Stillstandsverkürzung durch optimale Schraubtechnik

Stillstandsverkürzung durch optimale Schraubtechnik
Stillstandsverkürzung durch optimale Schraubtechnik
Abstract
Shortening of Downtime Through
Optimium Bolted Connection
Gas turbines require more frequent maintenance intervals than other types of turbines
and therefore the downtime should ideally be
as short as possible. The bolted connections
of a turbine play an important role in the length
of downtime required since they affect the
time needed for opening and closing of the
unit. Gas turbine manufacturers and operators
are not completely satisfied with the present
methods of bolting available, controlled torque
application or hydraulic stretch tensioning.
The three part mechanical clamp (tensioning
element) solves this problem by combining the
advantages of torque and tensioning without
the disadvantages of either.
Einführung
Die Schraubverbindung ist die wichtigste lösbare Verbindung in der Technik. Sie muss
zwei oder mehrere Teile so zusammenfügen,
dass sie sich unter allen vorkommenden Betriebskräften wie ein Teil verhalten. Deshalb
erfordert die Konstruktion Lösungen, die die
benötigten Vorspannkräfte innerhalb enger
Toleranzen erzeugen und über die gesamte
Betriebdauer aufrecht erhalten. Die verwendeten Verbindungselemente sollten möglichst klein bauen, und auch das Werkzeug
zum Aufbringen der Vorspannkraft darf den
Konstrukteur nicht unnötig einschränken.
Darüber hinaus werden besonders bei Maschinen und Anlagen, die einer turnusmäßigen Wartung unterliegen, an die Schraubverbindungen weitere Forderungen gestellt. Zu
Beginn eines Stillstandes müssen sie sich so
schnell wie möglich öffnen lassen, denn erst
nach dem Öffnen kann eine Maschine vollständig überprüft und damit die Dauer eines
Stillstandes abgeschätzt werden. Natürlich
darf das schnelle Öffnen nicht zu Beschädigungen an der Auflagefläche oder zum Austausch von Bauteilen führen. Am Ende eines
Stillstandes müssen sich die Verbindungselemente so schnell wie möglich wieder vorspannen lassen und dabei die gewünschte
Vorspannkraft auf Anhieb erreichen. Eine
Autor
Dipl.-Ing. Ulrich Oehms
HYTORC-Seis GmbH,
Dörth/Deutschland.
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Dokumentation des Ergebnisses wird heute
schon in einigen Bereichen der Industrie
gefordert und sollte zumindest optional verfügbar sein. Die Bedienung muss natürlich so
einfach sein, dass auch Nichtfachleute diese
Arbeiten erledigen können.
Um diese Forderung zu erfüllen, werden
zwei verschiedene Verfahren eingesetzt:
— das torsionsfreie Dehnen
(thermisch oder hydraulisch) und
— das drehmomentgesteuerte Anziehen
(mechanisch oder hydraulisch).
Stand der Technik
Das torsionsfreie Dehnen ist eng mit der Entwicklung im Turbinenbau verbunden, denn
gerade die Teilfugenverschraubung von Turbinengehäusen gehört zu den wohl anspruchvollsten Verschraubungen in der Technik.
Aufgrund der hohen mechanischen und thermischen Belastungen werden hohe Vorspannkräfte und damit auch große Verbindungselemente benötigt, um die Teilfuge
unter allen Betriebsbedingungen dicht zu
halten. Um aber große Verbindungselemente
gezielt vorzuspannen, stand anfangs nur das
thermische Dehnen zur Verfügung. Bei diesem Verfahren wird die Schraube durch Erwärmen gelängt, die Mutter wird beigelegt,
und beim Abkühlen werden die Bauteile verspannt. Dieses Verfahren wird heute immer
seltener eingesetzt, weil es sehr zeitaufwändig ist und die Vorspannkraftgenauigkeit
nur durch Nachmessen sichergestellt werden
kann.
