Methoden zur Messung der Schraubenvorspannung – ein technischer Vergleich für Großverschraubungen
In sicherheitskritischen Schraubverbindungen wie Turmflanschen, Prozessflanschen, Kranbahnverbindungen oder großen Stahlbauknoten hängt die strukturelle Sicherheit maßgeblich von der vorhandenen Vorspannkraft in den Schrauben ab. Diese Vorspannkraft bestimmt Steifigkeit, Dichtheit, Vibrationsverhalten und Ermüdungsfestigkeit. Sie ist jedoch im Betrieb nicht sichtbar und kann sich im Laufe der Zeit durch Setzen, Temperaturzyklen oder dynamische Belastungen verändern.
Für Betreiber, die Flansche oder große Schraubverbindungen überwachen möchten, stellt sich daher die Frage, welche Messverfahren geeignet sind, um die Schraubenvorspannung zu bestimmen und welche davon sich auch für ein kontinuierliches Schraubenmonitoring eignen.
Dieser Artikel vergleicht die wichtigsten Ansätze und erläutert, wie sich unterschiedliche Messverfahren in Montage, Betrieb und Monitoring verhalten.
Highlights
Drehmomentgesteuertes Anziehen und das ziehende Schraubverfahren sind für die Montage geeignet, messen aber nicht die tatsächliche Schraubenkraft im Betrieb.
Reibwertstreuungen und Montageeinflüsse führen zu großen Unsicherheiten.
Die Ultraschallmessung liefert exakte Einzelmessungen, ist jedoch temperaturabhängig, langsam und ungeeignet für große Schraubengruppen, wodurch sie für ein dauerhaftes Monitoring nicht praktikabel ist.
Sensorische Schrauben erfassen die reale Schraubenkraft und dynamische Lastanteile direkt im Schaft. Sie eignen sich besonders für das dauerhafte Monitoring hochbelasteter Schraubverbindungen.
Anforderungen an Messverfahren in kritischen Anwendungen
In industriellen Anwendungen mit Schrauben ab M24 bis M80 müssen Messverfahren mehrere technische Anforderungen erfüllen.
Zunächst darf die mechanische Tragfähigkeit der Schraube durch das Messverfahren nicht beeinträchtigt werden. Schrauben in Turmflanschen, Kranbahnen oder Schornsteinflanschen sind hoch belastet; jede Schwächung des Kernquerschnitts wirkt sich auf Sicherheit und Auslegung aus.
Darüber hinaus muss ein Messverfahren die tatsächliche Schraubenkraft erfassen und nicht nur indirekte Größen wie Drehmoment oder Rotationsarbeit. Idealerweise wird die Kraft über die Dehnung im Schraubenschaft gemessen, da die elastische Längung der Schraube direkt proportional zur wirkenden Kraft ist.
Für Betreiber ist es außerdem relevant, ob ein Verfahren nur für die Montage geeignet ist oder ob es auch während des Betriebs Daten liefern kann. Für ein Condition Monitoring muss die Messung im laufenden Betrieb möglich sein, entweder kontinuierlich oder automatisiert in festgelegten Intervallen.
Weiterhin ist eine robuste mechanische Ausführung erforderlich. Schrauben sollten sich möglichst wie normgerechte Befestiger verhalten, ohne Sondergeometrien oder empfindliche Zusatzkomponenten, die den Betrieb erschweren. Aus messtechnischer Sicht muss die Integration offen sein, damit vorhandene Messverstärker, Datenlogger und Steuerungen genutzt werden können, ohne dass proprietäre Hardware zwingend erforderlich ist.
Klassische Verfahren zur Bestimmung der Vorspannkraft
Drehmoment- und Drehmoment‑Drehwinkel-Verfahren
Diese Verfahren sind die am weitesten verbreiteten Methoden zur Montage. Die Vorspannkraft wird über das aufgebrachte Drehmoment oder über die Kombination aus Drehmoment und Drehwinkel bestimmt. Dabei basiert die Kraftberechnung auf der Annahme, dass ein bestimmter Anteil des Drehmoments in elastische Dehnung umgesetzt wird.
