美制緊固件國產(chǎn)化技術(shù)攻關(guān)淺談

【摘 要】本文論述了美制緊固件國產(chǎn)化的幾種實施方案，通過對美制緊固件標(biāo)準(zhǔn)的分析及技術(shù)攻關(guān)，實現(xiàn)了美制緊固件的國產(chǎn)化，達到降本增效的目的。

【關(guān)鍵詞】美制緊固件；國產(chǎn)化；技術(shù)攻關(guān)；降本增效

引言

燃氣輪機具有：體積小、重量輕、啟動快、安裝周期短、效率高、污染排放低、可靠性高、壽命長、便于維修等諸多優(yōu)點，被視為當(dāng)今世界最先進和最主要的動力機械。由于它可燃用多種燃料，因而從國家能源結(jié)構(gòu)來講，是一個很好的發(fā)展方向；它還可利用其高排氣，在余熱鍋爐中產(chǎn)生蒸汽來供熱實現(xiàn)熱電聯(lián)供，進而可以實現(xiàn)熱、電、冷三聯(lián)供，更有效地利用能源，故其市場潛力很大。9E燃氣輪機的生產(chǎn)和獨立銷售，使我公司躋身于國家重要發(fā)電設(shè)備行列，成為我國目前生產(chǎn)9E燃氣輪機的基地之一，奠定了我公司在國內(nèi)大型燃機制造領(lǐng)域的“3+1”的地位。

燃氣輪機是我公司的主要產(chǎn)品，采用了美國GE公司的先進技術(shù)，其中用到了大量的美制緊固件，以前均是依賴進口，費用昂貴、供貨周期長。所以，實現(xiàn)燃機零部件的國產(chǎn)化變得十分緊迫和重要。故公司將美制緊固件國產(chǎn)化列為2010年第001號技術(shù)攻關(guān)項目，標(biāo)準(zhǔn)化室作為項目的負責(zé)單位，組織項目組成員主要從國內(nèi)外緊固件標(biāo)準(zhǔn)及材料對照分析、GE緊固件規(guī)范翻譯廠化、確定定供貨商等幾方面進行了技術(shù)攻關(guān)，通過美制緊固件的國內(nèi)采購和用國標(biāo)緊固件替代等途徑，實現(xiàn)了美制緊固件的國產(chǎn)化，達到降本增效的目的。

1.分析對照項目及方法

實現(xiàn)國產(chǎn)化的前提是要有標(biāo)準(zhǔn)，使其在國內(nèi)生產(chǎn)成為可能。故其首要任務(wù)是標(biāo)準(zhǔn)的對照分析。考慮標(biāo)準(zhǔn)緊固件的功能及使用性能的要求，按下列順序選擇主次對照分析項目。

結(jié)構(gòu)形狀是表征標(biāo)準(zhǔn)緊固件的功能及安裝使用的特征。結(jié)構(gòu)形狀的對照，是進行標(biāo)準(zhǔn)緊固件轉(zhuǎn)化的首選項目，結(jié)構(gòu)形狀的差異，將會引起原引進設(shè)計文件的變動給國產(chǎn)化工作帶來困難，應(yīng)盡量避免出現(xiàn)此類轉(zhuǎn)化。

基本尺寸是表征標(biāo)準(zhǔn)緊固件的規(guī)格大小及使用范圍的特征?；境叽绲膶φ眨沁M行標(biāo)準(zhǔn)緊固件轉(zhuǎn)化的一項基本項目，基本尺寸不同，將會引起原引進設(shè)計文件的變動，給國產(chǎn)化工作帶來困難，應(yīng)盡量避免出現(xiàn)此類轉(zhuǎn)化。若轉(zhuǎn)化后的基本尺寸范圍未能覆蓋轉(zhuǎn)化前的基本尺寸，其使用范圍將受到限制，有可能滿足不了原引進設(shè)計文件的選用要求。

