Kontrolle der Vorspannkraft verschraubter Verbindungen

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1 Forum Produktion Nordwest Kontrolle der Vorspannkraft verschraubter Verbindungen Peter Thomsen Lannewehr + Thomsen GmbH & Co. KG Ingenieurbüro für Apparate-, Rohrleitungs- und Dichtungstechnik Schraubverbindungstechnik Bremen Folie 1

2 Themenübersicht Vorstellung Referent Folie 3-5 Technischer Hintergrund Folie 6-13 Kontrollverfahren Folie 14 Attributive Prüfungen Folie Mechanische Messungen Folie Technische Messverfahren Folie Ein Lösungsansatz Folie Untersuchung Folie Zusammenfassung Folie Kennzeichnung von besonderen Anmerkungen Folie 2

3 Vorstellung Referent Folie 3

4 Vorstellung Referent Peter Thomsen technischer Kaufmann Jahrgang 1960, vertritt seit 1983 die Interessen deutscher Hersteller für Dichtungen, Schraubenbolzen, Flanschenund Fittings, Berstscheiben und Armaturen in Norddeutschland Mitarbeit in Normenausschüssen des DIN, EN, VDI und DVGW Neben Vorträgen zum Dichtungskolloquium und der Arbeit in der Normung macht er durch Schulungen beim Kunden, beim DVGW, dem GWI oder im Haus der Technik HDT, um die Anwender von Flanschverbindungen über die Komplexität dieses Dichtsystems zu Informieren. Durch Entwicklung von Flanschsystemen hat er einen Beitrag zur Verbesserung der Dichtheit, Montagefreundlichkeit, Betriebssicherheit und Kosteneffizienz geleistet. Gemeinsam mit Dipl.-Ing. Gerd Lannewehr wurde 2006 die Lannewehr + Thomsen GmbH & Co. KG, Ingenieurbüro für Apparate-, Rohrleitungs- und Dichtungstechnik gegründet. Autor der lizensierten Übersetzung der ASME PCC , des Dichtungsvademecum und 10 Schritte zur optimalen, auf Dauer technisch dichten Dichtverbindung Folie 4

5 Vorstellung Referent ISBN-13: ISBN-13: ISBN-13: Verlag: PP PUBLICO Publications, Folie 5

6 Technischer Hintergrund Schraubenverbindungen werden erzeugt, indem eine wieder lösbare Verbindung hergestellt wird, bei der zwei oder mehr Teile durch eine oder mehrere Schrauben verbunden werden. Die zusammengefügten Teile müssen sich von da ab verhalten und bewegen wie ein Teil. (Volker Schatz, 10 Schritte zur sicheren Schraubverbindung) Folie 6

7 Technischer Hintergrund Ishikawa Diagramm Quelle: Volker Schatz, 10 Schritte zur sicheren Schraubverbindung Mensch (Anwender) Maschine (Drehmoment-Werkzeug) Qualität der Schraubverbindung Methode (Anziehverfahren) Material (Schrauben, Muttern, Unterlegscheiben, Schraubenpaste, Bauteile) Folie 7

8 Technischer Hintergrund Schraubmontage kann ein Kraftakt sein, Bildquelle: Hytorc Seis, Dörth Folie 8

9 Technischer Hintergrund kann Teamwork sein Bildquelle: Hytorc Seis, Dörth Folie 9

10 Technischer Hintergrund oder Einsatz von geeigneter Technik Bildquelle: BoTec, Bovenden Folie 10

11 Technischer Hintergrund Konstruktion Die Feinde der Schraubenvorspannkraft schlechte Erreichbarkeit der Montagestelle Kriech-Relaxation mit verspannter Dichtungen nicht erreichte Fügung der Bauteile ungeeignete Werkstoffe Mensch unqualifiziertes Montagepersonal Kriech-Relaxation durch falsche Unterlegscheiben ungeeignete Montagepaste Beschädigung von Gewinden und Auflageflächen Reibung Schraubenspannung flangevalid - Lannewehr + Thomsen GmbH & Co. KG, Bremen gebrauchte und/oder beschädigte Bauteile Werkzeugtoleranz ungeeignetes Werkzeug schlechtes oder nicht kalibriertes Werkzeug falsches Montageverfahren Werkzeug Folie 11

