Ingenieurbüro für Apparate, Rohrleitungs und Dichtungstechnik Technische Information 532 Optimale Schraubenauslastung Im Bereich der Schrauben werden in Flanschverbindungen die Anforderungen an die Schrauben zur Erreichung einer optimalen Schraubverbindung nicht beachtet. Häufig bestimmen die Eigenschaften der Dichtungen die Auslastung der Schrauben. Dabei ist schon festzustellen, dass die üblichen Dichtverbindungen den grundsätzlichen Anforderungen der Schrauben widersprechen. Im Fachbuch Schraubenverbindungen (Wiegand, Kloos, Thomala; Springer Verlag, ISBN13 9783540212829) findet sich folgender Satz: Zur Vermeidung unzulässig großer Setz und/ Kriechbeträge sollten keinesfalls plastische quasielastische Elemente (Dichtungen) mitverspannt werden. Damit eröffnet sich schon ein kritischer Blick der Schraubenfachleute auf die Flanschverbindungen (Abb.1), besonders wenn Dichtungen mit hohem Setz und Fließpotential, wie Dichtungen aus Elastomeren, mit Elastomer gebundenen Fasern PTFE eingesetzt werden. Abb.1: schraubentechnisch ungünstiges System Flanschverbindung Nun ist die beste Schraubenverbindung die mit hoher Vorspannkraft. Hohe Vorspannkräfte sind bei zügig und/ schwingungsbeanspruchten Schraubenverbindungen erforderlich, sie gewährleisten hohe Restklemmkräfte im Betrieb und damit eine zusätzliche Sicherheit bei Vorspannkraftverlusten infolge Setzens und/ Kriechens. Die Auslastung der Schrauben ist laut Schraubenverbindungen bei % Auslastung der Streckgrenze (R p0,2 ) optimal. Zu einem gleichen Schluss kommt Dr. Ing. Marc Seidel in seiner Veröffentlichung Auslegung von Flanschverbindungen mit hochfesten, vorgespannten Schrauben für Windenergieanlagen : Die Schraubenbeanspruchung unter äußerer Last sollte mit % der Streckgrenze als Vorspannkraft angesetzt werden. Damit wird Vorspannkraftverlusten durch Setzen und mögliche geringe Plastifizierung im Betrieb sowie dem Einfluss der Torsion während des Vorspannens Rechnung getragen. Der Vorspannkraftverlust nach 10.000 Minuten (ca. 7 Tage) ist bei voller Streckgrenzauslastung (% R p0,2 ) mit ca. 12% hoher (/% Rp0,2 ) mit ca. 10/6% deutlich höher als bei niedrigerer Streckgrenzauslastung (R p0,2 %) mit 1,5% (Abb.2). Dies ist ein Indikator für die optimale Streckgrenzauslastung von %, wie sie in der Literatur zu finden ist. Geschäftsführer: Schwachhauser Heerstraße 339 Telefon 0421 235623 Gerd Lannewehr, Peter Thomsen D28211 Bremen Telefax 0421 5812 UStNr. DE265362938 Seite 1 von 7 www.flangevalid.com
Ingenieurbüro für Apparate, Rohrleitungs und Dichtungstechnik Abb.2: Rückgang der Vorspannkraft streckgrenzgesteuert vorgespannter Schrauben Im Stahl und Maschinenbau werden Schrauben noch höher ausgelastet. Während es im Maschinenbau durchaus auch üblich ist die Schrauben oberhalb der Streckgrenze zu verspannen, siehe auch streckgrenzgesteuerte Anzugsverfahren, wird im Stahlbau mit % der Zugfestigkeit F m angezogen. Im sogenannten Eurocode (DIN EN 102:0812, Ersatz für DIN 180 7:0811) findet sich unter 8.5 Anziehen planmäßig vorgespannter Schrauben: Nennwert der Mindestvorspannkraft F p,c = 0,7 f ub A s f ub = Nennfestigkeit des Schraubenwerkstoffs A S = Spannungsquerschnitt Das entspricht einer Auslastung der Mindeststreckgrenze R p0,2 von ca. 77% bis 88% je nach der