材料牌號是表征標(biāo)準(zhǔn)緊固件承載能力的一項重要指標(biāo)項目。材料牌號的對照，是進行標(biāo)準(zhǔn)緊固件轉(zhuǎn)化的一項關(guān)鍵項目，不同的材料牌號，將會影響標(biāo)準(zhǔn)緊固件承受載荷的能力，造成標(biāo)準(zhǔn)緊固件在使用過程中發(fā)生斷裂等故障，而給產(chǎn)品帶來極大的危害。技術(shù)條件是表征標(biāo)準(zhǔn)緊固件的技術(shù)要求及驗證與驗收其使用功能和可靠性要求的重要文件項目。技術(shù)條件的對照，是進行標(biāo)準(zhǔn)緊固件轉(zhuǎn)化的一項重要項目，技術(shù)條件的差異，尤其是設(shè)計載荷或保證載荷及驗收試驗方法，將會影響到標(biāo)準(zhǔn)緊固件的使用功能及可靠性，關(guān)系到標(biāo)準(zhǔn)緊固件的質(zhì)量。

螺紋精度是表征緊固件的配合性能的一項重要技術(shù)性能指標(biāo)，螺紋精度的對照對標(biāo)準(zhǔn)緊固件轉(zhuǎn)化極為重要。螺紋精度的不同，將會影響螺紋的配合松緊程度，產(chǎn)生松動現(xiàn)象而影響產(chǎn)品的質(zhì)量。表面處理是表征標(biāo)準(zhǔn)緊固件的防腐能力，以適應(yīng)使用環(huán)境要求的重要性能指標(biāo)項目。因為表面處理不同，將會影響標(biāo)準(zhǔn)緊固件的防腐性能而使標(biāo)準(zhǔn)緊固件喪失功能。

上述項目中結(jié)構(gòu)形狀、基本尺寸、材料牌號和技術(shù)條件是4個關(guān)鍵項目，依據(jù)美國標(biāo)準(zhǔn)查找相應(yīng)的中國標(biāo)準(zhǔn)，進行比較，以便選擇較為合適的對照分析標(biāo)準(zhǔn)。由于美國緊固件標(biāo)準(zhǔn)主要是以材料牌號為主編制成一項標(biāo)準(zhǔn)，而中國標(biāo)準(zhǔn)則是以結(jié)構(gòu)形狀為主編制成一項標(biāo)準(zhǔn)，對照分析中，有可能出現(xiàn)一個中國標(biāo)準(zhǔn)對應(yīng)幾個美國標(biāo)準(zhǔn)。而美國緊固件標(biāo)準(zhǔn)編制采用的尺寸系列與中國標(biāo)準(zhǔn)不同，還有美國標(biāo)準(zhǔn)的以全系列規(guī)格尺寸出現(xiàn)，如墊圈，一個公稱尺寸對應(yīng)若干個直徑和厚度尺寸。對照分析中，也會出現(xiàn)一個美國標(biāo)準(zhǔn)對應(yīng)幾個中國標(biāo)準(zhǔn)。材料牌號的對照，只能從化學(xué)成分和機械性能進行比較，以不低于國外材料標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的機械性能為主，來確立替代關(guān)系。緊固件的一般結(jié)構(gòu)尺寸對照，要完全對應(yīng)十分困難，只能在保證緊固件的基本尺寸規(guī)格相同的條件下，一般結(jié)構(gòu)尺寸盡可能一致或接近。

2.國內(nèi)外緊固件標(biāo)準(zhǔn)對照分析

2.1 緊固螺紋簡介

螺紋可分為：緊固螺紋、管螺紋及傳動螺紋3大類。其中，緊固螺紋包括：普通螺紋、過渡配合與過盈配合螺紋、大間隙螺紋及儀器用特種螺紋等。普通螺紋又可按計量單位和發(fā)明國分為3種螺紋，即米制、美制及英制螺紋。

