Vysokopevnostní spojovací prvky – oblasti použití a provozní vlastnosti

V řadě případů je při montáži kritických kovových konstrukcí a mechanismů nutné zajistit co nejspolehlivější rozebíratelné spojení dílů. Mohou to být podmínky vystavení zvýšené síle a vibračnímu zatížení a také extrémním teplotám.

Tyto technické problémy jsou řešeny použitím vysokopevnostních závitových spojovacích prostředků – šroubů, svorníků a matic vyrobených ze speciální oceli s vyztužujícím tepelným zpracováním. Vzhledem k modernizovaným vlastnostem je nosnost takového kování srovnatelná se zatíženými ozubenými koly.

• V jakých případech byste měli použít vysoce pevné spojovací prvky?
• Co znamená „vysoká síla“?
• přihláška
• Typy vysokopevnostních spojovacích prostředků
• Šrouby
• Studs
• Ořechy
• materiály
• Testovací program
• Jaké normy GOST bych měl věnovat pozornost při objednávání?
• Pro kovové konstrukce a konstrukce
• Pro stavbu mostů
• Pro potrubí a zařízení jaderných elektráren

Co znamená „vysoká síla“?

Technická literatura poskytuje jasnou definici pojmu „vysokopevnostní“ – jedná se o výrobky s dočasnou pevností v tahu materiálu minimálně 800 MPa. Tato úroveň odpovídá úrovni kalených dílů z oceli 45 – hřídele převodovky, ozubená kola, páky a dorazy.

K výrobě vysokopevnostních spojovacích prostředků se používají seriózní konstrukční oceli – většinou legované, s povinným tepelným zpracováním pro zmírnění nadměrného napětí po lisování a následném zpevnění konstrukce.

Obecně platí, že strojní a potrubní sestavy používají standardní spojovací prvky pevnostních tříd 5.6 a 8.8. Pevnost v tahu takových výrobků je 500 a 800 MPa. Pro zatížené podmínky a práci ve vysokoteplotních zónách se používají třídy 10.8 a 12.8, které dávají 1000 a 1200 MPa. Tyto hodnoty jsou uvedeny v normě GOST 1759.4-87, jejíž požadavky se vztahují na šrouby, svorníky a šrouby. Celkem norma poskytuje 11 pevnostních tříd, od 3.6 do 12.8.

Ale navzdory skutečnosti, že standardní výrobky ve třídách 10.8 a 12.8 podmíněně odpovídají konceptu „vysoké pevnosti“ (hodnota pevnosti v tahu nad 800 MPa), tento termín se na ně téměř nikdy nevztahuje. Říká se jim jednoduše kalené nebo kalené.

Oficiální předpona „vysoká pevnost“ je dána spojovacím prostředkům určeným k řešení speciálních problémů a vydávaným v souladu se samostatnými normami.

přihláška

K aktivnímu rozvoji problematiky vysokopevnostních spojovacích prostředků došlo v polovině 20. století. Právě v tomto období začali inženýři z Německa, Velké Británie a USA při montáži kovových konstrukcí masivně používat šroubové spoje místo nýtů.

Přechod na vysokopevnostní šrouby v průmyslové a občanské výstavbě se rozšířil již po 60. letech. S pomocí tohoto řešení byly postaveny mosty, ochranné a podpůrné stavby, opevnění důlních provozů, výškové a tovární budovy včetně komplexu jaderného centra v Ohiu.

Šroubované táhla se používají pro výrobky, které jsou vystaveny konstantnímu dynamickému a smykovému zatížení. Nejnázornějšími speciálními případy jsou železniční mosty a těžká jeřábová technika.

Nosná konstrukce 30tunového portálového jeřábu obsahuje přes 6 000 vysokopevnostních šroubů.

