Dehnschrauben und Starrschrauben für ... - FlangeValid

Sonderdruck aus ,,Dichtungstechnik . 2. Jahrgang. Heft 2 . Dezember 1999 . Seiten 101 - 103
Dehnschrauben oder Starrschrauben für
Flanschverbindungen
Peter Thomsen
VULKAN-VERLAG IM HAUS DER TECHNIK HOLLESTRASSE 1g 45127 ESSEN

Dehnschrauben oder Starrschrauben für
Flanschverbindungen
lm folgenden soll ermittelt werden, ob
Dehnschrauben oder Starrschrauben
vorleilhafter sind.
Nach der DIN 2510 sind Dehnschrauben
besonders zweckmäßig für Konstruktionen,
die durch wechselnde Betriebskräfte
und wechselnde Temperaturen
beansprucht werden (Apparate,
Rohrleitungen, Turbinen).
,,Das günstige Verhalten der Dehnschrauben
beruht auf ihrer Elastizität,
insbesondere darauf, daß sie bei gleicher
Vorspannkraft eine größere elastische
Längenänderung aufweisen als
Starrschrauben-Verbindungen. Aus diesem
Verhalten ergibt sich eine Reihe von
Vodeilen:
> Dehnschraubenverbindungen zeigen
eine gute Dauerhaltbarkeit, denn die
Zusatzbeanspruchungen der Schrauben
selbst durch wechselnde Betriebskräfte
und Temperaturdehnungen
sowie Biegemomente sind herabgesetzt.
> Der Vorspannungsabfall während des
Betriebes durch Kriechen des Werkstoffs,
Setzerscheinungen in den
Kräfte übertragenden Flächen der
Schraubenverbindung und der verspannten
Teile sowie durch Verbiegen
der Gewindegänge ist geringer.
> Die Höhe der aufgebrachten Vorspannung
ist unter bestimmten Voraussetzungen
in einfacher Weise über die
Längenänderung der Schrauben zu
messen.
Die Mindest-Dehnschaftlänge der
Schrauben soll das Zweifache, möglichst
das VierJache des Gewindedurchmessers
betragen. Bei zu geringer Flanschdicke
ist die Verwendung von Dehnhülsen
vorgesehen, um ausreichende
Elastizität insbesondere bei temperaturbeanspruchten
Schraubenverbindungen
zu erhalten. Das Verhältnis von Gewindekerndurchmesser
zu Dehnschaftdurchmesser
von etwa 1,1 wurde mit
Hinblick auf die Tragfähigkeit und Elastizität
der Dehnschrauben gewählt. Der
verhältnismäßig kleine Übergangswinkel
zwischen Dehnschaft und Gewinde ergibt
einen günstigen Kraftflußverlauf und
verbessert die Lastverteilung im eingeschraubten
Gewinde."
Die Norm geht davon aus, daß bei
gleicher Schraubengröße sowohl die
Dehnschraube als auch die Starrschrau-
be mit dem gleichen Anzugsmoment angezogen
werden. Dieses Verhalten führt
zwangsläufig zu einer größeren Dehnung
in der Dehnschraube, weil für die Berechnung
des Drehmomentes der Spannungsquerschnitt,
in diesem Fall der
Durchmesser des Dehnschaftes, zugrunde
gelegt wird. Bei der Starrschraube
errechnet sich der Spannungsquerschnitt
aus der Mitte zwischen Gewindekern-
und Flankendurchmesser des Gewindes.
Der Spannungsquerschnitt der
Dehnschraube entspricht nur 75 o% des
Spannungsquerschnittes der Starrschraube.
ln der Literatur ist kein rechnerischer
Nachweis dafür zu finden,
warum der Dehnschaftdurchmesser
gleich Kerndurchmesser mal 0,9 sein
soll.
Bild 1 zeigt die Ermittlung des optimalen
Einsatzbereiches eines Werkstoffes
und das daraus resultierende Leistungsvermögen
einer Schraube am Beispiel
von einer Schraube N,420 aus verschiedenen
Werkstoffen. Zu jedem Werkstoff
und zu jedem gewünschten Spannungs-
Uso isl tier ilnsicherheitsinktor n der ScllratrbenkratlerzerLsur!
Peter Thomsen
Peter Thomsen-
I ndustrie-Vertretung
Harpstedt
zustand muß das Drehmoment ermittelt
werden. Dieses führt dazu, daß das
Drehmoment bei gleichem Werkstoff
und gewünschtem Spannungszustand
bei einer Starrschraube höher ist als bei
einer Dehnschraube.