本次攻關(guān)主要涉及美制螺紋和米制螺紋。

米制螺紋基本牙型是等邊三角形牙頂牙底截短的輪廓，牙型角為60°，螺紋用字母M（表示米制普通螺紋）標(biāo)記，規(guī)格大小以公稱直徑和螺距表示，計量單位為毫米，即米制，主要標(biāo)準(zhǔn)有：

a)國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 68-1、ISO 261、ISO 965-1 米制普通螺紋

b)中國標(biāo)準(zhǔn)GB/T 192～193、GB/T 196～197 普通螺紋

c)德國標(biāo)準(zhǔn)DIN 13 普通螺紋

d)日本標(biāo)準(zhǔn)JIS B 0205、B 0207、B 0209、B 0211、B 0215 米制普通螺紋

e)澳大利亞標(biāo)準(zhǔn)AS 1275 米制普通螺紋

美制普通螺紋即“統(tǒng)一螺紋”，其螺紋基本牙型是等邊三角形牙頂牙底截短的輪廓，牙型角為60°（與米制螺紋牙型相同），螺紋規(guī)格用公稱直徑和每英寸內(nèi)的牙數(shù)標(biāo)記，計量單位為英寸。螺紋代號有：UNC（統(tǒng)一粗牙螺紋）；UNF（統(tǒng)一細牙螺紋）；UN（統(tǒng)一恒定螺距螺紋）等。其中，商品緊固件常用粗牙和細牙螺紋系列和4UN、6UN、8UN、12UN、28UN、32UN等恒定螺距系列螺紋。

美制螺紋和螺紋量規(guī)標(biāo)準(zhǔn)主要有：

a)美國標(biāo)準(zhǔn)ASME B1.1-2002 統(tǒng)一英寸螺紋

b)美國標(biāo)準(zhǔn)ASME B1.2-1983（R2001） 統(tǒng)一英寸螺紋量規(guī)和測量

c)美國標(biāo)準(zhǔn)ASME B1.3M-1992（R2001） 統(tǒng)一英寸螺紋尺寸接收檢驗方法

2.2 緊固件機械性能與材料

國際上大多數(shù)的緊固件機械性能標(biāo)準(zhǔn)(如使用米制單位的國家)都已等效或等同采用了國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 898《緊固件機械性能》系列標(biāo)準(zhǔn)，我國緊固件機械性能標(biāo)準(zhǔn)GB/T 3098就是等同采用ISO898。但美國則是按自己的標(biāo)準(zhǔn)體系制定了系列標(biāo)準(zhǔn)，所有的機械性能內(nèi)容和等級標(biāo)志、測試方法都與ISO標(biāo)準(zhǔn)不一樣。美國緊固件機械性能標(biāo)準(zhǔn)分別以ASTM、ASME、SAE和IFI的標(biāo)準(zhǔn)頒布；各協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容相對獨立、自成體系，又相互包容。美國緊固件機械性能標(biāo)準(zhǔn)與ISO標(biāo)準(zhǔn)一樣是相對獨立的，是緊固件的基礎(chǔ)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，有獨立的標(biāo)準(zhǔn)編號。為方便設(shè)計對照轉(zhuǎn)化，我們編制了美制緊固件與米制緊固件機械性能的對照表。

對一些使用在特殊環(huán)境中的外螺紋緊固件，腐蝕環(huán)境有大氣腐蝕、電腐蝕、高溫氧化和應(yīng)力腐蝕等。國外緊固件標(biāo)準(zhǔn)的制定不是簡單的通過增加表面鍍層來提高防腐蝕性能，而是選用合適的材料達到一定強度等級來滿足要求。如ASTM A437/437M《高溫作業(yè)用透平式經(jīng)特殊熱處理的合金鋼栓接材料》、ASTM A193/193M《高溫下的合金鋼和不銹鋼螺栓材料》都是用于高溫環(huán)境的栓接材料，標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定不同的等級選用不同的耐腐蝕合金鋼材料或鐵素體、奧氏體和馬氏體不銹鋼材料，并經(jīng)相應(yīng)熱處理來適應(yīng)不同的環(huán)境使用要求。

