Hochfeste Schraubenverbindungen sind immer dort im Einsatz, wo große Klemmkräfte erforderlich sind, um zwei oder mehrere Bauteile so miteinander zu verbinden, dass sie sich trotz Lösbarkeit wie ein einzelnes Bauteil verhalten. Diese Klemmkraft muss dabei so hoch sein, dass ein Durchrutschen oder Aufklaffen der Trennfuge(n) verhindert oder die Dichtheit gegen Austreten von Fluiden sichergestellt wird. Die zur Aufrechterhaltung der Klemmkraft benötigte Vorspannkraft in der Schraube geht bei jeder Schraubenverbindung nach der Montage aus unterschiedlichen Gründen in jedem Fall zurück, die Höhe des Rückganges kann allerdings sehr unterschiedlich ausfallen. Maßgebliche Einflussfaktoren auf die Vorspannkraftrelaxation stellen die Werkstoffe im Kraftfluss sowie die mechanischen und vor allem thermischen Belastungen im Betrieb dar. Besonders bei verspannten Leichtmetallen und Kunststoffen kann die Abnahme der Vorspannkraft kritische Ausmaße erreichen; ein Rückgang um die Hälfte ist keine Seltenheit. Bisher gibt es allerdings noch keine universelle bzw. standardisierte Vorhersagemöglichkeit der Vorspannkraftrelaxation, was der Grund dafür ist, dass das Thema Gegenstand verschiedener Forschungsaktivitäten ist. In diesem Beitrag wird eine Methode vorgestellt, um auf Basis der thermischen Belastungen die Vorspannkraftrelaxation bei Aluminium-Rohrflanschen voraussagen zu können. Hierzu wird ein von (Hubbertz 2020) entwickeltes Berechnungsmodell genutzt, um den Rückgang der Vorspannkraft bei Aluminiumflanschen aufgrund der im Betrieb gemessenen Temperaturen zu bestimmen. Die materialabhängigen Parameter für die Berechnung werden hierfür in Laborversuchen an der Universität Siegen ermittelt. In weiteren Versuchsreihen werden verschraubte Aluminiumflansche verschiedenen Temperaturbelastungen im Ofen ausgesetzt und der Vorspannkraftrückgang gemessen. Unabhängig davon findet die Berechnung statt, die diesen Rückgang ebenfalls anhand der Materialparameter ermittelt. Diese Ergebnisse werden anschließend vergleichend gegenübergestellt. Mit der hier vorgestellten Methode kann mittels Messung der Temperatur auf die verbleibenden Vorspannkräfte an den Rohrflanschen geschlossen werden. Hieraus ergibt sich die Möglichkeit, eine erforderliche Remontage der Flansche zu erkennen, bevor diese undicht werden. Somit besteht die Möglichkeit, eine vorausbestimmte Instandhaltung in Richtung einer voraussagenden Instandhaltung zu verändern. Durch die hohen Kosten einer vorausbestimmten Instandhaltung bei entsprechend hoher Anzahl von Flanschverbindungen insbesondere in der Chemieindustrie ergibt sich ein Interesse in der Voraussage des Vorspannkraftverlaufs temperaturbelasteter Schraubenverbindungen.

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Vorhersage der Vorspannkraftrelaxation von Schraubenverbindungen auf Basis der Temperaturbelastungen bei Aluminium-Rohrflanschverbindungen

  • Hendrik Hubbertz,
  • Jens Peth,
  • Dino Guggolz,
  • Tobias Held

摘要

Hochfeste Schraubenverbindungen sind immer dort im Einsatz, wo große Klemmkräfte erforderlich sind, um zwei oder mehrere Bauteile so miteinander zu verbinden, dass sie sich trotz Lösbarkeit wie ein einzelnes Bauteil verhalten. Diese Klemmkraft muss dabei so hoch sein, dass ein Durchrutschen oder Aufklaffen der Trennfuge(n) verhindert oder die Dichtheit gegen Austreten von Fluiden sichergestellt wird. Die zur Aufrechterhaltung der Klemmkraft benötigte Vorspannkraft in der Schraube geht bei jeder Schraubenverbindung nach der Montage aus unterschiedlichen Gründen in jedem Fall zurück, die Höhe des Rückganges kann allerdings sehr unterschiedlich ausfallen. Maßgebliche Einflussfaktoren auf die Vorspannkraftrelaxation stellen die Werkstoffe im Kraftfluss sowie die mechanischen und vor allem thermischen Belastungen im Betrieb dar. Besonders bei verspannten Leichtmetallen und Kunststoffen kann die Abnahme der Vorspannkraft kritische Ausmaße erreichen; ein Rückgang um die Hälfte ist keine Seltenheit. Bisher gibt es allerdings noch keine universelle bzw. standardisierte Vorhersagemöglichkeit der Vorspannkraftrelaxation, was der Grund dafür ist, dass das Thema Gegenstand verschiedener Forschungsaktivitäten ist. In diesem Beitrag wird eine Methode vorgestellt, um auf Basis der thermischen Belastungen die Vorspannkraftrelaxation bei Aluminium-Rohrflanschen voraussagen zu können. Hierzu wird ein von (Hubbertz 2020) entwickeltes Berechnungsmodell genutzt, um den Rückgang der Vorspannkraft bei Aluminiumflanschen aufgrund der im Betrieb gemessenen Temperaturen zu bestimmen. Die materialabhängigen Parameter für die Berechnung werden hierfür in Laborversuchen an der Universität Siegen ermittelt. In weiteren Versuchsreihen werden verschraubte Aluminiumflansche verschiedenen Temperaturbelastungen im Ofen ausgesetzt und der Vorspannkraftrückgang gemessen. Unabhängig davon findet die Berechnung statt, die diesen Rückgang ebenfalls anhand der Materialparameter ermittelt. Diese Ergebnisse werden anschließend vergleichend gegenübergestellt. Mit der hier vorgestellten Methode kann mittels Messung der Temperatur auf die verbleibenden Vorspannkräfte an den Rohrflanschen geschlossen werden. Hieraus ergibt sich die Möglichkeit, eine erforderliche Remontage der Flansche zu erkennen, bevor diese undicht werden. Somit besteht die Möglichkeit, eine vorausbestimmte Instandhaltung in Richtung einer voraussagenden Instandhaltung zu verändern. Durch die hohen Kosten einer vorausbestimmten Instandhaltung bei entsprechend hoher Anzahl von Flanschverbindungen insbesondere in der Chemieindustrie ergibt sich ein Interesse in der Voraussage des Vorspannkraftverlaufs temperaturbelasteter Schraubenverbindungen.