Mit steigenden Drücken in der Mobilhydraulik wurde es möglich, hohe Kräfte auf relativ
kleinem Raum zu erzeugen. Das hydraulische Dehnen ersetzte an vielen Stellen das
thermische Dehnen. Bei diesem Verfahren
stützt sich der Hydraulikzylinder um die
Mutter herum ab, die Schraube wird an
einem Überstand oberhalb der Mutter gepackt und gelängt. Anschließend wird die
Mutter beigelegt, der Druck abgelassen und
somit die Bauteile verspannt. Die erreichbare
Vorspannkraft liegt immer unterhalb der
hydraulisch aufgebrachten Zugkraft. Dieses
Verfahren benötigt sowohl Platz um die Mutter als auch oberhalb der Mutter. Es schränkt
die Konstruktion deutlich mehr ein als das
thermische Dehnen. Außerdem ist die Handhabung der Werkzeuge schwierig und langwierig.
Das drehmomentgesteuerte Anziehen kommt
aus dem Fahrzeugbau, weil hier viele Schrau-
ben in kurzer Zeit genau vorgespannt werden
müssen. Bei diesem Verfahren wird durch
Drehen der Mutter über die Gewindesteigung
die Schraube gelängt. Die Bauteile werden
verspannt. Durch das drehende Vorspannen
wird die Schraube zusätzlich auf Torsion belastet. Weil schwankende Reibverhältnisse
einen großen Einfluss auf die erreichte Vorspannkraft haben, werden heute viele Schrauben drehmoment-drehwinkelgesteuert angezogen. Durch die indirekte Wegmessung
können mit geringem Messaufwand sehr genaue Vorspannkräfte erzeugt werden. Dieses
Verfahren wurde ebenfalls erst durch die
Entwicklung in der Hydraulik für große
Schrauben nutzbar. Heute werden Schrauben
bis M 140 mit hydraulischen Drehmomentschraubern bis etwa 9000 kN vorgespannt.
Aufgrund der einfachen Handhabung, des
geringen Gewichtes der Werkzeuge und der
hohen Arbeitsgeschwindigkeit ist dieses Verfahren besonders bei der Montage beliebt.
Allerdings kommt es hier beim Lösen von
thermisch belasteten Schraubverbindungen
aufgrund von Mangelschmierung und Querkräften zu Beschädigungen im Gewinde, die
zum Austausch von Verbindungselementen
führen können.
Da sowohl das hydraulische Dehnen als auch
das drehmomentgesteuerte Anziehen nur
unvollkommen die Anforderungen beim Verschrauben von Teilfugenschrauben lösen,
verlangte der Markt ein neues Verschraubungssystem.
Vor- und Nachteile der heute eingesetzten Systeme
Torsionsfreies Dehnen mit hydraulischen Hohlkolbenzylindern
Die Vorteile des torsionsfreien Dehnens mit
hydraulischen Hohlkolbenzylindern sind:
— einfache Berechnung,
— keine Torsionsspannungen im Schraubenschaft,
— unabhängig von der Schraubenschmierung,
— ab einem Klemmlängenverhältnis l/d von
rund 8 ausreichende Genauigkeit,
— kein Drehen im Gewinde und auf
der Auflagefläche unter Last,
— mehrere Schrauben gleichzeitig montierbar.
Die Nachteile des Verfahrens sind:
— Vorspannkraftgenauigkeit, abhängig
von der Qualität der Verbindungselemente und der Klemmlänge,
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Bild 1. Aufbau der dreiteiligen Spannelemente.
— zur Ermittlung der Vorspannkraft sind
Schraubversuche erforderlich,
— hohe Vorspannkraftstreuung bei nicht
spanend hergestellten Verbindungselementen,
— sinnvoll einsetzbar erst ab einem
Klemmlängenverhältnis l/d von rund 8,
— hohe Hydraulikdrücke bis zu 300 MPa,
— zusätzlicher Bolzenüberstand oberhalb
der Mutter erforderlich,
— großer Platzbedarf,
— schwierige Handhabung,
— zeitaufwändig,
— hohe Gewichte der Spannsysteme,
— Verletzungsgefahr durch direktes Arbeiten am druckbeaufschlagten Spannsystem
beim Beilegen der Mutter von Hand.
