TWI383137B

TWI383137B - Bolt inspection method

Info

Publication number: TWI383137B
Application number: TW98100936A
Authority: TW
Inventors: Shin Nakayama; Masuo Tada; Tomohiro Numajiri
Original assignee: Mitsubishi Heavy Ind Ltd
Priority date: 2009-01-12
Filing date: 2009-01-12
Publication date: 2013-01-21
Also published as: TW201027061A

Description

螺栓的檢查方法

本發明係關於一種螺栓的檢查方法，尤其是關於一種可判別是否可使用作為設置於寒冷地區之風車用的螺栓的檢查方法。

使用於風力發電裝置用之風車的螺栓，需要高強度及高韌性。因此，作為使用於風車的螺栓用鋼材，多使用可確保高強度及高韌性的鉻鉬鋼合金。鉻鉬鋼，係一種在碳鋼(Fe+C)中添加鉻(Cr)來提高淬火(quenching)性之後，進而添加鉬(Mo)藉以更加提高淬火性的合金，其不易因回火(tempering)而發生軟化現象，且回火脆度也較少。

作為使用於前述風車之作為螺栓鋼材的鉻鉬之一例，可列舉在質量%的成分比方面，含有0.33%以上0.38%以下的碳(C)、0.15%以上0.35%以下的矽(Si)、0.60%以上0.85%以下的錳(Mn)、0.90%以上1.20%以下的鉻(Cr)、0.15%~0.30%以上的鉬(Mo)，且限制磷(P)為0.03%以下、硫(S)為0.03%以下的鋼材。

使用此種鉻鉬鋼而製作成的螺栓，當使用在被設置於非寒冷地區的風車時具有充分的強度及韌性，且無特別的問題。

另一方面，在設置於如周圍溫度達-40左右的寒冷地區之風車方面，被要求使用一種在-20℃之夏比衝擊(Charpy impact)能量下滿足27[J]以上作為韌性指標的螺栓。但是，一旦使用鉻鉬鋼來製作複數個螺栓，可明白雖有一部分的螺栓會滿足前述-20℃之夏比衝擊能量27[J]以上，但有一部分的螺栓並不會滿足前述-20℃之夏比衝擊能量27[J]以上，且無法將使用鉻鉬鋼製作成的螺栓作為設置於寒冷地區的風車用螺栓。

因此，作為使用於寒冷地區用之風車的螺栓鋼材，可考慮使用低溫韌性高的鋼材來取代前述鉻鉬鋼。

作為前述低溫韌性高的鋼材，可考慮使用例如專利文獻1(日本特開平8-67950號公報)所揭示之強度及韌性均優異的麻田(martensite)系不銹鋼。此麻田系不銹鋼係一種碳含量為0.05~1.5質量%、矽含量為2質量%以下、錳含量為2質量%以下以及鉻含量為10~20質量%，且使粒徑2μm以下的細微碳化物以1~30體積%之比例均一分散於基質(matrix)中，藉由使舊沃斯田體(austenite)粒徑細微化為30μm以下來改善麻田系不銹鋼的韌性之鋼材。

但是，專利文獻1所揭示的鋼材，有必要添加多量的Cr，且無法析出成長有助於螺栓用鋼材之高強度化的鐵系之回火碳化物，而很難使其高強度化。因此，難以當作使用於寒冷地區用之風車的螺栓鋼材來使用。

又，假設其是一種能承受當作使用於寒冷地區用之風車的螺栓鋼材來使用的材料，則將該材料，與使用作為非寒冷地區用之螺栓鋼材的鉻鉬鋼並行使用，也是有必要以個別的設備來製造使用於寒冷地區用之風車的螺栓鋼材、及使用於非寒冷地區用之螺栓鋼材，因此會增大設備的原始成本(initial cost)及變動成本(running cost)。

