Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur dichtenden Verbindung zweier Rohrelemente, bei der eine Stirnfläche eines ersten Rohrelementes dichtend mit einer Stirnfläche eines zweiten Rohr- elementes verbunden ist.

Gattungsgemäße Rohrverbindungen sind aus dem Stand der Technik für unterschiedliche Ein- satzzwecke bekannt. Ein Problem im Hinblick auf die dauerhafte Dichtigkeit stellt sich häufig bei Rohrverbindungen, bei denen die zu verbindenden Rohrelemente aus unterschiedlichen Materi- alien gefertigt sind, insbesondere wenn sich die Rohrelemente hinsichtlich ihrer Wärmeausdeh- nungskoeffizienten unterscheiden. Werden derartige Rohrelemente einer thermischen Belas- tung oder thermischen Wechselbelastung unterzogen, erfahren die Rohrelemente aufgrund ih- rer Materialeigenschaften unterschiedliche Längenausdehnungen, was zu einer Undichtigkeit an der Rohrverbindung oder zu Schäden an den Rohrelementen, z.B. Rissen, führen kann.

Der Einsatz von Rohrelementen aus unterschiedlichen Materialien ist jedoch in einigen Anwen- dungen erwünscht oder erforderlich, beispielsweise in der Kraftwerkstechnik oder der chemi- schen Verfahrenstechnik. So hat es sich zum Beispiel bei Hochtemperaturprozessen bewährt, Rohrelemente aus keramischen Werkstoffen zu verwenden, da sie Vorteile gegenüber metalli- schen Werkstoffen aufweisen. Der Einsatz von Keramikrohren erfordert allerdings meist, dass eine Verbindung zwischen einem Rohrelement aus Metall und einem Rohrelement aus Keramik hergestellt werden muss - mit der oben geschilderten Problematik hinsichtlich der dauerhaften Dichtwirkung und der mechanischen Integrität der Verbindung.

Aus dem Stand der Technik sind Rohrverbindungen bekannt, die das Problem der unterschied- lichen Ausdehnung bei Wärmebelastung aufgreifen. So offenbart die Patentanmeldung US 2012/0003128 A1 eine Vorrichtung zur Verbindung eines Keramikrohres mit einem Metallrohr, bei der auf das Keramikrohr ein erster, innerer Schrumpfring aufgeschrumpft ist, der mit dem Metallrohr verbunden ist. Auf den ersten Schrumpfring ist ein zweiter, äußerer Schrumpfring montiert, der aus einem Material mit einem geringeren Schrumpfungskoeffizienten als der erste Schrumpfring gefertigt ist. Bei einer thermischen Belastung durch Erhitzen der Rohrverbindung wird die Ausdehnung des ersten Schrumpfringes durch den zweiten Schrumpfring begrenzt.

Auch wenn diese Art der Verbindungstechnik für einen bestimmten Temperaturbereich und be- stimmte Materialkombinationen geeignet ist, weist sie doch einige Nachteile auf. Zum einen kann es bei einer starken thermischen Belastung dazu kommen, dass sich der innere

Schrumpfring trotz äußerer Begrenzung so weit ausdehnt, dass ein Ringspalt zwischen Kera- mikrohr und innerem Schrumpfring entsteht, wodurch die Verbindung undicht wird. Zum ande- ren ist es zur Montage des inneren Schrumpfringes auf das Keramikrohr erforderlich, den Schrumpfring stark zu erhitzen. Wird dann der heiße Schrumpfring auf das kühle Keramikrohr aufgebracht, kann dies zu einem thermischen Schock des Keramikmaterials und somit zu des- sen Beschädigung oder Zerstörung führen.

Einen ähnlichen Ansatz zur Verbindung eines Keramikrohres mit einem Metallrohr offenbart das Dokument EP 1 795 794 A1. Über die Verbindungsstelle der beiden Rohre wird ein Schlauch aus einem elastomeren Material geschoben, der seinerseits vollumfänglich von einer Bandfeder umschlossen ist, die Druck nach innen auf das Elastomer ausübt. Auch bei dieser Art der Ver- bindungstechnik kann eine hinreichend große thermische Belastung, insbesondere eine starke thermische Wechselbelastung dazu führen, dass sich Undichtigkeiten einstellen, z.B. aufgrund einer plastischen Verformung des elastomeren Materials. Zudem ist der Einsatzbereich dieser Rohrverbindung auf einen relativ niedrigen Temperaturbereich beschränkt, da das elastomere Material bei hohen Temperaturen Schaden nimmt oder zerstört wird.

Es stellte sich die Aufgabe, gattungsgemäße Rohrverbindungen derart weiterzubilden, dass sie einerseits einfach herzustellen sind, und andererseits für ein breites Spektrum an thermischer Belastung einsetzbar sind, ohne dass es zu spontanen oder dauerhaften Undichtigkeiten kommt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1. Vorteil- hafte Ausgestaltungen der Vorrichtung sind in den Ansprüchen 2 bis 16 angegeben.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur dichtenden Verbindung zweier Rohrelemente ist eine Stirnfläche eines ersten Rohrelementes dichtend mit einer Stirnfläche eines zweiten Rohr- elementes verbunden. Jedes Rohrelement weist einen Kragen in radialer Richtung nach außen auf. Ein Verbindungselement überdeckt in axialer Richtung beide Kragen und bewirkt durch mit- telbaren oder unmittelbaren Eingriff an den beiden Kragen eine axiale Verspannung der Rohr- elemente. Mindestens ein erstes Ausgleichselement ist in axialer Richtung zwischen dem Kra- gen des ersten Rohrelementes und dem Verbindungselement angeordnet. Der Längenausdeh- nungskoeffizient des Verbindungselementes liegt zwischen den Längenausdehnungskoeffizien- ten mindestens eines Kragens und des Ausgleichselementes.

Der Längenausdehnungskoeffizient a ist dabei in üblicher Weise als Proportionalitätskonstante zwischen der relativen Längenänderung eines Festkörpers und der Temperaturänderung, die die Längenänderung bewirkt, definiert. Er wird auch als„linearer Ausdehnungskoeffizient“ be- zeichnet.

Als„Rohrelement“ wird erfindungsgemäß ein hohles Bauteil bezeichnet, durch das ein fluides Medium geleitet werden kann. Dabei kann es sich beispielsweise um ein Endstück eines gera- den oder gebogenen Rohres handeln. Weitere Beispiele sind rohrförmige Abschnitte anderer Bauteile, z.B. eines Flansches, Ventils oder Rohrbodens eines Reaktors oder Wärmetauschers. Der Kragen ist fest mit dem jeweils zugehörigen Rohrelement verbunden, wobei unter einer „festen Verbindung“ in diesem Zusammenhang verstanden wird, dass keine Relativbewegung zwischen Kragen und Rohrelement möglich ist. In einer erfindungsgemäßen Ausführungsform ist der Kragen als separates Bauteil gefertigt, beispielsweise als Ring, und mit dem Rohrele- ment fest verbunden, beispielsweise durch Verschweißen, Verlöten, Verkleben oder Auf- schrumpfen. In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform ist der Kragen integraler Bestandteil des Rohrelementes. Bevorzugt bildet der Kragen das stirnseitige Ende des Rohrele- mentes.