Dafür ist aber die Kraft, die mit einer
Starrschraube erreicht wird, erheblich
höher. Bei entsprechender Vorspannkraft
muß deshalb davon ausgegangen
werden, daß bei Beanspruchung durch
Bild 1: Anwendungsbereich einer Schraube am Beispiel einer Schraube M20

Tab. 1: Darstellung der edorderlichen Gewindegröße um eine Kratt
von 70 kN zu erreichen bei ca. 70 o% Steckgrenze und Beibzahl
RZ 0,10)
Dehnschraube
Vollschraube
Dehnschraube
Vollschraube
Dehnschraube
Vollschraube
Dehnschraube
Vollschraube
Vollschraube
Vollschraube
1 ..1 181 Ck 35
1 .1 181
1.7258 24CrMo5
1.1758
1.7709 21CrMoY57
1.7709
1.7711 4OCrMoY47
5.6
8.8
109
wechselnde Wärme und wechselnde
Betriebskräfte beide Schraubenarten
gleiches Verhalten zeigen.
Tabelle 1 zeigl, daß mit einer Vollschraube
zur Erreichung der gleichen
Kraft kleiner dimensionierl werden kann
als mit einer Dehnschraube. Somit können
auch die benötigten Anzugskräfte
reduziert werden. Gleichzeitig wird auch
veranschaulicht, welchen Einfluß eine
mögliche Werkstoffauswahl auf die Dimensionierung
hat. Höher festere Werkstoffe
haben in der Regel eine geringere
Dehnung. Bei den Schrauben der Güten
5.6, B.B, 10.9 usw. ist die Dehnung auf
eine geringe Mindestgrenze genormt.
Dieses erlaubt ein relatrv hohes Vergüten
der Werkstoffe.
Das Biegeverhalten einer Dehnschraube
ist wegen des dünnen Dehnschaftes
besser als das der Starrschraube. Bei
schief zueinander stehenden Flächen
unter der Mutter wird bei der Starrschraube
im ersten freien Gewindegang
unter der Mutter auf Kerbung beansprucht.
Bei den heute üblicherweise
verwendeten gerollten Gewinden ist
durch die kleinen Radien im Gewindekern
davon auszugehen, daß die Kerbwirkung
durch Biegung erheblich reduziert
ist.
Daß Dehnschrauben sich mehr dehnen
sollen als Starrschrauben ist eine
falsche Annahme. Die Dehnung ergibt
M27
M22
M22
M20
M20
M1B
M18
M24
M16
M12
Tab.2: Umfang der Berechnungsnormen und Literatur
AD-Merkblatt 87 (1986)
DrN V 2505 (1 986)
vDr 2230 (1986)
DIN 2505 Entwurf, T1+2 (1990)
DIN EN .159.1 Entwurf (1994)
ASME Sec. 3, Div. 2
Taylor-Forge
Optimierung von Flanschverb.
275Nm
225Nm
205Nm
1 90Nm
1 95Nm
1 75Nm
1 B0Nm
220Nm
1 55Nm
1 25Nm
9 Seiten
10 Seiten
86 Seiten
39 Seiten
35 Seiten
18 Seiten
46 Seiten
96 Seiten
sich nur aus der Materiallänge und nicht
aus dem Materialdurchmesser.
Bei temperaturbeanspruchten Verbindungen
kann die Starrschraube auch
Vorteile haben, denn die erheblich
größere Materialoberfläche läßt eine
stärkere Kühlung zu, weil über die Oberfläche
die Wärme abgeleitet wird.
Fur die Auslegung einer Schraube ist
das ganze zu verspannende System zu
beachten. Für die Berechnung von kraftschlüssigen
Verbindungen kann die VDI
2230 herangezogen werden. lm Anlagenbau
haben wir es bei den Flanschen
im wesentlichen mit Krafthebelsystemen
zu tun. Die Berechnung ist komplex und
wird durch die VDI 2230 nicht geleistet.
Das Hauptproblem f ur die richtige
Tab. 3: Vor- und Nachteile von Dehn- und Starrschrauben
Schraubendimensionierung ist hier das
Nichtvorhandensein einer gültigen Berechnung.
Die Berechnung erfolgt nach
AD-Merkblatt B7 oder DIN V 2505. Beide
werden den Ansprüchen an eine richtige
Berechnung nicht gerecht, schon
deshalb, weil mit falschen Dichtungskennwerten
berechnet wird.
Der Entwurf der DIN 2505 zeigt schon
eine erheblich komplexere, auf verschiedene
Verspannungssysteme eingehende
Methode, hat aber Fehler in den Annahmen
der Berechnung. Der europäische
EntwurJ DIN EN 1591 ist noch komplexer,
aber noch nicht abgeschlossen. Bei
der Berechnung der auf die Schraube
maximal auftretenden Kraft wird nur davon
ausgegangen, daß die Schraube
nicht überdehnt werden darf. Die Anforderung
an die Schraube, die eine gewisse
Mindestdehnung zur guten Funktion
der Verbindung verlangt, wird nicht
berücksichtigt.
