【壓縮機網】本質安全，源于細節

　　系于責任，重在落實

　　一顆不合格的螺栓，當場頭破血流，看的心驚膽戰！

 

　　來看5分鐘短視頻《螺思》
 

　　（中海石油上海分公司出品）

 

　　微電影《螺思》，只有短短的五分鐘，但足以震撼每個人的心靈。

　　影片前半段講述了一顆不合格的螺絲，經一系列毫不起眼的細節失誤引發了一連串的不安全行為，導致了一個生命的隕落，一個幸福家庭的破滅。

　　影片后半段則以“時間可以倒流”為假設前提，逐一彌補了每個細節失誤，最終還原了生命的美麗，引人感慨。

 

　　都說千里之堤，潰于蟻穴，別看螺釘個頭小（相對所在設備而言），真發起火來脾氣可不小，輕則導致意外停機，降低生產效率，重則釀成大禍，造成巨大損失。

 

　　螺栓什么樣算擰緊了？其實，是有嚴格的操作手冊指導完成的，施加多大的扭矩都有明確規范。我們今天先從擰緊過程的扭矩和受力來分析。

 

擰緊過程的簡要分析

　　541規則（即50%、40%、10%）

　　參見下圖：通常情況下，在螺栓的擰緊過程中，實際轉化為螺栓夾緊力的扭矩僅占10%，其余50%用于克服螺栓頭下的摩擦力，40%用于克服螺紋副中的摩擦力,這就是“541”規則，主要反映夾緊力與摩擦力之間的關系。但若施加一定的改善措施（如涂抹潤滑油）或螺紋副中存有缺陷（如雜質、磕碰等），該比例關系會受到不同影響而改變。

 

　　螺栓連接件特性

 

　　擰緊過程的主要變量

　　1. 扭矩(T)：所施加的擰緊動力矩,單位牛米(Nm)；

　　2. 夾緊力(F)：連接體間的實際軸向夾(壓)緊大小，單位牛(N)；

　　3. 摩擦系數(U)：螺栓頭、螺紋副中等所消耗的扭矩系數；

　　4. 轉角(A)：基于一定的扭矩作用下，使螺栓再產生一定的軸向伸長量或連接件被壓縮而需要轉過的螺紋角度。

 

　　螺栓擰緊的控制方法

　　1. 扭矩控制法

　　定義：當擰緊扭矩達到某一設定的控制扭矩時，立即停止擰緊的控制方法。

　　優點：控制系統簡單、直接，易于用扭矩傳感器或高精度扭矩扳手來檢查擰緊的質量。

　　缺點：控制精度不高（預緊力誤差±25%左右），也不能充分利用材料的潛力。

 

　　2. 扭矩-轉角控制法

　　定義：先把螺栓擰到一個不大的扭矩后，再從此點開始，擰一個規定的轉角的控制方法。

　　優點：螺栓軸向預緊力精度較高(±15%)，可以獲得較大的軸向預緊力，且數值可集中分布在平均值附近。

　　缺點：控制系統較復雜，要測量扭矩和轉角兩個參數；且質檢部門也不易找出適當的方法對擰緊結果進行檢查。

 

　　3. 屈服點控制法

　　定義：把螺栓擰緊到屈服點后，停止擰緊的一種方法。

　　優點：擰緊精度非常高，預緊力誤差可以控制在±8%以內；但其精度主要取決于螺栓本身的屈服強度。

　　缺點：擰緊過程需要對扭矩和轉角曲線的斜率進行動態的、連續的計算和判斷，控制系統的實時性、運算速度等都有較高的要求。

 

　　基本擰緊技術

 

 

 

　　擰緊中的扭矩分配

　　擰緊一顆螺栓，需要施加一定扭矩旋轉一定角度后才可以完成，這部分的扭矩+角度所做功最終轉為三個部分：

　　1，螺栓頭下摩擦力消耗 

　　2，螺紋副摩擦力消耗 

　　3，產生預緊力

 