Das Verbindungselement überdeckt beide Kragen in axialer Richtung und ist derart gestaltet, dass es durch mittelbaren oder unmittelbaren Eingriff an den beiden Kragen eine axiale Ver- spannung der Rohrelemente bewirkt, sodass die Stirnflächen von erstem Rohrelement und zweitem Rohrelement gegeneinandergedrückt werden. Im Gegensatz zum Stand der Technik wird erfindungsgemäß die dichtende Verbindung zwischen den beiden Rohrelementen durch eine Verspannung in axialer Richtung hergestellt. Das hat den Vorteil, dass die Rohrelemente auf axialen Druck belastet werden, was insbesondere für keramische Werkstoffe günstig ist.

„Unmittelbarer Eingriff“ ist dahingehend zu verstehen, dass das Verbindungselement unmittel- bar mit dem Kragen zusammenwirkt, beispielsweise direkt an dem Kragen anliegt. Bei einem „mittelbaren Eingriff“ hingegen wirkt das Verbindungselement über mindestens ein weiteres Bauteil auf den Kragen ein. Um einen mittelbaren Eingriff handelt es sich demgemäß auf Seiten des ersten Rohrelementes, bei dem in axialer Richtung zwischen dem Kragen und dem Verbin- dungselement mindestens ein erstes Ausgleichselement angeordnet ist. Der Längenausdeh- nungskoeffizient des Verbindungselementes liegt zwischen den Längenausdehnungskoeffizien- ten mindestens eines Kragens und des Ausgleichselementes.

In einer bevorzugten Ausgestaltung umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung weiterhin ein zweites Ausgleichselement, das in axialer Richtung zwischen dem Kragen des zweiten Rohrele- mentes und dem Verbindungselement angeordnet ist. Bei dieser Ausgestaltung handelt es sich auch auf Seiten des zweiten Rohrelementes um einen mittelbaren Eingriff des Verbindungsele- mentes an dem Kragen. Der Längenausdehnungskoeffizient des Verbindungselementes liegt bei dieser Ausgestaltung zwischen den Längenausdehnungskoeffizienten mindestens eines Kragens und der Ausgleichselemente.

Das erste Ausgleichselement bzw. die mehreren Ausgleichselemente sind mit den jeweiligen Rohrelementen nicht fest verbunden, sodass sich Rohrelemente und Ausgleichselemente bei einer thermischen Beanspruchung unabhängig voneinander ausdehnen können.

Durch die erfindungsgemäße Wahl der Längenausdehnungskoeffizienten wird gewährleistet, dass bei einer thermischen Belastung der Rohrverbindung die axiale Längenausdehnung des Verbindungselementes einerseits und die Summe der axialen Längenausdehnungen von Kra- gen und Ausgleichselementen andererseits im Wesentlichen gleich groß sind, sodass die Stirn- flächen der beiden Rohrelemente aneinandergepresst bleiben und somit die Dichtwirkung ge- währleistet bleibt. Gegenüber dem Stand der Technik wird einer Undichtigkeit oder einer Be- schädigung der Rohrverbindung bei thermischer Belastung, insbesondere bei einer thermischen Wechselbelastung, wirksam vorgebeugt.

Längenausdehnungskoeffizienten sind materialspezifische Kenngrößen. Durch eine geeignete Wahl der Materialien für das Verbindungselement und die Ausgleichselemente bei gegebenen Materialwerten der Rohrelemente bzw. ihrer Kragen lässt sich das erfindungsgemäße Verhält- nis der Längenausdehnungskoeffizienten zueinander je nach Bedarf einstellen. Dazu können auch mehrere Ausgleichselemente mit unterschiedlichen Längenausdehnungskoeffizienten auf Seiten des ersten Rohrelementes und/oder auf Seiten des zweiten Rohrelementes angeordnet werden.

In einer weiterhin bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung werden die axialen Ausdehnungen des Kragens des ersten Rohrelementes LKI , des Kragens des zweiten Rohrelementes L _K 2, des ersten Ausgleichselementes L _AI und gegebenenfalls des zweiten Aus- gleichselementes LA2 SO gewählt sind, dass die Bedingung

- x 1 0 ^"6 K ¹ < ( (an - aki) LKI + (an - ak2) LK2 + (av - OA-I) LAI + (av - ÜA2) LA2 )

/ ( LKI + LK2 + LAI + LA2 ) < x 10 ⁶ K ¹ erfüllt ist, wobei a die Längenausdehnungskoeffizienten des Verbindungselementes (av), der Kragen (aki, ak2) und der Ausgleichselemente (O _AI , Ü _A 2) bezeichnet, und wobei x = 2, besonders bevorzugt x = 1 , insbesondere x = 0,5 ist.

Erfindungsgemäß überdeckt das Verbindungselement in axialer Richtung beide Kragen. Bei Ausführungsformen, bei denen der Kragen nicht das stirnseitige Ende des Rohrelementes bil det, überdeckt das Verbindungselement zudem den endseitigen Teil des Rohrelementes zwi- schen dem Kragen und der Stirnfläche. In einem solchen Fall ist unter den axialen Ausdehnun- gen der Kragen (LKI , LK2) die axiale Ausdehnung des eigentlichen Kragens zuzüglich der axia- len Ausdehnung des endseitigen Teils des Rohrelementes zu verstehen.

Bei Ausführungsformen, bei denen mehr als zwei Ausgleichselemente verwendet werden, wird die obige bevorzugte Auslegungsformel um jeweils einen Term pro weiterem Ausgleichsele- ment ergänzt. Bei drei Ausgleichselementen lautet die Beziehung:

- x 10- ⁶ K- ¹ <

( (av - OKI) ' LKI + (av (av - OAI) LAI + (av - OA2) LA2 + (av - OA3) ' LA3 )

LK2 + LAI + LA2 + LA3)

< x 10- ⁶ K- ¹ wobei l_ _A3 die axiale Ausdehnung des dritten Ausgleichselementes und 0 _A 3 seinen Längenaus- dehnungskoeffizienten bezeichnen.

Die Festlegung der axialen Ausdehnungen (Ui, ü<2, LAI , L _A 2, etc.) erfolgt vorzugsweise bei Um- gebungstemperatur, insbesondere bei 20°C.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist das erste Ausgleichselement als Ring gestaltet, der über das erste Rohrelement geschoben ist, bis er in axialer Richtung an dem Kragen anliegt. In einer alternativen bevorzugten Ausführungsform ist das erste Ausgleichselement nicht als ge- schlossener Ring, sondern mehrteilig gestaltet, besonders bevorzugt in Form von mindestens zwei Teilelementen, insbesondere Teilschalen. Diese mehrteilige Variante ist insbesondere dann von Vorteil, wenn ein Aufschieben eines Ringes nicht möglich ist, beispielsweise aufgrund von Biegungen oder anderen geometrischen Begrenzungen des ersten Rohrelementes.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das erste Ausgleichselement als Ringseg- ment gestaltet, das über das erste Rohrelement geschoben ist, bis es in axialer Richtung an dem Kragen anliegt. Die Ausgestaltung als Ringsegment ist - ähnlich der mehrteiligen Variante - insbesondere dann von Vorteil, wenn ein Aufschieben eines geschlossenen Ringes aufgrund von geometrischen Begrenzungen des ersten Rohrelementes nicht möglich ist, beispielsweise bei radial vom Rohrelement nach außen sich erstreckenden Befestigungsmitteln, Stutzen oder ähnlichem.

