Приложение G (справочное). Предварительное нагружение болтов

Приложение G
(справочное)

Предварительное нагружение болтов

G.1 Методы предварительного нагружения болтов

G.1.1 Общие положения

При свинчивании болтового соединения должно быть обеспечено достижение требуемого значения предварительного натяжения. Используемые в процессе свинчивания инструменты должны быть откалиброваны в соответствии с требованиями признанного стандарта. Калибровку следует проводить для всей системы предварительного натяжения, включая инструмент и измерительные устройства. Предварительное натяжение болтового соединения должен выполнять квалифицированный персонал.

Предварительное натяжение болтового соединения может быть обеспечено несколькими методами: использование гидравлических устройств для предварительного растяжения (удлинения) болта, использование динамометрического ключа и затяжка с контролируемым углом поворота гайки. Ниже приведено краткое описание указанных методов. Определение фактического предварительного натяжения болтокомплекта является сложной задачей, поэтому все методы предварительного натяжения имеют определенную погрешность.

G.1.2 Вытягивание болта с помощью растягивающего устройства

При использовании данного метода предварительное натяжение болтового соединения достигается за счет приложения к болту осевой нагрузки и навинчивания перед снятием нагрузки гайки до упора без использования затягивающего инструмента. Как правило, гидравлические устройства, используемые для растягивания болтов, представляют собой модифицированные гидравлические домкраты. При возможности обеспечения ровного и жесткого упора для домкратов и их соответствующей калибровки гидравлические растягивающие устройства позволяют обеспечить высокую точность предварительного натяжения болтов.

При снятии с болта осевой нагрузки от растягивающего устройства усилие от остаточного удлинения болта приводит к возникновению нагрузки на гайку, возникающие при этом локальные деформации на опорных поверхностях резьбы приводят к потере части стягивающей нагрузки. Это уменьшение стягивающей нагрузки следует учитывать в процессе натяжения (см. G.2.2).

G.1.3 Динамометрические ключи и моментные инструменты

При повороте гайки с помощью ключа в болте создается предварительная нагрузка, зависящая от шага резьбы болта. Большая часть приложенного крутящего момента используется на преодоление трения в резьбе и на опорной поверхности гайки. Трение зависит от свойства материала поверхности и используемой смазки (см. G.3).

G.1.4 Метод контролируемого угла поворота гайки

Метод контролируемого угла поворота гайки включает в себя приложение начального крутящего момента заданной величины и последующее измерение угла поворота гайки. Такие процедуры должен пройти процесс квалификации посредством проведения испытания. Эти процедуры могут быть как весьма простыми, так и достаточно сложными. Прикладываемый начальный крутящий момент формирует начальную затяжку гайки. При наиболее простом применении последующий поворот гайки обеспечивает достижение болтом своего предела текучести. Поскольку в процессе процедуры выполняют контроль деформации, то отсутствует риск чрезмерной деформации болта при превышении предела текучести. Тем не менее, болты, предварительно нагруженные до предела текучести, не допускается использовать повторно.

При реализации более сложных процедур максимальное эквивалентное напряжение болта может не достигать предела текучести. В этом случае допускается повторное использование болтов.

G.2 Предварительное натяжение болта

G.2.1 Общие положения

Предварительное нагружение должно учитывать необходимое усилие для герметичной посадки прокладки в условиях внешнего воздействия в процессе свинчивания и наличии погрешности при формировании предварительной нагрузки. Максимальная предварительная нагрузка с учетом погрешности и внешних воздействий не должна приводить к повреждению соединителя, прокладок и болтов (если применимо).

Все методы предварительного нагружения имеют определенную степень погрешности (см. G.3), которую следует учитывать.

Минимальную и максимальную предварительные нагрузки болта (натяжение) при свинчивании определяют по формулам:

;

(G.1)

,

(G.2)

где T _b,min - минимальная предварительная нагрузка болта (натяжение) при свинчивании, Н;

T _b,nom - номинальная предварительная нагрузка болта (натяжение) при свинчивании, Н;

Т _b,max - максимальная предварительная нагрузка болта (натяжение) при свинчивании, Н;

- разброс значений предварительной нагрузки при свинчивании (см. таблицу G.1);

 _b - потеря натяжения болта при использовании растягивающего устройства.

При заданном значении минимальной предварительной нагрузки T _b,min номинальное значение определяют по формуле

.

