Die oft emotionale Diskussion über Unterlegscheiben versachlichen

Wenn schon Unterlegscheiben, dann die richtigen

Von Peter Thomsen

Schraubenverbindungen sind hochkomplexe Systeme, die Verwendung von Unterlegscheiben macht die Sache nicht einfacher und sollte wohldurchdacht werden. Die Diskussion über die erforderliche Verwendung von Unterlegscheiben wird oft eher emotional statt sachlich begründet geführt. Im Folgenden möchte ich etwas zur Aufklärung und damit zu einer besseren Entscheidungsfindung beitragen.

Unterlegscheiben werden üblicherweise auch als „U-Scheiben“ bezeichnet. Zunehmend findet man auch die Begriffe „Unterlagscheiben“ und „Beilagscheiben“. Das erinnert ein wenig an die Diskussionen um „Schraubenzieher und Schraubendreher“ und „Zollstock und Gliedermessstab“.

Sie finden Verwendung, um die Auflagefläche vor Schäden durch Reibung (Fressen) zu schützen, zur Verbesserung der Montage an schon beschädigten Mutternauflageflächen und um – bei größeren Löchern als vorgesehen (ISO 7093-1+2, ex DIN 9021) – die Kräfte von der Mutter zur Auflagefläche zu übertragen.

Die VDI 2200:2007-07 verlangt in Absatz 6.1 den grundsätzlichen Einsatz von Unterlegscheiben. Nach ASME PCC-1-2010 ist die Verwendung optional. Für die Verspannung von Bauteilen mit niedriger Festigkeit sollten U-Scheiben mit größerem Durchmesser verwendet werden, z. B: nach ISO 7093-1+2 (ex DIN 9012 oder ISO 7094 (ex DIN 440). Tabelle 1 zeigt eine Übersicht der üblichen Normen zu Unterlegscheiben, zusätzlich zeigt sie die seit Jahrzehnten zurückgezogenen alten Normen, die immer noch Verwendung finden.

Wie auch bei den Schrauben halten sich die alten Normen hartnäckig. Man zieht eine Zuordnung der Härteklasse zu den Schraubenfestigkeiten für Unterlegscheiben aus Stahl „schwarz“ und Edelstahl „weiß“. In den Normen findet man keine Hinweise zur Kennzeichnung.

Unterlegscheiben gibt es in verschiedenen Ausführungen (Abbildung 1). Die Verwendung von Standardunterlegscheiben ISO 7089 und 7090 (ex DIN 125 Form A und B) ist üblich. Es ist oft besser, die HV-Scheiben EN 14399-6 (ex DIN 6916) wegen ihrer höheren Festigkeit und größeren Dicke zu nutzen.

Abb.1: U-Scheiben ohne, mit Außenfase und mit zwei Fasen (HV-U-Scheiben). (© Peter Thomsen

Im Anhang M der ASME PCC-1-2010 (aus unserer lizensierten Übersetzung ins Deutsche) wird folgendes geschrieben:

Zitat: „Die Verwendung von Unterlegscheiben an verschraubten genormten Stahlflanschverbindungen ist optional. Es ist jedoch allgemein anerkannt, dass die Verwendung von durchgehärteten Stahl-Unterlegscheiben die Umsetzung von Eingangsdrehmoment in Schraubenspannung unterstützt, indem eine glatte und reibungsarme Auflagefläche für die Mutter geschaffen wird. Unterlegscheiben schützen die Kontaktfläche des Flansches vor Beschädigung durch eine sich drehende Mutter. Dies sind wichtige Überlegungen, wenn Drehmomentverfahren (entweder manuell oder hydraulisch) zum Anziehen der Schrauben verwendet werden. Dieser Anhang spezifiziert die Beschaffung von durchgehärteten Unterlegscheiben für verschraubte Flanschverbindungen, die in den Geltungsbereich dieser Richtlinie fallen. Die Verwendung von oberflächengehärteten Unterlegscheiben wird nicht empfohlen, da das weiche innere Material unter direkter Kompression plastisch fließt, wodurch die Unterlegscheiben sich wölben und dünner werden und infolgedessen die Schraubenspannung nachlässt.“

Ist der Einsatz von Unterlegscheiben nicht zu vermeiden, sollte der gleiche oder mindestens ein gleich fester Werkstoff wie Schraube und Mutter eingesetzt werden (siehe auch die Festigkeitsklassen in Tabelle 1). Bei Verwendung von Unterlegscheiben ist eine spezielle Werkstoffauswahl erforderlich. Informationen hierzu finden Sie in der technischen Information „Unterlegscheiben im Bereich von Druckgeräten“.

