CH324801A - Heat-resistant bolt - Google Patents

Heat-resistant bolt

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CH324801A
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CH
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bolt
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sep
creep
stress
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German (de)
Inventor
Edwards Olds Geoffrey Charles
Original Assignee
British Thomson Houston Co Ltd
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Publication date
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16BDEVICES FOR FASTENING OR SECURING CONSTRUCTIONAL ELEMENTS OR MACHINE PARTS TOGETHER, e.g. NAILS, BOLTS, CIRCLIPS, CLAMPS, CLIPS OR WEDGES; JOINTS OR JOINTING
    • F16B31/00Screwed connections specially modified in view of tensile load; Break-bolts
    • F16B31/04Screwed connections specially modified in view of tensile load; Break-bolts for maintaining a tensile load
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F22STEAM GENERATION
    • F22BMETHODS OF STEAM GENERATION; STEAM BOILERS
    • F22B7/00Steam boilers of furnace-tube type, i.e. the combustion of fuel being performed inside one or more furnace tubes built-in in the boiler body
    • F22B7/16Component parts thereof; Accessories therefor, e.g. stay-bolt connections

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Description

  

  Warmfester Bolzen    Die vorliegende Erfindung betrifft einen  Bolzen von warmfester     Konstruktion.    Der  Ausdruck      Bolzen     soll ausser Stehbolzen und  Stiftschrauben auch Stifte     und    Zapfen mit  einschliessen.  



  Die nutzbare Lebensdauer von Bolzen, die  zum Aufrechterhalten dichter     Verbindungs-          stösse    bei hohen Temperaturen verwendet wer  den, hängt vom     Krechdehnungsverlauf    ab.  Bolzen von     gleichförmigem    Querschnitt nüt  zen im allgemeinen ihre metallurgische Dehn  barkeit nicht. voll aus. Die     vorliegende    Erfin  dung zielt nun auf eine     Bollzenkonstruktion,     die diese Dehnbarkeit voll ausnützt und den  Verlauf der     Entspannung    verlangsamt bzw.  die Lebensdauer des     Bolzens    erhöht.  



  Bei einer     gegebenen.        Bolzenbelastung    tritt  die maximale Beanspruchung in demjenigen  Teil des Bolzens ein, der die     Meinste    Quer  schnittsfläche aufweist. Letztere ist höchstens  gleich der Fläche an der Wurzeldes     Schrau-          bengewind:es,    kann aber auch kleiner sein als  diese.  



  Bei einem Bolzen von gleichförmigem  Querschnitt, der bei     einer'T'emperatur    bean  sprucht wird, bei der sich eine     Kriechdeh-          nung    einstellt, tritt letztere gleichmässig über  die ganze     Bdlzenlänge    auf.

   Da     nun    die wir  kungsvolle     Bolzenllänge    als     konstant    angenom  men ist, wird dabei die     elastische        Spannung,     das heisst. .die durch     die        Belastung    hervorge-         rufene    'Spannung, gleichmässig über die ganze       Bolzenlänge    .abgebaut.  



       Analytisch        gilt        also,:        Elastische    Spannung       -I-    Kriechdehnung = konstant =     ursprÜng-          '1!iche        elastische    Spannung, und  So -     S    =     z'E        (@)     worin  E =     Elastizitätsmodul        (Joungscher    Modul)  bei der hohen Temperatur,  So =     ursprüngliche        Beanspruchung    des Bol  zens,  S =     Minimalspannung    im Bolzen nach Auf  treten ,

  der     Kriechdehnung    z, wobei letz  tere in Prozenten     ausgedrückt    ist:  Wenn So     festliegt    und     S    einen gewissen       Minimallwert    besitzen     muss,        um.    die Dichte des  Verbindungsstosses zu     gewährleisten,    ist 'die  Kriechdehnung;

   die .beim     Vermindern    der     Be-          anspruehung        nun.        diesen    Betrag eintritt, viel  kleiner als der Betrag, der     toleriert    werden  könnte, um einen Bruch     dez        Meialles    zu ver  meiden.

   Ein     kennzeichnender    Wert für die  totale     Kriechdehnung,    wie sie     durch    die     Glei-          chiuig    ('1) gegeben ist,     beträgt        0,1.         /a,    obschon  0;

  5      /o        toleriert    werden könnte, ohne     einen          Bollzenbruch    riskieren zu     müssen.    Die     Lebens-          dauer    des dehnbaren     Bolzens    könnte     volli    in  Rechnung     gestellt    werden, wenn wieder     auf     So gespannt und     wieder    ein     Entspannen          eingeleitet    wird,     aber    im obigen     Beispiel         müsste dies vier weitere Male vorgenommen  werden.  



