Messung der Schraubenkraft mittels Ultraschall bei der Montage von W7-X

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1 DACH-Jahrestagung 2008 in St.Gallen - Poster 43 Messung der Schraubenkraft mittels Ultraschall bei der Montage von W7-X Michael SCHRÖDER, Reinhard VILBRANDT, Max-Planck-Institut für Plasmaphysik, Greifswald Hugo ALLEMANN, P&S, St. Gallenkappel, Schweiz Kurzfassung. Am Max-Planck-Institut für Plasmaphysik (IPP) in Greifswald wird gegenwärtig das Kernfusionsexperiment Wendelstein 7-X vom Typ Stellarator aufgebaut. Kernstück des Experimentes ist das Magnetsystem, das aus 50 nichtplanaren und 20 planaren supraleitenden Spulen besteht, die an einer zentralen Stütz- und Tragstruktur (Tragring) befestigt werden müssen. Verbindungselemente zwischen Tragring und Spulen sowie zwischen den Tragringsegmenten selbst sind sehr hoch belastete Schraubverbindungen. Die spätere Beanspruchung wird hauptsächlich durch magnetische Kräfte hervorgerufen sowie die Einsatztemperatur von 4 Kelvin für die Supraleitung in den Spulen. Die Schrauben selbst bestehen aus hochfestem Inconel 718 mit Gewindedurchmessern von M20 bis M90 und Längen zwischen 100 und 1350 mm. Sie werden mit Superbolt, ebenfalls aus Inconel, nach einer speziellen Prozedur vorgespannt, wobei schon hierbei das Material selbst bis nahe an seine Grenzen belastet wird. Die Messung der Schraubenvorspannkraft während des Montageprozesses erfolgt deshalb mittels Ultraschall (Gerät: Boltmike III) mit sehr hohen Genauigkeitsanforderungen. Der Beitrag beschreibt die umfangreichen Vorbereitungen der Messungen durch aufwändige Kalibrierungen für unterschiedliche Materialchargen und Schraubenabmessungen und die Aufbereitung der Daten. Außerdem wird über gesammelte Erfahrungen beim Messen dieser speziellen Schraubverbindungen während der Montage berichtet. Einführung Am Max-Planck-Institut für Plasmaphysik (IPP) in Greifswald wird gegenwärtig das Kernfusionsexperiment Wendelstein 7-X (W7-X) vom Typ Stellarator aufgebaut. Es ist das größte im Bau befindliche Forschungsprojekt Deutschlands. Als eine Alternative zum Typ Tokamak, dem das weltweit größte Fusionsexperiment ITER entspricht, soll der W7-X die Kraftwerkstauglichkeit und die Vorteile des Stellarators wie z.b. stationärer Betrieb demonstrieren. Grundlage für die Kernfusion ist ein stabiles Plasma (Temperatur ca. 100 Mio. C), das durch magnetischen Einschluss von den Wänden des Plasmagefäßes ferngehalten wird. Dazu ist ein sehr starkes Magnetfeld (bis zu 3 Tesla) mit einer komplizierten Geometrie erforderlich. Dieses wird im W7-X durch 50 nichtplanare (5 verschiedene Typen) und 20 planare Spulen (2 Typen) erzeugt. Die Spulen sind supraleitend und werden zu diesem Zweck mit flüssigem Helium auf eine Temperatur von 4 Kelvin abgekühlt. Die supraleitenden Spulen bilden zusammen mit der Stützstruktur und den ebenfalls supraleitenden Spulenstromverbindungen das Magnetsystem des W7-X. Die gesamte zu kühlende Masse beträgt ca. 425 t. Der W7-X setzt sich zusammen aus 5 1

2 baugleichen Modulen, bestehend jeweils aus zwei Halbmodulen, die in Greifswald vormontiert und anschließend zum Torus zusammengefügt werden. Bild 1: CAD-Modell vom W7-X 1. Abstützkonzept für das Magnetsystem Auf die Spulen wirken im Betrieb durch das Magnetfeld verursachte Kräfte bis zu 3 MN. Deshalb sind die Wickelpakete der Spulen in Gehäuse aus austenitischem Stahl (planare Spulen) bzw. austenitischem Stahlguss (nichtplanare Spulen) eingebettet. Die Spulen sind über verschiedene Stützelemente mit einer zentralen Stütz- und Tragstruktur (Tragring) sowie untereinander verbunden. Auch die Tragring(halb)module müssen miteinander verbunden werden. Es gibt dabei Schweiß-, Schraub-, und Gleitverbindungen (siehe Tab. 1) Tabelle 1: Verbindungsarten bei der Stützstruktur des Magnetsystems von W7-X Verbindungselement Verbindung von Verbindungsart Central Support Elements (CSE) nichtplanaren und planaren Spulen mit Schraubverbindungen dem Tragring Lataral Support Elements (LSE) nichtplanaren Spulen untereinander Schweißverbindungen Narrow Support Elements (NSE) nichtplanaren Spulen untereinander Gleitverbindungen Planar Support Elements (PSE) nichtplanaren mit planaren Spulen Schraub- und Gleitverbindungen Central Support Structure (CSS) Tragringhalbmodulen und modulen Schraubverbindungen Contact Elements (CE) Nichtplanaren Spulen untereinander Schraub- und Gleitverbindungen an Halbmodul- und Modultrennstellen Die Montage der Spulen muss mit höchster Genauigkeit erfolgen, um die im Experiment erforderliche Magnetfeldkonfiguration zu gewährleisten. Das heißt, dass die kompliziert geformten Bauteile mit einer Einzelmasse von bis zu 6 t positionsgenau montiert werden müssen. Dies ist besonders schwierig bei der Herstellung von Schweißverbindungen und unter Montagesituationen mit eingeschränkten Platzverhältnissen. 2

