Welche Auswirkungen hat Wärme auf vorgespannte Schraubenverbindungen?

Negative Auswirkungen auf Schraubenverbindungen

Bei Betriebstemperaturen über 250 °C treten in legierten und unlegierten Stählen die Phänomene Kriechen und Relaxation in Erscheinung. Obwohl die Schrauben bei Betriebstemperatur im elastischen Bereich vorgespannt werden, geht ein Teil der Vorspannung proportional zur Abnahme der Streckgrenze der Schraube verloren.

Aufgrund von Temperaturschwankungen werden die Teile und Befestigungselemente je nach Geschwindigkeit der Temperaturänderung, der Masse und Größe der Teile, der Leitfähigkeit der Metalle und dem Ausdehnungskoeffizienten der einzelnen Werkstoffe ausgedehnt oder kontrahiert. Diese Differenzen in der relativen Ausdehnung oder Kontraktion zwischen Werkstoffen und Teilen führen zu unterschiedlichen  Vorspannkräften in der Schraubenverbindung. Oft tritt die maximale  Amplitude der Vorspannungsvariation in Übergangsphasen auf. Temperaturwechsel können außerdem wärmebedingte Ermüdung verursachen, da sich nicht alle Bereiche gleichzeitig mit der gleichen Amplitude ausdehnen. Die Grenzen zwischen „wärmeren“ und „kälteren“ Bereichen sind zusätzlichen Belastungen ausgesetzt, was zu lokaler Materialermüdung führen kann. Auch wenn in allen Teilen eine stabile und gleichmäßige Temperatur herrscht, empfiehlt es sich, Werkstoffe mit homogenen Ausdehnungskoeffizienten zu wählen, um Schwankungen bei der Vorspannkraft zu minimieren, oder bei der Planung der Schraubenverbindung eine entsprechende Anpassung der Vorspannkraft zu berücksichtigen.

Diese Herausforderungen lassen sich überwinden, indem aktuelle Bemessungsnormen sowie Richtlinien für die Auswahl von Werkstoffen und die Berechnung von Schraubenverbindungen eingehalten werden durch:

• Sicherstellung einer geeigneten Werkstoffauswahl in Bezug auf das Verhalten der mechanischen Eigenschaften bei Betriebstemperatur, um starke metallurgische Veränderungen wie Alterungs- oder Temperprozesse zu vermeiden.
• Gewährleistung, dass keine übermäßigen Belastungen durch Lastunterschiede entstehen, die durch Betriebsbelastungen und differenzielle, relative Wärmeausdehnung (oder -kontraktion) während der Temperaturwechsel hervorgerufen werden.
• Annahme, wie viel Vorspannung durch Kriechen und Relaxation verloren geht.

Erfahrung und Lösungen der Nord-Lock Group

Die Produkte der Nord-Lock Group, von Keilsicherungsscheiben bis hin zu Spannelementen mit Vielfachschrauben, kommen häufig in extremen Umgebungen zum Einsatz.

Beim Begleiten unserer Kunden durch die Produktauswahl, Produktentwicklung und Planung der Schraubenverbindungen folgen wir den aktuellen Leitlinien, um sichere und langlebige Komponenten liefern zu können. Wir überprüfen die Werkstoffauswahl, um bei Betriebstemperatur die Gefahr von Korrosion und Kriechen zu berücksichtigen.

Im nächsten Schritt überprüfen wir den Vorspannkraftbereich vom Anziehen bei Umgebungstemperatur bis hin zum Betriebszustand. Bei Bedarf werden Beschichtungen, Schmiermittel oder Trockenschmierung aufgebracht. Zudem unterstützen wir die Anwender in ihrer Planungsphase, um das Risiko eines Ausfalls der Schraubenverbindung zu vermeiden.