Verschraubung Unter Wasser sicher verschrauben

Redakteur: Juliana Pfeiffer

Schraubverbindungen unter Wasser vor dem selbsttätigen Lösen zu schützen, ist in der Praxis zeit- und kostenintensiv. Welches Montageverfahren das Bessere ist, hat ein Forschungsprojekt untersucht.

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Unter Wasser sicher verschrauben: Ein Forschungsprojekt hat hierfür die hydraulisch streckgrenzgesteuerten Montage unter die Lupe genommen.
Unter Wasser sicher verschrauben: Ein Forschungsprojekt hat hierfür die hydraulisch streckgrenzgesteuerten Montage unter die Lupe genommen.
(Bild: ©Ezio Gutzemberg - stock.adobe.com)

Lösen sich Schraubverbindungen selbsttätig, stellt das in der Praxis ein riesiges Sicherheitsrisiko dar. Um unzureichende Verbindungen besser zu erkennen, müssen deshalb relativ kurze Inspektionsintervalle eingeplant werden. Speziell für Anwendungen unter Wasser, wie beispielsweise Windenergieanlagen oder Bauten der Offshore-Öl- und Gasindustrie, bedeutet das einen enormen, kostenintensiven Aufwand. In dem vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie geförderten Forschungsvorhaben „Qualifizierung eines Verfahrens zur Montage und vorspannkrafterhaltenden Sicherung von Schraubverbindungen im Unterwasserbereich“ untersuchten das Fraunhofer-Institut für Großstrukturen in der Produktionstechnik IGP und die Technische Universität Dresden den Themenkomplex.

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Bei Schraubverbindungen im Offshore-Bereich stellen die widrigen Bedingungen bei Servicearbeiten im Wasserwechsel- und Unterwasserbereich besondere Anforderungen an die Servicetechniker. Das Meerwasser beeinflusst zudem die Reibungsverhältnisse in der Schraubverbindung. Wird das Anziehverfahren nicht angepasst, kann sich auch keine qualitätsgerechte Verbindung mit definierter Vorspannung ausbilden. „Durch die Entwicklung eines Verfahrens zur Schraubensicherung im Unterwasserbereich kann eine erhebliche Wartungskostenreduzierung von Schraubverbindungen in exponierten Lagen erreicht werden“, ist sich Patrick Junckers, Geschäftsführer der Hytorc Barbarino & Klip GmbH, sicher. Das Unternehmen hat die Forschungsarbeiten mit Material und Personal unterstützt.

Problematik beim drehmomentgesteuerten Anziehen

Weder Euocode 3 noch DIN EN 1090-2 enthalten explizite Hinweise, wie Schraubverbindungen unter Wasser ausgelegt und montiert werden sollten. Die DIN EN 1090-2 weist lediglich darauf hin, dass eine Unterwassermontage einige Schwierigkeiten mit sich bringen kann, da die Kontaktflächen verunreinigen könnten. Bislang kann auch mit keiner Vorgabe überprüft werden, wie sich das Wasser auf die Haftreibungszahl der Kontaktflächen auswirkt. In dem Forschungsprojekt wurden die dafür notwendigen Versuchsaufbauten konzipiert und realisiert.

Dafür wurden die Montageverfahren des drehmomentgesteuerten, drehmoment-drehwinkelgesteuerten und hydraulisch streckgrenzgesteuerten Anziehen für den Unterwassereinsatz verglichen und erprobt. Dabei fanden die Forscher heraus, dass die werksseitige Schmierung von Garnituren, die aus Schraubbolzen, Mutter und U-Scheiben besteht, mit Molybdändisulfid (MoS2) für den Unterwassereinsatz nicht geeignet scheint. Der Grund: die Schmiereigenschaften von MoS2 reduzieren sich unter dem Einfluss von Wasser. Werden nun unzureichende geschmierte hochfeste, vorspannbare Schraubgarnituren montiert, kann der Vorspannkraftbemessungswert beim drehmomentgesteuerten Anziehen deutlich unterschritten werden. Infolge dessen kann sich die Verbindung selbsttätig lösen.

Rechtzeitiger Prozessstopp beim Anziehen überlastet Schraube nicht

Die drehmoment-drehwinkelgesteurerte Montage führte zwar zu deutlich höheren Vorspannkräften, birgt jedoch die Gefahr, dass die Schraube beim Anziehen überbeansprucht wird. Beim hydraulischen streckgrenzgesteuerten Verfahren (SGA) werden die Schrauben durch den rechtzeitigen Prozessstopp beim Anziehen nicht überlastet. Im Rahmen der Versuche führte SGA zu Vorspannkräften oberhalb des Bemessungswertes – obwohl die Reibverhältnisse unzureichend und teils gegen Mitdrehen ungenügend gesichert waren. Das gilt selbst bei HV-Garnituren mit kurzer Klemmlänge. Diese steiferen Verbindungen sind in der Schraubmontage schwieriger zu realisieren – mit dem hydraulisch streckgrenzgesteuerten Verfahren war dies im Untersuchungsverlauf ebenfalls kein Problem. Zudem kann mit dem hydraulisch streckgrenzgesteuerten Verfahren optimal auf Flanschimperfektionen reagiert werden. Dabei wird ein bestmögliches Vorspannkraftniveau bei gleichzeitig geringen Vorspannkraftstreuung erzielt. Messungen haben zudem gezeigt, dass die zu erreichende Mindestvorspannkraft bei diesem Verfahren auch nach 25 Jahren sichergestellt ist.

Im Forschungsprojekt wurden zudem alternative Unterlegscheiben getestet. Demnach tragen die verdrehsicheren Unterlegscheiben Z-Washer und Back-Up-Washer zum Schutz gegen Mitdrehen bei. Es werden zudem höhere Vorspannkräfte erreicht, als es bei der Montage mit HV-Scheiben möglich ist.

Streckgrenzgesteuertes Anziehen anderen Verfahren überlegen

Die überlegene Sicherheit des hydraulisch streckgrenzgesteuerten Verfahrens hat Hytorc zusammen mit Siemens und der internationalen Klassifikationsgesellschaft DNV GL in Versuchsreihen beim Hamburger Element Werkstofflabor wissenschaftlich bewiesen. Die Testergebnisse überzeugten den DNV GL: Im Frühjahr 2019 wurde das Verfahren für alle Anwendungen im Schiffsbau freigegeben. Damit lässt sich das SGA auch bei der Montage von On- und Offshore-Windenergieanlagen einsetzen. Seit Jahren plädiert Hytorc dafür, dass sicherheitsrelevante Schraubverbindungen unter schwierigen Bedingungen ausschließlich streckgrenzgesteuert angezogen werden sollten. „Die wissenschaftlichen Untersuchungen untermauern mit objektiven Daten unsere Argumentation. Hytorc hat frühzeitig den Nutzen dieses Verfahrens erkannt. Wir haben einfach bedienbare, hochpräzise und zuverlässige Werkzeuge und Schraubprozesssteuerungen entwickelt und dem streckgrenzgesteuerten Anziehen den Weg zur massenhaften Anwendung geebnet“, erklärt Junkers.

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