Tabelle 2 zeigt den unterschiedlichen
Umfang der Berechnungen. Der Umfang
läßt einen Bückschluß über die Komplexität
des Ansatzes zu. Einer der umfangreichsten
Ansätze, die VDI 2230 schließt
aber die Berechnung hebelnder Systeme
aus.
Die Dehnschrauben haben insbesondere
in der Form K, mit kurzem Gewinde
den Nachteil, daß sie genau ausgelegt
werden müssen. Sollte die Verbindung
stärker zusammengezogen werden, besteht
die Gefahr, daß die Mutter in den
Dehnschaftbereich gedreht wird und damit
ihre Gewinde nicht mehr voll tragen
können. Die Überwacher fl-ÜV) haben
früher deshalb häufig moniert, wenn die
Gewinde mehr als zwei Gänge aus der
Mutter schauen. Bei Starrschrauben besteht
die Gefahr eines solchen Montagefehlers
nicht.
Bei der Demontage, insbesondere im
explosionsgeschützten Bereich, hat der
Gewindebolzen mit seinen zwei Muttern
den Vorteil, daß es mit hoher Wahrscheinlichkeit
gelingt, eine der beiden
Aussage Dehnschraube Starrschraube
Gewindebolzen
besser bei Kalt- und Warmwechsel
Verschraubung für hohe Temperatur
Verringerung der Kerbwirkung bei Biegung
kontrolliede Dehnung
große Krafi bei minimalem Querschnitt
Austauschbarkeit wenn Länge nicht vorhanden
Herstel lungskosten
Lösen der Verbindung
Zentrieren der Dichtung bei Rohrleitungen
+
+/-
+
+
+
+
+
+
+
+
+

5.6 8.8
193Gr.87
Schritt 3 (möglich wlrd meistens nicht mehr vo zogen)
Muttern zu lösen und somit den Bolzen
zu entfernen, ohne ihn durchflexen oder
durchbrennen zu müssen (besonders
vofteilhaft bei Demontage in explosionsgefährdeten
Bereichen).
Tabelle 3 stellt die Vor- und Nachteile
der Schraubentypen dar. Die einzelnen
Punkte sind zum Teil subjektiv bewertet.
Vor- und Nachteil ergeben sich zum Teil
auch aus lnteressenlagen. So haben Anlagenbetreiber
die Schrauben standardisiert
und wo es nur geht auf Gewinde-
21CrMoV57
*)
bei Schrauben für Druckbehäter ist darauf zu achten. dass die Schraube I B mrt TÜV Abiahme d e 5.6 aber nur mit
Herste erze chen bezogen werden muß
Bild 2: Beispiel eines Entwicklungsablaufes zur Reduzierung der Schraubenvielfalt
bolzen umgestellt. Hier kann man ganz
klar das lnieresse an hoher Veffügbarkeit
zu günstigem Preis erkennen. Sollte einmal
für eine Reparatur eine bestimmte
Schraubenlänge im Lager fehlen, nimmt
man einfach einen längeren Bolzen oder
schneidet sich einen Bolzen von einer
Gewindestange ab. Hierzu ist die Genehmigung
zur Umstempelung vorausgesetzt.
Des weiteren erlaubt diese Umsteliung
ein Erstellen übersichtlicher
Montageanzugsmomenttabellen. Bei
gleichzeitiger Standardisierung der
Werkstoffe kann die Verwechslungsgefahr
reduzied werden. Kraftwerke sind
hier erheblich benachteiligt (Bild 2).
Es ist festzustellen, daß die Dehnschraube
Vorteile hat, die von der Starrschraube
nicht geleistet werden können.
Die Vorteile der Starrschraube gegenüber
der Dehnschraube sprechen aber
auch für sich. Man kann sich des Eindruckes
nicht erwehren, daß es sich um
eine Schutznorm vor ausländischem
Wettbewerb handelt, denn Dehnschrauben
kommen aus dem deutschen Anlagenbau
und wurden weltweit so nicht
eingesetzt.
Literatur
[1] DIN 2510 Teil 3
l2l vDt 2na
l3l AD-Merkblatt 87
[4] DrN V 2505
[5] DIN 2505 EntwurJ
[6] DIN EN 1591 Entwurf
[7] ASME Section 3, Division 2
[B] Schraubenvademecum, Bauer &
Schaurte Karcher, Neuss
[9] Wissenswertes über Edelstahlschrauben,
Gebr. Grohmann, Löhne
l10l Dichtungspraxis, div. Autoren, Vulkan-
Verlag, Essen
[.1 1] Modern Flange Design, Bulletin 502,
Taylor Forge
[12] Die Optimierung verschraubter Flanschverbindungen,
Tückmantel