Drehmomentgesteuertes Anziehen
mit hydraulischen Drehmomentschraubern
Die Vorteile des drehmomentgesteuerten Anziehens mit hydraulischen Drehmomentschraubern sind:
— Anwendbar bei praktisch allen Schraubfällen,
— einfache Handhabung,
— Erzeugung von Vorspannkräften
bis etwa 9000 kN,
— Übertragung hoher Drehmomente
mit einer Genauigkeit von + 3 %,
— leichte, kompakte und kalibrierbare
Werkzeuge,
— hohe Schraubgeschwindigkeit unter Last,
— hohe Ausnutzung der Schraubenstreckgrenze auch bei kurzen Schrauben,
— durch Drehwinkelsteuerung hohe Vorspannkraftgenauigkeit,
— zeitgleiche Dokumentation der Verschraubungsvorgänge möglich,
— einsetzbar auf engstem Raum,
— mehrere Schrauben sind gleichzeitig
montierbar.
Nachteile des Verfahrens sind:
— aufwändigere Berechnung,
— erreichte Vorspannkraft ist von
der Schmierung abhängig,
— externe Abstützpunkte erforderlich,
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Bild 2. Spannelement mit hydraulischem Drehmomentschrauber.
— zusätzliche Querkräfte beim Anziehen
und Lösen der Verschraubung,
— Torsionsbelastungen im Schraubenschaft,
— beim Durchgangsschrauben Gegenhalteschlüssel erforderlich,
— Eindrehen der Stehbolzen in Sacklöcher,
— direktes Drehen im Gewinde und auf
der Auflagefläche unter Last.
Anforderungen an ein optimales
Schraubsystem zur Teilfugenverschraubung
Teilfugenverschraubungen müssen thermisch
und mechanisch hohen Belastungen widerstehen. Um die Schraubenverbindung optimal auslegen zu können, muss sichergestellt
sein, dass das eingesetzte Schraubsystem die
benötigte Vorspannkraft reproduzierbar liefert und auch über die Betriebsdauer aufrecht
erhält. Diese Aufgabe erfüllen die heute eingesetzten Systeme allerdings nur, weil sie
überdimensioniert werden. Beim drehmomentgesteuerten Anziehen kann nicht optimal vorgespannt werden, weil die Schraube
zusätzlich auf Torsion belastet wird und die
Reibung streut. Beim hydraulischen Dehnen
geht ein Teil der aufgebrachten Vorspannkraft durch das Zurückfedern der Schraube
verloren, wenn der Druck im Spannzylinder
abgelassen wird. Beide Systeme können deshalb die Schrauben nur zu rund 70 % ausnutzen. Optimal wäre ein System, das die
Schrauben rein axial vorspannt, keine systembedingten Setzverluste hat und die Reibung nur eine untergeordnete Rolle spielt.
Weil dieses neue System nicht nur für neue
Turbinen geeignet sein sollte, sondern es
auch die Möglichkeit bieten soll, vorhandene
Anlagen kostengünstig umzurüsten, muss die
Gewindeverbindung als Koppelstelle erhalten bleiben. Wenn aber das Gewinde und damit auch die Mutternauflagefläche erhalten
bleibt und Reibung nur eine untergeordnete
Rolle spielen soll, darf es unter Last zu keinen Relativbewegungen an diesen Flächen
kommen.
Zusammenfassend sollen folgende Forderungen erfüllt werden:
—
—
—
—
—
—
—
—
rein axiale Vorspannung,
hohe Genauigkeit,
maximale Ausnutzung der Streckgrenze,
keine Setzverluste,
hohe Fügegeschwindigkeit,
handwerklich einfach,
klein bauend,
dokumentierbar.
Darüber hinaus sollte ein neues System folgende Wünsche erfüllen:
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Bolzen
Mutter
Bild 3. Vergleich einer Standardmutter mit
dem dreiteiligen Spannelement nach
der Finite-Elemente-Methode.
— unproblematisch auch bei schwierigen
Werkstoffkombinationen,
— günstigere Lastverteilung im Gewinde,
— maximale Arbeitssicherheit,
— außerhalb der Anwendung auf Vorspannkraft kalibrierbar.
Dreiteilige mechanische Spannelemente lösen die Probleme
Durch die sinnvolle Dreiteilung der Mutter
in Verbindung mit dem hydraulischen
Drehmomentschrauber als „Antriebseinheit“
sind alle Anforderungen, die heute an ein
Maschinenelement in der Kraftwerkstechnik
gestellt werden, optimal zu erfüllen.
