□ 張 倫

中石化四機石油機械有限公司 湖北荊州 434024

1 設(shè)計方法改進背景

高強度螺栓廣泛應(yīng)用于各行各業(yè),尤其在重型機械、橋梁、鋼結(jié)構(gòu)等領(lǐng)域,多用于關(guān)鍵部位的連接,處于主要載荷路徑,可能承受軸向主載荷、徑向剪切力、裝配預(yù)緊力、反復(fù)交變應(yīng)力、高壓振動載荷。人員能力、設(shè)備加工能力、材料、使用方法、作業(yè)環(huán)境、維護保養(yǎng)等因素會對高強度螺栓的壽命產(chǎn)生較大影響,因此對高強度螺栓的設(shè)計、制造、使用、維護提出了較高的要求。

從人員、設(shè)備、材料、方法、環(huán)境、測量5M1E環(huán)節(jié)入手,對高強度螺栓的生產(chǎn)制造和安裝使用等過程進行分析,發(fā)現(xiàn)影響高強度螺栓壽命的因素有很多。針對高強度螺栓的失效分析,科研人員做了大量研究,并取得了不同成果[1-11]。這些分析主要集中在設(shè)計和制造方法方面。

國外早期曾有調(diào)查,統(tǒng)計螺栓緊固件的失效案例,結(jié)果顯示,在失效原因中,產(chǎn)品問題占50%;在失效類型中,疲勞失效占40%;塑性形度引起的突變失效占20%[12]。螺紋緊固件失效原因、失效類型分別見表1、表2。因此,解決由產(chǎn)品問題和主要失效類型引起的失效,可以解決螺栓大多數(shù)的失效問題。

表1 螺紋緊固件失效原因

表2 螺紋緊固件失效類型

解決螺栓失效問題,需要從設(shè)計方法這一主要因素著手,應(yīng)用魚骨圖做出綜合討論分析。方法一詞涉及范圍很廣,僅對于螺栓壽命的影響因素,就可以分為設(shè)計方法、制造方法、測量方法、使用方法、維護方法。筆者著重通過斷裂高強度螺栓的失效分析,應(yīng)用魚骨圖改進高強度螺栓設(shè)計方法。

2 設(shè)計方法主要影響因素

設(shè)計方法不合理引起螺栓失效的常見原因較多,主要歸納為五大類。設(shè)計方法不合理引起螺栓失效魚骨圖如圖1所示。

筆者對于高強度螺栓的設(shè)計方法,主要從以下五個因素進行分析:① 設(shè)計受力計算;② 確定零件材料;③ 確定零件材料熱處理技術(shù)要求;④ 確定螺紋結(jié)構(gòu)、尺寸精度;⑤ 確定螺栓防腐處理要求。

▲圖1 設(shè)計方法不合理引起螺栓失效魚骨圖

筆者結(jié)合高強度螺栓的實際分析結(jié)果,通過引用其他科研人員的檢測數(shù)據(jù)和分析結(jié)論,綜合對以上五個因素進行分析說明。

3 設(shè)計受力計算

受力計算是產(chǎn)品設(shè)計的關(guān)鍵環(huán)節(jié),一般在前期做產(chǎn)品設(shè)計策劃時就需要考慮受力計算是否合理,如何直接影響產(chǎn)品質(zhì)量、制造成本。準確的受力計算,可以確定最合理和最經(jīng)濟的材料、熱處理要求、結(jié)構(gòu)形式、尺寸精度等關(guān)鍵因素。

針對某一結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位的連接螺栓,保證結(jié)構(gòu)穩(wěn)定所需的最低屈服強度RP0.2為520 MPa,安全因數(shù)為1.25,因此設(shè)計確定螺栓的最低安全屈服強度RP0.2′為650 MPa。在未進行受力計算時,螺栓實際屈服強度RP0.2″存在幾種可能性。

(1)螺栓實際屈服強度RP0.2″不大于螺栓最低屈服強度RP0.2。如螺栓實際屈服強度RP0.2″為400 MPa,那么螺栓的實際強度不夠,會頻繁發(fā)生屈服變形,甚至斷裂,無法正常工作。

(2)螺栓實際屈服強度RP0.2″大于螺栓最低屈服強度RP0.2,且小于螺栓最低安全屈服強度RP0.2′。如螺栓實際屈服強度RP0.2″為550 MPa,那么螺栓可以工作,但安全性不好,實際處于某些意外受力工況時,可能會出現(xiàn)屈服變形。

