Крепёж для АЭС: шпильки, болты, гайки и затяжка соединений

• ≈ 10 %момента затяжки идёт на растяжение шпильки, остальное — на трение
• 0,1 ммудлинение стальной шпильки на каждые 100 мм длины при напряжении 200 МПа
• ≈ ⅓нагрузки в обычной гайке приходится на первый рабочий виток
• ПР и НЕрезьбовые калибры: проходной навинчивается, непроходной — нет

Какой крепёж стоит на оборудовании

Крышки арматуры и насосов, фланцы сосудов и теплообменников, люки, разъёмные соединения трубопроводов, опоры и металлоконструкции атомной станции собраны на резьбовом крепеже. Самый известный пример — главный разъём реактора ВВЭР-1000, где крышку к корпусу прижимают 54 шпильки М170×6; о нём рассказано в статье «Корпус реактора». Но и обычная шпилька на крышке задвижки держит давление среды, и от неё зависит, будет ли соединение плотным.

• Болт. Стержень с головкой и резьбой: проходит через отверстия соединяемых деталей и затягивается гайкой.
• Винт. Стержень с головкой, который ввинчивают прямо в резьбовое отверстие детали.
• Шпилька. Стержень с резьбой на обоих концах: оба под гайки, или один ввинчивают в корпус.
• Гайка. Навинчивается на болт или шпильку и создаёт натяг соединения.
• Шайба. Распределяет нагрузку под гайкой и бережёт поверхность фланца; сферические шайбы компенсируют перекос, стопорные не дают гайке отвернуться.

Требования к крепежу определяются тем, что он соединяет. Шпилька для оборудования, работающего под давлением, проходит тот же путь, что и само оборудование: материал по чертежу, прослеживаемость до плавки, контроль и документы. Заменить её «похожим» болтом нельзя — у такого болта нет ни подтверждённой марки стали, ни результатов испытаний.

Почему на фланцах ставят шпильки

В болтовом соединении стержень проходит через оба фланца, а головка опирается на один из них. Переход от головки к стержню концентрирует напряжения, а саму головку приходится высаживать или выковывать. Шпилька проще: это прямой стержень с резьбой, его делают из прутка нужной длины, и с обеих сторон её затягивают одинаковые гайки.

Шпильку, ввинченную одним концом в корпус, ставят туда, где болт не пройдёт: в толстую стенку, которую нельзя или не нужно сверлить насквозь. При разборке такая шпилька остаётся в корпусе и направляет крышку, а изнашивается в основном резьба гайки, которую легко заменить, — дорогую резьбу корпуса берегут. Длину ввинчиваемого конца выбирают по материалу корпуса: в стали она около одного диаметра резьбы, в чугуне и лёгких сплавах — больше.

Наконец, шпилька с выступающим над гайкой концом позволяет затягивать соединение гидравлическим натяжителем, о котором речь пойдёт ниже. Болты оставляют там, где нагрузки меньше и есть доступ с обеих сторон: в металлоконструкциях, опорах, кожухах, на фланцах невысокого давления.

Стали и пара «шпилька — гайка»

Сталь для крепежа выбирают по температуре, среде и нагрузке. При умеренных температурах применяют углеродистые и легированные конструкционные стали — например, 35, 35Х, 40Х, — как правило, после улучшения; о нём — в статье «Термическая обработка стали». Для высоких температур нужны теплоустойчивые стали вроде 25Х1МФ: затянутая шпилька в горячем соединении со временем теряет натяг из-за релаксации напряжений, и такие стали сопротивляются ей лучше. Для коррозионных сред берут нержавеющие стали, например аустенитные 08Х18Н10Т и 12Х18Н10Т, — стойкие, но не очень прочные.

Какие стали идут на крепёж

Гайку обычно делают из той же или близкой по свойствам стали, но немного мягче шпильки. Одинаково твёрдые поверхности резьбы под большой нагрузкой легче схватываются, а более мягкая гайка принимает на себя смятие и износ — при ремонте меняют её, а не шпильку. Важно и тепловое расширение: если шпилька, гайка и фланцы из сталей с разными коэффициентами, при нагреве они удлиняются по-разному, и натяг меняется.