3 Engstellenstütze Zentralstütze Kontaktstütze Planarstütze Lateralstütze Bild 2: Abstützkonzept für das Magnetsystem (ein Halbmodul) 2. Schraubverbindungen Die Verbindungselemente für die unter Pos. 1 genannten Schraubverbindungen bestehen aus Schrauben aus Inconel 718 (2.4668) und Superbolt -Spannmuttern desselben Werkstoffes. Die Gewindedurchmesser reichen dabei von M20 (CE) über M24 (PSE), M30 (PSE, CSE), M42 (CSS), M76 (CSE) bis zu M90 (CSE) bei Schraubenlängen von 94 bis 1356 mm. Mit den Superbolt -Spannmuttern lassen sich mit geringen Drehmomenten hohe Vorspannkräfte erzielen, wobei die Schraube selbst dabei nur auf Zug und nicht auf Torsion belastet wird. Es ist jedoch notwendig, die Superbolt - Spannmuttern nach einer vorgegebenen Spannprozedur anzuziehen, um die Schraube biegungsfrei zu spannen und die Druckschrauben der Spannmuttern nicht zu Bild 3: Zentralstütze mit 9 Schrauben M30 und Superbolt überlasten. Allerdings haben die Schrauben (2.4668) und die Spulenstützen der nichtplanaren Spulen (austenitischer Stahlguss ) bei Raumtemperatur stark voneinander abweichende Festigkeitseigenschaften (siehe Bild 4) eine eigentlich unübliche Kombination. Die Schrauben werden bis an die Belastungsgrenze des Spulenwerkstoffes angezogen Das ist notwendig, um im Betrieb unter Einfluss der Magnetkräfte ein Aufklaffen der Verbindung zu verhindern. Bei Betriebstemperatur von 4 3

4 Kelvin nähern sich dann die Festigkeitswerte von und einander an und ermöglichen so eine Verbindung mit höchstmöglicher Festigkeit. RP0,2 [MPa] Temperatur [K] Bild 4: Festigkeitswerte der Schrauben (2.4668) und des Spulengehäuses (1.3960) zwischen Raumtemperatur und 4 K Die Messung der Schraubenvorspannkraft muss mit sehr hoher Genauigkeit erfolgen, um einerseits die erforderliche Festigkeit der Verbindung zu erreichen und andererseits eine Überlastung der Bauteile während der Montage zu vermeiden. Dafür wurde das Ultraschallverfahren mit dem Gerät Boltmike III ausgewählt. 3. Messung der Schraubenkraft mittels Ultraschall 3.1 Kalibrieren des Gerätes Um eine möglichst hohe Genauigkeit der Messungen zu gewährleisten, wurde das Gerät für jede Schraubenabmessung und Materialcharge an jeweils einer Schraube kalibriert. Bisher waren insgesamt 27 Kalibrierungen notwendig. Da die Schrauben bis an die Belastungsgrenze des Materials angezogen werden (vgl. Pos. 3), ist die Genauigkeit im Bereich der jeweils maximalen Vorspannungen am wichtigsten, um unzulässige Verformungen der Gewinde zu vermeiden. Die Kalibrierungen erfolgen deshalb über die Regressionsmethode, wobei es notwendig ist, die Schrauben während der Kalibrierung auf 100 % Vorspannung zu belasten. Für die Schrauben M20 bis M42 erfolgt das mit dem Spannen der Superbolt -Muttern an einem Kalibrierstand, wobei die tatsächliche Kraft durch eine Kraftmessdose gemessen wird (Bild 5). Die maximal aufzubringenden Kräfte liegen bei 740 kn (M42). Die Schrauben M76 (1129 mm lang) und M90 (1356 mm) müssen mit 2350 kn bzw kn belastet werden. Zum Aufbringen und Messen dieser Kräfte wird eine 10 MN Zugprüfmaschine beim MPA Hannover verwendet (Bild 6). 4

