Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Sichere Offshore-Schraubverbindungen - verlässliche Überwachung der Vorspannkraft mit Ultraschall

Das Forschungsziel des Vorhabens ist eine zwei -Moden-Methode zur ultraschallbasierten Vorspannkraftmessung an Offshore-Schraubenverbindungen zu qualifizieren. Hierbei handelt es sich um ein Verfahren, dessen hohe Genauigkeit in der Theorie und im Labor bereits bestätigt ist. Für einen universellen Einsatz an Offshore-Schraubenverbindungen sind jedoch systematische Analysen und das Verständnis von Wechselwirkungen sowie gezielte Entwicklung im Bereich der Ultraschalltechnik notwendig.

Der Lösungsweg zum Erreichen des Ziels führt über experimentelle Untersuchungen an ausgewählten Verbindungen aus dem Offshore-Bereich sowie an vereinfachten Proben. Die material-, geometrie- und oberflächenspezifischen Faktoren werden ermittelt und mit den akusto-elastischen Materialkonstanten korreliert. Parallel wird das Ultraschallmessverfahren angepasst und in entsprechende Ultraschalltechnik umgesetzt. Über Labor- und Feldversuche verschiedener Belastungsarten soll die Zuverlässigkeit, Langzeitbeständigkeit und Reproduzierbarkeit der Ultraschall-Vorspannkraftüberwachung evaluiert werden.

Das Ergebnis ist ein Verfahrenskonzept für die Anwendung der zwei-Moden-Methode zur direkten Vorspannkraftüberwachung unter Berücksichtigung der relevanten Einflussparameter. Die Erfordernisse an die einzusetzende Ultraschalltechnik werden beschrieben und Vorschläge für eine normative Umsetzung werden erarbeitet.

Der Nutzen für KMU besteht in der Innovation, mit dieser Methode erstmals in der Lage zu sein, Vorspannkräfte in Schrauben direkt und ohne kostenintensive Vorversuche messen zu können. Dies erhöht die Sicherheit bei der Montage und im Betrieb. Eine Überdimensionierung der Schrauben wird durch die genaue Kenntnis des Verspannungszustands vermieden. KMU aus den Bereichen Anlagenbau, Überwachung und Instandhaltung, Prüfgeräteherstellung und Schraubenauslegung profitieren von den Forschungsergebnissen.

Ergebniszusammenfassung:

Es war mit dem Vorhaben möglich den Einfluss verschiedener geometrischer, beschichtungstechnischer sowie schraubfallbedingter Randbedingungen auf die Vorspannkraftbestimmung an Schraubenverbindungen mittels Ultraschall herauszuarbeiten. Insbesondere konnten für die Anwendung der innovativen Zwei-Moden-Methode wichtige Vorgehensweisen bei dem Umgang mit HV-Schrauben, die im Offshore-Betrieb eingesetzt werden, beschrieben werden. Darüber hinaus fand eine signifikante Weiterentwicklung hinsichtlich der Robustheit von Ultraschallsignalen für die Vorspannkraftbestimmung statt. Zusammen mit den entwickelten maschinellen Lernverfahren, die die Wahrscheinlichkeit von Signal-Fehlinterpretation auf unter 1% senken, ergeben sich neue Anwendungsmöglichkeiten für das regelmäßige Vorspannkraft-Monitoring von Off- und Onshore-Schraubenverbindungen. Um eine schnelle Anwendung zu gewährleisten wurde ein Verfahrenskonzept erarbeitet, das Wirtschaftsunternehmen in die Lage versetzt die notwendigen Schritte zur Nutzung der Methodik nachzuvollziehen. Ausgehend von diesem Vorgehen sind alle Nutzer in der Lage schnell Bedarfe hinsichtlich der erforderlichen weiteren Entwicklungsleistungen zu formulieren und das Anforderungsprofil für ihre Problemstellung zu erarbeiten.

Die Ergebnisse können von Seiten der Ultraschall-Entwicklung in die Verbesserung von Ultraschall-Laufzeit-Messsystemen einfließen, die zukünftig vermehrt im Offshore-Bereich zur Schraubensicherung eingesetzt werden. Auf der Basis der gewonnenen Erkenntnisse wird es zukünftig mehr Möglichkeiten zur Ausbildung von Fachpersonal für Verschraubungstechnik geben, da der Einsatz sowie die Einschränkungen der Ultraschall-Messtechnik intensiv untersucht wurden und zukünftig in Form von ausgewählten Versuchen Teil der fachlichen Weiterbildung werden sollen.

Die erzielten Ergebnisse im Bereich der Methodenanalyse entsprechen den Erwartungen. Der Erkenntnisgewinn in Bezug auf die Ultraschall-Verarbeitung übertrifft die Erwartungen.