新的设计程序旨在提高海底螺栓的可靠性...
发布日期:2024-08-19根据安全与环境执法局（BSEE）的说法，工业界缺乏开发新标准和程序来解决该亟需处理问题。 此系统性行业问题需要立即引起注意，否则可能会发生灾难性事件。 专家组（Subject matter experts，SME）坚持认为，氢脆和应力腐蚀开裂（SCC）是导致这些失效的唯一原因，而循环疲劳在其中没有影响，且失效机理尚不清楚（2）。
所有失效的螺栓都有一定的使用寿命，这表明从疲劳裂纹萌生并扩展到关键缺陷处而导致最终断裂，这存在一定的时间。当前的“施加预紧力，然后就不管”的设计过程需要改变。验证和使用新开发的设计程序，建议使用优化后的预紧力，这需要疲劳和断裂来测试；该设计程序将生产出固有的安全可靠的螺栓连接，以长期用于海底环境。
螺栓失效的历史
关于最近的《安全警报》（第318号），BSEE报告说，海底组件中使用的各种安全关键组件中的螺栓失效事故反复出现，并担心这是系统性的行业问题。在《安全警报》中，BSEE建议执行以下内容的工作：
验证原始设备制造商（OEM）所提供的部件符合最新行业标准规定；
验证所有安装和维护程序（包括扭矩过程和最终值）是否满足OEM要求；
及时向OEM和相关行业组织报告任何螺栓失效事故。
在2012年12月的螺栓失效事故中，BSEE发现了氢气诱导的应力腐蚀断裂（HiSCC）。API和BSEE共同建议改善热处理，酸洗，涂层和烘烤工艺的质量保证/质量控制（QA / QC），其主要目的是减少带涂层螺栓中的渗透其中的氢原子。
从QC-FIT报告中（1）摘要显示，在2003年的此报告中提出了更全面的建议。“ 2003年Vetco Gray连接器螺栓失效的建议补救措施是重新设计螺栓，螺栓插入材料的设计规范要求（即降低材料硬度，屈服强度和极限抗拉强度），将施加的电压控制为最大-950mv ，消除热喷涂铝涂层，增加螺栓直径尺寸，并减少螺栓上的载荷约10％。”但是，循环疲劳从未包括在内。根据QC-FIT报告（2016-04）（1），这些补救解决方案早在2012年12月及其他失效之前就已实施，但失效仍在继续。
对此问题，行业内的响应一直不温不火。QC-FIT报告（1）指出：“尽管业内（MMS，两个主要运营商，一个主要钻井承包商和一个大型OEM）对涉及海上服务的材料硬度问题有所了解，但在过去的十年中，它们从未修订或采用新的行业标准，从未共同努力解决这个在行业范围内潜在的安全问题。API标准委员会最近开始研究此紧固件材料性能要求，并因此发布了新标准（已发布API Spec 20E，并最终确定Spec 20F）。但是，过去十年来，如果业界能更全面披露事件和进行数据共享工作可能会更早地凸显此问题，并可能导致业界对标准的开发做出更积极的反应。” API Spec 20E和Spec 20F并非设计标准。
BSEE总监Brian Salerno在致API的信（2016年1月22日）中要求业界共同努力，通过建立自己的关注点来制定必要的行业标准，如下：
“实际上，自2012年事件导致全球召回以来，又发生了两次连接器失效事故。最近的事故发生在最近30天内。这些事故涉及该设备的三个主要制造商，这表明这是一个系统的行业问题，需要立即引起注意。”此次召回涉及10,000多个螺栓，甚至其中一些已经更换的螺栓也可能发生了失效。
BSEE总监对潜在的系统性行业问题的判断是正确的。就材料或工艺而言，这三个制造商都不太可能会出现相同的QA / QC问题。一个可能的系统问题是所有螺栓均具有较高的预紧平均应力，并且没有进行疲劳寿命计算。 在业内存在一个理念，即较高的预紧力意味着不会发生周期性疲劳。同时在螺栓紧固时，扭矩导致的预紧力离散增加了更高预紧力的可能性，这会导致疲劳和抗断裂性的降低，从而缩短了疲劳寿命。 情况紧及，业界迫切需要一种能够为海上人员和资产安全，提供一种坚固耐用的螺栓连接的根本解决方案。
法医研究
QC-FIT评估表明，这是氢致环境辅助裂化（EAC）失效，并且循环疲劳没有发挥任何作用。因此，主要关注的是制造过程的质量控制。这种断言认为氢原子源存在于螺栓的内部（ASME F-16委员会，3）。如果是这样，则失效应该发生在安装预紧力施加后的一天左右，这样的失效是氢脆（HE）。可是在发生失效之前，所有螺栓都已经有了一定的使用寿命，这意味着至少存在疲劳裂纹的萌生和蔓延的情况。这表明氢的来源（如果有）是外部的，最有可能来自阴极保护。循环疲劳可能起了一定的作用，因为它决定了最终断裂条件之前的使用寿命。
更为可信的失效机理可能是初始缺陷裂纹扩展（在使用中已经存在或在使用中萌发），最终达到关键的EAC缺陷，导致最终断裂。发生这种情况所需的时间就是螺栓的使用寿命。高平均应力和一些可能的外部氢意味着导致断裂的关键缺陷，其尺寸很小。由于在海水中裂纹扩展较快，因此螺栓寿命很短，几乎整个断裂面都呈晶间状，这表明氢诱导的EAC引起了所有过早的断裂。 可是样品螺栓的断裂表面实际上并不支持这一点。 于此，还应注意，尽管有效缺陷大，导致裂纹快速扩展和早期断裂，但实际的物理缺陷很小，因此疲劳条纹或海滩痕迹实际上并不明显。
