Rohrgewindetypen und -bezeichnungen

Veröffentlicht mit Genehmigung von Colder Products Company

Übersicht

Für die Befestigung und für hydraulische Systeme wurden verschiedene Arten von Gewinden entwickelt. Von besonderer Bedeutung sind Kunststoff-Metall-Verbindungen mit konischem/parallelem Gewinde in Hydraulikkreisläufen. Nachfolgend stellen wir verschiedene Arten vor und geben Empfehlungen, um ein Bewusstsein für die verschiedenen Arten von Gewinden und deren Verwendung zu schaffen.

Entwicklung

Im neunzehnten Jahrhundert wurden viele verschiedene Arten von Gewinden für hydraulische und pneumatische Kreisläufe sowie für die Befestigung von Komponenten benötigt. Infolgedessen begannen die Hersteller mit der Entwicklung ihrer eigenen Befestigungssysteme. Dies führte jedoch zu Kompatibilitätsproblemen. Der englische Maschinenbauingenieur und Erfinder Sir Joseph Whitworth entwickelte 1841 ein einheitliches Gewindesystem, um das Problem der Inkompatibilität zu lösen. Die Whitworth-Gewindeform basiert auf einem 55-Grad-Gewindewinkel mit abgerundeten Gewindegründen und -spitzen.

In Amerika setzte William Sellers den Standard für Muttern, Bolzen und Schrauben, der 1864 zum National Pipe Tapered Thread (NPT) wurde. Sein 60-Grad-Gewindewinkel, der von den frühen amerikanischen Uhrmachern häufig verwendet wurde, ermöglichte die amerikanische industrielle Revolution. Diese Gewindeformen wurden später zum American National Standard.

Die Whitworth-Gewindeform wurde als Anschlussgewinde für Rohre gewählt, das durch die Verjüngung mindestens eines der Gewinde selbstdichtend gemacht wurde. Dies wurde als British Standard Pipe Thread (BSP Taper oder BSP Parallel Thread) bekannt. Das Whitworth-Gewinde wird heute international als Standardgewinde für die Verbindung von Rohren aus Stahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt verwendet.

Die bekannteste und am weitesten verbreitete Verbindung, bei der das Rohrgewinde sowohl die mechanische Verbindung als auch die hydraulische Abdichtung übernimmt, ist das amerikanische National Pipe Tapered Thread, kurz NPT. Das NPT hat ein konisches Außen- und Innengewinde, das mit PTFE-Band oder Dichtungsmasse abgedichtet wird.

Rohrgewinde, die in hydraulischen Kreisläufen verwendet werden, können in zwei Arten unterteilt werden:

• a) Verbindende Gewinde – sind Rohrgewinde für Verbindungen, die durch Abdichtung an den Gewinden druckdicht gemacht werden, und sind konische Außen- und parallele oder konische Innengewinde. Die Dichtwirkung wird durch die Verwendung einer Dichtungsmasse verbessert.
• b) Befestigungsgewinde – sind Rohrgewinde, bei denen keine druckdichten Verbindungen auf den Gewinden hergestellt werden. Beide Gewinde sind parallel und die Abdichtung wird durch Kompression eines weichen Materials auf das Außengewinde oder eine Flachdichtung erreicht.

Größen

Die Größen von Rohrgewinden basieren auf dem Innendurchmesser (ID) oder der Durchflussgröße. Zum Beispiel bezeichnet „1/2-14 NPT“ ein Rohrgewinde mit einem nominalen Innendurchmesser von 1/2 Zoll und 14 Gewindegängen pro Zoll, hergestellt nach dem NPT-Standard. Wenn „LH“ hinzugefügt wird, hat das Rohr ein Linksgewinde. Die gebräuchlichsten globalen Rohrgewindeformen sind:

NPT	American Standard Pipe Taper Thread
NPSC	American Standard Straight Coupling Pipe Thread
NPTR	American Standard Taper Railing Pipe Thread
NPSM	American Standard Straight Mechanical Pipe Thread
NPSL	American Standard Straight Locknut Pipe Thread
NPTF	American Standard Pipe Thread Tapered (Dryseal)
BSPP	British Standard Pipe Thread Parallel
BSPT	British Standard Pipe Thread Tapered

Spritzgegossene Gewindeformen aus Kunststoff werden gemäß den Standards ANSI B2.1 und SAE J476 hergestellt.

