Что такое высокопрочный болт?

Высокопрочные болты — крепёж из закалённой и отпущенной стали с классом прочности 8.8 и выше, применяемый там, где соединение несёт большие статические и динамические нагрузки. В болтовом фланцевом соединении болт создаёт усилие зажима, а уплотнение дают фланцевые прокладки, поэтому крепёж и прокладку подбирают вместе.

Что такое высокопрочный болт?

Высокопрочный болт определяется механическими свойствами, а не размером или формой головки. Сталь подвергают закалке и отпуску, чтобы получить высокие пределы прочности на растяжение и текучести; класс прочности отражает оба значения: первая цифра — десятая часть номинального предела прочности в МПа, вторая — отношение текучести к прочности, умноженное на десять. Наиболее распространённые классы приведены ниже.

Номинальные значения пределов прочности и текучести по классам. Класс 8.8 — нижняя граница диапазона высокопрочного крепежа.

Одной прочности недостаточно. Высокопрочные болты затягивают с заданной предварительной нагрузкой, чтобы соединяемые пластины оставались прижатыми, а нагрузка передавалась трением, а не сдвигом болта. Такое фрикционное соединение сохраняет плотность при вибрации и циклическом давлении, поэтому эти болты применяют в стальных конструкциях и в болтовых соединениях трубных фланцев.

Преимущества и ограничения

Болтовые соединения выбирают вместо сварки или клёпки по ряду технических причин, но у них есть и определённые ограничения.

• Высокая несущая способность — высокие пределы прочности и текучести позволяют выполнять компактные соединения, воспринимающие большие растягивающие и сдвигающие усилия.
• Высокая жёсткость и усталостная прочность — предварительная нагрузка удерживает контакт поверхностей, поэтому динамические нагрузки не размыкают соединение, а риск ослабления снижается.
• Быстрый монтаж на площадке — болтовые соединения приспосабливаются к условиям строительства, собираются быстро и не требуют огневых работ.
• Разъёмность и ремонтопригодность — соединение можно осмотреть, подтянуть или заменить, не разрушая конструкцию.
• Стабильное и прослеживаемое качество — производство ведётся по стандартам ISO, ASTM и GB, поэтому партии однородны и прослеживаемы.

Предварительная нагрузка, дающая жёсткость, одновременно задаёт и ограничения.

• Требования к монтажу — нагрузку задают контролем крутящего момента, методом доворота гайки или гидравлическим натяжением; недостаточная затяжка допускает проскальзывание, избыточная приводит к текучести болта или срыву резьбы.
• Состояние поверхностей — для фрикционного соединения нужны чистые контактные поверхности без масла, смазки и рыхлой ржавчины, иначе расчётный коэффициент трения не достигается; это увеличивает затраты на подготовку поверхности.
• Стоимость материалов — легированные конструкционные стали хромистых и хромомолибденовых марок, дуплексные нержавеющие стали 2205 и 2507, а также никелевые сплавы Incoloy 800 и Monel 400 требуют термообработки и стоят дороже обычных болтов.
• Риск отсроченного разрушения — при возможном водородном охрупчивании или коррозии под напряжением слабый контроль материала и технологии оставляет риск отсроченного растрескивания.

Где применяют высокопрочные болты

Общее для этих отраслей — соединение, воспринимающее большие нагрузки, вибрацию или усталость, которое часто нельзя выполнить сваркой.

• Стальные конструкции — балки, колонны и косынки высотных зданий, стадионов и выставочных комплексов, как правило, тяжёлые болты с шестигранной головкой или болты со срывной головкой.
• Мосты — главные фермы, косынки и опорные узлы железнодорожных, автомобильных и морских мостов, где важны усталостная прочность и долговечность.
• Ветроэнергетика и солнечная энергетика — башни турбин, соединения лопастей и опоры фотоэлектрических модулей, обычно класс 10.9 и выше, при переменной нагрузке и открытом воздействии среды.
• Железнодорожный транспорт и машиностроение — тележки, сцепные устройства и соединения кузова скоростных поездов, метрополитена и большегрузных вагонов.
• Тяжёлая техника и горное оборудование — экскаваторы, дробилки и прессы при сильной вибрации и ударных нагрузках.

Подбор начинают с нагрузки и среды: класс прочности, марка сплава или нержавеющей стали под коррозию и температуру, покрытие (горячее цинкование, дакромет, цинк-алюминиевое покрытие) под условия эксплуатации. Затем болты затягивают по откалиброванной схеме, обычно крест-накрест в несколько проходов, чтобы предварительная нагрузка распределилась равномерно.

Вопросы и ответы

Класс прочности, контроль предварительной нагрузки и покрытие определяют работу соединения; ниже — вопросы, возникающие при подборе и монтаже.

Чем высокопрочный болт отличается от обычного?

Обычный болт — универсальный крепёж, а высокопрочный проходит закалку и отпуск до класса 8.8 и выше и затягивается с предварительной нагрузкой, поэтому соединение работает на трении, а не на сдвиг болта.

Какой класс прочности выбрать?

Класс 8.8 покрывает большинство стальных конструкций, класс 10.9 — обычный выбор для башен ветроустановок и нагруженных узлов, класс 12.9 применяют в компактных соединениях, где выигрыш в прочности важнее пластичности.

Как контролируют предварительную нагрузку при монтаже?

Основные методы — контроль крутящего момента, доворот гайки и гидравлическое натяжение. Калибровка инструмента и порядок затяжки не менее важны, чем заданное значение.

Влияет ли покрытие на момент затяжки?

Да. Горячее цинкование, дакромет и цинк-алюминиевое покрытие меняют условия трения под гайкой, поэтому момент пересчитывают для покрытого крепежа, а не берут от болта без покрытия.

Когда болты заменяют, а не используют повторно?

Перетянутые, корродированные или работавшие в водородной среде болты при разборке соединения заменяют: риск отсроченного разрушения остаётся в самом болте.