In der Praxis ist dieses Verfahren stark reibwertabhängig: Variationen in Schmierung, Gewindereibung oder Kopfauflage führen zu erheblichen Streuungen in der erzielten Vorspannkraft. Das Verfahren eignet sich gut, um eine definierte Anzugsvorschrift umzusetzen, liefert aber keine Information darüber, wie sich die Schraubenkraft im Betrieb verändert. Auch eine Nachprüfung bleibt schwierig, da das erneute Aufbringen von Drehmoment den Schraubenzustand selbst verändert.
Ziehendes Verfahren
Das ziehende Verfahren dehnt die Schraube zunächst axial über eine hydraulische Zugkraft, bevor die Mutter gegen den Flansch gesetzt wird. Dadurch entstehen deutlich reproduzierbarere Vorspannkräfte, da Reibwertschwankungen kaum Einfluss auf die erzielte Dehnung haben. Diese Methode ist besonders bei großen Schraubenabmessungen und Dehnschaftbolzen etabliert, beispielsweise in Rotorblattbolzen von Windkraftanlagen.
Auch diese Methode ist jedoch ein reines Montageverfahren. Sie liefert eine exakte Vorspannkraft zum Zeitpunkt der Verschraubung, jedoch keine Information darüber, wie sich diese Kraft über die Betriebszeit entwickelt. Für die Überwachung im Betrieb ist das Verfahren daher ungeeignet.
Ultraschallmessung
Bei der Ultraschallmessung wird eine akustische Welle durch die Schraube gesendet. Aus der Laufzeitänderung wird die Längenänderung und damit die Vorspannkraft abgeleitet. Dieses Verfahren ist sehr präzise, wenn die Schraube kalibriert ist, und eignet sich gut für stichprobenartige Prüfungen einzelner Schrauben.
Die Messung ist jedoch punktuell und abhängig von Temperatur, Kopplungsbedingungen und Oberflächenzustand. Für Flanschverbindungen mit vielen Schrauben ist die Anwendung aufwendig, da jede Schraube separat geprüft werden muss. In der Regel erfolgt die Prüfung bei stehender Maschine. Für ein kontinuierliches Schraubenmonitoring liefert das Verfahren keine integrierte Lösung.
Sensorische Schrauben – Funktionsprinzip und Konstruktionsvarianten
Sensorische Schrauben erfassen die Dehnung im Schraubenschaft direkt und bestimmen daraus die wirkende Schraubenkraft. Sie unterscheiden sich vor allem darin, wie die Sensorik integriert ist.
Eine Variante sind Schrauben mit Längsbohrungen, in die Sensorik und ggf. Elektronik eingebracht werden. Diese Lösungen erfassen zwar zuverlässig die axiale Dehnung, verändern jedoch den tragenden Kernquerschnitt der Schraube und erfordern eine erneute mechanische Bewertung für sicherheitskritische Anwendungen. Die Messung erfolgt je nach Anbieter resistiv, kapazitiv oder induktiv.
Eine andere Variante sind externe Sensoren wie Lastmessringe sensorische Unterlegscheiben oder sensorische Muttern. Diese erfassen die Kraft indirekt über den Druckpfad unter Kopf oder Mutter, verändern jedoch die Einbausituation und die lokale Steifigkeit. Sie liefern keine direkte Schraubenschaftdehnung und sind in dynamischen oder mehrdimensional belasteten Verbindungen nur eingeschränkt aussagefähig.
Die dritte Gruppe sind bohrlochfreie integrierte Systeme, bei denen die Sensorik auf der Oberfläche des Schraubenschafts angebracht wird und die Leitungsführung im vorhandenen geometrischen Spiel des Gewindegrunds erfolgt. Diese Lösungen erfassen die tatsächliche Schraubendehnung, erhalten den vollen Kernquerschnitt und ermöglichen eine hochauflösende Messung im Betrieb.
