Verbindungselemente für Druckbetrieb —
ASTM A193, A194
und EN ISO 898

Die Verbindungselementspezifikation ist einer der am meisten vernachlässigten Aspekte der Prozessrohrleitung- und Druckbehälterkonstruktion. Der Werkstoff der Rohrleitung wird sorgfältig ausgewählt, die Flanschklasse und die Dichtung werden korrekt spezifiziert, die Schraubenkraft wird berechnet — und dann werden die Schrauben und Muttern als „Edelstahl" oder „hochfest" spezifiziert, ohne Bezug auf eine Werkstoffnorm, eine Güte oder eine Temperaturgrenze. Das Ergebnis sind entweder überspezifizierte und teure Schrauben oder Schrauben, die bei Betriebstemperatur korrodieren, strecken oder versagen und die eigentliche Ursache der Flanschverbindungsundichtigkeit sind, die der Dichtung zugeschrieben wird.

Dieser Artikel behandelt die wichtigsten Verbindungselementwerkstoffnormen für Druckbetrieb — ASTM A193 für Schrauben, ASTM A194 für Muttern und die EN-ISO-898-Äquivalente — die Güten, die über den Temperaturbereich von kryogenem bis zu Hochtemperaturbetrieb eingesetzt werden, die Härtenanforderungen für Sauergasbetrieb und die praktischen Entscheidungen bei der Zuordnung der Verbindungselementspezifikation zu den Betriebsbedingungen.

Warum die Verbindungselementspezifikation wichtig ist

Eine Flanschverbindung ist eine mechanische Baugruppe, deren Integrität von der Aufrechterhaltung einer ausreichenden Schraubenkraft unter allen Betriebsbedingungen abhängt. Diese Schraubenkraft hängt davon ab, dass die Verbindungselemente ihre mechanischen Eigenschaften — Festigkeit, Härte und Duktilität — über die gesamte Betriebslebensdauer aufrechterhalten. Drei Versagensmechanismen machen die Werkstoffauswahl der Verbindungselemente kritisch:

• Relaxation und Kriechen bei erhöhter Temperatur. Kohlenstoffstahl verliert ab etwa 300°C progressiv an Festigkeit. Eine Kohlenstoffstahlschraube, die bei Umgebungstemperatur die korrekte Vorspannung liefert, kann nach dem ersten Aufheizzyklus erheblich relaxiert sein, die Klemmkraft verlieren und der Dichtung ermöglichen, aus ihrem Sitz zu kommen. Legierungsstähle (Chrom-Molybdän-Güten) erhalten ihre Festigkeit bis wesentlich höheren Temperaturen.
• Korrosion in aggressiven Umgebungen. Kohlenstoffstahlschrauben in Kontakt mit Feuchtigkeit, Prozessfluidleckagen oder atmosphärischer Feuchtigkeit in Küsten- oder Industrieumgebungen korrodieren und verringern ihren effektiven Querschnitt. Korrodierte Schrauben können nicht wiederverwendet werden — sie sind oft festgefressen und müssen zur Demontage zerstört werden. Die Spezifikation eines korrosionsbeständigen Werkstoffs (Edelstahl, feuerverzinkt oder beschichtet) eliminiert diesen Versagensmodus bei bescheidenem Kostenaufschlag.
• Wasserstoffinduzierte und Spannungsrisskorrosion im Sauergasbetrieb. In Gegenwart von Schwefelwasserstoff (H₂S) sind hochfeste Stähle anfällig für Sulfid-Spannungsrisskorrosion (SSC) — eine Form der Wasserstoffversprödung, die bei Spannungen weit unterhalb der Streckgrenze des Werkstoffs auftritt. NACE MR0175 / ISO 15156 legt Härtegrenzen für alle metallischen Werkstoffe im Sauergasbetrieb fest, einschließlich Verbindungselemente, um SSC zu verhindern. Hochfeste Verbindungselemente, die für Süßgasbetrieb vollkommen geeignet sind, können bei selbst niedrigen H₂S-Konzentrationen katastrophal versagen.

ASTM A193 — Legierungsstahl- und Edelstahlschrauben

ASTM A193 ist die primäre US-Norm für Schraubenwerkstoffe für Druckbehälter, Armaturen, Flansche und Formstücke für Hochtemperatur- oder Hochdruckbetrieb. Sie umfasst Stiftschrauben, Schrauben und Gewindestifte aus Legierungsstahl und Edelstahl. Die Gütebezeichnung kombiniert einen Buchstaben (Werkstofftypfamilie) und eine Zahl (spezifische Legierung und Wärmebehandlung).

