Würden Sie Ihren Automotor ohne Öl betreiben? Die Montage einer Schraubverbindung ohne Verwendung eines geeigneten Gewindeschmiermittels ist ein vergleichbares Szenario. Gewindeschmierstoffe werden oft übersehen, können aber einen großen Einfluss auf den Erfolg einer Schraubverbindung haben.

In jeder Industrieanlage kann es Tausende von Schraubverbindungen geben, vor allem in den Flanschverbindungen in Rohrleitungssystemen, an gepackten Stopfbuchsen an Pumpen und Ventilen und beispielsweise an Wärmetauscherabdeckungen. Alle diese Ausrüstungsteile werden verwendet, um Komponenten unter Beibehaltung einer leckdichten Druckgrenze für ein System zu verbinden. Diese Systeme können unter hohem Druck, hohen Temperaturen und gefährlichen Chemikalien arbeiten, und ein Versagen einer Schraubverbindung kann zu einer extremen Gefahr für das Personal führen.

Typische verschraubte FlanschbaugruppeBild 1. Typische Schraubflanschmontage (Bilder mit freundlicher Genehmigung des Autors)

Auf den ersten Blick sieht eine Schraubverbindung ziemlich einfach aus. Bild 1 zeigt eine grundlegende verschraubte Flanschanordnung, die zum Verbinden von Rohrabschnitten verwendet wird. Die Flansche haben gewöhnlich eine Dichtung, die zwischen ihnen installiert ist, die zusammengedrückt werden muss, um eine feste Dichtung in der Versammlung zu schaffen. Die Schrauben bieten ein Mittel zum Aufbringen einer Druckkraft auf die Dichtung. Der Mechaniker zieht die Schrauben am Flansch mit einem Schraubenschlüssel fest (dreht sie), und das angelegte Drehmoment wird in eine Kraft umgewandelt, die die Flansche zusammenklemmt und so die Dichtung zusammendrückt.

Aber eine Schraubverbindung ist etwas komplizierter als es aussieht. Die Dichtung erfordert eine bestimmte Menge an Kompression, um eine Dichtung zu erzeugen und zu erhalten, und es gibt unzählige Dichtungsarten auf dem Markt, die jeweils unterschiedliche Eigenschaften und erforderliche Druckspannung aufweisen, um richtig abzudichten.

Die Schrauben können mit verschiedenen Materialien, Stärken, Oberflächen, Gewindedesigns und Passungen hergestellt werden. Unabhängig von all diesen Variablen gibt es eine Schlüsselanforderung: Komprimieren Sie die Dichtung mit der richtigen Spannung, die erforderlich ist, um eine dichte Abdichtung zwischen den Flanschen zu schaffen, und halten Sie sie während ihrer gesamten Lebensdauer aufrecht.

Es gibt viele Möglichkeiten, wie eine Schraubverbindung genau angezogen werden kann. Die gebräuchlichste Methode ist das manuelle Anziehen der Schrauben am Flansch mit einem Drehmomentschlüssel. Viele andere Variablen als die Reibung können die Genauigkeit der erreichten Schraubenlast für einen bestimmten Drehmomentwert beeinflussen, einschließlich Gewindeanpassungen und -oberflächen, der verwendeten Werkzeuge und der Fähigkeiten des Mechanikers. Dieser Artikel konzentriert sich auf nur eine Hauptvariable: Reibung. Hier kommt das Thema Schmierstoffe ins Spiel.

Um die richtige Dichtungsspannung zu erreichen, müssen die Schrauben mit dem richtigen Drehmoment angezogen werden. Es gibt eine Grundformel zur Berechnung des Drehmoments, das zum Erreichen einer bestimmten Last erforderlich ist. Beachten Sie, dass die Belastung pro Schraube für die Flanschbaugruppe bestimmt wird, indem die erforderliche Dichtungsspannung durch die Dichtungsoberfläche dividiert wird.

Gleichung 1

Die resultierende Belastung der Dichtung wird dann durch die Anzahl der Schrauben am Flansch geteilt, um die Belastung pro Schraube zu bestimmen. Dann wird das Drehmoment, das benötigt wird, um die erforderliche Last pro Schraube zu erreichen, mit der Formel in Gleichung 1 bestimmt.

Die Bolzenlast und der Bolzendurchmesser sind klar definierte Parameter. Der K-Wert ist ein bisschen anders. Dies ist eine theoretische Zahl, die die Reibung in der verschraubten Baugruppe darstellt. Es wird idealerweise durch Testen der tatsächlichen Schraubenbaugruppe (d. H. Jeder Schraube oder Mutterbaugruppe) bestimmt, aber in vielen Fällen ist der verwendete Wert der K-Wert, der vom Bolzenschmierstoffhersteller geliefert wird.

