趙智壘 葛勝利 李星耀 王自強 楊中桂

摘 要：緊固件領域圓弧螺紋連接副產品標準T/CI 150—2023《高強度栓接結構圓弧螺紋連接副》于2023年9月28日正式發布與實施，規定了高強度栓接結構圓弧螺紋連接副的型式、尺寸、技術要求、試驗方法、檢驗規則等內容，為高強度栓接結構圓弧螺紋連接副的設計、制造及檢驗提供依據。本文介紹了該團體標準的編制背景、標準的主要內容和編制依據，并指出了實施該標準的意義及效果，旨在促使相關方更好地理解該標準內容及使用該標準，并推動該標準廣泛應用。

關鍵詞：緊固件，圓弧螺紋，連接副，高強度，團體標準

DOI編碼：10.3969/j.issn.1002-5944.2024.07.024

0 引 言

螺紋連接是一種常見的機械連接方式，具有結構簡單、連接可靠、裝拆方便等優點[1]。作為基礎零部件重要成員，螺紋緊固件在各行各業中扮演著關鍵的連接作用。我國緊固件產業經過多年的發展，已完成了由小到大的轉變，產量居世界第一。我國是名副其實的生產大國和出口大國。我國緊固件產業穩步發展，總體市場規模從2017年的795億元達到2020年的1165億元。2023年，我國緊固件的總體市場規模約1450億元。預計2027年，我國緊固件的總體市場規模將超過1700億元，全球市場規模逼近千億美元。

螺紋按其截面形狀（牙型）分為可分為普通螺紋、梯形螺紋、MJ螺紋等，均有比較健全的標準體系。目前，國內常見的高強度栓接結構連接副多采用普通螺紋。GB/T 33943—2017《鋼結構用高強度錨栓連接副》和GB/T 33628—2017《風力發電機組 高強螺紋連接副安裝技術要求》中M20～M64鋼結構用高強度錨固錨栓連接副、風力發電機組M6～M6 4螺紋連接副全部采用一般用途普通米制螺紋，即三角螺紋。現有米制螺紋結構按GB/ T192—2003《普通螺紋 基本牙型》的要求執行，錨栓與螺母、螺栓與螺母之間的連接不夠平滑，容易產生應力集中現象，在一些高頻往復動態載荷作用下極易發生疲勞斷裂或松動[2-3]。米制螺紋配合的精度通常為6 g/6 H，大規格米制螺紋的加工通常采用滾壓或車削加工，對材料的尺寸公差要求較高，導致材料利用率低，加工難度大。而且螺紋一旦出現磕碰，將影響正常螺紋連接副的扭矩系數和正常安裝使用[3]。

針對普通米制螺紋連接副應力集中明顯、疲勞性能差和加工難度大等問題，圓弧螺紋應運而生。圓弧螺紋又稱圓螺紋（knuckle thread，Rd），其牙型角為30°或60°等、螺紋頂部或螺紋底是圓弧狀的螺紋結構。圓弧螺紋具有以下顯著優點[4-5]：①降低應力集中，提高防松和疲勞性能；②提高材料利用率，降低生產加工難度；③適應性強，提高裝配效率。圓弧螺紋與米制螺紋結構見圖1。

緊固件用圓弧螺紋常用的國際參考標準是DIN405-1（描述的是基本尺寸與牙型）、DIN 405-2（描述的是公差與配合）及DIN 405-3（描述的是外螺紋和內螺紋量規、量規類型、螺紋牙型）。目前，國內與高強度栓接結構圓弧螺紋連接副的相關標準很少，僅有NB/T 10214—2019《風力發電機組用錨桿組件》以及JB/T 14217—2021《普通圓弧螺紋絲錐》。NB/T 10214—2019僅規定了圓弧螺紋錨桿/螺母規格及性能，同時資料性附錄給出了圓弧螺紋錨桿（8.8級與10.9級）外螺紋結構及圓弧螺紋螺母（8級與10級）內螺紋結構（牙型）。JB/T 14217—2021規定了普通圓弧螺紋絲錐的型式和尺寸、螺紋公差、技術要求、標志和包裝的基本要求，適用于加工普通圓弧內螺紋，螺紋代號為Rd8～Rd65，螺紋中徑精度為7 H、8 H，螺紋小徑精度為6 H、7 H四種公差帶的普通圓弧螺紋絲錐，并未給出圓弧螺紋連接副的結構型式及性能指標等內容。

