高強度鉸制螺栓斷裂分析及工藝優化

黃 雷， 施方樂

(滬東中華造船(集團)有限公司， 上海 200129)

0 引 言

主動力、甲板機械、錨泊等船舶設備為抵抗使用中的沖擊、滿足定位等需要，經常采用高強度鉸制螺栓進行安裝[1]。鉸制螺栓加強桿和安裝孔采用緊配設計，多為過盈或過渡配合，也有的采用間隙配合。為便于安裝，傳統上使用冷凍安裝工藝，即先用液氮對螺栓進行冷凍處理，然后塞入螺孔，恢復常溫后用液壓扳手擰緊螺母，再用扭力扳手進行擰緊力矩檢測[2]。

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

1 斷裂螺栓檢查

該船為雙軸驅動，每軸系設1號和2號中間軸承各1臺。左、右舷軸系的1號和2號中間軸承均采用了4個機械性能等級為12.9級的M56鉸制螺栓，加強桿直徑Φ66 mm，材料為50CrV，其中1號中間軸承另外還設置了4個Φ60 mm、符合12.9級機械性能等級的定位銷。在不使用潤滑措施時，該規格螺栓擰緊力矩為13 800 N·m。1號和2號中間軸承均出現鉸制螺栓斷裂情況。

1.1 化學成分及機械性能檢測

對斷件進行化學成分及機械性能檢測，結果顯示：材料材質滿足圖紙要求，抗拉強度、硬度、屈服強度等機械性能滿足12.9級螺栓要求。

1.2 生產工藝檢查

螺栓生產工藝如下：螺栓為圓鋼加工而成，未經鍛打處理，初加工后進行調質處理(熱處理+回火)，然后進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

經檢查，發生斷裂的中間軸承地腳螺栓的材料、規格及安裝數量、安裝方式均符合圖紙設計規定。

對安裝過程記錄進行檢查，加工尺寸、擰緊力矩均符合圖紙及工藝要求?，F場安裝采用了傳統冷凍安裝工藝，具體為：先使用液氮進行冷凍處理；然后在其冷縮狀態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不能準確得知其擰緊力矩，因此最后需使用扭力扳手檢查，保證其擰緊力矩不小于規定值。

2 斷裂螺栓強度校核

2.1 螺栓強度校核計算

由于中間軸承涉及整船生命力，參照有關規范，按最高等級設備要求進行最嚴苛使用條件計算，具體如下。

2.1.1 計算設定

將中間軸承簡化成單個緊固件受集中載荷沖擊的簡單結構，即按單質量承受給定沖擊載荷進行處理。同時，因設備為最高等級，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計。由此將校核計算對象簡化為給定沖擊輸入的質量，即彈簧系統。

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

2.1.2 計算分析

在最嚴苛使用條件下，當計算軸承地腳鉸制螺栓受到的沖擊時，分別按橫向和垂向沖擊狀態處理。由于所有的地腳螺栓均為鉸制螺栓，因此沖擊時可視為同時均勻受力。

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

F=M×Da

(1)

式中：M為總質量(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)

螺栓受力位于加強桿和設備安裝基腳接觸部位，受力點可簡化成位于螺栓軸線和安裝基腳高度方向中心面交點位置。F1為設備所受沖擊力的垂向分力，F2為設備所受沖擊力的橫向分力，在螺栓受力點生成一個方向和大小與F2一致的力F3，為了平衡多出的F3，在受力點生成F3的反力F4。由此，將系統在沖擊時產生的慣性力轉化成螺栓的受力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整墊塊接觸平面處作為校核位置，由于該處相對受力點力臂最大，因此產生的力矩最大，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力，彎矩使螺栓承受正應力。

2.1.3 橫向沖擊

2.1.3.1 剪切應力計算

(1) 總質量

式中：在冷態時軸段質量為軸承負荷×110%。

(2) 沖擊加速度

根據計算設定，中間軸承按照安裝于船體部位的彈性設計進行處理，橫向沖擊加速度A1、速度V1的計算公式為

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為基準加速度，V0為基準速度，ma為模態質量。

根據第2.1.1節的設定，系統為單質量彈簧系統，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。

計算時，應取A1及V1×ωa(固有圓頻率)中的小者為設計加速度Da，由于缺乏固有頻率數值，固取Da=A1,即Da=78.66 m/s2。

(3) 沖擊力

根據式(1)計算沖擊力：

F=M×Da=595.743 kN。

(4) 鉸制螺栓數量

螺栓及定位銷機械性能等級為12.9級，即σ0.2取1 100 N/mm2。根據《緊固件機械性能——螺栓、螺釘和螺柱：GB 3098.1-1982》，當屈服點σs無法測定時，可以用屈服強度σ0.2代替。因此，最小屈服極限σs取1 100 N/mm2。

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

F=[τ]×S

(5)