Das Messkonzept des S.Bolt XP
Der S.Bolt XP gehört zu den bohrlochfreien sensorischen Schraubsystemen. Die Sensorik besteht aus einer Dehnungsmessstreifen‑Vollbrücke, die direkt auf dem Schaft im Klemmbereich appliziert ist. Die elektrische Verbindung wird über den Gewindegrund geführt, sodass keine mechanische Schwächung entsteht und die Geometrie der Schraube vollständig erhalten bleibt.
Mechanisch verhält sich die Schraube wie ein normgerechter Befestiger; die vollständige Tragfähigkeit bleibt erhalten. Gleichzeitig ermöglicht die DMS‑Vollbrücke eine präzise Erfassung der axialen Schraubenkraft. Je nach Variante können zusätzlich Biegemomente oder Torsionsanteile gemessen werden, wodurch sich das Lastverhalten komplexer Verschraubungen wie Blattbolzen, Kranbahnverschraubungen oder lange Durchgangsschrauben detailliert analysieren lässt.
Aus messtechnischer Sicht ist der S.Bolt XP ein Standard‑DMS‑Sensor. Er kann mit handelsüblichen DMS‑Verstärkern und industriellen Messmodulen betrieben werden, da er keine proprietäre Auswerteelektronik benötigt. Die Integration in SPS‑Systeme, Datenlogger oder Condition‑Monitoring‑Plattformen ist ohne zusätzliche Spezialhardware möglich.
FAQ
Vergleich der Messmethoden – technische Einordnung
Drehmoment- und Streckverfahren liefern präzise Montagewerte, sind jedoch nicht geeignet, um die Schraubenkraft im Betrieb zu erfassen. Ultraschall ist ein sehr genaues Prüfverfahren, bleibt jedoch eine punktuelle Einzelmessung und lässt keinen kontinuierlichen Kraftverlauf erkennen.
Sensorische Schrauben bieten als einzige Methode die Möglichkeit, die tatsächliche Schraubenkraft kontinuierlich oder in regelmäßig automatisierten Intervallen zu erfassen. Durch die Dehnungsmessung im Schraubenschaft ergibt sich eine direkte Abbildung der wirkenden Kräfte. Varianten, die ohne Bohrungen auskommen, erfüllen zudem die hohen Anforderungen an die mechanische Integrität in sicherheitskritischen Anwendungen.
Für Betreiber, die Flanschverbindungen überwachen oder Schraubenmonitoring einführen möchten, sind sensorische Schrauben damit die einzige Methode, die sowohl die statische Vorspannkraft als auch dynamische Kraftanteile abbilden kann, ohne die Schraube mechanisch zu verändern. Durch die Analyse der dynamischen Signalanteile kann zudem auf die verbleibende Klemmkraft im Flansch geschlossen werden.
Fazit
Die Messung der Schraubenvorspannung lässt sich mit unterschiedlichen Verfahren realisieren, die jeweils für bestimmte Anwendungsfälle geeignet sind. Drehmoment- und Streckverfahren bleiben unverzichtbar für die Montage, Ultraschall ist ideal für punktuelle Prüfungen. Für die Beurteilung von Schraubverbindungen im Betrieb und für ein integriertes Schraubenmonitoring sind sensorische Schrauben mit direkter Dehnungsmessung die technisch präziseste und vollständigste Lösung.
Bohrlochfreie Systeme wie der S.Bolt XP ermöglichen diese Messung, ohne die mechanische Tragfähigkeit der Schraube zu verändern. Sie lassen sich in bestehende Industriemesstechnik integrieren und bieten damit eine praxistaugliche Grundlage für das Monitoring großer und sicherheitskritischer Schraubverbindungen.
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