高強(qiáng)度鉸制螺栓斷裂分析及工藝優(yōu)化

黃 雷， 施方樂

(滬東中華造船(集團(tuán))有限公司， 上海 200129)

0 引 言

主動(dòng)力、甲板機(jī)械、錨泊等船舶設(shè)備為抵抗使用中的沖擊、滿足定位等需要，經(jīng)常采用高強(qiáng)度鉸制螺栓進(jìn)行安裝[1]。鉸制螺栓加強(qiáng)桿和安裝孔采用緊配設(shè)計(jì)，多為過盈或過渡配合，也有的采用間隙配合。為便于安裝，傳統(tǒng)上使用冷凍安裝工藝，即先用液氮對螺栓進(jìn)行冷凍處理，然后塞入螺孔，恢復(fù)常溫后用液壓扳手?jǐn)Q緊螺母，再用扭力扳手進(jìn)行擰緊力矩檢測[2]。

本文以某批量船中間軸承地腳安裝用高強(qiáng)度鉸制螺栓發(fā)生的斷裂故障為例，采用強(qiáng)度校核計(jì)算、斷口分析、化學(xué)成分及機(jī)械性能檢測、圖紙及工藝符合性檢查等手段，對其斷裂原因進(jìn)行判斷，并針對斷裂原因分析其制造、安裝工藝的薄弱點(diǎn)和不足。通過采取有針對性的優(yōu)化措施，完善高強(qiáng)度鉸制螺栓的制造和安裝工藝。

1 斷裂螺栓檢查

該船為雙軸驅(qū)動(dòng)，每軸系設(shè)1號(hào)和2號(hào)中間軸承各1臺(tái)。左、右舷軸系的1號(hào)和2號(hào)中間軸承均采用了4個(gè)機(jī)械性能等級(jí)為12.9級(jí)的M56鉸制螺栓，加強(qiáng)桿直徑Φ66 mm，材料為50CrV，其中1號(hào)中間軸承另外還設(shè)置了4個(gè)Φ60 mm、符合12.9級(jí)機(jī)械性能等級(jí)的定位銷。在不使用潤滑措施時(shí)，該規(guī)格螺栓擰緊力矩為13 800 N·m。1號(hào)和2號(hào)中間軸承均出現(xiàn)鉸制螺栓斷裂情況。

1.1 化學(xué)成分及機(jī)械性能檢測

對斷件進(jìn)行化學(xué)成分及機(jī)械性能檢測，結(jié)果顯示：材料材質(zhì)滿足圖紙要求，抗拉強(qiáng)度、硬度、屈服強(qiáng)度等機(jī)械性能滿足12.9級(jí)螺栓要求。

1.2 生產(chǎn)工藝檢查

螺栓生產(chǎn)工藝如下：螺栓為圓鋼加工而成，未經(jīng)鍛打處理，初加工后進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理(熱處理+回火)，然后進(jìn)行精加工和螺紋加工，螺紋為擠壓螺紋。

1.3 圖紙及工藝符合性檢查

經(jīng)檢查，發(fā)生斷裂的中間軸承地腳螺栓的材料、規(guī)格及安裝數(shù)量、安裝方式均符合圖紙?jiān)O(shè)計(jì)規(guī)定。

對安裝過程記錄進(jìn)行檢查，加工尺寸、擰緊力矩均符合圖紙及工藝要求?，F(xiàn)場安裝采用了傳統(tǒng)冷凍安裝工藝，具體為：先使用液氮進(jìn)行冷凍處理；然后在其冷縮狀態(tài)下將螺栓穿入螺栓孔，并旋上螺母防止其下墜，但不擰緊；恢復(fù)約24 h后，使用液壓裝置將螺母最終擰緊安裝。由于液壓裝置擰緊螺母時(shí)不能準(zhǔn)確得知其擰緊力矩，因此最后需使用扭力扳手檢查，保證其擰緊力矩不小于規(guī)定值。