Der Zusammenhang von Härte (HV) zu Zugfestigkeit (Rm) zeigt auf, welche Festigkeit weiche Werkstoffe durchgehärtet werden müssen oder welche Zugfestigkeit der Werkstoff der U-Scheibe haben sollte (Tab. 2) und ordnet die entsprechenden Festigkeitsklassen und Werkstoffe zu.

In Tabelle 2 sind die Werkstoffe den Festigkeitsklassen zugeordnet.

Sie finden eine Zuordnung für die Schrauben- und Mutternwerkstoffe nach den DIN EN ISO 898 (z.B. 5.6, 8.8 …) und DIN EN ISO 3506 (A2-50, A4-70 …). Zusätzlich gibt es eine Zuordnung nach der harmonisierten DIN EN ISO 10269 für Schraubenstähle. Gängige Werkstoffe sind jeweils „fett“ markiert.

Die Verwendung von Unterlegscheiben ist technisch nicht immer sinnvoll, denn ihre Vorteile werden von ihren Nachteilen aufgehoben. Die Setzbeträge (Abb.2) steigen mit der Anzahl der Spalten (Gewinde, Mutternauflage, U-Scheibe) je nach Klemmlängen/Durchmesser-Verhältnis.

Abb 2: Setzbeträge an Spalten. (© Peter Thomsen)

Habe ich also eine Schraube M16, zwei Bauteile mit einer Gesamtdicke von 64 mm, ergibt sich ein Verhältnis von 64 mm : M16 = 4 mm, ca. 0,006 mm pro Spalt und einer Schraubenverbindung ohne Muttern mit den Spalten aus Gewinde, Kopf- und Mutterauflagefläche von 0,018 mm. Wenn man bedenkt, dass die Schrauben kaum mit 0,05 mm oder selbst mit 0,1 mm gedehnt werden, ist das ein beachtenswerter Anteil der Schraubenkräfte.

Durch Unterlegscheiben wird das Setzpotential der Schraubverbindung in den Spalten drastisch erhöht, hier um 67 % (Abb.3).

Abb. 3: Erhöhung der Anzahl der Spalte bei Verwendung von U-Scheiben. (© Peter Thomsen

Für unser Beispiel zu Abbildung erhöht sich der Setzbetrag von 0,018 auf 0,030 und das bei Schraubendehnungen im Bereich von 0,05 oder 0,1 mm. Bei kurzen Schrauben mit niedriger Vorspannkraft können diese Setzbeträge bis zum vollständigen Verlust der gewünschte Klemmkräfte und zu Versagen führen, bei Dichtverbindungen zur Leckage!

Entwässerungs-U-Scheiben zum Schutz vor Korrosion in waagerechten Flanschen

Die Folgen von Korrosionsangriff in waagerechten Flanschverbindungen sind von Außen schwer oder gar nicht zu erkennen. Häufig wird durch Korrosionsschutz ein Teil des Schraubenschaftes im Spalt geschützt, während die Schrauben in den Löchern durch Korrosion unerkannt stark beschädigt werden. Die Schrauben korrodieren besonders stark in den Schraubenlöchern des unteren Flansches. Bei Flanschverbindungen mit Flachdichtungen ist dieses Risiko nicht so gut zu erkennen wie bei der abgebildeten Verbindung mit Steckscheibe (Abb.4) oder RTJ-Verbindungen mit Ring-Joint-Dichtungen.

Abb. 4: Korrosionsproblem an waagerechten Flanschen in Außenanlagen. (Bilder: Peter Thomsen)

Abbildung 4 zeigt links eine typische, seit mehreren Jahren im Freien eingesetzte Flanschverbindung. Man erkennt den Korrosionsangriff. Das mittlere Bild zeigt eine demontierte Schraube. Deutlich zu erkennen ist der Bereich im unteren Schraubenloch mit erheblicher Korrosion und in der Mitter der vom Korrosionsschützer mit der Lackierung erreichte Bereich der Schraube. Das rechte Bild verdeutlich die Stärke des Korrosionsangriffs. Hier ergab sich ein Querschnittsverlust von fast 25 %.

