Das wartungsfreie Schraubsystem
Technik
Wartungsfreie Schraubenverbindungen von IHF
Einflussfaktoren auf die Montagevorspannkraft
Folgende Faktoren haben einen Einfluss auf die Montagevorspannkraft FM :
- Platten/Flansch: Hier gilt es Maß, sowie Form- und Lagetoleranzen zu berücksichtigen.
- Verbindungselemente: Hier gilt es Maß, sowie Form- und Lagetoleranzen zu berücksichtigen.
- Anziehverfahren: Unterscheidung zwischen drehenden und ziehenden Verfahren.
Die Bestätigung der Wartungsfreiheit einer Schraubverbindung kann über eine entsprechendes Messsystem - wie das USB-System mit Intellifast-Technologie - erfolgen.
Langzeitstudie bestätigt Wartungsfreiheit
Eine Vielzahl an Ultraschallmessungen an Windkraftanlagen über 10 Jahre belegen: IHF Verbindungselemente sind wartungsfrei
Die ETA-zertifizierten Verbindungselemente IHF Stretch Bolt, IHF Stud Bolt und IHF Round Nut wurden speziell für auf Zug belastete Schraubenverbindungen im Stahlbau ausgelegt, wie sie unter anderem an Ringflanschen der Turmsegmente von Windkraftanlagen vorkommen. Eine auf Ultraschallmessungen basierende Langzeitstudie belegt: Die gemessenen Restvorspannkräfte befinden sich in einem engen Toleranzband und sind so präzise, dass die Schraubenverbindungen nach einem spezifizierten Schraubenprozess installiert und keinen weiteren Kontrollen unterzogen werden müssen. Hierzu sind zusätzlich Online Cloud ultraschallbasierte Messtechniken seriell im Einsatz, die den Nachweis führen. Aus diesem Umstand wird die Schraubenverbindung als „wartungsfrei“ definiert.
Damit unterliegen IHF Verbindungselemente weitaus weniger Inspektionsintervallen als konventionelle HV-Schraubenverbindungen, wodurch erhebliche Wartungskosten an Schraubenverbindungen eingespart werden können (im Besonderen bei Offshore Anwendungen).
Präzise Messergebnisse als Resultat aus Spannungsoptimierung und Anziehverfahren
Die präzisen Messergebnisse resultieren aus der akkuraten Herstellung der IHF Verbindungselemente und ihrer spannungsoptimierten Auslegung sowie der sehr hohen Systemgenauigkeit des hydraulischen reibungs- und torsionsfreien Anziehens mit Schraubenspannzylindern.
Eine vergleichbar hohe Präzision der Montagevorspannkräfte ist bei der Verwendung von konventionellen HV-Verbindungen, welche nach dem reibungsbehafteten Drehmomentverfahren vorgespannt werden, nicht zu erreichen. Im Besonderen gilt dies für Schraubenverbindungen größer als M30. Dieses Optimierungspotenzial wurde bei der Auslegung der IHF Verbindungselemente effizient genutzt. Hierbei wurde ebenfalls berücksichtigt, dass die Schrauben der Turmsegmente an Windkraftanlagen keinen Scherbelastungen, sondern hauptsächlich Zugbelastungen ausgesetzt werden.
Werden IHF Verbindungselemente mit Schraubenspannzylindern hydraulisch reibungs- und torsionsfrei vorgespannt, spricht man vom IHF Schraubsystem (engl. „Stretch“ [tech.] = elastische Dehnung).