Güte B7 — Der Arbeitspferd

Chrom-Molybdän-Legierungsstahl (AISI 4140/4142), vergütet. Die Standardspezifikation für Kohlenstoffstahl- und niedriglegierten Stahl-Rohrleitungssysteme von −45°C bis +427°C. Mindestzugfestigkeit 125 ksi (862 MPa) für Durchmesser bis 2½". Die Kombination aus hoher Festigkeit, guter Zähigkeit und Hochtemperaturleistung macht B7 zur Standardwahl für Klasse-150- bis Klasse-2500-Flanschverbindungen im normalen Prozessbetrieb. B7 ist ohne Einhaltung der Härtegrenzen von NACE MR0175 nicht für Sauergasbetrieb geeignet — Standard-B7 kann 22 HRC überschreiten, was die maximal zulässige Härte im Sauergasbetrieb ist.

Güte B7M — Sauergasbetrieb B7

Derselbe Chrom-Molybdän-Stahl wie B7, aber auf eine maximale Härte von 22 HRC (235 HBW) geregelt — innerhalb der NACE-MR0175-Grenzen für Sauergasbetrieb. Infolge der Härtebeschränkung geringere Festigkeit als Standard-B7: Mindestzugfestigkeit 105 ksi (724 MPa). Wird eingesetzt, wo H₂S im Prozessfluid oder im die Schraubenverbindung erreichenden Downstream-Fluid vorhanden sein kann. Die Bezeichnung „M" weist auf die maximale Härtekontrolle hin.

Güten B8 und B8M — Austenitische Edelstahlschrauben

B8 umfasst 304-Edelstahlschrauben; B8M umfasst 316-Edelstahlschrauben. Klasse 1 (lösungsgeglüht, nicht kaltverfestigt) hat eine Mindestzugfestigkeit von 75 ksi (517 MPa) — erheblich niedriger als B7. Klasse 2 (kaltverfestigt) erreicht 125 ksi (862 MPa), aber nur bis etwa 3/4" Durchmesser, bevor die Festigkeit mit zunehmendem Querschnitt abnimmt. Eingesetzt für Edelstahlflanschverbindungen zur Vermeidung von Galvanokorrosion und für kryogenen Betrieb (austenitischer Edelstahl hat kein Tieftemperatur-Zähigkeitsproblem). Nicht geeignet über etwa 315°C für die kaltverfestigten Klasse-2-Güten — Sensibilisierung und Karbidausscheidung verschlechtern die Eigenschaften bei höheren Temperaturen. 316L (B8ML) verwenden, wo Sensibilisierung ein Problem ist.

Güte L7 — Tieftemperaturbetrieb

AISI 4140, vergütet, mit Kerbschlagprüfung und Zertifizierung bis −100°C. Mechanisch identisch mit B7, aber mit der zusätzlichen Tieftemperatur-Zähigkeitsqualifizierung. Erforderlich für kryogene und tieftemperierte Prozessrohrleitungen, bei denen Flansch und Verschraubung unterhalb der Kerbschlagprüfungs-Befreiungstemperatur für Standard-B7 betrieben werden.

Güte B16 — Hochtemperaturbetrieb

Chrom-Molybdän-Vanadium-Legierungsstahl, wärmebehandelt. Eingesetzt für Hochtemperaturbetrieb bis 540°C, wo die Festigkeit von B7 unakzeptabel abgesunken ist. Der Vanadiumzusatz erhält die Hochtemperaturfestigkeit besser als die Standard-Cr-Mo-Güten. Typischerweise für Dampfleitungen, Feuerungserhitzer und andere Hochtemperaturprozessanwendungen über 427°C spezifiziert.

ASTM A194 — Muttern

ASTM A194 deckt Muttern für Hochdruck- und Hochtemperaturbetrieb ab. Die Güte muss mit der Schraubengüte kompatibel sein — das Mischen inkompatibler Güten verursacht Fressen, Probleme mit unterschiedlicher Wärmedehnung oder Festigkeitsdiskrepanzen, die eine ungleichmäßige Lastverteilung erzeugen.

Die Standardpaarung für Kohlenstoffstahl- und niedriglegierten Stahl-Prozessrohrleitungen ist A193-B7-Stiftschrauben mit A194-2H-Schwersechskantmuttern. Das bedeutet „B7/2H" in einer Rohrleitungsspezifikation. Die Kombination hat angepasste Festigkeit und Wärmedehnung, und 2H-Muttern werden nach denselben Maßnormen wie das B7-Schraubengewinde gefertigt.

