Понимание перелома болтов: Механизмы и факторы

Болты - это широко используемый крепеж. Если болт ломается незначительно, его необходимо отключить для обслуживания. Однако если он сломается сильно, это может привести к повреждению оборудования и даже к человеческим жертвам.

Простая замена сломанного болта не устраняет полностью риск его повторной поломки. Поэтому необходимо проанализировать факторы, способствующие поломке болта, и устранить их.

С индивидуальной точки зрения факторы, приводящие к разрушению болтов, могут быть самыми разными. Однако, изучив большое количество образцов разрушения болтов, можно выявить некоторые общие черты.

1. Фазовые характеристики и корреляционный анализ влияющих факторов разрушения болтов

Жизненный цикл болтов можно разделить на четыре этапа: проектирование, производство, использование и обслуживание, при этом возможным результатом является отказ. Трещины с разрывом являются наиболее опасным видом разрушения.

Чтобы избежать разрушения болтов, необходимо понимать полный набор и подмножество факторов, влияющих на разрушение болтов на разных этапах их жизненного цикла.

Таблица 1 и Таблица 2 получены в результате статистического анализа факторов, влияющих на разрушение 227 болтов.

Таблица 1 Статистический анализ факторов, влияющих на разрушение в образцах для разрушения болтов по стадиям

Таблица 2 Корреляционный анализ разрушения болтов с тремя стадиями и материалами в образцах разрушения болтов

Перелом болта может быть вызван одним фактором или сочетанием нескольких факторов.

Из таблицы 2 видно, что 77,5% образцов разрушения болтов вызваны факторами, предшествующими эксплуатации, а 68,7% разрушений болтов связаны с производством.

2. Факторы и механизмы, влияющие на разрушение на разных этапах жизни болта

На срок службы болтов влияет множество факторов, в том числе их подверженность разрушению.

Однако из-за нехватки места мы проведем предварительный анализ только тех механизмов, которые имеют высокую частоту влияния.

2.1 Факторы и механизмы, влияющие на разрушение болтов на стадии проектирования

Согласно таблице 3, основными факторами, вызывающими разрушение болтов на этапе проектирования, являются неправильное выбор материалавнешние силы, действующие на болты, конструкция болтов, малый диаметр и разница температур, вызванная использованием различных материалов. Только на эти пять факторов приходится 85 случаев, что эквивалентно 82,5% из 103 общих случаев, наблюдавшихся на этапе проектирования.

2.1.1 Влияние неправильного выбор материала при разрушении болтов

Выбор материалов - важнейший аспект конструкции болта. В таблице 4 показаны компоненты, на которые повлиял неправильный выбор материала в образцах разрушения болтов.

Окружающая среда и коррозия под напряжением, недостаточная или чрезмерная прочность материала, а также неподходящие процессы термообработки стали причиной 47 из 58 инцидентов, что составляет 81,0% случаев.

Таблица 3 Классификация и частота факторов, влияющих на разрушение болтов на стадии проектирования, в образцах разрушения болтов

(1) Влияние окружающей среды и коррозии под напряжением на разрушение болтов

Коррозия под напряжением - это явление разрушения, которое происходит в материалах, когда они подвергаются сочетанию статического напряжения (особенно растягивающего) и коррозии.

Когда болт подвергается нагрузкам и воздействию коррозионной среды, поверхностная оксидная пленка болта может быть повреждена в результате коррозии. Поврежденная поверхность становится анодом, а неповрежденная - катодом.

В результате плотность анодного тока резко возрастает, вызывая дальнейшую коррозию поврежденной поверхности. Под воздействием растягивающего напряжения в поврежденной области постепенно появляются трещины, которые постепенно расширяются, пока болт не выйдет из строя.

Чтобы предотвратить коррозию под напряжением, важно выбирать материалы с сильной устойчивостью к ней. Например, в среде, содержащей высокотемпературную воду с сульфидами, рекомендуется использовать хромоникелевую аустенитную нержавеющую сталь с низким содержанием марганца.

Кроме того, конструкция болтов должна быть оптимизирована для снижения концентрации напряжений.