2 斷裂螺栓強(qiáng)度校核

2.1 螺栓強(qiáng)度校核計(jì)算

由于中間軸承涉及整船生命力，參照有關(guān)規(guī)范，按最高等級(jí)設(shè)備要求進(jìn)行最嚴(yán)苛使用條件計(jì)算，具體如下。

2.1.1 計(jì)算設(shè)定

將中間軸承簡化成單個(gè)緊固件受集中載荷沖擊的簡單結(jié)構(gòu)，即按單質(zhì)量承受給定沖擊載荷進(jìn)行處理。同時(shí)，因設(shè)備為最高等級(jí)，要求沖擊后性能無永久變形和明顯影響，將中間軸承定義為彈性設(shè)計(jì)。由此將校核計(jì)算對象簡化為給定沖擊輸入的質(zhì)量，即彈簧系統(tǒng)。

設(shè)備受沖擊時(shí)其慣性力可分解為垂向力和橫向力。對于垂向力，力的方向經(jīng)過螺栓中心和重心，當(dāng)沖擊方向垂直于基座時(shí)載荷最大，鑒于材料抗壓能力遠(yuǎn)比抗拉能力強(qiáng)，因此本文只進(jìn)行抗拉強(qiáng)度校核；對于橫向力，由于軸和軸承可產(chǎn)生相對滑動(dòng)，因此橫向力在受平行于基座平面方向且垂直軸線時(shí)的沖擊載荷最大。

2.1.2 計(jì)算分析

在最嚴(yán)苛使用條件下，當(dāng)計(jì)算軸承地腳鉸制螺栓受到的沖擊時(shí)，分別按橫向和垂向沖擊狀態(tài)處理。由于所有的地腳螺栓均為鉸制螺栓，因此沖擊時(shí)可視為同時(shí)均勻受力。

橫向力在受平行于基座平面方向且垂直軸線的沖擊時(shí)載荷最大，沖擊時(shí)最大橫向沖擊力計(jì)算公式為

F=M×Da

(1)

式中：M為總質(zhì)量(中間軸承和所承載軸段)；Da為沖擊加速度。

具體受力情況如圖1和圖2所示。

圖1 設(shè)備沖擊受力分析

圖2 鉸制螺栓受力(I視圖)

螺栓受力位于加強(qiáng)桿和設(shè)備安裝基腳接觸部位，受力點(diǎn)可簡化成位于螺栓軸線和安裝基腳高度方向中心面交點(diǎn)位置。F1為設(shè)備所受沖擊力的垂向分力，F(xiàn)2為設(shè)備所受沖擊力的橫向分力，在螺栓受力點(diǎn)生成一個(gè)方向和大小與F2一致的力F3，為了平衡多出的F3，在受力點(diǎn)生成F3的反力F4。由此，將系統(tǒng)在沖擊時(shí)產(chǎn)生的慣性力轉(zhuǎn)化成螺栓的受力F3以及由F2和F4組成的傾覆力矩。以螺栓位于焊接墊塊和調(diào)整墊塊接觸平面處作為校核位置，由于該處相對受力點(diǎn)力臂最大，因此產(chǎn)生的力矩最大，受力最大。使用相同的方法生成F6和F7，同樣轉(zhuǎn)化成橫向剪切力F6以及由F5和F7組成的彎矩。剪力使螺栓承受剪切應(yīng)力，彎矩使螺栓承受正應(yīng)力。

2.1.3 橫向沖擊

2.1.3.1 剪切應(yīng)力計(jì)算

(1) 總質(zhì)量

式中：在冷態(tài)時(shí)軸段質(zhì)量為軸承負(fù)荷×110%。

(2) 沖擊加速度

根據(jù)計(jì)算設(shè)定，中間軸承按照安裝于船體部位的彈性設(shè)計(jì)進(jìn)行處理，橫向沖擊加速度A1、速度V1的計(jì)算公式為

A1=0.4A0=0.4×196.2×(17.01+ma)×

(5.44+ma)/(2.72+ma)2

(3)

V1=0.4V0=0.4×1.52×(5.44+ma)/

(2.72+ma)

(4)