計算得S=2 707.9 mm2，即要求螺栓總截面積不低于2 707.9 mm2。

鉸制螺栓加強桿直徑為Φ66 mm，計算每個鉸制螺栓截面積為3 421.1 mm2?？梢?，1個該規格的鉸制螺栓即可滿足橫向抗沖擊要求。

2.1.3.2 正應力計算

(1) 沖擊力

根據第2.1.3.1節，沖擊力F=595.743 kN，將沖擊力平均分配至4個螺栓，1個螺栓承受的沖擊力F′=148.936 kN。

(2) 正應力

計算公式為

σ=M′·y/Iz

(6)

式中：M′為彎矩，M′=F′·L，其中L=0.5×設備地腳高度中心+調整墊片厚度，為75 mm，計算得到M′=11 170.2 kN·mm；y為考核點至中性軸距離，與正應力成正比，螺栓加強桿外緣處應力最大，因此取螺栓加強桿直徑的一半，即y=33 mm；Iz為截面慣性矩，實心圓柱慣性矩按(π·d4)/64計算，代入式(6)得出最大正應力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) 總質量

根據第2.1.3.1節可知，總質量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計進行計算，垂向沖擊加速度A2、速度V2計算公式為

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，假設系統為單質量彈簧系統，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。

計算時，取A2及V2×ωa(固有圓頻率)中的小者為設計加速度Da，由于缺乏固有頻率數值，固取Da=A2，即Da=621.1 m/s2。

(3) 沖擊力

根據式(1)計算得到：F=M×Da=4 704 kN。

(4) 鉸制螺栓數量

取[σs]為最小屈服極限σs=1 100 N/mm2，由式(5)計算得到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，鉸制螺栓最細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，每個鉸制螺栓截面積為S=1 963.44 mm2，3個該規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 計算結果

從以上分析可見，該船1號和2號中間軸承地腳螺栓的設置數量、規格已經足夠滿足沖擊要求，而平時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

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，靠外緣約1/2～3/4周長的部分區域較光滑，并呈月牙狀內切，占斷口面積約30%，其余約70%的部分區域為無定型粗糙表面，呈明顯顆粒狀。如圖4所示，圈線區域為較光滑區域。

圖4 斷裂螺栓斷口

對斷口形態進行分析，可以得到以下結論：

(1) 斷口有明顯疲勞區，但與典型疲勞斷裂斷口相比，疲勞區比例明顯偏少。

(2) 除疲勞區外的其他區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，表明材質較為疏松。

4 斷裂原因分析

《輪機工程手冊(上)》第3卷第1篇第2章鋼鐵材料的熱處理及表面強化，3.4冷處理描述[3]：冷處理使零件的淬火應力繼續增加，故在冷處理后當零件恢復到室溫時應立即回火，否則，可能會使零件中殘余的淬火應力繼續增加，在受熱、應力等因素影響下，會發生轉變，引起表面硬度及疲勞性的轉變。

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變，繼而引發細微裂紋，在使用中交變應力的作用下，使螺栓發生疲勞性開裂，最終導致斷裂。分析與斷口形態吻合，所以這是螺栓斷裂的原因之一。

根據以上檢查情況，該船中間軸承地腳安裝用鉸制螺栓材質符合圖紙要求，但其毛坯利用圓鋼加工而成，未經鍛打處理，由于斷口分析時發現材質有疏松現象，所以這是螺栓斷裂的第二個原因。

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

綜合以上原因分析，認為斷裂是由綜合性因素引起的，其過程可判斷如下：安裝時采用冷凍處理后，零件中殘余的淬火應力增加，在進入使用狀態后，受力、受熱導致螺栓表面硬度及疲勞性轉變，引起螺紋等應力集中的薄弱位置產生細微裂紋；擰緊時可能超過規定擰緊力矩，進一步加深了裂紋。隨著使用時間的延長，疲勞性裂紋進一步擴大，直至因材質疏松，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致斷裂問題。

5 優化措施

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

5.1 制造工藝優化

(1) 增加高強度螺栓應使用鍛件毛坯進行制造的規定，以改變鑄鋼件可能存在的材質疏松情況。

(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，在鉸制螺栓進行粗加工后，在加工螺紋前進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”質量等級要求執行。磁粉探傷參照《柴油機零件磁粉探傷質量要求：CB 973-1981》中“連桿螺栓磁粉探傷質量要求”的要求執行。

5.2 安裝工藝優化

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

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

6 結 論

該船中間軸承地腳安裝用鉸制螺栓斷裂故障發生在2013年。按上述優化措施改進后，在后續建造的同系列船上實施，最長使用年限已經達到4年。按軸系每年運行時間3 500 h、平均轉速約168 r/min進行計算，僅按照軸頻計算時，其受交變力次數已經多于14.112×107，大幅超過疲勞極限。經對實施對象進行跟蹤，未發現故障重現。因此，對鉸制螺栓斷裂的故障原因分析確切，采取的優化措施合理有效。