볼트 골절의 이해: 메커니즘과 요인

볼트는 일반적으로 사용되는 패스너입니다. 볼트가 약간 부러지면 유지보수를 위해 가동을 중단해야 합니다. 하지만 심하게 부러지면 기계에 손상을 입히고 심지어 인명 피해로 이어질 수 있습니다.

부러진 볼트를 교체하는 것만으로는 재부러질 위험이 완전히 제거되지 않습니다. 따라서 볼트 파손의 원인을 분석하고 이를 개선하는 것이 필수적입니다.

개별적인 관점에서 볼 때 볼트 파손의 원인은 매우 다양할 수 있습니다. 하지만 수많은 볼트 파손 샘플을 조사하면 몇 가지 공통적인 특징을 파악할 수 있습니다.

1. 볼트 파손의 영향 요인에 대한 위상 특성 및 상관관계 분석

볼트의 수명 주기는 설계, 제조, 사용, 유지보수의 네 단계로 나눌 수 있으며, 고장은 발생할 수 있는 결과입니다. 중단 균열은 가장 해로운 유형의 고장입니다.

볼트 파단 실패를 방지하려면 볼트 수명 주기의 여러 단계에서 볼트 파단에 영향을 미치는 요소의 전체 집합과 하위 집합을 이해하는 것이 필수적입니다.

표 1과 표 2는 227개의 볼트 파절에 영향을 미치는 요인에 대한 통계 분석을 통해 얻은 결과입니다.

표 1 볼트 골절 샘플의 단계별 골절에 영향을 미치는 요인에 대한 통계 분석

표 2 볼트 파단 샘플의 3단계 및 재질에 따른 볼트 파단 상관관계 분석

볼트 골절은 단일 요인 또는 여러 요인이 복합적으로 작용하여 발생할 수 있습니다.

표 2에 따르면 볼트 파단 샘플의 77.5%는 사용 전 요인에 의해 발생하고, 68.7%는 제조와 관련된 것으로 나타났습니다.

2. 볼트 수명의 여러 단계에서 파손에 영향을 미치는 요인 및 메커니즘

볼트의 수명에 영향을 미칠 수 있는 요인에는 파손에 대한 취약성을 포함하여 여러 가지가 있습니다.

그러나 공간 제약으로 인해 영향 빈도가 높은 메커니즘에 대한 예비 분석만 실시할 예정입니다.

2.1 설계 단계에서 볼트 파손에 영향을 미치는 요인 및 메커니즘

표 3에 따르면, 설계 단계에서 볼트 파손의 주요 요인은 다음과 같습니다. 재료 선택볼트에 작용하는 외력, 볼트 구조의 설계, 작은 직경, 다른 재료 사용으로 인한 온도 차이 등이 있습니다. 이 다섯 가지 요인만으로도 설계 단계에서 관찰된 총 103건의 사례 중 82.5%에 해당하는 85건의 사례를 설명할 수 있습니다.

2.1.1 부적절한 행위의 영향 재료 선택 볼트 골절 시

재료 선택은 볼트 설계의 중요한 측면입니다. 표 4는 볼트 파단 샘플에서 부적절한 재료 선택으로 인해 영향을 받은 구성 요소를 보여줍니다.

환경 및 응력 부식, 재료 강도 부족 또는 과다, 부적절한 열처리 공정이 58건의 사고 중 47건(81.0%)의 원인으로 나타났습니다.

표 3 볼트 파단 샘플의 설계 단계에서 볼트 파단에 영향을 미치는 요인의 분류 및 빈도

(1) 볼트 파단에 대한 환경 및 응력 부식의 영향

응력 부식은 재료가 정적 응력(특히 인장 응력)과 부식의 조합을 받을 때 발생하는 고장 현상입니다.

볼트가 응력과 부식 환경에 노출되면 부식으로 인해 볼트의 표면 산화막이 손상될 수 있습니다. 손상된 표면은 양극이 되고 손상되지 않은 표면은 음극이 됩니다.