Улучшение коррозионной среды также может помочь предотвратить коррозию под напряжением. Это можно сделать путем добавления ингибиторов коррозии в коррозионную среду или использования металлического или неметаллического защитного слоя для изоляции коррозионной среды.

(2) Влияние плохого болта характеристики материала на разрушение болтов.

Характеристики материала включают в себя различные показатели, и плохие характеристики возникают, когда выбранный материал болта несовместим с условиями эксплуатации. Использование материалов, выходящих за пределы своих технических возможностей, может привести к разрушению болта.

Например, муфтовый болт блока мощностью 200 МВт сломался из-за того, что изначально использовалась сталь 35, которая не подвергалась ни закалке, ни отпуску и имела крупнозернистую структуру. widmanstatten или полосатой структуры. После анализа сломанного болта был сделан вывод, что сталь 35 не подходит для изготовления соединительного болта. Вместо нее была использована сталь 40CrNiMo для улучшения комплексных механических свойств материала болта.

Однако при использовании стали 40CrNiMo очень важно обеспечить соответствие твердости болтов и материалов муфты. При исследовании сломанного болта было обнаружено, что фреттинг-износ болта с твердостью (260~280) HB привел к повреждению отверстия под болт. Поэтому использование стали 40CrNiMo для повышения твердости болта с целью достижения высокой усталостная прочность может иметь негативные последствия.

Поэтому перед началом эксплуатации необходимо провести комплексное испытание механических свойств, чтобы получить чувствительность к низкому надрезу, соответствующую твердость и усталостную прочность болта при изгибе.

(3) Влияние чрезмерной или недостаточной прочности на разрушение болта

Легко понять, что недостаточная прочность может стать причиной разрушения болтов, но легко упустить из виду взаимосвязь между чрезмерной прочностью и разрушением болтов.

Высокопрочные болты не только повышают чувствительность к концентрации напряжений в пазах, но и обладают повышенной восприимчивостью к водородное охрупчивание.

Трещины, вызванные водородом, обычно возникают, когда содержание водорода в стали превышает 5 частей на миллион (ppm). Однако в высокопрочной стали атомы водорода в зазорах решетки будут концентрироваться в местах концентрации напряжений, образующихся в надрезах, за счет диффузии, даже если содержание водорода в стали составляет менее 1 ppm.

Эти атомы водорода взаимодействуют с дислокациями, в результате чего дислокационные линии оказываются зажатыми и не могут свободно перемещаться, что в конечном итоге делает тело хрупким.

2.1.2 Внешние факторы, влияющие на разрушение болтов

(1) Влияние вибрации на разрушение болтов

Вибрационный отклик соединительного болта в первую очередь зависит от двух факторов: модальных характеристик соединительного болта и вибровозбуждения, передаваемого болту соединительной деталью.

После поломки соединительного болта между коробкой передач и отбором мощности было проведено модальное испытание длинного болта. Результаты показали, что при условии момента затяжки 45 Н-м собственная частота первой изгибной моды составляла 1155 Гц, а коэффициент модального демпфирования - 0,67.

Во время испытаний на виброустойчивость отбора мощности трансмиссии в условиях работы двигателя было замечено, что при работе системы трансмиссии длинный болт возбуждается значительной вибрацией с основной частотой колебаний от 1000 до 1500 Гц. Первая частота изгиба длинного болта находилась в этом диапазоне частот, а коэффициент демпфирования был очень низким.

Это вызвало эффект усиления резонанса, что привело к значительному резонансному отклику болта на изгиб и высоким изгибным динамическим нагрузкам на резьбовое соединение. В результате соединительный болт преждевременно сломался.

(2) Влияние недостаточной жесткости соединенных деталей

Недостаточная жесткость соединяемых деталей не только создает вибрации, но и вызывает неравномерную нагрузку на болты.

Якорные болты судового дизельного двигателя ломались довольно часто. Результаты анализа показали, что главный двигатель испытывал большие вибрации, особенно вертикальные, вызванные недостаточной жесткостью основания - трюма.

После того как клиновой позиционирующий блок опоры был надежно приварен, анкерный болт больше не ломался, так как его жесткость была усилена.

