DE3106593A1

DE3106593A1 - Verfahren und vorrichtung zur ermittlung der restspannung in einem befetigungselement

Info

Publication number: DE3106593A1
Application number: DE19813106593
Authority: DE
Inventors: John H. 06457 Middletown Conn. Bickford
Original assignee: Raymond Engineering Inc
Current assignee: Raymond Engineering Inc
Priority date: 1980-02-25
Filing date: 1981-02-23
Publication date: 1982-03-04
Also published as: JPS56133638A; US4333351A; GB2070786B; GB2070786A

Description

PATENTANWÄLTE

-H-

DIPL.CHEM. DR. KLAUS JAEGER DIPL.-ING. KLAUS D. GRAMS DR.-ING. HANS H. PONTANI

GAUTING · BERGSTR. 48Vi 8O31 STOCKDORF ■ KREUZWEG 34 8752 KLEINOSTHEIM · HIRSCHPFAD 3

RAY-2

Raymond Engineering, Inc.

217 Smith Street, Middletown, Connecticut 06457, USA

Verfahren und Vorrichtung zur Ermittlung der Restspannung in einem Befestigungselement

TELEPHON: (0 89) 8 50 20 30; 85 740 80; (0 60 27) 88 25 ■ TELEX: ^ 21 777 Isar d

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung der Restspannung in einem Befestigungselement, insbesondere im Bolzen einer vorhergehend festgezogenen Verschraubung.

Es ist in vielen Fällen wünschenswert, die Restspannung in Bolzen und dergleichen einer Fügungsverbindung messen zu können. Es gibt eine Reihe von Geräten um Bolzen einer Fügungsverbindung mit einer vorbestimmten und messbaren Last zu beaufschlagen, wenn die Verbindung zum ersten Mal festgezogen wird. Solche Geräte sind z.B. verschiedene Arten von Drehmomentschlüsseln mit einer Drehmomentanzeige, wie etwa im US-Patent 3,683,686 vorgeschlagen, oder Spanner. Drehmomentschlüssel funktionieren in der Weise, dass einer Mutter oder einem Bolzenkopf zum Befestigen einer Verbindung ein bestimmtes Drehmoment vermittelt wird. Spanner, wie z.B. diejenigen der Biach Industries, Inc. aus Cranford, New Jersey gemäss dem US-Patent 3,9 95,828 und anderen in dieser Patentschrift erwähnten Patenten, arbeiten in der Weise, dass ein Bolzen oder dergleichen um einen bestimmten Betrag entsprechend der gewünschten Spannung in die Länge gedehnt wird. Die Mutter wird dann bis zum Anschlagen gegen den Flansch oder die Platte der Fügungsverbindung beigeschraubt und sodann der Spanner entfernt.

Unabhängig von der Art und Weise, in welcher eine Verbindung ursprünglich festgezogen wurde, können die Bolzen oder dergleichen im Laufe der Zeit an Spannung verlieren auf Grund von verschiedenen Ursachen, wie Vibrationen, Wärmeeinwirkung, oder Strahlung. Da bekanntlich ein Bolzen sich proportional zu der Last dehnt, mit welcher er beaufschlagt ist, ist es in manchen Fällen möglich, einen Hinweis auf Spannungsänderungen zu erhalten, indem Aenderungen der Bolzenlänge gemessen werden. Es gibt jedoch Fälle, in denen Bolzen oder dergleichen an Spannung verlieren,

ohne dass damit eine Aenderung ihrer Länge einherginge. Dies tritt insbesondere dann ein, wenn die Bolzen Hitzeeinwirkung und/oder nuklearer Strahlung ausgesetzt sind. Es ist deshalb auch ganz besonders wichtig, die Restspannung in Bolzen nuklearer Anlagen bestimmen zu können, in denen die Bolzen ihre Spannung ohne Längenänderung verlieren können als Folge von Hitze- und/oder Strahlungseinwirkung. Wenn man die Restspannung nicht ermitteln kann,so bleibt man im Unklaren über die Zuverlässigkeit der Verbindung, eine Sachlage, welche in Anlagen wie Kernreaktoren ernsthafte Folgen nach sich ziehen kann.