式(3)和式(4)中：A0為基準(zhǔn)加速度，V0為基準(zhǔn)速度，ma為模態(tài)質(zhì)量。

根據(jù)第2.1.1節(jié)的設(shè)定，系統(tǒng)為單質(zhì)量彈簧系統(tǒng)，軸承所受沖擊力為平行軸承底座且垂直中心線的沖擊力，因此ma=M，代入式(3)得A1=78.66 m/s2，代入式(4)得V1=0.799 m/s。

計(jì)算時(shí)，應(yīng)取A1及V1×ωa(固有圓頻率)中的小者為設(shè)計(jì)加速度Da，由于缺乏固有頻率數(shù)值，固取Da=A1,即Da=78.66 m/s2。

(3) 沖擊力

根據(jù)式(1)計(jì)算沖擊力：

F=M×Da=595.743 kN。

(4) 鉸制螺栓數(shù)量

螺栓及定位銷機(jī)械性能等級(jí)為12.9級(jí)，即σ0.2取1 100 N/mm2。根據(jù)《緊固件機(jī)械性能——螺栓、螺釘和螺柱：GB 3098.1-1982》，當(dāng)屈服點(diǎn)σs無法測定時(shí)，可以用屈服強(qiáng)度σ0.2代替。因此，最小屈服極限σs取1 100 N/mm2。

允許剪切強(qiáng)度[τ]取0.2[σs]，即220 N/mm2(因數(shù)范圍為0.286～0.200)。在取允許剪切強(qiáng)度[τ]時(shí)，對螺栓或定位銷要求的直徑最大，相應(yīng)螺栓截面積為

F=[τ]×S

(5)

計(jì)算得S=2 707.9 mm2，即要求螺栓總截面積不低于2 707.9 mm2。

鉸制螺栓加強(qiáng)桿直徑為Φ66 mm，計(jì)算每個(gè)鉸制螺栓截面積為3 421.1 mm2?？梢?，1個(gè)該規(guī)格的鉸制螺栓即可滿足橫向抗沖擊要求。

2.1.3.2 正應(yīng)力計(jì)算

(1) 沖擊力

根據(jù)第2.1.3.1節(jié)，沖擊力F=595.743 kN，將沖擊力平均分配至4個(gè)螺栓，1個(gè)螺栓承受的沖擊力F′=148.936 kN。

(2) 正應(yīng)力

計(jì)算公式為

σ=M′·y/Iz

(6)

式中：M′為彎矩，M′=F′·L，其中L=0.5×設(shè)備地腳高度中心+調(diào)整墊片厚度，為75 mm，計(jì)算得到M′=11 170.2 kN·mm；y為考核點(diǎn)至中性軸距離，與正應(yīng)力成正比，螺栓加強(qiáng)桿外緣處應(yīng)力最大，因此取螺栓加強(qiáng)桿直徑的一半，即y=33 mm；Iz為截面慣性矩，實(shí)心圓柱慣性矩按(π·d4)/64計(jì)算，代入式(6)得出最大正應(yīng)力σ=395.8 N/mm2，小于最小屈服極限σs=1 100 N/mm2，滿足要求。

2.1.4 垂向沖擊

(1) 總質(zhì)量

根據(jù)第2.1.3.1節(jié)可知，總質(zhì)量M為7 573.65 kg。

(2) 沖擊加速度

中間軸承按照安裝于船體部位的彈性設(shè)計(jì)進(jìn)行計(jì)算，垂向沖擊加速度A2、速度V2計(jì)算公式為

A2=1.0A0=1.0×196.2×(17.01+ma)×

(5.44+ma)/(2.72+ma)2

(7)

V2=1.0V0=1.0×1.52×(5.44+ma)/

(2.72+ma)

(8)

同理，假設(shè)系統(tǒng)為單質(zhì)量彈簧系統(tǒng)，軸承所受沖擊力為平行軸承底座最小截面方向的沖擊力，因此ma=M，代入式(7)得A2=621.1 m/s2，代入式(8)得V2=1.977 5 m/s。