EN ISO 898 — Die europäische Norm

Die europäische Verbindungselementpraxis für allgemeine Konstruktions- und Druckbetriebe verwendet EN ISO 898 Teile 1 und 2, die Eigenschaftsklassen statt Gütebezeichnungen definieren. Die Eigenschaftsklasse ist auf dem Schraubenkopf oder der Stirnseite gestempelt und identifiziert sowohl die Zugfestigkeit als auch das Streck- zu Zugfestigkeitsverhältnis:

Die ungefähren europäischen Äquivalente zu den gängigen ASTM-Güten in der Prozessrohrleitungspraxis:

Sauergasbetrieb — NACE MR0175 / ISO 15156

NACE MR0175 (international als ISO 15156 übernommen) definiert die Werkstoffanforderungen für Ausrüstungen, die H₂S-haltigen Umgebungen in der Öl- und Gasförderung ausgesetzt sind. Die Norm gilt, wo der Partialdruck von H₂S in der Gasphase 0,0003 MPa (0,05 psia) übersteigt — eine Konzentration, die in vielen Raffinerien, Gasverarbeitungs- und Upstream-Produktionsumgebungen leicht erreicht wird. Für Verbindungselemente, die dem Prozessfluid oder der feuchten H₂S-Umgebung ausgesetzt sind:

• Kohlenstoffstahl- und niedriglegierende Stahlverbindungselemente — maximale Härte 22 HRC (250 HBW, 237 HV10). Dies begrenzt die Festigkeit von Kohlenstoffstahlverschraubungen erheblich unter die Standard-B7-Festigkeit — B7M ist die Sauergasgüte, die diese Grenze erfüllt.
• Austenitische Edelstahlverbindungselemente — im kaltverfestigten Zustand bis zu den in NACE MR0175 Anhang D angegebenen Härtegrenzen im Allgemeinen akzeptabel. Kaltverfestigtes 316L wird häufig für Sauergasflanschverbindungen spezifiziert.
• Hochlegierte Werkstoffe — Legierung 625, Legierung 718, Duplex-Edelstahlgüten — nach Teil 3 von ISO 15156 mit spezifischen Zusammensetzungs- und Härteanforderungen für jede.

Die Härteanforderung gilt für jede Schraube und Mutter im Sauergasbetrieb — nicht nur das Grundmaterial, sondern auch die Gewindewurzeln und alle fertigungsbedingten Wärmeeinfluss-zonen. Werkstoffzeugnisse für Sauergasverbindungselemente müssen Härteergebnisse an den tatsächlichen Bauteilen enthalten, nicht nur am Ausgangswerkstoff.

Temperaturauswahlleitfaden

Galvanische Verträglichkeit — Schraube zu Flansch

Wie im Korrosionsartikel behandelt, bilden ungleiche Metalle in Kontakt in einem Elektrolyten eine galvanische Zelle. Das Flächen-verhältnis von Kathode zu Anode bestimmt die Angriffsstärke. Für Flanschverbindungen:

• Kohlenstoffstahlschrauben in Kohlenstoffstahlflanschen — kein galvanisches Problem, gleiches Potential. Schrauben beschichten oder feuerverzinken zum Schutz vor atmosphärischer Korrosion.
• Edelstahlschrauben in Kohlenstoffstahlflanschen — Edelstahl ist edler als Kohlenstoffstahl. Die kleinen kathodischen Edelstahlschrauben, die den Angriff auf die großen anodischen Kohlenstahlflanschflächen antreiben, sind eine relativ gutartige Konfiguration. Besorgniserregender sind Kohlenstoffstahlschrauben in Edelstahlflanschen — kleine Anode (Schraube), große Kathode (Flansch) — die den Angriff auf die Schrauben konzentriert. Edelstahlschrauben in Edelstahlflanschen verwenden.
• B7-Legierungsstahlschrauben in Edelstahlflanschen — ein häufiges Missverhältnis in Mischmaterialsystemen. Die Legierungsstahlschraube ist gegenüber dem Edelstahlflansch anodisch, und die große kathodische Flanschfläche treibt aggressiven Angriff auf die Schraubengewinde in jeder feuchten Umgebung. Stets Edelstahlschrauben (B8M) für Edelstahlflansche spezifizieren.

