Grundlagen von Klemmringverschraubungen

Einführung in Klemmringverschraubungen

Klemmringverschraubungen sind eine der gebräuchlichsten und vielseitigsten Methoden, um Metall- oder Hartkunststoffrohre zu verbinden. Besonders nützlich sind sie wegen ihrer extremen Temperatur- und Druckbeständigkeit und ihrer Kompatibilität mit aggressiven Flüssigkeiten. Klemmringverschraubungen sind in verschiedenen Systemen zu finden, von Gasleitungen in Raffinerien bis hin zu den Rohrleitungen unter Ihrem Waschbecken.

Miniatur-Klemmringverschraubungen finden sich in Anwendungen, die von Chromatographie und Bombenerkennungsinstrumenten bis hin zu medizinischen Geräten und Tintenstrahldruckern reichen. Egal, ob es sich um den Warmwasserbereiter in Ihrem Haus oder um ein Rohr handelt, das gefährliche Chemikalien transportiert, alle Anwendungen von Klemmringverschraubungen haben einige Eigenschaften gemeinsam: Sie erfordern eine einfache Montage, eine lange Lebensdauer und absolut keine Leckagen.

Klemmringverschraubungen sind von Hersteller zu Hersteller unterschiedlich aufgebaut, bestehen aber alle aus den gleichen drei Grundelementen: einer Überwurfmutter oder Schraube, einer oder mehreren Klemmringen und einem Klemmringverschraubungskörper. Auch das Funktionsprinzip der einzelnen Komponenten bleibt bei allen Ausführungen mehr oder weniger gleich: Das Rohr wird in das Ende der Verschraubung eingeführt und die Mutter/Schraube wird angezogen, wodurch die Aderendhülse(n) in den Verschraubungskörper gepresst werden. Während sich die Hülse(n) axial in den Verschraubungskörper bewegt, drückt die abgewinkelte Form des Körpers das Ende der Hülse radial auf den Außendurchmesser des Rohrs. Es ist diese radiale Kompression, die die leckdichte Abdichtung zwischen der Verschraubung, der Ferrule und dem Rohr erzeugt und der Klemmverschraubung ihren Namen gibt.

Der Erfolg von Klemmverschraubungen in einer bestimmten Anwendung kann von einer Reihe von Faktoren abhängen.

Klemmring

Der Klemmring ist die primäre Dichtungskomponente einer Klemmringverschraubung und kann aus einer Vielzahl von Materialien hergestellt werden, von Edelstahl bis Graphit. Die Mehrzahl der auf dem Markt befindlichen Aderendhülsen wird jedoch aus Metall hergestellt. Metallhülsen sind attraktiv, weil sie über einen weiten Temperaturbereich stabil sind und Druckbelastungen aushalten, ohne sich zu entspannen. Normalerweise gelten Metall-auf-Metall-Dichtungen als leckanfällig (z. B. werden Metallrohrgewinde oft mit Rohrband verstärkt). Aderendhülsen hingegen sind speziell dafür entwickelt, eine optimale Dichtung sowohl gegen das Rohr als auch gegen den Verschraubungskörper zu schaffen. Einige der Schlüsselfaktoren des Ferrule-Designs sind:

Ferrule Shape

Die Form sowohl der Ferrule als auch der Gegenwinkel des Verschraubungskörpers sind kritische Faktoren für die Zuverlässigkeit einer Kompressionsdichtung. Beide Komponenten müssen so verjüngt sein, dass sich die Ferrule beim Anziehen der Mutter richtig zusammendrücken lässt und gleichzeitig die axiale Ausrichtung zum Rohr beibehält. Darüber hinaus bestimmen die relativen Winkel der Klemmhülse und des Verschraubungskörpers, wie viel lineare Bewegung in radiale Kompression umgewandelt wird und welches Maß an Kontakt („Linienkontakt“ oder „Oberflächenkontakt“) mit dem Rohr hergestellt wird. Eine gleichmäßige, „linienförmige“ Verpressung über den gesamten Umfang der Verschraubung erzeugt die zuverlässigste Dichtung. Zu diesem Zweck ist es auch wichtig, dass die Aderendhülse eine scharfe Vorderkante hat.

Einteilige vs. Zweiteilige Zweiteilige Aderendhülsen

Die meisten einfachen Klemmringverschraubungen enthalten eine einzelne Aderendhülse. Einteilige Aderendhülsen minimieren die Gesamtzahl der Komponenten und arbeiten zuverlässig, wenn sie aus weicheren Materialien (z. B. Kunststoff oder Messing) hergestellt werden. Bei härteren Werkstoffen wie Stahl wird jedoch beim Anziehen der Überwurfmutter oft ein Drehmoment von der Überwurfmutter auf den Klemmring übertragen. Die daraus resultierende Rotation kann dazu führen, dass die Klemmhülse asymmetrisch zusammengedrückt wird oder sich im Laufe der Zeit durch das Restdrehmoment verschiebt. Bei nichtrostenden Stählen kann die Rotation der Aderendhülse auch zu Ablagerungen und dauerhaften Undichtigkeiten führen. Durch Hinzufügen einer zusätzlichen, frei drehenden hinteren Ferrule kann die Mutter von der vorderen Ferrule entkoppelt werden, wodurch die Übertragung von Drehmoment verhindert wird.