12 Technischer Hintergrund Vergleich der Befestigungsverfahren Verfahren Schweißen Schrauben Auswahl Schweißfachingenieur Schweißprobe Maschinenbau Ingenieur, Techniker technische Regel Zulassung Schweißfachstelle Freigabe Durchführung zertifizierter, geprüfter Schweißer gelernter Monteur Facharbeiter Prozesstechnik Regelwerke ZÜS (zuständige Überwachungsstelle) Facharbeiter Hilfsarbeiter Qualifizierung Schweißfachschule Ausbildung DIN EN Prüfung zertifizierter Prüfer geregelt nach Freigabe Dokumentation nach Prüfung Prüfbescheinigung VDI Automobilindustrie VDI Maschinenbau geregelt nach VDI 2290 VDI Folie 12

13 Technischer Hintergrund VDI und -2 Mindestanforderungen zum Einsatz von Schraubsystemen und -werkzeugen Die VDI 2862 nennt für die Anforderung an die Verschraubungsfälle verschiedene Anforderungen je nach der Gefährdungsklasse des Systems. Die Gefährdungsklassen sind in verschiedenen Kategorien eingeteilt: Kategorie A, Hohe Risikobewertung Gefahr für Leib, Leben und Umwelt Kategorie B, Mittlere Risikobewertung Funktionsstörung/Anlagenstillstand Kategorie C, Niedrige Risikobewertung unkritisch Nach den Anforderungen der Betriebssicherheitsverordnung BetrSichV, der TRBS und gelten für Druckgeräte grundsätzlich mindestens die Kategorie B, meistens die Kategorie A. Die Kontrolle der Verschraubung muss bei Handwerkzeugen über Steuergrößen, wie z.b. Drehmoment, Drehwinkel, Längung oder Druck (Kraft) erfolgen. Folie 13

14 Kontrollverfahren VDI 2200: Dichte Flanschverbindungen Absatz 6.3 Kontrolle der Schraubenvorspannung Zitat Eine wirklich verlässliche Kontrolle der Vorspannung ist bei allen Anziehverfahren erst durch eine explizite Messung möglich. Das kann beispielsweise durch die Berechnung der Bolzen-Dehnung erfolgen. Eine genaue Erfassung der Vorspannkraft erfordert allerdings eine messbare Längenänderung und eine Kalibrierung der Anhängigkeit Bolzen- Dehnung/Bolzen-Kraft möglichst an der original Dichtverbindung. Eine elegante Methode der Längenmessung stellt der Schraubenbolzen mit Innenstift dar. Der unbelastete Innenstift behält seine ursprüngliche Länge bei, während der Bolzen unter Last gedehnt wird. Zitatende Dies kann nur durch Messung der Kraft (Kraftmessdose) oder durch zurückrechnen aus der Längung erfolgen. Folie 14

15 Kontrollverfahren Attributive Prüfungen Üblicherweise werden die Schraubenverbindungen regelmäßig einer Sichtkontrolle unterzogen (z.b. in Prüfanweisungen von Windenergieanlagen). Die Aussagekraft ist äußerst gering. Eine uralte, aber häufig noch genutzte Prüfung ist ein Klangtest mittels eines Hammerschlages. Ein tiefer Klang des Tones zeigt das Ergebnis lose, ein heller das Ergebnis fest. Häufig werden montierte Schraubverbindungen mittels eines Weiterdrehmomentes, was oft dem Nenndrehmoment x 1,1 entspricht, geprüft. Dieses Vorgehen ergibt keine gesicherten Aussagen zur aktuellen Qualität der Verbindung. Es ist zu bezweifeln, dass die Ruhereibung bei diesem Verfahren sicher überwunden wird. Drehmomentwerkzeuge, die zum Montageergebnis ( Abknicken ) ein gleichmäßiges Anziehen erfordern, sind völlig ungeeignet. Es handelt sich um eine rein attributive Prüfung mit der maximal erreichbaren Erkenntnis, dass die Schraube fest oder lose ist. Folie 15