Оба конца стальная пластина обечайки барабана подъемника соединены с фланцевой плитой болтами M22. Однако внутри барабана нет усиливающего опорного кольца или кольцевой накладки, что создает просто поддерживаемую вдоль оси балку.

В результате, жесткость барабана низкая, и в рабочих условиях середина корпуса барабана испытывает наибольшую деформацию, что приводит к максимальному усилию на соединительный болт M18 и его поломке. В то же время соединительные болты возле фланцевой пластины на обоих концах барабана не сломались.

2.1.3 Влияние структуры отверстия под болт на разрушение болта

Основным фактором, способствующим разрушению болтов в конструкциях с болтовыми и винтовыми отверстиями, является малая переходная галтель. К ним относятся переходная галтель у корня резьбы, головки болта и винта, а также поднутрение. Маленькая переходная галтель не только создает концентрацию напряжений, но и приводит к возникновению больших внутреннее напряжение во время термической обработки, что приводит к появлению микротрещин или склонности к образованию трещин, которые снижают несущую способность болта.

Сочетание внешних нагрузок и внутреннего напряжения приводит к тому, что болт выдерживает нагрузку, превышающую его предел, что приводит к разрушению.

Например, из-за этого явления был сломан болт коренного подшипника дизельного двигателя локомотива DF 7B.

После модификации среднее отверстие под болт было ликвидировано, что привело к увеличению опорной площади головки болта коренного подшипника на 45% и значительному повышению прочности резьбовой части.

Кроме того, устранение внутреннего резьбового отверстия позволило устранить концентрацию напряжений, вызванную структурой резьбы внутреннего отверстия, что привело к повышению усталостной прочности болта.

2.2 Факторы и механизмы, влияющие на разрушение болтов на стадии производства

Качество термообработки, механической обработки, размер переходной галтели, подгонка и сборка, а также процесс формовки болта - вот основные факторы, влияющие на риск разрушения болта на этапе производства.

Всего 141 фактор, на которые приходится 89,2% из 158. См. таблицу 5 и таблицу 6.

Таблица 5 Классификация и позиции факторов, влияющих на разрушение болтов на этапе производства

Таблица 6 Классификация и позиции факторов, влияющих на разрушение болтов при термообработке

2.2.1 Влияние термической обработки на разрушение болтов

Основными факторами, вызывающими разрушение болтов, являются конструкция и качество процесса термообработки, водородное охрупчивание, обезуглероживание, локальный пережог, плохая структура, высокая твердость и низкая пластичность. Эти факторы в совокупности объясняют 82,8% из 87 изученных случаев.

(1) Влияние конструкции процесса термообработки и качества процесса на разрушение болтов

Приведен пример, демонстрирующий влияние неправильных процессов термообработки на разрушение болтов. Когда гипоэвтектоид закалка и отпуск Если в качестве материала для болтов используется сталь 42CrMo, а размер сечения большой (например, ≥ 500 мм), то достижение коэффициента текучести 0,9 при традиционной обработке закалкой и отпуском становится сложной задачей.

Для достижения поставленной цели необходимо снизить температуру отпуска, т.е. использовать среднетемпературный или более низкотемпературный отпуск. Однако это приведет к снижению вязкости, повышению прочности, а металлографическая структура будет содержать дефекты (второй тип отпускной хрупкости).

Результаты испытаний партии болтов таковы: высокая прочность (σb>1200 МПа), высокая твердость (HBS>400), металлографическая структура - закаленный троостит, что полностью подтверждает данное наблюдение.

Исследования, проведенные в стране и за рубежом, показывают, что чем выше прочность стали, тем больше она подвержена трещинам. Поэтому при недостаточной вязкости, когда σb>1200 МПа, может легко произойти хрупкое разрушение при низких напряжениях.

(2) Влияние водородного охрупчивания на разрушение болтов

Болты, используемые в агрессивных средах и требующие высокой прочности, часто нуждаются в антикоррозионной обработке.

Однако некоторые антикоррозийные процессы, например хромированиеможет привести к водородному охрупчиванию.

