从一起工程事故谈紧固螺纹的标准和加工

2012-09-01中国航空油料有限责任公司重庆分公司重庆401120

中国建材科技 2012年5期

谢巍（中国航空油料有限责任公司重庆分公司，重庆401120）

1 引言

紧固螺纹是广泛应用的机械基础紧固件，美制和英制螺纹与我国广泛使用的米制螺纹标准存在一定的区别，国内技术人员由于对相关螺纹标准技术体系不甚了解，往往不能正确测量和加工。

2 事故经过及原因分析

某公司在进行输油管线碰口作业时，发生国产管道法兰与进口阀门的自带法兰无法有效密封的事故。该次作业是新旧管线碰口作业，原计划将旧的进口阀门末端的法兰拆除，用螺栓将预制好的短节管道法兰紧固到阀门上，最后对短节管道与新建管道进行焊接，实现新旧管道的碰口。

在施工中，作业人员发现阀门使用的螺栓、螺钉已经锈蚀无法损坏无法继续使用。配置国产螺栓后通油测试，发现法兰连接的上部和下部不同程度出现泄漏，对泄漏部位的螺钉进行再次紧固后仍无法阻止泄漏。于是作业人员将管道切割下来查找原因，发现8个螺钉的螺纹前端2-3丝出现轴向弯折变形，管道法兰出现马鞍形变形。经过初步分析，认为泄漏原因是管道焊接前螺钉没有紧固到位，焊缝热应力拉伸，导致焊接完成后无法继续紧固。

第二次更换螺钉和法兰后，仍然出现了泄漏，泄漏情况与第一次作业后基本一致。再次查找原因，发现8个螺钉的螺纹和管道法兰变形更加严重。

在对事故进行仔细研究分析后，基本认定事故原因是配制的螺钉与进口阀门自带螺纹孔无法有效配合，导致法兰无法有效紧固。因此，作业人员聘请专家重新测量、配制螺纹后进行第三次作业，问题得到解决。

3 螺纹标准体系比较

3.1 米制普通螺纹

米制普通螺纹是一种使用最多的一般用途机械紧固螺纹，是重要的机械基础标准之一。ISO、中国、美国、主要欧洲国家以及其它一些工业发达国家都制定了自己的标准。米制普通螺纹世界范围内得到了广泛使用，并被纳入ISO标准，当公制单位制被确定为国际法定计量单位后，进一步提升了米制普通螺纹在国际贸易中的地位［1］。

我国目前使用的2003年第三次修订后的版本，该标准体系主要分两大部分内容：一个是紧固件基础标准部分，包括名词术语、验收检查、机械性能和技术条件、表面处理、公差、表面缺陷、扳拧部分的形式和尺寸以及螺纹等内容；另一个是紧固件产品标准部分，将紧固件产品划分为：螺栓、螺母、螺钉、螺柱、自攻螺钉、木螺钉、销、铆钉、垫圈、挡圈、焊钉、紧固件组合件等12大类。

3.2 美制统一螺纹

在紧固件产品中，美标产品历来占有很大的比例，美国从来都是全球最大的紧固件市场，南美、中东、澳洲也广泛使用美标产品。多年来，由于我国过分的坚持使用米制普通螺纹，至今未制定统一螺纹国家标准，导致国内一些技术人员对美制统一螺纹了解不多，在处理美国紧固件产品时，往往力不从心，难于应付。

美制统一螺纹诞生于二战后，主要依据美国国家螺纹标准而制定，相对于我国米制普通标准，其对类别的划分比较粗且多为行业协会（或学会）标准，代替国家标准，而且不同协会的标准也不相同［2］。

美国工业紧固件协会负责发行IFI标准汇编本，目前使用的是2003年修订发布的第七版。该标准体系主要由螺纹，材料和（表面）涂覆，螺栓、螺钉和螺柱，螺母，高强度结构螺栓，有效力矩型紧固件，内凹槽螺钉，自攻螺钉，机器螺钉，其它小螺钉，铆钉，垫圈和销，质量保证，工艺和技术数据等14个部分组成，分别以英文字母A-N为代号。

