发动机高温螺栓紧固可靠性研究...

导读

作者：赵振龙1，2 ，孙丹1，2 ，崔海冰1，2 （1． 内燃机可靠性国家重点实验室，山东 潍坊 261061; 2． 潍柴动力股份有限公司，山东 潍坊 261061）

来源：《内燃机与动力装置》2022年4月

摘要：针对高温工作环境下螺栓轴力衰减问题，理论分析螺栓轴力衰减的原因; 通过试验研究和分析螺栓工作 温度、材料性能变化、高温蠕变、热膨胀等对高温螺栓的轴力衰减规律。研究表明: 高温下材料机械性能下降、 蠕变增加是导致高温螺栓轴力衰减的主要因素，材料、温度、载荷等影响高温蠕变速率，温度越高、载荷越大，蠕 变速率越快，螺栓紧固件材料设计选择、连接结构优化、降低工作温度等可提高高温螺栓的可靠性。

0 引言 

    随着发动机功率密度、排气温度、零部件热负荷不断提高，对高温零件的紧固和密封可靠性提出更高 的要求［1］。发动机高温螺栓的工作温度高达 700 ℃，导致排气管出气口、增压器废气法兰等部位经常出 现螺栓断裂失效和漏气故障［2 － 3］。吴卫钰等［4］通过试验确认排气歧管结构优化和定位孔优化可以减小 排气歧管关键部位热变形对紧固螺栓的挤压剪切，从而解决紧固螺栓断裂的问题; 王伟［5］研究分析了螺 栓材料耐热性能对紧固可靠性的影响; 隋鹏超等［6］研究分析了螺栓连接结构对螺栓轴力波动的影响。本 文中从紧固件工作温度、高温材料性能变化、高温蠕变及热膨胀、螺栓连接结构等多个角度分析高温螺栓 轴力衰减规律，针对不同的影响因素提出相应的解决措施，有效提高高温紧固可靠性和密封可靠性。

1 螺栓轴力衰减理论分析 

    螺栓轴力可由弹性模量、应力、应变的定义推导得到。弹性模量

式中: σ 为应力，MPa; ε 为应变。 

    应力

式中: F 为螺栓轴力，kN; A 为螺栓截面积，mm2 。 

    应变

式中: l 为螺栓长度，mm; Δl 为螺栓伸长量，mm。 

    由式( 1) ～ ( 3) 可知:

    对于确定的螺栓，A、l 不变，由式( 4) 可知，高温环境下，F 随 E 和 Δl 的变化而变化。 

    金属材料的弹性模量和强度是高温环境下螺栓轴力衰减的主要因素［7 － 8］。金属材料的弹性模量和 强度随着温度增加而降低，弹性模量降低直接导致轴力下降，材料强度降低导致螺栓最大承载能力减小。螺栓经过淬火或固溶时效等热处理工艺后，其强度发生变化，原材料的标准性能参数并不能完全适用于 工程实际应用。因此，有必要对紧固件在不同温度下的强度进行研究。 

    高温蠕变是导致螺栓轴力衰减的重要因素之一［9 － 10］。蠕变是固体材料在应力不变的条件下，应变 随时间延长而增加的现象。蠕变多属于塑性变形，不可回弹。零件承受的应力越大，工作温度越高，时间 越长，蠕变量越大。高温蠕变产生的塑性变形可导致螺栓轴力松弛衰减。蠕变属于材料的固有属性，主要取决于材料的组成成分，例如材料中镍元素含量较高 时，材料表现出来的耐温特性更优。高温蠕变对不同材 料成分高温螺栓，轴力衰减的影响不同。热膨胀也会导致螺栓轴力的变化［11 － 12］。

    热膨胀受 材料热膨胀系数、零件长度、工作温度等的影响。以图 1 所示的排气管螺栓连接结构为例，由于螺栓、套筒和法兰 的材料及尺寸不同，3 个零件产生的热膨胀存在差异，进 而导致螺栓轴力的波动。单纯抑制螺栓的热膨胀不能有 效解决轴力衰减问题，需要优化螺栓及被连接件的材料 及尺寸配合。

2 高温螺栓轴力衰减研究 

    根据螺栓轴力衰减的理论分析，本文中从螺栓工作温度探测、材料性能变化、高温蠕变、热膨胀等方 面对高温螺栓的轴力衰减规律进行研究和分析。 

2． 1 高温螺栓工作温度测量 

    常用的耐热螺栓包括排气管螺栓、增压器螺栓、废气再循环( exhaust gas recirculation，EGＲ) 高温气体 管路螺栓等。选取 A、B 两款发动机，采用热电偶测量主要高温螺栓的温度，测量位置如图 2 所示。发动 机按照外特性曲线运行，转速由怠速开始，以 50 r/min 为间隔升高到标定转速，每个转速点稳定运行 5 min以上，螺栓工作温度稳定后再运行下一工况。

