1. 볼트 체결부의 고장 분석
Failure Analysis of Bolted Joints
기계 고장 분석가는 때로는 나사 체결부나 볼트 체결의 파손도 다루어야 한다.
기계 고장 분석가는 구조 엔지니어링에 취약하기 때문에 볼트 체결에 대한 최신 설계 및 거동 기술을 숙지하여야 한다. 여기서 누설, 마멸, Slip, 파단, 헐거움, 단순한 오동작 등의 문제가 있을 수 있다.
여러 가지 인자가 체결 볼트의 고장에 영향을 미치게 되며 나사 체결부와 연관된 문제를 밝히는 통계를 참조하여 다음 사항을 고려하라. : 1964-1970 기간의 ATZ와 같은 대형 유럽 기계 보험회사의 연구 기관은 나사 체결부의 파손으로 기계가 고장난 사례가 132가지라고 보고하였다. 표 2-4는 고장의 원인과 형태에 관한 분포이다.
표 2-4 나사 조임 장치(Threaded Fastener)에 대한 고장 원인 및 형태
Skylab 프로그램 작성중 체결부 고장을 연구한 결과, 표 2-5의 통계를 얻었다. 여기에서 우리는 문제 해결을 위해 고장 방지 목록과 고장 내용을 문서화해야 한다.
표 2-5 Skylab 프로그램의 볼트 체결부 고장 원인의 요약 (모든 조임 장치는 힘을 받았음)
2. 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
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.
3. 고장 분석 단계
Failure Analysis Steps
체결 볼트의 고장 분석은 다음과 같은 단계로 구성되어야 한다.
⑴ 고장 메커니즘의 정의
a. 정하중시 볼트의 고장은 조이는 중에 발생한 것인가? 보통, 파단면은 볼트 축과 90°이상 차이가 있는데, 이것은 인장과 비틀림 응력의 조합으로 인한 볼트 강성의 초과 때문이고, 순수 인장 파괴는 볼트축에 90°에서 일어난다.
b. 변동 순환 하중으로 볼트가 파손되었다. 고주파 피로는 파단면상에 “Beach Mark”가 나타나지만(그림 2-5) 이러한 특징은 피로 관련 메커니즘에 의한 것은 아니므로 결론이 될 수 없다.
c. 부식에 의한 정적 또는 피로 파손
d. 체결부가 설계 기능을 발휘하지 못하는 것은 체결력이 설계 필요치를 만족하지 못하기 때문이다. 예상되는 고장 형태는 부분 분리나 전체 분리(변위), 체결부의 미끄러짐(변위), 체결부 Fretting(부식), 너트 진동에 의한 이완(변위) 등이다. 결과적으로 고장 형태는 “누설”이다.
그림 2-5 고장에 의한 볼트 파단면은 균열 초기와 성장중의 파손영역(cl)에서는
부드럽고 광택인 반면, 급격한 파손 영역(rf)에서는 거칠게 나타난다.
⑵ 설계 검토
a. 분석가는 체결부의 하중 및 예하중을 추정하여 계산하고, 정적 파손이면 이 장의 말미에 열거된 적절한 참고 자료를 참조할 수 있다.
b. 순환 하중에 의한 파손이면 후속 작업은 더 까다롭다. 즉, 파손과 관련된 부품의 내구 한계를 규명해야 하는데 실험이 필요하고 공개된 데이터는 많지 않다.
⑶ 특별 변수의 점검
표 2-6과 같이 체결 부품의 파손에 영향을 주는 인자를 고려하라.