Asymmetrische vs. symmetrische Aderendhülsen

Einteilige Aderendhülsen sind oft als asymmetrisch oder symmetrisch erhältlich. Beide Versionen sind radial symmetrisch, um gleichmäßig um den Rohraußendurchmesser abzudichten. Die Symmetrie/Asymmetrie bezieht sich stattdessen auf die Ausrichtung in Bezug auf die Mutter.

Eine asymmetrische Aderendhülse ist kegelförmig und kann nur in einer Richtung in den Verschraubungskörper eingesetzt werden (normalerweise mit der Spitze des Kegels in den Verschraubungskörper). Symmetrische Aderendhülsen sehen aus wie zwei Kegel, die Rücken an Rücken liegen, und können in beiden Richtungen in den Fittingkörper eingesetzt werden. Dies erhöht die Montagefreundlichkeit in Anwendungen, in denen viele Fittings verwendet werden und die Montagezeit kritisch ist.

Der Nachteil von symmetrischen Verschraubungen ist, dass sie sich eher außerhalb der Achse des Rohres bewegen, was zu leichten Leckagen führen kann. Dies gilt besonders in Verbindung mit Hartkunststoffschläuchen. Aus diesem Grund werden asymmetrische Aderendhülsen in der Regel für High-Tech-Anwendungen bevorzugt.

Schläuche

Kompressionsverschraubungen werden am häufigsten mit harten Schläuchen verwendet, da die Schlauchwand steif genug sein muss, um den von der Aderendhülse ausgeübten Druckkräften standzuhalten. Üblich sind metallische Rohre (wie Edelstahl oder Kupfer) und steife Kunststoffrohre (wie PEEK, Nylon, Teflon®, Kynar® oder Polyethylen).

Die Verwendung weicherer Schläuche (z. B. Polyurethan oder Vinyl) wird bei Klemmringverschraubungen in der Regel nicht empfohlen, da die Schlauchwand kollabieren oder sich von der Klemmhülse lösen kann. Dies beeinträchtigt die Haltekraft der Klemmringverschraubung und kann außerdem verhindern, dass die Klemmringverschraubung eine leckdichte Abdichtung über den gesamten Durchmesser des Rohrs herstellt. Wenn ein bestimmtes Konstruktionsproblem (z. B. ein enger Biegeradius) weichere Schläuche erfordert, ist es wichtig, die Schlauchwand zu verstärken. Einige Hersteller bieten zu diesem Zweck Rohreinsätze an. Die Schlaucheinlage, meist aus Metall, wird in den weichen Schlauch eingepresst und stützt die Schlauchwand, so dass sie beim Zusammendrücken der Aderendhülse nicht zusammenfällt.

Die physikalischen und chemischen Eigenschaften der verschiedenen Schlauchmaterialien müssen bei der Auswahl des besten Schlauches für eine bestimmte Anwendung berücksichtigt werden. Es ist eine gute Praxis, technische Unterstützung von einem Schlauchlieferanten einzuholen, wenn man an einem neuen Design arbeitet. Zu den wichtigsten Faktoren gehören: Druck- und Temperaturextreme, Umgebungsbedingungen, Vibrationsbedingungen, Flüssigkeitsverträglichkeit und Mindestbiegeradius.

Teflon (PTFE)-Schläuche

PTFE-Schläuche sind eine beliebte Materialwahl für Schläuche, da sie gegen die meisten Chemikalien beständig sind, relativ hohen Druck aushalten, wenig ausgasen und flexibler als metallische Schläuche sind. Ein wichtiger Konstruktionsfaktor bei der Verwendung dieser Art von Schläuchen ist ihre Neigung zum „Kaltfluss“ oder zur Verformung bei Druckbelastung. Dies kann im Laufe der Zeit zu Leckagen führen, da die Schlauchwand anfängt, sich von der Aderendhülse wegzuziehen (Kaltfluss). Das Problem des Kaltflusses verschlimmert sich, wenn die Schläuche hohen Temperaturen ausgesetzt sind, und kann selbst dann auftreten, wenn die Verschraubungen ordnungsgemäß installiert und zunächst leckagefrei sind.