Главная беда резьбы, особенно нержавеющей, — задиры. Под нагрузкой при скольжении металл гайки и шпильки местами схватывается, при дальнейшем повороте вырываются частицы, и резьбу заклинивает так, что гайку уже не отвернуть без повреждения. Аустенитные стали к этому особенно склонны: они вязкие, быстро наклёпываются, а тонкая защитная плёнка на них легко рвётся.

От задиров защищают чистая обработка резьбы и защита её от забоин, очистка и смазка перед сборкой, антифрикционные покрытия, разная твёрдость шпильки и гайки, плавная затяжка без перекоса гайки. Смазку берут только допущенную для данного оборудования: для нержавеющей стали и горячих соединений — без хлора и других галогенов и без легкоплавких металлов, которые вызывают коррозию и растрескивание.

Резьба: шаг, накатка, калибры

Крепёж оборудования делают с метрической резьбой, профиль которой — треугольник с углом 60°. Крупный шаг считается основным и в обозначении не указывается — М24; мелкий указывают — М24×2. У мелкого шага больше сечение стержня по впадинам и точнее регулировка натяга, но такая резьба чувствительнее к забоинам, грязи и задирам. У крупных диаметров шаг указывают всегда, например М170×6 у шпилек главного разъёма.

Резьбу получают двумя способами. Нарезанную делают резцом, плашкой, метчиком или фрезой: инструмент срезает металл, и волокна металла перерезаются по профилю. Накатанную выдавливают роликами без снятия стружки: волокна огибают профиль, поверхность упрочняется наклёпом и получается гладкой, а во впадинах остаются сжимающие напряжения. Поэтому накатанная резьба заметно лучше сопротивляется усталости. Накатывают обычно после термообработки, а крупные шпильки чаще нарезают на токарных станках.

Нагрузка распределяется по виткам неравномерно: в обычной гайке на первый рабочий виток приходится около трети усилия, а дальние витки нагружены слабо. Поэтому впадину резьбы ответственных шпилек делают скруглённой — острая впадина концентрирует напряжения, — а стержень между резьбами иногда протачивают до диаметра чуть меньше внутреннего диаметра резьбы. Такая шпилька податливее, лучше сохраняет натяг и сопротивляется усталости.

Резьбу проверяют резьбовыми калибрами: наружную — кольцами, внутреннюю — пробками. Проходной калибр ПР должен навинчиваться на всю длину резьбы, непроходной НЕ — не больше чем на два оборота. Крупную резьбу, для которой калибры громоздки, дополнительно измеряют по элементам: средний диаметр, шаг, угол профиля.

Как делают шпильку

Путь шпильки начинается с заготовки — проката или, для крупных шпилек, поковки — с сертификатом и входным контролем. Марку стали и номер плавки переносят на каждую заготовку, а крепёж учитывают партиями: изделия одного типоразмера из одной плавки, прошедшие термообработку по одному режиму. О прослеживаемости — в статье «Механообработка для атомной отрасли».

Затем заготовки термообрабатывают — чаще всего улучшают — и уже после этого точат стержень, торцы и фаски, нарезают или накатывают резьбу. Так обработка снимает обезуглероженный слой и коробление, а резьба получается точной.

Контроль идёт по ходу и в конце. Твёрдость проверяют у каждой шпильки или выборочно, как требуют стандарт и чертёж; прочность, пластичность и ударную вязкость — на образцах из той же плавки, прошедших термообработку вместе с партией. Поверхность осматривают и проверяют магнитопорошковым или капиллярным методом, крупные шпильки прозвучивают ультразвуком. Размеры и резьбу проверяют измерительным инструментом и калибрами.

Готовую шпильку маркируют, обычно на торце: марка стали, плавка или номер партии, клеймо ОТК, — но не на резьбе и не на опорных поверхностях. Резьбу закрывают колпачками или упаковкой, чтобы не помять при перевозке, а к партии прилагают документ о качестве с сертификатами на металл и протоколами испытаний и контроля.