因此，如前面所述般，可考慮使用鉻鉬鋼製作成的螺栓，係利用混合滿足在寒冷地區用風車使用的螺栓所要求的前述-20℃之夏比衝擊能量27[J]的螺栓、及不滿足在寒冷地區用風車使用的螺栓所要求的前述-20℃之夏比衝擊能量27[J]的螺栓，來分成可供寒冷地區用的螺栓與不可供寒冷地區用的螺栓。

為了進行前述分配作業，例如可列舉如下之方法：針對所製作成的螺栓之每一批號逐一地拔出螺栓，並對該拔出的螺栓實施夏比衝擊試驗，以進行若滿足前述夏比衝擊值則該批號的螺栓就分配為可供寒冷地區用的螺栓，若不滿足則該批號的螺栓就分配為不可供寒冷地區用的螺栓。

藉此，就沒有必要以個別的設備來製造寒冷地區域用與非寒冷地區用的螺栓鋼材，且不會增大設備的原始成本及變動成本，而可準備寒冷地區用與非寒冷地區用之螺栓用的鋼材。

然而，夏比衝擊試驗，係一種對具有缺口的角柱狀之試驗片施予高速的衝擊藉以破壞試驗片，藉由破壞所需的能量，評估試驗片之韌性用的衝擊試驗。因此，為了對螺栓進行夏比衝擊試驗，有必要切斷螺栓並對角柱狀之試驗片進行加工，因此需要既繁雜又花時間的作業。因而，對於使用前述鉻鉬鋼製作成的螺栓實施夏比衝擊試驗，且根據該夏比衝擊試驗的結果，對可否使用作為寒冷地區用的螺栓進行分類，會隨著長時間的作業而使製程管理變得繁雜。

更且，在如此藉由夏比衝擊試驗來判別可否使用作為寒冷地區用的方法中，被製造出的螺栓，由於在被實施夏比衝擊試驗以前仍無法判斷可否使用作為寒冷地區用，所以會因可供被製造出的螺栓中之寒冷地區使用的螺栓之混合比例而有可能無法確保供寒冷地區用的螺栓之必要數量。

本發明有鑒於該種先前技術的問題，其目的在於提供一種不用實施進行繁雜作業的夏比衝擊試驗，就能將使用鉻鉬鋼製作成的螺栓，分成可供寒冷地區用的螺栓、及不可供寒冷地區用的螺栓之風力用螺栓的檢查方法。

為了解決上述課題，本發明之螺栓的檢查方法，係判別使用經施予熱處理過的鉻鉬鋼製作成的螺栓是否可在寒冷地區使用之螺栓的檢查方法，其特徵在於：使用前述鉻鉬鋼之鋼材檢查證明書中所記載的磷(P)、矽(Si)、錳(Mn)、錫(Sn)各自之含有率(質量%)的P(%)、Si(%)、Mn(%)、Sn(%)，並採用由

J=(Si%+Mn%)×(P%+Sn%)×10⁴

所計算的J參數、及螺栓直徑，來判別是否可在寒冷地區使用。

在此，所謂鋼材檢查證明書，係指製造鋼材的廠商已證明該鋼材之檢查結果的證明書，而該證明書中至少有必要記載磷(P)、矽(Si)、錳(Mn)、錫(Sn)各自的含有率(質量%)。

前述螺栓之可否在寒冷地區使用，係可藉由以往就為人所週知之作為韌性指標的夏比衝擊值來判斷。

發明人，係在鉻鉬鋼中，發現J參數與螺栓直徑，成為前述夏比衝擊值的指標，且發現使用J參數與螺栓直徑可判斷螺栓可否在寒冷地區使用。

藉由使用J參數與螺栓直徑來判斷螺栓可否在寒冷地區使用，就沒有必要實施順序複雜且需要花時間的夏比衝擊試驗，可縮短檢查時間，並可簡化製程。

更且，為了求出前述J參數，藉由使用鋼材檢查證明書中所記載的磷(P)、矽(Si)、錳(Mn)、錫(Sn)各自之含有率(質量%)，則由於無須進行鋼材之分析等就可求出J參數，故可以更短時間求出J參數。

