受损螺栓连接的失效分析
2016-06-02 11:15:59
螺母和螺栓用途广泛。家中的螺栓失效未必会有大碍，但若发生在核电站，就可能造成灾难性后果。正因如此，对受损螺栓连接的失效分析才尤为重要。
导致螺栓失效的原因有很多，事实上，这通常是多种因素共同造成的。
导致螺栓失效的原因有很多，事实上，这通常是多种因素共同造成的。
Alstom Transport的螺栓连接分析专家Laurent Dastas认为，螺栓失效的根本原因有四：
1. 忘记拧紧螺栓。
2. 拧紧工具的紧固公差精度不够。
3. 紧固件的钢等级错误。
4. 拧紧操作顺序错误。
从技术角度讲，螺栓失效主要分为两类：静态失效和疲劳（又称「动态失效」）。Laurent Dastas说：「使用电子钥匙同步记录拧紧操作中的力偶和角度值，可确保按这四项参数在每次装配时紧固螺栓。」
静态失效通常易于辨别，例如超负荷、装配组件拧得过紧、意外的外部负荷或「不合格产品」都会导致静态失效。
疲劳失效往往复杂得多，因为疲劳是在工作周期中形成的。材料（例如紧固件、螺栓的螺纹或装配组件中的任何部件）可能先出现裂纹，然后加剧并扩散至螺钉的正截面（压力截面），进而导致装配组件彻底失效。
Nord-Lock高级技术专家Zouhair Chaib表示：「通常而言，对于使用螺栓紧固的装配组件，裂纹相关损害是最危险的故障。」
发生疲劳失效的装配组件，一开始可能是正确紧固的，然而在外部负荷下，由于松弛或自行松动等原因，螺栓连接处会开始失去原有的预紧力。
Chaib称：「预紧力一旦开始丧失，就很难停止，因为此时零部件之间的交变应力和滑动均会增加。在这种反复滑动下，失去的预紧力会愈来愈多。」
持续增加的还有交变应力，这终将导致疲劳裂纹。在外部和循环负荷下，疲劳裂纹会不断扩散。如果扩散至螺钉，一旦其负重达到疲劳负荷，就会彻底失效。而腐蚀或者螺钉材料中的杂质，以及螺纹的切割质量或意外的负荷（冲击），都会诱发疲劳裂纹。
如果涉及多颗螺钉，那么其中一颗失效，就会使旁边的螺钉超负荷。超负荷会在极短时间内引发连锁失效，不消多时，螺钉失效便会相互「传染」。
Chaib指出：「就疲劳失效而言，您永远不知道疲劳、裂纹和装配组件彻底失效会在何时发生。一般情况下，疲劳失效都来得猝不及防，这也是我们最不愿看到的突发状况。」
查明失效原因的方法之一，是使用「石川图」（即鱼骨图）分析，Nord-Lock技术中心就经常用这种方法帮助客户解决问题。
Chaib说：「一旦出现失效情况，客户需首先确保环境安全，然后再替换现有装配组件及更换零部件。客户须对所有零部件拍照并逐一编号，还要注意切勿触摸失效表面、接触面或螺纹。我们还需要客户提供事故和失效情况描述，以便迅速查明问题。」
此外，客户将零部件送至技术中心进行分析之前，还需做好零部件的防腐工作，以免分析人员做出错误的假设，误以为裂纹失效是因腐蚀所致。
Chaib道：「客户这样做有助于我们迅速、准确分析情况，从而尽快找到答案和解决办法。做好这些工作，就不必非得更换装配组件了。比方说，客户可以选择更换存在隐患的零部件，使生产得以持续。」
客户常会遇到种种局限，而且需要尽快恢复生产。因此，在运输过程中检查和验证装配组件至关重要。与此同时，客户和专家分析师可以一道合作，共同确定最佳和最精确的解决方案，来更换现有的装配组件。
在Nord-Lock技术中心，我们会检查所有部件，并对受损零件逐一拍照。部份情况下，我们会使用三维显微镜来进行因素比较和对照，还会请求外部的合作实验室进行额外分析。最终，所有的结果经过分析，整个问题也就真相大白。
Chaib表示：「我们在实验室进行震动、扭矩和预紧力测试，并检验螺钉的使用方式，从而完全确保我们提出的解决方案万无一失。」
他续指：「在技术中心，我们会分析多种状况，查明问题原因并提出技术对策。我们把许多方面都纳入考量，包括经济、实践和操作因素。」