Hlavní výhody oproti nýtům:

• vyšší nosnost – 22 kalených šroubů M22 z legované oceli úspěšně nahradilo 32 nýtů o průměru 23 mm z oceli St2;
• po utažení nejsou mezi spoji utahovaných ploch žádné mezery;
• celkové snížení hmotnosti konstrukce (až o 25 %);
• montážní proces je 2..3 krát rychlejší;
• není potřeba další zařízení pro ohřev spojů (pro nýtování za tepla);
• instalace nevyžaduje vysoce kvalifikované pracovníky;
• Přechod na rozebíratelné spoje zjednodušil výrobu, montáž, údržbu a opravy konstrukcí obecně.

Jedinou významnou nevýhodou šroubů byly přísné požadavky na kvalitu výrobku: pokud bylo tepelné zpracování výrobků špatné nebo nebylo dosaženo požadované úrovně pevnosti, bylo při utahování pozorováno okamžité řezání závitů a vznik trhlin.

Spolehlivost šroubového spojení je přímo ovlivněna třecími silami, které vznikají v oblasti kontaktu hlavy šroubu nebo konce matice s podložkou nebo povrchem kovové konstrukce. K umělému zvýšení koeficientu kontaktního tření používají stavitelé a instalatéři pískování a čištění ohněm.

Nutno podotknout, že při správné volbě hodnoty utažení vykazují šrouby zvýšenou odolnost proti vibračnímu zatížení oproti klasickým nýtům – 1,8..2 krát. V tomto případě hrají rozhodující roli třecí síly.

Předpětí šroubů se může lišit, pokud konstrukce prochází významnými změnami teploty. U ocelových součástí může tedy práce v rozsahu od -40 do +40 ° C znamenat snížení utahování o 4% a u hliníkových součástí – až o 14%.

Kromě stavebnictví našly výhody vysokopevnostních spojovacích prostředků uplatnění při montáži silně zatížených kritických zařízení jaderných elektráren. Tam jsou ve větší míře preferovány pinové spoje. Lépe fungují při práci na přírubách pod vlivem zvýšených teplot.

Typy vysokopevnostních spojovacích prostředků

Šrouby

Největší podíl vysokopevnostních spojovacích prostředků připadá na šroubové spoje průmyslových a stavebních kovových konstrukcí.

Takové výrobky mají klasický tvar s šestihrannou hlavou. Možná provedení:

• s klasickým poloměrovým přechodem od tyče k hlavě;
• se spouštěním hřídele na hladké části a vytvořením krátkého krku pod hlavou;
• s opěrným límcem pod hlavou šroubu;
• s opěrným nákružkem o větším průměru než hlava šroubu.

Límec opěrky hlavy slouží ke zvětšení kontaktní plochy šroubu s nosnou rovinou. Díky tomu zajišťují rovnoměrné rozložení utahovacích sil a stabilizují spoj pod vlivem vibrací.

Šrouby se vyrábějí lisováním za tepla (pěchováním) z kruhové tyče a tvorba hlavy probíhá v několika fázích. Během deformace se struktura kovu poněkud mění a v přechodové zóně od tyče k hlavě se mohou hromadit defekty a nadměrné napětí. Pro snížení tohoto efektu se po lisování obrobek podrobí normalizaci s ohřevem nad 830 °C.

Po odříznutí závitu se spojovací prvky zpevní kalením, čímž se dosáhne zvýšení počáteční pevnosti v tahu 1,4 až 2,8 krát. U nejcitlivějších jakostí na teplo lze tento parametr zvýšit nad 1600 MPa, což je srovnatelné se zlepšenou pružinovou ocelí. Dosažená povrchová tvrdost se v tomto případě pohybuje v rozmezí 363..480 HB.

Studs

Vysokopevnostní svorníky se používají především pro montáž přírubových spojů ve vysokotlakých potrubích, nádobách a zařízeních v jaderné energetice.

Na rozdíl od šroubu má čep podmíněně stejný průřez po celé délce profilu. To umožňuje snížit negativní důsledky tepelných deformací a tahového zatížení vlivem teplot nad 300..350°C.

