Wenn 300 Grad und hoher Druck auf eine Schraubenverbindung treffen

Ein Praxisfall aus einem Gaskraftwerk verdeutlicht, wie sich thermische Einflüsse, Setzvorgänge und Montageeffekte nach VDI 2230 präzise bewerten lassen – und wie daraus belastbare Aussagen zur Betriebssicherheit einer hochbeanspruchten Schraubenverbindung abgeleitet werden können.

Ausgangssituation: Auffälligkeiten nach mehreren Betriebszyklen

Nach mehreren Lastzyklen traten an der Flanschverbindung eines Hochdruckturbinengehäuses Auffälligkeiten auf. Einzelne Schrauben zeigten reduzierte Vorspannkräfte, in zwei Fällen kam es zu einem Versagen. Die ursprüngliche Auslegung beruhte auf internen Werksnormen, jedoch nicht auf einer vollständigen Berechnung gemäß VDI 2230.

Um die Ursachen eindeutig zu identifizieren und die Verbindung dauerhaft betriebssicher auszulegen, entschied sich der Betreiber für eine vollständige technische Nachrechnung.

Betriebsbedingungen der Hochdruckverbindung

Die betrachtete Verbindung bestand aus einem zweiteiligen Hochdruckturbinengehäuse mit großflächiger Flanschverbindung.

Rahmendaten:

32 × M24-Schrauben, Festigkeitsklasse 12.9
Axiale Belastung durch Innendruck: ca. 80 kN je Schraube
Betriebstemperatur: rund 300 °C
Werkstoff des Gehäuses: G-X12CrMoWVNbN10-1-1

Bereits diese Parameter verdeutlichen die hohe Beanspruchung der Verbindung. Insbesondere die Temperaturdifferenz zwischen Montage- und Betriebszustand führt zu relativen Längenänderungen zwischen Schraube und Gehäuse – ein Effekt, der unmittelbar die Vorspannkraft beeinflusst.

Vorspannkraftermittlung nach VDI 2230

Die zulässige Montagevorspannkraft lag bei 349 kN, die angestrebte Zielvorspannung bei 310 kN. Damit bewegte sich die Verbindung im oberen, aber normkonformen Belastungsbereich. Diese hohe Vorspannkraft war erforderlich, um den Flansch unter Druck dauerhaft geschlossen zu halten.

Erst die vollständige Berechnung zeigte, wie stark einzelne Einflussgrößen tatsächlich wirken.

Temperaturabhängige Vorspannkraftverluste

Bei einer Temperaturdifferenz von rund 300 K ergab sich eine zusätzliche relative Längenänderung von etwa 0,18 mm zwischen Schraube und Gehäuse.

Dieser Wert führte bereits zu einem Vorspannkraftverlust von rund 15 Prozent – etwa 9 kN pro Schraube.

Gerade bei Hochtemperaturverbindungen zeigt sich die Sensitivität der Klemmkraft gegenüber thermischen Effekten. Ohne eine exakte Modellierung werden solche Verluste häufig unterschätzt.

Setzvorgänge als zusätzlicher Verlustmechanismus

Neben den thermischen Effekten beeinflusste das Setzverhalten der Flanschverbindung die Vorspannkraft. Die gussraue Oberfläche sowie eine funktionale Beschichtung führten zu Setzbeträgen zwischen 40 und 60 µm.

Die Folge waren weitere 5 bis 7 Prozent Vorspannkraftverlust.

In der Gesamtbetrachtung ergab sich ein resultierender Verlust von:

FZ = 22.445 N

Die Kombination aus thermischer Ausdehnung und Setzen erklärte damit exakt die im Betrieb gemessenen Abweichungen der Klemmkräfte.

Festigkeitsnachweise der Schrauben

Nach vollständiger Berücksichtigung aller Einflüsse erfolgte die normgerechte Überprüfung der Schrauben gemäß VDI 2230.

Die Sicherheitsbeiwerte betrugen:

• Sicherheit gegen Fließen: S_F = 2,71
• Sicherheit gegen Dauerbruch: S_D = 1,25

Die Analyse machte deutlich, welche Randbedingungen optimiert werden mussten, um eine dauerhaft stabile und wirtschaftliche Lösung zu erreichen.

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