그 결과 양극 전류 밀도가 급격히 증가하여 손상된 표면이 더 부식됩니다. 인장 응력의 영향으로 손상된 부위에 균열이 서서히 나타나고 볼트가 파손될 때까지 점차 확대됩니다.

응력 부식을 방지하려면 응력 부식에 강한 소재를 선택하는 것이 중요합니다. 예를 들어 황화물이 포함된 고온의 물이 있는 환경에서는 망간 함량이 낮은 크롬-니켈 오스테나이트 스테인리스 스틸을 사용하는 것이 좋습니다.

또한 응력 집중을 줄이기 위해 볼트 구조의 설계를 최적화해야 합니다.

부식 환경을 개선하는 것도 응력 부식을 방지하는 데 도움이 될 수 있습니다. 이는 부식 매체에 부식 억제제를 추가하거나 금속 또는 비금속 보호 층을 사용하여 부식 매체를 격리하는 방식으로 수행할 수 있습니다.

(2) 볼트 불량으로 인한 영향 재료 성능 볼트 골절에 대해

재료 성능에는 다양한 지표가 포함되며, 선택한 볼트 재료가 서비스 환경과 호환되지 않을 경우 성능 저하가 발생합니다. 엔지니어링 용량을 초과하는 재료를 사용하면 볼트 파손으로 이어질 수 있습니다.

예를 들어, 200MW 장치의 커플링 볼트는 원래 담금질되거나 강화되지 않은 거친 35 강철을 사용했기 때문에 파손되었습니다. 넓게 또는 띠 모양의 구조입니다. 파손된 볼트를 분석한 결과, 35강은 커플링 볼트 제조에 적합하지 않다는 결론을 내렸습니다. 대신 볼트 소재의 포괄적인 기계적 특성을 향상시키기 위해 40CrNiMo 강철을 사용했습니다.

그러나 40CrNiMo 강철을 사용할 때는 볼트와 커플링 재료의 경도가 일치하는지 확인하는 것이 중요합니다. 파손된 볼트를 조사한 결과, 경도가 (260~280) HB인 볼트의 프레팅 마모가 볼트 구멍의 손상을 일으킨 것으로 확인되었습니다. 따라서 볼트의 경도를 향상시키기 위해 40CrNiMo 강을 사용하여 높은 경도를 달성했습니다. 피로 강도 는 부정적인 결과를 초래할 수 있습니다.

따라서 사용 전환 전에 볼트의 낮은 노치 감도, 일치하는 경도 및 굽힘 피로 강도를 얻기 위해 포괄적인 기계적 특성 테스트를 수행해야 합니다.

(3) 볼트 파단에 대한 강도의 과잉 또는 불충분 영향

불충분한 강도가 볼트 파절을 유발할 수 있다는 것은 쉽게 이해할 수 있지만, 과도한 강도와 볼트 파절 사이의 관계는 간과하기 쉽습니다.

고강도 볼트는 노치에서 응력 집중에 대한 민감도를 높일 뿐만 아니라 다음에 대한 민감도도 높습니다. 수소 취성.

수소 유발 균열은 일반적으로 강철의 수소 함량이 5ppm(백만분의 1)을 초과할 때 발생합니다. 그러나 고강도 강철의 경우 강철의 수소 함량이 1ppm 미만인 경우에도 격자 틈새의 수소 원자가 확산을 통해 노치에 의해 생성된 응력 집중 부위에 집중됩니다.

이러한 수소 원자는 전위와 상호작용하여 전위 선이 고정되어 자유롭게 움직일 수 없게 되고, 궁극적으로 신체가 부서지기 쉬워집니다.

2.1.2 볼트 파손에 영향을 미치는 외부 요인

(1) 진동이 볼트 파손에 미치는 영향

연결 볼트의 진동 응답은 주로 연결 볼트의 모달 특성과 연결 부품에 의해 볼트에 전달되는 진동 여기의 두 가지 요인에 의해 영향을 받습니다.