Konstrukce čepů umožňuje několik možností:

• jednostupňový profil, ve kterém se hladká střední část shoduje s vnějším průměrem závitových konců;
• jednostupňový profil, ve kterém je hladká mezičást snížena pod úroveň závitových dutin;
• dvoustupňový profil, ve kterém je na konci matice opatřen fasetový stupeň na klíč.

Svorníky jsou vyráběny z různých kategorií ocelí s vhodným tepelným zpracováním – kalení, normalizace, austenitizace, umělé stárnutí. Výsledkem je pevnost v tahu 736..981 MPa a tvrdost 269..352 HB.

Takové výrobky se také vyrábějí česáním za tepla s následným řezáním závitových konců. Stoupání závitu může být různé pro vnější a vnitřní konec. U přírubových spojů se převážně používá uchycení průchozími šrouby – s montáží párových matic na obou koncích.

Ořechy

Matice pro vysokopevnostní spojovací prvky musí odpovídat pevnostním parametrům nosného prvku – šroubu nebo svorníku.

Normy často vyžadují, aby byly mechanické vlastnosti matic mírně podhodnoceny – ne více než 2 % pevnosti v tahu závitových tyčí. V praxi je toho dosaženo použitím stejného materiálu pro lisování spojovacích prvků a přiřazením stejných podmínek tepelného zpracování.

Geometrie matic pro vysokopevnostní šrouby a svorníky odpovídá běžným šestihranným strojírenským výrobkům.

Pro podmínky montáže těžkých stavebních konstrukcí je přípustné použít zvětšený rozměr na klíč – především pro zvládnutí třecích sil při utahování zvětšením plochy nosného konce.

materiály

Obvykle lze všechny oceli, které se používají k výrobě vysoce pevných závitových dílů, rozdělit do několika skupin:

Samostatně je předepsáno natírání vnějších povrchů ochrannými vrstvami pomocí procesů galvanizace a tepelné difúze. Patří sem:

• galvanizace;
• niklování;
• pokovování kadmiem (obzvláště důležité pro stavby na moři a stavbu lodí).

Vysokopevnostní spojovací prvky určené pro montáž hliníkových konstrukcí tedy musí být výhradně pozinkované nebo kadmiové. Jinak dlouhotrvající silový kontakt mezi hliníkem a ocelí povede k rozvoji elektrochemické koroze.

Testovací program

Všechna specifika vysokopevnostních spojovacích prvků jsou založena na zlepšených mechanických vlastnostech získaných výběrem materiálů a tepelným zpracováním.

Pro kontrolu získaných charakteristik šroubů a čepů je předepsán povinný testovací program:

1. Stanovení tvrdosti. Provádí se metodou Brinell nebo Vickers (druhá se stává rozhodující v kontroverzních otázkách). Změřte podél hladké části závitové tyče, hlavy šroubu a na koncích.
2. Roztržení na šikmé podložce a roztržení celých výrobků. Ke zničení kovu by mělo dojít podél tyče, aniž by došlo k řezání závitů nebo odtržení v blízkosti hlavy.
3. Zkouška tahem vzorků obrobených ze šroubu nebo svorníku.
4. Rázové ohýbání soustružených vzorků.
5. Stanovení součinitele zkroucení.

U matic jsou po změření tvrdosti na koncích předepsány pouze zkušební zatěžovací zkoušky, ekvivalentní tahu a přetržení šroubů.

Součinitel momentu je vypočítaný vztah mezi utahovacím momentem, normální napínací silou a průměrem spojovacího prvku. Pro vysokopevnostní spojovací prvky bez povlaku je rozsah přijatelných hodnot 0,14 .. 0,20, s jakýmkoli druhem povlaku – 0,10 .. 0,20.

Během testování je šroub nebo čep pevně upevněn a na matici je aplikován krouticí moment. Nejprve se spojovací díly důkladně očistí v alkalickém roztoku, umyjí, osuší a nanese se speciální mazivo. Na základě výsledků zkoušek se skutečný součinitel zkroucení porovná s přípustnými hodnotami. Při utahování a povolování by nemělo docházet k zadření závitu, deformaci nebo proříznutí závitů.