又，其特徵在於，求出在寒冷地區使用的螺栓之最大螺栓直徑之被判斷可在寒冷地區使用的J參數之最大值，且判斷可在寒冷地區使用前述J參數為前述最大值以下、且螺栓直徑為前述最大螺栓直徑以下的螺栓。

若事先求出前述最大值，則由於可只以J參數判斷螺栓可否在寒冷地區使用，所以可更加縮短檢查時間。

又，螺栓直徑係只在求出前述最大值時使用，無需使用於判斷各個螺栓可否在寒冷地區使用，更且由於J參數，係在螺栓製造前可使用鋼材檢查證明書中所記載的Si、Mn、P、Sn之四個成分的含有率(質量%)來計算，所以有關韌性之方面可在鋼材之時點判斷被製造出的螺栓可否供寒冷地區使用。

又，其特徵在於，依前述熱處理條件，該淬火時的冷卻方法係藉由油冷或水冷方式來使前述J參數之最大值成為不同。

由於油冷方式的冷卻速度比水冷方式的冷卻速度還慢，所以經油冷方式而急冷後的螺栓之韌性會比經水冷方式而急冷後的螺栓之韌性還降低，而夏比衝擊值也會變大。因此，前述冷卻方法係藉由油冷或水冷方式來使前述J參數之最大值成為不同，藉此就可更正確地判斷螺栓可否在寒冷地區使用。

如以上所記載，依據本發明，則可提供一種不用實施進行繁雜作業的夏比衝擊試驗，就能將使用鉻鉬鋼製作成的螺栓，分成可供寒冷地區用的螺栓、及不可供寒冷地區用的螺栓之風力用螺栓的檢查方法。

以下，參照圖式例示性地詳細說明本發明的較佳實施例。但是，此實施例中所記載的構成零件之尺寸、材質、形狀、其相對的配置等只要沒有特定的記載，本發明之趣旨就非為將此發明範圍限定於此，其只不過是單純的說明例而已。

本發明人，係針對帶給螺栓之夏比衝擊值很大影響的要素進行了檢討，該螺栓係使用在質量%的成分比方面，含有0.33%以上0.38%以下的C、0.15%以上0.35%以下的Si、0.60%以上0.85%以下的Mn、0.90%以上1.20%以下的Cr、0.15%~0.30%以上的Mo，且限制P為0.03%以下、S為0.03%以下的鉻鉬鋼製作成。結果，發現使用鉻鉬鋼中的P之含量P%(質量%)、Si之含量Si%(質量%)、Mn之含量Mn%(質量%)、Sn之含量Sn%(質量%)，且以

J=(Si%+Mn%)×(P%+Sn%)×10⁴ 　…(1)

表示的J參數，成為螺栓之夏比衝擊值的指標。

另外，前述Si%、Mn%、P%、Sn%係使用了鋼材之鋼材檢查證明書中所記載的值。

針對發現了前述J成為螺栓之夏比衝擊值的指標之檢討結果加以說明。

對經熔製後之具有前述成分比的鉻鉬鋼進行滾軋製，且在軟化退火之後，進行拉線，在成形為螺栓形狀後，於加熱後油中進行急冷的淬火處理，對之再加熱且保持一定時間後進行徐冷之回火處理，藉由使用經該處理後的鋼材，來製作成螺栓。螺栓係製作了如下的21種類。

J=100，螺栓之體型分別為28、30、32、35、36、38、40mm之7種類

J=200，螺栓之體型分別為28、30、32、35、36、38、40mm之7種類

J=300，螺栓之體型分別為28、30、32、35、36、38、40mm之7種類

在此，所謂螺栓之體型，係指螺栓的軸部直徑之意。

對於以上21種類的螺栓，實施夏比衝擊試驗，且調查了環境溫度滿足約-40℃之寒冷地區用的螺栓所需要的夏比衝擊值(vE_ave )=27[J]的溫度。將結果顯示於第1圖。