  Der     warmfeste    Bolzen nach vorliegender       Erfindung        ist    dadurch gekennzeichnet, dass  seine     Querschnittsfläche    über einen Teil sei  ner Länge vergrössert ist, wodurch die Kriech  dehnung im Bolzen im wesentlichen     aiif    die       Bolzenabschnitte    von kleinerer Querschnitts  fläche     beschränkt    und dadurch die zufolge  der Kriechdehnung im     Bolzen        auftretende     Entspannung     verringert    wird.  



  Vorzugsweise liegt der Teil, über den die       Querschnittsfläche        vergrössert    ist,     zwischen     zwei Teilen minimaler     Querschnittsfiläche.     



  Der     Bolzenteil    mit vergrösserter Quer  schnitusfläche wirkt     dann    als eine     Art    Span  nungsspeicher und hält eine höhere     Span-          nung    im Abschnittdes kleinsten Querschnittes,  als wenn der Bolzen     durchwegs,    gleichmässig  dieselbe     Querschnittsfläche    aufweisen würde.  



  Die Lebensdauer des Bolzens nach der       Erfindung        kann    dann als beendigt angenom  men werden, wenn eine vorbestimmte Ent  spannung     infolge        Kriechens    eintritt, wobei  die zulässige     Kriechdehnung    des     Bolzen-          m.aterials    gleichzeitig wie die Entspannungs  grenze erreicht wird, wodurch eine maximale  Lebensdauer des Bolzens erreicht     wird.     



  Ein Ausführungsbeispiel der     Erfindung     ist in der Zeichnung     dargestellt,        die        einen     Bolzen mit zwei verschiedenen     Durchmes-          sein    zeigt.  



  In     Fig.    1     weist    ein Bolzen von der effek  tiven Länge     1l7        (unter        Vernachlässigung    der  Länge der     Schraubengewinde)    einen Ab  schnitt<I>N</I> mit. einer     Querschnittsfläche        c,    auf       und    einen     zweiten.    Abschnitt L mit einer  vergrösserten     Querschnittsfläche    b.

   Im nach  folgenden wird dargelegt, dass, wenn der  Abschnitt.     iI7    in axialer Richtung unterhalb  der     Elastizitätsgrenze        beansprucht    wird, so  dass im Abschnitt N eine gegebene Span  nung auftritt, das Mass der     Entspannung     in diesem Abschnitt kleiner ist als bei einem       Bolzen    von     gleichmässiger'    Querschnitt, der  von     Anfang    an auf     denselben    Wert gespannt  wird.

      In     Fig.    1, wo die maximale Anfangsspan  nung     ,So    auf die Fläche     a    des Abschnittes V  ausgeübt wird, ist die Spannung     in.    der  Fläche<I>b</I> des Abschnittes<I>L</I> immer propor  tional kleiner als im Abschnitt N. Nun ist  bekannt, dass die Kriechdehnung in einem  Konstruktionsmaterial für eine gegebene Tem  peratur nicht     proportional    zur     Beanspru-          ehung    verläuft, sondern proportional einer  hohen Potenz der .Spannung und bei sehr  kleinen     Beanspruchungen    gleich Null ange  nommen werden kann.

   Für die gegenwärtige  Erläuterung kann der Wert von b genügend  gross gemacht werden, so dass die im Ab  schnitt L auftretende     Kriechdehnung    im Ver  gleich mit     derjenigen    im Abschnitt     -N        ver-          na.chlässigbar    ist. In diesem Fall tritt die  ganze     Kriechdehnung    im Abschnitt N auf.

         Wird    die zum     Hervorrufen    der Initialspan  nung erforderliche Länge     1't1    konstant gehal  ten, so wird die im Abschnitt N auftretende  Kriechspannung die elastische Spannung ver  mindern     und    somit auch die     .Spannung        in    den  beiden Abschnitten<I>N</I> und<I>L</I> proportional.

    Das bedeutet, dass für     eine    gegebene Kriech  dehnung im Abschnitt N die Spannung in  diesem Abschnitt um einen kleineren Betrag  reduziert wird als im     Falle    eines     Bolzens    von  gleichförmiger     Querschnittsfläche.    Oder -Lunge  kehrt, für eine gegebene     Spannungsverminde-          rung    im Abschnitt N ist die erforderliche  Kriechdehnung grösser     und'        die    Zeit länger     ass     in einem herkömmlichen Bolzen von durch  wegs gleichem Querschnitt.  



       Analytisch    ausgedrückt: wenn ein Bruch  teil f eines     Kriechdehnungsbetrages    Z im Ab  schnitt N für die     elastische    Dehnung und  Entspannung in diesem Abschnitt und (1- f  von Z für ,die elastische     Dehnung    und Ent  spannung im Abschnitt L verwendet wird, so       gilt       <B>so</B>     -S-f.Z.E    (2)    Diese Gleichring     (2:

  )        zeigt.,    dass eine gege  bene Kriechdehnung Z eine     kleinere    Span  nung ergibt als die Gleichung (1), oder um  gekehrt,     @dass    für.     eine    gegebene maximale zu  lässige Entspannung, Z     aus        Gleichung    (2)           grösser        ist        als        ihr        Wert        von        etwa        0J        %,

          der     als     typischer        Wert    in der Gleichung (1) an  geführt wurde.  