Vysokopevnostní svorníky určené pro jaderná energetická zařízení jsou vystaveny:

• ultrazvuková detekce defektů;
• stanovení kritické teploty křehkosti;
• testování povrchových a skrytých defektů magnetickými částicemi (praskliny, póry, dutiny a jiné nespojitosti).

V některých případech jsou předepsány další operace:

• stanovení stupně oduhličení/nauhličení povrchové vrstvy;
• provedení mikrořezů s následným leptáním k vyhodnocení mikrostruktury kovu z hlediska souladu s normou. Martenzitická struktura pro kalené šrouby je nežádoucí z důvodu nadměrného přepětí oceli.

Komplexní kontrola mechanických vlastností eliminuje riziko uvedení výrobků s nedostatečnou úrovní spolehlivosti do provozu.

Nízká kvalita výroby šroubů a svorníků je zřejmá již ve fázi instalace: pouze vysokopevnostní spojovací prvky vydrží tah až 20 tun.

Jaké normy GOST bych měl věnovat pozornost při objednávání?

Obecně platí, že pokud je úkolem objednat nestandardní spojovací prvky s vysokou nosností, nejprve se obrátí na GOST 22356-77, ale dnes byl a veškerý související hardware zrušen a podobná náhrada není akceptována. Musíte použít to, co máte.

Tato norma stanoví požadavky na jakostní parametry, mechanické vlastnosti a zkušební program pro hotové výrobky podle následujících norem:

• GOST 22353-77 – vysokopevnostní šrouby třídy přesnosti „B“;
• GOST 22354-77 – matice pro vysokopevnostní šrouby;
• GOST 22355-77 – podložky.

Výrobní nomenklatura definuje rozsah velikostí od M16 do M48, s délkou závitové tyče od 40 do 300 mm. Dočasná pevnost v tahu se pohybuje od 600 do 1700 MPa a závisí na rozměrech a určeném konstrukčním materiálu.

Pro výrobu šroubů jsou přijatelné třídy legované oceli: 40Х, 30Х3МФ, 30Х2НМФА, 35Х2ФА. Komplex hlavních legujících prvků – chrom, nikl, molybden, vanad – je navržen pro zvýšení pevnostních charakteristik a odolnosti proti měknutí vlivem teplot.

Matice mohou být vyrobeny s použitím jakosti 35, 35X a 40. Matice pro železniční mosty v severních oblastech jsou vyráběny výhradně z 40X.

Podložky jsou vyrobeny z ocelí St5, 35 a 40, kalených na úroveň 35..45 HRC.

Pro kovové konstrukce a konstrukce

Všeobecné technické požadavky na kování používané pro montáž různých kovových konstrukcí pro stavební a průmyslové účely popisuje GOST R 52643-2006. Vztahují se na:

• vysokopevnostní šrouby – GOST R 52644-2006 (také neplatí od roku 2018, ale zatím není čím nahradit);
• ořechy – GOST R 52645-2006;
• podložky – GOST R 52646-2006.

Rozsah je omezen na závity od M16 do M48. Povrch může být opatřen galvanickým nebo tepelně difúzním povlakem o tloušťce vrstvy 25 až 50 mikronů.

Podle stanovené normy se pro výrobu šroubů používají třídy oceli 40Kh, 30Kh3MF, 30KhN2MFA a 20Kh2NMTRB a pro matice – 35, 40, 35Kh, 40Kh. Je povoleno použít jiné materiály, pokud výrobky úspěšně projdou celou řadou zkoušek, včetně zkoušek odolnosti proti opožděnému křehkému lomu a praskání.

Existuje 5 pevnostních tříd – od 6.8 ​​do 12.9, s rozsahem pevnosti v tahu od 600 do 1519 MPa. Matice jsou podrobeny zátěžovému testu od zkušebního zatížení v rozsahu 785..1519 MPa.

Pro stavbu mostů

Pro stavbu mostů se používají speciální spojovací prvky v souladu s GOST R 53664-2009. Požadavky normy zahrnují válcové a kuželové vysokopevnostní šrouby, stejně jako matice a podložky, které jsou s nimi dodávány.