假冒预紧器的案例：
Superbolt预紧器具有良好的预紧力精确度，只需小扭矩就能实现高预紧力，因而得到广泛使用。
某客户曾在一个结构物中使用多顶推螺栓，此螺栓是其他厂商生产的。一段时间过后，结构物发生故障，该客户请Nord-Lock调查原因。
Chaib道：「我们使用三维显微镜来分析失效，并发现失效的主因是疲劳，而预紧力则令疲劳速度加快。」
从观察顶推螺栓末端的交接处，可得知当初施加的预紧力是正常的，但是查看顶推螺栓的旋转位置，就会发现所有的多顶推螺栓都有显着差别。其中一个顶推螺栓转动为零，这是顶推螺栓的自行松动所致。Chaib表示：「我们还检查了仿造的预紧器对自行松动的抵御能力，结论是仿品没有考虑这个因素。比较仿品和我们的预紧器可以发现，它们的螺纹直径相同、材质相同、外径也相同，但在前者中，多顶推螺栓的一些细节被忽略了。」
这个预紧器的静态承受能力不错，但存在自行松动的问题，这会导致疲劳失效。
夹紧长度案例：
某客户采用一种标准的螺栓连接解决方案，却导致组件损坏。客户为组件更换了新的螺栓、螺母、平垫圈和垫片，并把受损部件拍照送检。客户还发送了CAD，以便提供当时情况和外部负荷的信息。
客户曾用垫片增加夹紧长度，认为这样可以解决问题，但是重启机器后又发生了同样的故障。
Chaib说：「分析客户的组件后，我们认为是疲劳失效。这套组件的预紧力很高。其实高预紧力并无危险，反而是一个不错的办法。看来我们得深入调查，另找失效的原因。」
最后我们得出结论：在当时的情况下，存在着很高的剪切负荷，这是一种横向负荷。客户需要使用与之前相同的夹紧长度（无需垫片），但可以通过增加扭矩和提高螺钉等级来增加预紧力，以此作为紧固的解决方案。对于横向负荷，最好的办法是用紧固解决方案来增加并保持预紧力。
Chaib表示：「我们建议客户使用Nord-Lock防松垫圈来预防组件自行松动。采用我们的解决方案后，客户需要对组件做些修改：用两个Nord-Lock防松垫圈，配合一颗高等级螺栓（10.9），再用适当的扭矩固定。」
螺纹失效案例：
某客户的组件半数出现故障，但螺纹却无明显受损。
Chaib表示：「我们请客户提供更多信息，说明载荷的估计值以及组件的工况。客户称这套组件所承受的是冲击负荷，而不是疲劳负荷。」
「我们观察了它的外部轮廓，发现螺纹末端有轻微的塑性变形。我们还观察了螺纹沿线的轴向痕迹，并注意到了外径不一致的问题。」
分析师设想了一个可能导致失效的情景：外径和材料属性的耐受力，不足以支撑因螺纹角度和轴向负荷而产生的圆周应力。在满负荷的情况下，第一部份拉伸（径向伸长），而由于螺纹细牙的作用，第二部份就会打滑而与第一部份脱离。
Chaib称：「为了验证这个情景，我们进行了FEM（有限元法）计算，将测定的直径和FEM直径（施加轴向负荷后）进行对比，还比较了FEM得出的螺纹形状和现实中的形状。」
FEM结果与实际情况相似，因此分析师设想的情景获得认可。我们提出了以下的实用解决方案：
增加有螺纹部份的外径。
使用粗牙螺纹。
使用不易变形的材料（高杨氏模量）。
优化第一部份的形状。
螺栓失效的 最常见原因：
1. 人为失误。
2. 材料缺陷，例如材料含有杂质导致疲劳裂纹。
3. 工具校准不当。
4. 设计问题。
5. 低估外部负荷或者做出错误假设。
6. 计算问题，例如螺栓的扭矩或应力计算有误。
螺栓失效分析概述：
螺栓组件失效后，客户应当：
1. 确保失效组件周围的环境安全。
2. 给所有部件拍照。
3. 给所有部件编号。
4. 防止部件腐蚀。
5. 详细描述事故和失效状况。
Nord-Lock技术中心的方法：
1. 查明问题。
2. 检查所有部件并给所有受损部件拍照。
3. 用3D显微镜比较和对照相关因素。
4. 用石川图找出导致失效的可能因素。