Das Wort „Tapered“ (konisch) in mehreren der oben genannten Bezeichnungen weist auf den großen Unterschied zwischen vielen Rohrgewinden und denen von Bolzen und Schrauben hin. Viele Rohrgewinde müssen nicht nur eine mechanische Verbindung herstellen, sondern auch eine leckagefreie hydraulische Dichtung. Dies wird dadurch erreicht, dass die konische Gewindeform des Außengewindes mit der Gewindeform des konischen Innengewindes übereinstimmt und ein Rohrdichtmittel verwendet wird, um Hohlräume zwischen den beiden Gewinden zu füllen, die zu einem spiralförmigen Leckagepfad an der Verbindungsstelle führen könnten. Die Unterseiten der Gewinde sind nicht zylindrisch, sondern kegelförmig, d. h. sie verjüngen sich. Die Verjüngung beträgt 1/16 Zoll pro Zoll, was einem 3/4 Zoll pro Fuß entspricht.

Wegen seiner konischen Form kann ein Rohrgewinde nur über eine bestimmte Strecke in eine Armatur geschraubt werden, bevor es sich verklemmt. Der Standard gibt diesen Abstand als Länge des Anziehens von Hand an, d. h. den Abstand, über den das Rohrgewinde von Hand eingeschraubt werden kann. Sie legt außerdem einen weiteren Abstand fest – die tragende Gewindelänge. Dies ist die Länge des Gewindes, das die Dichtung an einem konventionell bearbeiteten Rohrgewinde herstellt. Für Handwerker ist es praktischer, statt dieser Abstände zu wissen, wie viele Umdrehungen sie von Hand und wie viele mit einem Schraubenschlüssel machen müssen. Eine einfache Faustregel für die Installation von konischen Rohrgewinden, sowohl aus Metall als auch aus Kunststoff, lautet: Handfest plus ein bis zwei Umdrehungen mit einem Schraubenschlüssel. Die Werte für das Anzugsdrehmoment können je nach Anwendung festgelegt werden, aufgrund der unterschiedlichen Materialien von Außen- und Innengewinden, der Art der verwendeten Dichtungsmittel und der internen Unterschiede in der Wandstärke des Produkts kann jedoch kein allgemeines Standard-Anzugsdrehmoment angewendet werden.

Diese Tabelle zeigt die Abstände und die Anzahl der Umdrehungen, die in dem Standard gefordert werden. Eine Toleranz von plus oder minus einer Umdrehung ist zulässig und in der Praxis werden Gewinde oft routinemäßig kürzer geschnitten als in dem Standard angegeben. Alle Maße sind in Zoll angegeben.

American Standard Taper Pipe External Thread

Nenngröße	Tatsächlicher OD	Gewindegänge pro Zoll	Länge der Einrastung (von Hand angezogen)	Länge des tragenden Gewindes
1/8	0,407	27	0,124 ≈ 3,3 Umdrehungen	0,260
1⁄4	0,546	18	0,172 ≈ 3,1 Umdrehungen	0,401
3/8	0,681	18	0,184 ≈ 3,3 Umdrehungen	0,408
1/2	0,850	14	0,248 ≈ 3,4 Umdrehungen	0,534
3/4	1,060	14	0,267 ≈ 3,7 Umdrehungen	0,546
1	1,327	11,5	0,313 ≈ 3,6 Umdrehungen	0,682

Konische/Parallele Schraubverbindungen

Trotz der Standards, die geschaffen wurden, um einheitliche Fittings zu erhalten, sind kegelige Rohrgewinde ungenau und im Laufe der Nutzung und Reparatur können die Gewinde beschädigt werden und anfällig für Leckagen sein. Der Bereich, in dem Spitzen und Gründe des Gewindes zusammentreffen, kann einen spiralförmigen Leckagepfad bilden, der auch durch Nachziehen nicht beseitigt werden kann.

