發(fā)動機(jī)高溫螺栓緊固可靠性研究

趙振龍，孫丹，崔海冰

1.內(nèi)燃機(jī)可靠性國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東濰坊 261061； 2.濰柴動力股份有限公司, 山東濰坊 261061

0 引言

隨著發(fā)動機(jī)功率密度、排氣溫度、零部件熱負(fù)荷不斷提高，對高溫零件的緊固和密封可靠性提出更高的要求[1]。發(fā)動機(jī)高溫螺栓的工作溫度高達(dá)700 ℃，導(dǎo)致排氣管出氣口、增壓器廢氣法蘭等部位經(jīng)常出現(xiàn)螺栓斷裂失效和漏氣故障[2-3]。吳衛(wèi)鈺等[4]通過試驗(yàn)確認(rèn)排氣歧管結(jié)構(gòu)優(yōu)化和定位孔優(yōu)化可以減小排氣歧管關(guān)鍵部位熱變形對緊固螺栓的擠壓剪切，從而解決緊固螺栓斷裂的問題；王偉[5]研究分析了螺栓材料耐熱性能對緊固可靠性的影響；隋鵬超等[6]研究分析了螺栓連接結(jié)構(gòu)對螺栓軸力波動的影響。本文中從緊固件工作溫度、高溫材料性能變化、高溫蠕變及熱膨脹、螺栓連接結(jié)構(gòu)等多個角度分析高溫螺栓軸力衰減規(guī)律，針對不同的影響因素提出相應(yīng)的解決措施，有效提高高溫緊固可靠性和密封可靠性。

1 螺栓軸力衰減理論分析

螺栓軸力可由彈性模量、應(yīng)力、應(yīng)變的定義推導(dǎo)得到。

彈性模量

E=σ/ε，

式中：σ為應(yīng)力，MPa；ε為應(yīng)變。

應(yīng)力

σ=F/A，

式中：F為螺栓軸力，kN；A為螺栓截面積，mm2。

應(yīng)變

ε=Δl/l，

式中：l為螺栓長度，mm；Δl為螺栓伸長量，mm。

由式(1)～(3)可知：

F=AEΔl/l。

(4)

對于確定的螺栓，A、l不變，由式(4)可知，高溫環(huán)境下，F(xiàn)隨E和Δl的變化而變化。

金屬材料的彈性模量和強(qiáng)度是高溫環(huán)境下螺栓軸力衰減的主要因素[7-8]。金屬材料的彈性模量和強(qiáng)度隨著溫度增加而降低，彈性模量降低直接導(dǎo)致軸力下降，材料強(qiáng)度降低導(dǎo)致螺栓最大承載能力減小。螺栓經(jīng)過淬火或固溶時效等熱處理工藝后，其強(qiáng)度發(fā)生變化，原材料的標(biāo)準(zhǔn)性能參數(shù)并不能完全適用于工程實(shí)際應(yīng)用。因此，有必要對緊固件在不同溫度下的強(qiáng)度進(jìn)行研究。

圖1 排氣管螺栓連接結(jié)構(gòu)

高溫蠕變是導(dǎo)致螺栓軸力衰減的重要因素之一[9-10]。蠕變是固體材料在應(yīng)力不變的條件下，應(yīng)變隨時間延長而增加的現(xiàn)象。蠕變多屬于塑性變形，不可回彈。零件承受的應(yīng)力越大，工作溫度越高，時間越長，蠕變量越大。高溫蠕變產(chǎn)生的塑性變形可導(dǎo)致螺栓軸力松弛衰減。蠕變屬于材料的固有屬性，主要取決于材料的組成成分，例如材料中鎳元素含量較高時，材料表現(xiàn)出來的耐溫特性更優(yōu)。高溫蠕變對不同材料成分高溫螺栓，軸力衰減的影響不同。

熱膨脹也會導(dǎo)致螺栓軸力的變化[11-12]。熱膨脹受材料熱膨脹系數(shù)、零件長度、工作溫度等的影響。以圖1所示的排氣管螺栓連接結(jié)構(gòu)為例，由于螺栓、套筒和法蘭的材料及尺寸不同，3個零件產(chǎn)生的熱膨脹存在差異，進(jìn)而導(dǎo)致螺栓軸力的波動。單純抑制螺栓的熱膨脹不能有效解決軸力衰減問題，需要優(yōu)化螺栓及被連接件的材料及尺寸配合。

