Die meisten Gründe für Stiftschrauben sind Gründe für Gewindebohrungen

Ein Wort, zwei Fragen

ASME PCC-1, die Montagerichtlinie, nach der in der Rohrleitungswelt tatsächlich gearbeitet wird, teilt Schraubverbindungselemente überhaupt nicht in Stiftschrauben und Schrauben ein. Anhang N definiert eine Schraube mit angestauchtem Kopf als Element mit festem Kopf an einem Ende und einer Mutter oder einer gebohrten Gewindebohrung am anderen, und eine Schraube ohne angestauchten Kopf als durchgehend mit Gewinde versehenes Element, das entweder zwei Muttern oder eine Mutter und eine gebohrte Gewindebohrung verwendet.

Wer das zweimal liest, erkennt die Struktur. Es gibt zwei voneinander unabhängige Fragen: Ist ein angestauchter Kopf vorhanden? Und ist die Gegenseite eine Mutter oder eine Gewindebohrung? Zwei Fragen ergeben vier Verbindungen, und das Wort „Stiftschraube“ deckt zwei davon ab: den durchgehenden Gewindebolzen mit einer Mutter an jedem Ende und das Element, dessen Einschraubende dauerhaft in einer Gewindebohrung sitzt. Die beiden verhalten sich unterschiedlich, und fast jeder Vorteil, den jemand aufzählt, gehört zum zweiten.

Die andere Achse – ob das Innengewinde eine zugekaufte Mutter oder eine Bohrung im eigenen Bauteil ist – behandelt Maschinenschraube oder Durchsteckschraube. Diese Seite handelt vom Kopf.

Was die Gewindebohrung ändert – mit einer Zahl

PCC-1 enthält einen Anhang zur Fehlersuche bei wiederholt undichten Verbindungen und nennt dort die Einflanschverbindung ausdrücklich. Eine Verbindung aus einem Flansch, dessen Schrauben in Gewindebohrungen sitzen, ist von Natur aus weniger nachgiebig und im Allgemeinen schwieriger, weil die wirksame Dehnlänge der Schrauben kürzer ist. Sie verträgt Dickenverluste der Dichtung und unterschiedliche Wärmedehnung schlechter. Der Anhang beziffert das: Eine solche Verbindung erleidet je 0,02 mm (0,001 in.) nach der Montage verlorener Dichtungsdicke etwa den doppelten Schraubenkraftverlust.

Das ist ein echter technischer Unterschied, er ist schriftlich festgehalten, und er hat nichts damit zu tun, ob das Element einen Kopf hat. Er folgt daraus, dass ein Flansch statt zwei vorhanden ist. Warum eine kurze Schraube eine schlechtere Feder ist als eine lange, steht in Die Schraube ist eine Feder.

Die Rechnung lohnt einen Blick, denn sie erledigt einen verwandten Mythos. PCC-1 setzt als wirksame Dehnlänge einer Durchsteckverbindung den Abstand zwischen den Dickenmitten der beiden Muttern an, wobei eine schwere Sechskantmutter einen Nenndurchmesser dick ist. Für den in eine Gewindebohrung eingeschraubten Teil eines Elements setzt sie einen halben Nenndurchmesser an. Ein halber Durchmesser auf jeder Seite. Nach diesem Modell tragen Gewindebohrung und Mutter dieselbe Länge bei; die Gewindebohrung wird also nicht dafür bestraft, eine Gewindebohrung zu sein. Die Verbindung ist kürzer, weil nur ein Flansch darin steckt.

Was die Gewindebohrung wirklich kostet, zeigt sich, wenn ihr Gewinde beschädigt wird. PCC-1 verlangt, Gewinde von Gewindebohrungen genauso auf Leichtgängigkeit von Hand zu prüfen wie Muttergewinde, und verweist für beschädigte Gewinde auf ASME PCC-2 Article 303. Das ist ein Reparaturverfahren und kein Teiletausch – die zutreffende Fassung der verbreiteten Werkstattbehauptung, eine kaltverschweißte Gewindebohrung bedeute die Verschrottung des Behälters. Es gibt einen dokumentierten Weg zurück. Es ist ein schlechter Tag, kein Totalschaden. Was sich in ein beschädigtes Innengewinde zurückbringen lässt und was nicht, steht in Nichts füllt ein ausgerissenes Gewinde.

Was der Verzicht auf den Kopf tatsächlich ändert

Die ehrliche Liste ist kürzer als die Überlieferung, und jeder Punkt darauf betrifft Montage und Demontage, nicht die Festigkeit.