Festigkeitsklasse der Schrauben. Die übliche Auslastung der Streckgrenze R p0,2 hochfester Schrauben (10.9 und 12.9) ist von % auf 77% zurückgenommen und deckt sich damit mit den allgemeinen Erkenntnissen. Niedrig legierte Schrauben, wie die der Festigkeitsklasse 5.6 und 8.8, werden im Stahlbau nicht mehr verwendet, dürften aber höher ausgelastet werden. Geschäftsführer: Schwachhauser Heerstraße 339 Telefon 0421 235623 Gerd Lannewehr, Peter Thomsen D28211 Bremen Telefax 0421 5812 UStNr. DE265362938 Seite 2 von 7 www.flangevalid.com
Ingenieurbüro für Apparate, Rohrleitungs und Dichtungstechnik In der folgenden Tabelle (Tab.1) werden die unterschiedlichen Auslastungen je nach Schraubenfestigkeit einmal vergleichend dargestellt. Tab.1: Schraubenkennwerte nach DIN EN ISO 898 und Vergleich der unterschiedlichen Auslastungsverfahren Festigkeitsklasse nach DIN EN ISO 898 8.8 10.9 12.9 Mindeststreckgrenze R p0,2 in MPa 1) 640 0 10 Mindestzugfestigkeit F m in MPa 0 0 Auslastung mit % R p0,2 optimale Auslastung 448 6 756 Auslastung mit % R p0,2 üblich im Stahl und Maschinenbau 576 810 972 Auslastung mit % F m nach Eurocode DIN EN 10 f. Stahlbau 5 0 840 Auslastung R p0,2 nach Eurocode 88% 77% 77% 1) 1 MPa = 1 N/mm² Der jeweils erreichbaren Schraubenkräfte werden in Tabelle 2 (Tab.2) dargestellt. Tab.2: Schraubenkräfte für Schrauben M in Festigkeitsklasse nach DIN EN ISO 898 8.8 10.9 12.9 Auslastung mit % R p0,2 optimale Auslastung 113 161 189 Auslastung mit % R p0,2 üblich im Stahl und Maschinenbau 1 7 241 Auslastung mit % F m nach Eurocode DIN EN 10 f. Stahlbau 142 179 9 Auslastung R p0,2 nach Eurocode 88% 77% 77% In der folgenden Tabelle werden die Streckgrenzen üblicher Schrauben, z.b. aus nichtrostenden Werkstoffen nach DIN EN ISO 3506 und für Druckgeräte nach DIN EN 10269, dargestellt (Tab.3). Tab.3: Streckgrenzen unterschiedlicher üblicher Schrauben/Mutternwerkstoffe in N/mm² 5.6 YK (CK35, C35E) 8.8 A2/A0 A2/A4 KG (CrMo4) GA (21CrMoV57) GC / B7 (42CrMo4 / ASTM A193 Gr. B7) 640 210 0 440 7 Die empfohlenen Anzugsmomente verschiedener Werkstoffe und Schraubenformen, wie z. B. mit Vollschaft (Tab.4) Dehnschaft (Tab.5) bzw. mit Vollschaft und zölligen, imperialen Gewinden (Tab.6) werden in den nächsten Tabellen gelistet. Ebenfalls sind die Vorspannkräfte bei % Streckgrenzauslastung R p0,2 genannt. Geschäftsführer: Schwachhauser Heerstraße 339 Telefon 0421 235623 Gerd Lannewehr, Peter Thomsen D28211 Bremen Telefax 0421 5812 UStNr. DE265362938 Seite 3 von 7 www.flangevalid.com
Ingenieurbüro für Apparate, Rohrleitungs und Dichtungstechnik Tab.4: Anzugsmomente in und Vorspannkräfte in Vollschaftschrauben für übliche Schraubengrößen und Werkstoffe bei Reibungskoeffizient 0,12 für eine Streckgrenzauslastung um ca.% R p0,2 Nenngröße des Gewindes M Maßeinheit 5.6 YK (CK35, C35E) 8.8 A2/A4 50 KG (CrMo4) A2/A4 bis M39 GA (21CrMoV5 7) GC (42CrMo4) R p0,2 1.000 N/mm² 10 12,2 26,0 15 8,5 17,9 40 22,3 50 29,6 40,6 12 35 17,6 75 37,6 12,3 50 26,4 32,3 42,9 58,8 14 16 24,2 33,0 51,5,3 40 16,9 23,1 35,4 1 49,4 44,3 1,4 140 58,8 2,2 1,5 109,9 18 40,3 2 88,7 28,2 1,3 2 73,9 98,1 134,4 1 51,5 3 113,0 36,0 0 76,9 94,3 1,1 171,5 22 24 2 63,6 74,1 140,0 650 163,0 150 44,6 0 51,9 3 95,1 4 110,7 116,5 5 136,0 154,8 0,4 740 212,3 950 247,3 27 