |
| Elastizitätsmodul Flansch Montage (2ter Flansch) EF0 | ẼF0 | N/mm² |
| Elastizitätsmodul | EL0 | N/mm² |
| Elastizitätsmodul | ELI | N/mm² |
| _Elastizitätsmodul loser Flansch (2ter Flansch) ELI | ẼLI | N/mm² |
| Elastizitätsmodul Scheibe EWI | EWI | N/mm² |
| _Elastizitätsmodul Scheibe (2ter Flansch) EWI | ẼWI | N/mm² |
| Elastizitätsmodul bei Entlastung / Wiederbelastung | EG0 | N/mm² |
| Mittlere Elastizitätsmodul bei Entlastung / Wiederbelastung | EGm | N/mm² |
| Werkstoff | WkNr,F | – |
| Bund oder Bördel | WkNr,F | – |
| Werkstoff (Loser Flansch) | WkNr,L | – |
| Loser Flansch | WkNr,L | – |
| Werkstoff | WkNr,B | – |
| Werkstoff Schale WkNr,S | WkNr,S | – |
| Werkstoff Scheibe WkNr,W | WkNr,W | – |
Berechnungsergebnisse
| Größe | Symbol | Einheit |
|---|---|---|
| Effektive Gesamtquerschnittsfläche aller Schrauben | AB | mm² |
| Radiale Gesamt-Querschnittsfläche | AF | mm² |
| Radiale Gesamt-Querschnittsfläche | ÃF | mm² |
| Radiale Gesamt-Querschnittsfläche | AL | mm² |
| Radiale Gesamt-Querschnittsfläche | ÃL | mm² |
| Spezifizierte Schraubenkraft Montage | FB0,spec | N |
| Schätzung der tatsächlichen Schraubenkraft Montage | FB0av | N |
| Dichtungskraft, Ersatz für FG0 für Belastungsgrenze | FG0d | N |
| Tatsächliche Dichtungskraft | FG0 | N |
| Mindest-Dichtungskraft (aus Montage-Flächenpressung) | FG0min | N |
| Maximal zu erwartende Dichtungskraft | FG0max | N |
| Nenn-Schraubenkraft | FB0 nom | N |
| Nenn-Schraubenkraft Maximalwert für Auslastung (zulässig) | FB0 nom | N |
| Erforderliche Dichtungskraft | FG0req | N |
| Mindestdichtungskraft im Montagezustand | FGΔ | N |
| Vorhandene Dichtungspressung | QGI | N/mm² |
| Resultierende axiale Kraft | FR0 | N |
| Nenn-Schraubendrehmoment | Mt,nom | N·mm |
| Nenn-Schraubendrehmoment Maximalwert für Auslastung (zulässig) | Mt,nom | N·mm |
| Mittlere effektive Druckspannung der Dichtung | QG0 N/mm² | N/mm² |
| Dichtungspressung ausreichend? | Montage | – |
| Gewünschte Flächenpressung | QA | N/mm² |
| Axialer Elastizitätsmodul Schrauben | XB | 1/mm |
| Axialer Elastizitätsmodul Dichtung | XG | 1/mm |
Berechnungsoptionen
Art des ersten Flansches
Festflansch mit Ansatz, Vorschweißflansch · Festflansch ohne Ansatz · Blindflansch · Loser Flansch mit Bund oder Bördel
Lastfälle
Montage - Prüfung - Betrieb · Montage - Prüfung - Betrieb - Lastfall 3 · Montage - Prüfung - Betrieb - Lastfall 3 - Lastfall 4
Leckageverfahren anwenden?
Nein · Ja
Hat der Bund oder Bördel einen Ansatz?
Nein · Ja
Art
zylindrisch · kegelförmig · kugelförmig
Unterlegscheibe / Dehnhülse? (Erster Flansch)
Nein · Ja
Anziehverfahren der Schrauben
Schraubenschlüssel · Schlagschrauber · Drehmomentschlüssel · Messung des Hydraulikdrucks · Messung der Schraubenlängung · Messung des Drehwinkels der Mutter · Messung des Drehwinkels/-moments der Mutter
Geometrie der beiden Flansche
Unterschiedlich · Identisch
Häufige Fragen
Worin unterscheidet sich DIN EN 1591-1 vom Nachweis nach AD 2000-Merkblatt B 7/B 8?
AD 2000 führt getrennte Festigkeitsnachweise für Flansch und Schrauben mit pauschalen Dichtungskennwerten. DIN EN 1591-1 rechnet dagegen das elastische Gesamtsystem: Kraftumlagerungen durch Nachgiebigkeiten, Wärmedehnung und Dichtungskriechen werden explizit erfasst, und die Dichtheit wird über Leckageklassen mit Kennwerten nach EN 13555 nachgewiesen. Das Verfahren ist aufwendiger, liefert aber ein Montagedrehmoment, das Tragfähigkeit und Dichtheit zugleich sicherstellt.
Warum ist die Berechnung iterativ und nicht als Handrechnung praktikabel?
Die effektive Dichtungsbreite hängt von der Dichtungskraft ab, die wiederum von der Flanschverdrehung und den Nachgiebigkeiten abhängt – das ergibt eine innere Iteration. Zusätzlich muss die Montage-Schraubenkraft über alle Folgelastfälle iteriert werden, bis in jedem Zustand die Mindest-Dichtungskraft eingehalten ist. Von Hand ist das fehleranfällig; die Norm ist ausdrücklich für die Software-Umsetzung konzipiert.
Welche Dichtungskennwerte brauche ich, und woher bekomme ich sie?
Benötigt werden die Kennwerte nach EN 13555: Q_min(L) und Q_smin(L) für die geforderte Leckageklasse, Q_smax als Überpressungsgrenze, der Entlastungsmodul E_G und der Kriechfaktor P_QR – jeweils temperaturabhängig. Hersteller veröffentlichen diese Werte in Datenblättern; eine zentrale Quelle ist die Gasketdata-Datenbank. Ohne belastbare Kennwerte ist ein Nachweis nach 1591-1 nicht sinnvoll möglich.
Können äußere Rohrleitungslasten berücksichtigt werden?
Ja, das ist eine Stärke des Verfahrens: Äußere Axialkräfte und Biegemomente werden in eine äquivalente Axialkraft umgerechnet und wirken in jedem Lastfall auf das Kräftegleichgewicht der Verbindung; auch Querkräfte und Torsionsmomente lassen sich über die Reibung in der Dichtfuge bewerten. Gerade bei großen Nennweiten entscheiden die Zusatzlasten oft über die Dichtheit.