Werden die Flansche herausgedrückt, wenn im Behälter ein hoher Druck herrscht (z. B.
10 MPa)?
In den Bereichen der optischen Technik und der Hochdruck-/Vakuumphysik ist es bei einem extremen Druck von 10\text{ MPa} (etwa 100\text{ bar} oder 100 Atmosphären) entscheidend, die mechanische Belastbarkeit von Vakuumflanschen für Glasfasern sowohl in Bezug auf die gesamte Befestigungsform des Flansches als auch auf die Dichtungsstruktur des Glasfaser-Durchführungselements (Feedthrough) im Flansch zu analysieren.
Die Schlussfolgerung lautet: Bei Verwendung eines gewöhnlichen Vakuumflansches für Glasfasern, der nicht speziell für Hochdruck ausgelegt ist (insbesondere der KF-Serie), besteht nicht nur die extreme Gefahr, dass der Flansch herausgedrückt wird, sondern auch ein erhebliches Sicherheitsrisiko, dass die interne Glasfaser und das Dichtungsmaterial durch den hohen Druckunterschied herausgeschleudert werden.
I. Mechanische Belastungsanalyse der gesamten Flanschverbindung (KF vs. CF)
Ob der Flansch als Ganzes von der Behälterwand weggesprengt wird, hängt von seiner mechanischen Befestigungsart ab:
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KF-Serie (Schnellspannflansche, z.B. KF25, KF40)
- Mechanische Grenzen : KF-Flansche verwenden typischerweise zweiteilige Klemmringe (Clamp) und Gummi-O-Ringe zur Abdichtung. Ihre Auslegungsstandards sind hauptsächlich für Umgebungen von Hochvakuum bis zu leichtem Überdruck (normalerweise nicht mehr als 0,2\text{ MPa}) ausgelegt.
- Situation bei 10\text{ MPa} : Bei einem Druck von 10\text{ MPa} ist die axiale Schubkraft, die auf die Stirnfläche des Flansches wirkt, enorm. Beispielsweise erfährt ein KF25-Flansch mit einem Nenndurchmesser von nur 25\text{ mm} eine Druckfläche von etwa 4,9\text{ cm}^2 und bei einem Druck von 10\text{ MPa} eine axiale Schubkraft von etwa 4900\text{ N} (entspricht fast 500\text{ kg} Schubkraft). Die gewöhnlichen KF-Klemmringe können dieser enormen mechanischen Spannung nicht standhalten; der Klemmring würde sich sofort verformen und lösen, und der Flansch würde als Ganzes heftig herausgeschleudert, was zu einer katastrophalen Freisetzung führen würde.
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CF-Serie (ConFlat Metalldichtungsflansche, z.B. CF35, CF50)
- Mechanische Grenzen : CF-Flansche verwenden eine Metall-Hartdichtung, bei der eine Messerkante in eine Obersilber-Kupferdichtung eingreift, und werden durch mehrere hochfeste Schrauben (z. B. M6-Stahlschrauben) symmetrisch verriegelt.
- Situation bei 10\text{ MPa} : Wenn die Gewindebohrungen der Behälterwand und die Schrauben des CF-Flansches einer strengen Belastungsprüfung unterzogen wurden, wird der Metallkörper des CF-Flansches im Allgemeinen nicht von der Behälterwand „weggedrückt“, da die Mehrzahl der Schrauben eine enorme Vorspannkraft liefert. 10 MPa fällt jedoch bereits in den Bereich des Ultrahochdrucks, und die Streckgrenze der Schrauben muss immer noch gemäß der Größe des spezifischen Flansches berechnet werden.
II. Belastungsanalyse der internen Dichtungsstruktur (Feedthrough) des Flansches (Kernrisiko)
Selbst wenn das Metallgehäuse des CF-Flansches dank hochfester Schrauben nicht herausgedrückt wird, ist das intern vergossene Glasfaser-Durchführungselement das schwächste Glied.
