美制紧固件国产化技术攻关浅谈

【摘 要】本文论述了美制紧固件国产化的几种实施方案，通过对美制紧固件标准的分析及技术攻关，实现了美制紧固件的国产化，达到降本增效的目的。

【关键词】美制紧固件；国产化；技术攻关；降本增效

引言

燃气轮机具有：体积小、重量轻、启动快、安装周期短、效率高、污染排放低、可靠性高、寿命长、便于维修等诸多优点，被视为当今世界最先进和最主要的动力机械。由于它可燃用多种燃料,因而从国家能源结构来讲，是一个很好的发展方向；它还可利用其高排气，在余热锅炉中产生蒸汽来供热实现热电联供，进而可以实现热、电、冷三联供，更有效地利用能源，故其市场潜力很大。9E燃气轮机的生产和独立销售，使我公司跻身于国家重要发电设备行列，成为我国目前生产9E燃气轮机的基地之一，奠定了我公司在国内大型燃机制造领域的“3+1”的地位。

燃气轮机是我公司的主要产品，采用了美国GE公司的先进技术，其中用到了大量的美制紧固件，以前均是依赖进口，费用昂贵、供货周期长。所以，实现燃机零部件的国产化变得十分紧迫和重要。故公司将美制紧固件国产化列为2010年第001号技术攻关项目，标准化室作为项目的负责单位，组织项目组成员主要从国内外紧固件标准及材料对照分析、GE紧固件规范翻译厂化、确定定供货商等几方面进行了技术攻关，通过美制紧固件的国内采购和用国标紧固件替代等途径，实现了美制紧固件的国产化，达到降本增效的目的。

1.分析对照项目及方法

实现国产化的前提是要有标准，使其在国内生产成为可能。故其首要任务是标准的对照分析。考虑标准紧固件的功能及使用性能的要求，按下列顺序选择主次对照分析项目。

结构形状是表征标准紧固件的功能及安装使用的特征。结构形状的对照，是进行标准紧固件转化的首选项目，结构形状的差异，将会引起原引进设计文件的变动给国产化工作带来困难，应尽量避免出现此类转化。

基本尺寸是表征标准紧固件的规格大小及使用范围的特征。基本尺寸的对照，是进行标准紧固件转化的一项基本项目，基本尺寸不同，将会引起原引进设计文件的变动，给国产化工作带来困难，应尽量避免出现此类转化。若转化后的基本尺寸范围未能覆盖转化前的基本尺寸，其使用范围将受到限制，有可能满足不了原引进设计文件的选用要求。

材料牌号是表征标准紧固件承载能力的一项重要指标项目。材料牌号的对照，是进行标准紧固件转化的一项关键项目，不同的材料牌号，将会影响标准紧固件承受载荷的能力，造成标准紧固件在使用过程中发生断裂等故障，而给产品带来极大的危害。技术条件是表征标准紧固件的技术要求及验证与验收其使用功能和可靠性要求的重要文件项目。技术条件的对照，是进行标准紧固件转化的一项重要项目，技术条件的差异，尤其是设计载荷或保证载荷及验收试验方法，将会影响到标准紧固件的使用功能及可靠性，关系到标准紧固件的质量。

螺纹精度是表征紧固件的配合性能的一项重要技术性能指标，螺纹精度的对照对标准紧固件转化极为重要。螺纹精度的不同，将会影响螺纹的配合松紧程度，产生松动现象而影响产品的质量。表面处理是表征标准紧固件的防腐能力，以适应使用环境要求的重要性能指标项目。因为表面处理不同，将会影响标准紧固件的防腐性能而使标准紧固件丧失功能。

上述项目中结构形状、基本尺寸、材料牌号和技术条件是4个关键项目，依据美国标准查找相应的中国标准，进行比较，以便选择较为合适的对照分析标准。由于美国紧固件标准主要是以材料牌号为主编制成一项标准，而中国标准则是以结构形状为主编制成一项标准，对照分析中，有可能出现一个中国标准对应几个美国标准。而美国紧固件标准编制采用的尺寸系列与中国标准不同，还有美国标准的以全系列规格尺寸出现，如垫圈，一个公称尺寸对应若干个直径和厚度尺寸。对照分析中，也会出现一个美国标准对应几个中国标准。材料牌号的对照，只能从化学成分和机械性能进行比较，以不低于国外材料标准规定的机械性能为主，来确立替代关系。紧固件的一般结构尺寸对照，要完全对应十分困难，只能在保证紧固件的基本尺寸规格相同的条件下，一般结构尺寸尽可能一致或接近。