第1圖係將淬火時使用油冷方式製作成的螺栓之達成vE_ave =27[J]的溫度與螺栓的體型之關係歸納為每一個J參數的曲線圖。第1圖中，縱軸為達成vE_ave =27[J]的溫度(℃)，橫軸為螺栓的體型(mm)。

如第1圖所示，在J參數為相同的螺栓中，可看到螺栓之體型越大則達成vE_ave =27[J]的溫度有變得越高的傾向。

又在螺栓的體型為相同的螺栓中，可看到J參數越大則達成vE_ave =27[J]的溫度有變得越高的傾向。

根據第1圖可明白，在J參數=100中，螺栓的體型28mm~40mm之全部的螺栓，其達成vE_ave =27[J]的溫度在-100℃~-80℃之範圍內，而螺栓的體型40mm以下之螺栓係可供寒冷地區使用。又在J參數=200中，螺栓的體型28mm~38mm之螺栓，其達成vE_ave =27[J]的溫度在-20℃以下，若螺栓的體型為38mm以下則可供寒冷地區使用。在J參數=300中，螺栓的體型28mm~40mm之全部的螺栓，其達成27[J]的溫度比-20℃還高，而螺栓的體型28mm以上則無法供寒冷地區使用。

其次，對經熔製後之具有前述成分比的鉻鉬鋼進行滾軋製，且在軟化退火之後，進行拉線，在成形為螺栓形狀後，於加熱後水中進行急冷的淬火處理，對之再加熱且保持一定時間後進行徐冷之回火處理，藉由使用經該處理後的鋼材，來製作成螺栓。螺栓係製作了如下的21種類。

J=100，螺栓之體型分別為28、30、32、35、36、38、40mm之7種類

J=200，螺栓之體型分別為28、30、32、35、36、38、40mm之7種類

J=300，螺栓之體型分別為28、30、32、35、36、38、40mm之7種類

該21種類的螺栓，與製作前述之第1圖的曲線圖時所使用的螺栓，除了淬火處理時的急冷方法不同以外其他都使用相同的方法製造。

對於以上21種類的螺栓，實施夏比衝擊試驗，且調查了滿足夏比衝擊值(vE_ave )=27[J]的溫度。將結果顯示於第2圖。

第2圖係將淬火時使用水冷方式製作成的螺栓之達成vE_ave =27[J]的溫度與螺栓的體型之關係歸納為每一個J參數的曲線圖。第2圖中，縱軸為達成vE_ave =27[J]的溫度(℃)，橫軸為螺栓的體型(mm)。

如第2圖所示，在J參數為相同的螺栓中，可看到螺栓之體型越大則達成vE_ave =27[J]的溫度有變得越高的傾向。又在螺栓的體型為相同的螺栓中，可看到J參數越大則達成vE_ave =27[J]的溫度有變得越高的傾向。

在J參數=100中，可明白螺栓的體型32mm以下之螺栓，其達成vE_ave =27[J]的溫度在-20℃以下，螺栓的體型若為32mm以下則可供寒冷地區使用。又在J參數=200及J=300中，螺栓的體型28mm~40mm之全部的螺栓，其達成vE_ave =27[J]的溫度在-20℃以下，若螺栓的體型為40mm以下則可供寒冷地區使用。

又，鋼材之淬火時的急冷方法有油冷或水冷之不同，一旦比較螺栓的體型與J參數均為相同的螺栓彼此之達成vE_ave =27[J]的溫度，則可看到淬火時的急冷方法係以水冷之一方較為低溫的傾向。例如參照第1圖與第2圖，J參數=200、螺栓的體型36mm中之達成vE_ave =27[J]的溫度，在第1圖所示之經油冷方式而急冷後的螺栓中係為約-35℃，相對於此，在第2圖所示之經水冷方式而急冷後的螺栓中係為約-55℃。從此結果來看可以說，淬火時的急冷方法係以水冷的情況比油冷的情況還可製作具有高韌性的螺栓。