(G.3)

Соответствующую максимальную предварительную нагрузку болта, используемую при свинчивании, определяют по формуле

.

(G.4)

G.2.2 Растягивающее устройство

После снятия с болта нагрузки от гидравлического растягивающего устройства и нагружения гайки вследствие усилия от остаточного удлинения болта возникающая в резьбе деформация приводит к потере натяжения болта, которую для стандартных метрических резьб и резьб UN в случае контакта жестких пластин (торцевые фланцы) определяют (в среднем) по формуле

,

(G.5)

где d _b - номинальный наружный диаметр резьбы болта, м;

l _b - длина болтового крепления (расстояние между крайними витками в зацеплении), м.

Предварительное натяжение болтов при использовании растягивающего устройства должно удовлетворять условию

,

(G.6)

где А _b,r - площадь болта по впадине резьбы, м ²;

 _y - предел текучести, используемый в расчете, Па (см. 6.4.6).

Площадь болта по впадине резьбы А _br, мм ², для стандартных болтов с дюймовой резьбой с углом резьбы 60° определяют по формуле

,

(G.7)

где l _pitch - шаг резьбы, мм;

d _b - номинальный наружный диаметр резьбы болта, мм.

Для аналогичных метрических резьб площадь болта по впадине определяют по формуле (единицы измерения приводят в мм)

.

(G.8)

Примеры

1 Для резьбы 1 1/4" 8UN, т.е. содержащей восемь витков резьбы на дюйм, l _pitch = 25,4 мм/8 = 3,175 мм и диаметра болта d _b = 1,25 дюйма = 1,25 x 25,4 мм = 31,75 мм, площадь болта по впадине резьбы А _br = 599 мм ².

2 Для резьбы М30 x 3,5, диаметра болта 30 мм, шаза резьбы 3,5 мм, A _br = 519 мм ².

G.2.3 Моментный инструмент

Болт должен удовлетворять условиям при свинчивании в соответствии с выражением

,

(G.9)

где

;

(G.10)

;

(G.11)

;

(G.12)

,

(G.13)

где М _b,max - максимальный крутящий момент при свинчивании, Н·м;

М _b,nom - номинальный крутящий момент при свинчивании, Н·м;

 _t - разброс значений прикладываемого крутящего момента при свинчивании, как правило, равен 0,03 для калиброванного моментного инструмента;

d _n - эффективный диаметр контакта опорной поверхности гайки, м;

d _nf - размер "под ключ" гайки между параллельными гранями, м;

l _pitch - шаг резьбы, м;

 _t - коэффициент трения между гайкой и резьбой болта;

d _t - средний диаметр резьбы, м;

 _thr - половина угла профиля резьбы, равная 30° для UN резьб;

 _n - коэффициент трения между гайкой и опорной поверхностью;

d _b - номинальный наружный диаметр резьбы болта, м;

d _bh - диаметр отверстия под болт, м.

Изготовитель должен отразить в документации значения рекомендуемого крутящего момента и натяжения для конкретного соединения и применяемого инструмента. Инструмент для свинчивания болтов и растягивающее устройство должны быть откалиброваны для обеспечения необходимой точности предварительного натяжения болта и/или крутящего момента.

Предварительное натяжение болтов должно исключать разделение или смещение соединенных фланцев и/или раскрытие зажимов под действием нагрузки. Предварительное натяжение болтов следует выбирать таким образом, чтобы сопротивление трению, создаваемое контактным давлением от предварительного нагружения, исключало проскальзывание соединенных поверхностей.

Для минимизации циклических напряжений в болтах от воздействия внешних циклических нагрузок нагруженную (зажимную) длину участка болта и площадь поперечного сечения следует выбирать таким образом, чтобы обеспечить максимальную гибкость болта в пределах ограничений конструкции (т.е. максимально увеличить отношение зажимной длины болта к его диаметру).

Затягивание или предварительное натяжение болтокомплекта, подверженного осевой нагрузке, существенно увеличивает сопротивление усталости. Более высокие сжимающие усилия увеличивают жесткость соединения и уменьшают размах напряжений в болте. Кроме того, вероятность усталостного разрушения болтов возрастает, если при сборке используют мягкие прокладки, воспринимающие внешнюю нагрузку, или болты не отцентрированы и не затянуты должным образом. Сопротивление усталости болтов, подверженных действию осевой нагрузки, как правило, нечувствительно к среднему напряжению.