  Angenommen, ein     gegebenes        klleines        Inkre-          ment    von Z dürfte in zwei Bolzen 1 und 2  auftreten, die auf den Wert So     gespannt    wer  den und der Gleichung (1<B>)</B> bzw. ('2)     gehor-          elien.    Wird weiter angenommen, dass die Span  nung in jedem dieser beiden     Bolzen    annähernd  gleich über diesem     Kriechdehnungsinkrement     verteilt     ist,    so sind die dafür gebrauchten  Zeiten gleich, aber die     Entspannung    im Bolzen  12 ist     kleiner    als diejenige im Bolzen 1.

   Es ist  daher ein weiteres     Zeitintervall    erforderlich,  bevor Bolzen 2 auf die     gleiche    Spannung wie  Bolzen 1 zurückgeführt ist. In     Fortsetzung     von der     letztgenannten        Spannung    aus kann.  das gleiche     Argument    mit der     einen    Qualifi  kation verwendet werden, bis die minimale       zulässige    Spannung erreicht ist, wodurch be  wiesen ist, dass der Bolzen 2 eine längere Le  bensdauer     aufweisen    wird als der     Bolzen    1.

    Die genannte     Qualifikation    ist, dass für eine  gegebene     .Spannung    während des Entspan  nungsvorganges der     Bolzen    '2 mehr     gedehnt     wird als der Bolzen 1, und es wird angenom  men, dass die     Extra-Kriechdehniuig    im     Bolzen     2, wenn sie sich überhaupt auswirkt, den  Kriechverlauf .für     eine    gegebene     Beanspru-          ehung    verlangsamt. Diese Annahme trifft in  dem Praxis zu, und daher wird     die    für eine  gegebene     :Spannung    benötigte Zeit länger,  wenn der Wert f abnimmt.  



  Es ist oben ausgesagt worden,     da.ss,    wenn  in einem     Bolzen    die maximale     zulässige    Ent  spannung eintritt, ein     typiseher    Wert von f  in Gleichung (1)     'bzw.    von f Z in Gleichung  (2)     0,111/9    betrage. Wäre die     metallurgische     Lebensdauer des     Balzens    eine Dehnung von  Z = 0,5 Oh, so wäre der     kleinste    zulässige  Wert von f gleich einem Fünftel bzw. zwei  Fünftel, wenn dem Bolzen ein     zweites    Mal  nachgezogen und wieder verwendet würde.  



  Der Wert von f für einen gegebenen Bolzen  hängt von dessen     Formgebung    ab     und    wird  im Falle der     Fig.    1 wie folgt     errechnet:          Angenommen,    im Abschnitt N     trete    eine  Kriechdehnung Z auf, aber keine solche im         Abschnitt    L, und die     .Spannung    im Abschnitt  N werde von So auf S verringert.     In    der  selben Zeit vermindere sich - die Beanspru  chung des     Bolzens        von:

      Wo auf W, und es trete  sowohl im Abschnitt N wie im Abschnitt L  eine     elastische        Kontraktion        ein     Elastische Kontraktion des     Abschnittes    N ist ;  
EMI0003.0071     
         Elastische        Kontraktion        des        Abschnittes    L ist  
EMI0003.0076     
    Da die     totale        Kriechverlängerung        ini    Bol  zen N     #    Z     beträgt    und     die    Länge     während    der  Entspannung konstant 

  gehalten wird, so ist:  
EMI0003.0084     
         und    daher  
EMI0003.0086     
    Daher     gilt    für den     eolzen        in        Fig.    1:  
EMI0003.0091     
    Für ein einzelnes     Anziehen    eines Bolzens,  wenn f gleich 1/4     genommen    wird für maximale  Lebensdauer,     ergibt        Gleichung   
EMI0003.0096  
    Da     a    fest ist und b genügend gross     genommen     wird,

   um im     Abschnitt    L eine     vernachlässig-          bare    Kriechdehnung hervorzurufen, kann das  erforderliche     Verhältnis   
EMI0003.0103  
   errechnet werden.  Wird der Bolzen nach,     Eintritt    der ersten  maximalen     Entspannung        ein        zweites        Mal    nach  gezogen,

   so muss f     gleich    2/4 sein und daher  
EMI0003.0110     
    Zum     Schluss    sei     bemerkt"dass    die Wirkung  der     Zufügung    eines Abschnittes von rein ola-           stischem    Material, das nicht kriecht, an einen       Bolzenabschnitt,    der kriecht,     dahin    geht, dass  der erste Abschnitt als ein  Spannungsreser  voir  für den zweiten     Abschnitt    arbeitet, in  dem ein     Bruchteil   <B>(11-f)</B> der Kriechdeh  nung     unwirksam    gemacht wird für das Er  zeugen einer     Entspannung    in dem Abschnitt,  in dem ein Kriechen eintritt.