Исследования показали, что чем выше прочность материала, тем более он чувствителен к водородному охрупчиванию, и тем быстрее растут трещины.

В стальных микроструктурах восприимчивость к водородному охрупчиванию обычно идет в таком порядке от высокого к низкому: мартенсит, верхний бейнит, нижний бейнит, сорбит, перлит и аустенит. Высокая прочность зависит от соответствующей металлографической структуры.

Водородное охрупчивание может возникать как от внутреннего, так и от внешнего водорода. Внутренний водород образуется в процессе производства, а внешний проникает во время эксплуатации.

Как правило, внутренний водород приводит к растрескиванию или разрушению болта до или после использования, в то время как внешний водород требует процесса накопления, чтобы достичь уровня повреждения, который приведет к разрушению болта.

Поэтому для разрушения болта требуется время.

Чтобы избежать разрушения от водородного охрупчивания, вызванного гальваническим покрытием, рекомендуется использовать покрытия, не вызывающие водородного охрупчивания, такие как цинк-хромовые покрытия, широко используемые в таких отраслях промышленности, как автомобильная и аэрокосмическая.

2.2.2 Влияние качества обработки на разрушение болтов

В процессе производства болтов из-за неправильной обработки могут образовываться такие дефекты, как морщины, складки и микротрещины. Эти дефекты часто приводят к дальнейшему растрескиванию или расширению резьбы болта во время прокатки, формовки или термообработки. В частности, такие дефекты обычно сосредоточены у корня резьбы болта.

При циклическом напряжении или нагрузке микротрещины в корне резьбы болта подвержены концентрации напряжений, что может вызвать усталость и привести к многоисточниковым усталостным разрушениям.

На газотурбинном агрегате мощностью 350 МВт на поверхности излома болта нагревателя была замечена полоса механической обработки. Эта полоса располагалась на стыке болта и головки болта. Кроме того, на прожилке была обнаружена большая коррозионная яма, что указывает на явную щелевую коррозию до растрескивания болта.

Дальнейший внешний осмотр показал, что поверхность полированного стержня болта была шероховатой. Это не только стало источником концентрации напряжений, но и создало условия для щелевой коррозии и коррозии под напряжением.

2.3 Анализ факторов материала и частоты, влияющих на разрушение болтов

В таблице 7 представлены факторы влияния и элементы, связанные с материалом, которые способствуют разрушению болтов в выборке сломанных болтов. Она включает 39 позиций, связанных с включениями, качеством материала, металлургическими дефектами и избыточным содержанием химических элементов, которые составляют 86,7% от общего числа 45 позиций.

Таблица 7 Факторы и элементы, влияющие на разрушение болтов по материалам

(1) Влияние включений на разрушение болтов

Когда магний и кальций из инородных включений, а также сера, марганец, хром и другие элементы в материале сегрегации в направлении границы зерен, это может вызвать зернограничное охрупчивание. Это охрупчивание может происходить в локальных областях, что приводит к образованию трещин.

Более того, если размер включений в болтах чрезмерно велик, особенно вблизи поверхностного слоя, это может ускорить зарождение и распространение усталостных трещин в болтах.

Полосчатое распределение MnS включения в стали также может увеличить его восприимчивость к растрескиванию под действием водорода.

(2) Эффект поставленного свойства материала при разрушении болтов

В некоторых сферах обслуживания недостаточно сосредоточиться только на прочность и твердость материалов болтов. Необходимо всесторонне учитывать такие факторы, как пластичность, ударная вязкость, коррозионная стойкость, чувствительность к надрезу, а также разницу в характеристиках между комнатной и рабочей температурами.

Под несоответствием характеристик материала понимается ситуация, когда поставленный материал не соответствует проектным требованиям.

После того как болты газового нагревателя газотурбинной установки сломались, с помощью химического состава и металлографического анализа было обнаружено, что сломанные болты были изготовлены не из нержавеющей стали марки 304, указанной в проекте. Вместо этого они были отлиты из нескольких различных материалы из нержавеющей стали были переплавлены, и их коррозионная стойкость оказалась недостаточной, что привело к гальванической коррозии между болтами и глухой пластиной из-за разности электродных потенциалов в начальный момент.

