Die Überwachung der tatsächlichen Vorspannung beim Anziehen einer Schraube ist eine der heikelsten Aufgaben in der mechanischen Montage. Die herkömmliche Methode – die Drehmomentprüfung mit einem Drehmomentschlüssel – ist mit einer hohen systembedingten Unsicherheit behaftet, da das aufgebrachte Drehmoment erst nach Überwindung der Gewinde- und Kopfreibung in eine axiale Belastung umgewandelt wird. Diese beiden Größen sind schwer zu quantifizieren und variieren von Schraube zu Schraube. Die differentielle Ultraschallmessung zur Bestimmung der elastischen Dehnung überwindet diese Einschränkung, indem sie die Wirkung des Anziehens auf die Schraube direkt misst.
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RODER SRL vertreibt in Italien Ultraschallprüfgeräte von Dakota Ultrasonics für die Zugprüfung von Schrauben und Zugstangen. Einen ersten Überblick zum Thema bietet unser Artikel „ Systeme zur Prüfung von Dehnung und Zug an Schrauben und Zugstangen “. Dieser Beitrag konzentriert sich auf die technischen und regulatorischen Aspekte: Messprinzip, ASME PCC-1-Konformität, Geräteauswahl und typische industrielle Anwendungen.
Prinzip der differentiellen Ultraschallmessung
Beim Anziehen einer Schraube dehnt sie sich elastisch proportional zur aufgebrachten axialen Last (Hookesches Gesetz). Die Dehnung liegt bei Standard-Industrieschrauben in der Größenordnung von Hundertstel Millimetern, ist aber mit differentiellen Ultraschallverfahren perfekt messbar.
- Es wird gemessen Flugzeit eines Ultraschallimpulses im unbelasteten Bolzen (Anfangslänge L₀).
- Die Spannung wird erhöht.
- Die Flugzeit in der angezogenen Schraube wird erneut gemessen (Länge L₀ + ΔL).
- Die Differenz ΔL/L₀ ist über den Elastizitätsmodul des Materials und einen für die Bolzengeometrie spezifischen Kalibrierungskoeffizienten proportional zur axialen Last.
Die Genauigkeit der Dakota-Schraubenspannungsüberwachung liegt in der Größenordnung von 0,0001 mm über die Flugzeit, was einer typischen Unsicherheit von ±2 bis 5 % über die axiale Last entspricht – eine Größenordnung besser als die Drehmomentregelung.
ASME PCC-1: der Referenzstandard
ASME PCC-1 ( Pressure Boundary Bolted Flange Joint Assembly ) ist der internationale Referenzstandard für das kontrollierte Anziehen von Schraubflanschen in druckbeaufschlagten Systemen wie Wärmetauschern, Druckbehältern, Dampferzeugern und kritischen Rohrleitungssystemen. Der Standard beschreibt detaillierte Verfahren zur Gewährleistung eines gleichmäßigen Anziehens und einer gleichmäßigen axialen Belastung gemäß den Konstruktionsvorgaben und reduziert so das Risiko von Leckagen und Blow-by erheblich.
Anhang K der ASME PCC-1 befasst sich mit der „Überprüfung der Schraubenkraft mittels Ultraschallmessung“ und definiert Verfahren, Kalibrierung und Abnahmekriterien für die Ultraschallmessung der Schraubenkraft. Eine detaillierte Beschreibung des Verfahrens finden Sie in: ASME PCC-1: Der Referenzstandard für die Überprüfung des kontrollierten Flanschdrehmoments.
Weitere Normen, die für bestimmte Anwendungen relevant sind:
- ASTM E1736 — Standardverfahren zur Ultraschallmessung der axialen Schraubenspannung.
- API 6A / API 17D — Anwendungen im Bereich der Bohrlochköpfe und der Unterwasser-Öl- und Gasindustrie.
- VDI 2230 — systematische Berechnung hochfester Schraubverbindungen.
- EN 1591 — Berechnung von kreisförmigen Flanschen mit Dichtung.
Wenn die Drehmomentregelung nicht ausreicht
Der Wechsel von der herkömmlichen Drehmomentregelung zur Ultraschallregelung ist gerechtfertigt – und oft sogar zwingend erforderlich –, wenn die axiale Belastung für Sicherheit, Zuverlässigkeit oder Dichtheit kritisch ist. Die wichtigsten Anwendungsfälle sind:
- Kritische Flansche an Druckbehältern — Die Lastverteilung zwischen den Schrauben führt zu Leckagen, Verformungen der Dichtung und dem Bedarf an anschließendem Nachfüllen.
- Bolzen mit großem Durchmesser (M30 und höher) — die prozentuale Unsicherheit der Drehmomentregelung wird sehr hoch.
- Sehr lange Spurstangen (Turbinen, Dampferzeuger, Industriegetriebe) — Es ist nicht möglich, das Drehmoment zu steuern, da Sie mit hydraulischen Traktionszylindern arbeiten.