2 高溫螺栓軸力衰減研究

根據(jù)螺栓軸力衰減的理論分析，本文中從螺栓工作溫度探測、材料性能變化、高溫蠕變、熱膨脹等方面對高溫螺栓的軸力衰減規(guī)律進(jìn)行研究和分析。

2.1 高溫螺栓工作溫度測量

常用的耐熱螺栓包括排氣管螺栓、增壓器螺栓、廢氣再循環(huán)(exhaust gas recirculation，EGR)高溫氣體管路螺栓等。選取A、B兩款發(fā)動機(jī)，采用熱電偶測量主要高溫螺栓的溫度，測量位置如圖2所示。發(fā)動機(jī)按照外特性曲線運(yùn)行，轉(zhuǎn)速由怠速開始，以50 r/min為間隔升高到標(biāo)定轉(zhuǎn)速，每個轉(zhuǎn)速點(diǎn)穩(wěn)定運(yùn)行5 min以上，螺栓工作溫度穩(wěn)定后再運(yùn)行下一工況。

a)發(fā)動機(jī)A b)發(fā)動機(jī)B 圖2 測試高溫螺栓位置

發(fā)動機(jī)A EGR管路固定螺栓、發(fā)動機(jī)B排氣管螺栓和增壓器螺栓的溫度測試結(jié)果如圖3、4所示。

由圖3、4可知：1)發(fā)動機(jī)A EGR管路固定管螺栓最高溫度與渦后排溫差異較小，主要原因?yàn)楦鞲着艢饩鶇R集到EGR管路，導(dǎo)致固定螺栓溫度較高；2)發(fā)動機(jī)B排氣管螺栓最高溫度為341 ℃，增壓器螺栓最高溫度為514 ℃；由于套筒結(jié)構(gòu)隔熱，排氣管螺栓溫度較低；增壓器螺栓安裝在增壓器廢氣法蘭位置，是各缸排氣匯集處，溫度較高；3)排氣管螺栓溫度較低，一般低于400 ℃；增壓器螺栓和EGR管路螺栓溫度較高，達(dá)到500～600 ℃，隨著排氣溫度的增加，甚至更高。

圖3 發(fā)動機(jī)A EGR管路固定螺栓溫度測試曲線 圖4 發(fā)動機(jī)B高溫螺栓溫度測試曲線

2.2 螺栓材料強(qiáng)度隨溫度的變化

金屬材料的強(qiáng)度和彈性模量隨溫度增加而降低，彈性模量降低導(dǎo)致軸力下降，強(qiáng)度降低導(dǎo)致螺栓更容易達(dá)到屈服狀態(tài)，可承受動載能力降低。

注：圖中單位為mm。 圖5 材料試棒參數(shù)

根據(jù)文獻(xiàn)[13]規(guī)定的試驗(yàn)方法，采用試棒測試不同材料高溫螺栓在不同溫度下的強(qiáng)度。本文中選用高溫螺栓常用的25Cr2MoVA、40Cr10Si2Mo、42Cr9Si2、和06Cr15Ni25Ti2MoALVB 4種材料加工成試棒，試棒參數(shù)如圖5所示。按照螺栓圖紙要求對試棒進(jìn)行熱處理，使之更接近螺栓的真實(shí)強(qiáng)度。將試棒夾持在高溫拉伸試驗(yàn)機(jī)上，先加熱2 h達(dá)到預(yù)設(shè)溫度并保溫0.5 h，然后進(jìn)行拉伸試驗(yàn)和屈服強(qiáng)度試驗(yàn)。試驗(yàn)完成后，對測得的不同溫度下的抗拉和屈服強(qiáng)度進(jìn)行曲線擬合，形成螺栓材料拉伸強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度隨溫度的變化曲線，如圖6所示。

a)抗拉強(qiáng)度 b)屈服強(qiáng)度圖6 螺栓材料抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度隨溫度變化曲線

由圖6可知：1)4種材料的抗拉和屈服強(qiáng)度均隨溫度的升高而下降；2)材料25Cr2MoVA、40Cr10Si2Mo、42Cr9Si2的抗拉和屈服強(qiáng)度下降明顯，溫度高于550 ℃時，3種材料的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度較常溫時下降60%以上；3)06Cr15Ni25Ti2MoALVB性能穩(wěn)定，溫度高于550 ℃時，抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度強(qiáng)度下降20%左右。材料06Cr15Ni25Ti2MoALVB耐高溫性能更優(yōu)，是高溫螺栓優(yōu)選材料。