5 Bild 5: Kalibrierung mit Kraftmessdose Bild 6: Kalibrierung mit 10 MN - Zugmaschine der MPA Hannover 3.1 Erfahrungen bei der Durchführung der Messungen Erstellung der Schraubengruppen und Datensicherung Die Kalibrierdaten werden in die Schraubengruppen übernommen, die entsprechend der Montageerfordernisse am PC erstellt werden. Alle Daten müssen über mehrere Jahre verfügbar sein, da die komplexe Montage des W7-X erst im Jahr 2014 abgeschlossen sein wird. Deshalb werden die Kalibrier- und Schraubengruppen auch als Sicherungskopien gespeichert, so dass auch bei Ausfall eines Gerätes die Überprüfung der Schraubenkräfte zum späteren Zeitpunkt möglich ist Ankopplung Um eine gute Ankopplung des US-Prüfkopfes zu gewährleisten, wurden die Schraubenenden plan gedreht und damit auch vorherige Zentrierbohrungen beseitigt. Für jeden Schraubendurchmesser wird ein möglichst großer Prüfkopfdurchmesser verwendet, um ein möglichst schmales Schallbündel zu erzeugen. Als Koppelmittel wird destilliertes Wasser verwendet. Auf Öl oder Glyzerin wurde bewusst verzichtet, weil sich die Schraubverbindungen im späteren Betrieb im Kryovakuum befinden. Rückstände von Kohlenwasserstoffen sind beim Abpumpen unerwünscht, weil sie die Zeit, um das Vakuum zu erzeugen erheblich verlängern und außerdem auch die Pumpen beschädigen können. Die Schrauben sind unmagnetisch, deshalb bringt die Verwendung von Prüfköpfen mit Magnet keine Vorteile. Der Andruck des Prüfkopfes erfolgt von Hand. Durch die Wasserankopplung ist der Einfluss der Andruckkraft gering. Prüfkopfposition und -orientierung werden durch Schablonen und Kennzeichnung der Schrauben immer in gleicher Weise hergestellt. 5

6 3.1.3 Einfluss von Schraubenlänge und -geometrie Die bekannte Tatsache, dass bei kurzen Schrauben die Messunsicherheit größer wird, ist bei den Messungen bestätigt worden. Allerdings konnte durch die Anwendung des Mehrfachechomodus, bei der die Auswertung zwischen dem ersten und zweiten Rückwandecho erfolgt, der Einfluss einer ungenauen oder fehlerhaften Nullpunktjustierung ausgeschaltet werden. Es wurde festgestellt, dass tatsächlich fehlerhafte, allerdings nicht reproduzierbare Nullpunktjustierungen auftreten können (wahrscheinlich bedingt durch die Wasserankopplung bei der Nullpunktjustierung), die bei der Messung von kurzen Schrauben (Länge < 200 mm mit Klemmlänge < 50 mm) erhebliche Messfehler verursachen. Die Messung von längeren Schrauben wurde zwischen Sendeimpuls und dem ersten Rückwandecho durchgeführt. Damit wurden hier stabile Messergebnisse erreicht. Auch die Messung der längsten Schrauben (Länge 1356 mm) bereitete keine Probleme. Bild 7: Messung einer Schraube M90 bei der Montage Einfluss von Schiefstand der Schrauben Korrekte Messungen sind nur bei geraden, gespannten Schrauben möglich. Das wird durch das Einhalten der für die Superbolt -Muttern vorgegebenen Spannprozedur, nach der immer alle Druckschrauben bei einem bestimmten Drehmoment zum Ausgleich gebracht werden müssen, sichergestellt. Beim ungleichmäßigen Anziehen der Druckschrauben würde ein Schiefstand der Mutter entstehen die Schraube wird gebogen. Äußerlich erkennbar ist dieses an einem ungleichmäßig breiten Spalt zwischen Mutternkörper und Druckscheibe. Insbesondere bei kurzen Schrauben wurde eine sehr starke Abhängigkeit der gemessenen Schraubenkraft von der Prüfkopfposition festgestellt Temperatureinfluss Die Montage des W7-X erfolgt in Hallen mit geringen Temperaturdifferenzen. Dennoch wird durch Verwendung des zum Prüfgerät gehörenden Temperatursensors der Einfluss unterschiedlicher Temperaturen ausgeglichen. 4. Zusammenfassung und Ausblick Für hochbelastete Schraubverbindungen beim Wendelstein 7-X finden Inconel-Schrauben Verwendung, die mit Superbolt gespannt werden. Bei der Montage ist die Ultraschallmethode mit dem Gerät Boltmike III eine praktikable Methode zur Erzielung höchstmöglicher Genauigkeiten bei der Messung der Schraubenvorspannkräfte. Allerdings kommt man bei kurzen Schrauben und Spannlängen an die Grenzen des Verfahrens und es sind teilweise aufwändige Kalibrierungen erforderlich. Aufgrund vieler unterschiedlicher 6

7 Schraubenabmessungen ist eine Vielzahl von Schraubengruppen erforderlich. Es werden während der Montage ca Schrauben verschiedener Abmessungen gespannt und gemessen. Außerdem ist ein Nachmessen der Schraubenkräfte in den verschiedenen Montagephasen und teilweise auch nach Inbetriebnahme vorgesehen. Daher ist eine sorgfältige Dokumentation mit umfangreicher Datensicherung notwendig. 7