摘要：不锈钢紧固件因其材料特殊性，在安装过程容易出现咬死现象，一旦出现后拆卸困难，能够在不损伤螺纹孔而将螺栓拆下的可能性微乎其微，在我厂制造的某核2级换热器中，就出现了不锈钢紧固件咬死的现象，最终使得所有螺纹孔均返修扩孔，为防止类似问题再发生，本研究对螺栓咬死的原因进行分析，并用试验加以验证，找到最终原因，并对螺纹孔扩孔后的手孔座进行分析，给出了扩孔的建议，最终得到设计院认可，为后续类似问题提供参考。
关键词：不锈钢紧固件；螺栓；螺母；螺纹孔；咬死；原因；扩孔；有限元
0引言
不锈钢螺栓螺母、法兰座等在装配过程中很容易出现螺纹咬死问题[1-3]，使得螺栓、螺母不能拆卸。
某核电用热交换器，管侧安全等级为2级，规范等级为RCC-M 2级，质保1级。设备水压试验后，设备螺栓不能拆卸，部分手孔座螺栓孔损坏。其中，出口水室，手孔共计12个孔，共有7个孔受损；入口水室，共有6个孔受损。
为方便后续运行维护，拟将所有螺纹孔扩孔[4-5]。
1 原因分析
1.1 紧固件螺纹损坏现象及可能原因
手孔座材料为022Cr19Ni10，螺柱材料为05Cr17Ni4Cu4Nb，螺母材料为12Cr13，弹簧垫圈材料为65Mn，在施加预紧力矩后不能有效密封，且不锈钢螺柱、螺母、手孔座螺纹发生咬死现象，初步分析发生此现象可能的原因如下[6-10]：
1）未使用润滑剂；2）力矩倍增器失效或损坏；3）力矩扳手；4）力矩过大；5）弹簧垫圈；6）螺柱螺母材料等。
1.2 试验验证准备
根据上述可能的原因，对可能发生咬死现象的原因进行相关对比试验验证，试验工具及试件如下：
试验工具：力矩倍增器1（15.5倍），力矩倍增器2（25.4倍），力矩扳手1（与力矩倍增器1配对使用），力矩扳手2（与力矩倍增器2配对使用）。
试件：1）为使得验证更具有说服性，从设备拆卸下的螺柱中挑出一端螺纹无损伤的几根螺柱（一端损伤一端完好的螺柱已不能用于该产品）和螺纹完好的螺母（端面有损伤），并进行了随机试装配，无问题后备用。
2）准备了规格为M36，材料为8.8级的螺栓和8级螺母作为试件。
3）准备了若干材料为65Mn的弹簧垫圈及材料为S30408棒材加工的平垫圈。
1.3 试验验证过程
第1组：使用8.8级螺栓和8级螺母进行试验（无润滑剂），配合使用弹簧垫圈（共3个，随机挑选），经过试验验证，均能在较小的力矩下（约200N*m）使得弹簧垫圈压平，并将力矩上紧至650N*m，并能顺利拆除，拆除时力矩比拧紧要大，力矩约为1000~1500N*m。拆卸后，该螺母与弹簧垫圈接触位置有划伤。
该试验基本排除了8.8级螺栓和8级螺母使用弹簧垫圈会产生咬死现象的问题，也从侧面说明弹簧垫圈质量无问题。
第2组，使用本设备不锈钢螺柱、螺母和弹簧垫圈试验，并使用润滑剂（WD-40），喷涂螺柱和螺母，选取不同的弹簧垫片进行试验，未产生咬死现象（图1~图2），试验进行了3组650N*m的试验和2组1000N*m的超载试验，试验均能上紧和拆卸。
该试验证明了弹簧垫圈使用在该结构上是可行的。
图1产品用螺栓、螺母预紧后图片 图2 螺母拆卸后划伤图片
第3组，取2根不锈钢螺柱和螺母，未喷涂润滑剂（WD-40），设定力矩为500 N*m：上紧时所需力矩大于喷涂润滑剂的螺柱：第1根螺柱未拧紧，第2根拧紧，故用不同力矩扳手和倍增器再预紧，均得到同样结果，随后增加到650 N*m后，均拧紧（弹簧垫圈压平），但拆卸均未成功，因拆卸时螺柱所受弯矩较大，所以将螺柱中间位置焊接在平台上，以减少螺柱所受弯矩，但最终还是未拆卸成功，拆卸时力矩估算大于3000N*m。