• Er erspart keinen Schlüssel. PCC-1 definiert einen Gegenhalteschlüssel als Werkzeug, mit dem die Mutter oder der Schraubenkopf gegenüber der gedrehten Seite festgehalten wird. Zwei Muttern auf einem Gewindebolzen brauchen ihn ebenso wie eine Schraube mit Kopf. Die Anordnung, die den Gegenhalteschlüssel überflüssig macht, ist die Gewindebohrung – und das ist eine andere Frage.
• Man wählt, welches Ende das überschüssige Gewinde trägt. PCC-1 empfiehlt, die Mutter an einem Ende voll einzuschrauben, sodass dort kein Gewinde übersteht, und den gesamten Überstand auf das andere Ende zu legen, weil überstehendes Gewinde Korrosion und Farbe sammelt und das Öffnen der Verbindung erschwert. Mit zwei Gewindeenden legt man den Überstand dorthin, wo man ihn haben will.
• Hydraulisches Vorspannen braucht Gewinde zum Greifen. Ein hydraulischer Schraubenspannzylinder verlangt, dass das Gewinde auf der Spannseite mindestens einen Schraubendurchmesser über die äußere Mutterfläche hinausragt. Ein kopfloses Element bietet das auf beiden Seiten.
• Die Scheibe ist für die Mutterseite ausgelegt. Die Spezifikation für durchgehärtete Scheiben in PCC-1 besagt, dass ihre Bohrung für den Einsatz unter der Mutter gewählt wurde und dass sie unter einem Schraubenkopf mit dem Schaft oder dem Kopfradius kollidieren kann. Warum dieser Radius kein Detail ist, steht in Der Radius unter dem Kopf.
• Zwei Muttern geben zwei Versuche. Das ist Praxis auf der Baustelle, keine Klausel, und sollte auch so benannt werden: Frisst eine Mutter fest, bleiben am anderen Ende ein unbeschädigtes Gewinde und eine intakte Mutter. PCC-1 greift die dahinter liegende Sorge mit einer konkreten Abhilfe auf und vermerkt, dass Kaltverschweißen bei Schrauben aus SA-193 Gr B7 vermieden wird, wenn statt Gr 2 oder 2H die festere Mutter SA-194 Gr 4 verwendet wird. Siehe auch Warum Edelstahl kaltverschweißt.

Die Behauptung, Stiftschrauben würden weniger tordiert

Diese Behauptung ist weit verbreitet und verdient eine sorgfältige Antwort, denn eine Fassung davon stimmt und die übliche nicht.

PCC-1 sagt durchaus, dass ein hydraulisch vorgespanntes Element länger hält und bei Wiederverwendung weniger Risiko birgt, und nennt den Grund: keine Torsion und kein Kaltverschweißen im Gewinde, weil die Mutter im unbelasteten Zustand des Elements heruntergedreht wird. Das ist ein Argument für das Verfahren. Wir haben das Dokument nach einer Klausel durchsucht, die einem kopflosen Element beim Anziehen mit dem Drehmomentschlüssel eine geringere Torsion zuschreibt, und keine gefunden. Wer eine Mutter gegen die Gewindereibung dreht, belastet das Element mit diesem Gewindemoment – unabhängig davon, ob am anderen Ende ein angeschmiedeter Kopf sitzt.

Praktisch heißt das: Ist Torsion das Problem, bietet die Richtlinie als Lösung das hydraulische Vorspannen an, nicht einen Teiletausch. Wohin das aufgebrachte Drehmoment tatsächlich geht, steht in Drehmoment und Klemmkraft, und was der Wert stillschweigend über die Reibung voraussetzt, in Ein Drehmomentwert setzt einen Reibungszustand voraus.

Die andere Stiftschraube: Ihre beiden Enden haben nicht dasselbe Gewinde

Die Verbindung, an die die meisten bei diesem Wort denken, ist die mit einem Einschraubende, das dauerhaft in einer Gewindebohrung sitzt; Stiftschrauben im Zylinderkopf sind das alltägliche Beispiel. Bei diesem Teil unterscheiden sich die beiden Enden nicht nur in der Länge, und der Unterschied ist genormt.

