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Montage-Hilfsmittel erleichtern Instandhaltung von Verschraubungen

22.01.2009
Weil Produktionsverlust zugleich Umsatzverlust bedeutet, müssen Maschinen und Anlagen im Fall einer Abstellung oder Revision schnell wieder in Betrieb gesetzt werden. Bei Instandhaltungsmaßnahmen kann durch wirkungsvolle Verschraubungsmethoden der Spagat zwischen Zeitdruck und Qualität der Flanschmontage unter Berücksichtigung der TA Luft bewältigt werden.

Die VDI-Richtlinie 2200 Dichte Flanschverbindung bringt die wichtigsten Merkmale dieser Verbindungsart auf den Punkt: Flanschverbindungen bestehen grundsätzlich aus mindestens drei verschiedenen Konstruktionselementen, den Flanschen, den Schrauben (Muttern und anderen zusätzlichen Spannelementen) und der Dichtung, die aber insgesamt als eine im System in sich zusammenwirkende Baugruppe behandelt werden und keinesfalls als Einzelelemente betrachtet werden dürfen.

Die VDI 2200 besagt weiter: Eine besonders niedrige Leckagerate einer Flanschverbindung wird nicht unbedingt nur mit einer entsprechend zertifizierten Dichtung erreicht, sondern nur in Verbindung mit einer fachgerechten Auslegung und Montage der Flanschverbindung.

Undichte Flansche bringen hohe Verluste

Der Handlungsbedarf für dichte Flansche scheint groß, folgt man Untersuchungen aus dem Ausland. Laut TNO (The Netherlands Organisation for Applied Scientific Research) wird allein in den Niederlanden der Rohstoffverlust durch undichte Flansche jährlich im Wert von einer dreistelligen Millionensumme in Euro beziffert.

Die Dichtheit von Flanschen ist ein Thema, das in Zukunft weiter an Bedeutung gewinnen wird. Insbesondere, wenn man die TA Luft (Technische Anleitung zur Reinhaltung der Luft) ins Auge fasst, deren Anforderungen nur durch eine Dichtigkeitsbetrachtung nach der neuen Norm EN 1591 berechnet werden können.

Gesamtsystem Flansch-Schraube-Dichtung betrachten

Gefordert wird in der EN 1591, das Gesamtsystem Flansch-Schraube-Dichtung zu betrachten, wobei allerdings nicht nur die Kriterien der Festigkeitsbetrachtung zu sehen sind, sondern auch das gesamte Verformungsverhalten und die Dichtigkeit. Über die neu gefasste EN 1591 müssen jetzt Parameter mit in die Betrachtung einbezogen werden, die bisher zumeist bei der Auslegung und Berechnung von Flanschen außen vor blieben.

Dazu zählen das Setzverhalten von Schraubverbindungen und die einhergehenden Vorspannkraftverluste nach Dehnvorgängen oder der Einfluss der Differenzen der Ausdehnungskoeffizienten von Schrauben und geklemmten Teilen in der Flanschverbindung. Mit zu betrachten sind außerdem das Schraubenanziehverfahren unter Berücksichtigung der damit verbundenen Streuung der Vorspannkräfte beziehungsweise Anzugsmomente sowie auch unterschiedliche Schraubenarten.

Software erleichtert Flanschberechnungen

Bei der hohen Komplexität der notwendigen Berechnungen ist der Einsatz von Software notwendig, die zum einen auf der Basis dieser neuen Regelwerke Flanschberechnungen ermöglicht, zum anderen aber auch innovative technische Erkenntnisse und Verschraubungsmethoden einschließt, zum Beispiel die Berechnungssoftware Probad von IBM.

Eine genaue Montage ist wichtig, wie die britische Offshore Operators Association Ukooa feststellte. Denn zu rund 70% liegen die Ursachen von undichten und somit leckenden Flanschen in den stark streuenden Rest-Vorspannkräften bei den einzelnen Schraubverbindungen begründet. Diese sind auf den Einsatz von ungenauen Montagemethoden zurückzuführen.