- Scherkräfte und Ausrissrisiko : Die interne Glasfaser-Durchführungsabschnitt von gewöhnlichen Vakuumflanschen für Glasfasern wird normalerweise mit einem speziellen Epoxidharz (Epoxy) flüssigkeitsdicht versiegelt. Unter einem einseitigen Druckunterschied von 10\text{ MPa} wird die Kontaktfläche zwischen dem Dichtungsharz und der Metallrohrwand sowie die Grenzfläche zwischen dem Harz und der Beschichtung der Glasfaser extremen Scherspannungen ausgesetzt sein.
- Auswurfeffekt (Bullet Effect) : Bei Dichtungsflanschen, die üblicherweise in Vakuumkammern verwendet werden, sind die Hauptprüfkriterien ab Werk eine hohe Gasdichtigkeit (um das Eindringen von Luft zu verhindern) und nicht die Druckverformungsfestigkeit. Bei einem Druckunterschied von 10\text{ MPa} neigt das Dichtungsharz leicht zu plastischer Verformung oder zur Ablösung der Klebefläche. Die Glasfaser und das ausgehärtete Harz können wie „Projektile“ durch den hohen Druck nach außen gedrückt werden, was sofort zum Versagen der Dichtung und zum Austritt von Medien führt.
III. Produkte von Dacheng Yongsheng
Der von Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd. entwickelte und hergestellte OFSCN® Fiber Optic Vacuum Sealed Flange (Vakuumversiegelter Flansch für Glasfasern) wird hauptsächlich für Hochvakuum- und Ultrahochvakuumumgebungen eingesetzt.
Die üblichen Leistungsparameter dieser Produktserie umfassen:
- Betriebstemperatur : Normalgebrauch bei Raumtemperatur, kundenspezifische Hochtemperaturprodukte bis 250\ ^{\circ}\text{C} sind verfügbar;
- Schnittstellenform : Unterteilt in CF- und KF-Serien, erhältlich als Buchse und Stecker, erhältlich als Einzel- und Mehrfachkopf;
- Vakuumgrad : Konventioneller Vakuumgrad besser als 1 \times 10^{-5}\text{ Pa} und 1 \times 10^{-7}\text{ Pa} ;
- Druckbegrenzung : Die Standardmodelle sind hauptsächlich für eine Vakuumszseite (Druckunterschied ca. 0,1\text{ MPa} ) ausgelegt und nicht für einen Ultrahochdruckunterschied von 10\text{ MPa} ausgelegt.
IV. Ingenieurtechnische Empfehlungen für die Ultrahochdruckumgebung von 10\text{ MPa}
Wenn Sie Glasfasersignale in Hochdruckbehälter mit 10\text{ MPa} einleiten müssen, sollten folgende spezielle technische Konstruktionen angewendet werden:
- KF-Schnittstellen ausschließen : Es müssen CF-Schraubflansche oder direkt über Hochdruck-Gewindebuchsen (wie NPT-Gewinde oder konische Gewindeschnittstellen für mittleren/hohen Druck) als Hauptdurchführungselement verwendet werden.
- Mechanische Anschläge (Mechanical Shoulder) hinzufügen : Das Durchführungselement muss innen ein abgestuftes Achsendesign aufweisen. Das heißt, der Durchmesser der Durchgangsbohrung auf der Hochdruckseite ist kleiner, die Hohlkammer auf der Niederdruckseite ist größer, so dass der Dichtungskörper mechanisch einen „großer Kopf innen, kleiner Kopf außen“ selbstsperrenden Stufenaufbau bildet, der die axiale Schubkraft von 10\text{ MPa} durch die Starrheit des Grundkörpers aufnimmt und die Verschiebung des Dichtmediums verhindert.
- Glas-Metall-Schmelzverbindung (Glass-to-Metal Seal) : Bei Hochdruckanwendungen sollte anstelle von Epoxidharz bevorzugt anorganisches Glas oder Keramik-Sinterverfahren verwendet werden. Glas-Schmelzverbindungen weisen eine extrem hohe Verbindungslastigkeit und Scherfestigkeit gegenüber dem Metallgehäuse auf.
Wenn Sie solche Produkte in Spezial-Hochdruckbereichen einsetzen möchten, wird empfohlen, die spezifischen Hochdruckgrenzwerte bei der Auslegung des Schemas frühzeitig den Technikern mitzuteilen, um eine maßgeschneiderte Belastungs-Simulation und ein entkoppeltes Konstruktionsdesign durchzuführen.