Для оценки циклических напряжений болтов под воздействием давления и внешних нагрузок может быть использован анализ МКЭ. При проведении анализа значение предварительного натяжения болтов следует принимать минимальным.

G.2.4 Рабочая длина резьбового соединения

В свинченном состоянии резьба болта должна выступать за гайку как минимум на один-два витка резьбы.

Если для соединения используют отверстия с внутренней резьбой, то должна быть обеспечена полная высота профиля и чистота поверхности для всех витков резьбы, а рабочая длина резьбового соединения не должна быть меньше значения, определяемого по формуле

,

(G.14)

где l _se - рабочая длина резьбового соединения, м;

d _b - номинальный наружный диаметр резьбы болта, м;

R _t0,5/T,stud - заданное минимальное значение предела текучести для 0,5 % относительного удлинения наружной резьбы при заданной температуре, Па;

R _{t0,5/T,tapped} - заданное минимальное значение предела текучести материала внутренней резьбы для 0,5 % относительного удлинения при заданной температуре, Па.

Не рекомендуется, чтобы максимальная рабочая длина резьбового соединения превышала значение, определяемое как 1,5·d _b.

G.2.5 Сборка фланцевых соединений

Перед сборкой соединения монтажник должен убедиться в отсутствии повреждений у собираемых элементов и в должной чистоте поверхностей фланцев, болтов и уплотнений. На поверхность резьбы болтов и гаек должна быть нанесена смазка в соответствии с техническими условиями.

Фланцы необходимо устанавливать ровно по контуру и под прямым углом без усилия, чтобы сопрягаемые поверхности равномерно прилегали к уплотнительному кольцу, после чего затянуть с равномерным натяжением болтов до значения, заданного для данного соединения. Для предупреждения неравномерного нагружения следует одновременно использовать несколько инструментов, например, четыре или восемь инструментов.

Для обеспечения правильной установки болтов и уплотнительного кольца сопрягаемые фланцы следует выравнивать.

G.3 Разброс значений предварительной нагрузки для различных методов свинчивания болтов

Все методы свинчивания болтов с приложением крутящего момента или натяжения имеют определенную погрешность. В таблице G.1 даны значения для болтов.

Таблица G.1 - Характерные значения для болтов

Метод закручивания (затягивания) болтов. Метод измерения	Факторы, влияющие на разброс	Разброс значений
Гаечный ключ: с регулируемым или нерегулируемым крутящим моментом	Трение, жесткость, квалификация монтажника	0,5
Ручной пневматический гайковерт	Трение, жесткость, калибровка	0,4
Динамометрический ключ, эквивалентный гаечному ключу, но позволяющий осуществлять измерение крутящего момента	Трение, жесткость, калибровка	0,3
Гидравлическое растягивающее устройство. Измерение гидравлического давления	Жесткость, длина болта, калибровка	0,2
Гаечный ключ или гидравлическое растягивающее устройство. Измерение удлинения болта	Жесткость, длина болта, калибровка	0,15
Гаечный ключ. Контроль угла поворота гайки (почти до предела текучести болта)	Жесткость, длина болта, калибровка	0,10
Гаечный ключ. Измерение крутящего момента и контроль угла поворота гайки (почти до предела текучести болта)	Калибровка	0,07

Опытные монтажники могут обеспечить значение разброса меньшее, чем приведенные в таблице G.1 значения (например, = 0,2 вместо = 0,3 при использовании динамометрического ключа). У неопытных монтажников разброс может превышать указанные значения.

Для гладких поверхностей с нанесенной смазкой на основе дисульфида молибдена (MoS ₂) и для горячеоцинкованных крепежных деталей, соответствующих классу В7 по [31] или классу L7 по [35], в качестве типового значения коэффициента трения между болтом и гайкой и между гайкой и фланцем могут быть приняты значения от 0,10 до 0,13.

Ниже приведены некоторые факторы, влияющие на соотношение между приложенным крутящим моментом и напряжением в болте:

- шаг, средний диаметр и форма резьбы;

- метод обработки поверхности резьбы и опорной поверхности гайки;

- степень параллельности опорной поверхности гайки и поверхности фланца;

- материал поверхности гайки/болта/опорной поверхности гайки;

- тип смазки резьбы и опорной поверхности гайки.

Факторами, влияющими на предварительное натяжение болта при использовании растягивающего устройства, являются:

a) потеря натяжения при использовании растягивающего устройства;

b) степень параллельности корпуса растягивающего устройства и оси болта.