Хотя сломанные болты на фланце промежуточного клапана регулирования давления паровой турбины прошли выборочный контроль механической прочности и ударной вязкости при комнатной температуре, оба не выдержали испытания при рабочей температуре 540 ℃.

(3) Влияние металлургических дефектов материалов на разрушение болтов

Наличие рыхлости, пузырей, шлаковых включений и внутренних трещин в материалы болтов значительно снижает фактическое допустимое напряжение материалов.

Макро- и микроанализ поверхности разрушения высокопрочных болтов показывает, что после начала разрушения в очаге трещины процесс быстро и нестабильно расширяется вплоть до разрушения. Это происходит потому, что материал содержит многочисленные микродефекты, такие как микротрещины и микропоры, которые снижают фактическое допустимое напряжение, а также являются предпосылкой для быстрого и нестабильного роста трещины.

Образование этих микротрещин связано с неполной дегазацией и шлакованием при выплавке, а также с неполным устранением их при последующей ковке.

2.4 Анализ эксплуатационных факторов и частоты, влияющих на разрушение болтов

Основными факторами, способствующими разрушению болтов в процессе эксплуатации, являются предварительное усилие затяжки, неравномерное усилие затяжки, неправильные методы затяжки, проблемы с установкой и другие сопутствующие проблемы.

Из 92 зарегистрированных случаев эти три проблемы были ответственны за 69 инцидентов, что составляет 75,0% случаев, как показано в таблице 8.

(1) Влияние силы предварительной затяжки на разрушение болта

Структура уплотнения зажимного соединения недоступна из-за высокой температуры и высокого давления.

Чтобы затянуть зажимной болт, оператор использует специальный ключ длиной около 1 метра, пока его нельзя будет затянуть дальше. Однако это приводит к тому, что предварительная нагрузка на болт превышает допустимое напряжение болта.

При повышении давления в трубопроводе напряжение в болтах еще больше возрастает, что в конечном итоге приводит к разрушению болта за короткий промежуток времени.

В случае группы шатунных болтов, если один болт не имеет достаточного преднатяга, между шейкой шатуна и втулкой подшипника образуется большой зазор.

При высокоскоростной работе коленчатого вала болт испытывает большие переменные ударные нагрузки и изгибающие моменты, что приводит к усталости и разрушению. Затем нагрузка должна быть передана на другой болт, который также будет перегружен и в свою очередь разрушится.

(2) Неравномерное усилие крепления и неправильный метод крепления

Во время технического обслуживания компрессора обслуживающий персонал не использовал динамометрический ключ для приложения к болтам рассчитанного усилия предварительной затяжки. Вместо этого они использовали гаечный ключ с массивной головкой и кувалду для приложения усилия, полагаясь исключительно на свой опыт, чтобы оценить правильную величину давления.

В результате усилие предварительной затяжки, прилагаемое к болтам, было непостоянным. Болты, расположенные в местах, удобных для забивания, получили большее усилие предварительной затяжки, в то время как болты, расположенные в менее доступных местах, получили меньшее усилие.

После анализа распределения изломов болтов головки блока цилиндров компрессора было обнаружено, что большинство болтов, расположенных в удобном для забивания месте, сломались, что согласуется с результатами анализа.

3. Заключение

(1) Цели в области качества жизненного цикла механических изделий основаны на достижении качества жизненного цикла всех их частей, включая болты. Инновационный подход заключается в создании концепции качества жизненного цикла на уровне деталей и определении факторов, влияющих на разрушение болтов.

(2) Качество жизненного цикла болтов зависит от множества этапов и факторов. Определение набора факторов, влияющих на разрушение болтов, может помочь в общем планировании и выборе этих факторов, тем самым достигая целей качества жизненного цикла болтов.

(3) Необходимо постоянно расширять набор факторов, влияющих на разрушение болтов, а также дополнять и пересматривать учебные материалы и соответствующие документы для поддержки практики применения концепции качества жизненного цикла болтов и механических изделий.