16 Kontrollverfahren Das Abknicken keine Aussage zu erzielten Vorspannkräften bringt, wird häufig nicht gewusst oder nicht beachtet und führt, das eine oder andere mal, zu merkwürdigen Prüfanweisungen. In der chemischen Prozessindustrie wird zum Nachweis einer erreichbaren Dichtheit (TA Luft) für Dichtverbindungen eine analytische Berechnung (DIN EN ) der Flanschverbindung durchgeführt, deren Ergebnis unter anderem Drehmomente sind. Es wird nicht beachtet, dass bei vielen Drehmomentmontageverfahren, ohne geeignete Kontrollgrößen (siehe VDI 2862 Teil 1 und Teil 2), keine Prozesssicherheit für die Montage erreicht wird. Das Abknicken des Montageschlüssel kann keine sichere Aussage zur erreichten Vorspannkraft und damit zur Flächenpressung auf der Dichtung geben. Ursache für das Abknicken können auch hohe Reibungskoeffizienten oder mechanische Beschädigungen im Gewinde sein. Zum Nachweis des Montageerfolges bei Dichtverbindungen, der Erreichung der gewünschten Dichtheit, gemäß einer, in der chemischen Industrie, weit verbreiteten Montageanweisung (VCI-IGR-Leitfaden), werden zum Abknicken niedrigere Drehmomente vorgegeben als zur Montage und die Ergebnisse protokolliert.??? Folie 16

17 Kontrollverfahren Mechanische Messungen Mechanische Messungen (Längungsmessung) mittels Messschrauben sind in Prüfeinrichtungen und auch in der Praxis üblich. Sie sind teuer und benötigen einen Teil des Kernquerschnittes zur Unterbringung der Messeinheit. Messungen über die Schraubenlängung erfordern exakt auf gleiches Nullmaß gefertigte Schrauben, dies gilt als zu teuer und unpraktikabel. Alternativ ist die Messung und Kennzeichnung mit der exakten Fertigungslänge machbar. Messungen sind nur mit Micrometer möglich. Messschieber mit Digitalanzeige zeigen bis auf zwei Stellen hinter dem Komma, bis auf Hundertstel an, können aber üblicherweise nur auf ein Zehntel genau messen. Folie 17

18 Kontrollverfahren Messschraube Folie 18

19 Kontrollverfahren robuste mechanische Längenmessung zur Kontrolle einer gleichmäßigen Vorspannung der Vorspannkraft (auch im Betrieb) einer eventuellen Überdehnung (z.b. vor Wiederverwendung) der Schraube/des Bolzens Folie 19

20 Kontrollverfahren CONBOLT mit kurzen Messzapfen Messung der Längendehnung CONBOLT mit langen Messzapfen CONBOLT von Jungeblodt ( robuste mechanische Längenmessung zur Kontrolle einer gleichmäßigen Vorspannung der Vorspannkraft (auch im Betrieb) einer eventuellen Überdehnung (z.b. vor Wiederverwendung) der Schraube/des Bolzens Folie 20

21 Kontrollverfahren Technische Messverfahren Ultraschallmessungen werden zur Zeit immer häufiger diskutiert, sind aber in ihrer Aussage wegen Kopplungsfehler und Ergebnis störenden Einflüssen (z.b. aus Körperschall aus der Schraubenform und Abweichung der Schallzeit aus der Änderung des Materialgefüges durch das Vorspannen) relativ unsicher. Messungen mit Dehnmessstreifen (DMS) sind sehr aufwendig. Die Anwendung erfordert laborähnliche Bedingungen. Kraftmessdosen (Load Cells) sind sehr teuer, benötigen planebene, planparallele Einbauflächen und eine sehr kostenintensive Auswertung der Messungen. Kraftmessende Unterlegscheiben haben den Vorteil keine Fremdbauteile in die Schraubverbindung einzubringen. Sie sind eine neue Entwicklung und bieten bisher wenig praktische Erfahrungen. Folie 21