Zur Vermeidung dieses Nachteiles des Standes der Technik ist es deshalb Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung vorzuschlagen für die Ermittlung der durchschnittlichen Restspannung in Bolzen einer vorhergehend festgezogenen Fügungsverbindung.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ermittlung der Restspannung in einem Befestigungselement mit den in den Kennzeichen der Ansprüche 1 und 7 angeführten Merkmalen gelöst.

Es wird ein Spanner verwendet, um auf den zu untersuchenden Bolzen eine Zugkraft auszuüben; als Folge dieser zusätzlichen Last entsteht eine zusätzliche Dehnung, d.h. Längenänderung des Bolzens. Es wird ein Ultraschall-Extensometer verwendet, um die Längenänderung des Bolzens unter dem Einfluss der Zusatzlast zu messen. Es wird ein Kraft-Dehnungs-Diagramm erstellt dessen Kurve die Beziehung zwischen der Zusatzspannung und der Längenänderung des Bolzens aufzeigt. Durch Vergleich dieser Kraft-Dehnungskurve mit tiiner vorhergehend erstellten Referenzkurvenschar für die Kraft-Dehnungs-Beziehung kann die Restspannung im zu untersuchenden Bolzen ermittelt werden.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen, in denen gleiche Teile mit den gleichen Referenzzahlen versehen sind, dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Figur 1, die schematische Darstellung einer Schraubenverbindung, bei der durch vorhergehendes Anziehen der Verschraubung ein Anpressdruck erzeugt wurde;

Figur 2, die schematische Darstellung einer Schraubenverbindung mit Restspannung, welche einer zusätzlichen Last unterworfen und die sich daraus ergebende Längung gemessen wird;

Figur 3, eine Reihe von Kraft-Dehnungs-Kurven, wie sie bei der Durchführung des Verfahrens erzeugt werden;

Figur 4, ein Blockdiagramm mit den verschiedenen Durchführungsschritten des Verfahrens;

Figuren 5 und 6, Varianten für die Durchführung des Verfahrens.

Figur 1 zeigt eine typische Verschraubung 10,. bei welcher Platten oder Flansche 12 und 14 durch einen Bolzen 16 mit einem Kopf 18 an dem einen Ende und einer Mutter 20 an dem andern zusammengehalten werden. Die Mutter 20 ist auf den Bolzen 16 aufgeschraubt, wobei das mit Gewinde versehene Bolzenende 22 des Bolzens 16 über die Mutter 20 vorsteht. Wenn die Verbindung 10 festgezogen ist, ist der Bolzen 16 gespannt und die Platten 12 und 14 in der Nähe des Bolzens einer Druckbeanspruchung ausgesetzt. Die Verbindung kann festgezogen worden sein mit einem Drehmomentschlüssel gemäss den US-Patenten 3,683,686 und 3,745,858 oder durch einen Spanner gemäss US-Patent 3,995,828 und in diesem Patent angegebenen anderen Patenten^ welche

hiermit als Referenz in die vorliegende Anmeldung einbezogen werden.