2.3 螺栓材料高溫蠕變性能

根據(jù)文獻(xiàn)[14]推薦的試驗(yàn)方法對25Cr2MoVA、40Cr10Si2Mo、06Cr15Ni25Ti2MoALVB材料進(jìn)行高溫蠕變試驗(yàn)。按照如圖7所示的高溫蠕變試棒圖紙制作試驗(yàn)試棒，并按照螺栓技術(shù)要求進(jìn)行熱處理。蠕變試棒夾持在高溫蠕變試驗(yàn)機(jī)上，加熱至規(guī)定溫度(根據(jù)2.1節(jié)測得螺栓實(shí)際工作溫度，設(shè)定500、600 ℃ 2種溫度邊界)并保溫1 h，對試棒加載預(yù)設(shè)軸力(將高溫緊固件的預(yù)緊軸力換算成試棒的試驗(yàn)拉伸軸力，設(shè)定2種載荷，分別為5、8 kN )；試驗(yàn)過程中采用引伸計測試試棒蠕變，測試位置為試棒中間直徑為5 mm、長度為25 mm的圓柱段，設(shè)備自動生成蠕變隨時間變化的曲線；試驗(yàn)總時間為480 h，期間若試棒斷裂，則終止試驗(yàn)。25Cr2MoVA材料在軸力為8 kN、溫度為500 ℃條件下的蠕變隨時間變化曲線、蠕變速率曲線分別如圖8所示。3種材料試棒的高溫蠕變試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

注：圖中單位為mm。 圖7 高溫蠕變試棒數(shù)據(jù)

a)高溫蠕變 b)高溫蠕變速率圖8 25Cr2MoVA材料高溫蠕變及蠕變速率曲線

表1 3種材料高溫蠕變試驗(yàn)結(jié)果

由圖8及表1可知：1)軸力越大，相同時間內(nèi)蠕變越大，蠕變速率越快；2)溫度越高，相同時間內(nèi)蠕變越大，蠕變速率越快；3)結(jié)合圖6可知，由于強(qiáng)度下降以及高溫蠕變大等原因，25Cr2MoVA和40Cr10Si2Mo材料在600 ℃時無法使用；4)06Cr15Ni25Ti2MoALVB材料高溫蠕變特性表現(xiàn)良好，在大軸力(8 kN)及高溫(600 ℃)條件下蠕變很小。

25Cr2MoVA和40Cr10Si2Mo材料在相同溫度和相同軸力條件下，高溫蠕變差異較小，其高溫蠕變速率對比如圖9所示。由圖9可知：材料25Cr2MoVA和40Cr10Si2Mo的高溫蠕變速率基本一致，但40Cr10Si2Mo蠕變速率更穩(wěn)定，波動更小。

圖9 材料25Cr2MoVA和40Cr10Si2Mo高溫蠕變速率對比

2.4 熱膨脹對緊固軸力衰減的影響

采用有限元仿真方法分析零部件熱膨脹差異對螺栓軸力衰減的影響。

排氣管螺栓的傳熱途徑如圖10所示，排氣管螺栓及套筒溫度梯度分布如圖11所示。由圖10、11可知，排氣管螺栓的傳熱途徑為：排氣管—套筒—螺栓頭部—螺栓桿身—螺栓尾部，螺栓尾部擰入缸蓋的螺紋附近有水腔，流動的冷卻液帶走部分熱量，因此螺栓尾部溫度較低。

圖10 螺栓傳熱途徑 圖11 排氣管螺栓及套筒溫度梯度

材料25Cr2MoVA、40Cr10Si2Mo、06Cr15Ni25Ti2MoALVB在工作溫度為600 ℃范圍內(nèi)的熱膨脹系數(shù)分別為14.1×10-6K-1、12.5×10-6K-1、18.5×10-6K-1。

以發(fā)動機(jī)B排氣管螺栓連接結(jié)構(gòu)為例，計算分析熱膨脹和蠕變對螺栓軸力的影響[15-16]。熱膨脹、高溫蠕變塑性變形對軸力衰減的影響曲線如圖12所示，圖中1#～6#分別表示排氣管上2～4缸的高溫螺栓。

