2.1 볼트 체결부의 고장 원인

Why do Bolted Joints Fail?

 

볼트 체결부가 고장났을 때 필요한 질문을 할 수 있도록 전반적인 내용을 기술하려 한다.

볼트 체결부는 다양한 고장 형태를 보이며 다음과 같이 서로 작용함으로써 발생된다.

⑴ 상호 Slip 발생

⑵ 단순히 분리

⑶ 볼트 체결부의 파손(파괴)

 

이러한 기본 고장 형태는 표 2-6에 열거된 고장 형태에 의해 교대로 진행한다. 표 2-6은 주변 환경에 따라 체결 볼트의 고장을 유발하는 인자와 원인에 대한 아이디어를 준다.

다음 사항이 고려되지 않으면 석유화학산업 분야에서 기계 체결 부품의 문제가 발생할 것이다.

⑴ 적절한 체결 부품의 선정

⑵ 적절한 체결 부품의 설계 변수

⑶ 설치 및 정비 절차의 중요성

경험에 의한 몇 가지 중요한 예는 다음과 같다.

 

표 2-6 체결 볼트의 고장 유형

주요 원인 (인자)

정하중시 파단

피로 손상

진동에 의한 이완

체결부의 누설

설계와 제작

진동축에 대한 볼트축의

방향

 

 

 

체결부의 댐핑

 

 

 

이완 효과

 

 

나사 뿌리 반경

 

 

 

볼트 체결부 강성률

 

 

나사의 Run-out

 

 

 

Fillet의 크기와 모양

 

 

 

너트 수축

 

 

 

끼워 맞춤 불량

 

 

 

골링 (Galling)

 

 

 

부품 마무리

 

 

 

부적절한 열처리

 

 

 

공구의 흠

 

 

 

조립 관례

체결면의 조건

 

 

 

개스킷의 조건

 

 

 

볼트 체결 절차

 

 

 

나사부 윤활

 

사용된 공구의 형태

 

 

 

부적절한 Preload

 

 

운전 조건

하중 이동의 크기

 

 

온도 순환

 

 

 

부식

 

저 등급의 Cap Screw 사용. 적용되는 하중보다 매우 낮은 항복 강도의 캡 나사를 사용하면 신장되어 "Necking-out"이 초래되고(그림 2-2), 하중이 완화되면 길이가 증가하면서 볼트의 진동이 발생되어 너트가 헐거워진다. 예방 정비중, 이완 너트가 발견되어 조이면 하중이 다시 가해지게 되어 매우 낮은 하중에서도 볼트가 신장되는데, 그것은 병목 지역의 금속 분포량 부족 때문이며, 대개의 경우 너트를 다시 조일 때 캡 나사가 완전히 파손된다. 이때 정비자는 너무 세게 렌치로 잡아당기기 때문에 파손이 일어난다고 생각하여 같은 등급의 볼트와 너트로 교체하게 될 것이고 악순환은 계속된다.

부적절한 체결부품 사용. 체결 볼트의 모든 부품은 하중에 잘 견디고, 수명 연장을 위해 서로 잘 맞아야 한다.

그림 2-2 캡 스크류의 Necking-Out

그림 2-3 볼트 체결에 의해 발생 가능한 작용 하중

 

적절한 체결부 설계. 정적이나 순환하는 전이 하중의 종류와 방향은 나사체결 부품의 설계에서 매우 중요하지만, 실제 하중이나 힘을 거의 알 수 없으므로 설계자는 그림 2-3과 같이 힘과 모멘트를 고려하는 기본 가정을 가지고 시작해야 한다.

회전/왕복식 기계의 장시간의 순환 하중은 인장 강도가 높은 체결 부품에 의해 전달된다. 고인장 강도의 체결 부품을 얻으려면 제작후 열처리가 반드시 필요하지만, 변동(진동) 하중 조건에서는 피로 파손의 위험을 야기한다. 체결에 적절한 하중을 주지 않으면 열처리 등급을 올릴수록 피로 파손의 위험성은 커진다.

적절히 설계되고 예하중이 걸린 체결 볼트는 추가의 고정 장치 없이도 매우 높은 신뢰성을 얻을 수 있다. 만약 충분한 탄성 강도를 가진 볼트와 최소의 Joint Interface가 있다면 고인장 강으로 사용하기에 충분하다. 볼트의 길이나 탄성 강도를 효과적으로 증가시키기 위한 설계 대책이 그림 2-4에 있고, 이것은 볼트의 하중 분포가 양호할 뿐 아니라, 이완 문제에 대해서도 확실한 대책이라 할 수 있다.

그림 2-4 이완에 대한 피로 강도 및 저항을 증가시키기 위한 체결 볼트 설계

 

적절한 예압에서의 고장. 볼트-너트에 적절한 예하중을 주는 것은 공장에서의 수많은 볼트 체결에 매우 중요한 작업이다. J. H. Bickford는 연결부 조립 과정에서 토오크 렌치 사용과 관련된 문제를 열거하면서 볼트 예하중과 토오크 조절의 어려움을 언급하였다.

마찰 (Friction)

운전자 (Operator)

형상 (Geometry) FOGTAR*

공구 정밀도 (Tool Accuracy)

이완 (Relaxation)

 

우리들 대부분은 이러한 문제에 부딪쳤고, 만약 "FOGTAR"에 무지하다면 J. H. Bickford의 체결 볼트 거동에 관한 책 내용을 숙지하여야 한다.

 

주요 기계의 체결 부품의 재사용에 신중해야 한다. 주요 적용례는:

⑴ 피스톤 로드의 고정 너트 - 왕복식 압축기

⑵ Cross Head-Pin의 고정 너트 - 왕복식 압축기

⑶ 임펠러 고정 너트 - 원심 펌프

⑷ 추력 디스크 고정 너트 - 원심 압축기

⑸ 볼트 너트 - 고성능 커플링

 

재사용이 불가능한 체결 부품은:

⑴ 범용의 토오크 고정 너트(나일론 삽입)

⑵ 범용의 토오크 볼트(맞춤 나사 간섭)

⑶ 무기성 점착성 고정 체결 부품

⑷ 비틀린 나사 너트

⑸ 보 형태의 자동 고정 너트

⑹ 스플라인 너트와 코터 키

⑺ 스플라인 너트와 스프링 핀

⑻ 평와셔

⑼ 탭와셔

⑽ 진동 저항 와셔

⑾ 록 와이어

결론적으로 말하면 재사용 전에 Nick, Burr, 공구 마크용 볼트-너트 등을 점검해야 한다.

 

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