Beschichtung und Oberflächenbehandlung

Für Kohlenstoffstahlverbindungselemente (B7/2H) im Freien oder in mariner Umgebung verlängert die Oberflächenbeschichtung die Betriebslebensdauer erheblich:

• Feuerverzinkung — Zinkbeschichtung durch Tauchanwendung. Bietet kathodischen Opferschutz. Schraublochspielräume für verzinkte Muttern übermaßen (die Zinkbeschichtung fügt ca. 0,1–0,15 mm pro Fläche hinzu). Nicht geeignet über etwa 200°C — das Zink diffundiert in das Grundmetall und versprödet es.
• Geomet/Dacromet — Zink-Aluminium-Flockenbeschichtung durch Tauchen und Aushärten. Bessere Hochtemperaturleistung als Feuerverzinkung (bis etwa 300°C geeignet), ausgezeichneter chemischer Widerstand, kein Wasserstoffversprödungsrisiko. Standard bei Offshore- und maritimen Prozessanwendungen.
• PTFE- oder Fluorpolymerbeschichtung — chemische Beständigkeit in aggressiven atmosphärischen Umgebungen, besonders wo Chlorid-Spannungsrisskorrosion am Grundwerkstoff ein Problem ist. Reduziert auch das Anzugsmoment und das Fressgefahr bei Edelstahlverbindungselementen.
• Blank (schwarz) Kohlenstoffstahl — keine Schutzschicht. Akzeptabel im trockenen Innenbetrieb; korrodiert schnell in jeder Außen-, feuchten oder Spritzzonenumgebung. Niemals blanke Kohlenstoffstahlverbindungselemente für Prozessanlagen im Freien ohne zusätzlichen Korrosionsschutz spezifizieren.

Stiftschraube vs. Schraube — Formauswahl

Für Flanschverbindungsbetrieb in Prozessrohrleitungen und Druckbehältern werden Stiftschrauben (vollständig gewindete Stange mit zwei Schwersechskantmuttern) gegenüber Durchgangsschrauben (Sechskantschraube mit einer Mutter) aus folgenden Gründen stark bevorzugt:

• Stiftschrauben ermöglichen gleiche Dehnung an beiden Enden während des Anzugs und verteilen die Schraubenkraft gleichmäßiger über den Gewindeeingriff
• Wenn eine Schraube festgefressen ist und abgeschnitten werden muss, kann eine Stiftschraube von einer Seite durch Abschrauben entnommen werden, statt ausgebohrt werden zu müssen
• Stiftschrauben ermöglichen genaue Drehmomentkontrolle an beiden Enden
• ASME B16.5, B16.47 und ASME VIII spezifizieren Stiftschrauben als Standardverbindungselement für Flansch-Druckbetrieb

Sechskantschrauben können für Niederdruck- und unkritische Verbindungen (Instrumentenanschlüsse, Kleinbohrungsformstücke, Abdeckplatten) verwendet werden, aber Stiftschrauben mit Schwersechskantmuttern sollten für alle Klasse-150-und-höher-Flansch-Prozessrohrverbindungen spezifiziert werden.

Zusammenfassung

Die Standard-Verbindungselementspezifikation für die Mehrzahl der Prozessrohrleitung- und Druckbehälter-Flanschverbindungen sind A193-B7-Stiftschrauben mit A194-2H-Schwersechskantmuttern — ausreichend von −29°C bis +427°C im reinen Betrieb. Wo die Temperatur 427°C übersteigt, auf B16 aufrüsten. Wo die Temperatur unter −46°C liegt, L7/4 verwenden. Wo der Betrieb Sauergasbetrieb ist (H₂S vorhanden), B7M/2HM verwenden, um NACE-MR0175-Härtegrenzen zu erfüllen. Wo die Flansche aus Edelstahl sind, B8M/8M verwenden, um galvanischen Angriff zu eliminieren. Alle Kohlenstoffstahlverschraubungen im Freien mit Geomet oder Feuerverzinkung beschichten.

Das falsche Verbindungselement ist eine der häufigsten Ursachen für Flanschverbindungsversagen in Prozessanlagen — nicht weil die Schrauben brechen, sondern weil sie korrodieren, relaxieren oder galvanischen Angriff auf die Flanschfläche in einer Weise beitragen, die erst beim Öffnen der Verbindung während einer Wartungsabschaltung identifiziert wird, oft Jahre nach der Inbetriebnahme. Die korrekte Spezifikation dauert fünf Minuten und kostet fast keinen Aufpreis.