5. 进行相关测试，例如震动、扭矩和预紧力测试。
6. 请求合作实验室开展其他分析。
7. 分析结果，确定主要的仿真情景并呈交客户。
8. 制定切实可行的解决方案（经济、安全、易于安装）。
1. 忘记拧紧螺栓。
2. 拧紧工具的紧固公差精度不够。
3. 紧固件的钢等级错误。
4. 拧紧操作顺序错误。
从技术角度讲，螺栓失效主要分为两类：静态失效和疲劳（又称「动态失效」）。Laurent Dastas说：「使用电子钥匙同步记录拧紧操作中的力偶和角度值，可确保按这四项参数在每次装配时紧固螺栓。」
静态失效通常易于辨别，例如超负荷、装配组件拧得过紧、意外的外部负荷或「不合格产品」都会导致静态失效。
疲劳失效往往复杂得多，因为疲劳是在工作周期中形成的。材料（例如紧固件、螺栓的螺纹或装配组件中的任何部件）可能先出现裂纹，然后加剧并扩散至螺钉的正截面（压力截面），进而导致装配组件彻底失效。
Nord-Lock高级技术专家Zouhair Chaib表示：「通常而言，对于使用螺栓紧固的装配组件，裂纹相关损害是最危险的故障。」
发生疲劳失效的装配组件，一开始可能是正确紧固的，然而在外部负荷下，由于松弛或自行松动等原因，螺栓连接处会开始失去原有的预紧力。
Chaib称：「预紧力一旦开始丧失，就很难停止，因为此时零部件之间的交变应力和滑动均会增加。在这种反复滑动下，失去的预紧力会愈来愈多。」
持续增加的还有交变应力，这终将导致疲劳裂纹。在外部和循环负荷下，疲劳裂纹会不断扩散。如果扩散至螺钉，一旦其负重达到疲劳负荷，就会彻底失效。而腐蚀或者螺钉材料中的杂质，以及螺纹的切割质量或意外的负荷（冲击），都会诱发疲劳裂纹。
如果涉及多颗螺钉，那么其中一颗失效，就会使旁边的螺钉超负荷。超负荷会在极短时间内引发连锁失效，不消多时，螺钉失效便会相互「传染」。
Chaib指出：「就疲劳失效而言，您永远不知道疲劳、裂纹和装配组件彻底失效会在何时发生。一般情况下，疲劳失效都来得猝不及防，这也是我们最不愿看到的突发状况。」
查明失效原因的方法之一，是使用「石川图」（即鱼骨图）分析，Nord-Lock技术中心就经常用这种方法帮助客户解决问题。
Chaib说：「一旦出现失效情况，客户需首先确保环境安全，然后再替换现有装配组件及更换零部件。客户须对所有零部件拍照并逐一编号，还要注意切勿触摸失效表面、接触面或螺纹。我们还需要客户提供事故和失效情况描述，以便迅速查明问题。」
此外，客户将零部件送至技术中心进行分析之前，还需做好零部件的防腐工作，以免分析人员做出错误的假设，误以为裂纹失效是因腐蚀所致。
Chaib道：「客户这样做有助于我们迅速、准确分析情况，从而尽快找到答案和解决办法。做好这些工作，就不必非得更换装配组件了。比方说，客户可以选择更换存在隐患的零部件，使生产得以持续。」
客户常会遇到种种局限，而且需要尽快恢复生产。因此，在运输过程中检查和验证装配组件至关重要。与此同时，客户和专家分析师可以一道合作，共同确定最佳和最精确的解决方案，来更换现有的装配组件。
在Nord-Lock技术中心，我们会检查所有部件，并对受损零件逐一拍照。部份情况下，我们会使用三维显微镜来进行因素比较和对照，还会请求外部的合作实验室进行额外分析。最终，所有的结果经过分析，整个问题也就真相大白。
Chaib表示：「我们在实验室进行震动、扭矩和预紧力测试，并检验螺钉的使用方式，从而完全确保我们提出的解决方案万无一失。」
他续指：「在技术中心，我们会分析多种状况，查明问题原因并提出技术对策。我们把许多方面都纳入考量，包括经济、实践和操作因素。」
假冒预紧器的案例：
Superbolt预紧器具有良好的预紧力精确度，只需小扭矩就能实现高预紧力，因而得到广泛使用。
某客户曾在一个结构物中使用多顶推螺栓，此螺栓是其他厂商生产的。一段时间过后，结构物发生故障，该客户请Nord-Lock调查原因。