Konventionelle HV-Verbindungen können aktuellen Anforderungen nicht vollends gerecht werden
Zurzeit werden meist konventionelle, drehmomentvorgespannte HV-Verbindungen zur Verschraubung von Stahlrohrtürmen an Windkraftanlagen eingesetzt. Der HV-Standard kann dieser Anwendung aufgrund seiner langen Historie nicht vollends gerecht werden:
Die normativen Ursprünge gehen bis in das Jahr 1962 und noch weiter zurück (DIN 6914, 6915, 6916). In jenen Normen wurden ursprünglich vor allem Schraubenverbindungen an Brücken oder Stahlkonstruktionen berücksichtigt, welche jedoch in erster Linie Scherbelastungen ausgesetzt bzw. auf Lochlaibung ausgelegt sind. Der HV-Standard wurde sukzessive von M36 auf M48, dann bis auf M64 und zuletzt bis M72 erweitert.
Einfache Substitution: Gleiche Flächenpressung bei weniger Bauteilen und weniger Trennfugen
Der IHF Stretch Bolt, der IHF Stud Bolt und die IHF Round Nut wurden speziell für Zugbelastungen ausgelegt. Im Gegensatz zu einer konventionellen HV-Garnitur besitzen IHF-Garnituren keine Unterlegscheiben. Die Unterlegscheiben werden in den Schraubenkopf und in die Mutter integriert. Somit reduziert sich die Anzahl der Trennfugen (siehe Bild). Ebenso wird eine mögliche Fehlerquelle durch falsche Montage der Unterlegscheiben eliminiert.
Vergleich der Trennfugen: Das IHF Schraubsystem besitzt weniger Trennfugen als das Standard HV System
Systembedingte Vorteile des hydraulischen reibungs- und torsionsfreien Anziehens
In der Schraubtechnik werden die Anziehverfahren nach drehenden und ziehenden Verfahren eingeteilt. Bei den ziehenden Verfahren wird die erforderliche Montagevorspannkraft (FM) durch rein axiales Längen des Schraubenbolzens mittels eines Schraubenspannzylinders aufgebracht. Durch dieses hydraulische reibungs- und torsionsfreie Anziehen der Schrauben liegt eine sehr kleine Streuung der Montagevorspannkraft (FVM) von ± 1 % vor. Hieraus resultieren präzise und gleichmäßige Montagevorspannkräfte (FM).
Bei drehenden Verfahren (z. B. Drehmomentverfahren) ist die erzielbare Montagevorspannkraft (FM) das Ergebnis der vorliegenden Haft- und Gleitreibungskoeffizienten im Gewinde und an der Auflagefläche (Gewindereibung und Kopfreibung). Diese Faktoren können von Schraube zu Schraube so stark variieren, dass sich keine valide Grundlage zur Berechnung finden lässt.
Zusätzlich zu den Ungenauigkeiten bei der erzielbaren Montagevorspannkraft (FM) erhalten die Schrauben auch Biege- und Torsionsbelastungen, die zu einer erhöhten Belastung und bei Überbelastung bis zum Versagen der Schraubenverbindung führen können. Eine Verwendung anderer Verfahren – wie zum Beispiel dem Drehwinkelverfahren – ist nicht möglich, da zwischen den Ringflanschen immer ein Spalt vorliegt und somit der Fügepunkt nicht präzise definiert werden kann. Durch die Verwendung von Schraubenspannzylindern wird die Klaffung schnell geschlossen.
torsionsfreien Vorspannens
Konventionelles Drehmomentverfahren: Durch schlecht kalkulierbare Gewinde- und Kopfreibung können beim Auftragen der Vorspannkräfte starke Schwankungen von bis zu 100 % entstehen.
Messergebnisse bestätigen wartungsfreie Schraubenverbindung
Die Messung der Montagevorspannkraft wurde zum einen mit Hilfe eines mechanischen Längenmesserfahrens und zum anderen mit dem USB-System (Ultrasonic Bolt System) durchgeführt. Bei dem USB-System wird ein Ultraschallsensor fest auf die Stirnfläche des Schraubenkopfes integriert („Sputtern“), wodurch hohe Genauigkeiten der Messergebnisse gewährleistet sind.