96,4 0 212,0 67,5 0 143,5 750 176,5 234,6 321,6 0 118,0 1 9,0 82,5 850 177,4 216,0 286,8 10 392,9 33 0 146,0 321,0 102,1 218,0 267,0 10 354,6 486,4 36 172,0 377,0 0,1 1 6,5 0 315,0 2 417,1 3 572,2 39 1 5,0 0 1,0 0 143,5 10 7,0 2 376,0 0 497,1 40 682,8 42 10 235,0 3 517,0 164,6 2 352,0 431,0 30 5,9 50 783,6 00 273,0 4 1,0 191,1 0 408,0,0 40 662,4 6 910,2 48 2 9,0 50 679,0 216,1 3 462,0 4 566,0 50 748,8 1029,2 52 0 3,0 60 813,0 2 8,7 00 553,0 50 678,0 7 896,5 0 1232 56 30 426,0 8 938,0 289,4 0 637,0 60 782,0 00 1034,8 100 1421,0 Die Werte sind sinnvoll gerundet, Quelle: Grohmann, Wissenswertes über Edelstahlschrauben, 1991 Geschäftsführer: Schwachhauser Heerstraße 339 Telefon 0421 235623 Gerd Lannewehr, Peter Thomsen D28211 Bremen Telefax 0421 5812 UStNr. DE265362938 Seite 4 von 7 www.flangevalid.com
Ingenieurbüro für Apparate, Rohrleitungs und Dichtungstechnik Tab.5: Anzugsmomente in und Vorspannkräfte in für Schrauben mit Dehnschaft für übliche Schraubengrößen und Werkstoffe bei Reibungskoeffizient 0,12 für eine Streckgrenzauslastung um ca. % R p0,2 Nenngröße des Gewindes M 10 12 14 16 18 22 24 27 33 36 39 42 48 52 56 Maßeinheit 5.6 YK (CK35, C35E) 12 7,5 11,0 35 15,3 22,2,9 110 34,5 150 44,3 0 49,8 64,5 81,3,0 650 116,0 0 143,0 162,5 194,0 216,5 2 8,5 297,5 8.8 A2/A4 50 8 5,6 15 8,2 11,5 40 16,6 50 19,4,9 33,2 37,3 48,4 0 2,3 350 75,0 4 87,2 107,3 0 121,9 0 1,4 162,3 194,0 223,2 KG (CrMo4) A2/A4 bis M39 11,7 36 17,3 55 24,0 34,8 1 40,7 54,2 240 69,6 78,2 0 101,5 0 128,0 0 157,0 182,5 2,0 5,5 5,0 340,0 3 407,0 40 468,0 GA (21CrMoV5 7) 14,6 21,6,0 43,5 1 50,8 2 67,8 87,0 3 97,8 126,5 0 1,0 196,5 1 228,5 0 281,0 2 319,0 381,0 3 4,0 40 508,0 50 585,0 Die Werte sind sinnvoll gerundet, Quelle: Grohmann, Wissenswertes über Edelstahlschrauben, 1991 GC (42CrMo4) 35 19,3 28,5 38,2 150 57,6 0 67,3 2 89,6 114,9 123,5 0 167,4 211,6 2,0 2,1 372,3 0 422,2 504,4 4 562,6 0 672,9 60 773,8 R p0,2 1.000 N/mm² 26,6 39,2 1 54,6 210 79,1 92,4 123,2 158,2 675 177,8 985 2,3 2,5 10 357,0 2 415,1 511,0 5,3 40 692,3 50 773,0 924,0 9 1063,0 Geschäftsführer: Schwachhauser Heerstraße 339 Telefon 0421 235623 Gerd Lannewehr, Peter Thomsen D28211 Bremen Telefax 0421 5812 UStNr. DE265362938 Seite 5 von 7 www.flangevalid.com
Ingenieurbüro für Apparate, Rohrleitungs und Dichtungstechnik Tab.6: Anzugsmomente in und Vorspannkräfte in für Stud and Heavy HexBolts mit Gewinde UNC/8 UN aus ASMEWerkstoffen für übliche Schraubengrößen und Werkstoffe bei Reibungskoeffizient 0,12 für eine Streckgrenzauslastung um ca. % R p0,2 Nenngröße des Gewindes (Imperial) Steigung Maßeinheit A193 B7, B16 A 3 L7 A354 BC A193 B8, B8C, B8T, B8M, B8P Streckgrenze vom Ø abhängig warmkaltverfestigt abgeschreckt KG (CrMo4) A2/A4 bis 1 1/2 B) 8.8 B) R p0,2 1.000 N/mm² 1/2 UNC 5/8 UNC 46,1 0 74,0 110 47,9 210 76,9 43,9 1,4 13,2 21,2 28,0,0 40,1 64,3 140 63,7 102,2 3/4 UNC 350 109,0 3 113,0 3 103,7 31,2 210 66,2 94,8 4 150,5 7/8 UNC 5 151,0 5 156,9 4 115,1 1 43,2 340 91,8 4 131,4 7 8,6 1 UNC 850 198,2 8 5,8 6 151,1 240 56,7,4 7 172,4 1150 273,7 1 1/8 8 UN 1 1/4 8 UN 0 8,5 326,9 1 268,5 339,5 750 159,9 0 155,8 340 73,9 4 93,5 7 157,1 198,7 224,9 1 284,4 1650 357,0 2 1,5 1 3/8 8 UN 402,9 2 418,5 192,0 640 115,2 244,8 00 350,6 3 556,5 1 1/2 8 UN 488,0 0 506,9 232,6 8 139,5 0 296,6 00 