Eine Lösung für dieses häufige Problem ist der Einbau einer redundanten Dichtung, wie z. B. eines internen O-Rings, in den Verschraubungskörper. Dieses sekundäre Dichtungselement bildet eine radiale Dichtung gegen den Außendurchmesser des Rohrs, unabhängig von der Dichtung, die durch die Ferrule erzeugt wird. Dies ist ein „Gürtel und Hosenträger“-Design-Ansatz, hat sich aber als sehr effektiv erwiesen, um das Problem der Kaltflussleckage zu lösen.

Metallrohre

Die Art und Weise, in der Metallrohre hergestellt werden, kann einen signifikanten Einfluss auf ihre Leistung mit Klemmringverschraubungen haben. Die Rohre sollten glatt und frei von Unebenheiten oder Extrusionslinien sein, die einen Leckpfad an der Klemmringverschraubung vorbei bilden können. Außerdem können Rohre, die in Rollen gelagert wurden, oft einen asymmetrischen Durchmesser haben, der eine gleichmäßige Verpressung verhindert. Während sich eine Elastomerdichtung verformen kann, um diese leichten Abweichungen auszugleichen, ist die Metall-auf-Metall-Dichtung einer Klemmringverschraubung weniger nachsichtig. Es ist auch wichtig, dass das Ende jedes Abschnitts rechtwinklig geschnitten ist, damit das Rohr symmetrisch im Verschraubungskörper sitzt.

Montage

Die Montageanweisungen für Klemmringverschraubungen variieren je nach Hersteller und spezifischer Verschraubungsausführung. Es sollte darauf geachtet werden, dass die vom Hersteller empfohlenen Montageverfahren eingehalten werden. Es gibt jedoch einige gemeinsame Elemente für die Installationsprozedur für fast alle Klemmringverschraubungen:

Abstand vs. Drehmoment

Typischerweise wird die Prozedur für das Anziehen einer Klemmringverschraubung unter Verwendung der Rotation der Mutter als Schlüsselmetrik angegeben, anstatt des Drehmoments. Kompressionsmuttern haben ein Gewinde, was bedeutet, dass die Anzahl der Umdrehungen der Mutter direkt mit der linearen Kompression der Hülse, basierend auf der Gewindesteigung, korreliert ist. Das Drehmoment hingegen kann stark variieren, abhängig vom Material der Verschraubung und der Klemmhülse, der Schmierung, dem Grad des Festfressens (bei rostfreien Verschraubungen) und anderen Faktoren.

Fester ist nicht „besser“
Oft gehen Monteure und Ingenieure bei der Montage von Verschraubungen davon aus, dass „fester ist besser“. Für Klemmringverschraubungen trifft dies nicht zu. Wie im Abschnitt „Klemmringverschraubungen“ oben beschrieben, wird die optimale Abdichtung durch einen Linienkontakt zwischen dem Klemmring und dem Rohr hergestellt. Wenn Sie die Überwurfmutter nicht fest genug anziehen, wird die Klemmhülse nicht genug verformt, um diesen Kontakt herzustellen, aber wenn Sie sie zu fest anziehen, wird die Klemmhülse zu stark verformt und es entsteht ein Oberflächenkontakt. Ein Oberflächenkontakt schwächt die Dichtung und führt oft zu Undichtigkeiten

Demontage und Wiedermontage
Die Einfachheit der Montage und Demontage ist einer der Gründe, warum Klemmringverschraubungen so weit verbreitet sind. Zur Demontage muss lediglich die Überwurfmutter oder Schraube gelöst werden. Die erneute Montage kann in ähnlicher Weise wie bei der Erstmontage durchgeführt werden, obwohl typischerweise weniger Umdrehungen der Mutter erforderlich sind, da die Klemmringverschraubung bereits mit dem Rohr verpresst ist. Es ist jedoch wichtig zu beachten, dass Klemmringverschraubungen nur wenige Male zerlegt und wieder zusammengebaut werden können, bevor entweder die Klemmringe und/oder der Verschraubungskörper ausgetauscht werden sollten, um eine leckdichte Abdichtung zu gewährleisten.

Mixing and Matching Components
Auch wenn Komponenten von zwei verschiedenen Herstellern äußerlich ähnlich aussehen, unterscheiden sie sich oft in wichtigen Innenmaßen, wie z.B. Klemmring/Körperkonus, Klemmringlänge und Gewindegröße und -steigung. Das Mischen und Anpassen von Komponenten verschiedener Hersteller kann daher bestenfalls zu variablen Ergebnissen führen und wird in der Regel nicht empfohlen.