Путь шпильки: от заготовки до отгрузки

1. Заготовкапрокат или поковка с сертификатом; входной контроль
2. Перенос маркировкимарка стали и плавка — на каждую заготовку; учёт партиями
3. Термообработкачаще всего улучшение
4. Механообработкастержень, торцы, фаски; резьбу нарезают или накатывают
5. Контрольтвёрдость, испытания образцов, поверхность, ультразвук, калибры
6. Маркировка и документыклеймо на торце; документ о качестве на партию

Способы затяжки

Затянуть соединение — значит создать в каждой шпильке заданное усилие, натяг. Он должен сжать прокладку с нужным давлением и сохранить это сжатие, когда давление среды раздвигает фланцы, а нагрев меняет размеры деталей. Величину натяга определяет расчёт, а инструкция на сборку задаёт, как его получить; о прокладках и уплотнительных поверхностях — в статье «Фланцевые соединения и уплотнения».

Самый распространённый способ — затяжка по моменту: динамометрическим ключом или гайковёртом с контролем крутящего момента. Он прост, но о натяге говорит лишь косвенно — почему, рассказано ниже.

Точнее затяжка по удлинению. Шпилька растягивается упруго, и её удлинение пропорционально усилию: при напряжении 200 МПа сталь удлиняется на одну тысячную — на 0,1 мм на каждые 100 мм рабочей длины. Длину шпильки измеряют до и после затяжки микрометром, индикатором или ультразвуковым прибором; у крупных шпилек для этого делают центральное отверстие под контрольный стержень.

Гидравлический натяжитель ставят на фланец вокруг гайки и соединяют с выступающим концом шпильки. Под давлением масла он растягивает шпильку на расчётную величину, гайку тем временем доворачивают до упора без усилия, а когда давление сбрасывают, нагрузка переходит на гайку. Шпилька при этом не скручивается, трение в резьбе на результат не влияет, а несколько натяжителей тянут несколько шпилек одновременно. Часть удлинения теряется при передаче нагрузки на гайку, и давление задают с запасом. Шпилька должна выступать над гайкой примерно на свой диаметр.

Шпилечное соединение фланцев (схема). Слева — шпилька с гайками и шайбами стягивает фланцы с прокладкой. Справа — затяжка гидравлическим натяжителем: он растягивает шпильку на расчётную величину, гайку доворачивают до упора, а после сброса давления шпилька держит заданное усилие. Внизу — профиль метрической резьбы с углом 60°.

Очень крупные шпильки, например в разъёмах цилиндров паровых турбин, затягивают с нагревом: шпильку греют электронагревателем через центральное отверстие, гайку доворачивают на расчётный угол, и, остывая, шпилька сама создаёт натяг.

Порядок затяжки не менее важен, чем способ. Шпильки затягивают крест-накрест, каждый раз противоположные, и в несколько проходов с ростом усилия — например, примерно до трети, затем до двух третей и до полного значения, а в конце делают контрольный проход по кругу. Если сразу затянуть одну шпильку полностью, фланец перекосится, и прокладку с одной стороны пережмёт, а с другой — недожмёт.

Равномерность и ошибки затяжки

При затяжке по моменту на растяжение шпильки уходит лишь около 10 % момента, а около 90 % — на трение в резьбе и под гайкой. Поэтому небольшое изменение трения сильно меняет натяг: тот же момент на сухой, грязной или задранной резьбе даст заметно меньшее усилие, чем на чистой и смазанной. Значение момента всегда относится к определённой смазке и состоянию резьбы, и на сборке применяют ту смазку, что принята в расчёте.

Куда уходит момент при затяжке по моменту

• ≈ 10 %растягивает шпильку — создаёт натяг
• ≈ 90 %трение в резьбе и под гайкой

Поэтому тот же момент на сухой или грязной резьбе даёт заметно меньший натяг, чем на чистой и смазанной.

