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Nahezu wartungsfreie Schraubverbindungen jetzt auch im Schiffbau

München, 25. Juni 2019. Seit Jahrzehnten ist das streckgrenzgesteuerte Anziehverfahren mithilfe festinstallierter Schraubautomaten vor allem im Automobilbau bekannt. Der Vorteil: wartungsfreie Schraubverbindungen. Deutlich jünger sind die Möglichkeiten, auch große Schraubverbindungen ab M16 bis M100 direkt auf der Baustelle mobil und prozesssicher mit dem sogenannten hydraulischen streckgrenzgesteuerten Anzugsverfahren (SGA) zu verschrauben.

Wartungsarme bzw. -freie Schraubverbindungen und neue Potenziale für den Leichtbau sind die stärksten Argumente für das SGA. Schiffsbauern war der Einsatz dieser cleveren Technik jedoch bislang verwehrt – dem Verfahren fehlte die Zulassung für maritime Anwendungen. Im Frühjahr 2019 erteilte die internationale Klassifikationsgesellschaft DNV GL nun offiziell seine weltweit gültige Freigabe für das SGA. Der Startschuss für einen Innovationssprung im Schiffbau und beim Bau von Windkraftanlagen. Treibende Kräfte hinter der Freigabe waren Siemens und HYTORC.

Das SGA-Verfahren ist seit vielen Jahren ein wesentlicher Bestandteil der Richtlinie VDI-2230, dem inzwischen weltweit anerkannten Standardwerk zur Berechnung von Schraubverbindungen. Im Zusammenspiel mit einer fachgerecht dauerfesten Auslegung der Verbindungselemente können mit Hilfe des SGA ganze Komponenten insgesamt kleiner und leichter konstruiert und somit von vornherein deutlich kostengünstiger hergestellt werden.

SGA ist prädestiniert für fordernde Einsatzbedingungen

„Das Drehmomentverfahren ist das im Schiffbau am weitesten verbreitete Verfahren zur Vorspannung von Schraubverbindungen. Es besitzt gegenüber dem SGA aber einen entscheidenden Nachteil: Wartungsarme bzw. -freie Schraubverbindungen oder Leichtbau lassen sich drehmomentgesteuert kaum erreichen“, sagt Patrick Junkers, Geschäftsführer von Barbarino & Kilp GmbH – HYTORC.

Siemens nutzt daher bei der Montage seiner bis zu 25 Megawatt starken SISHIP eSiPOD Schiffsantriebe die SGA-Technik von HYTORC. Werften jedoch mussten bislang mangels DNV GL-Freigabe für das SGA die tonnenschweren Antriebsaggregate mit herkömmlichen drehmomentgesteuerten Verfahren unter ihre Ozeanriesen schrauben. Ein selten unwirtlicher und mühsam zugänglicher Einsatzort, wo aggressives Salzwasser, hohe Scherkräfte und ständige Vibrationen wirken. Gerade unter solch anspruchsvollen Bedingungen, wenn höchste Zuverlässigkeit bei starker Beanspruchung über die gesamte Lebensdauer gefordert ist, kann das SGA seine Vorteile ausspielen. Um die überlegene Sicherheit des hydraulischen streckgrenzgesteuerten Anziehverfahrens wissenschaftlich zu beweisen, initiierten Siemens und HYTORC unter Beteiligung von DNV GL-Spezialisten Versuchsreihen beim renommierten Hamburger Element Werkstofflabor. Die überzeugenden Testergebnisse führten zur Freigabe des SGA durch den DNV GL für alle Anwendungen im Schiffbau. Das SGA lässt sich jetzt auch bei der Montage von On- und Offshore-Windkraftanlagen sowie im Maschinen-, Anlagen- und Fahrzeugbau hervorragend einsetzen.