- Spezialschmierstoffe, Anti-Seize-Mittel, Beschichtungen —sie verändern die Gewindereibung und damit das Drehmoment-/Lastverhältnis auf unvorhersehbare Weise.
- Schrauben aus Edelstahl oder Speziallegierungen — die Gefahr des Fressens erfordert ein sehr vorsichtiges Anziehen, das durch eine Drehmomentkontrolle nicht gewährleistet werden kann.
- Dokumentenrückverfolgbarkeit — wenn der Kunde die Erfassung der tatsächlichen Last verlangt (Öl & Gas, Schiene, Wind, Kernenergie).
Dakota NDT-Geräte: BT1-DL und BT2-DL
Dakota stellt zwei Geräte zur Ultraschallmessung von Schraubenlasten her. Sie verwenden die gleiche Datenerfassungselektronik und unterscheiden sich in Bauform und Funktionsumfang.
- Dakota BT1-DL (MiniMax) —tragbares, leichtes, batteriebetriebenes Spannungsmessgerät. Es ist die typische Wahl für Feldmessungen direkt am Anzugspunkt, an Baustellenkonstruktionen und an Rohrleitungsflanschverbindungen.
- Dakota BT2-DL (Max II) — Tischversion der Spitzenklasse, ideal für Werkstätten, Testlabore, Vorspannstationen in der Produktion und für die Erstqualifizierung von Schraubenchargen.
Um Ihnen die Wahl zwischen einem tragbaren oder einem Tisch-Spannungsmessgerät je nach Anwendung und Arbeitsablauf zu erleichtern, haben wir einen detaillierten technischen Vergleich veröffentlicht: Dakota BT1-DL vs BT2-DL: Tragbares oder Tisch-Schraubenspannungsmessgerät?
Spezielle Wandler und Zubehör
Für die Messung der Schraubenlast bietet Dakota eine spezielle Produktlinie von Messwandlern an , die für den Kontakt am Schraubenkopf optimiert sind, selbst bei vertieften oder schwer zugänglichen Geometrien. Folgende Modelle sind erhältlich:
- Sonden mit integriertem Magneten zur schnellen Ankopplung an vertikale oder hängende Oberflächen.
- Direktkontakt-Sonden mit Kopplung über hochviskoses Gel.
- Gewindeadapter für Schrauben mit standardisierter Kopfvorbereitung.
- Geschirmte Kabel in Längen, die sich für die Klemmung an schwierigen Stellen eignen.
Eine bewährte industrielle Praxis ist die Chargenqualifizierung: Vor der Montage werden einige repräsentative Schrauben ausgewählt, an beiden Enden eine ebene und parallele Oberfläche präpariert und eine individuelle Kalibrierung durch Messung des Schallgeschwindigkeitsfaktors des Materials durchgeführt. Dieses in Anhang K von ASME PCC-1 vorgeschriebene Verfahren reduziert die Messunsicherheit zusätzlich.
Typische Anwendungsbereiche
- Öl, Gas und Petrochemikalien — Prozessrohrflansche, Wärmetauscher, Druckbehälter, Separatoren, kritische Ventile.
- Energieerzeugung — Turbinen-Verriegelungsbolzen, Dampferzeuger, Kessel, Generatoren, Rotorpaket-Anziehen.
- Bahnhof — Achs-Rad-Baugruppen, Rahmen- und Drehgestellbolzen, kritisches Anziehen gemäß den Spezifikationen von RFI / RINA / DB / SNCF.
- Windenergie — Turm-, Rotorblatt- und Nabenbolzen. Mechanische Ermüdung und Lastwechsel machen den anfänglichen Vorspannwert entscheidend.
- Schwermaschinenbau — Industriereduziermaschinen, Pressen, Mühlen, Zementwerke.
- Schiffbau und Offshore — Strukturbolzen gemäß den Vorschriften von RINA, Lloyd's, ABS und DNV.
RODER Vertrieb, Support und Service
RODER SRL liefert in Italien Dakota BT1-DL- und BT2-DL-Messgeräte mit NIST-rückführbarer Werkskalibrierung, italienischsprachigem technischen Support zur Festlegung des Messverfahrens, Bedienerschulungen vor Ort und zertifizierten regelmäßigen Kalibrierdiensten. Für komplexe Anwendungen – wie lange Zugstangen, Sondergeometrien und die Qualifizierung neuer Chargen – steht ein spezialisierter Beratungsdienst zur Entwicklung des jeweiligen Verfahrens zur Verfügung.
Für technische Dokumentationen, Produktdatenblätter und regulatorische Informationen: www.ultrasuonindt.it.
Verwandte Erkenntnisse:
- Auf roder.it: Systeme zur Kontrolle von Dehnung und Zugkraft an Bolzen und Zugstangen
- Auf ultrasonograph.it: ASME PCC-1 – die Referenznorm für das Anziehen von Flanschen
- Auf ultrasonograph.it: Dakota BT1-DL vs. BT2-DL – Technischer Vergleich
Kontakt & Informationen
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RODER-Abteilung für künstliches Sehen: www.rodervision.com
RODER Instruments Division: www.innovacheck.com
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