    发动机 A EGＲ 管路固定螺栓、发动机 B 排气管螺栓和增压器螺栓的温度测试结果如图 3、4 所示。由图 3、4 可知: 1) 发动机 A EGＲ 管路固定管螺栓最高温度与涡后排温差异较小，主要原因为各缸排气均汇集到 EGＲ 管路，导致固定螺栓温度较高; 2) 发动机 B 排气管螺栓最高温度为 341 ℃，增压器螺栓 最高温度为 514 ℃ ; 由于套筒结构隔热，排气管螺栓温度较低; 增压器螺栓安装在增压器废气法兰位置， 是各缸排气汇集处，温度较高; 3) 排气管螺栓温度较低，一般低于 400 ℃ ; 增压器螺栓和 EGＲ 管路螺栓温 度较高，达到 500 ～ 600 ℃，随着排气温度的增加，甚至更高。

2． 2 螺栓材料强度随温度的变化 

    金属材料的强度和弹性模量随温度增加而降低，弹性模量降低导致轴力下降，强度降低导致螺栓更 容易达到屈服状态，可承受动载能力降低。

    根据文献［13］规定的试验方法，采用试棒测试 不同材料高温螺栓在不同温度下的强度。本文中选 用 高 温 螺 栓 常 用 的 25Cr2MoVA、40Cr10Si2Mo、 42Cr9Si2、和 06Cr15Ni25Ti2MoALVB 4 种材料加工 成试棒，试棒参数如图 5 所示。按照螺栓图纸要求 对试棒进行热处理，使之更接近螺栓的真实强度。将试棒夹持在高温拉伸试验机上，先加热 2 h 达到 预设温度并保温 0. 5 h，然后进行拉伸试验和屈服强 度试验。试验完成后，对测得的不同温度下的抗拉 和屈服强度进行曲线拟合，形成螺栓材料拉伸强度、屈服强度随温度的变化曲线，如图 6 所示。

    由图 6 可 知: 1 ) 4 种材料的抗拉和屈服 强度均随温度的升高而下降; 2 ) 材 料 25Cr2MoVA、 40Cr10Si2Mo、42Cr9Si2 的抗拉和屈服强度下降明显，温度高于 550 ℃时，3 种材料的抗拉强度和屈服强度 较常温时下降 60% 以上; 3) 06Cr15Ni25Ti2MoALVB 性能稳定，温度高于 550 ℃ 时，抗拉强度和屈服强度 强度下降 20% 左右。材料 06Cr15Ni25Ti2MoALVB 耐高温性能更优，是高温螺栓优选材料。

2． 3 螺栓材料高温蠕变性能

    根据文 献［14］推荐的试验方法对 25Cr2MoVA、 40Cr10Si2Mo、06Cr15Ni25Ti2MoALVB 材料进行高温蠕 变试验。按照如图 7 所示的高温蠕变试棒图纸制作试 验试棒，并按照螺栓技术要求进行热处理。蠕变试棒 夹持在高温蠕变试验机上，加热至规定温度( 根据 2． 1 节测得螺栓实际工作温度，设定 500、600 ℃ 2 种温度边 界) 并保温 1 h，对试棒加载预设轴力( 将高温紧固件的 预紧轴力换算成试棒的试验拉伸轴力，设定 2 种载荷， 分别为 5、8 kN ) ; 试验过程中采用引伸计测试试棒蠕 变，测试位置为试棒中间直径为 5 mm、长度为 25 mm 的圆柱段，设备自动生成蠕变随时间变化的曲线; 试验总时间为 480 h，期间若试棒断裂，则终止试验。25Cr2MoVA 材料在轴力为 8 kN、温度为500 ℃条件下的蠕变随时间变化曲线、蠕变速率曲线分别如图 8 所示。3 种材料试棒的高温蠕变试验结果如表 1 所示。

    由图 8 及表 1 可知: 1) 轴力越大，相同时间内蠕变越大，蠕变速率越快; 2) 温度越高，相同时间内蠕变 越大，蠕 变 速 率 越 快; 3 ) 结 合 图 6 可 知，由于强度下降以及高温蠕变大等原因，25Cr2MoVA 和 40Cr10Si2Mo 材料在 600 ℃时无法使用; 4) 06Cr15Ni25Ti2MoALVB 材料高温蠕变特性表现良好，在大轴 力( 8 kN) 及高温( 600 ℃ ) 条件下蠕变很小。 

    25Cr2MoVA 和 40Cr10Si2Mo 材料在相同温度和相同轴力条件下，高温蠕变差异较小，其高温蠕变速 率对比如 图 9 所 示。由 图 9 可 知: 材 料 25Cr2MoVA 和 40Cr10Si2Mo 的高温蠕变速率基本一致，但 40Cr10Si2Mo 蠕变速率更稳定，波动更小。