      Im     praktischen    Fall     eines    zum Zusammen  halten zweier     Flansche    benützten     Balzens    muss       die    oben angeführte einfache Theorie abgeän  dert werden,     um    die elastische Dehnung in  den beiden     Muttern,    den     Schraubengewinden     und Flanschen und     die    Kriechdehnung in       allem    beanspruchten,     mit    dem Stoss zusammen  hängenden Metall in     Rechnung    zustellen.

   Was  jedoch die     Entspannung    betrifft, bewirken alle  diese Abänderungen eine     Änderung        des        f-Wer-          tes        eines    gegebenen     :

  Systems.        Sind    die notwen  digen Abänderungen und     Metalleigenschaften     bekannt, so     ist        es    daher     möglich,    einen solchen  Bolzen mit dem
EMI0004.0032  
   Verhältnis (Fug. 1) zu kon  struieren, dass die     maximale        zulässige    Kriech  dehnung im     BoIzenabschnitt    N eintritt.  



  Nachfolgend ist ein     Anwendungsbeispiel     der     Konstruktionsweise    angeführt. Es handelt  sich hier um ein gegebenes Paar von Flan  schen, die von solchen- Bolzen zusammenge  halten werden,     -dass-    eine     gewisse        Minimal          beanspruchung        erforderlich        ist,    um zwischen  den beiden, in     Fig.2:    im Querschnitt darge  stellten Flanschen einen genügenden Druck       aufrechtzuhalten.     



  Angenommen, es werden mehrere solche  Bolzen     verwendet    und     die    totale Querschnitts  fläche sei fest. Da.     ziun    Aufrechterhalten der       Abdichtung    eine gewisse Mindestbeanspru  chung     des    Flansches vorhanden sein mass,     ist     es von Vorteil, - die totale     Quersehriittsfläche     aller verwendeten     Bolzen    so.

   gross als     möglich     zu wählen, so dass die für     irgendeinen    der       Bolzen    erforderliche     Mindestbeanspruchung          möglichst    niedrig     ist.    Die beiden Einschrän  kungen für den     Bolzendurchmesser    sind:

   am       Flansch    muss eine genügende Auflagefläche  für die     Muttern    vorhanden sein und die    Fläche der     Flanschbohrungen    zur Aufnahme  der     Bolzen        darf    nicht so .gross sein, dass die  von den Muttern auf den .Flansch übertra  gene 'Spannung im     Fl'anschmaterial    eine     nen-          nenswerte        Kriechdehnung    hervorruft.

   Für  den vorliegenden Fall     kann        daher    keine     Bol-          zenkonstruktion    verwendet werden, bei der ein       grosser    Unterschied     zwischen    dem Durch  messer der beiden     Bolzenabschnitte    N und L  besteht, da der     Durchmesser    des     L-Abschnittes     durch den grössten Durchmesser der die Bol  zen.

       aufnehrrienden        Flanschbohrungen    fixiert  und es     erwünscht    ist., den Durchmesser der  beiden     N-Abschnitte    möglichst     gross    zu ma  chen, um     für    eine gegebene Belastung die  niedrigsten :Spannungen zu erhalten.

   Der  Durchmesser der beiden     N-Absehnitte    muss  jedoch etwas kleiner sein als der     Wurzalldurch-          messer    der Gewinde, um eine     unzulässige    De  formation der letzteren zu vermeiden, und  kann ferner auch durch die Notwendigkeit  beschränkt sein,     zwischen    den Muttern benach  barter Bolzen genügend Raum zu schaffen.

    Der Durchmesser des     L-Abschnittes    ist nur  durch das Loch     selbst        beschränkt,    Aas grösser       sein    in-ass     ass    der     Gewindeaussendurchmesser,     aber - wenigstens an seinen beiden Enden   klein genug, um für die     Muttern    genügend  Auflagefläche zu schaffen. Beim vorliegenden  Anwendungsbeispiel wird ein Loch von gleich  mässigem Durchmesser und die Dimensionen  so gewählt., dass die Spannung im Abschnitt L  viel grösser ist. als in den Flanschen oder       Muttern.     



  Es sei angenommen, für jeden     Bolzen    be  stehe eine von der     F'lanschflä.che    c aufgenom  mene     Initialbelastung    Wo und die effektive,  diese Belastung auf einer     effektiven    Fläche     a     aufnehmende Mutter- und Gewindelänge sei  <I>k</I>     #   <I>n,</I> worin     n        die    totale Länge der Mutter  und     1c    ein Koeffizient ist.

