Контроль момента затяжки резьбовых соединений

Определенная степень закрутки резьбовых элементов выполняется с целью увеличения срока службы, прочности и повышению сопротивления различным влияющим факторам. Для каждого крепежного элемента есть определенная степень затяжки на каждом посадочном месте, рассчитывается она на основе нагрузок, температурных режимов и свойств материалов.

Например, при воздействии температуры металлу свойственно расширяться, при условии влияния вибрации — крепеж получает дополнительную нагрузку, и чтобы минимизировать ее, закручивать нужно с правильным усилием. Рассмотрим силу затяжки болтов, таблицы, методы и инструменты для проведения работ

Маркировка деталей

Этот параметр указывается на головке болта. Для деталей, выполненных на основе углеродистой стали с классом прочности — 2, указываются цифры через точку, например: 3.5, 4.8 и т. д.

Первая цифра указывает 1/100 номинального размера прочностного предела на разрыв, измеряется в МПа. Например, если на головке болта, указано — 10.1, то первое число означает 10*100 = 1000 МПа.

Вторая цифра — отношение пределов текучести к прочности, умножается на 10, по вышеуказанному примеру — 1*10*10= 100 МПа.

Предел текучести — это максимальная нагрузка на болт. Для элементов, выполненных из нержавеющей стали, наносится тип стали А2 или А4, и далее предел прочности. Например: А4—40. Число в данной маркировке характеризует 1/10 предела прочности углеродистой стали.

Единицы измерения

Основной величиной является Паскаль, единица измерения давления, механического напряжения, согласно международной системе «СИ». Паскаль равняется давлению, вызванному силой в один ньютон, равномерно распределяющейся по плоской к ней поверхности с площадью в один квадратный метр.

Рассмотрим, как конвертируются единицы измерения:

• 1 Па = 1Н/м2.
• 1 МПа = 1 н/мм2.
• 1 н/мм2 = 10кгс/см2.

Моменты затяжки резьбовых соединений

Ниже приведена таблица затяжки болтов динамометрическим ключом.

Таблица усилия затяжки болтов для дюймовой резьбы стандарта США для крепежных деталей SAE класса 5 и выше.

1 ньютон метр (Нм) равняется 0,1кГм.

ISO -Международный стандарт.

Моменты затяжки ленточных хомутов с червячным зажимом

В нижеуказанной таблицеприведены данные для первоначальной установки на новом шланге, а также для повторной затяжки уже обжатого шланга.

Как определить момент затяжки

• С помощью динамометрического ключа.

Этот инструмент должен быть подобран таким образом, чтобы момент затяжки крепежного элемента был на 20−30% меньше, чем максимальный момент на вашем ключе. При попытке превысить предел, ключ быстро выйдет из строя.

Усилие на затяжку и тип стали указывается на каждом болте, как расшифровывать маркировку описывалось выше. Для вторичной протяжки болтов нужно учитывать несколько правил:

1. Всегда знать точное необходимое усилие для затяжки.
2. При контрольной проверке затяжки стоит выставить усилие и проверить в круговом порядке все крепежные элементы.
3. Запрещено использовать динамометрический ключ как обычный, им нельзя производить закрутку деталей, гайку или закручивать болт до примерного усилия, контрольная протяжка производится динамометрическим ключом.
4. Динамометрический ключ должен быть с запасом.

• Без динамометрического ключа.

Для этого потребуется:

• Ключ накидной или рожковый.
• Пружинный кантер или весы, с пределом в 30 кг.
• Таблица, в которой указывается усилие затяжки болтов и момент затяжки гаек.

Момент затяжки — это усилие, приложенное на рычаг размерами в 1 метр. Например, нам требуется затянуть гайку с усилием 2 кГс/м:

1. Измеряем длину нашего накидного ключа, она, к примеру, составила 0,20 метра.
2. Делим 1 на 0,20 получаем цифру 5.
3. Умножаем полученные результаты, 5 на 2кГс/м и получаем в итоге 10 кг.

Переходя к практике, берем наш ключ и весы, прикрепляем крючок к ключу и производим затяжку до нужного веса, согласно описанного выше расчета. Но даже такой способ в итоге окажется лучше, чем тянуть от «руки — на глаз», с погрешностью, чем выше усилие, тем она меньше. Это будет зависеть от качества весов, но лучше все-таки приобрести специальный ключ.

Контроль силы затяжки в стяжных соединениях.

При сборке необходимо точно выдерживать расчетные параметры затяжки. Применяют три основных способа контроля силы затяжки: 1) затяжкой гаек динамометрическим ключом; 2) завертыванием гаек на расчетный угол; 3) измерением упругого удлинения болта при затяжке.

