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Schraubenverbindungen an Turbinen zählen zu den sicherheitskritischsten Konstruktionselementen im Kraftwerksbau. Sie müssen dauerhaft hohen Innendrücken, thermischen Wechselbeanspruchungen und langen Betriebszeiten standhalten. Dabei wirken Vorspannkraft, Werkstoffdehnungen, Setzverluste und Montageverfahren unmittelbar auf die Betriebssicherheit ein. Bereits geringe Abweichungen können zu einem schleichenden Vorspannkraftverlust oder im Extremfall zum Versagen einzelner Schrauben führen.

Die vorliegende Fallstudie zeigt, wie sich thermische Einflüsse, Setzvorgänge und Montageeffekte gemäß VDI 2230 präzise bewerten lassen – und wie daraus konkrete Maßnahmen für eine sichere, langlebige und wirtschaftliche Schraubenverbindung abgeleitet wurden.

Ausgangssituation: Auffälligkeiten im Hochtemperaturbetrieb

In einem Gaskraftwerk traten nach mehreren Betriebszyklen Auffälligkeiten an der Flanschverbindung eines Hochdruckturbinengehäuses auf. Einzelne Schrauben zeigten Anzeichen von Vorspannkraftverlust, in zwei Fällen kam es zu einem vorzeitigen Schraubenversagen.

Die ursprüngliche Auslegung der Verbindung basierte auf internen Werksnormen, jedoch nicht auf einer vollständigen Berechnung nach VDI 2230. Um die Ursachen eindeutig zu identifizieren und eine dauerhaft betriebssichere Lösung zu schaffen, entschied sich der Betreiber für eine vollständige Nachrechnung der Schraubenverbindung.

Die Berechnung wurde softwaregestützt mit MDESIGN bolt durchgeführt, um Normkonformität, Prüfbarkeit und Reproduzierbarkeit sicherzustellen.

Betriebsbedingungen der Hochdruckturbine

Die betrachtete Verbindung bestand aus einem zweiteiligen Hochdruckturbinengehäuse, verschraubt über eine großflächige Flanschverbindung.

Rahmendaten der Verbindung

• Schrauben: 32 × M24, Festigkeitsklasse 12.9
• Axiale Belastung: ca. 80 kN pro Schraube (Innendruck)
• Betriebstemperatur: ca. 300 °C
• Werkstoff Gehäuse: G-X12CrMoWVNbN10-1-1

Eine zentrale Besonderheit lag in den hohen Betriebstemperaturen. Diese führen zu unterschiedlichen thermischen Längenänderungen von Schraube und Gehäuse und damit zu signifikanten Vorspannkraftverlusten, die normgerecht zu berücksichtigen sind.

Vorgehen nach VDI 2230 – technische Bewertung der Verbindung

Ermittlung der Montagevorspannkraft

Die zulässige Montagevorspannkraft betrug 349 kN, die angestrebte Zielvorspannung lag bei 310 kN. Damit wurde die Schraube im Betrieb hoch beansprucht, jedoch innerhalb des VDI-konformen Rahmens. Diese hohe Vorspannkraft ist erforderlich, um die Flanschverbindung unter Druck dauerhaft geschlossen zu halten.

Temperaturbedingte Vorspannkraftverluste

Die thermische Analyse zeigte deutliche Unterschiede in der Längenausdehnung zwischen Schraube und Gehäuse. Bei einer Temperaturdifferenz von rund 300 K ergab sich eine zusätzliche Längenänderung von etwa 0,18 mm.

Dieser scheinbar geringe Wert führte bereits zu einem Vorspannkraftverlust von rund 15 %, entsprechend etwa 9 kN pro Schraube. Gerade bei Hochtemperaturverbindungen wird deutlich, wie sensitiv die Klemmkraft auf thermische Effekte reagiert und wie entscheidend eine exakte Modellierung ist.

Setzvorgänge in der Flanschverbindung

Zusätzlich beeinflussten Setzvorgänge das Vorspannkraftniveau. Die gussraue Oberfläche des Gehäuses sowie eine funktionale Beschichtung führten zu Setzbeträgen zwischen 40 und 60 µm. Daraus ergaben sich weitere 5 bis 7 % Vorspannkraftverlust.

Die Kombination aus thermischer Dehnung und Setzen erklärte exakt die im Betrieb gemessenen Abweichungen der Klemmkräfte. Der berechnete resultierende Vorspannkraftverlust lag bei: FZ = 22.445 N

Festigkeitsnachweise der Schrauben

Nach Berücksichtigung aller Einflüsse erfolgte der vollständige Festigkeitsnachweis gemäß VDI 2230:

• Sicherheit gegen Fließen: S_F = 2,71
• Sicherheit gegen Dauerbruch: S_D = 1,25

Erst nach Optimierung aller Randbedingungen erfüllte die Verbindung die normativen Anforderungen vollständig.

Die nachfolgenden Inhalte befassen sich mit der softwarebasierten Umsetzung der VDI-2230-Berechnung sowie der Prüffähigkeit der Ergebnisse. Den vollständigen Fachartikel finden Sie auf mdesign.de.

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