由圖12可知：發(fā)動機(jī)運(yùn)行至額定工況時，熱膨脹導(dǎo)致各螺栓的軸力微增，原因?yàn)榕艢夤苈菟ㄟB接結(jié)構(gòu)各零件的熱膨脹量差異，螺栓伸長量較其他零件熱膨脹伸長量更大，進(jìn)而帶來軸力的增加(假定螺栓及套筒的彈性模量變化相同);受到蠕變塑性變形的影響，各螺栓軸力均略微下降。

a)熱膨脹 b)高溫蠕變圖12 熱膨脹和高溫蠕變對軸力的影響

在發(fā)動機(jī)臺架耐久試驗(yàn)中，工作溫度達(dá)到600 ℃時，采用40Cr10Si2Mo材料制造的螺栓短時間內(nèi)即出現(xiàn)螺栓松弛和斷裂故障，更換為06Cr15Ni25Ti2MoALVB螺栓之后未出現(xiàn)同樣的故障。與40Cr10Si2Mo材料相比，06Cr15Ni25Ti2MoALVB材料高溫下的熱膨脹系數(shù)更大，但其對螺栓軸力的影響較小，主要原因?yàn)?6Cr15Ni25Ti2MoALVB材料具有穩(wěn)定的蠕變特性和強(qiáng)度保持能力，各零件熱膨脹差異對軸力衰減的影響較小。

2.5 緊固結(jié)構(gòu)對軸力衰減的影響

套筒隔熱可降低螺栓工作溫度。無套筒的排氣管螺栓連接結(jié)如圖13所示，該結(jié)構(gòu)的排氣管上設(shè)計有高法蘭結(jié)構(gòu)，經(jīng)測試，螺栓頭部溫度為540 ℃，螺紋位置溫度為238 ℃。具有套筒的螺栓連接結(jié)構(gòu)如圖14所示，螺栓頭部溫度降低到454 ℃。

圖13 高法蘭結(jié)構(gòu)螺栓溫度測試結(jié)果 圖14 套筒結(jié)構(gòu)螺栓溫度測試結(jié)果

由圖13、14可知，套筒可明顯降低螺栓工作溫度，降低螺栓軸力的衰減。

2.6 其他耐高溫緊固件材料

除以上4種耐溫材料，行業(yè)內(nèi)常用的還有SNB16、A286、SUH660等。SNB16材料的耐溫性能與40Cr10Si2Mo相近，A286、SUH660材料的，耐溫性能與06Cr15Ni25Ti2MoALVB相近。為適應(yīng)更高溫度的需求，高鎳合金Inconel718、80A也逐漸應(yīng)用于發(fā)動機(jī)高溫緊固件。

3 高溫螺栓連接可靠性設(shè)計

3.1 螺栓材料選擇

根據(jù)螺栓工作溫度選擇合適的材料。產(chǎn)品設(shè)計階段應(yīng)通過仿真計算分析螺栓的工作極限溫度，結(jié)合材料強(qiáng)度隨溫度變化特性以及高溫蠕變特性，低500 ℃選取成本較低的25Cr2MoVA或40Cr10Si2Mo，高于500 ℃選用耐溫性能更優(yōu)的06Cr15Ni25Ti2MoALVB(最高溫度不超過650 ℃)。

3.2 螺栓連接結(jié)構(gòu)選擇

為降低螺栓工作溫度，可選擇有套筒的螺栓連接結(jié)構(gòu)。套筒連接結(jié)構(gòu)還可增長螺栓的夾持長度，對于螺栓連接防松和疲勞壽命也有利，一般推薦夾緊長度大于(3～5)d，d為螺栓公稱直徑；考慮到熱膨脹影響，套筒材料熱膨脹系數(shù)盡量與螺栓保持相近或一致。

4 結(jié)論

分析螺栓軸力衰減的原因，并對高溫條件下材料強(qiáng)度、蠕變、熱膨脹等因素對螺栓軸力衰減的影響規(guī)律進(jìn)行了研究。

1)造成高溫緊固件軸力衰減的因素有高溫下材料機(jī)械性能下降、蠕變增加。

2)影響高溫蠕變速率的因素有材料、溫度、載荷，溫度越高、載荷越大，蠕變速率越快。

3)為提高高溫連接可靠性，首先評估螺栓工作溫度，根據(jù)溫度選取螺栓合適耐溫材料；同時設(shè)計合理的連接結(jié)構(gòu)可達(dá)到降低工作溫度，進(jìn)而減小對軸力衰減的影響。