При затяжке динамометрическим ключом выдерживают момент завинчивания М_зат, определяемый по заданной силе затяжки болтов расчетом [см. формулу (55)] или экспериментально. Этот способ недостаточно точен. Момент, необходимый для завертывания гаек, зависит от трения в резьбе и на опорной поверхности гайки, которое может колебаться в значительных пределах. Поэтому болты, затянутые одним и тем же моментом, фактически могут быть нагружены различно.

Для уменьшения влияния трения резьбу перед затяжкой покрывают дисульфидом молибдена, коллоидальным графитом и другими смазочными веществами. Такие соединения необходимо надежно стопорить, так как присутствие смазки увеличивает склонность к самоотвинчиванию.

Применяют также виброзатяжку (например, гайковертами ударно-вращательного действия). Уменьшение сил трения в результате вибраций необходимо учитывать при расчете момента затяжки.

При завертывании на расчетный угол гайку сначала доводят до плотного соприкосновения с опорной поверхностью, т. е. до такого положения, с которого начинается вытяжка болта. После этого гайку завертывают на расчетный угол с помощью угломерного ключа со стрелкой , перемещающейся по лимбу, установленному на корпусе. Угол завертывания определяют по заданной силе Р_зат из следующих соображений: при затяжке гайки необходимо установить деформацию болта f₁ = l·P_зат/λ₁ и корпуса f₂ = l·P_зат/λ₂ (где I — длина соединения).

Осевое перемещение гайки относительно болта

Этому перемещению соответствует поворот гайки на угол

где s — шаг резьбы.

Практически гайки затягиваются следующим обратом. Сначала выбирают зазор в системе затяжкой всех гаек от руки до плотного соприкосновения с опорными поверхностями. После этого все гайки в последовательности, зависящей от расположения болтов и обеспечивающей по возможности равномерную затяжку стыка (в шахматном порядке, крест-на-крест, змейкой), завертывают сначала на угол 0,5v, а затем в той же последовательности на угол v.

Этот способ точнее первого, хотя в нем имеется источник ошибок (затруднительность определения фактического начала затяжки).

При завертывании корончатых гаек в большинстве случаев приходится дополнительно затягивать гайку до совмещения отверстия под шплинт в болте и пазов в гайке, причем максимальный угол дотягивания составляет 60° при одном отверстии в болте и 30° при двух крестообразно расположенных отверстиях (рис. 471, а). Таким образом, при дотягивании возможно значительное превышение расчетного угла завертывания. Кроме того, болты соединения оказываются затянутыми различной силой.

Регулирование угла дотягивания с помощью мерных подкладных шайб усложняет монтаж. При необходимости точно выдерживать расчетный угол надо применять бесступенчатое стопорение, например, отгибными шайбами увеличенного диаметра, допускающими стопорение гайки в любом положении (рис. 471, б).

У длинных и тонких болтов на точность измерения влияет их скручивание под действием сил трения, возникающих в резьбе при затяжке. Придерживание конца болта ключом при затяжке (см. рис. 449) усложняет монтаж. На рис. 472 представлена конструкция ключа, исключающая влияние скручивания на точность замера.

В стержне ключа установлен подпружиненный фиксатор 1 с пирамидальным хвостовиком крестообразного сечения, входящим в соответствующее гнездо на торце болта. Фиксатор соединен со штоком 2, на наружном конце которого фрикционно установлена стрелка 3, перемещающаяся по лимбу 4, закрепленному на торце ключа.

При наложении ключа на гайку хвостовик фиксатора заскакивает в гнездо болта, обеспечивая прямую связь между болтом и стрелкой. Перед силовой затяжкой стрелку устанавливают на нулевое деление лимба. При затяжке стрелка покатывает угол поворота гайки относительно болта, т. е. угол, определяющий значение затяжки.

Наиболее точен способ измерения вытяжки болта

Удлинение коротких болтов измеряют микрометром 1 (рис. 473), если можно подвести губки микрометра к торцам болта (болты шатунных головок, клеммных соединений и др.).

Вытяжку длинных болтов и шпилек измеряют индикаторами или оптическими приборами, установленными на независимом основании 2. Индикатор показывает сумму вытяжки болта и сжатия корпуса 3. Замеры производят по шарикам, закладываемым в конические гнезда на торцах болта (рис. 474), или по сферическим поверхностям, выполненным заодно с торцами (способ более удобный).

Так как жесткость головки болта и участка расположения гайки значительно выше жесткости стержня, то измерение по крайним точкам (длина l’) достаточно верно отражает вытяжку болта на длине l соединения.