   'Tritt im Abschnitt  N eine Kriechdehnung Z auf, so seien -die im  Abschnitt L, dem Flansch und dem     Mutter-          und    Schraubengewinde sich     einstellenden          Kriechdehnungen    mit<I>p</I>     #   <I>Z,</I>     q   <I>- Z bzw. r</I>     #   <I>Z</I>  bezeichnet.

   Dabei     fällt    die     Spannung    in     N     von So auf     S,    und es treten die folgenden ela  stischen Verschiebungen     ein         Elastische     Entspannung    im Abschnitt N ist  
EMI0005.0002     
    Elastische Entspannung im Abschnitt L     ist     
EMI0005.0004     
    Elastische Entspannung in Mutter und Schraubengewinde ist  
EMI0005.0005     
    Elastische Entspannung in den Flanschen  
EMI0005.0006     
    Da die totale Kriechdehnung gleich ist- der totalen elastischen Entspannung, ist:

    
EMI0005.0007     
    und daher  
EMI0005.0008     
    Daraus ergibt sich f für das     Bolzen-          Flanschsy        stem     
EMI0005.0012     
    Das     Verhältnis    kann     aus    Gleichung (4)  für den gewünschten
EMI0005.0015  
       Wert    von f errechnet  werden,     vorausgesetzt,        dass.    die andern Aus  drücke     bekannt    sind,

   oder geschätzt werden       können.    Der für die     Berechnung    verwendete  Wert von f hängt von der     zulässigen        Total-          längung    unter Kriechzuständen     und    von der  Anzahl vorgesehener Bolzen Nachspannungen  ab.  



  Ist die     Spannung    in N gleich     S,    dann     ist     sie in<I>L</I>     gleicl_   
EMI0005.0030  
   und in     0I    gleich
EMI0005.0032  
   Ist  
EMI0005.0033     
  
    somit <SEP> das <SEP> Flanschmaterial <SEP> ähnlich <SEP> demjeni  gen <SEP> des <SEP> Bolzens <SEP> und <SEP> dlie <SEP> Kriechdehnung <SEP> in
<tb>  einer <SEP> gegebenen <SEP> Zeitdauer <SEP> proportional <SEP> zu
<tb>  Sm, <SEP> so <SEP> ist <SEP> die <SEP> Kriechspannung <SEP> in <SEP> <I>L</I> <SEP> und <SEP> <I>111</I>     
EMI0005.0034     
  
    gleich
<tb>  -@ <SEP> <I># <SEP> x</I> <SEP> bzw.
<tb>  -@ <SEP> z.

   <SEP> Daher <SEP> ist <SEP> <I>p <SEP> =</I>
<tb>  b <SEP> c
<tb>  <I>b</I> <SEP> lm <SEP> und <SEP> q <SEP> <I>-</I>
<tb>  <I>a</I>
<tb>  <I>m'</I>       Es seien- folgende Werte angenommen:'  
EMI0005.0035     
         D1    =10     Zoll    und die Spannung     in    den     Mut-          tern,    und     Gewinden    werde vernachlässigt. Als !  durchschnittlicher Wert von     m    sei 6 ange  nommen.  



       Bei    nur einmaligem     Nachziehen,    wobei  
EMI0005.0045  
   ist,     ergibt        sich:     
EMI0005.0048     
    woraus N =<B>0,25</B>     Zel!1    =     0,160    cm.      In diesem Fall     ist        also    ein sehr kleiner       Wert    von N erforderlich.

   Wird jedoch als       vorteilhaft        betrachte,    den     Bolzen        auf    seine       Maximalspannung    nachzuziehen, nachdem er  sieh auf     seine    untere Grenze entspannt hat,       kann    für jedes     Nachziehen    nur die Hälfte  der totalen,     zur    Verfügung stehenden Kriech       längung    zugestanden werden. Daher ist       und:   
EMI0006.0015  
    
EMI0006.0016     
         woraus    N = 16 Zoll = 15,3 cm     wird.     



  In diesem Fall sollte etwas mehr als die  halbe     Bolzenlänge    von kleinerem Querschnitt       sein.     



  Bei     gewissen        Entspannungsfällen    können  die     Werte    p     und    q     viel    kleiner sein als oben  angegeben. Im Grenzfall, wenn diese beiden  Werte gleich     Null    sind., heissen die beiden Glei  chungen     wie    folgt:       Einmaliges    Nachziehen:  
EMI0006.0029     
    woraus  N = 3,9     Zoll    = 9,9 cm     wird.     



  Zweimaliges     Nachziehen:.     
EMI0006.0033     
    woraus  N = -8,2 Zoll =     20,3    cm wird.    Sind die Bedingungen     solicher    Art, dass die  Spannung im Flansch     vernachlässigt    werden  kann,     dannkönnen    -     ausgehend    von obiger       analytischer    Darstellung - die Gleichungen  weiter     vereinfacht    werden (Gleichung 3)  Bei einem einzigen Nachziehen der Bolzen:  
EMI0006.0041     
    woraus N = 2,1 Zoll oder gleich     j5,3    cm wird.