Eine druckdichte Verbindung wird durch die Kompression in den Gewinden erreicht, die beim Anziehen entsteht. Diese Kompression und Abdichtung findet in den ersten paar Umdrehungen des Innengewindes statt. Beim Anziehen verformt sich das Material von Außen- und Innengewinde ineinander. Dadurch wird ein vollständiger Gewindekontakt gewährleistet, der spiralförmige Leckagepfade minimiert. Aufgrund ihrer unterschiedlichen Herstellungsverfahren können Abweichungen zwischen spritzgegossenen Kunststoff- und maschinell bearbeiteten Metallgewinden auftreten.

Rohrgewinde wurden ursprünglich als maschinell bearbeitete Gewindeformen entwickelt. Durch die Verwendung von Thermoplasten und Kunststoffspritzguss bei der Herstellung von Rohrgewindeformen aus Kunststoff ist es aufgrund der Schrumpfung der Form und des Absinkens des Kunststoffs schwierig, eine leckagefreie Verbindung zu gewährleisten. Aus diesem Grund wird für alle Kunststoffrohrgewinde die Verwendung eines Dichtungsmittels auf PTFE-Basis empfohlen. Die gebräuchlichste Form des Dichtmittels ist PTFE-Band, das vor der Montage mit 2 bis 3 Windungen um das Außengewinde gewickelt wird. Flüssige Dichtmittel auf PTFE-Basis können ebenfalls verwendet werden, um eine druckdichte Abdichtung zu gewährleisten. Beim Auftragen von Dichtungsmitteln ist stets mit Bedacht vorzugehen, um zu vermeiden, dass das Dichtungsmaterial in den Fließweg des Systems gelangt.

In den folgenden Abschnitten finden Sie Beispiele für die Verwendung verschiedener Gewinde und für Probleme, die beim Versuch, eine leckagefreie Verbindung herzustellen, auftreten können.

Wenn ein konisches Außengewinde (BSPT) in ein gerades Innengewinde (BSPP) eingeschraubt wird, kann die Dichtung nur an der Basis des Innengewindes mit 1 oder 2 Gewinden hergestellt werden. Siehe Abbildung 1. Die Abdichtung wird durch das Fehlen einer Kontrolle der Gewindeform in den BSP-Spezifikationen beeinträchtigt. Unterschiedliche Spitzen- und Grundpunkte können zu einer ungenauen Passform des Gewindes führen und einen spiralförmigen Leckagepfad verursachen. Um diese Kombination abzudichten, ist ein Gewindedichtmittel erforderlich.

Die Verwendung von konischen BSPT-Außen- und Innengewinden bietet eine bessere Chance auf Abdichtung, da dabei die Konizität von Außen- und Innengewinde aufeinander abgestimmt sind. Siehe Abbildung 2. Dies bietet mehr Gewindegängen die Chance, spiralförmige Leckagepfade zu verhindern. Es fehlt zwar immer noch die Kontrolle von Spitzen und Gründen, mit Gewindedichtmittel ist jedoch eine druckdichte Verbindung leichter zu erreichen.

Es wurde eine Reihe von Variationen des NPT-Gewindes entwickelt, um das Problem der spiralförmigen Leckagepfade zu lösen. Diese Gewinde sind als Dryseal-Gewinde bekannt (siehe SAE-Standard J476). Das bekannteste ist das NPTF-Gewinde (F für Fuel). Dieses Gewindedesign bietet Kontrollen an den Spitzen und Gründen sowohl des Außen- als auch des Innengewindes, um sicherzustellen, dass die Spitzen Material in die Gründe des Gegengewindes drücken. Die Presspassung zwischen den Spitzen des einen Gewindes und den Gründen des anderen verhindert gemeinsam mit den passenden Gewindeflanken spiralförmige Leckagepfade.

Eine Variante des Dryseal-Gewindes ist das NPSF-Gewinde (National Pipe Straight Fuel). Dieses Gewinde wird für Innengewinde verwendet und es kann ein NPTF-Außengewinde eingeschraubt werden, um eine zufriedenstellende mechanische Verbindung und eine hydraulische Dichtung zu gewährleisten. Die Kombination aus einem parallelen und einem konischen Gewinde gilt zwar nicht als ideal, wird aber häufig verwendet. Hochwertige Schnellverschluss-Schraubkupplungen aus Kunststoff verwenden in der Regel ein NPT-Gewinde.

