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拉伸定时炸弹:过度覆盖如何影响压力螺栓安全

通过伊恩MacMoy
发布日期:2018年3月5日 |最后更新日期:2020年8月5日
关键的外卖

在高压螺栓连接领域,了解紧固件系统在负载下的动力学和行为,以及螺母尺寸过大对螺纹啮合造成的危险影响非常重要。

来源:Pichit Boonhuad / Dreamstime.com

正如在一篇文章中所讨论的前文,过度涂覆(也称为过度施胶)是一种常见的现场实践,但几乎所有管理涂料的标准都禁止这种做法扣件高压和/或高温环境下的系统。

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尺寸过大会从螺母螺纹的无涂层表面去除10至30密耳的钢材,从而为螺栓螺纹上增加的防腐层厚度留出空间。这种做法继续下去,因为几乎没有涂层或涂层电镀在腐蚀开始前提供超过5000个盐雾小时(5年)性能的解决方案。

首先,我们需要了解结构螺栓与压力螺栓之间的主要区别,结构螺栓与压力螺栓在螺栓轴上产生剪切应力拉应力在螺母/螺栓螺纹上。(请务必阅读腐蚀对材料剪切行为的影响了解腐蚀是如何进入方程式的。)

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拉应力与剪应力

根据螺栓设计和性能方面的领先权威Bickford的说法,了解拉伸接头和剪切接头之间的区别很重要,因为“它们在响应荷载的方式、失效方式以及组装方式等方面有所不同。一般来说,拉伸接头是两者中比较复杂的一种”。1.

拉伸接头/压力螺栓连接图

图1。拉伸接头/压力螺栓连接(Bickford)。

在压力螺栓连接中,施加的拉伸载荷大致平行于螺栓的轴线。

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剪切接头/结构螺栓连接图

图2。剪切接头/结构螺栓连接(Bickford)。

在结构螺栓连接中,剪切荷载力基本上垂直于螺栓轴。

在涂覆者中,仍然存在一些对结构螺栓设计标准(ASTM A 325和ASTM A 563)的误解,在某种程度上,允许螺母过大,只要系统能够通过验证负载测试。2,3

但是,在ASTM A-194和ASTM A-195等压力螺栓连接系统标准中,不允许尺寸过大。4,5

2014年,我就尺寸过大的做法采访了26家紧固件经销商,了解到:

  1. 他们从未听说过验证负载测试,或
  2. 他们的采购订单不要求进行此测试,或
  3. 螺栓制造商在涂覆涂层/在涂覆过程中进行过尺寸修改之前,已对其进行过尺寸调整。

在所有情况下,这意味着修改后的螺母不符合ASTM A194和ASME B1.1的要求,并且它们在现场安装时从未进行过载荷鉴定试验。5,6

过度应用如何影响线程啮合

让我们看看螺栓动力学,以了解螺栓设计,以及当从螺母或螺栓上取下钢时,它是如何妥协的。下图(图3)显示了沿单个螺栓轴的整个长度的载荷分布。螺母取决于前两个螺纹的啮合,以承受57%的负载。如果第一个线程失败,其余线程就会出现多米诺骨牌效应。压力螺栓的应力图片不是一个吸引人的,因为大部分负载是在第一个线程。

沿螺栓轴长度的载荷分布
图3。拉应力的下降是弯曲的,而不是线性的。

下面的第一幅插图描绘了螺纹的充分啮合,正如设计的那样,在这里,力通过螺母传递到螺栓。

螺纹完全啮合,力通过螺母传递至螺栓

图4。螺纹完全啮合。

下一张图显示的是一个上盖螺母,力集中在螺纹的峰值上。当不使用整个螺距时,力集中在螺纹上塑性变形这发生在山谷中。这将引发线程参与失败的连锁反应。因此,通过放松螺纹,接头将失去负载,并开始爬行同时泄漏压力和安全壳。

螺母螺纹在剪切时失效:力集中在螺纹峰值处的过卷螺母

图5。螺母螺纹在剪切时失效。

失效发生在紧固件最弱点的螺纹中,因尺寸过大而变得更弱。我们能在螺栓上产生的张力大小不仅取决于螺栓主体的强度,还取决于螺栓的强度抗剪强度它的线。螺纹节距啮合需要接近100%或足够大,以允许我们开发螺栓的全部极限强度。(在文章中了解力量6种材料强度的测试.)

这一领域的偏移量之一是蠕变。蠕变是抗拉强度随着时间的推移,持续负载或多个高/低负载造成的损失。

垫片连接是通过施加负载到紧固件上而密封的。没有一个完整的线程参与是一种失败。螺纹应力集中,会发生塑性变形。由此产生的变形将释放维持接头密封所需的载荷。这是与超大螺母相关的现场常见情况。如果螺栓尺寸过小或螺母尺寸过大,可能会发生严重的塑性变形。垫圈接头中的松弛可能很大,设计张力损失高达80–100%。1.

下图是加载压力接头中应力分布的简化视图。

加载压力接头中的应力分布图

图6。加载压力接头中的应力分布。

压力集中在两个危险点:

  1. 头和身体连接的地方
  2. 第一个螺纹啮合螺母的位置

结论

螺纹剥落是一种不可见且隐蔽的故障类型。即使目视检查表明组件符合要求,也可能在没有警告的情况下发生。美国石油学会和美国联邦储备局目前正在解决结构螺栓标准的错误使用和高压或高温服务的尺寸过大问题安全与环境执法联盟(BSEE)。

有关更多信息,请参考ASME B1.1.7和API 20E。6,7


***
参考文献:

  1. 螺栓连接的设计和行为介绍,第三版约翰·H·比克福德。
  2. ASTM A325钢结构螺栓标准规范,热处理,120/105 ksi最小抗拉强度。
  3. ASTM A563碳钢和合金钢螺母标准规范。
  4. 高温或高压应用和其他特殊用途的合金钢和不锈钢螺栓标准规范。
  5. ASTM A194《高压或高温条件下螺栓用碳和合金螺母标准规范》。
  6. ASME B1.1 2003,统一螺纹(UN和UNR螺纹形式)第7.6节。
  7. 石油和天然气工业用合金和碳钢螺栓API 20E美国石油学会。

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作者伊恩MacMoy产品设计专家,Dox Steel

伊恩·麦克莫伊的个人资料照片

MacMoy拥有十多年的涂料涂敷和配方设计经验,在公用事业、石油和天然气、炼油、管道、化工加工和海上钻井环境中缓解紧固件故障方面具有丰富的经验。他精通电化学过程、氢脆、扭矩和拉应力,以及化学、机械和冶金粘合。


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