Verhältnis des anzuwendenden Drehmoments zur SchraubenlastBild 2. Verhältnis des Drehmoments zur Schraubenlast

Reibung hat einen enormen Einfluss auf verschraubte Baugruppen. Wie in Bild 2 gezeigt, führt ein kleiner Teil des aufgebrachten Drehmoments (ungefähr 10 Prozent) tatsächlich zu einer nutzbaren Bolzenlast, die auf die Dichtung aufgebracht wird; Ein Großteil dieses Drehmoments wird durch Reibung zwischen den Gewinden des Bolzens oder Bolzens und der Mutter oder des Sacklochs und der Flanschfläche unter dem Kopf des Bolzens oder der Mutter verbraucht. Dieser Wert der nutzbaren Bolzenkraft kann unter Verwendung eines effektiveren Schmiermittels mit einem niedrigeren K-Faktor erhöht werden, wodurch der Gesamtreibungseffekt auf die Baugruppe verringert wird. Tabelle 1 zeigt ein grundlegendes Berechnungsbeispiel für eine einzelne 3/4-Zoll, UNC, B7 Bolzen / Mutter-Baugruppe, die auf einen Wert von 200 Fuß Pfund angezogen wird. In typischen Schraubendrehmomenttabellen wird häufig ein K-Faktor von 0,2 als Wert für legierte Stahlbaugruppen ohne Schmiermittel angegeben. Die resultierende Bolzenlast unter Verwendung dieses K-Faktors liefert 16.000 Pfund Bolzenlast. Wenn ein Schmiermittel mit einem niedrigeren K-Faktor verwendet wird und das gleiche Drehmoment angewendet wird, erhöht sich die Schraubenlast um 25 Prozent auf 20.000 Pfund. Wenn der K-Faktor tatsächlich höher als 0 ist.2, was durchaus möglich ist, kann die tatsächliche Bolzenlast beim Sollmoment erheblich geringer sein als die zur Erzielung der richtigen Dichtungsspannung im Flansch erforderliche.

Tabelle 1. Bolzenlaständerung in Abhängigkeit von K-FaktorTabelle 1. Bolzenlaständerung abhängig vom K-Faktor

Die Verwendung eines generischen K-Faktors in dieser Berechnung kann zu Problemen führen, ohne dass sich jemand dessen bewusst ist. Wenn die tatsächliche Schraubenlast höher als der Zielwert ist, kann dies zu einem Nachgeben der Schrauben oder einer Beschädigung der Dichtung führen. Wenn die tatsächliche Bolzenlast zu niedrig ist, kann dies zu einem Auslaufen einer abgedichteten Baugruppe führen, was zu einer gefährlichen Situation führt. Die Verwendung eines gemeldeten K-Faktors für ein bestimmtes Schmiermittel kann hilfreich sein.

Bild 3Bild 3. Konsistenz der aufgebrachten Last mit einer geschmierten (A) gegenüber einer nicht geschmierten (B) Baugruppe (Bildnachweis: Bickford. (1995), An Introduction to the Design and Behavior of Bolted Joints, New York, NY: Marcel Dekker)

Schmierstoffe sorgen für eine bessere Genauigkeit und Konsistenz beim Laden von Schrauben in einer Flanschbaugruppe. Bild 3 zeigt den Unterschied in der Bolzenstreckung (der der aufgebrachten Last entspricht) für eine Reihe von geschmierten Bolzen (A) im Vergleich zu sauberen, trockenen Bolzen ohne Schmiermittel (B). Die verwendete Schraubengröße ist eine 2 1/4-Zoll-Schraube, 12 Zoll lang, Klasse B6.

Die geschmierten Bolzen sind konsistenter als die trockenen. Bei einer Flanschbaugruppe mit acht Schrauben trägt diese verbesserte Genauigkeit dazu bei, dass die aufgebrachte Spannung auf die Dichtung gleichmäßig über ihre gesamte Fläche verteilt wird. Diese Genauigkeit kann bei höheren Belastungen abhängig von der Qualität des Schmiermittels abfallen. Einige Schmiermittel sind entworfen, um gute Schmierung unter hohen Lasten zur Verfügung zu stellen (d.h., eine hohe Qualität anti-ergreift), während andere niedrige Reibung an den niedrigen Lasten sind, aber an den höheren Druckaufgliedern mit dem Ergebnis der größeren Variabilität in den mehrfachen Versammlungen brechen. Dies kann zu Inkonsistenzen bei der Bolzenlast führen, oder im schlimmsten Fall zu einem Fressen der Gewinde, was dazu führt, dass keines der angelegten Drehmomente zu einer Bolzenlast führt.

Aber selbst wenn der Designer ein hochwertiges Gewindeschmiermittel ausgewählt hat, gibt es noch ein paar andere Dinge zu beachten.

Erstens, ist das Gelenk eine einmalige Montage, oder wird es wiederholt montiert und demontiert oder während des Betriebs angepasst? Wenn letzteres der Fall ist, wäre die beste Option ein hochwertiges Anti-Seize mit guten Schmiereigenschaften, das ein Abreiben verhindert, nachdem die Baugruppe längere Zeit in Betrieb war (häufig bei erhöhten Temperaturen, wodurch das Basisschmiermittel abgebaut werden kann). Die hochwertigsten Produkte in dieser Kategorie können auch nach dem Ausfall des Basisschmiermittels einen konsistenten — typischerweise höheren — K-Faktor liefern.

Zweitens sollte das Schmiermittel mit den abzudichtenden Medien oder der Atmosphäre, in der sich die Schraubverbindung befindet, kompatibel sein.

Schließlich können einige Schmierstoffe in Systemen, die auf Emissionskonformität überwacht werden, bei hohen Temperaturen flüchtige organische Verbindungen (VOCs) emittieren, die zu einem falsch positiven Ergebnis führen können. Das Überwachungsgerät kann ein VOC-Leck aus einem Flansch anzeigen, obwohl es sich tatsächlich um das Schmiergas handelt.

Nächster Monat: Packing Failure Modes