22 Kontrollverfahren Ultraschallmessung Bildquelle: BoTec, Bovenden Folie 22

23 Ein Lösungsansatz boltvalid-messunterlegscheibe MMD-W-BV Folie 23

24 Ein Lösungsansatz Bessere Erfolge versprechen Verfahren wie die boltvalid-messunterlegscheibe. Gemessen wird die Veränderung der Spannung der Schraubverbindung. Dieses Verfahren erlaubt eine permanente oder auch zeitgetaktete Ablesung. Es ist robust, bietet eine hohe Zuverlässigkeit und wird als Messung in eine Unterlegscheibe eingebracht. Möglich ist auch die Schraubverbindung mit einem Alarm, der bei Spannungsunter-, -überschreitung ausgelöst wird, zu versehen und somit geplante Wartungsintervalle zu vermeiden. Folie 24

25 Ein Lösungsansatz Eine massive Scheibe: Sensitive Achse Sensorfläche Sensorfläche Scheibe Folie 25

26 Ein Lösungsansatz Komponenten: Batteriefach Magnetfach zur Aktivierung USB- Empfänger Auswerte- und Sendeelektronik Unterlegscheibe mit Sensor LED- Anzeige Folie 26

27 Ein Lösungsansatz boltvalid-messunterlegscheibe MMD-W-BV ist eine robuste Vorspannkraftmessung mit individuell einstellbaren Signalgrenzwerten zur: - exakten Montage ohne Reibungseinfluss (auch mit Ring-, Maul- oder Schlagschlüssel) - Montageüberprüfung (z.b. nach Risikoklasse A und B gemäß VDI u. 2) - Vorspannkraftüberprüfung im Betrieb - Monitoring (permanente rechnergestützte Überwachung) - Nachziehen (ohne Nachteile durch Losbrechmoment und Reibung) Folie 27

28 Ein Lösungsansatz Nach dem Aktivieren des Systems leuchtet die LED rot. Je nach eingegebener Vorspannkraft kann eine Vorspannkraft festgelegt werden, bei der die Fügung der Bauteile zu überprüfen ist, die LED leuchtet blau. Das Signal geht im Vorspannbereich von gelb bis zum Erreichen der gewünschten Vorspannkraft auf grün über. Folie 28

29 Ein Lösungsansatz Es kann aber auch das Signal über Funk an ein Kontrollsystem abgegeben und über Bildschirm und Signale die Vorspannkraft der Schraube überwacht werden. Hierbei Identifiziert sich das System automatisch und kann so mit mehreren Systemen einer Mehrschraubenverbindung abgeglichen werden. Eine besondere Zusatzleistung ist die Möglichkeit, die Messpunkte individuell einstellen zu können. Hierzu wird das System über den Rechner identifiziert und die gewünschten Vorspannkräfte eingegeben. Folie 29

30 Ein Lösungsansatz Die boltvalid-messunterlegscheiben MMD-W-BV sind Allrounder und geeignet für die Anwendung in der Industrie im Maschinen- und Schwermaschinenbau Geräte- und Fahrzeugbau Kranbau Turbinenbau Armaturen- und Apparatebau Schiffbau Folie 30

31 Ein Lösungsansatz In der Prozessindustrie für Bergbau Öl- und Gasförderung sowie Transport Chemie- und Petrochemie Kraftwerkstechnik Stahlwerke Windenergie wenn man wissen will, was mit der Schraubverbindung los ist. Folie 31

32 Ein Lösungsansatz Die boltvalid-messunterlegscheiben MMD-W-BV leisten einen wesentlichen Beitrag für das Health-Safety-Environmental-Konzept Folie 32

