Sichere Offshore-Schraubenverbindungen -verlässliche Überwachung der Vorspannkraft mit Ultraschall
Laufendes Projekt
Förderinstitution: IGF/AIF-Vorhaben
Projektnummer: 19.671 N
Projektbearbeiter: Thomas Niwinski, M.Sc.
Projektlaufzeit: 01.01.2018 – 31.12.2020
Kurzdarstellung
Kraft- und reibschlüssige Schraubenverbindungen sind in ihrer Zuverlässigkeit einerseits an die korrekte Auslegung, andererseits aber auch an die korrekte Einstellung der benötigten Vorspannkraft gebunden. Übliche Montageverfahren stellen die Vorspannkraft nur indirekt ein (z.B. drehmomentgesteuert), so dass es zu unzureichenden Vorspannkräften, verbunden mit erheblichen Schäden, kommen kann. Die Überwachung der Vorspannkraft bereits bei der Montage und deren Verhalten über die gesamte Bauteillebensdauer ist somit ein wichtiger Schritt zur Steigerung der Effizienz und Zuverlässigkeit.
Ultraschallverfahren zur Bestimmung der Vorspannkraft in Schrauben basieren auf dem akusto-elastischen Effekt. Der akusto-elastische Effekt beschreibt die Änderung der Ausbreitungsgeschwindigkeit der Ultraschallwelle infolge eines wirkenden Dehnungszustands. Die Schalllaufzeit nimmt im linear-elastischen Bereich des Werkstoffes linear mit der Dehnung zu, wobei zwei Anteile hierzu beitragen: die Verlängerung der Schraube und der akusto elastische Effekt.
Das folgende Bild verdeutlicht das Prinzip, wie man den akusto-elastischen für die Vorspannkraftermittlung nutzen kann. Schwarz dargestellt ist die Schraube im unbelasteten Zustand, rot gestrichelt im gelängten Zustand nach der Montage. Am Schraubenkopf ist ein Ultraschallsensor angebracht. Im Puls-Echo-Verfahren wird die Laufzeit einer Wellenart – der Longitudinalwelle – ausgewertet. Für die Ermittlung der Vorspannkraft ist die Laufzeit im unbelasteten Zustand notwendig.
Das Verfahren wurde um eine zweite Wellenart – die Transversalwelle – ergänzt. Beide Wellenarten besitzen unterschiedliche Schallgeschwindigkeiten und reagieren unterschiedlich auf den Dehnungszustand, d.h. der akusto-elastische Effekt ist unterschiedlich groß ausgeprägt. Dieser Sachverhalt lässt sich zur Ermittlung der Vorspannkraft nutzen. Durchlaufen die beiden Wellenarten die gleiche Strecke, so benötigen sie hierfür unterschiedliche Zeiten. Durch Bildung des Quotienten aus beiden Schallwellenlaufzeiten, ergibt sich ein Parameter, welcher wegunabhängig ist. Die Ermittlung der Laufzeit im unbelasteten Zustand für jede Schraube ist bei Verwendung der so genannten Zwei-Moden-Methode nicht mehr notwendig.
Im Rahmen von Laboruntersuchungen konnte gezeigt werden, dass es möglich ist Vorspannkräfte an Schrauben zu ermitteln, zu denen keine Aussage über die Laufzeit im unbelasteten Zustand vorliegt. Je nach Anforderung an die Genauigkeit kann die Vorspannkraftermittlung ganz ohne vorherige Kalibrierung bzw. mechanisch- technologische Versuche an den Schrauben erfolgen – die elastischen und akusto-elastischen Kennwerte können hierzu beispielsweise der Literatur entnommen werden. Eine Anpassung der Kennwerte an die tatsächliche Geometrie der Schraube (Länge, Klemmlänge, Durchmesser, Kopfhöhe, etc.) erfolgt rechnerisch. Es konnte gezeigt werden, dass die Vorspannkraft bei Annahme von Kennwerten aus der Literatur mit einer Genauigkeit von etwa 10 % mit der Zwei-Moden-Methode ermittelt werden kann. Bei der Verwendung von in Zugversuchen mit zeitgleicher Laufzeitmessung bestimmten elastischen und akusto-elastischen Kennwerten lässt sich die Genauigkeit entsprechend verbessern. Der Vorteil gegenüber der Ein-Moden-Methode ist jedoch, dass nur eine einzige Schraube zur Kalibrierung ausreicht, da die Methode wegunabhängig ist und somit die Längentoleranzen der Schrauben keine Rolle spielen.
Es konnte ein Monitoring-Verfahren erarbeitet und validiert werden, welches eine ultraschallbasierte und somit zerstörungsfreie Ermittlung der Vorspannkraft auch an Schrauben im Bestand – also ohne vorherige Kalibriermöglichkeit – ermöglicht. Eine zusätzliche maschinelle Bearbeitung des Schraubenkopfes bzw. der Schraubenkuppe ist nicht notwendig.
Das Forschungsprojekt wird zusammen mit dem Fraunhofer-Institut für Zerstörungsfreie Prüfverfahren in Saarbrücken bearbeitet.
Förderhinweis
Das IGF-Vorhaben 19.671 N der Forschungsvereinigung Schweißen und verwandte Verfahren e.V. des DVS wird über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen „Otto von Guericke“ e.V. (AiF) im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung und -entwicklung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Den vorgenannten Einrichtungen sei für die Betreuung und Förderung an dieser Stelle sehr herzlich gedankt.