Sichere Flanschverschraubung erfordert verantwortungsvolles Risikomanagement

Eine sichere Flanschverschraubung bedeutet zugleich ein verantwortungsvolles Risikomanagement. Allerdings müssen bei einer Abstellung oder Revision Anlagen schnell wieder in Betrieb gesetzt werden, weil Produktionsverlust zugleich Umsatzverlust bedeutet. Zeitdruck muss aber nicht Qualitätsverlust bedeuten. Doch welche Montageverfahren sind, bezogen auf eine besonders niedrigen Leckagerate, tatsächlich geeignet?

Schraubverbindungen als lösbare Verbindungen sollen zwei oder mehrere Teile so zusammenhalten, dass diese sich unter allen vorkommenden Betriebskräften stets wie ein Teil verhalten. Entscheidend hierfür ist eine ausreichende und dauerhafte Restklemmkraft. Diese erzeugt man nur durch das Einleiten einer möglichst hohen und genauen Montagevorspannkraft.

In der einschlägigen Literatur wird die Vorspannkraft-Genauigkeit der einzelnen Montageverfahren durch den sogenannten Anziehfaktor beurteilt. Je näher ein Montageverfahren sich innerhalb seiner Toleranz der 1,0 nähert, desto genauer ist das Montageverfahren an sich. Hier ein Auszug:

-Anziehen von Hand ohne Messung des Drehmoments: 4,0;

-impulsgesteuertes Anziehen mit Schlagschrauber mit Kontrolle durch Drehmomentschlüssel: 2,5;

-drehmomentgesteuertes Anziehen mit Drehmomentschlüssel: 1,6;

-hydraulisches torsionsfreies Ziehen mit Dehnzylinder: 1,22 bis 1,6;

-drehmoment- und reibungsoptimiertes Anziehen mit Beilegscheibe Disc: 1,05 bis 1,2.

Je niedriger die Leckagerate einer Flanschverbindung sein soll, desto höher muss die vorhandene Schraubenkraft ausgenutzt werden, denn umso höher ist die Dichtflächenpressung. Die möglichst hohe Ausnutzung der Schraubenkraft ist wiederum stark von der verwendeten Anzugsmethode abhängig, die durch den Anziehfaktor beschrieben wird.

Beilegscheibe erlaubt optimales Anziehen des Flansches

Das drehmomentgesteuerte und reibungsoptimierte, seitenlastfreie Anziehen mit Hilfe einer Beilegscheibe Disc gewährleistet am besten dichte Flanschverbindungen. Die Sechskantunterlegscheibe Disc ist eine Reaktionsscheibe ähnlich einer Unterlegscheibe, jedoch mit einem innen liegenden eingepressten Gewindesegment.

Das innen liegende Gewindesegment greift wie das Mutterngewinde in den vorzuspannenden Standard-Bolzen. Oberhalb der Disc befindet sich die zu verschraubende Standard-Sechskant-Mutter. Vor dem Verschrauben wird auf das Innengewinde und auf die Auflagefläche der zu verschraubenden Standard-Sechskant-Mutter Gleitspray aufgetragen. Für die Verschraubung wird erst die Disc, dann die Standard-Sechskant-Mutter manuell auf den zu verspannenden Bolzen eingeschraubt.

Flansche lassen sich mit üblichen Drehmomentschraubern verschrauben

Als Verschraubungs-Werkzeug dienen handelsübliche hydraulische oder pneumatische Drehmomentschrauber, welche mit einem Disc-Antriebseinsatz ausgestattet sind. Dieser stützt sich außen an der Disc ab und verschraubt innen die Standard-Sechskant-Mutter. Beim Verschrauben erfolgt zunächst ein Kontern des Gewindesegmentes der Disc gegen die Standard-Sechskant-Mutter.

Der Bolzen kann sich ab dem Zeitpunkt nicht mehr mitdrehen. Die aufgebrachte Kraft wird nun so lange zwischen Disc und Mutter angestaut bis das eingepresste Gewindesegment der Disc sich löst und die Kraft sich auf den gesamten Bolzen verteilt. Der Bolzen wird nun mit Hilfe des Drehmomentschraubers weiter bis zum gewünschten End-Drehmoment vorgespannt; das eingepresste Gewindesegment der Disc wird axial nach oben in einen dafür vorgesehenen Freiraum gezogen.