(3)螺栓實際屈服強度RP0.2″不小于螺栓最低安全屈服強度RP0.2′。這時可以細分為三種情況。第一,如螺栓實際屈服強度RP0.2″為750 MPa,那么螺栓可以安全工作,而且屈服強度利用率高。第二,如螺栓實際屈服強度RP0.2″為900 MPa,那么螺栓也可以安全工作,屈服強度稍有過剩,但較高的屈服強度有利于抗疲勞。第三, 如螺栓實際屈服強度RP0.2″達到1 000 MPa,那么不但屈服強度嚴重過剩,而且屈服強度過高會帶來其它負面作用,如韌性下降、屈強比過高等。確定受力計算結(jié)果理想的區(qū)間是第一和第二種情況,應(yīng)該避免出現(xiàn)其它情況。在實際應(yīng)用中,因為產(chǎn)品工況不同,可能還需要考慮疲勞強度、剪切力、摩擦力、折彎力、應(yīng)力集中等其它因素。

4 確定螺栓材料

螺栓材料是設(shè)計受力計算確定后需要考慮的又一個重要因素。高強度螺栓因為工作位置的重要性,一般選用碳鋼、合金鋼經(jīng)熱處理后制造,對于特殊工況,可能會考慮使用不銹鋼、高溫合金、特種鋼等。同樣是8.8級強度的螺栓,可以選用碳鋼熱處理,也可以選用合金鋼熱處理[13]。合金鋼可以分為鉻系、鉻-鉬系、鉻-鎳-鉬系或其它系,可選的材料較多。

選用材料時,需要考慮強度、塑性、沖擊韌性等性能指標。要與設(shè)計條件相結(jié)合,明確需要考慮的性能指標,一般從四方面進行選用。

(1)依據(jù)設(shè)計計算的結(jié)果。設(shè)計計算的結(jié)果是選擇材料的首要條件,沒有計算結(jié)果,所選的材料一般都是憑借經(jīng)驗而確定,產(chǎn)品的安全性不明。

(2)選用能滿足預(yù)期用途的材料。預(yù)期用途包括滿足強度、塑性、韌性、淬透性、耐腐蝕、耐高溫等條件,只有滿足這些條件,才能保證產(chǎn)品符合設(shè)計要求。

(3)優(yōu)先選擇工廠現(xiàn)有材料。在選擇材料方面,需要具備一定經(jīng)驗。選擇工廠現(xiàn)有的材料,具備三個優(yōu)勢。第一,更方便獲得。成熟的工廠可以保證供貨穩(wěn)定。第二,更經(jīng)濟實惠。后期大量使用會增加用量,使采購成本下降。第三,風(fēng)險更小。由于是熟悉的材料,工廠的設(shè)備、人員、加工工藝等相對成熟,因此即使對于新的技術(shù)要求,在原有技術(shù)經(jīng)驗的積累上再拓展,不定因素也相對較少,規(guī)避新材料在使用和推廣過程中出現(xiàn)的未知風(fēng)險。

(4)選用最容易獲得的材料。沒有材料或材料不能及時供應(yīng),就難以保證產(chǎn)品供貨的及時性,因此優(yōu)先選擇最容易獲得的材料。

上述在確定材料的描述中,沒有用好材料這種無法量化的說法,因為對于產(chǎn)品質(zhì)量而言,好與不好是相對的,能滿足預(yù)期用途就是好,超出預(yù)期用途太多就是浪費,好與不好都是與設(shè)計條件相關(guān)聯(lián)的。

5 確定螺栓材料熱處理技術(shù)要求

確定螺栓材料的熱處理技術(shù)要求,一般與確定螺栓材料是同時進行的。高強度螺栓必須要經(jīng)過熱處理,才能達到預(yù)期的性能指標。一般中碳鋼或中碳合金結(jié)構(gòu)鋼經(jīng)常規(guī)熱處理后,材料強度與塑性是一對互為消長的矛盾,為了追求高的塑性和韌性,采用淬火+高溫回火等措施,勢必會降低材料強度。若要保持高強度水平,則采用淬火+低溫回火,這樣又會使材料的塑性、韌性不足?？偠灾?淬火+高溫回火仍然是提高螺栓緊固件綜合力學(xué)性能,滿足螺栓規(guī)定的強度值和屈強比的主要熱處理工藝。

同種材料的螺栓,經(jīng)過不同參數(shù)的熱處理,可以達到不同的強度等級。不同強度等級材料的螺栓,性能是有差異的。在某高強度螺栓失效案例中,設(shè)計人員針對外徑為25.4 mm的鉻-鉬系中碳合金鋼螺栓,確定洛氏硬度(HRC)為35～40。由于設(shè)備工作時工況惡劣,螺栓在工作時承受裝配預(yù)緊力、反復(fù)交變應(yīng)力、高壓振動載荷,在現(xiàn)場頻頻發(fā)生斷裂,給現(xiàn)場作業(yè)帶來極大的連帶損失?？蒲腥藛T在對此類螺栓的斷裂進行失效分析時,分別做了斷口宏觀分析和化學(xué)成分、硬度、金相、力學(xué)性能檢測,結(jié)果都符合要求。經(jīng)過觀察分析和反推,最終發(fā)現(xiàn)螺栓的硬度和強度指標都較高,屈強比為0.95,高屈強比是螺栓斷裂的主要原因。