Wenn ein Spanner zum Festziehen der Verbindung verwendet worden ist, stehen vorstehende Gewindegänge 22 zur Verfügung für die Ermittlung der Restspannung gemäss vorliegender Erfindung. Wie aus Figur 2 ersichtlich ist, impliziert die Ermittlung der Restspannung in der Verschraubung 10 die Verwendung eines Spanners 24, einer Ultraschallquelle 26 und einer Ultraschallextensometereinheit 28. Die Ultraschallquelle 26 und der Ultraschallextensometer 28 können den Ausführungen entsprechen, welche im US-Patent 3,759,090 beschrieben sind; es wird deshalb hiermit auf dieses Patent Bezug genommen. Für die Ermittlung der Restspannung wird die Ultraschallquelle 26 an den Bolzenkopf 18 angelegt und der Spanner 24 auf die freiliegenden Gewindegänge am Bolzenende 22 aufgeschraubt. Der Spanner wird dann hydraulisch betätigt und der Bolzen 16 dadurch einer zusätzlichen Zugspannung ausgesetzt, wodurch, wie wohlbekannt ist, der Bolzen 16 sich etwas dehnt. Das Ultraschallextensometer 28 und die Ultraschallquelle 26 werden betätigt, sodass Ultraschallimpulse durch das Innere des Bolzens 16 wandern und am Bolzenende 22 zur Ultraschallquelle 26 zurück reflektiert werden. Das Ultraschallextensometer 28 misst die Zeitunterschiede für die Laufzeiten der Impulse durch den Bolzen 16 zwecks Ermittlung der Bolzendehnung gemäss dem im US-Patent 3,759,090 beschriebenen Verfahren. Gleichzeitig wird die zügige Kraftbeaufschlagung des Bolzens 16 in irgend einer gewünschten Weise angezeigt, so z.B. durch einen Fühler 25 am Spanner oder durch die Angabe des hydraulischen Drucks im Spanner. Einfachheitshalber ist in der Zeichnung die Ultraschallquelle 26 am Bolzenkopf angelegt, d.h. auf der entgegengesetzten Seite wie der Spanner 24. Diese Anordnung ist möglich bei Bolzen, deren beide Enden zugänglich sind. In

vielen Fällen wird jedoch das Befestigungselement ein Bolzen sein, bei welchem nur das mit Gewinde versehene Ende zugänglich ist. In diesem Fall wird die Schallquelle 26a innerhalb des Spanners 24 an dem mit Gewinde versehenen Ende des Bolzens angelegt- Diese Anordnung ist in Strichlinien in Figur 2 angedeutet und kann vorgezogen werden, sodass man mit nur einer Ultraschallquellenanordnung auskommt für alle Konfigurationen von Befestigungselementen.

Eine Kraft-Dehnungs-Kurve wird erzeugt zur Erstellung einer Beziehung zwischen der zügigen Zugbeanspruchung F am Bolzen 16 mittels des Spanners und der zunehmenden, durch das Extensometer 28 gemessene Länge &L. Figur 3 zeigt mehrere, mit A, B, C und D bezeichnete Kraft-Dehnungs-Kurven dieser Art. Es sei jedoch darauf hingewiesen, dass bei der Untersuchung eines bestimmten Bolzens mit Restspannung nur eine einzige Kurve dieser Art erzeugt wird; die in Figur 3 gezeigte Kurvenschar dient nur der Illustration des Umstandes, dass die erzeugte Kurve sowohl durch die Merkmale der Verbindung als auch den Betrag der Vorspannung charakterisiert ist. Insbesondere wird eine bestimmte zu erzeugende Kurve von Faktoren abhängen wie der "Federrate" der Verbindungskomponenten und der ursprünglichen Vorspannung im Bolzen, wobei diese ursprüngliche Vorspannung die zu messende Grosse darstellt. So wird auch die Restspannung massgeblich sein für den anfänglichen Verlauf der erzeugten Kraft-Dehnungs-Kurve. Je höher die ursprüngliche, in der zu untersuchenden Verbindung vorhandene Restspannung ist, umso flacher wird der anfängliche Kurvenverlauf der erzeugten Kraft-Dehnungs-Kurve sein; entsprechend wird bei niedriger Restspannung im Bolzen der anfängliche Verlauf der Kurve steiler sein. Diese Beziehungen ergeben sich aus dem Umstand, dass die Verbindung in der Umgebung der Mutter entlastet werden muss, bevor die volle Wirkung der zusätzlich angelegten Zugkraft vom Bolzen aufgenommen wird. Hat der Bolzen

eine verhältnismässig kleine Restspannung, wird die Verbindung in der Umgebung der Mutter relativ schnell entlastet sein und die volle Wirkung der zusätzlichen Zugkraft alsbald gänzlich den Bolzen beaufschlagen. Hat auf der anderen Seite der Bolzen eine hohe Restspannung, so wird ein grösserer Anteil der zusätzlichen Kraft anfänglich zur Entlastung der Verbindung absorbiert und ein kleinerer Prozentsatz der Zusatzkraft anfänglich zur Beanspruchung des Bolzens verwendet werden. Deshalb ist in diesem Fall der anfängliche Verlauf der Kurve flacher.