Abb. 5: U-Scheibe mit Entwässerungsnut. (© Peter Thomsen

Die Unterlegscheibe mit Entwässerungsnuten schafft hier Abhilfe (Abb.5 und 6). Anzahl der Entwässerungsrillen M6 bis M48 zwei Rillen pro Seite, Ober- und Unterseite um 90° versetzt. Ab M52 vier Rillen pro Seite, Ober- und Unterseite um 45° versetzt.

Die Wirkungsweise wird in Abbildung.6 gezeigt, während Regen- oder Schwitzwasser in der linken Darstellung in den Schraubenlöcher stehen bleibt, kann es wie rechts abgebildet durch die Entwässerungsnut abfließen.

Abb. 6: Korrosionsschutz durch U-Scheiben mit Entwässerungsnuten. (© Peter Thomsen)

Die Entwässerungsscheiben haben sich bereits seit vielen Jahren in freistehenden, dem Klima ausgesetzten Anlagen bewährt.

Bei der Montage mit Drehmomentverfahren darf auf der Seite, auf der die Entwässerungs-U-Scheibe eingesetzt wird, nur gekontert, nicht gedreht werden, weil die Nuten die Reibungskoeffizienten negativ beeinflussen. Die gewünschte Vorspannkraft würde nicht erreicht werden. Diese Scheiben werden von der Möller Metall-Dichtungen GmbH in DE-39444 Hecklingen (www.moeller-md.de) nach Werksnorm WN07 2013 Rev.1 hergestellt und angeboten.

Erforderliche Kennzeichnung und Güteeigenschaften

Zum Einsatz in Druckgeräten müssen die U-Scheiben als spannungstragendes Ausrüstungsteil mit Zeichen des Herstellers, Nenngröße, Werkstoffnummer und Chargen- oder Chargenkurzzeichen bzw. Nummer des Herstellungsloses versehen werden. Informationen finden Sie hierzu in der von uns herausgegebenen technischen Information unter www.thomsen-bremen.de/Informationen Icon Montage (Hand mit Schraubenschlüssel) / Unterlegscheiben zur Anwendung in Druckgeräten. Die Kennzeichnung muss montiert lesbar sen. Passende U-Scheiben finden Sie bei der Möller Metall-Dichtungen GmbH in DE-39444 Hecklingen (www.moeller-md.de) nach der Werksnorm WN07 2013 Rev.1.

Abmessungen

In der folgenden Tabelle sind die Abmessungen der verschiedenen Normen gegenübergestellt.

Fazit

Sollten Unterlegscheiben verwendet werden, sind die richtigen auszuwählen. Die Gründe für Pro und Kontra sind vielfältig und komplex. Es gilt: Wenn keine Oberflächenbeschichtungen geschützt oder die Schrauben zur Montage (was man nie machen sollte) nicht ordentlich geschmiert werden, ist die Verwendung von Unterlegscheiben nicht notwendig. Bei falscher Auswahl ist die Verwendung für die Schraubenverbindung eher schädlich, denn die falsche Unterlegscheibe kann zu selbsttätigem Lösen, sogar zum Versagen der Schraubverbindung führen. Besser ist die Einbringung hoher Vorspannkräfte. Hierzu finden Sie mehr auf meiner Homepage www.thomsen-bremen.de, im Bereich Informationen / Technische Informationen / Icon Verbindungselemente in der technischen Information „Optimale Schraubenauslastung“.

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Der Autor

Peter Thomsen (Jahrgang 1960) aus Bremen ist Spezialist für Rohrleitungs-, Apparate- und Dichtungstechnik, Inhaber der Peter Thomsen-Industrie-Vertretung und Gesellschafter in mehreren Unternehmen. Er ist zudem Inhaber diverser Patente zu Dichtungen, Flansch- und Schraubenverbindungen und deren Montage. Daneben engagiert sich Peter Thomsen in Organisationen und Verbänden wie EN, DIN, ASME, ISO, VDI, DVGW und AGFW.