Chaib道：「我们使用三维显微镜来分析失效，并发现失效的主因是疲劳，而预紧力则令疲劳速度加快。」
从观察顶推螺栓末端的交接处，可得知当初施加的预紧力是正常的，但是查看顶推螺栓的旋转位置，就会发现所有的多顶推螺栓都有显着差别。其中一个顶推螺栓转动为零，这是顶推螺栓的自行松动所致。Chaib表示：「我们还检查了仿造的预紧器对自行松动的抵御能力，结论是仿品没有考虑这个因素。比较仿品和我们的预紧器可以发现，它们的螺纹直径相同、材质相同、外径也相同，但在前者中，多顶推螺栓的一些细节被忽略了。」
这个预紧器的静态承受能力不错，但存在自行松动的问题，这会导致疲劳失效。
夹紧长度案例：
某客户采用一种标准的螺栓连接解决方案，却导致组件损坏。客户为组件更换了新的螺栓、螺母、平垫圈和垫片，并把受损部件拍照送检。客户还发送了CAD，以便提供当时情况和外部负荷的信息。
客户曾用垫片增加夹紧长度，认为这样可以解决问题，但是重启机器后又发生了同样的故障。
Chaib说：「分析客户的组件后，我们认为是疲劳失效。这套组件的预紧力很高。其实高预紧力并无危险，反而是一个不错的办法。看来我们得深入调查，另找失效的原因。」
最后我们得出结论：在当时的情况下，存在着很高的剪切负荷，这是一种横向负荷。客户需要使用与之前相同的夹紧长度（无需垫片），但可以通过增加扭矩和提高螺钉等级来增加预紧力，以此作为紧固的解决方案。对于横向负荷，最好的办法是用紧固解决方案来增加并保持预紧力。
Chaib表示：「我们建议客户使用Nord-Lock防松垫圈来预防组件自行松动。采用我们的解决方案后，客户需要对组件做些修改：用两个Nord-Lock防松垫圈，配合一颗高等级螺栓（10.9），再用适当的扭矩固定。」
螺纹失效案例：
某客户的组件半数出现故障，但螺纹却无明显受损。
Chaib表示：「我们请客户提供更多信息，说明载荷的估计值以及组件的工况。客户称这套组件所承受的是冲击负荷，而不是疲劳负荷。」
「我们观察了它的外部轮廓，发现螺纹末端有轻微的塑性变形。我们还观察了螺纹沿线的轴向痕迹，并注意到了外径不一致的问题。」
分析师设想了一个可能导致失效的情景：外径和材料属性的耐受力，不足以支撑因螺纹角度和轴向负荷而产生的圆周应力。在满负荷的情况下，第一部份拉伸（径向伸长），而由于螺纹细牙的作用，第二部份就会打滑而与第一部份脱离。
Chaib称：「为了验证这个情景，我们进行了FEM（有限元法）计算，将测定的直径和FEM直径（施加轴向负荷后）进行对比，还比较了FEM得出的螺纹形状和现实中的形状。」
FEM结果与实际情况相似，因此分析师设想的情景获得认可。我们提出了以下的实用解决方案：
增加有螺纹部份的外径。
使用粗牙螺纹。
使用不易变形的材料（高杨氏模量）。
优化第一部份的形状。
螺栓失效的 最常见原因：
1. 人为失误。
2. 材料缺陷，例如材料含有杂质导致疲劳裂纹。
3. 工具校准不当。
4. 设计问题。
5. 低估外部负荷或者做出错误假设。
6. 计算问题，例如螺栓的扭矩或应力计算有误。
螺栓失效分析概述：
螺栓组件失效后，客户应当：
1. 确保失效组件周围的环境安全。
2. 给所有部件拍照。
3. 给所有部件编号。
4. 防止部件腐蚀。
5. 详细描述事故和失效状况。
Nord-Lock技术中心的方法：
1. 查明问题。
2. 检查所有部件并给所有受损部件拍照。
3. 用3D显微镜比较和对照相关因素。
4. 用石川图找出导致失效的可能因素。
5. 进行相关测试，例如震动、扭矩和预紧力测试。
6. 请求合作实验室开展其他分析。
7. 分析结果，确定主要的仿真情景并呈交客户。
8. 制定切实可行的解决方案（经济、安全、易于安装）。
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