Die verschiedenen, in Figur 3 gezeigten Kraft-Dehnungs-Kurven entsprechen steigenden Restspannungen von Kurve A ausgehend bis Kurve D, wobei der anfängliche Verlauf der Kurven immer flacher wird. Es sei jedoch darauf hingewiesen, dass praktisch die gesamte Zusatzzugkraft vom Bolzen aufgenommen wird, nachdem die Verbindung tatsächlich entlastet ist, sodass jede Kurve eventuell in eine Gerade übergeht und die Kurven eventuell parallel werden. Um aus der bei der Untersuchung einer bestimmten Verbindung erzeugten Kraft-Dehnungs-Kurve die vorhandene Restspannung ermitteln zu können, muss diese Kurve mit einer schon existierenden Schar von Kraft-Dehnungs-Kurven verglichen werden. Diese schon vorhandene Schar von Kraft-Dehnungs-Kurven stellen das Bezugsmaterial dar für eine bestimmte Verbindung zur Bestimmung der aufzubringenden Zugkraft zur Entlastung der Verbindung bei unterschiedlichen Restspannungsbedingungen. Dieses Bezugsmaterial und diese Bezugskurven können durch Verwendung von Dehnungsfühlern erstellt oder durch Berechnungen geschätzt werden. Die Art und Weise, in der das Bezugsmaterial erstellt wird ist unwesentlich, wenn dieses Material nur zur Verfügung steht und geeignet ist, als Basis für den Vergleich mit der Kurve zu dienen, welche im Moment erzeugt wird. Nachdem diese Kurve erzeugt ist, erlaubt ein Vergleich des anfänglichen Verlaufs der Kurve mit demjenigen des Vergleichsmaterials die Erkennung der Bolzenrestspannung.

In Figur 4 sind die verschiedenen Schritte A-F für die Abwicklung des Verfahrens angegeben. Diese Schritte wurden im Vorstehenden beschrieben,sodass hierzu keine weiteren Ausführungen notwendig sind.

Die Figuren 5 und 6 zeigen zwei Möglichkeiten für die Anwendung des Verschalens bei Bolzen, welche keine freiliegenden, mit Gewinde versehenen Enden haben. Wurde der Bolzen ursprünglich mit einem hydraulischen Spanner festgezogen, so sind auch freiliegende Gewindegänge vorhanden für den Anschluss des Spanners und die Durchführung des Verfahrens. Wurde jedoch die Verbindung ursprünglich mit einem Drehmomentschlüssel festgezogen, so sind möglicherweise keine freiliegenden Gewindegänge vorhanden an die der Spanner angeschlossen werden kann. In diesen Fällen ist es notwendig, Aenderungen am Spanner vorzunehmen, sodass dieser an der Mutter angreifen kann zwecks Beaufschlagung mit der Zusatzlast. Figur 5 zeigt eine Ausführung, bei welcher ein mit Gewinde versehener Greifdorn 50 durch die Wand 52 des Spanners hindurch vorragt und in die Aussenwand der Mutter 20 beisst,sodass die Zugkraft auf den Bolzen 16 ausgeübt werden kann. Man wird mehrere solcher Greifdorne um die Mutter 20 herum anordnen. Die Greifdorne 50 bestehen aus härterem Material als die Mutter 20, sodass die zugespitzten Enden der Greifdorne in den Mutterwerkstoff beissen und die Mutter festhalten können. Figur 6 zeigt eine abgeänderte Ausführung,bei welcher Dübel 54 sich durch die Wand des Spanners hindurch erstrecken und in an der Peripherie der Mutter vorgesehene Löcher 56 hineinragen. Die Ausführungen nach den Figuren 5 und 6 sollen nur zwei Möglichkeiten zeigen, wie der Spanner mit der Mutter gekuppelt werden kann zur Uebertragung einer zusätzlichen Zugkraft auf den Bolzen