Ein weiteres konisches Gewinde ist das British Standard Pipe Taper (BSP), das im British Standard 21 geregelt ist. Das BSP-Gewinde wird häufig für Niederdruckinstallationen verwendet und ist für Hydrauliksysteme mit mittlerem und hohem Druck nicht zu empfehlen. Diese Form verwendet das Whitworth-Gewinde mit einem Winkel von 55° und einem Konus von 1:16. Es ist nicht mit dem amerikanischen NPT-Gewinde austauschbar, obwohl beide in den Größen 1/2" und 3/4" 14 Gewinde pro Zoll aufweisen.

Schraubt man ein NPT-Außengewinde in ein gerades BSP-Innengewinde, treten Probleme auf. Die Größen 1/16", 1/8", 1/4" und 3/8" haben eine ungleiche Schrägung, was zu einer Fehlausrichtung der Gewinde führt. Auch die Flankenwinkel der NPT- und BSP-Gewinde unterscheiden sich. Das NPT-Gewinde weist 60° auf, während das BSP-Gewinde 55° aufweist.

Die 1/2"- und 3/4"-Größen von NPT und BSP haben alle 14 Gewindegänge pro Zoll und das NPT-Gewinde greift ziemlich gut in das BSP-Gewinde.

Obwohl diese Gewinde die gleiche Schrägung aufweisen und gut ineinander greifen, treten aufgrund der Gewindeform dennoch Probleme auf. Die unterschiedlichen Gewindewinkel und die unterschiedlichen Toleranzen für Spitzen und Gründe führen zu spiralförmigen Leckagepfaden, wie in Abbildung 7 gezeigt. Diese Gewinde können effektiv zusammen verwendet werden, wenn ein geeignetes Gewindedichtmittel zum Einsatz kommt.

Es kommt häufig zu Problemen, wenn Schnellverschluss-Schraubkupplungen aus Kunststoff mit ihren entsprechenden spritzgegossenen Rohrgewindeformen in Hydrauliksysteme mit Metallrohren eingebaut werden. Bei Unachtsamkeit kann es zu Leckagen und zum Versagen der Kunststoffgewinde kommen. Bei der Untersuchung eines Versagens einer Metall-Kunststoff-Rohrverbindung müssen zwei Faktoren in Betracht gezogen werden: chemische Zersetzung und zu starkes Anziehen.

Chemische Zersetzungen können auftreten, wenn ungeeignete Gewindedichtmittel verwendet werden. Die Gewindeabdichtung ist ein Versuch, den spiralförmigen Leckagepfad zu blockieren, der entsteht, wenn die Scheitel und die Wurzeln der Gewindeformen nicht übereinstimmen. Anaerobe Gewindedichtmittel sollten bei der Abdichtung von Kunststoffgewindeformen vermieden werden. Diese Dichtmittel enthalten Chemikalien, die Kunststoffe angreifen können. Die Verwendung eines Gewindedichtmittels auf PTFE-Basis ist für Kunststoffgewinde die bessere Wahl.

Ein zu festes Anziehen von Kunststoffrohrgewinden beeinträchtigt die Funktion der Verbindung. Der größte Unterschied zwischen Kunststoffen und Metallen ist das Verhalten der Polymere. Spritzgegossene Kunststoffteile verformen sich schleichend weiter, wenn sie unter konstanter Last gehalten werden. Diese schleichende Verformung entsteht durch die fortgesetzte Ausdehnung oder Deformation eines Kunststoffteils unter kontinuierlicher Belastung. Typischerweise verformt sich das Kunststoffmaterial eines spritzgegossenen Kunststoffrohrgewindes, wenn es zu fest in einen konischen Innengewindeanschluss eingedreht wird. Die Verformung der inneren Struktur des Teils kann zum Versagen des Teils führen.

Standard-Rohrgewindeformen, die Colder Products Company herstellt

NPT-Größen (National Pipe Taper):	BSPT-Größen (British Standard Pipe Taper):
1/16 – 27NPT
1/8 – 27NPT	1/8 – 28BSPT
1/4 – 18NPT	1/4 – 19BSPT
3/8 – 18NPT	3/8 – 19BSPT
1/2 – 14NPT	1/2 – 14BSPT
3/4 – 14NPT	3/4 – 14BSPT
1 – 11-1/2 NPT