Design výrobků umožňuje varianty s šestihrannou a půlkruhovou hlavou a také několik provedení se sníženou hladkou částí a opěrným límcem.

Norma počítá s výrobou šroubů s velikostí závitu M22, M24 a M27 a jmenovitou délkou hřídele od 60 do 150 mm. Přesnost závitu odpovídá tolerančnímu rozsahu 6g, u pozinkovaných výrobků – 8g.

Kuželové vysokopevnostní šrouby mají kuželové sedlo 1:50 a jsou omezeny na velikosti M22 a M24. V označení hardwaru se konstrukční prvek odráží písmenem „K“ před označením závitu. Pro takové šrouby jsou vybrány převlečné matice.

Spojovací prostředky používané pro stavbu mostů musí mít pevnost v tahu 1078..1275 MPa, s povrchovou tvrdostí 331..388 HB pro šrouby a 272..353 HB pro matice. Podložky jsou kalené a uvolněné až na 35..45 HRC.

K výrobě se používají legované středně uhlíkové oceli 30Х3МФ a 40Х „select“. Druhá značka se od běžných 40X liší tvrzeným obsahem uhlíku a křemíku. Mikrostruktura materiálu po tepelném zpracování umožňuje vyloučit pouze kombinaci troostitu a sorbitolu;

Zvláštní zmínku je třeba věnovat průmyslovému standardu OST 35-02-72. Upravuje výrobu standardních vysokopevnostních šroubů a matic pro železniční, silniční a městské mosty. Podle svých požadavků je celý sortiment rozdělen do dvou typů:

• pro konstrukce postavené a provozované při teplotách nad -40 °C;
• pro konstrukce při teplotách pod −40°C.

Uvedený OST umožňuje výrobu šroubů se závitem od M18 do M27, o délce od 35 do 300 mm. Hlavním konstrukčním materiálem je ocel 40X.

Pro potrubí a zařízení jaderných elektráren

Pro specifické potřeby jaderného průmyslu jsou spojovací prvky vyráběny v souladu s GOST R 54786-2011. Tyto šrouby, svorníky, matice a podložky slouží k montáži zařízení primárního a sekundárního okruhu – připojení reaktorů, parogenerátorů, výměníků tepla různých druhů, uzavíracích a regulačních ventilů a čerpacích systémů. Používají se také k utahování přírubových spojů potrubí.

V závislosti na provozních podmínkách je výrobkům přiřazeno 7 kvalitativních skupin: 0, 0a, 1, 2, 2a, 3 a 3a. Skupina kvality určuje soubor testů a objem kontrolního vzorku v dávce. Pro skupinu 0 tedy podléhá ultrazvukové detekci vad 100 % výrobků a pro skupinu 3a pouze 2 % (ale ne méně než 2 kusy). U všech výrobků je vyžadováno měření tvrdosti.

Při výrobě spojovacího materiálu pro jaderné elektrárny se používají jak konvenční, tak univerzální třídy oceli, stejně jako vysoce specializované – 31Х19Н9МВБТ, 10Х11Н20Т3Р, 20Х1М1Ф1Б, chromniklové žáruvzdorné slitiny ХН-35ВВ aНХ35ВТ K ochraně proti korozi a propůjčení speciálních povrchových vlastností jsou předepsány galvanické a tepelně difúzní povlaky.

Podle zvoleného materiálu a tepelného zpracování se rozlišuje 12 pevnostních kategorií – od KP275 (KP28) po KP885 (KP90). V prvním případě bude hodnota dočasné pevnosti v tahu na šroubech 530 MPa. U nejvyšší kategorie tento parametr dosahuje úrovně 981 MPa.

Při značení VPB se používají tři doplňková označení.

• HL. Produkty jsou přizpůsobeny podmínkám dalekého severu a zachovávají si funkčnost při teplotách do -60 stupňů.
• U. Provozní teplota hardwaru není nižší než -40 stupňů.
• S. Hlava šroubu má rozšířené rozměry.

