Полное руководство по креплению высокопрочных болтов: за пределами чисел крутящего момента

Полное руководство по высокопрочным болтовым соединениям: понимание основ

Высокопрочное болтовое соединение — важный процесс в современной стальной конструкции, но многие люди не полностью его понимают. Основная цель затяжки структурного болта — не достичь определенного значения крутящего момента, а создать правильное усилие зажима, называемое предварительным натяжением. Крутящий момент — это лишь косвенный способ достижения этого, и он часто ненадежен. В этом руководстве объясняются основные принципы, методы, важные факторы и процедуры проверки, необходимые для обеспечения структурной безопасности через правильное предварительное натяжение. Мы разберем науку, стоящую за предварительным натяжением, объясним стандартные методы крепления, рассмотрим распространенные неисправности и их причины, а также опишем шаги инспекции и контроля качества, необходимые для безопасных и долговечных болтовых соединений.

Понимание основ предварительного натяжения

Чтобы стать специалистом по высокопрочным болтам, нужно сосредоточиться на самом болте, а не только на гаечном ключе. Затянутый болт работает как аккуратно натянутая пружина, и понимание этой идеи — ключ к всему остальному.

Что такое предварительное натяжение?

Предварительное натяжение — это напряжение, создаваемое в болте при затяжке гайки. Это напряжение растягивает болт, и в ответ болт зажимает соединенные стальные детали с сильной, измеримой силой. Именно эта зажимающая сила и есть то, чего мы действительно стремимся достичь. Предварительное натяжение выполняет три основные функции:

• Оно создает огромное трение между слоями стального соединения, предотвращая скольжение соединения под боковыми нагрузками. Так работает slip-critical соединение.
• Оно удерживает соединенные детали в плотном, постоянном контакте, обеспечивая жесткость и предотвращая разъединение при воздействии растягивающих или рывковых сил.
• Оно значительно увеличивает срок службы болта при многократных нагрузках. Поддерживая высокое начальное натяжение, предварительное натяжение снижает внешние нагрузки на болт, предотвращая появление и развитие трещин.

Крутящий момент, натяжение и коэффициент K

Связь между приложенным к гайке крутящим моментом и возникающим в болте натяжением (предварительным натяжением) описывается формулой: T = K x D x P.

• T = Целевой крутящий момент
• K = Коэффициент гайки (также называемый коэффициент трения)
• D = Диаметр болта
• P = Целевое предварительное натяжение (натяжение болта)

Хотя эта формула кажется простой, она показывает, почему крутящий момент не является надежным способом измерения предварительного натяжения. Значение ‘K’, коэффициент гайки, не является постоянным. Оно отражает трение на поверхности контакта гайки со сталью и внутри резьбы болта и гайки. Важно отметить, что трение расходует большую часть энергии при затяжке. Исследования показывают, что около 85-90% приложенного крутящего момента идет на преодоление трения, а только 10-15% реально создают полезное натяжение болта.

Коэффициент K меняется в зависимости от множества факторов, включая тип и наличие смазки, поверхность деталей, классы материалов и состояние резьбы. Изменение любого из этих факторов влияет на коэффициент K, что означает, что один и тот же крутящий момент может давать очень разные значения предварительного натяжения. Поэтому методы, основанные только на стандартном значении крутящего момента, не допускаются для соединений с высоким натяжением в основных строительных нормах.

Важные факторы предварительного натяжения

Получение постоянной преднагрузки на крепежные элементы требует строгого контроля всех частей и условий сборки. Игнорирование этих переменных может сделать даже самую аккуратную установку бесполезной.

Почему важна смазка

Смазка, вероятно, является самым важным фактором для достижения правильной преднагрузки. Высокопрочные болты, такие как соответствующие стандартам ASTM F3125, поставляются с нанесенной производителем смазкой. Это покрытие предназначено для обеспечения постоянного коэффициента K и предотвращения заедания, вида холодной сварки, которая может произойти между резьбами гайки и болта при высоком давлении, что приводит к заеданию или поломке болта.