　　這個也可以根據以下公式得出：

　　Fm= T/ (0.16P + (μg * 0.58 * d2) + ((Dkm/2) * μk))

　　預緊力    螺紋副        螺栓頭下

　　定義Definitions

　　Fm = 夾緊力clamping force

　　P = 螺距pitch of thread

　　μg = 螺紋副摩擦系數friction value in thread

　　d2 = 螺栓直徑diameter bolt

　　Dkm = 螺栓頭表面尺寸 size of surface bolt (nut)-head

　　Dkm = (dw + dh)/2

　　μk = 螺栓頭表面摩擦系數fricition value surface bolt-head

 

　　一般而言，這三者的比例在10%，40%以及50%，這部分能量的消耗很容易直觀的體會到：10%的夾緊力做功體現在螺栓的被拉伸，40%和50%體現了螺紋副以及螺栓頭下擰緊后摩擦力導致的發熱。

 

　　

      螺栓的初始設計是按照如上圖的比例來分配三者關系的，如果實際的過程中改變了三者的比例關系，會出現扭矩“合格”，夾緊力不合格的情況。

 

　　典型情況1：

　　螺紋副被額外潤滑

 

　　此時螺紋副摩擦系數降低，摩擦力矩變小，施加的扭矩“轉移”給夾緊力，后果有可能是：螺栓拉斷或者工件變形。

 

　　典型情況2：

　　螺栓生銹或者螺紋副有油漆

　　此時螺紋副摩擦系數增加，有可能扭矩合格后夾緊力不足。

 

　　

        其它改變摩擦系數的常見情況有：

　　涂層材料改變，涂層厚度變化，螺栓/螺釘公差，與螺帽旋轉接觸面摩擦系數，工具轉速，墊片增加/減少等。

 

　　擰緊技術中的螺栓螺母知識

　　螺栓擰緊是裝配環節的重要環節，螺栓/螺母在產品壽命周期內必須穩定連接，否則有可能造成嚴重的質量事故，因為螺栓/螺母失效而導致的安全事故時有發生。

 

　　螺栓/螺母的失效方式有以下幾種：

　　1. 強度不足 

　　螺栓常見強度等級如下，如果螺栓制造商供應的螺栓不能滿足對應的強度要求，螺栓連接的安全性也無法得到保障。

　　2. 螺紋副強度不足 

　　按照ISO898要求，與螺栓配合的螺紋副/螺母強度要與螺栓本身強度相匹配，比如螺栓強度為10.9的螺栓，應采用強度為10的螺母。

 

　　

        3. 螺紋副高度 

　　同樣根據ISO898要求，螺母或者有效螺紋連接高度一般大于公稱直徑D的0.8以上，比如M10的螺栓與之匹配的螺母高度不得低于8mm。

 

　　螺栓/螺母機械強度測試

　　螺栓/螺母機械強度的測試方法很多，比較權威的方法是依據ISO898-1以及ISO898-2，對于螺栓的機械抗拉強度測試方法如下：固定螺栓兩端，通過萬能材料試驗機產生軸向拉力，通過軸向拉力/軸向拉伸量獲得螺栓的機械性能指標。

　　軸向拉力/軸向拉伸量：

　　螺母/螺紋副的機械強度測試，如下圖示意：

　　1. 實驗載荷一般在抗拉強度的88%-94%之間

　　2. 持續載荷15S

　　3. 需確保螺桿沒有永久變形

　　4. 15S后手動可以將螺紋旋出，則表示螺母/螺紋副強度合格

 

　　小貼士：

　　螺栓/螺母的失效形式有： 

　　滑牙，疲勞失效，涂層失效，螺紋副脫落，電化學腐蝕，拉斷，剪斷，過度衰減等。

來源：金蜘蛛螺絲網 SolidWorks研習社，馬頭工業工具