Sichere Offshore-Schraubenverbindungen - verlässliche Überwachung der Vorspannkraft mit Ultraschall

Die Schraubenverbindung gehört auf Grund ihrer Lösbarkeit, besonders bei stark beanspruchen Bauteilen, zu den Standardfügeverfahren im Bauwesen, im Maschinen- und Anlagenbau sowie in der Automobil- und Luftfahrtbranche. Eine sichere und zuverlässige Schraubenverbindung beruht auf einer bei der Montage aufzubringenden Vorspannkraft, die unter Berücksichtigung späterer Setzerscheinungen ausreichend groß sein muss, um den auftretenden Betriebslasten und den Umgebungseinflüssen standzuhalten. Das Erreichen der erforderlichen Vorspannkraft bei der Montage ist in der Praxis mit großen Unsicherheiten verbunden. Mit den aktuell etablierten, wirtschaftlichen und industriell eingesetzten Montageverfahren wird die Vorspannkraft nicht direkt gemessen, sondern indirekt z.B. über das Drehmoment oder den Drehwinkel bestimmt. Um die Streuung der Montagevorspannkraft abschätzen zu können, müssen die entsprechenden Einflussparameter (k-Klasse oder Reibungszahlen im Gewinde und in der Kopfauflage) in aufwändigen und kostenintensiven Laborversuchen ermittelt werden. Diese Vorgehensweise impliziert für die Instandhaltung vorgespannter Schraubenverbindungen unkalkulierbare Randbedingungen, die eine Gewährleistung eines definierten Vorspannkraftniveaus über eine längere Zeit mit den gängigen Verfahren stark erschweren. Daher ist eine alternative Methode zur Überwachung der Vorspannkraft bei der Montage und vor allem während des Betriebs für den Anwender von großem Interesse. Ultraschallsysteme werden seit vielen Jahren zur Bestimmung der Schraubenvorspannkraft in der Montage genutzt. Die kommerziell verfügbaren industriellen Systeme messen die Laufzeitänderung einer Ultraschall-Longitudinalwelle, die sich über die gesamte Schraubenlänge ausbreitet, vom Schraubenende reflektiert und vom Ultraschallwandler wieder empfangen wird. Da die Ultraschallverfahren die Änderung der Laufzeit in der Schraube messen, sind sie zum Beispiel von der Reibung unabhängig. Das gängige Ultraschallverfahren muss allerdings an einer unbelasteten Schraube kalibriert werden. Neben dem einfachen Ultraschall-Laufzeitverfahren sind in der Wissenschaft auch sogenannte Zwei-Moden-Methoden bekannt. Diese haben den Vorteil, dass sich der Kalibrieraufwand verringert. Dieses auch am Fraunhofer IZFP im Rahmen einer Machbarkeitsstudie getestete Verfahren ist trotz seines hohen Potentials nicht kommerziell verfügbar. Ziel dieses Forschungsprojekts ist es, ein Konzept zu entwickeln, das die Zwei-Moden-Methode zu einem zuverlässigen Ultraschallmessverfahren sowohl für dauerhaftes Monitoring als auch für stichprobenartige Überprüfungen im Rahmen der Instandhaltung qualifiziert. Dazu ist es erforderlich, die einflussnehmenden Faktoren auf die Vorspannkraftmessung mittels Ultraschall zu quantifizieren. Neben dem Oberflächenzustand, werkstoffmechanischen und geometrischen Kenngrößen von HV- und anderen Verschraubungen sind spezielle Umgebungsbedingungen (maritimer Bereich) im Rahmen dieses Projekts zu berücksichtigen. Ferner sind gerätetechnische und messtechnische Herausforderungen zu bewältigen, um eine robuste Prüftechnik für den industriellen Einsatz zu ermöglichen, da die auszuwertenden Laufzeitänderungen im Nanosekunden-Bereich höchsten Anforderungen unterliegen. Das Ziel des Forschungsvorhabens ist die Weiterentwicklung der ultraschallbasierten ""Vorspannkraftmessung zu einem universell einsetzbaren Verfahren zur Überwachung beliebiger Schraubenverbindungen durch direkte Bestimmung von Materialeigenschaften. Hierzu müssen die schraubenspezifischen Einflussgrößen auf das Ultraschall-(US)-Laufzeitsignal erstmals quantifiziert werden. Weiterhin sollen die Randbedingungen sowie die Grenzen der ultraschallgestützten Vorspannkraftbestimmung für verschiedene Verschraubungen erarbeitet werden. Dieses Wissen soll die optimale Montage sowie speziell die Überwachung kritischer, vorgespannter Verschraubungen sicher, reproduzierbar und in einem überschaubaren Kostenrahmen halten.