早期失效的结论可能源于一个普遍认同的概念，即具有适当预紧的螺栓不会遭受周期性载荷疲劳失效（4、5）。 其他对安全至关重要的行业在其螺栓设计程序中其实已经包括循环疲劳寿命计算。
关于受张力螺栓发生周期性疲劳失效，可能会引起两个问题的存在：为什么只有一些螺栓失效？ 这可能有两个原因。失效的螺栓具有较低的EAC抵抗力，这是由于局部较高的硬度（高于阈值），可能由于暴露于极端的环境和负载，其具有更高的氢气导致的尖锐的裂纹。
为什么预紧螺栓的疲劳测试通常不会显示疲劳失效？在公开文献中，有疲劳测试的报告表明预紧螺栓的疲劳寿命接近无限。可靠的答案必须来自经过适当设计的测试。如果不进行此类测试，则实用的解释是，法兰与螺栓的刚度比非常高的疲劳测试会导致螺栓所承受的应力幅很小，因此疲劳测试会失灵。 同时，螺栓上的有效应力范围可能低于裂纹扩展的应力阈值（应力和裂纹尺寸的函数）。
海底螺栓设计现状
随着更多的螺栓失效，有可能采取的措施是逐渐施加更多的预紧力。以下摘录（4、5）清楚地表明了行业观念和程序如何通过预紧力来管理疲劳，而不是针对海底组件的螺栓实际情况。“作为防止螺纹组件疲劳失效的保障措施，应在设备上设置一个限制，以使工作条件下不会遇到正常载荷而导致螺纹紧固系统的夹紧接头分离。”螺栓的设计步骤仅适用于施加预紧力以保持法兰处于压缩状态，在此称为“施加预紧力，然后就不管”。
充分考虑海底螺栓的长期使用需求，海底部件须经过精心设计以应对疲劳，而螺栓的预紧力设计值通常为屈服强度的66％。由于较高的螺纹高度会产生较大的有效初始缺陷，因此这种66％屈服强度的预紧力设计理念对大螺栓的伤害更大，从而缩短了使用寿命。
由于螺纹而产生的大量有效缺陷，高预紧力会导致的疲劳和断裂强度降低，进而导致某些螺栓过早失效，从而导致结构可靠性下降。螺栓设计的程序转变对于使其固有的安全性和可靠性至关重要。
设计安装
健壮的设计，制造和安装须为避免过早失效提供保护。目的是采用一种整体方法来设计，制造和安装内在可靠的螺栓，并且不易发生过早的HE或SCC类型的失效。在所有相关领域中，相互冲突的因素（预紧力和平均应力，强度和硬度，腐蚀保护和氢）必须达到完美的平衡，并且必须进行严格的质量控制。
对于高强度螺栓的安全设计过程应首先尝试消除或减少导致EAC的三个主要因素中的至少一个。在过去的十年中，为防止高强度螺栓失效而做出的努力表明，要避免腐蚀环境，氢的存在和易受腐蚀的物质。对于高强度材料，经验表明，更高硬度和随之而来断裂的可能性很高。样品的断裂表面似乎显示出在存在来自阴极腐蚀保护的氢的情况下，腐蚀疲劳裂纹扩展的确有可能性的证据。螺栓的设计寿命是引发尖锐裂纹并将其传播到与环境，材料和承受平均应力相关的最终临界尺寸的总时间。处理平均应力可能是结束螺栓过早失效的唯一选择。
样品的裂纹表面（BSEE提供）
在现有的螺栓设计程序“施加预紧力，然后就不管”中，将螺栓预紧力加载到通常为屈服强度的66％。这是AISC所允许的最大值，并且等于最大预期外载荷。由于与通过扭矩施加预紧力的离散性，技术人员倾向于施加更高的预紧力，从而导致可能的真实预紧力超过AISC允许的范围。即使预紧力是正确的，当加上部分静态外部荷载时，总荷载也超过了允许的屈服强度66％。
安装工艺必须确保预紧力施加的方法和准确性，以使达到的预紧力近似等于设计规定值。安装扭矩值应反映润滑剂的摩擦系数，这是产生扭矩和产生应力的主要因素。该系数根据润滑剂的类型而有很大不同。扭矩工具必须按照OEM规范和程序进行正确校准。阴极保护的外加电势应保持尽可能接近-950mv。
新设计程序
一种实用的高强度螺栓新设计程序被实践起来。与当前实践中的“施加预紧力，然后就不管”的过程相反，这是一种范式转换。新的设计程序基于优化预紧力，法兰和螺栓之间的负载分担，改善断裂处的缺陷尺寸以及裂纹扩展。新设计程序的目的是使螺栓在给定的设计使用寿命内具有固有的安全性，可靠性和耐用性。在所有阶段都有稳健性来管理不确定性并将故障概率降低到可以忽略的低值。
该程序将需要进行一些实验验证测试，以证明其可以正常使用。在防止重复发生的螺栓失效方面，在安全性和节省成本方面具有极大的好处。相比之下，测试和验证新设计程序的成本可以忽略不计。
结论
高强度螺栓失效的历史由来已久，可能存在系统的问题，需要立即予以关注，否则，可能正在等待灾难性事件的发生。
到目前为止，缓解措施仅集中在制造质量保证上，而证据表明，不适当的设计也是问题的一部分。
高水平的预紧力（有意或无意）可能是过早失效的一个因素。详细的疲劳设计必须适当考虑外部的静态和动态载荷。
已经开发出一种实用的新设计程序（6）。该程序是张力加载螺栓设计的范式转变，它将使海底螺栓本来就安全可靠。