변속기와 파워 이륙 사이의 연결 볼트가 파손된 후, 긴 볼트에 대해 모달 테스트를 실시했습니다. 그 결과 45Nm의 조임 토크 조건에서 다음과 같은 결과가 나타났습니다. 자연 주파수 의 첫 번째 굽힘 모드는 1155Hz, 모달 댐핑 비율은 0.67이었습니다.

엔진 작동 조건에서 변속기 동력 이륙의 진동 응답 테스트 중에 변속기 시스템이 작동 중일 때 롱 볼트가 1000~1500Hz의 주 진동 주파수로 상당한 진동에 의해 여기되는 것이 관찰되었습니다. 긴 볼트의 첫 번째 굽힘 주파수는 이 주파수 대역 내에 있었고 감쇠비는 매우 낮았습니다.

이로 인해 공명 증폭 효과가 발생하여 볼트의 굽힘 공명 응답이 크게 발생하고 나사산 연결부에 높은 굽힘 동적 응력이 발생했습니다. 그 결과 연결 볼트가 조기에 파손되었습니다.

(2) 연결 부품의 강성 불충분으로 인한 영향

연결 부품의 강성이 충분하지 않으면 진동이 발생할 뿐만 아니라 볼트에 고르지 않은 응력이 가해집니다.

선박용 디젤 엔진의 앵커 볼트가 자주 부러졌습니다. 분석 결과 메인 엔진의 진동이 컸으며, 특히 베이스인 빌지의 강성 저하로 인한 수직 진동이 큰 것으로 나타났습니다.

호스트 포지셔닝 서포트의 웨지 포지셔닝 블록을 단단히 용접한 후에는 강성이 강화되어 앵커 볼트가 더 이상 부러지지 않았습니다.

양쪽 끝의 강판 호이스트의 드럼 쉘은 플랜지 플레이트에 M22 볼트로 연결됩니다. 그러나 드럼 내부에는 보강 지지 링이나 원주 라이닝 링이 없기 때문에 축을 따라 단순히 빔이 지지됩니다.

그 결과 강성이 떨어지고 작업 조건에서 드럼 쉘의 중간 부분이 가장 큰 변형을 경험하여 연결 볼트 M18에 최대 힘을 가하여 파손됩니다. 한편 드럼 양쪽 끝의 플랜지 플레이트 근처의 연결 볼트는 파손되지 않았습니다.

2.1.3 볼트 구멍 구조가 볼트 파손에 미치는 영향

볼트 및 나사 구멍 구조에서 볼트 파손의 주요 요인은 작은 트랜지션 필렛입니다. 여기에는 나사산 뿌리, 나사 및 볼트 헤드, 언더컷의 트랜지션 필렛이 포함됩니다. 작은 트랜지션 필렛은 응력 집중을 생성할 뿐만 아니라 큰 내부 스트레스 열처리 과정에서 미세 균열이나 균열 경향이 발생하여 볼트의 지지력을 감소시키는 결과를 초래합니다.

외부 하중과 내부 응력의 조합으로 인해 볼트가 한계를 초과하는 하중을 견디지 못해 파손될 수 있습니다.

예를 들어, DF 7B 기관차 디젤 엔진의 메인 베어링 볼트가 이 현상으로 인해 파손된 적이 있습니다.

수정 후 중간 볼트 구멍이 제거되어 메인 베어링 볼트 헤드의 베어링 면적이 45% 증가했고 나사산 부분의 강도가 크게 향상되었습니다.

또한 내부 나사 구멍을 제거함으로써 내부 구멍 나사산 구조로 인한 응력 집중을 제거하여 볼트의 피로 강도가 증가했습니다.

2.2 제조 단계에서 볼트 파손에 영향을 미치는 요인 및 메커니즘

열처리, 가공, 가공 트랜지션 필렛 크기, 피팅 및 조립, 볼트 성형 공정의 품질은 제조 단계에서 볼트 파손 위험에 영향을 미치는 주요 요인입니다.