Das erste Ausgleichselement umfasst vorzugsweise mindestens 10%, bevorzugt mindestens 30%, besonders bevorzugt mindestens 50%, insbesondere mindestens 80% des Rohrumfan- ges. Bei einer mehrteiligen Ausgestaltung des ersten Ausgleichselementes gelten die Werte für die Summe der Teile.

Bei Ausgestaltungen der Erfindung mit mehr als einem Ausgleichselement gelten die obigen be- vorzugten Ausführungen hinsichtlich der Gestaltung der Ausgleichselemente sinngemäß auch für das zweite und alle weiteren Ausgleichselemente.

Die Kragen und das Verbindungselement sowie das erste Ausgleichselement bzw. die mehre- ren Ausgleichselemente und das Verbindungselement können sich in radialer Richtung berüh- ren oder einen Abstand voneinander aufweisen. Bevorzugt weisen sie einen Abstand voneinan- der auf. Diese Ausgestaltung begünstigt die Möglichkeit, dass sich Kragen, Ausgleichselemente und Verbindungselement in radialer Richtung ausdehnen können, sodass unerwünschte Zug- oder Biegespannungen vermieden werden. Als einzige relevante und gewünschte Kraft wirkt eine Druckspannung auf die Kragen aufgrund der axialen Verspannung.

In einer Variante der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist das Verbindungselement mit dem zweiten Rohrelement ortsfest verbunden. Vorzugsweise ist das Verbindungselement mit dem Kragen des zweiten Rohrelementes ortsfest verbunden. Unter einer ortsfesten Verbindung wird dabei verstanden, dass zwischen dem Verbindungselement und dem zweiten Rohrelement bzw. dessen Kragen in axialer Richtung keine Relativbewegung stattfindet. Eine rotatorische Relativbewegung ist grundsätzlich möglich, bevorzugt ist die Verbindung jedoch auch in Rotati- ons- bzw. Umfangsrichtung ortsfest. Die feste Verbindung zwischen dem Verbindungselement und dem zweiten Rohrelement bzw. mit dessen Kragen kann auf unterschiedliche Weise gestal- tet sein, beispielsweise durch Kraftschluss, Formschluss, Stoffschluss oder Kombinationen dar- aus. Bevorzugte Arten der Verbindung umfassen Verschrauben, Verkleben, Verlöten oder Ver- schweißen. Bei dieser Variante der Vorrichtung ist auf Seiten des zweiten Rohrelementes kein Ausgleichselement vorgesehen. Bei dieser Variante der erfindungsgemäßen Vorrichtung erfül len die Längenausdehnungskoeffizienten des Kragens des ersten Rohrelementes aki, des ers- ten Ausgleichselementes OAI und des Verbindungselementes av die Bedingung OAI < an < aki oder O _AI > an > aki. Auch bei dieser Variante können auf Seiten des ersten Rohrelementes mehrere gleiche oder unterschiedliche Ausgleichselemente vorhanden sein. In diesem Fall ist die obige Bedingung folgendermaßen zu ergänzen: (OAI , ÜA2, ...) < an < aki oder (OAI , 0A2, ...)

> Ov > OK1

In einer bevorzugten Ausgestaltung der obigen Variante sind die axialen Ausdehnungen des Kragens des ersten Rohrelementes L _KI und des ersten Ausgleichselementes L _AI SO gewählt, dass die Bedingung

- x 10 ⁶ K ¹ < ( (an - aki) LKI + (av - QAI) LAI ) / ( LKI + LAI ) < x 10 ⁶ K ^_1 erfüllt ist, wobei x = 2, bevorzugt x = 1 , besonders bevorzugt x = 0,5 ist. Beim Vorhandensein mehrerer Ausgleichselemente ist die Bedingung analog der obigen Ausführungen durch weitere Terme zu ergänzen.

Das Verbindungselement kann auf unterschiedliche Arten gestaltet sein, solange es in der Lage ist, eine axiale Verspannung zwischen den beiden Rohrelemente zu bewirken.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist das Verbindungs- element mehrteilig aufgebaut und umfasst mindestens ein Anpresselement, das in axialer Rich- tung an dem ersten Ausgleichselement anliegt.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Anpresselement als Ring gestaltet, der über das erste Rohrelement geschoben ist, bis er in axialer Richtung an dem ersten Ausgleichselement anliegt. In einer alternativen bevorzugten Ausführungsform ist das Anpresselement mehrteilig gestaltet, besonders bevorzugt in Form von mindestens zwei Teilelementen, insbesondere Teil- schalen. Diese mehrteilige Variante ist insbesondere dann von Vorteil, wenn ein Aufschieben eines Ringes nicht möglich ist, beispielsweise aufgrund von Biegungen oder anderen geometri- schen Begrenzungen des ersten Rohrelementes.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das zweite Anpresselement als Ringseg- ment gestaltet, das über das erste Rohrelement geschoben ist, bis es in axialer Richtung an dem ersten Ausgleichselement anliegt. Die Ausgestaltung als Ringsegment ist - ähnlich der mehrteiligen Variante - insbesondere dann von Vorteil, wenn ein Aufschieben eines geschlos- senen Ringes aufgrund von geometrischen Begrenzungen des ersten Rohrelementes nicht möglich ist, beispielsweise bei radial vom Rohrelement sich erstreckenden Befestigungsmitteln, Stutzen oder ähnlichem.

Das Anpresselement umfasst vorzugsweise mindestens 10%, bevorzugt mindestens 30%, be- sonders bevorzugt mindestens 50%, insbesondere mindestens 80% des Rohrumfanges. Bei ei- ner mehrteiligen Ausgestaltung des Anpresselementes gelten die Werte für die Summe der Teile.

Bei dem mehrteiligen Verbindungselement ist der Anteil des Verbindungselementes, der die Kragen überdeckt, mit dem Anpresselement ortsfest verbunden. Unter einer ortsfesten Verbin- dung wird in diesem Zusammenhang verstanden, dass zwischen dem Verbindungselement und dem Anpresselement in axialer Richtung keine Relativbewegung stattfindet. Eine rotatorische Relativbewegung ist grundsätzlich möglich, bevorzugt ist die Verbindung jedoch auch in Rotati- ons- bzw. Umfangsrichtung ortsfest. Die feste Verbindung zwischen dem Verbindungselement und dem Anpresselement kann auf unterschiedliche Weise gestaltet sein, beispielsweise durch Kraftschluss, Formschluss, Stoffschluss oder Kombinationen daraus. Bevorzugte Arten der Ver- bindung umfassen Verschrauben, Verkleben, Verlöten oder Verschweißen.

Wie die Ausgleichselemente und das Anpresselement kann das Verbindungselement als ein Bauteil, insbesondere als Ring oder Hülse, gestaltet sein, oder als mehrteiliges Bauteil, insbe- sondere in Form von mindestens zwei Teilelementen, insbesondere Teilschalen.

In einer bevorzugten Ausgestaltung des mehrteiligen Verbindungselementes sind das Anpress- element als Hülse mit einem Außengewinde und das Verbindungselement als Hülse mit einem Innengewinde gestaltet. Das Anpresselement kann dabei einteilig oder mehrteilig ausgebildet sein. Bei einer mehrteiligen Gestaltung handelt es sich bevorzugt um mindestens zwei Teilele- mente, insbesondere Teilschalen, die jeweils ein Außengewinde aufweisen. Diese Ausgestal- tung ist insbesondere dann von Vorteil, wenn die Verbindung zwischen den beiden Rohrele- menten mit wenig Aufwand lösbar gestaltet sein soll.