有研究表明,合理的材料屈強比對材料服役安全性非常重要,一般認為屈強比在0.80～0.85范圍內(nèi)有較好的綜合力學(xué)性能。屈強比過低,材料的屈服強度也較低,抵抗變形的能力較差。屈強比過高,載荷超過屈服強度時,材料可能會快速斷裂,因變形硬化引起的安全余量也較低。另一方面,屈強比過高的材料一般強度也非常高,而韌性較低,抵抗疲勞裂紋擴展的能力較弱,低周疲勞性能較差,缺口敏感度較高。

結(jié)合案例分析和其它研究結(jié)果,合理規(guī)定螺栓的熱處理要求,如強度、硬度、屈強比,對于螺栓保持良好的綜合力學(xué)性能而言有較大意義。熱處理參數(shù)的確定,需要與熱處理專業(yè)技術(shù)人員緊密聯(lián)系,深入研究,不斷優(yōu)化。

6 確定螺紋結(jié)構(gòu)、尺寸精度

螺栓是表面帶有螺紋的多缺口零件,缺口敏感性強,任何缺陷,如折疊、起皮、氧化皮卷入、夾雜、凹坑等都會極大降低螺栓的疲勞強度,縮短疲勞壽命。螺紋根部在冷、熱加工后,也可能會存在裂紋、折疊、毛刺等缺陷,如圖2、圖3所示。這些缺陷在低應(yīng)力的作用下,可能在工作較長時間后才會導(dǎo)致失效。對于高強度螺栓而言,螺紋部位是核心部位,因為螺紋根部存在應(yīng)力集中,本就是主要的裂紋萌生區(qū),如圖4所示。如果該區(qū)域存在缺陷,就會加速螺栓的失效。因此,高強度螺栓要重視螺紋結(jié)構(gòu)、尺寸精度的設(shè)計和加工工藝控制。

▲圖2 裂紋缺陷

▲圖3 折疊缺陷

▲圖4 裂紋萌生區(qū)

螺紋加工時,必須保證螺紋根部圓滑及尺寸精度,避免多道刀痕、毛刺等存在。對于高強度螺栓,一般建議采用滾壓式加工工藝進行螺紋加工,既能保證螺紋牙底圓滑,又能保證螺紋生產(chǎn)率。同時應(yīng)該嚴格控制加工制造工藝,防止螺紋內(nèi)部產(chǎn)生折疊,進而防止產(chǎn)生過大的應(yīng)力集中。

7 確定螺栓防腐處理要求

對于確定螺栓防腐處理要求,主要基于兩個方面進行考慮。

(1)防腐處理的要求是否合適,將直接關(guān)系到螺栓后期能否適應(yīng)實際工況。在潮濕、有腐蝕介質(zhì)的環(huán)境中,螺栓是否經(jīng)過防腐處理是決定壽命的關(guān)鍵因素。如對于海洋平臺上的螺栓,眾多國際、國家、行業(yè)標準都對防腐要求做出明確的規(guī)定。

(2)部分防腐工藝會帶來有害的氫元素,引起氫脆斷裂。在熱處理、氣體滲碳、清洗、酸洗、磷化、電鍍過程,以及在使用環(huán)境中作為陰極保護或腐蝕反應(yīng)的結(jié)果,都能引入氫元素。氫元素也會在制造過程中引入,如滾軋成型、機械加工,以及焊接或釬焊操作[14]。絕大部分氫脆引起的斷裂都和防腐處理工藝有關(guān),如酸洗、電鍍處理等過程使鋼材受氫元素侵入。

為解決螺栓氫脆問題,世界各國采取了很多方法,主要有四種。第一,對于電鍍后的螺栓進行嚴格除氫處理。第二,螺栓電鍍采用低氫脆電鍍工藝。第三,螺栓表面防護不用電鍍,采用無氫脆的涂覆方法。第四,采用高強度耐蝕鋼材制造螺栓,表面不電鍍。

設(shè)計時如何確定防腐要求,是影響螺栓質(zhì)量的又一關(guān)鍵因素。

8 結(jié)束語

綜合各類研究,對于高強度螺栓,設(shè)計方法不合理引起的螺栓失效主要有五方面:① 設(shè)計受力計算不合理;② 材料選用不當(dāng);③ 熱處理技術(shù)要求確定不合理;④ 螺紋結(jié)構(gòu)、尺寸精度設(shè)計不合理;⑤ 螺栓防腐處理要求不合理。

筆者通過應(yīng)用質(zhì)量管理工具魚骨圖,綜合對影響螺栓設(shè)計的眾多因素做出概括性總結(jié),使設(shè)計人員有更加系統(tǒng)全面的認識,并為設(shè)計工作的改進提供參考。

當(dāng)然,螺栓質(zhì)量的影響因素還有很多,設(shè)計人員可以結(jié)合應(yīng)用魚骨圖,對更多的因素做出分析。