Wie dem Fachmann nunmehr klar sein wird, liegt mit dem Verfahren und der Vorrichtung gemäss der vorliegenden Erfindung eine recht praktische Möglichkeit vor zur Ermittlung der Restspannung in einem Bolzen ohne einen Eingriff in die Funktion der Verbindung vornehmen zu müssen. Sobald die neue Kraft-Dehnungs-Kurve unter der Wirkung der zusätzlichen Zugkraft vorliegt, wird der Spanner entlastet und entfernt, sodass die Wirkung der Verbindung selbst unangetastet bleibt.

, ^A2 ♦ Leerseite

Claims

Patentansprüche

Verfahren zur Ermittlung der Restspannung in einem Befestigungselement, insbesondere im Bolzen einer vorhergehend festgezogenen Verschraubung, gekennzeichnet durch die Schritte des Anbringens einer zügigen Zugkraft zur Dehnung des Befestigungselementes, der Ermittlung der Elementdehnung für verschiedene Zugkraftbeträge, der Erzeugung eines Kraft- Dehnungs-Diagramms für den Zusammenhang zwischen der zügigen Zugbeanspruchung und der Dehnung des Elementes, und der Bestimmung der Restlast im Element auf Grund des anfänglichen Kurvenverlaufs des Kraft Dehnungs-Diagramms.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt der Bestimmung der Restlast den Vergleich des anfänglichen Kurvenverlaufs des erzeugten Kraft-Dehnungs-Diagramms mit einer Referenzkurvenschar einschliesst.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Anbringens einer zügigen Zugkraft an einem Befestigungselement das Angreifen eines Spanners am Befestigungselement und das Einleiten einer Zugbelastung an das Befestigungselement mittels dieses Spanners einschliesst.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt der Bestimmung der Längendehnung des Befestigungselementes die Bestimmung dieser Längendehnung mittels . Ultraschallmessung einschliesst.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt der Bestimmung der Längendehnung mittels Ultraschall die Erzeugung von Ultraschallimpulsen einschliesst,

— ο —

welche im Befestigungselement in Längsrichtung hin und zurück laufen, und die Messung der Laufzeit dieser Ultraschallimpulse.
6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennz eichnet, dass der Schritt der Bestimmung der Längendehnung mittels Ultraschall das Anbringen von Ultraschallmitteln an einem der beiden Enden des Befestigungselementes, die Erzeugung von Ultraschallimpulsen zum Durchlaufen der Befestigungselementlänge von einem Ende zum andern und das Reflektiertwerden der Impulse zurück zum ersten Ende, das Auffangen der reflektierten Impulse mit den Ultraschallmitteln, und die Bestimmung der Laufzeit der Impulse hin und zurück einschliesst.
7. Vorrichtung zur Ermittlung der Restspannung in einem Befestigungselement gemäss dem Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 6, gekennzeichnet durch an einem vorhergehend festgezogenen Befestigungselement (16) einer Pügungsverbindung angreifende Zugkraftmittel zum Anbringen einer zügigen Zugbeanspruchung am Befestigungselement (16), Mittel zur Erfassung der von den Zugkraftmittel im Element

(16) erzeugten Zugspannung, an einem der beiden Enden des Elementes (16) angebrachte Ultraschallmittel (26, 26a) zur Erzeugung von Ultraschallimpulsen durch das Element

(16) hindurch nach dessen anderem Ende und zum Registrieren der von dort reflektierten Impulse, und an die Ueberschallmittel (26, 26a) angeschlossene Messmittel zur Erfassung der Impulslaufzeit in Funktion der am Element angreifenden variablen Zuglast.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die eine Zugbeanspruchung erzeugenden Mittel aus einem hydraulisch wirkenden Spanner (24) bestehen.
9. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Messmittel aus einem Ultraschal1-Extensometer (28) bestehen.