In einer alternativen vorteilhaften erfindungsgemäßen Ausgestaltung bilden das Anpressele- ment und das Verbindungselement ein integrales Bauteil. Unter einem integralen Bauteil ist zu verstehen, dass Anpresselement und Verbindungselement einstückig ausgebildet sind, also nicht als separate Bauteile, die nachträglich zusammengefügt sind.„Integral“ bedeutet jedoch nicht, dass das kombinierte Verbindungs- und Anpresselement einteilig sein muss. In einer be- vorzugten Ausführungsform ist das kombinierte Verbindungs- und Anpresselement als Hülse gestaltet, die an ihren beiden Enden unterschiedliche Innendurchmesser aufweist, wobei der Übergang zwischen den beiden Durchmessern, insbesondere eine Kante, dazu vorgesehen ist, im montierten Zustand am ersten Ausgleichselement anzuliegen. In einer alternativen bevor- zugten Ausführungsform ist das kombinierte Verbindungs- und Anpresselement mehrteilig aus- geführt, vorzugsweise in Form von mindestens zwei Teilelementen, insbesondere Teilschalen. Auch bei dieser Ausführungsform ist in axialer Richtung ein Übergang, insbesondere eine Kante, vorhanden, die dazu vorgesehen ist, im montierten Zustand am ersten Ausgleichsele- ment anzuliegen.

In einer vorteilhaften Ausführungsform sind das Verbindungselement und/oder das erste Aus- gleichselement und/oder gegebenenfalls das zweite Ausgleichselement in Umfangsrichtung der Rohrelemente mehrteilig aufgebaut.„Mehrteilig“ ist in diesem Zusammenhang so zu verstehen, dass das betreffende Bauteil in Umfangsrichtung mindestens zwei Teilelemente umfasst.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist das Verbindungselement in axialer Richtung mehrteilig aufgebaut.„Mehrteilig“ ist in diesem Zusammenhang so zu verstehen, dass das Ver- bindungselement in axialer Richtung mindestens zwei Teilelemente umfasst.

Die Dichtwirkung zwischen den Stirnflächen der beiden Rohrelemente kann auf unterschiedli- che Art hergestellt sein. In einer ersten erfindungsgemäßen Ausgestaltung sind die Stirnflächen des ersten Rohrelementes und des zweiten Rohrelementes stoffschlüssig und/oder formschlüs- sig miteinander verbunden. In diesem Zusammenhang bedeutet„Formschluss“, dass die bei- den Stirnflächen so aufeinander abgestimmt sind, dass sich nach der Verspannung mittels des Verbindungselementes eine Dichtwirkung ergibt. In einer vorteilhaften Ausgestaltung sind die Stirnflächen der beiden Rohrelemente plan. Bei einer bevorzugten Ausführungsform einer stoff- schlüssigen Verbindung wird ein Hochtemperaturkitt als Klebstoff eingesetzt.

In einer zweiten erfindungsgemäßen Ausgestaltung sind die Stirnflächen des ersten Rohrele- mentes und des zweiten Rohrelementes über ein Dichtelement verbunden. Als Dichtelemente können alle Bauformen und Materialien eingesetzt werden, die den jeweiligen Anforderungen genügen, z.B. bezüglich Druck, Temperatur oder der in den Rohren zu transportierenden Flu- ide. Bevorzugt ist das Dichtelement als Flachdichtung, Metalldichtung, Stopfbuchse oder Laby- rinthdichtung ausgeführt. Eine Flachdichtung ist vorzugsweise aus Glimmer oder Graphit herge- stellt. Bei einer Metalldichtung handelt es sich vorzugsweise um eine Linsendichtung oder einen gasgefüllten O-Ring. Bei einer Stopfbuchse handelt es sich vorzugsweise um eine Packung aus keramischen Fasern, z.B. Glas, Aluminiumoxid oder Kohlenstoff.

Bei einer Ausführungsform, die ein Dichtelement zwischen dem ersten und dem zweiten Rohr- element aufweist, ist vorzugsweise in der Stirnfläche des ersten Rohrelementes eine umlau- fende Vertiefung zur Aufnahme des Dichtelementes vorhanden. In einer weiterhin bevorzugten Ausgestaltung ist in der Stirnfläche des zweiten Rohrelementes eine umlaufende Vertiefung zur Aufnahme des Dichtelementes vorhanden. Vertiefungen zur Aufnahme des Dichtelementes können auch sowohl in der Stirnfläche des ersten Rohrelementes als auch in der Stirnfläche des zweiten Rohrelementes vorhanden sein. In einer bevorzugten Ausgestaltung mit Dichtelement bildet der Kragen des ersten und/oder des zweiten Rohrelementes das jeweilige stirnseitige Ende, und in der Stirnfläche mindestens eines Kragens ist eine umlaufende Vertiefung zur Aufnahme des Dichtelementes vorhanden.

Bei Ausführungsformen mit einem Dichtelement ist es bevorzugt, dass in den oben angegebe- nen Bedingungen der axialen Ausdehnungen das Dichtelement berücksichtigt wird. Vorzugs- weise werden demnach die axialen Ausdehnungen des Kragens des ersten Rohrelementes L _K-I , des Kragens des zweiten Rohrelementes l_ _K 2, des ersten Ausgleichselementes L _AI und gegebe- nenfalls des zweiten Ausgleichselementes l_ _A 2 sowie des Dichtelementes I_ _D SO gewählt, dass die Bedingung erfüllt ist, wobei a die Längenausdehnungskoeffizienten des Verbindungselementes (av), der Kragen (aki, ak2), der Ausgleichselemente (OAI , ÜA2) und des Dichtelementes (OD) bezeichnet, und wobei x = 2, besonders bevorzugt x = 1 , insbesondere x = 0,5 ist. In analoger Weise ist die obenstehende Bedingung für Ausführungsformen mit ortsfester Verbindung zwischen Verbin- dungselement und zweitem Rohrelement anzupassen. Als axiale Ausdehnung des Dichtele- mentes L _D ist dabei nur der Anteil zu berücksichtigen, der sich zwischen den Stirnflächen er- streckt. Bei einer Ausführungsform, bei der das Dichtelement komplett in einer Nut eingebettet ist, ist L _D gleich null.

Sämtliche Bauteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit Ausnahme eines gegebenenfalls vorhandenen Dichtelementes - also erstes und zweites Rohrelement, deren Kragen, erstes und gegebenenfalls weitere Ausgleichselemente sowie das Verbindungselement - können aus un- terschiedlichen Materialien gefertigt sein, beispielsweise aus metallischen, keramischen oder Verbundfaser-Werkstoffen. Besonders vorteilhaft wirkt sich die erfindungsgemäße Vorrichtung aus, wenn sich die Längenausdehnungskoeffizienten von erstem und zweitem Rohrelement stark unterscheiden.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung stehen die Längenaus- dehnungskoeffizienten des ersten Rohrelementes am und des zweiten Rohrelementes a _R 2 im Verhältnis 0,2 < am / a _R 2 < 5 zueinander.

In einer erfindungsgemäßen Ausführungsform sind das erste Rohrelement und sein Kragen oder das zweite Rohrelement und sein Kragen aus einem metallischen Werkstoff gefertigt. Be- vorzugt ist der metallische Werkstoff ausgewählt aus der Gruppe umfassend hochtemperatur- feste Edelstähle, Nickel-Basis-Legierungen oder refraktäre Metalle und Legierungen. Beispiele sind Werkstoffe mit der generischen Werkstoffnummer w.4xyz, wobei w e {1 , 2}, x e {3, 4, 5, 8, 9}, y e {0, 1 , 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9} und z e {0, 1 , 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9}.