141개의 요인이 있으며, 158개 중 89.2%를 차지합니다. 표 5 및 표 6을 참조하세요.

표 5 제조 단계에서 볼트 파손에 영향을 미치는 요인의 분류 및 항목

표 6 열처리에 따른 볼트 파손에 영향을 미치는 요인의 분류 및 항목

2.2.1 열처리가 볼트 파단에 미치는 영향

볼트 파손의 주요 요인은 열처리 공정 설계 및 공정 품질, 수소 취성입니다, 탈탄, 국부적 과연소, 열악한 구조, 높은 경도, 낮은 가소성 등입니다. 이러한 요인은 총 87건의 연구 사례 중 82.8%를 차지합니다.

(1) 열처리 공정 설계 및 공정 품질이 볼트 파손에 미치는 영향

부적절한 열처리 공정이 볼트 파손에 미치는 영향을 설명하기 위해 한 가지 예를 제시합니다. 저유전성 담금질 및 템퍼링 강철 42CrMo를 볼트 소재로 사용하고 단면 크기가 커서(예: 500mm 이상) 기존의 담금질 및 템퍼링 처리로는 수율 0.9를 달성하기가 어렵습니다.

목표를 달성하려면 템퍼링 온도를 낮춰야 합니다. 즉, 중온 템퍼링 또는 저온 템퍼링을 사용해야 합니다. 그러나 이렇게 하면 인성이 감소하고 강도가 증가하며 금속학적 구조에 결함(두 번째 유형의 템퍼 취성)이 발생할 수 있습니다.

볼트 배치의 테스트 결과는 다음과 같습니다: 고강도(σb>1200 MPa), 고경도(HBS>400), 금속학적 구조는 강화 트루스타이트이며, 이러한 관찰을 완전히 뒷받침합니다.

국내외에서 수행된 연구에 따르면 강철의 강도가 높을수록 균열이 발생하기 쉽다고 합니다. 따라서 σb>1200MPa일 때 인성이 충분하지 않으면 저응력 취성 파괴가 쉽게 발생할 수 있습니다.

(2) 수소 취성이 볼트 파단에 미치는 영향

부식성 환경에서 사용되며 높은 강도가 요구되는 볼트는 부식 방지 처리가 필요한 경우가 많습니다.

그러나 다음과 같은 일부 부식 방지 프로세스는 크롬 도금는 수소 취성을 유발할 수 있습니다.

연구에 따르면 재료의 강도가 높을수록 수소 취성에 더 민감하고 균열이 더 빨리 커지는 것으로 나타났습니다.

강철 미세 구조에서 수소 취성에 대한 민감도는 일반적으로 마르텐사이트, 상부 베이나이트, 하부 베이나이트, 소르바이트, 펄라이트 순으로 높을수록 낮습니다. 오스테나이트. 높은 강도는 해당 금속학적 구조에 따라 달라집니다.

수소 취성은 내부 또는 외부 수소로 인해 발생할 수 있습니다. 내부 수소는 제조 과정에서 발생하고 외부 수소는 사용 중에 침투합니다.

일반적으로 내부 수소는 사용 전후에 볼트에 균열이나 파손을 일으키지만, 외부 수소는 볼트가 파손될 정도의 손상 수준에 도달하기 위해 축적 과정이 필요합니다.

따라서 볼트가 부러지는 데는 시간이 걸립니다.

전기 도금으로 인한 수소 취성 파괴를 방지하려면 자동차 및 항공 우주와 같은 산업에서 일반적으로 사용되는 아연-크롬 코팅과 같은 수소 취성 파괴가 없는 코팅을 사용하는 것이 좋습니다.

2.2.2 가공 품질이 볼트 파손에 미치는 영향

볼트 제조 공정 중 부적절한 가공으로 인해 주름, 접힘, 미세 균열 등의 결함이 발생할 수 있습니다. 이러한 결함은 압연, 성형 또는 열처리 과정에서 볼트 나사산의 추가 균열 또는 팽창으로 이어지는 경우가 많습니다. 특히 이러한 결함은 볼트 나사산 뿌리에 집중되는 경향이 있습니다.