Anwendungsüberlegungen

Kompressionsverschraubungen werden oft aus Gründen ausgewählt, die über die leckfreie Abdichtung und einfache Handhabung hinausgehen. In vielen Anwendungen erfordern hohe Drücke und Temperaturen die Verwendung harter Schläuche, die mit vielen anderen Verschraubungstypen nicht kompatibel sind. In anderen Anwendungen, wie z. B. bei Laborinstrumenten, sind die Sterilität und die geringen Ausgasungseigenschaften von Edelstahlrohren und -verschraubungen aus Gründen der Kontaminationsgefahr attraktiv. Es gibt auch speziellere Anwendungen; modifizierte Klemmringverschraubungen können die perfekte Möglichkeit sein, ein Thermoelement in ein unter Druck stehendes System einzufügen, um mehr Prozessdaten zu erhalten.

Einige anwendungsspezifische Überlegungen sind:

Hochdruckanwendungen
Klemmringverschraubungen sind die perfekte Wahl für Hochdruckanwendungen. In Kombination mit einem Hochdruck-Rohrmaterial wie Stahl können große Klemmringverschraubungen oft bei Drücken von über 10.000 psig eingesetzt werden. Die Druckstufen nehmen im Miniaturbereich aufgrund der kompakteren Abmessungen ab, aber die Edelstahl-Klemmringverschraubungen von Beswick sind beispielsweise immer noch für einen Druck von 3.000 – 5.000 psig ausgelegt, je nach Modell. Das ist mehr als genug, um in Anwendungen mit unter hohem Druck abgefülltem CO2, in Wasserstoff-Brennstoffzellen, in der Luft- und Raumfahrt und vielem mehr eingesetzt zu werden.

Der Schlüssel zur Verwendung von Klemmringverschraubungen bei hohem Druck, insbesondere bei Gasen, ist die Integrität der Ferrule-Dichtung. Während einfachere Konstruktionen (z.B. einteilige Klemmringe oder nicht wärmebehandelte Klemmringe) bei niedrigeren Drücken ausreichend sein können, erfordern Hochdruckanwendungen robuste Komponenten, die eine zuverlässigere Dichtung erzeugen.

Hochreine Anwendungen
Viele Anwendungen in Branchen wie der Medizintechnik, der Halbleiterindustrie und der Instrumentierung erfordern, dass alle Komponenten so inert und kontaminationsfrei wie möglich sind. Klemmringverschraubungen erleichtern diese Anwendungen erheblich. Durch die Verwendung von Schläuchen aus Edelstahl oder einem inerten Kunststoff (z. B. PTFE) können Ingenieure Verunreinigungen vermeiden, die durch stark ausgasende Schlauchmaterialien entstehen. Darüber hinaus sind Klemmringverschraubungen oft ganz aus Metall und können leichter autoklaviert, gereinigt oder sterilisiert werden als Verschraubungen, die Kunststoffe oder interne Elastomere enthalten.

Ein Faktor, den man bei diesen hochreinen Anwendungen einplanen muss, ist das Abriebverhalten. Abrieb an Klemmringverschraubungen kann zwischen dem Gewinde der Mutter und dem Gehäuse oder zwischen dem Gehäuse und dem Klemmring auftreten. Ablagerungen treten typischerweise dann auf, wenn die Verschraubungen einer extremen Reinigung unterzogen wurden, bei der alle Ölrückstände entfernt werden. Leichte Fälle von Fressen können sich als kleine Kratzer oder Kerben zeigen, während schwerere Fälle dazu führen können, dass Komponenten zusammenkleben oder das Gewinde eines Fittingkörpers ausreißen.

Es ist entscheidend, dass bei diesen Anwendungen Klemmringe verwendet werden, die so konstruiert sind, dass sie dem Fressen widerstehen. Es kann auch hilfreich sein, ein flüchtiges Schmiermittel wie Isopropylalkohol zu verwenden, um die Passflächen vorübergehend zu schmieren, während die Überwurfmutter angezogen wird. Der Alkohol schmiert die Edelstahloberflächen während der Montage und verdunstet dann vollständig, so dass keine Rückstände oder Verunreinigungen zurückbleiben.

Fazit

Klemmringverschraubungen sind in vielen Industriezweigen weit verbreitet und können in fast jeder Fluidtechnik-Konstruktion von Vorteil sein. Zu ihren vielen Vorteilen gehören die Möglichkeit, metallische und harte Kunststoffrohre anzuschließen, hohe Druck- und Temperaturwerte, Korrosionsbeständigkeit und einfache Verbindung. Obwohl es auch viele Herausforderungen gibt, die mit Klemmringverschraubungen verbunden sind, gibt es „Tricks des Handels“, die helfen können, eine erfolgreiche Konstruktion zu gewährleisten. Keine zwei Anwendungen sind genau gleich! Um mehr über Klemmringverschraubungen zu erfahren oder um festzustellen, ob Klemmringverschraubungen die richtige Wahl für Ihre Konstruktion sind, wenden Sie sich an einen Beswick Anwendungstechniker.