На рис. 475 показана упругая вытяжка f₁ болтов в функции их длины и напряжения растяжения σ₁ (принято Е₁ = 2·10 5 Мпа). Микрометры обычной точности позволяют с погрешностью не более ±10% измерять вытяжку порядка 0,03 мм. При σ₁ = 100 МПа такую вытяжку приобретают болты длиной 60 мм, а при σ₁ = 200 МПа — болты длиной 30 мм. Следовательно, этот способ позволяет достаточно уверенно определять вытяжку даже коротких болтов. При обычных же параметрах (l > 80—100 мм; σ₁ = 200 МПа) вытяжка может быть определена с высокой степенью точности.

Иногда применяют систему деформируемых подкладных колец (рис. 476). Под гайку устанавливают жесткие шайбы 1, 2, мерное кольцо 3 из пластичного металла и сигнальную шайбу 4. Высоту кольца 3 выбирают так, чтобы при предварительной легкой затяжке между кольцом и сигнальной шайбой оставался расчетный зазор е, равный сумме упругих деформаций болта и стягиваемой системы под действием силы затяжки. При силовой затяжке мерное кольцо сплющивается. Затяжку прекращают тогда, когда выбирается зазор (е), о чем судят по потере подвижности сигнальной шайбы.

Другой способ мерной затяжки — нагрев болтов до температуры

где f₁ — расчетная вытяжка, мм; l — длина болта, мм; α — коэффициент линейного расширения материала болта; t — температура сборки, °С.

Подставляя в это выражение значение f₁ из формулы (110), получаем

Нагрев производят ТВЧ, паром или горячей жидкостью, пропускаемой через центральное сверление болта (последний способ применим при болтах большого диаметра). На нагретый болт навертывают гайку до плотного смыкания стыков, после чего дают соединению остыть.

Недостатки способа; значительное усложнение технологии сборки; затруднительность точного выдерживания температуры нагрева.

Автор: М.В. Верюгин (ООО «Сервисная Компания ИНТРА»).

Опубликовано в журнале Химическая техника №6/2018

Обслуживание болтовых соединений с контролируемым моментом затяжки или, как еще принято называть данный сервис, «болтинг», – неотъемлемая составляющая проведения ремонтных работ и планового технического обслуживания для поддержания условий эксплуатации оборудования предприятий нефтедобывающей и нефтеперерабатывающей отрасли, машиностроения, горнодобывающей индустрии, металлургии, химической, энергетической и других отраслей промышленности.

Особое внимание обслуживанию болтовых соединений уделяется в нефтегазовой отрасли, что связано со спецификой переработки и транспортировки легковоспламеняющихся и взрывоопасных сред при высоких давлениях и температурах. Соблюдение требований сборки и технологии затяжки болтовых соединений как основного крепежного элемента технологического оборудования являются важным фактором безаварийной работы и предотвращения утечек взрывоопасных углеводородов. Некачественная сборка, неравномерная и недостаточная затяжка влекут за собой:

• нарушение герметичности;
• разрушение крепежа;
• передавливание прокладки и повреждение уплотнительной поверхности фланца;
• увеличение сроков ремонта и из-за неоптимальной технологии и повторных сборок;
• потери расходных материалов: новых прокладок и крепежа взамен испорченных.

Надежность болтового соединения во многом зависит от качества применяемых материалов, правильности его сборки и подбора прокладочных изделий. При расчете момента затяжки резьбовых соединений используются математические модели и средства программной автоматизации, которые учитывают все факторы воздействия: температуру, давление среды, упругость фланца, коэффициент сжатия прокладки, вибрации, векторы напряжений, возникающие при атмосферных явлениях (ветровые нагрузки, сезонные перепады температуры и др.). На основе данных параметров выбираются требуемые материалы элементов, крепежи, прокладки и рассчитывается усилие, прикладываемое на болты (шпильки) при затяжке фланцевого соединения, которое обеспечивает в рабочих условиях давление на прокладку и герметичность соединения на весь срок эксплуатации технологического оборудования.

Критичным фактором при затяжке резьбового соединения является усилие затяжки соединяемых деталей. Крепеж в резьбовом соединении находится под постоянным механическим напряжением и устойчив к усталости. Если гайка затянута слишком слабо, то в процессе эксплуатации конструкция просто развалится под влиянием вибрации, температурных изменений и других факторов воздействия. Если перетянуть гайку, то шпилька или болт лопнут.