標準的匱乏，在很大程度上導致高強度栓接結構圓弧螺紋連接副應用受到限制，影響行業健康發展。因此，必須編制高強度栓接結構圓弧螺紋連接副相關標準，系統規范高強度栓接結構圓弧螺紋連接副的設計、制造、驗收、交付等行為，以彌補現階段國內緊固件領域圓弧螺紋技術空白及標準空白，為行業內相關方提供標準化參考依據，進一步促進緊固件行業的發展。

基于以上背景，中船海為高科技有限公司于2023年申請立項并承擔了《高強度栓接結構圓弧螺紋連接副》團體標準制定任務，組織國內相關科研院所、高等院校、生產企業、應用單位及檢測機構等組成標準起草工作組，嚴格按照協會標準管理辦法及制定程序等，自主研制緊固件領域首個圓弧螺紋團體標準，滿足行業內對高強度圓弧螺紋連接副技術需求及產品標準需求，促進圓弧螺紋連接副的推廣應用，推動行業高質量發展。

1 標準內容解讀

1.1 標準適用范圍

標準規定了高強度栓接結構圓弧螺紋連接副的型式，尺寸，技術要求，試驗方法，檢驗規則，標記、標志、包裝、運輸、貯存及質量保證書，適用于高強度栓接結構圓弧螺紋連接副的設計、制造及檢驗。高強度栓接結構圓弧螺紋連接副是標準化對象，螺紋形式為圓弧螺紋，螺栓的外螺紋牙型及螺母的內螺紋牙型均為圓弧螺紋，墊圈型式、連接副技術要求及試驗方法基本不限定螺紋型式，也可用于指導普通螺紋、梯形螺紋等高強度連接副。相同規格下，標準規定的圓弧螺紋結構尺寸均可替代三角螺紋、梯形螺紋等。

1.2 術語和定義

相比于普通螺紋、梯形螺紋等螺紋形式，圓弧螺紋較少見，目前尚無國家標準及行業標準對圓弧螺紋進行定義，僅僅在DIN 405及JB/T 14217—2021中出現圓弧螺紋的譯名，均譯作knuckle threads，一些論文中譯作arc screw thread或round thread[3-5]，DIN 405-1中使用Rd代表圓弧螺紋，規定的圓弧螺紋牙型角為30°。標準將牙型角的范圍拓寬，包括30°或60°等，同時對圓弧螺紋給出明確定義。圓弧螺紋是牙型角為30°或60°等，螺紋頂部或螺紋底是圓弧狀的螺紋結構。標準中規定的其他“螺紋”相關定義來源GB/T 14791—2013《螺紋 術語》，其他術語定義與現有標準保持一致。

1.3 型式

高強度栓接結構圓弧螺紋連接副包括多種型式，主要有六角頭螺栓連接副、內六角頭螺栓連接副及雙頭螺柱連接副等，典型產品包括風力發電機組用高強度錨桿（錨栓）組件、風電葉片螺栓組件、風電塔筒螺栓、制氫裝置用拉緊螺桿組件、特種裝備用特種栓接組件等。理論上，普通螺紋、梯形螺紋等螺紋適用的場景，圓弧螺紋均適用。特別地，因圓弧螺紋結構特點，圓弧螺紋較適用于大規格連接副（如公稱直徑大于等于30 mm）。常見的風電高強度圓弧螺紋栓接連接副見圖2。