Из практического опыта мы видели значительные различия в преднагрузке при игнорировании этого принципа. Например, болты, оставленные под воздействием атмосферных условий, могут потерять свою смазку, что значительно увеличивает трение и приводит к низкой преднагрузке при заданном крутящем моменте. С другой стороны, использование непроверенной смазки, такой как универсальный антикоррозийный состав, может снизить трение настолько, что болт будет перетянут и потенциально сломан. Правило простое: используйте болты, гайки и шайбы в том виде, в каком они поставляются от производителя, и защищайте их от загрязнений и воздействия окружающей среды.

Состояние компонента

Перед установкой все части крепежа должны быть визуально проверены, чтобы убедиться, что они соответствуют требованиям проекта и находятся в исправном состоянии.

• Болты и гайки: Проверьте правильный класс (например, Grade A325, A490 или новые обозначения F3125), диаметр и длину. Убедитесь, что они хранятся в защищенных контейнерах, чтобы избежать загрязнений, ржавчины или повреждения резьбы. Любой болт с видимыми повреждениями резьбы необходимо утилизировать.
• Шайбы: Требуются закаленные стальные шайбы (по ASTM F436) под обрабатываемой частью (обычно гайкой). Это обеспечивает постоянную, твердую и гладкую поверхность для нормализации трения. Для поверхностей с уклоном более 1:20 относительно оси болта необходимо использовать скошенные шайбы, чтобы обеспечить квадратную опорную поверхность и предотвратить изгиб болта.

Состояние отверстий и поверхностей

Состояние стальных поверхностей, соединяемых друг с другом, известных как контактные поверхности, напрямую влияет на долгосрочную стабильность преднагрузки. Любой материал, способный к сжатию, ползучести или деформации со временем, приведет к потере натяжения болта. Зазоры вокруг края отверстия болта должны быть удалены. Грубая краска, накипь или другие покрытия на контактных поверхностях критически важных соединений обычно не допускаются по спецификации RCSC (Research Council on Structural Connections), если их эффективность не подтверждена испытаниями. Эти материалы могут медленно сжиматься под высоким усилием зажима, вызывая релаксацию преднагрузки и ухудшая сопротивление скольжению соединения.

Технические методы крепления

Строительная стальная промышленность признает четыре основных метода достижения необходимой минимальной преднагрузки. Каждый из них основан на различных физических принципах и имеет свои процедуры, оборудование и требования к инспекции. Все методы начинаются с одного и того же этапа: состояния плотного затяжки.

Состояние плотной затяжки

Состояние плотной затяжки — это начальный этап для окончательной натяжки любого высоконагруженного или критически скользящего соединения. Оно определяется как затяжка, достигаемая полными усилиями человека с помощью стандартного гаечного ключа или в тот момент, когда ударный ключ начинает наносить твердые удары. Целью затяжки является приведение всех слоев стали в соединении в плотный контакт, устранение зазоров и обеспечение прочности всей сборки перед окончательной, измеренной натяжкой. Обычно это делается по схеме звезды или крест-накрест, чтобы обеспечить равномерное закрытие соединения.

Метод 1: Вращение гайки

Этот метод является одним из наиболее надежных, поскольку он зависит от предсказуемой геометрии растяжения болта, а не от переменного трения крутящего момента. После достижения состояния плотной затяжки, монтажник наносит постоянным маркером метку на гайке, кончике болта и соседней стальной поверхности. Эта метка служит визуальной ориентиром. Затем гайка поворачивается на определенное количество градусов относительно болта. Это требуемое вращение указано в RCSC и зависит от соотношения длины болта к его диаметру, как показано в таблице ниже.

Метод 2: Калиброванный ключ

Этот метод использует крутящий момент, управляемый ключом, для применения целевого значения крутящего момента. Однако, как обсуждалось, связь между крутящим моментом и натяжением ненадежна без калибровки. Поэтому этот метод требует критической проверки перед установкой. Каждый день, используя конкретную партию крепежа (болт, гайка и шайба), необходимо тестировать образец сборок в калибраторе натяжения болтов, например, в устройстве Skidmore-Wilhelm. Это устройство напрямую измеряет предварительную нагрузку, достигнутую при заданном крутящем моменте. Оператор затягивает болт и записывает необходимый крутящий момент для достижения натяжения, немного превышающего минимально необходимую предварительную нагрузку. Это значение крутящего момента становится монтажным крутящим моментом для этой конкретной партии крепежа на этот день только.