Die indische Norm für Stiftschrauben, IS 1862, teilt sie nach der Länge des Einschraubendes in drei Typen: Typ A mit etwa einem Durchmesser für Stahl, Typ B mit etwa 1,5 Durchmessern für Gusseisen, Typ C mit etwa zwei Durchmessern für Aluminiumlegierungen. Dieselbe Norm verweist für das Gewinde des Einschraubendes auf ein eigenes Dokument, IS 2186, für Außengewinde mit Übermaßpassung. Das Ende, das ins Bauteil geht, ist nicht einfach länger. Es hat eine andere Passung, und die hält die Stiftschraube an ihrem Platz, wenn die Mutter abgenommen wird.

Drei nationale Normen haben diese Tabelle festgeschrieben, und keine zwei stimmen überein.

Der japanische Eintrag verdient eine zweite Lektüre. JIS B 1173 bietet drei Längen des Einschraubendes an und sagt dann in einer Anmerkung zur Maßtabelle, dass die Typen 1 und 2 beide zum Einschrauben in Stahl – einschließlich Stahlguss und Schmiedestahl – oder Gusseisen bestimmt sind und Typ 3 für Leichtmetalllegierungen. Die Norm mit der Werkstoffspalte lässt offen, ob Stahl 1,25 d oder 1,5 d bekommt. Das ist kein Versäumnis. Die Einschraublänge ergibt sich aus der Festigkeit der beiden Gewinde, nicht aus dem Namen des Grundwerkstoffs – dazu Gewindeeingriff; warum die veröffentlichten Regeln dafür auseinandergehen, steht in Warum die Regeln zum Gewindeeingriff auseinandergehen.

Liest man quer über die Tabelle, wandert die Gusseisenzeile von 1,25 d zu 1,5 d, je nachdem, wessen Katalog aufgeschlagen ist. Eine Zeichnung, auf der nur „Stiftschraube, M12“ steht, hat dem Lieferanten nicht gesagt, welches dieser Teile er fertigen soll.

Wie man die Frage stellt, damit sie eine Antwort hat

Der Thread auf r/AskEngineers lief über 125 Kommentare und kam zu keinem Ergebnis, weil „Stiftschrauben oder Schrauben“ zwei Fragen unter einem Namen sind. Trennt man sie, haben beide eine Antwort.

• Ist die Gegenseite eine Mutter oder eine Gewindebohrung? Das entscheidet über die Steifigkeit der Verbindung, darüber, wie sie das Setzen der Dichtung verträgt, und darüber, was bei einem beschädigten Gewinde geschieht. Hier liegt die Technik.
• Ist ein angestauchter Kopf vorhanden? Das entscheidet, wie die Verbindung montiert und demontiert wird, welches Ende das überschüssige Gewinde trägt, ob ein Spannzylinder passt und welche Scheibe zulässig ist.

Lautet die Antwort weiterhin Industriestandard, ist die nächste Frage, welche der beiden gemeint ist. In der Richtlinie, auf die sich die Formulierung beruft, steht das Substantiv für alle vier.

Dieselbe Wahl stellt sich im Maßstab eines Racks, wo eine Norm sie bewusst nicht trifft: EIA-310-D erlaubt runde, quadratische oder Gewindelöcher in den Schienen, sodass das Gewinde in der Schiene, in einer Käfigmutter oder auf der Gegenseite sitzen kann.

Dieser Beitrag gehört nicht zu nur einem der sechs Schritte. Er betrifft mehrere Schritte oder Vorgänge nach der Montage. Die zugrunde liegenden Entscheidungen stehen im englischen Beitrag Specifying a screw.

Häufige Fragen

Ist eine Stiftschraube fester als eine Schraube gleicher Festigkeitsklasse und gleichen Durchmessers?

In ASME PCC-1 steht nichts dergleichen, und die Berechnungen von Schraubenkraft und Dehnung unterscheiden die beiden nicht. Das Modell der wirksamen Dehnlänge rechnet Mutter und Gewindebohrung mit jeweils demselben halben Durchmesser, und die Werkstoffgüte legt die Werkstoffspezifikation fest, nicht die Frage, ob ein Kopf angestaucht wurde. Die Behauptung, das Stauchen störe den Faserverlauf und hinterlasse einen Rissausgangspunkt, wird in Werkstätten wiederholt; wir haben aber keine Klausel und keinen veröffentlichten Versuch gefunden, der sie als allgemeine Rangfolge stützt. Sie ist daher keine Grundlage für einen Austausch.

Unsere Monteure setzen den Drehmomentschlüssel nur an einer Mutter an. Ist das falsch?