In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform sind das erste Rohrelement und sein Kragen oder das zweite Rohrelement und sein Kragen aus einem keramischen Werkstoff gefer- tigt. Bevorzugt ist der keramische Werkstoff ausgewählt aus der Gruppe umfassend Quarzglas (Si02), Siliciumcarbid (SiC), Siliciumnitrid (S13N4), Aluminiumnitrid (AIN), Korund (AI2O3), Zirco- nia (Zr0 ₂ ), Magnesia (MgO), Yttria (Y2O3), Beryllia (BeO), Graphit (C), Mullit, Cordierit, Stein- zeug, Porzellan oder Faserverbundwerkstoffe auf Basis dieser Komponenten.

In Abhängigkeit von den konkreten Anforderungen sind das Verbindungselement bzw. seine Bestandteile und das erste Ausgleichselement und gegebenenfalls weitere Ausgleichselemente aus einem metallischen und/oder keramischen Werkstoff gefertigt. Bevorzugt ist der metallische Werkstoff ausgewählt aus der Gruppe umfassend hochtemperaturfeste Edelstähle, Nickel-Ba- sis-Legierungen oder refraktäre Metalle und Legierungen. Beispiele sind Werkstoffe mit der ge- nerischen Werkstoffnummer w.4xyz, wobei w e {1 , 2}, x e {3, 4, 5, 8, 9}, y e {0, 1 , 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9} und z e {0, 1 , 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9}. Der keramische Werkstoff ist bevorzugt ausgewählt aus der Gruppe umfassend Quarzglas (Si0 ₂ ), Siliciumcarbid (SiC), Siliciumnitrid (S13N4), Aluminium- nitrid (AIN), Korund (AI2O3), Zirconia (Zr02), Magnesia (MgO), Yttria (Y2O3), Beryllia (BeO), Gra- phit (C), Mullit, Cordierit, Steinzeug, Porzellan oder Faserverbundwerkstoffe auf Basis dieser Komponenten.

In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist das zweite Rohrelement aus einem keramischen Werkstoff gefertigt. Sein verbindungsseitiges Ende ist zumindest teilweise mit einer über den Umfang umlaufenden Stützschicht versehen, die vor- zugsweise aus einem oxidkeramischen Faserverbundwerkstoff hergestellt ist. Der Kragen des zweiten Rohrelementes ist als separates Bauteil, insbesondere als Hülse, ebenfalls aus einem keramischen Werkstoff gefertigt. Der Kragen umgibt die Stützschicht des Rohrelementes und ist mit dieser fest verbunden. Das Verbindungselement ist mit der Außenseite des Kragens ver- bunden. Das Verbindungselement ist vorzugsweise ebenfalls aus einem keramischen Material gefertigt. Besonders bevorzugt ist auch die äußere Mantelfläche des Verbindungselementes mit einer Stützschicht versehen, die insbesondere aus einem oxidkeramischen Faserverbundwerk- stoff hergestellt ist.

Gegenüber dem Stand der Technik weist die erfindungsgemäße Vorrichtung den Vorteil auf, dass aufgrund der hinsichtlich der Längenausdehnung ausgleichenden Wirkung der Materialien von Kragen, Ausgleichselement(en) und Verbindungselement es auch bei einer hohen thermi- schen Belastung der Rohrverbindung weder zu spontanen noch zu dauerhaften Undichtigkeiten kommt. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist über einen großen Temperaturbereich individuell auf die jeweiligen Erfordernisse anpassbar und ist konstruktiv einfach herzustellen. Die Erfindung wird im Folgenden mit Verweis auf die Zeichnungen näher erläutert. Die Zeich- nungen sind als Prinzipdarstellungen zu verstehen. Sie stellen keine Beschränkung der Erfin- dung dar, beispielsweise im Hinblick auf konkrete Abmessungen oder Ausgestaltungsvarianten. Es zeigen:

Fig. 1 : Längsschnitt durch eine erste erfindungsgemäße Ausführungsform

Fig. 2: Ausführungsform gemäß Fig. 1 mit Bezeichnung der axialen Ausdehnungen

Fig. 3: Längsschnitt durch eine zweite erfindungsgemäße Ausführungsform mit zwei Aus- gleichselementen

Fig. 4: Längsschnitt durch eine dritte erfindungsgemäße Ausführungsform

Fig. 5: Längsschnitt durch eine vierte erfindungsgemäße Ausführungsform

Fig. 6: Längsschnitt durch eine fünfte erfindungsgemäße Ausführungsform

Fig. 7: Grafik zu Beispiel 2: Werte des Anpressdrucks auf die Dichtung in Abhängigkeit der

Temperatur

Liste der verwendeten Bezugszeichen

10 ... Erstes Rohrelement

12 ... Kragen des ersten Rohrelementes

14 ... Erstes Ausgleichselement

20 ... Zweites Rohrelement

22 ... Kragen des zweiten Rohrelementes

24 ... Zweites Ausgleichselement

30 ... Verbindungselement

32 ... Anpresselement

40 ... Dichtelement

Fig. 1 zeigt schematisch einen Längsschnitt durch eine erste bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Die Vorrichtung ist rotationssymmetrisch aufgebaut, die gestri- chelte Linie in der Mitte der Fig. 1 bezeichnet die Symmetrieachse. Ein erstes Rohrelement 10 weist an seiner Stirnseite einen Kragen 12 auf, der sich in radialer Richtung nach außen er- streckt. Ein zweites Rohrelement 20 weist ebenfalls an seiner Stirnseite einen Kragen 22 auf, der sich in radialer Richtung nach außen erstreckt. Bei der in Fig. 1 dargestellten exemplari- schen Ausführungsform bilden die Kragen das jeweilige stirnseitige Ende der Rohrelemente.

Die beiden Stirnflächen sind über ein Dichtelement 40 dichtend miteinander verbunden.

Ein mehrteilig aufgebautes Verbindungselement 30 umfasst eine Hülse, die an beiden Enden jeweils ein Anpresselement 32 aufweist, die fest mit der Hülse verbunden sind. Das in Fig. 1 rechts dargestellte Anpresselement 32 liegt in axialer Richtung an dem Kragen 22 des zweiten Rohrelementes an und steht somit in unmittelbarem Eingriff an dem Kragen 22. Auf Seiten des ersten Rohrelementes 10 ist in axialer Richtung zwischen dem Kragen 12 und dem Anpressele- ment 32 ein erstes Ausgleichselement 14 angeordnet, sodass das Verbindungselement 30 auf Seiten des ersten Rohrelementes in mittelbarem Eingriff an dem Kragen 12 steht. Das Verbin- dungselement 30 überdeckt in axialer Richtung beide Kragen und ist so gestaltet, dass es durch den Eingriff an den Kragen eine axiale Verspannung der beiden Rohrelemente bewirkt. Bei- spielsweise kann die Verspannung durch eine kraft-, form- und/oder stoffschlüssige Verbindung zwischen den Anpresselementen 32 und der Hülse realisiert sein, z.B. durch gegenläufige Ge- winde oder durch Zusammenpressen der Rohrelemente und anschließendes Verschrauben, Vernieten oder Verkleben der Anpresselemente 32 mit der Hülse.