    Beim zweimaligen Nachziehen der Bolzen:  
EMI0006.0043     
    woraus N = 4,4     Zoll;    oder gleich     11,'2-    cm er  gibt.



  Creep Resistant Bolt The present invention relates to a creep resistant construction bolt. The term bolt is intended to include studs and studs as well as pins and tenons.



  The useful service life of bolts that are used to maintain tight joints at high temperatures depends on the creep expansion curve. Bolts of uniform cross-section generally do not use their metallurgical elasticity. full off. The present invention aims at a bolt construction that takes full advantage of this elasticity and slows down the relaxation process or increases the life of the bolt.



  At a given. Bolt load, the maximum stress occurs in that part of the bolt that has the most cross-sectional area. The latter is at most equal to the area at the root of the screw thread: it can, but can also be smaller than this.



  In the case of a bolt with a uniform cross-section that is subjected to a 'temperature' at which creep strain occurs, the latter occurs evenly over the entire length of the bolt.

   Since the effective bolt length is now assumed to be constant, the elastic tension, that is, becomes. .the tension caused by the load, is evenly reduced over the entire length of the bolt.



       Analytically, the following applies: elastic stress -I- creep strain = constant = original- '1! Elastic stress, and So - S = z'E (@) where E = modulus of elasticity (Young's modulus) at the high temperature, So = original Load on the bolt, S = minimum stress in the bolt after it has occurred,

  the creep strain z, the latter being expressed as a percentage: If So is fixed and S must have a certain minimum value in order to. To ensure the tightness of the joint is' creep strain;

   the .by reducing the stress now. this amount occurs, much less than the amount that could be tolerated in order to avoid breaking dez meialles.

   A characteristic value for the total creep strain, as it is given by the equation ('1), is 0.1. / a, although 0;

  5 / o could be tolerated without risking a bolt break. The life of the expandable bolt could be fully taken into account if tensioned again to So and again initiated relaxation, but in the above example this would have to be done four more times.



  The heat-resistant bolt according to the present invention is characterized in that its cross-sectional area is increased over part of its length, whereby the creep expansion in the bolt is essentially limited to the bolt sections with a smaller cross-sectional area and the relaxation occurring in the bolt as a result of the creep expansion is reduced .



  The part over which the cross-sectional area is enlarged preferably lies between two parts of minimal cross-sectional area.



  The bolt part with an enlarged cross-sectional area then acts as a type of tension store and holds a higher tension in the section of the smallest cross-section than if the bolt consistently had the same cross-sectional area.



  The life of the bolt according to the invention can then be assumed to have ended when a predetermined relaxation occurs due to creep, the permissible creep strain of the bolt material being reached at the same time as the relaxation limit, whereby a maximum service life of the bolt is achieved .



  An embodiment of the invention is shown in the drawing, which shows a bolt with two different diameters.



  In Fig. 1, a bolt of the effective length 1l7 (neglecting the length of the screw thread) has a section <I> N </I>. a cross-sectional area c, and a second. Section L with an enlarged cross-sectional area b.

   It is stated below that if the section. iI7 is stressed in the axial direction below the elastic limit, so that a given tension occurs in section N, the degree of relaxation in this section is smaller than with a bolt with a uniform cross-section, which is tensioned to the same value from the start.

      In Fig. 1, where the maximum initial stress So is exerted on the area a of the section V, the stress in the area <I> b </I> of the section <I> L </I> is always proportional smaller than in section N. It is now known that the creep strain in a construction material for a given temperature is not proportional to the stress, but proportional to a high power of the stress and can be assumed to be zero for very small stresses.

   For the present explanation, the value of b can be made large enough so that the creep strain occurring in section L is negligible in comparison with that in section -N. In this case, all of the creep strain occurs in section N.

         If the length 1't1 required to produce the initial stress is kept constant, the creep stress occurring in section N will reduce the elastic stress and thus also the stress in the two sections <I> N </I> and <I > L </I> proportional.

    This means that for a given creep strain in section N, the stress in this section is reduced by a smaller amount than in the case of a bolt with a uniform cross-sectional area. Or -Lunge reverses, for a given stress reduction in section N, the required creep strain is greater and the time is longer than in a conventional bolt of the same cross-section.



       Expressed in analytical terms: if a fraction f of a creep strain amount Z in section N is used for the elastic strain and relaxation in this section and (1- f of Z for the elastic strain and relaxation in section L, then <B> applies so </B> -Sf.ZE (2) This equal ring (2:

  ) shows that a given creep strain Z results in a lower stress than equation (1), or vice versa, @ that for. a given maximum allowable relaxation, Z from equation (2) is greater than its value of about 0J%,

          which was given as a typical value in equation (1).