淬火時的急冷方法係以水冷之一方較為低溫的傾向，可看到其與J參數、螺栓的體型無關。此可看作係因油冷方式之冷卻速度比水冷方式之冷卻速度還慢，而經油冷方式而急冷後的螺栓之韌性比經水冷方式而急冷的螺栓之韌性還降低所致。

其次，在使用螺栓體型36mm以下之螺栓作為寒冷地區使用的風車用螺栓的情況中，係著重於J參數而繼續進一步檢討。

在淬火時的急冷方法為水冷之第2圖所示的數據中，係著眼於螺栓的體型36mm之數據，且歸納於第3圖。

第3圖係歸納淬火時使用水冷方式並以鉻鉬鋼製作成的螺栓之達成vE_ave =27[J]的溫度與J參數之關係的曲線圖。第3圖中，縱軸為達成vE_ave =27[J]的溫度(℃)，橫軸為J參數。

根據第3圖可明白，J參數與達成vE_ave =27[J]的溫度係處於正比的關係，隨著J參數越大達成vE_ave =27[J]的溫度也變得越大。

如前面所述般，設置於如環境溫度達-40℃之寒冷地區的風車中，被要求一種-20℃中之夏比衝擊值vE_ave 為27[J]以上的螺栓。在歸納於第3圖之淬火時經水冷方式而急冷後的螺栓之體型36mm的螺栓中，可明白由於-20℃中之vE_ave =27[J]以上，所以J參數只要為250以下即可。

更且，就未滿螺栓的體型36mm之螺栓加以考量。根據第2圖可明白，由於螺栓的體型未滿36mm之螺栓比螺栓的體型為36mm之螺栓還具高韌性，所以若滿足J參數≦250，則可以說螺栓的體型36mm以下之全部的螺栓可滿足-20℃中之vE_ave =27[J]以上。亦即，可以說若滿足採用作為在寒冷地區使用的風車用螺栓的最大之螺栓的體型36mm，且滿足-20℃中之vE_ave =27[J]以上的J參數≦250，則不用根據螺栓之體型就可採用作為在寒冷地區使用的風車用螺栓。

因而，沒有必要測定螺栓的體型，只要知道鋼材中之Si、Mn、P、Sn之四個成分的含有率(質量%)即可計算J參數，且可判斷可否使用作為在寒冷地區使用的風車用螺栓。

尤其是，前述鋼材中之Si、Mn、P、Sn之四個成分的含有率(質量%)，係已記載於鋼材之鋼材檢查證明書中，沒有必要進行前述含有率的測定。

另外，將在寒冷地區使用的風車用螺栓之體型的上限設為36mm只不過是一例而已，在將寒冷地區使用的風車用螺栓之體型的上限設為其他的大小之情況，也與在螺栓的體型之上限為36mm之情況使用第3圖求出J參數的上限值250之方法相同，藉由事先求出螺栓的體型之上限中的J參數之上限值，即可根據J參數判斷可否使用作為在寒冷地區使用的風車用螺栓。

又，在使用當淬火時不實施水冷而實施油冷方式而得的鋼材之情況，係與進行水冷方式的情況不同有需要事先求出J參數的上限值。

其次，採用一種使用在淬火時使用水冷方式而得的鉻鉬鋼作為鋼材，且螺栓之體型36mm以下、且-20℃中之夏比衝擊值為27[J]以上的螺栓，作為在寒冷地區使用的風車用螺栓，並針對採用該螺栓之情況的螺栓檢查方法加以說明。

第4圖係顯示本實施例之螺栓的檢查方法之順序的流程圖。

首先，在步驟S1中設定J參數的上限。在此，如使用第3圖所說明般將J=250設為上限。

其次在步驟S2中取得備鋼材(淬火時使用水冷方式而得的鉻鉬鋼)。通常，前述鋼材係購自鋼材廠商，從鋼材廠商取得必須與鋼材同時記載有該鋼材之Si、Mn、P、Sn之四個成分的含有率(質量%)的鋼材檢查證明書。

