В чём разница между шпилькой и болтом с шестигранной головкой?

ASME B16.5 допускает только шпильки в нагруженных фланцевых соединениях, что часто удивляет тех, кто привык брать болты с шестигранной головкой. Причина инженерная, а не традиционная: шпилька работает на чистое растяжение, затягивается с обоих концов и удерживает напряжение прокладки, необходимое для герметичности при тепловых циклах. В сравнении разобраны оба типа крепежа, подходящие фланцевые прокладки и усиленные шестигранные гайки, а также области их применения.

Почему нормы допускают только шпильки

Стандарты ASME B16.5 (фланцы и фланцевые фитинги) и ASME B31.3 (технологические трубопроводы) требуют шпильки для фланцевых соединений, работающих под давлением. Причины следующие.

• Равномерное сжатие прокладки: две гайки нагружают соединение симметрично, поэтому напряжение распределяется по всей уплотняющей поверхности.
• Нет переходного радиуса под головкой: отсутствие головки исключает концентрацию напряжений и зарождение усталостной трещины.
• Повторяемое предварительное натяжение: попеременная затяжка с обоих концов позволяет контролировать нагрузку по каждому болту согласно ASME PCC-1.
• Простое обслуживание: доступ к обоим концам позволяет разбирать и собирать соединение без удержания головки.

Симметричная нагрузка сохраняет плотность трубных фланцев при колебаниях температуры и давления, именно там болты с шестигранной головкой начинают терять затяжку и прокладка перестает держать.

Распространенное исключение — чугунные фланцы классов 125 и 250 по ASME B16.1, где допускаются болты с шестигранной головкой ASTM A307 марки B. Это низконапорные некритичные соединения.

Конструкция, изготовление и подбор марок

Шпилька — безголовый цилиндрический стержень с резьбой на обоих концах. Различают шпильки с полной резьбой и шпильки с двумя концами, у которых между резьбовыми участками остается гладкий стержень. Оба варианта требуют двух усиленных шестигранных гаек, по одной с каждого конца.

• Шпилька с полной резьбой применяется при меняющейся длине захвата: гайка наворачивается на любом участке.
• Шпилька с двумя концами: гладкий стержень сохраняет большее расчетное сечение и облегчает центровку в отверстии.
• Усиленная шестигранная гайка (ASTM A194 Gr. 2H, 8 или 8M): большая ширина под ключ и высота, чем у стандартной, поэтому опорная поверхность соответствует нагрузке.

Болт с шестигранной головкой имеет кованую головку с одного конца и одну гайку с другого. При затяжке головка воспринимает эксцентричную нагрузку, а закругление между головкой и стержнем концентрирует напряжения, повышая риск усталостного разрушения при циклических и ударных нагрузках.

Изготовление подчиняется той же логике. Шпильки производить проще: малые и средние размеры, обычно до M24, получают холодной высадкой или обработкой прутка, а для больших диаметров резьбу нарезают или накатывают прямо на круглом прутке. Отсутствие операции формовки головки сокращает процесс, повышает использование материала и снижает стоимость.

• Холодная формовка применима примерно до M24: материал деформируется в штампах при комнатной температуре с высокой производительностью и использованием материала выше 90%.
• Горячая ковка применяется выше M24: нагрев прутка до красного каления предотвращает растрескивание и обеспечивает непрерывное зерно от головки к стержню.
• Формование, а не резание, заставляет зерно повторять контур болта, что повышает прочность и усталостную стойкость.

Таблица: типовое сочетание марок шпильки и гайки в нефтехимической практике. Марку гайки всегда подбирайте под марку шпильки.

Затяжка, маркировка и хранение

Крутящий момент можно прикладывать к обеим гайкам шпильки, поэтому предварительное натяжение контролируют с каждого конца. У болта с шестигранной головкой приходится удерживать головку и вращать гайку, из-за чего в стержне возникает кручение и точность окончательного натяжения снижается.

• Затягивайте крест-накрест за несколько проходов и заканчивайте по значению из ASME PCC-1 для данного размера прокладки и болта.
• Маркировка марки наносится на конец шпильки и на верх головки болта, это самый быстрый способ проверки на месте.
• Храните шпильки комплектами с двумя гайками, чтобы сохранить прослеживаемость партии и правильное сочетание материалов.
• Для работы при температурах до 550 °C (1022 °F) указывайте марки B7, B8 или B16 по ASTM A193: они сопротивляются релаксации напряжений и ползучести.

Вопросы и ответы

Можно ли заменить шпильку болтом с шестигранной головкой во фланцевом соединении ASME B16.5?

Нет. ASME B16.5 и ASME B31.3 требуют шпильки для соединений под давлением: только она дает равномерное сжатие прокладки и исключает концентрацию напряжений под головкой.

Почему шпильки лучше работают при высоких температурах?

У шпильки нет закругления под головкой, поэтому главный очаг концентрации напряжений отсутствует. В сочетании с марками B7 или B8 по ASTM A193 она сохраняет натяжение против ползучести и релаксации примерно до 550 °C (1022 °F).

Какая марка гайки подходит к шпильке B7?

Используйте усиленные шестигранные гайки ASTM A194 Gr. 2H для B7, Gr. 8 для B8 и Gr. 8M для B8M. Стандартные гайки слишком низкие и могут сорваться при требуемом натяжении.

Как быстро отличить эти крепежные элементы на месте?

Шпилька не имеет головки, с резьбой на обоих концах и двумя гайками. У болта с шестигранной головкой кованая головка с одной стороны и одна гайка с другой.

Какие марки подходят для сероводородной среды по NACE MR0175?

Указывайте шпильки ASTM A193 Gr. B7M с гайками ASTM A194 Gr. 2HM для сопротивления сульфидному растрескиванию под напряжением.