Der Längenausdehnungskoeffizient des Verbindungselementes 30 liegt zwischen den Längen- ausdehnungskoeffizienten mindestens eines Kragens 12, 22 und des Ausgleichselementes 14.

Fig. 2 zeigt die Ausführungsform gemäß Fig. 1 ergänzt um die Bezeichnung der axialen Aus- dehnungen für die Kragen LKI und LK2, das Ausgleichselement LAI , sowie das Dichtelement LD.

Fig. 3 zeigt schematisch einen Längsschnitt durch eine zweite bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Der Unterschied zu der in Fig. 1 dargestellten Ausführungs- form besteht darin, dass auf Seiten des zweiten Rohrelementes 20 in axialer Richtung zwischen dem Kragen 22 und dem Anpresselement 32 des Verbindungselementes ein zweites Ausgleich- selement 24 vorhanden ist.

In Fig. 4 ist schematisch ein Längsschnitt durch eine dritte bevorzugte Ausführungsform der er- findungsgemäßen Vorrichtung dargestellt. Der Unterschied zu der in Fig. 1 dargestellten Aus- führungsform besteht darin, dass in der Stirnfläche des Kragens 22 des zweiten Rohrelementes eine umlaufende Vertiefung vorhanden ist, in der das Dichtelement 40 aufgenommen ist.

Fig. 5 zeigt schematisch einen Längsschnitt durch eine vierte bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung. In Abwandlung zu der in Fig. 4 dargestellten Ausführungsform ist das Verbindungselement 30 in diesem Beispiel als integrales Bauteil gestaltet, bei dem der axiale Anteil des Verbindungselementes mit dem als Anpresselement fungierenden Anteil ein- stückig ausgebildet ist. In axialer Richtung ist das Verbindungselement 30 mehrteilig aufgebaut und umfasst zwei Hülsen, die kraft-, form- und/oder stoffschlüssig miteinander verbunden sind, beispielsweise als Bajonettverschluss, Verschraubung, Verklebung, Schweißverbindung oder Lötverbindung. Die beiden Hülsen weisen jeweils an ihren beiden Enden unterschiedliche In- nendurchmesser auf, wobei der Übergang zwischen den beiden Durchmessern jeweils als Kante gestaltet ist. Der Anteil mit dem kleineren Innendurchmesser fungiert als Anpresselement und erfüllt die gleiche Funktion wie das separate Bauteil 32 in den Beispielen gemäß Figs. 1 bis 4. Der Längenausdehnungskoeffizient des Verbindungselementes 30 liegt zwischen den Län- genausdehnungskoeffizienten mindestens eines Kragens 12, 22 und des Ausgleichselementes In Fig. 6 ist schematisch ein Längsschnitt durch eine fünfte bevorzugte Ausführungsform der er- findungsgemäßen Vorrichtung dargestellt. Das erste Rohrelement 10 ist aus einem metalli- schen Werkstoff hergestellt und weist an seinem verbindungsseitigen Ende einen Kragen 12 auf, in dem eine umlaufende Vertiefung vorhanden ist, in der ein Dichtelement 40 aufgenom- men ist. Das zweite Rohrelement 20 ist aus einem keramischen Werkstoff gefertigt. Sein verbin- dungsseitiges Ende ist zumindest teilweise mit einer über den Umfang umlaufenden Stütz- schicht versehen, die vorzugsweise aus einem oxidkeramischen Faserverbundwerkstoff herge- stellt ist. Der Kragen 22 des zweiten Rohrelementes ist als separates Bauteil gefertigt, in dem dargestellten Beispiel als Hülse mit einem Außengewinde. Die Hülse 22 ist ebenfalls aus einem keramischen Werkstoff gefertigt und umgibt die Stützschicht des zweiten Rohrelementes 20 und ist mit dieser fest verbunden. Ein mehrteiliges Verbindungselement 30 ist ebenfalls aus ei- nem keramischen Werkstoff gefertigt und mit einem Ende fest mit der Außenseite des Kragens 22 des zweiten Rohrelementes verbunden. Auf Seiten des ersten Rohrelementes weist das Verbindungselement ein Anpresselement 32 auf, das ein Ausgleichselement 14 gegen den Kra- gen 12 des ersten Rohrelementes drückt.

In der nachfolgenden Tabelle sind vorteilhafte Kombinationen von Materialien in Bezug auf die in den Figs. 1 bis 6 dargestellten beispielhaften Ausführungsformen angegeben, ohne dass die Erfindung jedoch auf diese Kombinationen beschränkt wird.

In obiger Tabelle bedeuten

1 .4876 ... Stahl aus dem Werkstoff 1 .4876 (Alloy 800H)

2.4816 ... Stahl aus dem Werkstoff 2.4816 (Alloy 600)

OCMC ... Oxidkeramischer Verbundwerkstoff

Beispiel 1

Es wurde eine Rohrverbindung gemäß der mit Bezug auf Fig. 6 beschriebenen Ausführungs- form hergestellt und einer Temperaturbelastung unterzogen.

Das erste Rohrelement 10 war aus einem hitzebeständigen Stahl mit der Werkstoffnummer 1.4876 (Alloy 800H) hergestellt und wies einen Außendurchmesser von 55 mm auf. An seinem Ende war ein Kragen 12 einstückig angeformt, der einen Außendurchmesser von 60 mm auf- wies. Die axiale Ausdehnung des Kragens betrug LKI = 5 mm. In der Stirnseite des Kragens 12 war eine umlaufende Vertiefung vorhanden, in die ein Ring aus Glimmer als Dichtungselement 40 eingelegt war. Die Vertiefung und das Dichtungselement waren so dimensioniert, dass sich die Stirnseiten der beiden Rohrelemente bei vollständiger Befestigung des Verbindungselemen- tes 30 gerade berührten. Der mittlere Längenausdehnungskoeffizient des Kragens des ersten Rohrelementes zwischen 20°C und 950°C war aki = 18,5 10 ⁶ K ¹ .

Das zweite Rohrelement 20 war aus dem keramischen Material Degussit AL23 (Korund, AI ₂ O ₃ ) gefertigt und wies einen Außendurchmesser von 55 mm auf. Im Bereich seines verbindungssei- tigen Endes war es mit einer Schicht eines oxidkeramischen Faserverbundwerkstoffes armiert, welche als Stützschicht zur Erhöhung der mechanischen Festigkeit des Rohrendes fungierte.

Als Kragen 22 des zweiten Rohrelementes wurde eine Hülse mit einem Außengewinde (Feinge- winde M64x2) auf das Rohrende aufgebracht und mit der Stützschicht verklebt. Die Hülse war ebenfalls aus dem Material Degussit AL23 gefertigt. Die zur Aufnahme des Verbindungsele- mentes 30 vorgesehene Gewindelänge betrug LK2 = 30 mm, der mittlere Längenausdehnungs- koeffizient des Kragens zwischen 20°C und 950°C war ak2 = 8,1 10 ⁶ K ¹ .