Vysokopevnostní spojovací prvky se používají ve strojírenství, stavebnictví, hornictví, zpracovatelském a chemickém průmyslu.

Požadavky státní normy

Vysokopevnostní šrouby jsou vyráběny podle GOST R 52644-2006. Dokument stanoví následující požadavky na produkty:

• průměr závitu: M16 – M48;
• třídy přípustné pevnosti: 8.8, 9.8, 10.9, 12.9;
• délka výrobku – od 40 mm do 300 mm;
• Je přípustné použít ochranný povlak o tloušťce nejvýše 50 mikronů.

Chcete-li zjistit, kolik šroubů je v 1 kilogramu, musíte vzít v úvahu jejich nominální hmotnost. Například hmotnost jednoho výrobku se závitem M16 se pohybuje v rozmezí 0,116 – 0,514 kg. Pro šrouby M20 je rozsah 0,204 – 0,804 kg. Hmotnost spojovacích prvků závisí na délce závitu a rozměrech hlavy. Štítek výrobce vám pomůže určit počet šroubů v krabici. Udává hmotnost produktu bez obalu. Na základě obdržených informací je možné vypočítat přibližný počet produktů na základě jejich nominální hmotnosti.

Práce s ohnivzdornými ohnivzdornými materiály podle SNiP III-18-75

Norma upravuje výrobu kritických konstrukcí pomocí vysokopevnostních šroubů. Popisuje všechna možná připojení založená na VPB:

• tření;
• svařované šrouby;
• s podpůrným hardwarem;
• příruby.

Při navrhování jednotek se vychází z aktuálních norem nebo technických specifikací. Zohledňuje se jakost oceli použité k výrobě šroubů, zatížení jednotky a specifika uzamykacích prvků. Neméně důležitá je kvalita povrchové úpravy a koeficient tření.

Montážní funkce

Instalace vysokopevnostních šroubů se provádí v několika fázích.

• Kontaktní plochy procházejí pečlivým zpracováním. Neměly by mít žádné nerovnosti nebo otřepy.
• Prvky jsou umístěny na svých místech.
• Provádí se předběžná montáž jednotky.
• Šrouby jsou protaženy, čímž je zajištěno bezpečné upevnění dílů.
• V případě potřeby je spojení utěsněno.

Při zpracování povrchů se používají ocelové kartáče, brusné nástroje a plynové hořáky.

Konstrukce musí být smontována nejpozději do 72 hodin po přípravě, jinak bude nutné znovu zpracovat prvky.

Utahovací síla šroubů se určuje jedním ze čtyř způsobů:

• zohlednění počtu úderů pneumatického nástroje;
• s přihlédnutím k axiálnímu napětí uzlu;
• s přihlédnutím k úhlu natočení matice;
• s ohledem na točivý moment.

Při práci se složitými sestavami je důležité dodržet pořadí utahování. Obvykle začínají tou nejtěžší částí. Některé projekty obsahují schéma ukazující pořadí, ve kterém by měly být šrouby utaženy.

Výhody vysokopevnostních šroubů

Vysokopevnostní spojovací prvky mají mnoho výhod:

• provoz v podmínkách nízkých a vysokých teplot;
• odolnost proti korozi;
• vynikající odolnost proti mechanickému namáhání;
• snadná instalace;
• odolnost proti chemickému napadení.

Při montáži jednotek je nutné použít certifikované šrouby. Splňují průmyslové standardy, vyznačují se přesnou geometrií a dlouhou životností.

Další související články:

• Konvenční označení rozpěrných kotev
• Etapy montáže kotevních šroubů do zdiva
• Materiál rámové kotvy
• Typická rozpěrná kotva se skládá z
• Kotvy pro cihly se liší funkčností a instalačními prvky
• Vlastnosti montážních šroubů Krep-Komp
• Typy kotevních šroubů
• Typy šroubů podle aplikační metody
• Průmyslové standardy pro stavěcí šrouby