  Assume that a given small increment of Z should appear in two bolts 1 and 2, which are tensioned to the value So and which obey the equation (1 <B>) </B> or ('2). If it is further assumed that the stress in each of these two bolts is distributed approximately equally over this creep strain increment, the times used for this are the same, but the relaxation in bolt 12 is less than that in bolt 1.

   An additional time interval is therefore required before bolt 2 is returned to the same tension as bolt 1. In continuation of the last-mentioned tension can. the same argument can be used with one qualification until the minimum allowable tension is reached, which proves that the bolt 2 will have a longer service life than the bolt 1.

    The qualification mentioned is that for a given .Tension during the relaxation process, the bolt 2 is stretched more than the bolt 1, and it is assumed that the extra creep in the bolt 2, if it has any effect, the creep curve . slowed down for a given load. This assumption is true in practice and therefore the time required for a given voltage becomes longer as the value f decreases.



  It has been stated above that when the maximum allowable relaxation occurs in a bolt, a typical value of f in equation (1) 'resp. of f Z in equation (2) is 0.111 / 9. If the metallurgical life of the pin were an elongation of Z = 0.5 Oh, then the smallest permissible value of f would be equal to one fifth or two fifths if the bolt were retightened and used again.



  The value of f for a given bolt depends on its shape and is calculated in the case of FIG. 1 as follows: Assume that a creep strain Z occurs in section N, but none in section L, and the stress in section N. will be reduced from So to S. In the same time - the stress on the bolt is reduced by:

      Where on W, and there is an elastic contraction both in section N and in section L, an elastic contraction of section N;
EMI0003.0071
         Elastic contraction of section L is
EMI0003.0076
    Since the total creep extension in the bolt is N # Z and the length is constant during relaxation

  is held, then:
EMI0003.0084
         and therefore
EMI0003.0086
    Therefore the following applies to the eolzen in Fig. 1:
EMI0003.0091
    For a single tightening of a bolt, if f is taken equal to 1/4 for maximum life, equation gives
EMI0003.0096
    Since a is fixed and b is taken sufficiently large,

   to cause negligible creep strain in section L, the required ratio
EMI0003.0103
   can be calculated. If the bolt is pulled a second time after the first maximum relaxation has occurred,

   so f must be 2/4 and therefore
EMI0003.0110
    In conclusion, it should be noted that "the effect of adding a section of purely oleic material that does not creep to a bolt section that creeps is that the first section works as a stress reservoir for the second section in which a Fraction <B> (11-f) </B> of the creep strain is rendered ineffective for producing relaxation in the section in which creep occurs.

      In the practical case of a pin used to hold two flanges together, the simple theory given above must be modified to take into account the elastic strain in the two nuts, screw threads and flanges, and the creep strain in all stressed metal associated with the impact .

   As for relaxation, however, all of these changes cause a change in the f-value of a given:

  Systems. If the necessary changes and metal properties are known, it is therefore possible to use such a bolt with the
EMI0004.0032
   Relationship (Fug. 1) to construct that the maximum permissible creep elongation occurs in bolt section N.



  An example of the construction method is given below. This is a given pair of flanges that are held together by such bolts, that a certain minimum stress is required to maintain sufficient pressure between the two flanges shown in cross section in FIG .



  Assume that several such bolts are used and that the total cross-sectional area is fixed. There. In order to maintain a certain minimum stress on the flange to maintain the seal, it is advantageous - the total transverse area of all bolts used.

   to be chosen as large as possible, so that the minimum stress required for any of the bolts is as low as possible. The two restrictions on the pin diameter are:

   There must be a sufficient contact surface on the flange for the nuts and the surface of the flange bores for receiving the bolts must not be so large that the stress transmitted by the nuts to the "flange" causes a significant creep in the flange material .

   In the present case, therefore, no bolt construction can be used in which there is a large difference between the diameter of the two bolt sections N and L, since the diameter of the L-section is determined by the largest diameter of the bolts.

       fixed flange holes and it is desirable. To make the diameter of the two N-sections as large as possible in order to obtain the lowest stresses for a given load.

   However, the diameter of the two N-Absehnitte must be slightly smaller than the root diameter of the thread to avoid inadmissible deformation of the latter, and can also be limited by the need to create enough space between the nuts of neighboring bolts .

    The diameter of the L-section is only limited by the hole itself, which is larger in-as the outer thread diameter, but - at least at both ends small enough to create enough support surface for the nuts. In the present application example, a hole with a uniform diameter and the dimensions are chosen so that the tension in section L is much greater. than in the flanges or nuts.



  It is assumed that for each bolt there is an initial load Wo absorbed by the flange surface c and the effective nut and thread length that absorbs this load on an effective surface a is <I> k </I> # <I > n, </I> where n is the total length of the nut and 1c is a coefficient.