USB-System: Messung der Ergebnisse durch Ultraschallmesssystem
Die Praxisuntersuchungen wurden im Auftrag und in Zusammenarbeit namhafter Windkraftanlagenhersteller an Anlagen der Klassen 1,5 MW, 2,5 MW und 6,0 MW durchgeführt. Dabei wurden Schraubendimensionen von M30 bis M72 untersucht. Alle durchgeführten Untersuchungen belegen, dass das IHF Schraubsystem ein wartungsfreies Schraubsystem ist.
Messergebnisse der IHF Verbindungselemente M48: Durch die konstant präzisen Vorspannkräfte ist die Schraubenverbindung wartungsfrei
Durch die konstant präzisen Vorspannkräfte ist die Schraubenverbindung wartungsfrei.
Voraussetzungen einer wartungsfreien Schraubenverbindung
Die Hauptvoraussetzungen auf einen Blick:
- Eine kleine Streuung der Montagevorspannkraft (FM)
- Präzise Fertigung der Verbindungselemente
- Geringe Anzahl von Trennfugen
Die geometrischen Toleranzen der verwendeten Verbindungselemente müssen in einem kleinen Streuband liegen und die Anzahl der Trennfugen muss auf ein Minimum reduziert werden. Ferner sollte ein ausreichendes Klemmlängenverhältnis vorliegen. Das innovative IHF Schraubsystem erfüllt die Voraussetzungen einer wartungsfreien Schraubenverbindung, da die Streuung der Montagevorspannkraft durch die Verwendung von ziehenden Werkzeugen sehr klein ist und durch die integrierten Scheiben die Trennfugen reduziert werden können.
Weitere Vorteile: Reduktion der Flanschdimensionen, schnellere Montage
Neben der Reduktion der Herstellungskosten durch kompaktere Flanschdimensionen lassen sich auch die Montagekosten bei Erstinstallation durch einen schnelleren Verschraubungsprozess senken. Ringflansche, die mit Schraubenspannzylindern verspannt werden, werden schneller verschraubt, da kein Gegenhalter für den Drehmomentschrauber erforderlich ist. Abhängig von der Schraubendimension und der Anzahl lässt sich die Montagezeit pro Ringflansch um bis zu 50 % reduzieren, wie Praxisergebnisse belegen.
Gegenüber Drehschraubern oder Drehmomentschraubern bieten Schraubenspannzylinder zusätzlich ein geringeres Gewicht und eine arbeitssichere Positionierung, da die Abstützposition des Schraubenspannzylinders auf der Flanschauflagefläche vordefiniert ist. Das hydraulische reibungs- und torsionsfreie Vorspannen von Schrauben mit Schraubenspannzylindern wird bei Windkraftanlagen bereits bei Lager- und Getriebeverschraubungen, sowie bei Fundamentschrauben eingesetzt. Die Technologie wurde vor über 40 Jahren für Anwendungen an Großwälzlagern und für Gas- und Dampfturbinen entwickelt und fortwährend weiterentwickelt.
ITH vollzieht nun den Technologietransfer für Anwendungen im allgemeinen Stahlbau. Hierzu gehört auch, dass die IHF Verbindungselemente die Europäische Bewertung ETA (European Technical Assessment) vom Deutschen Institut für Bautechnik sowie eine Zertifizierung des DNV erhalten haben.
Fazit: Weniger Wartungs- und Materialkosten durch IHF
Das innovative IHF Schraubsystem setzt neue Maßstäbe im Stahlbau, da neben geringerem Material- und somit Kostenaufwand eine schnellere und wartungsfreie Schraubenverbindung realisiert werden kann. Die Vorteile dabei sind:
- Wartungsfreie Schraubenverbindungen senken Wartungskosten signifikant
(gerade bei Offshore Anwendungen) - Schnellere Erstinstallation und höhere Anlagenverfügbarkeit
- IHF Verbindungselemente haben die ETA-Zertifizierung (European Technical Assessment)
durch das Deutsche Institut für Bautechnik erhalten, ferner eine Zertifizierung durch den DNV