Unsicherheiten ausschalten mit SGA

Unberechenbarkeit ist das größte Manko des Drehmomentverfahrens. Allgegenwärtiger Unsicherheitsfaktor ist die Reibung. Reibung beim Verschrauben entsteht in den Gleitflächen sowie auf der Mutternauflage oder unter dem Schraubenkopf sowie in den gepaarten Gewindegängen. Die Reibung, ausgedrückt über die Reibzahl, kann von Schraube zu Schraube variieren. Diese Differenzen führen beim Drehmomentverfahren zu unterschiedlichen Vorspannkräften. Daraus resultieren zwei unkalkulierbare Sicherheitsrisiken: Entweder wird die erforderliche Vorspannung auf die Schraubverbindung nicht erreicht oder die Schraubverbindung wird unkontrolliert überlängt, was durch das Drehmomentverfahren nicht begrenzt werden kann. Der aus konstruktiver Sicht unbefriedigende Ausweg aus diesem Dilemma: Aufgrund der schwankenden Reibwerte muss die Schraubverbindung überdimensioniert werden. Um ein Versagen von Schraubverbindung beim rein drehmomentgesteuerten Anziehen möglichst auszuschließen, sollte die maximale Auslastung von Schraubverbindungen höchstens 50-60% betragen. Das bedeutet, dass Maschinenbauer ganze Baugruppen schwerer und plumper auslegen müssen, als es für ihre eigentliche Funktion nötig wäre. Mehrere hundert Kilogramm kann der Gewichtszuwachs bei größeren Geräten betragen. Schlanker und zugleich belastbarer sowie sicherer sind SGA-Schraubverbindungen. „Das durch SGA bewusst hohe Auslasten von dauerfest ausgelegten Schraubverbindungen in den teilplastischen Verformungsbereich fördert nicht nur den Leichtbau, sondern führt zu erheblich weniger Wartungsbedarf“, erläutert Junkers.

Sicherheit gewinnen und Kosten sparen

Weltweit führend auf dem Gebiet des hydraulischen SGA ist HYTORC. Eco2TOUCH ist eine zukunftsweisende Schraubprozesssteuerung, die während des Anziehvorgangs alle Prozessparameter wie Drehmoment, Drehwinkel, Längung sowie Druck kontrolliert, dokumentiert und archiviert. Die Eco2TOUCH steuert per intuitiv bedienbarem Touch-Display die hydraulische Standard-Pumpe EcoPUMP. Diese besonders zuverlässige und kraftvolle Hydraulikpumpe arbeitet sowohl mit 230 Volt als auch mit 400 Volt und ist mit handlichen 27 kg hochmobil sowie flexibel und baustellentauglich einsetzbar.

Von den Vorteilen des SGA profitieren besonders Hersteller von Maschinen, die sich verändernden Umweltbedingungen ausgesetzt sind. Eine optimal ausgelastete Schraubverbindung ist unempfindlicher gegenüber Hitze, Kälte und Feuchtigkeit. Damit empfiehlt sich die SGA-Technologie von HYTORC besonders für den strapaziösen Einsatz in der Schifffahrt und bei Windkraftanlagen. „Das hydraulische streckgrenzgesteuerte Anziehverfahren von HYTORC sorgt für Sicherheit und eine Betriebs- und Kostenoptimierung über den gesamten Lifecycle der Maschinen und Anlagen,“ so Junkers.

SGA kompakt erklärt

SGA ist ein überelastisches Anziehverfahren. Hier nutzt man den Umstand, dass beim Anziehen von dauerfest ausgelegten Schraubverbindungen durch gegenseitiges Verdrehen von Mutter und Schraubenbolzen nicht nur eine AXIALSPANNUNG, sondern auch eine TORSIONSSPANNUNG infolge der Gewindereibung beansprucht wird. Das Fließen des Schraubbolzens beginnt dann dort, wo als Vergleichsspannung aus Zug und Torsion die Werkstoff-Fließgrenze erreicht wird und dient als Steuergröße. Die Messtechnik erkennt das Ende des elastischen Bereiches durch den Drehwinkelgradienten und beendet prozesssicher den Schraubvorgang. Somit wird als Regelgröße die Längung der einzelnen Schraubverbindungen genutzt. Unmittelbar nach erfolgter Vorspannung federt der Torsionsanteil bis zu 50% im Schraubenbolzen zurück. Dadurch sinkt bei verbleibender Vorspannkraft die Vergleichsspannung, und die streckgrenzgesteuerte vorgespannte Verbindung gewinnt wieder eine elastische Verbindungsreserve. Fazit: Mit einem prozesssicheren mobilen hydraulischen streckgrenzgesteuerten Anzugsverfahren können Schrauben niemals abgerissen werden. Selbst lackierte Bauteile lassen sich mit dem SGA prozesssicher verschrauben. Denn beim SGA wird a) stets eine Vorspannkraft in ausreichender Höhe prozesssicher erzeugt. b) Entsteht ein Kraftfluss in der lackierten Verbindung und c) wird ein mögliches Gleiten in der Trennfuge von vornherein durch den erzeugten Reibschluss vermieden.