2． 4 热膨胀对紧固轴力衰减的影响 

    采用有限元仿真方法分析零部件热膨胀 差异对螺栓轴力衰减的影响。 

    排气管螺栓的传热途径如图 10 所示，排 气管螺栓及套筒温度梯度分布如图 11 所示。由图 10、11 可知，排气管螺栓的传热途径为: 排气管—套筒—螺栓头部—螺栓杆身—螺栓 尾部，螺栓尾部拧入缸盖的螺纹附近有水腔， 流动的冷却液带走部分热量，因此螺栓尾部温 度较低。

    材料 25Cr2MoVA、40Cr10Si2Mo、06Cr15Ni25Ti2MoALVB 在工作温度为 600 ℃范围内的热膨胀系数分 别为 14. 1 × 10 － 6 K － 1 、12. 5 × 10 － 6 K － 1 、18. 5 × 10 － 6 K － 1 。 

    以发动机 B 排气管螺栓连接结构为例，计算分析热膨胀和蠕变对螺栓轴力的影响［15 － 16］。热膨胀、高 温蠕变塑性变形对轴力衰减的影响曲线如图 12 所示，图中1# ～ 6# 分别表示排气管上 2 ～ 4 缸的高温螺栓。 

    由图 12 可知: 发动机运行至额定工况时，热膨胀导致各螺栓的轴力微增，原因为排气管螺栓连接结 构各零件的热膨胀量差异，螺栓伸长量较其他零件热膨胀伸长量更大，进而带来轴力的增加( 假定螺栓及 套筒的弹性模量变化相同) ; 受到蠕变塑性变形的影响，各螺栓轴力均略微下降。

    在发动机台架耐久试验中，工作温度达到 600 ℃ 时，采用 40Cr10Si2Mo 材料制造的螺栓短时间内即 出现螺栓松弛和断裂故障，更换为 06Cr15Ni25Ti2MoALVB 螺栓之后未出现同样的故障。与 40Cr10Si2Mo 材料相比，06Cr15Ni25Ti2MoALVB 材料高温下的热膨胀系数更大，但其对螺栓轴力的影响较小，主要原因 为 06Cr15Ni25Ti2MoALVB 材料具有稳定的蠕变特性和强度保持能力，各零件热膨胀差异对轴力衰减的 影响较小。

2． 5 紧固结构对轴力衰减的影响 

    套筒隔热可降低螺栓工作温度。无套筒的排气管螺栓连接结如图 13 所示，该结构的排气管上设计 有高法兰结构，经测试，螺栓头部温度为 540 ℃，螺纹位置温度为 238 ℃。具有套筒的螺栓连接结构如图 14 所示，螺栓头部温度降低到 454 ℃。

    由图 13、14 可知，套筒可明显降低螺栓工作温度，降低螺栓轴力的衰减。2． 6 其他耐高温紧固件材料 

    除以上 4 种耐温材料，行业内常用的还有 SNB16、A286、SUH660 等。SNB16 材料的耐温性能与 40Cr10Si2Mo 相近，A286、SUH660 材料的，耐温性能与 06Cr15Ni25Ti2MoALVB 相近。为适应更高温度的 需求，高镍合金 Inconel718、80A 也逐渐应用于发动机高温紧固件。

3 高温螺栓连接可靠性设计 

3． 1 螺栓材料选择 

    根据螺栓工作温度选择合适的材料。产品设计阶段应通过仿真计算分析螺栓的工作极限温度，结合 材料强度随温度变化特性以及高温蠕变特性，低 500 ℃ 选取成本较低的 25Cr2MoVA 或 40Cr10Si2Mo，高 于 500 ℃选用耐温性能更优的 06Cr15Ni25Ti2MoALVB( 最高温度不超过 650 ℃ ) 。 

3． 2 螺栓连接结构选择 

    为降低螺栓工作温度，可选择有套筒的螺栓连接结构。套筒连接结构还可增长螺栓的夹持长度，对 于螺栓连接防松和疲劳寿命也有利，一般推荐夹紧长度大于( 3 ～ 5) d，d 为螺栓公称直径; 考虑到热膨胀 影响，套筒材料热膨胀系数尽量与螺栓保持相近或一致。

4 结论 

    分析螺栓轴力衰减的原因，并对高温条件下材料强度、蠕变、热膨胀等因素对螺栓轴力衰减的影响规 律进行了研究。 

1) 造成高温紧固件轴力衰减的因素有高温下材料机械性能下降、蠕变增加。 

2) 影响高温蠕变速率的因素有材料、温度、载荷，温度越高、载荷越大，蠕变速率越快。 

3) 为提高高温连接可靠性，首先评估螺栓工作温度，根据温度选取螺栓合适耐温材料; 同时设计合理 的连接结构可达到降低工作温度，进而减小对轴力衰减的影响。