計(jì)算時(shí)，取A2及V2×ωa(固有圓頻率)中的小者為設(shè)計(jì)加速度Da，由于缺乏固有頻率數(shù)值，固取Da=A2，即Da=621.1 m/s2。

(3) 沖擊力

根據(jù)式(1)計(jì)算得到：F=M×Da=4 704 kN。

(4) 鉸制螺栓數(shù)量

取[σs]為最小屈服極限σs=1 100 N/mm2，由式(5)計(jì)算得到S=4 276.36 mm2，即要求螺栓的總截面積不小于4 276.36 mm2。

以目前所用的鉸制螺栓(銷)的尺寸核算，垂向沖擊時(shí)，鉸制螺栓最細(xì)的螺紋部分受的拉力最薄弱，其底徑為50 mm，而定位銷可視為不參與抗拉，每個(gè)鉸制螺栓截面積為S=1 963.44 mm2，3個(gè)該規(guī)格鉸制螺栓總截面積大于4 276.36 mm2,可以滿足沖擊要求。

2.2 計(jì)算結(jié)果

從以上分析可見，該船1號(hào)和2號(hào)中間軸承地腳螺栓的設(shè)置數(shù)量、規(guī)格已經(jīng)足夠滿足沖擊要求，而平時(shí)使用過程中以螺栓抗沖擊能力來衡量受力是很小的，在正常情況下不可能造成沖擊斷裂，因此可以判定螺栓為非正常斷裂。

3 斷口分析

3.1 斷口位置

斷裂螺栓的斷口均位于螺紋部分安裝螺母的位置，如圖3所示。

圖3 斷裂螺栓斷口位置

3.2 斷口形態(tài)

斷口呈“正斷”形式，無收縮變形的剪切唇，有放射線，無明顯纖維區(qū)，靠外緣約1/2～3/4周長的部分區(qū)域較光滑，并呈月牙狀內(nèi)切，占斷口面積約30%，其余約70%的部分區(qū)域?yàn)闊o定型粗糙表面，呈明顯顆粒狀。如圖4所示，圈線區(qū)域?yàn)檩^光滑區(qū)域。

圖4 斷裂螺栓斷口

對斷口形態(tài)進(jìn)行分析，可以得到以下結(jié)論：

(1) 斷口有明顯疲勞區(qū)，但與典型疲勞斷裂斷口相比，疲勞區(qū)比例明顯偏少。

(2) 除疲勞區(qū)外的其他區(qū)域無收縮變形的剪切唇，明顯沿金屬晶粒邊界斷裂，此為典型脆性斷裂形式。

綜合分析后認(rèn)為，螺栓屬于疲勞+脆性斷裂，且其脆性斷口處呈明顯的顆粒狀，表明材質(zhì)較為疏松。

4 斷裂原因分析

《輪機(jī)工程手冊(上)》第3卷第1篇第2章鋼鐵材料的熱處理及表面強(qiáng)化，3.4冷處理描述[3]：冷處理使零件的淬火應(yīng)力繼續(xù)增加，故在冷處理后當(dāng)零件恢復(fù)到室溫時(shí)應(yīng)立即回火，否則，可能會(huì)使零件中殘余的淬火應(yīng)力繼續(xù)增加，在受熱、應(yīng)力等因素影響下，會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)變，引起表面硬度及疲勞性的轉(zhuǎn)變。

在該船中間軸承地腳安裝用鉸制螺栓安裝過程中使用液氮進(jìn)行的冷凍處理屬于深冷處理(-150～-200 ℃)，因無法回火，在螺母擰緊過程中，因表面受熱、受力，易引起表面硬度及疲勞性的轉(zhuǎn)變，繼而引發(fā)細(xì)微裂紋，在使用中交變應(yīng)力的作用下，使螺栓發(fā)生疲勞性開裂，最終導(dǎo)致斷裂。分析與斷口形態(tài)吻合，所以這是螺栓斷裂的原因之一。

根據(jù)以上檢查情況，該船中間軸承地腳安裝用鉸制螺栓材質(zhì)符合圖紙要求，但其毛坯利用圓鋼加工而成，未經(jīng)鍛打處理，由于斷口分析時(shí)發(fā)現(xiàn)材質(zhì)有疏松現(xiàn)象，所以這是螺栓斷裂的第二個(gè)原因。