주기적인 응력이나 하중을 받으면 볼트 나사산 뿌리의 미세 균열이 응력 집중에 취약해져 피로원을 유발하고 다중 피로 골절을 일으킬 수 있습니다.

350MW 가스터빈 장치에서 히터 볼트의 파단 표면에서 가공 줄무늬가 관찰되었습니다. 이 줄무늬는 나사와 볼트 헤드의 접합부에 위치해 있었습니다. 또한, 줄무늬에서 큰 부식 구덩이가 발견되어 볼트가 균열되기 전에 틈새 부식이 있었음을 나타냅니다.

추가 외관 검사 결과 볼트 연마봉의 표면이 거칠다는 사실이 밝혀졌습니다. 이는 응력 집중의 원인이 되었을 뿐만 아니라 틈새 부식 및 응력 부식의 조건을 제공했습니다.

2.3 볼트 파손에 영향을 미치는 재료 요인 및 빈도 분석

표 7은 파손된 볼트 샘플에서 볼트 파손에 영향을 미치는 요인 및 재료 관련 항목을 표시합니다. 여기에는 내포물, 재료 품질, 야금학적 결함, 과도한 화학 원소 함량과 관련된 39개 항목이 포함되어 있으며, 이는 전체 45개 항목 중 86.7%를 차지합니다.

표 7 재료별 볼트 파손에 영향을 미치는 요인 및 항목

(1) 내포물이 볼트 파손에 미치는 영향

외부 개재물의 마그네슘과 칼슘, 황, 망간, 크롬 및 재료 내의 기타 원소가 입자 경계를 향해 분리되면 입자 경계 취성을 유발할 수 있습니다. 이러한 취성은 국부적인 영역에서 발생하여 잠재적인 균열로 이어질 수 있습니다.

또한 볼트의 내포물의 크기가 지나치게 크면, 특히 표면층 근처에서 볼트의 피로 균열이 시작되고 전파되는 속도가 빨라질 수 있습니다.

MnS의 밴드 분포 강철의 내포물 는 수소로 인한 균열에 대한 민감성을 증가시킬 수 있습니다.

(2) 제공된 효과 재료 속성 볼트 골절 시

특정 서비스 환경에서는 특정 서비스 환경에만 집중하는 것만으로는 충분하지 않습니다. 강도 및 경도 볼트 재질을 선택해야 합니다. 가소성, 충격 인성, 내식성, 노치 감도, 실온과 작동 온도 간의 성능 차이 등의 요소를 종합적으로 고려해야 합니다.

자재 성능 부적합은 공급된 자재가 설계 요구 사항을 충족하지 못하는 상황을 말합니다.

가스터빈 장치의 가스 히터 볼트가 파손된 후, 화학 성분 및 금속 분석을 통해 파손된 볼트가 설계에 명시된 304 타입 스테인리스강이 아닌 것으로 밝혀졌습니다. 그 대신 여러 가지 다른 스테인리스 스틸 소재 가 재용융되어 내식성이 불충분하여 처음에 서로 다른 전극 전위로 인해 볼트와 블라인드 플레이트 사이에 갈바닉 부식이 발생했습니다.

증기 터빈 발전기 중간 압력 조절 밸브의 플랜지 파단 볼트는 상온에서 기계적 강도와 충격 인성 현장 검사를 통과했지만, 작동 온도 540℃에서 실시한 시험에서는 모두 불합격 판정을 받았습니다.

(3) 재료의 야금학적 결함이 볼트 파단에 미치는 영향

느슨함, 기포, 슬래그 내포물 및 내부 균열이 있는 경우 볼트 재질 는 재료의 실제 허용 응력을 크게 감소시킵니다.