Aufbau
Die Spannelemente, wie in B i l d 1 dargestellt, bestehen aus der äußeren Hülse [1],
der inneren Hülse [2] und der Unterlegscheibe [3]. Die innere Hülse ist über das Gewinde
mit dem Bolzen und über eine Verzahnung
mit der Unterlegscheibe verbunden. Die
äußere Hülse ist über ein Gewinde mit der
inneren Hülse verbunden und dreht sich auf
der Unterlegscheibe.
Unter Verwendung eines hydraulischen
Drehmomentschraubers, wie in B i l d 2 gezeigt, wird die äußere Hülse gedreht und das
Reaktionsmoment über die innere Hülse an
die Unterlegscheibe und von dort in die Auflagefläche geleitet. Der Bolzen bewegt sich
mit der inneren Hülse nach oben und wird
dabei torsions- und seitenlastfrei gedehnt.
Bild 6. Mitsubishi-Dampfturbine. Weil der
Schrauber an der Mutter selbst reagiert, können problemlos Verlängerungen eingesetzt werden.
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Bild 4. Vergleich einer Standardmutter mit
dem dreiteiligen Spannelement nach
der Finite-Elemente-Methode.
Bild 5. GE-Frame 9-Gasturbine. Mit der
HYTORC-Dehnmutter konnten die
Stillstandszeiten deutlich minimiert
werden.
Handwerklich einfach
Vorteile
Folgende Vorteile sind zu nennen:
Vorspannkraft pur
Durch den Drehmomentschrauber wird zwar
eine Torsionsspannung in das Spannelement
eingeleitet, weil sich die innere Hülse nicht
drehen kann, bleibt die Schraube selbst absolut torsionsfrei
Hohe Vorspannkraftgenauigkeit
Alle Relativbewegungen finden in der Mutter
selbst statt, deshalb ist der Reibbeiwert unabhängig von der Qualität des Bolzens und
der Auflagefläche. Es werden problemlos
Vorspannkraftgenauigkeiten von ± 5 % erreicht.
Sehr geringe Setzverluste
Durch die hohe Fertigungsqualität ergeben
sich trotz der zusätzlichen Trennfuge zwischen äußerer Hülse und Scheibe durch das
Spannelement nur Setzverluste von rund 1 %.
Maximale Ausnutzung der Streckgrenze
Weil die Schraube nur axial vorgespannt
wird und die Streuung der Vorspannkraft mit
± 5 % sehr gering ist, kann die Streckgrenze
problemlos zu 90 % ausgenutzt werden.
Das Spannelement wird, wie jede andere
Mutter auch, auf die Schraube aufgeschraubt.
Dann wird über den Druck am Hydraulikaggregat die Vorpannung eingestellt. Anschließend wird das Werkzeug auf die Mutter
gesetzt und über einen Knopfdruck an der
Kabelfernbedienung die gewünschte Vorspannkraft aufgebracht.
Kompakte Bauweise
Die dreiteiligen Spannelemente gibt es in
verschiedenen Ausführungen vom Smart
Stud mit einem Außendurchmesser von 1,5
Bolzendurchmesser, über die TN-Mutter
mit 1,6 Bolzendurchmesser bis hin zur
HTTN-Mutter mit 2 Bolzendurchmesser.
Alle hier genannten Varianten werden von
oben angetrieben. Es wird kein zusätzlicher
Freiraum um die Mutter herum benötigt.
Hydraulische Drehmomentschrauber sind die
kompaktesten Schrauber in der Industrie.
Weil für den Antrieb der Spannelemente kein
Reaktionsarm benötigt wird, können diese
Werkzeuge nochmals minimiert werden.
Normalerweise ist der Radius des Werkzeuges kleiner als der der Mutter.
Verschraubungsvorgang dokumentierbar
Aufgrund der leistungsfähigen „Antriebseinheit“ werden Muttern der Größe M 64 in
unter einer Minute vorgespannt bzw. gelöst.
Durch die Messung des Drehmomentes und
des Drehwinkels während des gesamten
Schraubvorganges lässt sich eine Schraubverbindung qualitativ beurteilen. Das ist heute bei „Hydraulischen Drehmomentschraubern“ Stand der Technik und wird bereits in
Kraftwerken mit Erfolg eingesetzt.
Bild 7. GE-Frame 7-Gasturbine. Spannelemente vereinfachen die Kupplungsmontage.