33 Ein Lösungsansatz Viele Kunden haben inzwischen Erfahrungen mit der boltvalid-messunterlegscheibe gewonnen. Leider hat uns keiner die Freigabe zur Veröffentlichung seiner Erkenntnisse gegeben. Aus diesem Grund stellen wir eine Messreihe, einer Messung von 8 Schrauben M16 über Montage mit Ringschlüssel Drehmomentschlüssel boltvalid-messunterlegscheibe vor. Zielwert ist eine Vorspannkraft von 20 kn. Kontrolliert mit der boltvalid-messunterlegscheibe. Folie 33

34 Ein Lösungsansatz Montage mit Ringschlüssel 40 kn 30 kn 20 kn 10 kn Messungen Folie 34

35 Ein Lösungsansatz Montage mit Drehmomentschlüssel 40 kn 30 kn 20 kn 10 kn Messungen Folie 35

36 Ein Lösungsansatz Montage mit boltvalid-messunterlegscheibe 40 kn 30 kn 20 kn 10 kn Messungen Folie 36

37 Ein Lösungsansatz Vergleich der Streuung der Montageergebnisse 40 kn 30 kn + 75% + 60% 20 kn - 35% - 25% + 15% - 0% 10 kn Vorspannkraft immer erreicht! Messungen Folie 37

38 Ein Lösungsansatz Zusammenfassung der Messergebnisse: Anmerkung: Das Drehmoment ist mit 50 Nm für eine Schraube M16 relativ niedrig gewählt, um eine Vergleichbarkeit mit dem Ringschlüssel herzustellen. Hauptsächliche Ursachen der Streuung der Montageergebnisse: Reibungseinfluss Bedienungseinfluss Toleranz aus Werkzeug (Drehmomentschlüssel) Während die Montageergebnisse bei der Montage mit Ringund Drehmomentschlüssel deutlicher Streuung unterliegen, erzielt das System boltvalid die gewünschte Vorspannkraft mit einer geringen Streuung nach oben. Folie 38

39 Zusammenfassung Vergleich der Verfahren zur Schraubenkontrolle Verfahren Eignung Preis/Leistung * Robustheit Messzeitraum Sichtkontrolle keine hoch/keine ½ bis 1 Jahr Weiterdrehmoment keine hoch/keine ½ bis 1 Jahr Dehnmessstreifen ja hoch/hoch gering nach Bedarf Ultraschall ja hoch/hoch mittel regelmäßig Intellifast ja niedrig/hoch hoch regelmäßig konventionelle Messdose ja hoch/hoch hoch permanent ** boltvalid-messunterlegscheibe ja niedrig/sehr hoch sehr hoch nach Bedarf permanent ** Rotabolt *** ja niedrig/hoch sehr hoch nach Bedarf CONBOLT *** ja sehr niedrig/hoch sehr hoch nach Bedarf * keine Betrachtung der Kosten, sondern des Kosten-Nutzen-Verhältnisses ** Verfahren kann laufend Messergebnisse liefern, zu jedem Wunschzeitpunkt und kann einen Sicherheitsalarm auslösen *** direkte Erkennbarkeit von Überdehnung Folie 39

40 Zusammenfassung Anwendbarkeit der Verfahren zur Schraubenkontrolle Verfahren VDI 2200 VDI/VDE Sichtkontrolle - - Hammerschlag (Klangtest) - - Weiterdrehmoment - - Dehnmessstreifen + + Ultraschall + + Intellifast + + konventionelle Messdose + + boltvalid-messunterlegscheibe + + Rotabolt *** + + CONBOLT *** + + Folie 40

41 Zusammenfassung boltvalid-messunterlegscheiben MMD-W-BV leisten einen wesentlichen Beitrag: zur optimalen Montage zu verschraubender Verbindungen zur Kontrolle verschraubter Verbindungen Erhöhung der Betriebssicherheit Reduzierung der Kosten Gefahrenabwendung und damit zum Umweltschutz. Folie 41

42 Herzlichen Dank für die Aufmerksamkeit! Folie 42