我國新制定的標(biāo)準(zhǔn)GB/T 20410-2006《渦輪機高溫螺栓用鋼》，是非等效采用歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN 20269：1999《制造高溫和(或)低溫緊固件用鋼棒和鎳合金鋼》和美國材料與試驗協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)ASTM A437/437M《高溫作業(yè)用透平式經(jīng)特殊熱處理的合金鋼栓接材料》。我公司GE規(guī)范中高溫緊固件的材料，主要選用了ASTM A193 中B16、B7和ASTM A437中B4B幾個等級，將其與GB/T 20410中相對應(yīng)的我國材料進行對照：

化學(xué)成分：B16與40CrMoVA、B4B與2Cr12NiMo1W1的化學(xué)成分基本一致；而B7與42CrMoA的Mn含量相差較大，其余成分差不多。

力學(xué)性能：B16與40CrMoVA的機械性能基本一致；B4B與40CrMoVA的機械性能略有差別，B4B的屈服強度比2Cr12NiMo1W1低40MPa，B4B的抗拉強度比2Cr12NiMo1W1高70MPa；而B7的屈服強度和抗拉強度均比42CrMoA高。

綜上所述，美國材料標(biāo)準(zhǔn)和我國材料標(biāo)準(zhǔn)不能完全一一對應(yīng)，只能大致對應(yīng)。

3.確定國產(chǎn)化實施方案

一是在國內(nèi)采購符合美國標(biāo)準(zhǔn)的美制緊固件，通過對國內(nèi)緊固件行業(yè)的調(diào)研了解到，近年來隨著改革開放、技術(shù)引進等，新材料、新工藝的運用，國內(nèi)緊固件行業(yè)有了很大發(fā)展，我國正在變成緊固件制造大國，已經(jīng)能夠生產(chǎn)各種標(biāo)準(zhǔn)包括美制、英制、米制的緊固件，并大量出口到國外，成為各大跨國公司的供貨商，此外我國鋼鐵行業(yè)的發(fā)展，新冶煉技術(shù)也能生產(chǎn)出符合美國材料和試驗協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)的高溫緊固件用材料，確保了緊固件的性能，使得在國內(nèi)采購按美國標(biāo)準(zhǔn)制造的美制緊固件成為可能。使得按國外標(biāo)準(zhǔn)在國內(nèi)生產(chǎn)緊固件成為可能。

我們統(tǒng)計出燃機產(chǎn)品所用全部美制緊固件的種類，共計五大類，40多個品種，對其規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)及技術(shù)規(guī)范進行分析對比，通過對照分析，由于結(jié)構(gòu)形狀的差異：如12角法蘭面螺釘、螺母；12角自鎖螺母等，我國還沒有相應(yīng)的國家標(biāo)準(zhǔn)；基本尺寸的不全：國外緊固件標(biāo)準(zhǔn)與我國緊固件標(biāo)準(zhǔn)所選取的尺寸系列不一致；運行條件的不同：燃機高溫、高強度的特殊運行條件，我國目前還沒有此類運行條件下的緊固件機械性能國家標(biāo)準(zhǔn)。使得無法找到可以直接引用的國家標(biāo)準(zhǔn)，直接引用將導(dǎo)致原引進設(shè)計文件的變動，可能對產(chǎn)品質(zhì)量有影響。故對于我公司燃機產(chǎn)品關(guān)鍵和重要的部套，如透平氣缸等，為確保產(chǎn)品的可靠性，其美制緊固件的國產(chǎn)化只能通過在國內(nèi)采購?fù)耆疵绹鴺?biāo)準(zhǔn)制造的美制緊固件來實現(xiàn)。