При закручивании крепежа происходит деформация тела. На него воздействует сила упругости, которая стремится восстановить прежние размеры и форму. Сила упругости твердых тел определяется законом Гука, в соответствии с которым напряжение в шпильке прямо пропорционально ее растяжению. При закручивании гайки по резьбе, преодолевая силы трения в резьбе и между упорной поверхностью гайки и фланца, прикладывается усилие к вытяжке шпилек. Под воздействием силы упругости крепежа соединяемые плоскости сжимаются ровно с тем же усилием, с которым он растягивается.

Рис. 1. Обслуживание болтовых соединений с контролируемым моментом затяжки

Напряжение и растяжение имеют диапазон упругих деформаций и диапазон пластических деформаций. В диапазоне упругих деформаций действует правило закона Гука: при снятии приложенной нагрузки на данном участке удлинение исчезает, и шпилька принимает свои первоначальные размеры. Когда нагрузка на крепеж превышает допустимую, он перестает вести себя как упругое тело, и наступает область пластической деформации. Деформация при пределе текучести происходит без роста напряжения, а растяжение сохраняется после снятия нагрузки, удлинившийся крепеж уже не вернется в свое начальное положение. По достижении точки предела прочности в материале начинают интенсивно рваться молекулярные связи, дальнейшее приложение нагрузки приводит к ситуации, в которой шпилька начинает разрушаться.

Более того, неравномерная нагрузка на крепеж также может привести к выходу оборудования из строя, так как одни соединения будут недогружены, а другие будут испытывать чрезмерную нагрузку. Прокладка на одной стороне будет раздавлена, а с другой стороны начнется разгерметизация.

Следовательно, надежность болтового соединения зависит от правильности выбора усилия и, соответственно, необходим постоянный контроль крутящего момента на гайке. Существует несколько методов затяжки резьбовых соединений, обеспечивающих требуемые качество и усилие затяжки резьбовых соединений:

1. Метод приложения крутящего момента с применением гайковертов, динамометрических ключей мультипликаторов крутящего момента;
2. Метод осевой вытяжки – предварительная нагрузка на крепежную сборку накладывается путем растяжки болта вдоль его оси при помощи специального инструмента.

Рис. 2. Монтаж и демонтаж с помощью гидравлических шпильконатяжителей

Помимо высокой точности по усилию затяжки, на герметичность сборки соединений влияет также ряд технологических аспектов подбора материала крепежа, его предварительная смазка ингибиторами коррозии, подбор уплотнительных поверхностей фланцев и другие особенности технологии осуществления болтинга. Значительную роль при выполнении болтинга играет квалификация специалистов и опыт работы.

Уже более десяти лет Сервисная компания «ИНТРА» осуществляет слесарно-монтажные работы по обслуживанию болтовых соединений помощью высокотехнологичного профессионального оборудования для затяжки зарекомендовавших себя на рынке производителей Hi-Force, Norbar, Usag, а также проводит супервайзинг сборки/разборки фланцевых соединений.

За десять лет были проведены работы на более чем 1 000 000 болтовых соединениях, при осуществлении следующего комплекса сервисов:

• сборка, разборка, демонтаж шпилек фланцевых соединений технологического оборудования нефтеперерабатывающих предприятий;
• сборка, разборка теплообменного оборудования;
• ремонт бурового и нефтедобывающего оборудования;
• ремонт турбинного оборудования на ГРЭС, АЭС, ГЭС;
• ремонт насосно-компрессорного оборудования на нефтегазовых месторождениях;
• ремонт газокомпрессорных станций; монтаж, демонтаж и обслуживание колонного оборудования химических и нефтехимических предприятий.

Работы выполняются высококвалифицированным персоналом с использованием профессионального гидравлического инструмента, позволяющего обслуживать крепеж с гайками размером от 12 до 165 мм и производить регулируемую затяжку болтовых соединений с точным контролем крутящего момента от 48 до 181 000 Н∙м, при этом погрешность затяжки составляет не более 3%.

Качественно осуществленный комплекс работ по болтингу позволяет достичь увеличения срока службы оборудования, сокращения простоев, уменьшения затрат на техническое обслуживание, при этом гарантируются:

• равномерная затяжка, обеспечение оптимального момента;
• минимизация износа крепежа, сохранение эффективного состояния прокладки;
• оптимизация сроков ремонта благодаря замене ручного труда использованием регулируемых инструментов, сборка происходит с первого раза и минимизируются потери времени при работе с большими диаметрами и фланцами со сложным расположением;
• минимизация рисков возникновения утечек;
• увеличение показателей надежности оборудования;
• безопасность выполнения работ.

195027, Санкт-Петербург, ул. Магнитогорская, 17.