Шпильки одного фланца работают вместе. Когда затягивают очередную, прокладка рядом с ней сжимается, и соседние, уже затянутые, частично ослабевают. Поэтому даже при правильном порядке одинакового натяга с первого прохода не получить, и затяжку завершают контрольными проходами, пока гайки не перестанут поворачиваться при заданном моменте.

Ошибиться опасно в обе стороны.

• Перетяжка. Шпилька выходит за предел текучести и получает остаточное удлинение, резьба сминается, прокладка раздавливается, фланец может деформироваться. Такую шпильку повторно не применяют.
• Недотяжка. Давление среды раскрывает стык, и соединение течёт; при вибрации гайки самоотвинчиваются, а без достаточного натяга шпилька воспринимает почти всю переменную нагрузку и быстрее устаёт.
• Неравномерность. Часть шпилек перегружена, часть почти свободна: фланец перекашивается, прокладка сжата неодинаково, и течь появляется на слабой стороне.

Повторное использование и замена

При ремонте крепёж снимают, очищают и осматривают. Резьбу проверяют калибрами или прогоном гайки — она должна идти от руки по всей длине; шпильки, затянутые по удлинению, обмеряют и при остаточном удлинении бракуют. Поверхность, особенно у впадин резьбы и переходов, проверяют магнитопорошковым или капиллярным методом в объёме, который задают программа контроля и документация на оборудование. Прокладки при каждой разборке ставят новые.

Шпильку или гайку с задирами, смятой резьбой, трещиной или следами коррозии заменяют. Новый крепёж для ответственного соединения изготавливают по тому же чертежу, из той же марки стали и с документами о качестве, как и первоначальный.

Термины

• ШпилькаСтержень с резьбой на обоих концах; затягивается гайками или одним концом ввинчивается в корпус.
• НатягУсилие растяжения в затянутой шпильке или болте, которое прижимает детали соединения и прокладку.
• Релаксация напряженийПостепенное падение напряжения в затянутой детали при неизменной длине; заметна при высокой температуре.
• ЗадирПовреждение трущихся поверхностей резьбы, при котором металл местами схватывается и вырывается.
• Накатанная резьбаРезьба, выдавленная роликами без снятия стружки; лучше нарезанной сопротивляется усталости.
• Резьбовой калибрКонтрольное кольцо или пробка с резьбой: проходной должен навинчиваться, непроходной — нет.
• Гидравлический натяжительУстройство, которое растягивает шпильку гидроцилиндром, пока гайку доворачивают без усилия.
• Затяжка крест-накрестПорядок затяжки, при котором поочерёдно затягивают противоположные шпильки, в несколько проходов.

Частые вопросы

Почему на фланцах под давлением ставят шпильки, а не болты?

У шпильки нет головки, переход к которой концентрирует напряжения, её проще сделать из прутка, а одним концом её можно ввинтить в толстую стенку корпуса. Кроме того, выступающий конец шпильки позволяет затягивать её гидравлическим натяжителем.

Почему затяжка по моменту неточна?

На растяжение шпильки уходит лишь около 10 % момента, остальное съедает трение в резьбе и под гайкой. Если смазка или состояние резьбы отличаются от принятых в расчёте, тот же момент даст другой натяг.

Как работает гидравлический натяжитель?

Он растягивает шпильку гидроцилиндром на расчётную величину, а гайку в это время доворачивают до упора без усилия. После сброса давления нагрузка переходит на гайку, и шпилька остаётся растянутой.

Зачем затягивать шпильки крест-накрест?

Чтобы фланцы сближались параллельно и прокладка сжималась равномерно. Затяжку ведут в несколько проходов с ростом усилия и заканчивают контрольным проходом по кругу.

Можно ли повторно использовать шпильки?

Можно, если осмотр, проверка резьбы калибрами и неразрушающий контроль не выявили задиров, трещин и остаточного удлинения. Повреждённый крепёж заменяют новым, изготовленным по тому же чертежу, из той же стали и с документами.