1.4 尺寸

1.4.1 圓弧螺紋牙型

圓弧螺紋外螺紋依次由上牙頂圓弧、直線段、下牙底圓弧、直線段依次連接組成。上牙頂圓弧的半徑和下牙底圓弧的半徑宜相等，螺紋牙型的直線段應分別與上牙頂圓弧、下牙底圓弧相切。圓弧螺紋內螺紋依次由上半圓弧、切向直線段、牙頂依次連接組成，牙頂為平面，切向直線段與上半圓弧相切。一般地，內螺紋螺距為固定值（6.35 mm、8.5 mm等），其數值與外螺紋螺距相等。為改善螺紋受力狀態，內、外螺紋螺距也可不相等，內螺紋螺距也可為變化的不等值（非等螺距）。根據理論研究、設計分析、仿真分析及試驗驗證，選定6.35 mm、8.5 mm為較常用螺距，與現有普通螺紋螺距及梯形螺紋螺距存在明顯的差異。

圓弧螺紋內螺紋及外螺紋牙型結構見圖3，牙型參數見T/CI 150—2023中附錄A。以公稱直徑為42 mm，圓弧螺紋、普通螺紋及梯形螺紋的外螺紋及內螺紋牙型參數對比見表1。

1.4.2 螺栓、螺母及墊圈的型式與規格

標準給出了螺距為6.35 mm及8.5 mm兩種螺距、公稱直徑30 mm至64 mm的典型螺栓、六角螺母及六角薄螺母的規格尺寸，也可設計其他螺距規格的產品，圓弧螺紋牙型還適用于公稱直徑小于30mm、公稱直徑大于64 mm等尺寸的螺栓或螺母。

標準給出了普通平墊圈、I型倒角墊圈、II型倒角墊圈、雙疊自鎖防松墊圈共四種型式的墊圈以供選用。其中，普通平墊圈、I型倒角墊圈規格尺寸分別按GB/T 97.1—2002《平墊圈 A級》、GB/T 97.2—2002《平墊圈 倒角型 A級》的規定進行。

1.5 技術要求

標準對高強度栓接結構圓弧螺紋連接副的尺寸與公差、性能等級組合、材料、外觀、表面處理、機械性能、扭矩系數、無損檢測、疲勞性能、防松性能及防腐性能均作出明確的要求，以確保滿足標準要求的圓弧螺紋連接副具有良好的綜合性能。

1.5.1 性能等級組合

目前，國外優勢企業的緊固件最高強度級達到了17.8級。2021年，我國學者基于鋼鐵材料高性能化理論，形成了16.8級和19.8級緊固件制造技術。但上述超高強度緊固件僅處于實驗室階段且只是小規格產品（規格僅為MJ8×1×50），未形成批量應用，因此標準中螺栓性能等級僅涉及常見的、已成熟的8.8級、10.9級及12.9級。螺栓、螺母及墊圈的性能等級組合應滿足表2的規定。較高性能等級的螺母和墊圈可替代低性能等級的螺母和墊圈。

1.5.2 表面處理

栓接連接件防腐的方法很多，分為以下幾類[6]：①選用耐腐蝕金屬材料與合理設計金屬的結構及工藝；②電化學保護；③涂層保護；④改變環境使其腐蝕性減弱。常用螺栓防腐涂層有表面化學轉化膜、電沉積鍍層、滲鋅層、有機涂層，防腐性能較好的有鋅鉻涂層、鋅鋁涂層以及新研的國產鋅鎂鋁涂層等，此外還有氟聚合物涂層、熱噴涂聚脲彈性體、礦脂包覆涂層等新型防腐技術。

根據GB/T 5267.2—2021，表面處理前的預處理應采用機械清理替代酸洗，以避免產生新生態氫、帶來氫脆傾向。當功能特性不適用于機械清理時（如緊固件組合件、內螺紋緊固件、涂油緊固件），可采用化學清洗（酸洗），應采用帶有適當緩蝕劑的酸和最短的清洗周期以使內部氫脆風險最小化；也可采用超聲波清洗。涂層工藝不應對連接副機械和物理性能產生有害的影響。涂層固化溫度不應高于經淬火和回火處理的連接副的回火溫度。固化過程（尤其是溫度更高和/或持續時間更長）可能影響熱處理后滾壓螺紋連接副的疲勞極限。對疲勞性能有特殊要求時，涂層工藝的固化溫度宜為180～220℃，也可采用室溫固化工藝。