第4组，未喷涂润滑剂，未安装弹簧垫圈，产品水压试验时，未发生问题，已用产品水压试验验证，因此未再进行试验，产品水压试验拆卸图略。
1.4 原因分析及总结
1）在有润滑剂的前提下，不锈钢螺柱、螺母在使用弹簧垫圈的条件下能满足预紧力、预紧力矩及拆卸要求，且在超载1000 N*m的前提下也无问题。
2）在无润滑剂的前提下，不锈钢螺柱、螺母在使用弹簧垫圈的条件下，所做的两组试验均出现螺纹咬死无法拆卸的现象；若不使用弹簧垫圈时，能满足预紧力、预紧力矩及拆卸的要求。
3）在无润滑剂的前提下，低合金钢螺柱、螺母在使用弹簧垫圈的条件下能满足预紧力、预紧力矩及拆卸要求。
综上所述，润滑剂在本设备所用螺柱、螺母及弹簧垫圈安装时是必要的，在后续该类型紧固件装配中，应使用润滑剂，以防止螺柱、螺母螺纹咬死。
2 返修方案计算
因该设备不涉及疲劳工况，且无热和压力相关瞬态，所以以工作工况、设计工况、试验工况、超压工况为例子，对于原设计（螺纹孔为M36×3）和拟返修后结构（M42×3）进行对比，以实际应力水平说明返修后结构与原结构应力水平情况。
2.1有限元模型简化
本次计算采用Workbench，采用实体单元进行计算，为降低计算量，进行轴对称分析。模型包括管箱筒体-手孔座-螺栓（无螺纹）-螺母（无螺纹）-手孔盖，未建立垫片结构。因只对比趋势性，且管箱筒体、手孔座、手孔盖等均为同种材料，为便于计算，上述所有零件材料属性选取不锈钢材料。
螺栓螺母：因螺栓螺母螺纹结构属于标准结构，且设备不需要考虑疲劳工况，螺纹仅仅建立光杆，不需要疲劳系数进行修正。
石墨垫片：因本次计算不考虑密封性能，不考虑法兰的张开量及挠度等，本次计算模型省略垫片，法兰和法兰盖直接接触。
2.2 加载及约束
加载分两步，step1:施加螺栓预紧力75231N，该数值是以螺栓预计力矩650N*m，以摩擦系数0.2反计算而得，计算过程忽略，预紧力加载完成后锁定。Step2:施加水压试验内压8.88MPa。
边界条件：对称面施加对称约束，并对筒体另一侧施加等效轴向力。
3.结论
1）通过咬死原因分析，在有弹簧垫圈的螺栓连接结构，无润滑剂是咬死的主要原因，且在标准RCC-M F7400中规定螺栓螺母应加以润滑，并给出了润滑剂的要求。
2）在非机械振动严重的压力容器设备上，建议不要使用弹簧垫圈，尤其是不锈钢紧固件压力容器，避免咬死问题的发生。
3）通过第2章趋势性分析，对原设计和返修结构分别从工作工况、设计工况、试验工况、超压工况下应力水平进行了对比，计算结果相近，且该设备为非疲劳容器，不需要考虑峰值应力影响。建议将手孔座中M36×3螺纹孔进行扩孔，并加工M42×3螺纹，并按附图重新制造手孔螺栓，该方案最终得到设计院认可。
参考文献：
[1]李文顶,孔鸣杰,江文达.不锈钢螺纹联接副损伤及咬死现象分析与解决措施[J].机电工程技术,2013,42(01):97-99.
[2]钱学宁,鄢家洪,高大伟,牛俊杰.不锈钢紧固件咬死现象的工艺分析及改善措施[J].机械工程师,2015(07):175-176.
[3]秦俭,王琨,刘海娜.不锈钢螺栓咬死问
作者简介：张渲楠（1983-09-06），男，汉族，籍贯：河北保定市，当前职务：设计开发部副室主任，当前职称：中级，学历：本科，研究方向：核电设计及压力容器设计
论文作者:张渲楠,李学鸥
论文发表刊物:《电力设备》2018年第12期
论文发表时间:2018/8/9
标签：螺母论文; 力矩论文; 垫圈论文; 螺栓论文; 螺纹论文; 弹簧论文; 咬死论文; 《电力设备》2018年第12期论文;