고강도 볼트의 파단 표면을 거시적 및 미시적으로 분석한 결과, 균열 원에서 파단이 시작된 후 파단될 때까지 과정이 빠르고 불안정하게 확장되는 것으로 나타났습니다. 이는 재료에 미세 균열 및 미세 기공과 같은 수많은 미세 결함이 포함되어 있어 실제 허용 응력을 감소시키고 빠르고 불안정한 균열 성장의 전제 조건이 되기 때문에 발생합니다.

이러한 미세 균열의 형성은 제련 중 불완전한 탈기 및 슬래깅과 후속 단조 과정에서 불완전한 제거와 관련이 있습니다.

2.4 볼트 파손에 영향을 미치는 서비스 요인 및 빈도 분석

사용 중 볼트 파손의 주요 요인으로는 사전 체결력, 고르지 않은 체결력, 부적절한 체결 방법, 설치 문제 및 기타 관련 문제가 있습니다.

표 8에서 볼 수 있듯이 기록된 92건의 사건 중 이 세 가지 이슈가 69건으로 75.01%에 달했습니다.

(1) 사전 조임력이 볼트 파손에 미치는 영향

고온 및 고압 조건으로 인해 클램프 연결의 씰 구조에 접근할 수 없습니다.

클램프 볼트를 조이기 위해 작업자는 더 이상 조일 수 없을 때까지 약 1m 길이의 특수 렌치를 사용합니다. 그러나 이로 인해 볼트 예압이 볼트의 허용 응력을 초과하게 됩니다.

파이프 라인의 압력이 상승하면 볼트 응력이 더욱 증가하여 결국 짧은 시간 내에 볼트가 파손될 수 있습니다.

커넥팅 로드 볼트 그룹의 경우 볼트 하나에 충분한 예압이 부족하면 커넥팅 로드 저널과 베어링 부시 사이에 큰 간격이 생깁니다.

고속 크랭크축 작동 시 볼트는 큰 충격 하중과 굽힘 모멘트를 교대로 견디며 피로와 파손으로 이어질 수 있습니다. 그러면 하중은 다른 볼트로 전달되어야 하며, 이 볼트 역시 과부하가 걸리고 차례로 파손됩니다.

(2) 고르지 않은 고정력 및 부적절한 고정 방법

컴프레서 유지보수 시 유지보수 담당자는 토크 렌치를 사용하여 볼트에 설계된 예비 조임력을 가하지 않았습니다. 대신 단단한 헤드 렌치와 쇠망치를 사용하여 힘을 가했으며, 정확한 압력의 양을 예측하기 위해 오로지 경험에만 의존했습니다.

그 결과 볼트에 가해지는 예비 조임력이 일정하지 않았습니다. 망치질하기 편한 곳에 위치한 볼트는 더 큰 예비 조임력을 받았고, 접근하기 어려운 곳에 위치한 볼트는 더 적은 힘을 받았습니다.

압축기 실린더 헤드 볼트의 파손 분포를 분석한 결과, 망치질하기 편리한 위치에 위치한 볼트가 대부분 파손된 것으로 나타났으며, 이는 분석 결과와 일치합니다.

3. 결론

(1) 기계 제품의 수명 주기에 대한 품질 목표는 볼트를 포함한 모든 부품의 수명 주기 품질을 달성하는 것을 기반으로 합니다. 혁신적인 접근 방식은 부품 수준의 수명 주기 품질 개념을 확립하고 볼트 파손의 영향 요인을 식별하는 것입니다.

(2) 볼트의 수명 주기 품질은 여러 단계와 요인에 의해 영향을 받습니다. 볼트 파손에 영향을 미치는 일련의 요인을 설정하면 이러한 요인을 전반적으로 계획하고 선택하는 데 도움이 되어 볼트의 수명 주기 품질 목표를 달성할 수 있습니다.

(3) 볼트 파손의 영향 요인 세트를 지속적으로 강화하고 볼트 및 기계 제품의 수명주기 품질 개념의 실행을 지원하기 위해 교재 및 관련 문서를 보완 및 수정할 필요가 있습니다.