1.5.3 機械性能

螺栓試件的機械性能、螺栓硬度、螺栓的脫碳層等要求均與GB/T 3098.1—2010《緊固件機械性能 螺栓、螺釘和螺柱》保持一致。因圓弧螺紋連接副公稱應力截面積與米制螺栓有差異，因此螺栓實物楔負載試驗拉力載荷、六角螺母（不包括六角薄螺母）的保證載荷應重新界定。螺紋公稱應力截面積（A s）按照式（1）計算。

式中：

As——螺紋公稱應力截面積，mm2；

d2——外螺紋基本中徑，mm；

d3——外螺紋小徑，mm。

1.5.4 扭矩系數

連接副應按保證扭矩系數供貨，同批連接副的扭矩系數平均值應為0.10 0～0.150，變異系數（V k）小于等于0.077，變異系數（V k）按式（2）計算。標準中關于扭矩系數的規定與GB/ T 1231（送審稿）保持一致。目前歐盟ENISO 14399系列標準對扭矩系數離散性方面的規定采用的也是變異系數。目前國內常見標準均采用扭矩系數平均值及標準偏差值作為扭矩系數的評判指標。同樣的標準偏差最大值，當標準值小時離散度大，當標準值大時離散度小。變異系數是原始數據標準偏差與原始數據平均值的比，它是一種相對變異性的度量，一個無量綱數，可用來比較平均值不同的群體的離散性，采用變異系數后離散度與平均值無關，變異系數取標準偏差最大值0.0100與平均值0.130的比。根據GB/T 1231編制組調研，扭矩系數規定具有良好的行業適用性。

式中：

Vk ——變異系數；

σ——扭矩系數標準偏差；

K——扭矩系數的平均值。

1.5.5 疲勞性能

連接副應在指定循環載荷下進行疲勞性能試驗，疲勞性能依據實際需求分為三級：1級要求在（40 0±80）MPa的循環應力范圍下，經受20 0萬次循環載荷后螺栓與螺母不發生破壞；2級要求在（40 0±60）MPa的循環應力范圍下，經受20 0萬次循環載荷后螺栓與螺母不發生破壞；3級要求在（400±42.5）MPa的循環應力范圍下，經受200萬次循環載荷后螺栓與螺母不發生破壞。應力截面積取螺紋或光桿部位最小應力截面積。

1.5.6 防松性能

圓弧螺紋連接副的防松性能通過以下幾點實現：①圓弧螺紋結構參數有助于連接副防松效果的實現，尤其是基于強化摩擦技術的防松圓弧螺紋；②雙疊自鎖防松墊圈等配套件。若采用客戶有特殊防松性能需求或雙疊自鎖防松墊圈時，可根據客戶要求進行殘余軸力衰減或臨界橫向力防松性能試驗。螺栓、六角螺母和墊圈的連接副在特定振動次數后，殘余軸力與初始軸力之比應不低于需方要求，其最低防松性能要求為振動1500次后殘余軸力與初始軸力之比應不低于50 %。

1.6 試驗方法

與標準中“技術要求”一一對應，“試驗方法”一章給出了高強度栓接結構圓弧螺紋連接副的尺寸與公差、材料、外觀、表面處理、螺栓機械性能、螺母機械性能、墊圈硬度、扭矩系數、無損檢測、疲勞性能、防松性能及防腐性能明確的試驗方法。

連接副的扭矩系數試驗應在軸力計上進行，每一連接副只能試驗一次，不應重復使用。連接副應分屬同批制造，應明確潤滑劑的名稱及涂抹方式。組裝連接副時，螺母下的墊圈有倒角的一側應朝向螺母支承面。試驗時，墊圈不應發生轉動，否則試驗無效。進行連接副扭矩系數試驗時，應記錄環境溫度。試驗所用的機具、儀表及連接副均應放置在該環境內至少2 h。

連接副防松性能檢驗按照GB/T 10431—2008中規定進行，在不同防松方式規定的試驗緊固軸力及潤滑條件下，對連接副進行頻率為12.5 Hz、振動次數為1500次的橫向振動試驗，記錄連接副殘余軸力與初始軸力之比或臨界橫向振動力。