二是用國標(biāo)緊固件替代，由于兩種緊固件的螺紋、標(biāo)準(zhǔn)體系和計量單位均不同，其性能有所差別，只有在燃機非重要部套，如管路系統(tǒng)等，且螺栓、螺母是配套使用的，設(shè)計人員可以按美制緊固件與米制緊固件機械性能對照表，直接選用相應(yīng)強度等級的國標(biāo)緊固件替代美制緊固件。

三是將美制螺紋米制化，我公司以前曾將GE緊固件中的合金鋼12角螺栓、螺母轉(zhuǎn)化為米制，分別制定了行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，由于工藝不過關(guān)、需求量小等原因，質(zhì)量不好且價格昂貴，故沒有在產(chǎn)品上得到使用。這種方法在現(xiàn)階段達不到降本增效的目的，只是為了國產(chǎn)化而國產(chǎn)化，沒有實際意義。

4.選定國內(nèi)供貨商

通過市場調(diào)研及分析對比，我們選定一家上海公司為我公司美制緊固件的供貨商，該公司主要生產(chǎn)和分銷螺紋緊固件和精密機械零件，其產(chǎn)品主要用于發(fā)電設(shè)備、石油礦山等行業(yè)。該公司是美國GE公司的緊固件供貨商，能夠按美國標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)美制緊固件；且該公司與寶鋼集團簽有一系列的技術(shù)協(xié)議，可以購買到符合美國標(biāo)準(zhǔn)ASTM A193和ASTM A437的材料，這也是我公司燃機產(chǎn)品中高溫緊固件所用的重要材料，從而解決了美制緊固件國產(chǎn)化的關(guān)鍵問題。

5.GE緊固件規(guī)范翻譯廠化

我們統(tǒng)計了燃機產(chǎn)品用到的美制緊固件，其中螺栓類：5種；螺釘類：17種；螺母類：12種；墊圈類：4種；銷類：3種。為方便國內(nèi)采購時的檢驗，我們將其用到的GE規(guī)范進行了翻譯廠化，把英制尺寸轉(zhuǎn)化為米制，便于在國內(nèi)采購時進廠復(fù)驗，翻譯廠化并歸檔GE規(guī)范36份。同時編制了GE緊固件規(guī)范中引用的美國標(biāo)準(zhǔn)目錄。

6.經(jīng)濟效益分析

在制造商直接采購符合GE規(guī)范的美標(biāo)緊固件，可以節(jié)省各種稅收、運輸費用及中間商的利潤，大大降低采購成本，縮短供貨周期，達到降本增效的目的，具有較大的經(jīng)濟效益。燃氣輪機主要由壓氣機、燃燒室、透平氣缸和排氣缸等四大部分組成，它們之間全靠高溫緊固件連接成整體，這些高溫緊固件在機組中具有重要地位。以機組透平氣缸、排氣缸使用的合金鋼12角頭螺栓為例，每臺用量約900件，國內(nèi)采購價約是進口價的30%到60%，單這個品種每臺燃機就可節(jié)省近8萬元，降低該部分緊固件采購成本約38.6%。

7.攻關(guān)成果

此次攻關(guān)主要取得了如下成果：

—— 通過對美制緊固件螺紋、標(biāo)準(zhǔn)和材料的分析對照，了解了美制螺紋的特點及美制螺紋與米制螺紋間的差異，熟悉了美制緊固件的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系；

—— 翻譯、廠化GE緊固件規(guī)范36份；

—— 經(jīng)過考查驗證，選定了具有GE供應(yīng)商資質(zhì)的國內(nèi)制造商，能夠完全按照美國標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)美制緊固件，保證產(chǎn)品質(zhì)量；

—— 實現(xiàn)了美制緊固件的國產(chǎn)化，大大降低采購成本，縮短供貨周期，達到降本增效的目的；提高了燃機零部件的國產(chǎn)化率，為燃機的國產(chǎn)化打好基礎(chǔ)，具有較大的社會、經(jīng)濟效益。

—— 該項目獲得公司2011年度技術(shù)攻關(guān)三等獎。