螺栓使用液壓裝置將螺母進(jìn)行最終擰緊，最后利用扭力扳手進(jìn)行檢查，這雖然可以保證扳緊力矩不小于規(guī)定值，但可能造成實(shí)際扳緊力矩超過規(guī)定值，所以這被視為螺栓斷裂的第三個(gè)原因。

綜合以上原因分析，認(rèn)為斷裂是由綜合性因素引起的，其過程可判斷如下：安裝時(shí)采用冷凍處理后，零件中殘余的淬火應(yīng)力增加，在進(jìn)入使用狀態(tài)后，受力、受熱導(dǎo)致螺栓表面硬度及疲勞性轉(zhuǎn)變，引起螺紋等應(yīng)力集中的薄弱位置產(chǎn)生細(xì)微裂紋；擰緊時(shí)可能超過規(guī)定擰緊力矩，進(jìn)一步加深了裂紋。隨著使用時(shí)間的延長，疲勞性裂紋進(jìn)一步擴(kuò)大，直至因材質(zhì)疏松，在受力作用下引起脆性斷裂。另外，也不能排除毛坯件本身存在一定缺陷導(dǎo)致斷裂問題。

5 優(yōu)化措施

根據(jù)以上檢查和分析，對鉸制螺栓制造工藝和安裝工藝采取如下優(yōu)化措施，以提高高強(qiáng)度鉸制螺栓的制造、加工質(zhì)量和使用壽命。

5.1 制造工藝優(yōu)化

(1) 增加高強(qiáng)度螺栓應(yīng)使用鍛件毛坯進(jìn)行制造的規(guī)定，以改變鑄鋼件可能存在的材質(zhì)疏松情況。

(2) 維持螺栓螺紋為擠壓螺紋的要求。

(3) 增加毛坯件和成品件探傷要求，在鉸制螺栓進(jìn)行粗加工后，在加工螺紋前進(jìn)行超聲波和表面磁粉探傷，以確定材料是否存在缺陷；加工螺紋及熱處理完成之后，對成品進(jìn)行表面磁粉探傷。超聲波探傷參照《鍛軋鋼棒超聲波檢測方法：GB/T 4162-2008》中“AAA”質(zhì)量等級(jí)要求執(zhí)行。磁粉探傷參照《柴油機(jī)零件磁粉探傷質(zhì)量要求：CB 973-1981》中“連桿螺栓磁粉探傷質(zhì)量要求”的要求執(zhí)行。

5.2 安裝工藝優(yōu)化

(1) 深冷處理(即液氮冷凍處理)之后，應(yīng)在恢復(fù)室溫后馬上進(jìn)行回火處理[4]。由于中間軸承等設(shè)備地腳螺栓在冷凍安裝后無法進(jìn)行回火處理，因此安裝時(shí)不應(yīng)采用冷凍安裝工藝，而應(yīng)采用外力壓入的方法。

(2) 對螺栓的擰緊工序進(jìn)行改進(jìn)，規(guī)定緊固螺栓應(yīng)使用扭力扳手扳緊，確保扳緊力矩不大于規(guī)定值。

6 結(jié) 論

該船中間軸承地腳安裝用鉸制螺栓斷裂故障發(fā)生在2013年。按上述優(yōu)化措施改進(jìn)后，在后續(xù)建造的同系列船上實(shí)施，最長使用年限已經(jīng)達(dá)到4年。按軸系每年運(yùn)行時(shí)間3 500 h、平均轉(zhuǎn)速約168 r/min進(jìn)行計(jì)算，僅按照軸頻計(jì)算時(shí)，其受交變力次數(shù)已經(jīng)多于14.112×107，大幅超過疲勞極限。經(jīng)對實(shí)施對象進(jìn)行跟蹤，未發(fā)現(xiàn)故障重現(xiàn)。因此，對鉸制螺栓斷裂的故障原因分析確切，采取的優(yōu)化措施合理有效。