Метод 3: Болты Twist-Off (TC)

Болты типа Twist-Off, также известные как болты с контролем натяжения, — это специальная сборка, предназначенная для быстрого монтажа и проверки. Болт имеет шлицевой конец, выступающий за пределы резьбовой части. Для установки используется специализированный электрический резчик. Устройство имеет два концентрических насадки: внешнюю, которая вращает гайку, и внутреннюю, которая удерживает шлиц. По мере затяжки гайки сопротивление увеличивается, пока не достигнет заранее определенного уровня, при этом нагрузка крутящего момента срезает шлицевой конец болта. Это обеспечивает прямое и надежное указание на достижение необходимого натяжения.

Метод 4: Индикаторы прямого натяжения (DTI)

Индикаторы прямого натяжения — это специализированные закаленные шайбы с выступающими бугорками на одной стороне. DTI размещается под головкой болта или гайкой, при этом бугорки соприкасаются с жесткой, плоской поверхностью (обычно стандартной закаленной шайбой F436). По мере затяжки болта сила зажима выравнивает эти бугорки. Монтаж считается завершенным, когда оставшийся зазор сокращается до определенного значения, что проверяет инспектор с помощью щупа. Если щуп не входит в зазор, болт правильно натянут. Некоторые DTIs, известные как

Сравнение методов

Выбор правильного метода зависит от требований проекта, наличия оборудования, опыта команды и процедур инспекции. Ниже приведена таблица сравнения.

Таблица 1: Сравнение методов крепления болтов высокой прочности

Как ведут себя соединения и почему они выходят из строя

Правильно установленный болт — это только начало. Понимание поведения соединения на протяжении его срока службы и как неправильное крепление приводит к отказу, важно для любого специалиста по конструкциям.

Потеря преднагрузки со временем

Преднагрузка не всегда постоянна. После установки происходит определенная потеря натяжения, известная как релаксация. Важно убедиться, что даже после этой потери оставшаяся преднагрузка достаточна для требований конструкции. Основные причины:

1. Встраивание: сразу после затяжки мелкие выступы на поверхности резьбы и под головкой гайки и болта выравниваются под огромным усилием давления. Это небольшое пластическое деформирование приводит к небольшой, но предсказуемой потере растяжения болта и, следовательно, предварительной нагрузки.
2. Вибрационное ослабление: в соединениях, подвергающихся вибрации или повторным нагрузкам, особенно с боковым перемещением, гайка может постепенно вращаться назад, вызывая значительную потерю предварительной нагрузки. Высокая предварительная нагрузка — лучший способ защиты от этого, поскольку она увеличивает трение, сопротивляющееся обратному вращению.
3. Провисание прокладки/релаксация напряжения: в соединениях с прокладками или другими мягкими материалами, а также в соединениях, работающих при высоких температурах, материалы могут медленно деформироваться или «ползти» со временем, уменьшая зажимное расстояние и вызывая снижение предварительной нагрузки.

Общие причины отказа болтов

Почти все отказы болтов в конструктивных приложениях можно проследить к одной причине: неправильной или недостаточной предварительной нагрузке.

• Отказ от усталости: это наиболее распространенный режим отказа болтов при повторных нагрузках. Болт с низкой предварительной нагрузкой подвергается значительной части внешней повторной нагрузки, что приводит к циклам высокого напряжения, вызывающим образование трещин и окончательное разрушение. Болт с высокой предварительной нагрузкой испытывает только малую часть этого внешнего цикла нагрузки, поддерживая низкое напряжение и значительно увеличивая срок службы.
• Соскальзывание соединения: в критическом по соскальзыванию соединении проектирование основывается на силе зажима от предварительной нагрузки для создания достаточного трения, чтобы сопротивляться сдвиговым силам. Если предварительная нагрузка ниже указанного минимума, сила зажима будет недостаточной. При нагрузке по проекту трение может быть преодолено, и соединение соскользнет в опору, что является отказом по эксплуатационной пригодности и не допускается в этом типе соединения.
• Гидрогенное хрупкое разрушение: высокопрочные болты (обычно с пределом прочности свыше 150 ksi, например, Grade A490) подвержены этому механизму отказа. Хотя это в первую очередь проблема материала и производства, условия эксплуатации могут усугубить риск. Атомы водорода могут проникать из процессов гальванизации или коррозионных сред. Эти атомы мигрируют к зонам высокого напряжения — например, к корням резьбы натянутого болта — вызывая задержанный хрупкий разлом без предупреждения или деформации.

