Dehnschrauben und Starrschrauben für ... - FlangeValid

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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 + +/- + + + + + + + + +
Seite 1: Sonderdruck aus ,,Dichtungstechnik

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