Skruvbrottsanalys

Muttrar och skruvar används överallt. Ett skruvbrott i hemmet är oftast bara lite irriterande, men i ett kärnkraftverk kan det vara katastrofalt, och det är därför det är så viktigt att analysera det skadade skruvförbandet vid ett skruvbrott.

Det finns många orsaker till att skruvbrott uppstår. Oftast orsakas de faktiskt av en kombination av olika faktorer.
Enligt Laurent Dastas, Bolting Analysis Expert på Alstom Transport finns det fyra huvudorsaker:

1. Åtdragningsåtgärden har glömts bort.
2. Åtdragningsverktygets noggrannhet är inte tillräcklig i förhållande till momenttoleransen.
3. Skruven motsvarar inte tänkt hållfasthetsklass.
4. Ett fel i åtdragningssekvensen.

I tekniska termer finns det två huvudtyper av skruvbrott: statiska brott och utmattningsbrott (kallas även dynamiska brott).

– Genom att använda ett verktyg som simultant registrerar moment-och vinkelvärden under åtdragningsprocessen kan alla förband säkras enligt dessa fyra parametrar, säger Laurent Dastas.

Statiska brott är i allmänhet lätta att identifiera. De uppstår till exempel vid överbelastning, om förbandet dras åt för mycket, vid plötslig extern belastning eller till följd av att produktdelarna inte överensstämmer.

Utmattningsbrott är ofta mer komplicerade eftersom utmattningen utvecklas under lång tid. Det kan finnas sprickor i materialet, till exempel i fästelementen, gängorna på skruven eller i någon annan del av förbandet. Sprickorna utvidgar sig och breder ut sig i skruven innan hela förbandet går sönder.

– Sprickrelaterade skador är i själva verket det största hotet i ett skruvförband, säger Zouhair Chaib, Senior Technical Expert på Nord-Lock.

Vid utmattningsbrott kan skruvförbandet ha dragits åt korrekt till att börja med. Men efter att skruvförbandet har utsatts för extern belastning börjar det tappa klämkraft till exempel på grund av relaxation eller av att skruven roterat.

– När förspänningen väl börjar minska är det troligt att den fortsätter minska. Förlorad förspänning ökar den dynamiska belastningen och risk för mikroglidning mellan delarna ökar. När glidningen upprepas går mer och mer förspänning förlorad, säger Chaib.

Dynamiska belastningen ökar och bildar till slut en utmattningsspricka. Under de externa och cykliska belastningarna blir sprickan allt större. När sprickan utvidgar sig i skruven och när belastningen från utmattningen blir tillräckligt hög uppstår skruvbrott. En utmattningsspricka kan orsakas av korrosion, orenhet i skruvmaterialet, dålig kvalitet på gängorna eller plötslig och oväntad belastning.

När det handlar om flera skruvar kan brott på en av dem göra att de andra runtomkring överbelastas. Överbelastningen leder till en kedjereaktion av sprickbildning som sker väldigt snabbt, och det behöver inte hända många gånger innan skruvbrott inträffar.

– När det gäller utmattningsbrott vet man aldrig när utmattningen, sprickorna och själva brottet kommer att uppstå. Vanligtvis sker utmattningsbrott väldigt plötsligt och kommer som en högst ovälkommen överraskning, säger Chaib.

Ett sätt att ta reda på varför ett brott har uppstått är med hjälp av Ishikawadiagrammet (fiskbensdiagrammet). Metoden används ofta av Nord-Lock Technical Center för att hjälpa kunderna.

– När ett brott väl har uppstått måste kunden säkra omgivningen innan det befintliga skruvförbandet ersätts och delarna byts ut. Man numrerar alla delarna samt fotograferar dem.

Det är också viktigt att tänka på att inte röra brotts­ytor, kontakt­ytor eller gängor. Förutom detta behöver vi också en beskrivning av händelsen och omständigheterna till brottet så att vi snabbt kan identifiera problemet, säger Chaib.

Kunden måste också skydda alla delar mot korrosion under transporten till Nord-Lock Technical Center där de ska analyseras – detta för att undvika att teknikerna antar att sprickorna beror på korrosion om de inte gör det.

– Genom att gå igenom alla de här stegen kan kunden hjälpa oss att analysera situationen omgående, så att vi kan ge dem ett snabbt svar och en snabb lösning. När detta är gjort går det bra att byta förbandet. Kunden kan då exempelvis byta ut delar i farozonen för att kunna fortsätta produktionen, säger Chaib.

Kunden har ofta restriktioner och behöver starta om produktionen så snart som möjligt. Därför är det viktigt att applikationen kontrolleras och verifieras redan under transporten. Under tiden kan kunden och expertanalytikerna tillsammans försöka hitta den bästa och mest korrekta lösningen för att ersätta den befintliga monteringen så snabbt som möjligt.

På Nord-Lock Technical Center kontrolleras och fotograferas alla komponenter och skadade delar. I vissa fall används ett 3D-mikroskop för att jämföra och kontrollera vissa faktorer. Ibland ombeds även externa samarbetslaboratorier att utföra ytterligare analyser. Slutligen analyseras alla resultat och en helhetsbild tas fram.

– I vårt labb kan vi utföra tester inom vibrationer, åtdragningsmoment och förspänning. Vi kan också testa exempelvis hur skruven uppför sig, så att vi kan vara helt säkra på att den föreslagna lösningen kommer att fungera korrekt och säkert, säger Chaib.

– På Nord-Lock Technical Center analyserar vi flera situationer, identifierar orsaken och föreslår en teknisk lösning på problemet. Vi tar alltid hänsyn till andra aspekter som ekonomiska, praktiska och driftsmässiga faktorer, fortsätter han.