4 螺纹的正确测量与加工

在工程实践中，往往不能及时买到符合要求的螺纹成品，同时又由于缺乏图样等技术资料，只能按原件进行配制加工。但在测量时，由于零件往往已经残缺不全，从而给测量工作带来意想不到的困难。因此，正确把握紧固螺纹几何尺寸的测量、精度检验和加工误差分析三方面工作，便可配制出与原件基本一致的新件。

4.1 几何尺寸的测量

在测量几何尺寸前，必须正确判断螺纹采用的标准，把非标准螺纹按标准螺纹测量加工，把美制统一螺纹按非标准米制螺纹测量加工，把国标米制螺纹按美标米制螺纹测量加工等都是错误的。

几何尺寸的测量包括螺纹的测量、螺杆的测量等方面，其中的难点在于螺纹的测量。螺纹需要测量的参数一般有：螺纹大径、螺纹小径、单一中径、牙侧角、螺距、导程、螺纹升角、螺纹牙厚、螺纹槽宽、螺纹接触高度和螺纹旋合长度等。本文主要讨论以下三个参数的测量。

4.1.1 螺距或导程的测量

螺距是指相邻两牙在中径线上对应两点间的轴间距离，导程是指同一条螺纹线上相邻两牙在中径线上对应两点间的轴间距离。测量螺距或导程的常用工具有钢直尺、游标卡尺、螺距规等。以游标卡尺为例，通常是用游标卡尺沿螺旋线的轴向进行测量，但由于无基准，必然使游标卡尺的测量方向和螺纹轴线方向产生偏差，造成测量误差。因此要特别注意尽可能使测量方向和螺纹轴线方向保持一致。同时，对于米制螺纹，应多测几个螺距除以牙数以便减小误差，对于美制统一螺纹，可以看每英寸（25.4mm）长度内有几个牙，如果牙数和图样要求相符，则表示测量正确。

在实际测量时，常常只有实物没有图样，甚至连螺纹的种类和采用何种标准都无法查询，这时，将实测数据带入以下公式进行计算，便可判断该螺纹是米制螺纹或是英寸制螺纹：

式中：P为螺纹螺距；n为每英寸内的牙数。

例如，假设测得某螺纹的螺距为P=12.7 mm，代入上式计算，n=2，则该螺纹可能为每英寸2牙的美制统一（英寸制）螺纹[3]。

4.1.2 螺纹大径的测量

螺纹大径是指与外螺纹牙顶或内螺纹牙底相重合的假象圆柱面的直径。测量方法与一般测量圆柱体直径方法相同，测量工具也基本一致。

4.1.3 螺纹牙型角的测量

螺纹牙型角是指通过螺纹轴线剖面内螺纹牙型上，相邻两牙侧的夹角。米制螺纹和美制统一螺纹牙型角均为60°。测量牙型角是判断螺纹采用标准的重要步骤之一，也是实际操作中容易出错的地方，决不能犯经验主义错误。测量的方法一般是用牙型角样板与螺纹相对，从穿过缝隙的光线判断是否吻合。

4.2 精度检验与误差分析

紧固螺纹主要是用于连接和紧固零件所用，使用要求主要是可旋入性、连接的可靠性及紧密性。螺纹的检验既包括针对螺纹中径、螺距、牙型角等参数误差对螺纹旋合性能产生的影响的综合检验，也包括针对某一项参数的误差的单项检验。此外，根据我国国家标准，螺纹误差包括螺距偏差、螺距累积误差、导程偏差、导程累积误差、螺旋线轴向误差、牙侧角偏差、螺距误差中径当量、牙侧角误差中径当量、基准距离偏差、基准平面的轴向位移偏差、行程偏差等11项。对于螺纹精度的检验与误差分析，相关资料已有详细阐述，由于不是本文讨论的重点，在此不再赘述。