Das Verbindungselement war mehrteilig ausgeführt und umfasste ein Anpresselement 32 sowie eine Hülse 30. Das Anpresselement war als Hülse mit einem Außengewinde (Feingewinde M64x2) ausgeführt und auf das erste Rohrelement 10 aufgeschoben. Der die Kragen 12, 22 überdeckende Teil des Verbindungselementes war als Hülse 30 mit einem Innengewinde (Fein- gewinde M64x2) ausgeführt und hatte eine Gesamtlänge von 79 mm sowie einen Außendurch- messer von 70 mm. Beide Teile des Verbindungselementes waren aus dem keramischen Werk- stoff Degussit AL23 gefertigt. Die äußere Mantelfläche der Hülse 30 war zur mechanischen Ver- stärkung mit einem oxidkeramischen Faserverbundwerkstoff ummantelt. Der mittlere Längen- ausdehnungskoeffizient des Verbindungselementes zwischen 20°C und 950°C war an = 8,1 10 ⁶ K ¹ . Die Hülse 30 des Verbindungselementes war sowohl mit dem Anpresselement 32 als auch mit dem Kragen 22 des zweiten Rohrelementes verschraubt, sodass das Verbindungsele- ment mit dem zweiten Rohrelement 20 ortsfest verbunden war.

Als erstes Ausgleichselement 14 war ein Ring zwischen dem Kragen 12 des ersten Rohrele- mentes und dem Anpresselement 32 angeordnet. Der Ring hatte eine axiale Ausdehnung von L _A I = 9,5 mm und war aus Siliciumnitrid (S1 ₃ N ₄ ) gefertigt. Sein Längenausdehnungskoeffizient war a _Ai = 3,1 10 ^_6 K ^-1 . Die radiale Materialstärke betrug 3 mm. Sein Außendurchmesser war so bemessen, dass zwischen äußerer Oberfläche des Ausgleichselementes 14 und innerer Ober- fläche des Verbindungselementes 30 ein Abstand von ca. 2 mm bestand.

Das Verbindungselement 30 war mit dem zweiten Rohrelement 20 ortsfest verbunden, und die Längenausdehnungskoeffizienten des Kragens 12 des ersten Rohrelementes aki, des ersten Ausgleichselementes 14 O _A I und des Verbindungselementes av erfüllten die Bedingung

QAI < Qv < aki (3,1 < 8,1 < 18,5, Angaben in 10 ⁶ K- ¹ ). Die axialen Ausdehnungen des Kragens 12 des ersten Rohrelements LKI und des ersten Aus- gleichselementes 14 L _A I waren so gewählt, dass die Bedingung

- 0,5 10 ⁶ K ¹ < ( (an - aki) LKI + (an - OAI) LAI ) / ( LKI + LAI ) < 0,5 10 ⁶ K ^_1 erfüllt war:

- 0,5 10 ⁶ K ¹ < ( (8,1 - 18,5) 5 + (8,1 - 3 5 + 9,5 ) 10- ⁶ K- ¹ < 0,5 10 ⁶ K ¹

- 0,5 10 ⁶ K ¹ < - 0,31 0,5 - 10- ⁶ K- ¹

Durch die Rohrverbindung wurde kontinuierlich ein propanhaltiges Gas geleitet. Die Rohrverbin- dung war in einer beheizbaren Kammer installiert, innerhalb derer Sensoren zur Detektion von Propan vorhanden waren. Die Rohrverbindung wurde bei Umgebungstemperatur (20°C) in Be- trieb genommen und kontrolliert mit einer Temperaturanstiegsrate von 300 Kelvin pro Stunde auf 950°C aufgeheizt. Auf diesem Temperaturniveau wurde die Rohrverbindung mehrere Stun- den betrieben. Anschließend wurde die Rohrverbindung unkontrolliert abgekühlt, wobei Tempe- raturabfallraten von bis zu 800 Kelvin pro Stunde erreicht wurden. Während des gesamten Pro- zesses (Anfahren, stationärer Betrieb, Abfahren) wurde kein Propanaustritt detektiert, die Ver- bindung blieb dicht. Nach Abschluss des Versuches wurde die Rohrverbindung auf mechani- sche Schäden untersucht. Es wurden keine Schäden festgestellt.

Beispiel 2

Ein Hybridrohr mit einer keramischen Innenschicht und einer Außenschicht aus einem oxidkera- mischen Faserverbundwerkstoff wurde an beiden Rohrenden jeweils mit einem Rohr aus einem metallischen Werkstoff gemäß der mit Bezug auf Fig. 6 beschriebenen Ausführungsform ver- bunden und einer Temperaturbelastung unterzogen.

Das erste Rohrelement 10 war aus einem hitzebeständigen Stahl mit der Werkstoffnummer 1.4876 (Alloy 800H) hergestellt und wies einen Außendurchmesser von 52 mm und einen In- nendurchmesser von 44 mm auf. An seinem Ende war ein Kragen 12 einstückig angeformt, der einen Außendurchmesser von 59 mm und einen Innendurchmesser von 44 mm aufwies. Die axiale Ausdehnung des Kragens betrug L _KI = 7,2 mm. In der Stirnseite des Kragens 12 war eine umlaufende Vertiefung vorhanden, die 2 mm tief und 4 mm breit war. Der innere Durchmesser der Vertiefung betrug 46 mm, der äußere Durchmesser 54 mm. In die Vertiefung war eine ring- förmige Flachdichtung aus Glimmer als Dichtungselement 40 eingelegt (Klinger milam PSS 300 der Firma Rieh. Klinger Dichtungstechnik GmbH & Co. KG, 82352 Gumpoldskirchen, Öster- reich). Vor dem Einbau hatte das Dichtungselement 40 einen Außendurchmesser von 53 mm, einen Innendurchmesser von 47 mm und eine Stärke von 3,2 mm. Die Vertiefung und das Dich- tungselement waren so dimensioniert, dass sich die Stirnseiten der beiden Rohrelemente bei vollständiger Befestigung des Verbindungselementes 30 gerade berührten. Der mittlere Län- genausdehnungskoeffizient des Kragens des ersten Rohrelementes zwischen 20°C und 950°C war Q _KI = 18,5 10 ⁶ K ¹ . Das zweite Rohrelement 20 war als Hybridrohr gemäß der Patentanmeldung WO 2016/184776 A1 gestaltet. Die Innenschicht war aus dem dicht gesinterten keramischen Material Degussit AL23 (Korund, AI2O3, Firma Friatec GmbH, 68229 Mannheim, Deutschland) gefertigt und wies einen Außendurchmesser von 55 mm auf. Sein Innendurchmesser betrug 47 mm, die Länge 840 mm. Über seine gesamte Länge, und somit auch im Bereich seines verbindungsseitigen Endes, war das Rohr mit einer Schicht eines oxidkeramischen Faserverbundwerkstoffes ar- miert, welche als Stützschicht zur Erhöhung der mechanischen Festigkeit des Rohres fungierte. Diese Außenschicht hatte eine Stärke von 1 ,5 mm.

Es wurden zwei Varianten der Herstellung der Außenschicht getestet. Bei der ersten Variante wurde auf die Innenschicht ein Fasergerüst aus sechs übereinander geschichteten Gewebe- bahnen in 0/90°-Orientierung vom Typ DF-1 1 der Firma 3M (St. Paul, MN, U.S.A.) gewickelt und mit Schlicker getränkt, der nach dem Brand die Matrix der OCMC-Struktur bildet. Als Schlicker wurde eine Mischung aus 85% AI2O3 und 15% 3YSZ mit der Typbezeichnung FW12 von der Firma Walter E.C. Pritzkow Spezialkeramik (70794 Filderstadt-Sielmingen) eingesetzt. Bei der zweiten Variante wurde auf die Innenschicht ein Fasergerüst aus sechs übereinander ge- schichteten Flechtschläuchen mit einem Nenndurchmesser von 50 mm aufgebracht. Die Schläuche waren aus Garnen vom Typ Nextel 610 der Firma 3M (St. Paul, MN, U.S.A.) gefloch- ten. Die Fasern waren gegenüber der Längsachse im Winkel von +/- 45° orientiert. Es wurde der gleiche Schlicker zum Tränken der Fasern verwendet wie in der ersten Variante. Nach dem Aufbringen der OCMC-Außenschicht wurde das Hybridrohr in einem Ofen getrocknet und an- schließend gebrannt. Durch diesen Fertigungsprozess wurde eine Stoff- und kraftschlüssige Verbindung zwischen der OCMC-Außenschicht und der Innenschicht erreicht.