Fallet med den oäkta muttern:

Superbolt-muttrar används tack vare att en hög och precis förspänning kan erhållas med endast ett litet åtdragningsmoment.

En kund testade en multi-jackbolt från en annan tillverkare i sin konstruktion. Efter ett tag uppstod ett brott i konstruktionen och kunden bad Nord-Lock undersöka vad som hade hänt.

– Vi använde 3D-mikroskopet för att analysera brottet. Vi förstod snart att huvudorsaken var utmattning och att förspänningen hade snabbat upp förloppet, säger Chaib.

Den observerade deformationen längst ut på jackboltskruvarna tydde på att förspänningen var korrekt, men när man undersökte avståndet mellan jackbolt och härdad bricka upptäckte man att det fanns stora skillnader för de olika jackbolt skruvarna. En jackbolt hade inget avstånd. Det berodde på att skruven hade roterat.

– Vi kontrollerade också kapaciteten hos den oäkta muttern gentemot självlossningen och kom fram till att detta fenomen inte berodde på den oäkta muttern. När vi jämförde kopian med vår mutter uppvisade båda samma gängdiameter, samma material och samma ytterdiameter, men vissa detaljer hos multi-jackboltskruvarna hade inte tagits med i beräkningen.

Muttern hade bra statisk kapacitet, men problemet med självlossning som orsakade utmattningsbrottet kvarstod.

Fallet med klämlängden:

Kunden använde standard fästelement då förbandet skadades. Han satte dit nya skruvar, muttrar, planbrickor och distansbrickor, tog bilder och skickade in de skadade delarna. Kunden skickade också CAD-ritningar för information om situationen och den externa belastningen.

Kunden hade använt en distans för att öka klämlängden och trodde att det skulle lösa problemet. När maskinen startades om inträffade samma fel igen.

– När vi hade analyserat kundens förband förstod vi att det handlade om ett utmattningsbrott. Förbandet hade en mycket hög förspänning. I normala fall är det bra med hög förspänning. Vi var tvungna att undersöka vidare och titta efter en annan orsak till brottet, säger Chaib.

Vi fastställde att i den här situationen fanns det en hög skjuvkraft – en transversell belastning. För att få en säker lösning behövde kunden använda samma klämlängd som tidigare (utan distansbricka), men öka förspänningsnivån genom att öka åtdragningsmomentet och skruvens hållfasthetsklass. För transversell belastning var den bästa lösningen att öka förspänningen och bibehålla den med hjälp av en bra skruvsäkringslösning.

– Vi föreslog att kunden skulle använda en Nord-Lock bricka för att skydda sitt förband från att självlossna. Vår lösning krävde några mindre justeringar: två Nord-Lock brickor med en högre hållfasthetsklass (10.9) och ett passande åtdragningsmoment, säger Chaib.

Fallet med gängbrottet:

Kunden hade en komponenet bestående av två ihopgängade delar. Delarna hade dock börjat glida isär, men gängorna uppvisade inga synliga skador.

– Vi bad kunden om ytterligare information om den beräknade belastningen, och om förbandets egenskaper. Kunden sa att det utsattes för stötbelastning, men ingen utmattningsbelastning, säger Chaib.

– När vi tittade närmare på komponentens ytterprofil hittade vi små plastiska formändringar längst ut på gängorna. Vi observerade även axiella spår längs gängorna och en icke-konsekvent ytterdiameter.

Analytikerna identifierade ett potentiellt brottsscenario: ytterdiametern och materialegenskaperna var inte tillräckligt starka för att tåla den spänning som skapades av gängvinkeln och den axiella belastningen. Under full belastning utvidgades del 1 (radiell töjning) och på grund av svaga gängstigningen gled del 2 iväg och separerades från del 1.
– För att verifiera scenariot utförde vi en FEM-beräkning (Finite Element Method) och jämförde den uppmätta diametern med FEM-diametern (efter axiell belastning) och gängformen från FEM-metoden och faktisk gängform, säger Chaib.

Resultaten från FEM-undersökningen var så lika de faktiska att scenariot accepterades och en praktisk lösning lades fram:

• Öka ytterdiametern på den gängade delen.
• Använd grövre gängstigning.
• Använd ett styvt material (hög elasticitetsmodul).
• Optimera designen av ena delen.

De vanligaste orsakerna till skruvbrott:
1. Den mänskliga faktorn.
2. Materialdefekter, t.ex. en orenhet i materialet som ger upphov till utmattningssprickor.
3. Verktyg som inte är korrekt kalibrerade.
4. Utformning/design.
5. När den externa kraften är för lågt beräknad eller fel antaganden görs.
6. Felberäkningar, t.ex. angående skruvens åtdragningsmoment eller spänning.

Skruvbrottsanalys i korthet:
Vid skruvbrott bör man göra följande:
1. Säkra omgivningen runt det haver­erade förbandet.
2. Ta bilder av alla delar.
3. Numrera alla komponenter.
4. Skydda delarna mot korrosion.
5. Beskriva missödet och omständig­heterna till brottet noga.

Nord-Lock Technical Center’s metod:
1. Identifiera problemet.
2. Kontrollera alla komponenter och fotografera alla skadade delar.
3. Använda ett 3D-mikroskop för att jämföra och kontrollera faktorer.
4. Försöka hitta möjliga brottsfaktorer med hjälp av Ishikawadiagrammet.
5. Utföra relevanta tester, t.ex. för vibrationer, åtdragningsmoment och förspänning.
6. Vid behov be samarbetslaboratorier att utföra ytterligare analyser.
7. Analysera resultaten, fastställa det mest realistiska scenariot och presentera det för kunden.
8. Ta fram praktiska lösningar (ekonomiska, säkra och lättmonterade).