424,7 0 674,1 1 5/8 8 UN 30 581,8 0 4,3 166,4 2 353,6 3 506,3 50 3,6 1 3/4 8 UN 40 6,1 40 6,4 1 194,5 413,3 4 591,8 6 939,4 1 7/8 8 UN 50 788,0 00 818,6 2,3 3 478,9 0 685,8 00 1088,5 2 8 UN 00 5,7 7 940,7 00 8,9 4,4 6 788,0 90 10,9 2 1/4 8 UN 0 1164,1 10 9,1 332,8 60 7,5 80 1012,4 0 17,9 2 1/2 8 UN 0 12,0 100 1508,1 0 415,1 8 881,1 1 1263,5 19 05,5 B) Die Werte sind sinnvoll gerundet, Quelle: Grohmann, Wissenswertes über Edelstahlschrauben, 1991 Die Werte gelten wegen der abweichenden Größe der Auflageflächen nicht für Schrauben mit Muttern nach DIN 934 ISO 4032, siehe Poster Gegenüberstellung der Schlüsselweiten verschiedener Muttern unter www.flangevalid.com/ressourcen/schrauben Bei Flanschverbindungen sollten grundsätzlich Dichtungen, wie Grafit Metall Weichstoffdichtungen eingesetzt werden, die ein möglichst niedriges Fließ bzw. Setzpotential Geschäftsführer: Schwachhauser Heerstraße 339 Telefon 0421 235623 Gerd Lannewehr, Peter Thomsen D28211 Bremen Telefax 0421 5812 UStNr. DE265362938 Seite 6 von 7 www.flangevalid.com
Ingenieurbüro für Apparate, Rohrleitungs und Dichtungstechnik haben, wie Wellring, Spiral Kammprofildichtungen. Hier kann dann auch PTFE als Weichstoff verwendet werden. Warnung: Die im Markt auf Grund der fehlenden falschen Normung der Geometrie angebotenen Dichtungen sind nicht immer von ausreichender Qualität. Besonders gilt dies für Kammprofildichtungen, denn nach Norm wird für PTFE eine zu dicke Auflage vorgeschrieben und dadurch hat diese Dichtung ähnliche Fließeigenschaften wie eine Flachdichtung aus Plattenmaterial. Es ist grundsätzlich die Festigkeit der Flansche zu beachten, gegebenenfalls ist diese rechnerisch zu überprüfen. Diese Berechnungen führen wir gerne für Sie durch. Bei Vorschweißflanschen hat sich seit Jahrzehnten die Anwendung von Grafit und MetallWeichstoffdichtungen mit % ausgelasteten Schrauben bewährt. Mehr zu Schrauben, Flanschen, Dichtungen und Dichtsystemen und deren Montage finden Sie in dem von uns herausgegebenen Dichtungsvademecum (ISBN13: 9783934736238, PP Publico Publications, www.pppublico.de), in der lizensierten Übersetzung der ASME PCC1 10 zur Montage von genormten Stahlflanschverbindungen (ISBN13: 9783934736221, PP Publico Publications, www.pppublico.de) und in unserem Handbuch Technische Informationen für Dichtverbindungen (www.flangevalid.com). Unser neustes Buch 10 Schritte zur optimalen, auf Dauer technisch dichten Dichtverbindung (ISBN13: 9783934736276) ist beim Verlag PP Publico Publications herausgekommen. Weitere interessante Informationen zu verschiedenen Themen finden Sie auf der Homepage www.flangevalid.com. Zur technischen Beratung stehe ich Ihnen selbstverständlich gerne auch kurzfristig persönlich zur Verfügung. Mit freundlichen Grüßen aus Bremen Peter Thomsen Haftungsausschluss: Die Inhalte der Regeln sind zum Teil zitiert, zum Teil in den Worten der Regeln wiedergegeben, die Anmerkungen und Auslegungen beruhen auf langjähriger Erfahrung, dienen der Entscheidungshilfe und begründen keinen Anspruch auf Gewährleistung. Peter Thomsen / flangevalid Stand 23.06.16 Geschäftsführer: Schwachhauser Heerstraße 339 Telefon 0421 235623 Gerd Lannewehr, Peter Thomsen D28211 Bremen Telefax 0421 5812 UStNr. DE265362938 Seite 7 von 7 www.flangevalid.com