Beilegscheibe Disc erspart Gegenhalteschlüssel

Aufgrund der Geometrie der Disc und der unterschiedlichen Reibverhältnisse wird sichergestellt, dass sich die Disc nicht auf der Auflagefläche dreht. Auch sind keine Gegenhalteschlüssel mehr notwendig.

Wesentlich für die Arbeits- und für die Anlagensicherheit ist ein ferngesteuertes, handfreies Verspannen und Lösen von Schraubverbindungen auch beim Ausführen von Überkopfarbeiten.

Bei simultanem Einsatz mehrerer Werkzeuge bei Verwendung der Sechskantbeilegscheibe Disc erfolgt das Verspannen der einzelnen Flanschbolzen kontrolliert, parallel und vor allem vorspannkraftgenau und seitenlastfrei. Dank der Disc dreht sich der einzelne Flanschbolzen während des Verschraubungsvorgangs nicht mit. Es werden keine Biegebelastungen eingeleitet.

Leckagefreie Flanschverbindungen nur ohne Biegebelastungen erreichbar

Nur damit ist gewährleistet, dass sich die beiden Flanschhälften und die innen liegende Dichtung gleichmäßig setzen und nicht einseitig belastet werden. Dies ist eine Grundvoraussetzung für leckagefreie Flanschverbindungen.

Das Simultorc-Verfahren reduziert das Umsetzen der Werkzeuge drastisch und spart somit wertvolle Arbeitszeit. Das schafft Planungssicherheit sowohl für die Stillstände als auch die Arbeits- und Anlagensicherheit und verkürzt die Revisionszeiten durch die Montagezeiteinsparung erheblich.

Öffnen und Schließen der Flanschverbindungen beschädigt Auflageflächen

Jedoch müssen gewisse Flansche immer wieder geöffnet und geschlossen werden. Dabei entstehen bislang immer wieder beschädigte Auflageflächen, deren Behebung sehr viel Zeit und Geld in Anspruch nimmt.

Bei Flanschen, die der Druckbehälterverordnung unterliegen oder aus duktilen Werkstoffen bestehen, ist eine mechanische Nachbearbeitung der Flanschoberflächen äußerst schwierig. Dies kann jedoch durch Einsatz der Disc verhindert werden, denn es dreht sich nur die Standard-Sechskant-Mutter auf der Disc und nichts auf der Auflagefläche des Flansches.

Spezielle Hydraulikpumpe für Maschinenbauer

Für den Maschinen- und Anlagenbau existiert eine spezielle Hydraulikpumpe. Mit der sogenannten Smart-Pump kann mit Hilfe von handelsüblichen hydraulischen Drehmomentschraubern mobil und baustellentauglich wahlweise sowohl nach dem Drehmoment-, Drehmoment-Drehwinkel- oder nach dem streckgrenzgesteuerten Verfahren bei zeitgleicher Dokumentation verschraubt werden.

Die Smart-Pump erlaubt dem Konstrukteur, alle notwendigen Schraubvorgänge von seinem Schreibtisch aus mit einer Parametersoftware zu programmieren und sie dem Monteur per Multi-Media-Card an die Hand zu geben. Der Monteur muss auf der Baustelle praktisch nur noch die Fernbedienung der Smart-Pump drücken und den Anweisungen auf dem Display folgen. Somit sind Fehler bei einfachster Bedienbarkeit ausgeschlossen. Sämtliche Verschraubungsvorgänge werden zur Nachweissicherung protokolliert.

Patrick Junkers ist Geschäftsführer von Hytorc-S, einem Bereich der Barbarino & Kilp GmbH in 82152 Krailling.

Patrick Junkers | MM MaschinenMarkt
Weitere Informationen:
http://www.maschinenmarkt.vogel.de/themenkanaele/betriebstechnik/instandhaltung/articles/167932/

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