2.国内外紧固件标准对照分析

2.1 紧固螺纹简介

螺纹可分为：紧固螺纹、管螺纹及传动螺纹3大类。其中，紧固螺纹包括：普通螺纹、过渡配合与过盈配合螺纹、大间隙螺纹及仪器用特种螺纹等。普通螺纹又可按计量单位和发明国分为3种螺纹，即米制、美制及英制螺纹。

本次攻关主要涉及美制螺纹和米制螺纹。

米制螺纹基本牙型是等边三角形牙顶牙底截短的轮廓，牙型角为60°，螺纹用字母M（表示米制普通螺纹）标记，规格大小以公称直径和螺距表示，計量单位为毫米，即米制，主要标准有：

a)国际标准ISO 68-1、ISO 261、ISO 965-1 米制普通螺纹

b)中国标准GB/T 192～193、GB/T 196～197 普通螺纹

c)德国标准DIN 13 普通螺纹

d)日本标准JIS B 0205、B 0207、B 0209、B 0211、B 0215 米制普通螺纹

e)澳大利亚标准AS 1275 米制普通螺纹

美制普通螺纹即“统一螺纹”，其螺纹基本牙型是等边三角形牙顶牙底截短的轮廓，牙型角为60°（与米制螺纹牙型相同），螺纹规格用公称直径和每英寸内的牙数标记，计量单位为英寸。螺纹代号有：UNC（统一粗牙螺纹）；UNF（统一细牙螺纹）；UN（统一恒定螺距螺纹）等。其中，商品紧固件常用粗牙和细牙螺纹系列和4UN、6UN、8UN、12UN、28UN、32UN等恒定螺距系列螺纹。

美制螺纹和螺纹量规标准主要有：

a)美国标准ASME B1.1-2002 统一英寸螺纹

b)美国标准ASME B1.2-1983（R2001） 统一英寸螺纹量规和测量

c)美国标准ASME B1.3M-1992（R2001） 统一英寸螺纹尺寸接收检验方法

2.2 紧固件机械性能与材料

国际上大多数的紧固件机械性能标准(如使用米制单位的国家)都已等效或等同采用了国际标准ISO 898《紧固件机械性能》系列标准，我国紧固件机械性能标准GB/T 3098就是等同采用ISO898。但美国则是按自己的标准体系制定了系列标准，所有的机械性能内容和等级标志、测试方法都与ISO标准不一样。美国紧固件机械性能标准分别以ASTM、ASME、SAE和IFI的标准颁布；各协会标准内容相对独立、自成体系，又相互包容。美国紧固件机械性能标准与ISO标准一样是相对独立的，是紧固件的基础技术标准，有独立的标准编号。为方便设计对照转化，我们编制了美制紧固件与米制紧固件机械性能的对照表。

对一些使用在特殊环境中的外螺纹紧固件,腐蚀环境有大气腐蚀、电腐蚀、高温氧化和应力腐蚀等。国外紧固件标准的制定不是简单的通过增加表面镀层来提高防腐蚀性能，而是选用合适的材料达到一定强度等级来满足要求。如ASTM A437/437M《高温作业用透平式经特殊热处理的合金钢栓接材料》、ASTM A193/193M《高温下的合金钢和不锈钢螺栓材料》都是用于高温环境的栓接材料，标准中规定不同的等级选用不同的耐腐蚀合金钢材料或铁素体、奥氏体和马氏体不锈钢材料，并经相应热处理来适应不同的环境使用要求。

我国新制定的标准GB/T 20410-2006《涡轮机高温螺栓用钢》，是非等效采用欧洲标准EN 20269：1999《制造高温和(或)低温紧固件用钢棒和镍合金钢》和美国材料与试验协会标准ASTM A437/437M《高温作业用透平式经特殊热处理的合金钢栓接材料》。我公司GE规范中高温紧固件的材料，主要选用了ASTM A193 中B16、B7和ASTM A437中B4B几个等级，将其与GB/T 20410中相对应的我国材料进行对照：

化学成分：B16与40CrMoVA、B4B与2Cr12NiMo1W1的化学成分基本一致；而B7与42CrMoA的Mn含量相差较大，其余成分差不多。

力学性能：B16与40CrMoVA的机械性能基本一致；B4B与40CrMoVA的机械性能略有差别，B4B的屈服强度比2Cr12NiMo1W1低40MPa，B4B的抗拉强度比2Cr12NiMo1W1高70MPa；而B7的屈服强度和抗拉强度均比42CrMoA高。