   'If a creep strain Z occurs in section N, let the creep strains occurring in section L, the flange and the nut and screw thread with <I> p </I> # <I> Z, </I> q < I> - Z or r </I> # <I> Z </I>.

   The tension in N falls from So to S, and the following elastic displacements occur. Elastic relaxation in section N is
EMI0005.0002
    Elastic relaxation in section L is
EMI0005.0004
    There is elastic relaxation in the nut and screw thread
EMI0005.0005
    Elastic relaxation in the flanges
EMI0005.0006
    Since the total creep strain is equal to the total elastic relaxation, is:

    
EMI0005.0007
    and therefore
EMI0005.0008
    This gives f for the bolt flange system
EMI0005.0012
    The ratio can be obtained from equation (4) for the desired
EMI0005.0015
       The value of f can be calculated, provided that the other expressions are known,

   or can be appreciated. The value of f used for the calculation depends on the permissible total elongation under creep conditions and on the number of post-tensioning bolts provided.



  If the voltage in N is equal to S, then it is the same in <I> L </I>
EMI0005.0030
   and equal in 0I
EMI0005.0032
   Is
EMI0005.0033
  
    thus <SEP> the <SEP> flange material <SEP> similar to <SEP> that <SEP> of the <SEP> bolt <SEP> and <SEP> the <SEP> creep strain <SEP> in
<tb> to a <SEP> given <SEP> duration <SEP> proportionally <SEP>
<tb> Sm, <SEP> so <SEP> is <SEP> the <SEP> creep stress <SEP> in <SEP> <I> L </I> <SEP> and <SEP> <I> 111 </ I >
EMI0005.0034
  
    equal
<tb> - @ <SEP> <I> # <SEP> x </I> <SEP> or
<tb> - @ <SEP> e.g.

   <SEP> Therefore <SEP> is <SEP> <I> p <SEP> = </I>
<tb> b <SEP> c
<tb> <I> b </I> <SEP> lm <SEP> and <SEP> q <SEP> <I> - </I>
<tb> <I> a </I>
<tb> <I> m '</I> The following values are assumed:'
EMI0005.0035
         D1 = 10 inches and neglect the tension in the nuts and threads. When ! the average value of m is assumed to be 6.



       With only one tightening, whereby
EMI0005.0045
   is, it results:
EMI0005.0048
    from which N = <B> 0.25 </B> Zel! 1 = 0.160 cm. So in this case, a very small value of N is required.

   However, if it is considered advantageous to retighten the bolt to its maximum tension after it has relaxed to its lower limit, only half of the total available creep elongation can be allowed for each retightening. Therefore and is:
EMI0006.0015
    
EMI0006.0016
         which becomes N = 16 inches = 15.3 cm.



  In this case, slightly more than half the length of the bolt should have a smaller cross-section.



  In certain relaxation cases the values p and q can be much smaller than indicated above. In the borderline case, when these two values are equal to zero, the two equations are called as follows: One-time adjustment:
EMI0006.0029
    which becomes N = 3.9 inches = 9.9 cm.



  Twice tightening :.
EMI0006.0033
    which becomes N = -8.2 inches = 20.3 cm. If the conditions are of such a kind that the tension in the flange can be neglected, the equations can be simplified further (equation 3) with a single retightening of the bolts, based on the above analytical representation:
EMI0006.0041
    which becomes N = 2.1 inches or equal to j5.3 cm.

    When tightening the bolts twice:
EMI0006.0043
    where N = 4.4 inches; or equal to 11.2 cm he gives.

 

Claims (1)

PATENTANSPRUCH Warmfester Bolzen, bei dessen Verwen dung Kriechdehnung erwartet werden kann, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnitts fläche des Bolzens über einen'Teil seiner Länge erhöht. ist, wodurch die Kriechdiehnung im Bö17en wenigstens annähernd. auf en bzw. PATENT CLAIM Heat-resistant bolt, with the use of which creep strain can be expected, characterized in that the cross-sectional area of the bolt increases over part of its length. whereby the creep thinning in gusts is at least approximately. on en or die Bolzenabschnitte von kleinerer Quer schnittsfläche beschränkt und dadurch die im Bolzen sich, aus einer gegebenen plastischen Dehnung -ergeberi & Entspannung verringert wird. the bolt sections are limited by a smaller cross-sectional area and thereby the in the bolt is reduced from a given plastic strain -ergeberi & relaxation.
CH324801D 1953-07-27 1954-07-15 Heat-resistant bolt CH324801A (en)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
GB324801X 1953-07-27

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ID=10339212

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CH324801D CH324801A (en) 1953-07-27 1954-07-15 Heat-resistant bolt

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CH (1) CH324801A (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4790702A (en) * 1986-03-27 1988-12-13 Maganias Nicholas H Nut and bolt assembly

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4790702A (en) * 1986-03-27 1988-12-13 Maganias Nicholas H Nut and bolt assembly

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