Проверка и инспекция

Обеспечение качества — не опция; это важная часть процесса установки высокопрочных болтов. Основные строительные нормы требуют проведения специальных процедур проверки и инспекции для обеспечения общественной безопасности.

Проверка перед установкой

Перед началом установки болтов необходимо выполнить тест на вращательную способность (RC). Этот тест обязателен согласно спецификации RCSC для каждой партии болтов с определенной вращательной способностью. Образец сборки (один болт, одна гайка и одна шайба из одной партии) тестируется в калибраторе усилия натяжения. Тест проверяет два аспекта: во-первых, правильность работы смазки, и во-вторых, способность сборки достигнуть как минимум 10% больше минимальной требуемой предварительной нагрузки без повреждения или разрушения. Неудачный тест RC требует изоляции и отказа всей партии болтов.

Регулярная проверка при установке

Во время установки основная задача инспектора — контролировать работу монтажных бригад. Инспектор должен убедиться, что бригады систематически выполняют выбранную, одобренную процедуру установки для каждого болта. Это включает проверку подготовки поверхностей, правильности сборки, соблюдения схемы затяжки и правильности применения финального метода натяжения.

Проверка после установки

После установки и натяжения болтов необходима финальная проверка. Конкретные действия зависят от используемого метода установки. Для проверки не используется динамометрический ключ, если не применялся метод калиброванного ключа.

Таблица 2: Итоги проверки после установки

Решение распространённых проблем

Даже при хорошо определённых процедурах могут возникать проблемы на месте. Опытный специалист быстро диагностирует и решает эти распространённые проблемы.

Руководство по решению проблем

Следующая таблица предоставляет краткое руководство по распространённым проблемам на месте, их вероятным причинам и эффективным решениям. Это руководство создано на основе многолетних наблюдений и решения проблем на объектах из конструкционной стали.

Таблица 3: Руководство по решению проблем при креплении высокопрочных болтов

Резюме

Успешное крепление высокопрочных болтов — это систематический инженерный процесс, а не просто случайное затягивание болтов. Вся дисциплина управляется одним критическим принципом — достижением целевого предварительного натяжения. Понимая науку, которая разделяет крутящий момент и натяжение, тщательно контролируя такие переменные, как смазка и состояние компонентов, и аккуратно применяя и проверяя один из отраслевых методов установки, мы можем обеспечить, чтобы каждый болт выполнял свою функцию как точная, высокопрочная пружина. Этот технический, ориентированный на детали подход — не вопрос предпочтения; он является основой безопасности, долговечности и долгосрочной эффективности стальных конструкций, которые составляют основу нашего современного мира.

• https://www.aisc.org/ Американский институт стальных конструкций (AISC)
• https://www.boltcouncil.org/ Совет по исследованиям в области структурных соединений (RCSC)
• https://www.astm.org/ ASTM International – стандарты для структурных болтов
• https://www.iso.org/ ISO – Международная организация по стандартизации
• https://www.portlandbolt.com/ Portland Bolt – технические ресурсы ASTM F3125
• https://galvanizeit.org/ Ассоциация американских гальванизаторов – обновления спецификаций RCSC
• https://www.structuremag.org/ Журнал STRUCTURE – Строительная инженерия
• https://www.cisc-icca.ca/ Канадский институт стальных конструкций
• https://en.wikipedia.org/wiki/Structural_engineering Википедия – Строительная инженерия
• https://www.sciencedirect.com/ ScienceDirect – Исследования в области структурных соединений