一旦在步驟S2取得鋼材，就在步驟S3根據前述鋼材檢查證明書中所記載的Si、Mn、P、Sn之四個成分的含有率(質量%)計算該鋼材中的J參數，且在步驟S4判斷是否為J≧250。

一旦在步驟S4判斷為否，則由於使用該鋼材所製造出的螺栓無法供寒冷地區使用，所以會在步驟S5中製造螺栓，且與在步驟S6中所製造出的螺栓之體型無關而採用作為非寒冷地區用的螺栓。

一旦在步驟S4判斷為是，則在步驟S7製造螺栓。

在步驟S8中，測定在步驟S7中所製造出的螺栓之體型，且判斷是否為螺栓之體型≦36mm以下。

一旦在步驟S8判斷為否，則由於螺栓之體型未滿足作為在寒冷地區使用的風車用螺栓之規格，所以在步驟S9採用作為非寒冷地區用的螺栓。

一旦在步驟S8判斷為是，則採用作為寒冷地區用的螺栓。

如以上所述，藉由事先設定J參數之上限值，且使用鋼材檢查證明書中所記載的Si、Mn、P、Sn之四個成分的含有率(質量%)來計算該鋼材中的J參數，即可簡單地判斷所製造出的螺栓可否供寒冷地區使用。

又，藉由將鋼材檢查證明書中所記載的前述含有率使用於計算中，也沒有必要進行鋼材之分析等。

更且，在螺栓製造前，即在導入鋼材後的時點由於可進行J參數之計算，所以在第4圖中的步驟S4前在韌性方面當導入鋼材後的時點可判斷可否供寒冷地區使用。因而，可預測在導入鋼材後的時點可供寒冷地區使用的螺栓之存在比例，且可依需要提早採取追加鋼材訂單等的對應，因此可降低無法確保供寒冷地區使用的螺栓之必要數量的可能性。

(產業上之可利用性)

可使用作為風力用螺栓的檢查方法，係不用實施進行繁雜作業的夏比衝擊試驗，就能將使用鉻鉬鋼製作成的螺栓，分成可供寒冷地區用的螺栓、及不可供寒冷地區用的螺栓之風力用螺栓的檢查方法。

第1圖係將淬火時使用油冷方式製作成的螺栓之達成vE_ave =27[J]的溫度與螺栓的體型之關係歸納為每一個J參數的曲線圖。

第2圖係將淬火時使用水冷方式製作成的螺栓之達成vE_ave =27[J]的溫度與螺栓的體型之關係歸納為每一個J參數的曲線圖。

第3圖係歸納淬火時使用水冷方式並以鉻鉬鋼製作成的螺栓之達成vE_ave =27[J]的溫度與J參數之關係的曲線圖。

第4圖係顯示本實施例之螺栓的檢查方法之順序的流程圖。

Claims

一種螺栓的檢查方法，係判別使用經施予熱處理過的鉻鉬鋼製作成的螺栓是否可在寒冷地區使用之螺栓的檢查方法，其特徵在於：使用前述鉻鉬鋼之鋼材檢查證明書中所記載的磷(P)、矽(Si)、錳(Mn)、錫(Sn)各自之含有率(質量%)的P(%)、Si(%)、Mn(%)、Sn(%)，並採用由J=(Si%+Mn%)×(P%+Sn%)×10⁴ 所計算的J參數、及螺栓直徑，來判別是否可在寒冷地區使用。
如申請專利範圍第1項所記載的螺栓的檢查方法，其中，求出在寒冷地區使用的螺栓之最大螺栓直徑之被判斷可在寒冷地區使用的J參數之最大值，且判斷可在寒冷地區使用前述J參數為前述最大值以下、且螺栓直徑為前述最大螺栓直徑以下的螺栓。
如申請專利範圍第2項所記載的螺栓的檢查方法，其中，前述熱處理係包含淬火處理，進行該淬火處理時的冷卻方法係藉由油冷或水冷方式來使前述J參數之最大值成為不同。