Nein. Eine Mutter wird gedreht, die andere gehalten – genau das meint PCC-1 mit einem Gegenhalteschlüssel: dem Werkzeug, mit dem die Mutter oder der Schraubenkopf gegenüber der gedrehten Seite festgehalten wird. Für eine Schraube mit Kopf gilt dasselbe; dort wird der Kopf gehalten. Entscheidend ist, dass sich die Gegenseite nicht mitdreht, nicht, auf welcher Seite der Drehmomentschlüssel sitzt.

Warum werden Einflanschverbindungen eher undicht?

PCC-1 führt das auf die kürzere wirksame Dehnlänge zurück. Eine Verbindung aus einem Flansch mit Schrauben in Gewindebohrungen ist steifer, sodass derselbe kleine Dickenverlust der Dichtung mehr Schraubenkraft freisetzt. Der Anhang beziffert das auf etwa den doppelten Kraftverlust je 0,02 mm nach der Montage verlorener Dicke und schlägt vor, die Nachgiebigkeit der Schrauben mit Dehnhülsen und längeren Schrauben zu erhöhen, wo das ein Problem ist.

Vermeidet eine Stiftschraube die Torsion des Elements beim Anziehen?

Nicht von sich aus. PCC-1 schreibt die fehlende Torsion dem hydraulischen Vorspannen zu, bei dem die Mutter im unbelasteten Zustand heruntergedreht wird, und nicht dem Fehlen eines Kopfes. Beim Anziehen mit dem Drehmomentschlüssel trägt das Element das Gewindereibmoment in jedem Fall.

Auf einer Zeichnung steht nur Stiftschraube M12x60. Reicht das für eine Bestellung?

Nicht, wenn das Einschraubende in eine Gewindebohrung geht. Die Länge des Einschraubendes ist eine eigene Entscheidung: IS 1862 nennt etwa 1 d für Stahl, 1,5 d für Gusseisen und 2 d für Aluminiumlegierungen, während die DIN-Reihe 1 d, 1,25 d, 2 d und 2,5 d als vier getrennte Normen ohne Werkstoffangabe anbietet. IS 1862 verweist außerdem für das Gewinde des Einschraubendes auf eine Spezifikation für Übermaßpassungen. Nennen Sie die Norm und den Grundwerkstoff oder geben Sie an, welches Ende wohin kommt.

Quellen

• ASME PCC-1 — Guidelines for Pressure Boundary Bolted Flange Joint Assembly (gelesen: Ausgabe 2019, Anhang N-1 Definitionen, Abschnitte 8.2 und 8.2.1, Abschnitt 10.2, Anhang A-1.2, Anhang M-1.2, Anhang P-4.2.1, Anhang Q-4.2)
• ASME PCC-2, Article 303 — Reparatur beschädigter Gewinde in Gewindebohrungen
• IS 1862:1975 — Specification for Studs (Second Revision); Änderung Nr. 1, März 1981, Typen A, B und C
• DIN 938 — Stiftschrauben, Einschraubende etwa 1 d (Schwesternormen DIN 939, DIN 835, DIN 940)
• JIS B 1173 — Stiftschrauben; Anmerkung 3 zu Tabelle 1 nennt die Längen des Einschraubendes der Typen 1, 2 und 3 und die vorgesehenen Grundwerkstoffe

Für diese Seite wurde PCC-1 in der Ausgabe 2019 gelesen; die aktuelle Beschaffungsausgabe ist neuer, und die Abschnittsnummern sollten vor einem Zitat in einer Arbeitsanweisung daran geprüft werden. Die PCC-1-Fußnote zum vollständigen Gewindeeingriff verweist auf ASME BPVC Section VIII Division 1 UG-13 und ASME B31.3 Abschnitt 335.2.3; diese wurden hier nicht direkt gelesen. Die DIN-Längen des Einschraubendes stammen aus den Normtiteln selbst; die Zuordnung von Einschraublänge zu Grundwerkstoff steht in IS 1862 und nicht in den DIN-Titeln, beides sollte daher nicht vermischt werden. JIS B 1173 wurde in einer öffentlichen Spiegelung des Normtexts gelesen, nicht in einem bei der Japanese Standards Association erworbenen Exemplar; die zitierte Stelle ist Anmerkung 3 zur Maßtabelle, und ihr Wortlaut besagt, dass die Längen 1,25 d, 1,5 d und 2 d entsprechen oder nahekommen, nicht genau diese Werte haben. Der Punkt „zwei Muttern, zwei Versuche“ ist Baustellenpraxis und keine Klausel in einem der für diese Seite gelesenen Dokumente.