1.7 檢驗規則

標準規定連接副檢驗分型式試驗和出廠檢驗，并給出了型式試驗與出廠試驗的試驗對象、檢驗項目、檢驗數量及判定規則，便于連接副的檢驗。

1.8 標記、標志、包裝、運輸、貯存及質量保證書

標準規定了連接副的標記方法，并給出了標記示例。同時對標志、包裝、運輸、貯存及質量保證書給出了明確要求，便于連接副的生產制造及交付。

2 標準實施的意義及效果

2.1 實施意義

標準聚焦高強度栓接結構圓弧螺紋連接副的結構設計、技術要求、試驗檢測及檢驗驗收，預期實施意義顯著，主要體現在以下幾點：

（1）解決了高強度栓接結構圓弧螺紋連接副設計難、制造難、檢驗難等行業痛點，確保高強度栓接結構圓弧螺紋連接副性能穩定且運行安全可靠，為行業內相關用戶提供標準化參考依據，可用于指導行業內風力發電機組用高強度錨桿（錨栓）組件、風電葉片螺栓組件、風電塔筒螺栓、制氫裝置用拉緊螺桿組件、特種裝備用特種栓接組件等高強度連接副的設計、制造與檢驗，引導整個高強度連接副產業健康有序發展，完善緊固件標準體系，促進緊固件行業高質量發展，并引導上下游企業發展，滿足風力發電機組、大功率制氫系統、特種裝備等大型裝備發展需求，社會效益及經濟效益顯著。

（2）填補行業技術空白及標準空白，技術先進，支撐國家“雙碳”目標、制造強國等戰略部署實施，促進我國新能源行業快速發展、改善我國能源結構，助力我國戰略部署落地，可有力支撐風力發電、氫能等技術水平提升，并可推廣應用航空航天、軌道交通、礦井巷道、橋梁工程等領域，為進軍太空、深遠海等領域奠定基礎。

（3）助力于全球氣候治理及綠色發展，順應全球能源清潔化、低碳化發展潮流。同時加速國家能源轉型升級，壯大新能源產業，解決能源資源短缺，實現資源全面節約和循環利用，有利于推動智慧城市建設，創造良好宜居的城市環境，對建設生態文明和美麗中國有著重要的意義和良好的環境效益。

2.2 實施效果

標準對高強度栓接結構圓弧螺紋連接副的設計、制造及檢驗等行為進行系統規范，于2023年9月28日實施。眾多應用證明表明，標準已成功用于指導生產制造企業進行錨桿組件、葉片螺栓組件等連接副的結構設計、加工制造、熱處理、性能檢驗及銷售，已用作第三方檢測機構進行錨桿組件參數檢驗的標準，亦是國內知名主機廠錨桿組件、葉片螺栓等連接副的采購規范，為相關行業內相關方創造了新的利潤增長點，實施效果良好，得到眾多相關方一致好評。

3 結 論

該標準是國內緊固件領域首個圓弧螺紋連接副產品標準，規定了高強度栓接結構圓弧螺紋連接副的型式、尺寸、技術要求、試驗方法、檢驗規則等內容，旨在為高強度栓接結構圓弧螺紋連接副的設計、制造及檢驗提供依據。該標準的發布和實施將為生產制造企業、應用單位、第三方檢測機構及認證機構等行業內相關方提供結構設計、加工制造、熱處理、性能檢驗、銷售、采購、檢測、認證等活動提供依據。

該標準取得了一定的應用效果。下一步，我們將積極推動標準的推廣應用，促進緊固件、風電、氫能等行業高質量發展。并且，持續開展高強度栓接結構圓弧螺紋連接副研究，在實踐中收集應用案例，不斷對標準文本進行修訂和完善，更好地推動高強度栓接結構圓弧螺紋連接副的應用，助推優化緊固件標準體系，并助力國家戰略落地。

參考文獻

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作者簡介

趙智壘，碩士，助理工程師，研究方向為機械設計及標準化管理。

葛勝利，碩士，高級工程師，研究方向為科技創新管理。

李星耀，本科，助理工程師，研究方向為機械設計與制造。

王自強，碩士，工程師，研究方向為機械設計與仿真分析。

楊中桂，通信作者，碩士，研究員，研究方向為機械設計與制造。

（責任編輯：張瑞洋）