Auf beide Enden des Hybridrohres wurde als Kragen 22 des zweiten Rohrelementes jeweils eine Hülse mit einem Außengewinde (Feingewinde M64x2) aufgebracht und mit der Stütz- schicht verklebt. Die Hülsen waren ebenfalls aus dem Material Degussit AL23 gefertigt. Als Klebstoff wurde derselbe Schlicker wie zur Herstellung der Außenschicht verwendet. Auf der dem zweiten Rohrelement 20 zugewandten Seite hatten die Hülsen einen Außendurchmesser von 64,5 mm und einen Innendurchmesser von 58 mm. Auf der dem zweiten Rohrelement 20 abgewandten Seite wiesen die Hülsen einen Innendurchmesser von 42 mm auf. Die Oberflä- chen dieser Stirnseiten waren eben und glatt, sodass sie als Dichtflächen gegenüber dem Dich- tungselement 40 nutzbar waren. Die Länge der Hülsen betrug 32 mm, wobei der im Innen- durchmesser verringerte Abschnitt eine Länge von 7 mm aufwies. Die zur Aufnahme des Ver- bindungselementes 30 vorgesehene Gewindelänge der Hülsen betrug L _K 2 = 30 mm, der mittlere Längenausdehnungskoeffizient des Kragens zwischen 20°C und 950°C war cd<2 = 8,1 10 ⁶ K ^-1 .

Das Verbindungselement war mehrteilig ausgeführt und umfasste ein Anpresselement 32 sowie eine Hülse 30. Das Anpresselement 32 war als Hülse mit einem Außengewinde (Feingewinde M64x2) ausgeführt und auf das erste Rohrelement 10 aufgeschoben. Der Innendurchmesser des Anpresselementes 32 betrug 53 mm und seine Länge 45 mm. Es war ebenfalls aus dem keramischen Werkstoff Degussit AL23 gefertigt.

Der die Kragen 12, 22 überdeckende Teil des Verbindungselementes war als Hülse 30 mit ei- nem Innengewinde (Feingewinde M64x2) ausgeführt und hatte eine Gesamtlänge von 79 mm sowie einen Außendurchmesser von 70 mm. Auch die Hülse 30 war aus dem keramischen Werkstoff Degussit AL23 gefertigt. Die äußere Mantelfläche der Hülse 30 war zur mechani- schen Verstärkung mit einem oxidkeramischen Faserverbundwerkstoff ummantelt. Das Faser- gerüst der OCMC-Ummantelung bestand aus sechs übereinander geschichteten Flechtschläu- chen mit einem Nenndurchmesser von 70 mm. Die Schläuche waren aus Garnen vom Typ Nextel 610 (Firma 3M, St. Paul, MN, U.S.A.) geflochten. Die Fasern sind gegenüber der Längs- achse im Winkel von +/- 45° orientiert. Der mittlere Längenausdehnungskoeffizient des Verbin- dungselementes zwischen 20°C und 950°C war an = 8,1 10 ⁶ K ^-1 . Die Hülse 30 des Verbin- dungselementes war sowohl mit dem Anpresselement 32 als auch mit dem Kragen 22 des zweiten Rohrelementes verschraubt, sodass das Verbindungselement mit dem zweiten

Rohrelement 20 ortsfest verbunden war.

Als erstes Ausgleichselement 14 war ein Ring zwischen dem Kragen 12 des ersten Rohrele- mentes und dem Anpresselement 32 angeordnet. Der Ring hatte eine axiale Ausdehnung von L _AI = 9,5 mm und war aus Siliciumnitrid (S1 ₃ N ₄ ) gefertigt (Typ Frialit HP 79 der Firma Friatec GmbH). Sein Innendurchmesser betrug 53 mm, sein Außendurchmesser 59 mm. Zwischen der äußeren Oberfläche des Ausgleichselementes 14 und der inneren Oberfläche des Verbindungs- elementes 30 bestand somit ein Abstand von ca. 2 mm. Der Längenausdehnungskoeffizient des Ausgleichselementes 14 betrug O _AI = 3, 1 10 ^_6 K ^-1 .

Das Verbindungselement 30 war mit dem zweiten Rohrelement 20 ortsfest verbunden, und die Längenausdehnungskoeffizienten des Kragens 12 des ersten Rohrelementes aki, des ersten Ausgleichselementes 14 OAI und des Verbindungselementes av erfüllten die Bedingung

OAI < an < aki (3,1 < 8,1 < 18,5, Angaben in 10 ⁶ K- ¹ ).

Die axialen Ausdehnungen des Kragens 12 des ersten Rohrelements LKI und des ersten Aus- gleichselementes 14 LAI waren so gewählt, dass die Bedingung

- 0,5 10 ⁶ K ¹ < ( (an - aki) LKI + (av - OAI) LAI ) / ( LKI + LAI ) < 0,5 1 0 ⁶ K ^_1 erfüllt war:

- 0,5 10 ⁶ K ¹ < ( (8,1 - 18,5) 5 + (8,1 - 3 5 + 9,5 ) 10- ⁶ K- ¹ < 0,5 10 ⁶ K ¹

- 0,5 10 ⁶ K ¹ < - 0,31 0,5 - 10- ⁶ K- ¹

Die Schraubverbindungen wurden mit einem Anzugsmoment von 60 Nm ausgeführt. Dabei wur- den die Flachdichtungen 40 zwischen dem Hybridrohr 20 und den metallischen Anschlussstü- cken 10 jeweils auf Block verpresst. Das Zusammendrücken der Flachdichtung von 3,2 mm auf 2,2 mm entsprach einer Pressung von ca. 30 MPa. In Fig. 7 ist der Anpressdruck [in MPa] auf die Dichtung 40 in Abhängigkeit der Temperatur [in °C] angegeben. Die durchgezogene Linie zeigt die Werte gemäß der Ausführungsform des Bei- spiels 2, also mit dem Ausgleichselement 14. Der Anpressdruck ist in diesem Fall nahezu kon- stant über den gesamten Temperaturbereich von ca. 20°C bis zu 1000 °C. Die Funktionsfähig- keit der Dichtung ist durch die erfindungsgemäße Ausführungsform sichergestellt. Im Gegen- satz dazu würde ohne Ausgleichselement 14 der hypothetische Anpressdruck (gestrichelte Kurve in Fig. 7) so hohe Werte annehmen, dass die Dichtung zerstört würde.

Mit dem Hybridrohr gemäß Beispiel 2 wurden mehrere Versuche im Temperaturbereich von 900°C bis 980°C durchgeführt. Das Rohr inklusive seiner Verbindungen mit den metallischen

Anschlussstücken überstand 300 Betriebsstunden ohne erkennbare Schäden. Es wurden keine Undichtigkeiten festgestellt.