综上所述，美国材料标准和我国材料标准不能完全一一对应，只能大致对应。

3.确定国产化实施方案

一是在国内采购符合美国标准的美制紧固件，通过对国内紧固件行业的调研了解到，近年来随着改革开放、技术引进等，新材料、新工艺的运用，国内紧固件行业有了很大发展，我国正在变成紧固件制造大国，已经能够生产各种标准包括美制、英制、米制的紧固件，并大量出口到国外，成为各大跨国公司的供貨商，此外我国钢铁行业的发展，新冶炼技术也能生产出符合美国材料和试验协会标准的高温紧固件用材料，确保了紧固件的性能，使得在国内采购按美国标准制造的美制紧固件成为可能。使得按国外标准在国内生产紧固件成为可能。

我们统计出燃机产品所用全部美制紧固件的种类，共计五大类，40多个品种，对其规格标准及技术规范进行分析对比，通过对照分析，由于结构形状的差异：如12角法兰面螺钉、螺母；12角自锁螺母等，我国还没有相应的国家标准；基本尺寸的不全：国外紧固件标准与我国紧固件标准所选取的尺寸系列不一致；运行条件的不同：燃机高温、高强度的特殊运行条件，我国目前还没有此类运行条件下的紧固件机械性能国家标准。使得无法找到可以直接引用的国家标准，直接引用将导致原引进设计文件的变动，可能对产品质量有影响。故对于我公司燃机产品关键和重要的部套，如透平气缸等，为确保产品的可靠性，其美制紧固件的国产化只能通过在国内采购完全按美国标准制造的美制紧固件来实现。

二是用国标紧固件替代，由于两种紧固件的螺纹、标准体系和计量单位均不同，其性能有所差别，只有在燃机非重要部套，如管路系统等，且螺栓、螺母是配套使用的，设计人员可以按美制紧固件与米制紧固件机械性能对照表，直接选用相应强度等级的国标紧固件替代美制紧固件。

三是将美制螺纹米制化，我公司以前曾将GE紧固件中的合金钢12角螺栓、螺母转化为米制，分别制定了行业标准和企业标准，由于工艺不过关、需求量小等原因，质量不好且价格昂贵，故没有在产品上得到使用。这种方法在现阶段达不到降本增效的目的，只是为了国产化而国产化，没有实际意义。

4.选定国内供货商

通过市场调研及分析对比，我们选定一家上海公司为我公司美制紧固件的供货商，该公司主要生产和分销螺纹紧固件和精密机械零件，其产品主要用于发电设备、石油矿山等行业。该公司是美国GE公司的紧固件供货商，能够按美国标准生产美制紧固件；且该公司与宝钢集团签有一系列的技术协议，可以购买到符合美国标准ASTM A193和ASTM A437的材料，这也是我公司燃机产品中高温紧固件所用的重要材料，从而解决了美制紧固件国产化的关键问题。

5.GE紧固件规范翻译厂化

我们统计了燃机产品用到的美制紧固件，其中螺栓类：5种；螺钉类：17种；螺母类：12种；垫圈类：4种；销类：3种。为方便国内采购时的检验，我们将其用到的GE规范进行了翻译厂化，把英制尺寸转化为米制，便于在国内采购时进厂复验，翻译厂化并归档GE规范36份。同时编制了GE紧固件规范中引用的美国标准目录。

6.经济效益分析

在制造商直接采购符合GE规范的美标紧固件，可以节省各种税收、运输费用及中间商的利润，大大降低采购成本，缩短供货周期，达到降本增效的目的，具有较大的经济效益。燃气轮机主要由压气机、燃烧室、透平气缸和排气缸等四大部分组成，它们之间全靠高温紧固件连接成整体，这些高温紧固件在机组中具有重要地位。以机组透平气缸、排气缸使用的合金钢12角头螺栓为例，每台用量约900件，国内采购价约是进口价的30%到60%，单这个品种每台燃机就可节省近8万元，降低该部分紧固件采购成本约38.6%。

7.攻关成果

此次攻关主要取得了如下成果：

—— 通过对美制紧固件螺纹、标准和材料的分析对照，了解了美制螺纹的特点及美制螺纹与米制螺纹间的差异，熟悉了美制紧固件的技术标准体系；

—— 翻译、厂化GE紧固件规范36份；

—— 经过考查验证，选定了具有GE供应商资质的国内制造商，能够完全按照美国标准生产美制紧固件，保证产品质量；

—— 实现了美制紧固件的国产化，大大降低采购成本，缩短供货周期，达到降本增效的目的；提高了燃机零部件的国产化率，为燃机的国产化打好基础，具有较大的社会、经济效益。

—— 该项目获得公司2011年度技术攻关三等奖。

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