Bild 8. Siemens-Dampfturbine. Auch unter
ungünstigen Platzverhältnissen können die Vorspannkräfte schnell und
genau aufgebracht werden.
Hohe Montagegeschwindigkeit
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Einfache Werkstoffauswahl
Im Hochtemperaturbereich ist die Materialauswahl sehr eingeschränkt. Bei Schraubverbindungen möchte man einerseits unterschiedliche Materialien verwenden, um
Punktverschweißungen im Gewinde zu vermeiden, andererseits sollten die Materialien
den gleichen Wärmeausdehnungskoeffizienten haben, um Setzverluste zu vermeiden.
Beschichtungen könnten das Problem lösen,
werden aber nur selten eingesetzt, weil die
Rissempfindlichkeit steigt.
Durch den dreiteiligen Aufbau der Spannelemente können alle Teile, d. h. Schraube und
alle Mutternteile, aus dem gleichen Material
hergestellt werden. Anschließend werden
dann die innere Hülse und die Unterlegscheibe mit einer für die Anwendung optimalen
Oberfläche versehen.
Elastischer Mutternkörper
Finite-Elemente-(FEM-)Untersuchungen zeigen eine deutlich günstigere Lastverteilung
zwischen innerer Hülse und Schraube als bei
herkömmlichen Schraubverbindungen. Die
B i l d e r 3 und 4 zeigen den Vergleich für
eine Standardmutter mit dem dreiteiligen
Spannelement, ermittelt durch FEM-Untersuchungen.
Hydraulik ist auf 700 bar beschränkt, womit
die 4-fache Berstdrucksicherheit für Schläuche und Kupplungen sichergestellt wird.
Weil der Schrauber keinen Reaktionsarm hat,
ist selbst das Arbeiten in Zwangslagen, in denen der Schrauber von Hand gehalten werden
muss, absolut ungefährlich.
Kalibrierbar
Weil alle Relativbewegungen im Spannelement selbst stattfinden, kann es nach der Produktion kalibriert werden.
Nachteile
Kosten
Vergleicht man die Kosten der dreiteiligen
Spannelemente mit den Kosten einer Sechskant-, Kapsel- oder Rundmutter, ist dieses
deutlich teurer, was auf den mehrteiligen
Aufbau und die hohe Fertigungsqualität
zurückzuführen ist.
Anwendungsbeispiele
Anwendungsbeispiele für die hier vorgestellten Schraubverbindungen zeigen die B i l d e r 5 bis 8 .
Fazit
Maximale Arbeitssicherheit
Die Verschraubung ist vollständig fernbedienbar. Der maximale Betriebsdruck der
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Mit den dreiteiligen Spannelementen
„HYTORC-Dehnmutter“ und „HYTORC-
Smart Stud“ stehen erstmals Schraubsysteme
zur Verfügung, die den Forderungen der
Konstruktion und der Montage gleichermaßen Rechnung tragen. Sie vereinen wie
kein anderes System die Möglichkeit einer
kompakten Konstruktion mit der Erzeugung
genauer und dokumentierbarer Vorspannkräfte – in Verbindung mit sehr kurzen Montagezeiten und einem Maximum an Arbeitssicherheit. Sie bieten in der Neukonstruktion
ein deutliches Kosteneinsparpotential, weil
aufgrund der genauen Vorspannkräfte die
Schrauben kleiner dimensioniert werden können. Sie ermöglichen eine kompakte und steife Bauweise des Turbinengehäuses, was wiederum zu einer geringeren Belastung der
Verbindungselemente führt.
Darüber hinaus bieten die Spannelemente besonders in der Montage große Vorteile, weil
sie sich wesentlich schneller öffnen und
schließen lassen als alle anderen Systeme.
Da es bei der HYTORC-Dehnmutter keinerlei Relativbewegungen zwischen Schraube,
Auflagefläche und Mutter gibt, kann es nicht
zu Beschädigungen kommen. Damit herrscht
erstmals Planungssicherheit im Bereich der
Schraubverbindungen. Stillstandsverkürzungen bei Turbinenrevisionen von zwei Tagen
sind in der Praxis bereits realisiert worden.
Die Produktivitätssteigerung amortisiert die
Mehrkosten der dreiteiligen Spannelemente
in den meisten Fällen bereits nach der ersten
Revision.
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