볼트 체결부 고장 분석

너트와 볼트는 어디에나 사용됩니다. 가정에서 발생하는 볼트 체결부의 고장이라면 대개는 사소한 골칫거리에 불과합니다. 그러나 원자력 발전소에서 유사한 고장이 발생하면 치명적인 재앙을 초래할 수 있으므로 손상된 볼트 체결부에 대한 고장 분석이 매우 중요합니다.

볼트 체결부 고장 원인에는 여러 종류가 있습니다. 하지만 실제로는 여러 가지 요인이 복합적으로 작용하여 발생하는 경우가 대부분입니다.

Alstom Transport의 볼팅 분석 전문가인 Laurent Dastas에 따르면 볼트 체결부 고장에는 네 가지 주요 근본 원인이 있습니다:

체결시 볼트를 조이는 작업이 제대로 수행되지 않았습니다.
체결 공차와 관련된 체결 도구의 정확도가 부족했습니다.
화스너의 강종에 오류 사항이 있었습니다.
체결 순서가 올바르지 않았습니다.

기술적인 용어로 볼트 체결부 고장에는 정적 파손과 피로 파괴(동적 파손이라고도 함) 라는 두 가지 주요 유형이 있습니다. "체결 작업 중 결합력과 결합각 정보를 동시에 측정하는 전자 장치를 사용하면 이 네 가지 변수를 고려하여 모든 부품을 안전하게 체결할 수 있습니다."라고 Laurent Dastas는 설명합니다.

정적 파손은 일반적으로 쉽게 식별할 수 있습니다. 이러한 문제는 과부하 중, 체결부를 과도하게 체결한 이후, 사고 등으로 인한 외부 하중 발생 시 또는 '부적합 제품'으로 인해 발생합니다.

피로 파괴는 사용 주기 동안 발생하는 피로가 누적되어 발생하기 때문에 더 복잡한 문제일 경우가 많습니다. 예를 들어 화스너, 볼트의 나사산 또는 체결부의 모든 구성 요소에 균열이 생기기 시작할 수 있습니다. 이러한 균열은 체결부가 완전히 망가지기 전에 증가하여 체결부의 정상적인 부분(응력 부분)으로 전파됩니다.

"실제로 볼트로 체결된 조립체에서 가장 위험한 파손 원인은 균열 관련 손상입니다."라고 Nord-Lock의 수석 기술 전문가인 Zouhair Chaib는 말합니다.

피로 파괴의 경우 초기에는 조립체가 정확히 체결되었을 수 있습니다. 그러나 외부 하중이 가해지면서 볼트 체결부는 이완 또는 자연적인 풀림 현상 등으로 인해 체결력의 힘을 잃기 시작합니다.

"이미 시작된 체결력 손실 현상을 저지하기란 쉽지 않습니다. 체결력이 손실되면 부품 사이의 교대 응력과 미끄러짐이 모두 증가합니다. 이후 미끄러짐 현상이 반복되면서 갈수록 더 많은 체결력이 손실되게 됩니다."라고 Cahib는 전합니다.

교번 응력 또한 계속 증가되어 피로파괴를 형성하는 결과를 갖습니다. 외부 및 교번 하중이 지속되는 상황에서 피로 파괴가 전파되는 경향을 갖습니다. 하중이 어느 정도 전파된 후, 피로 하중이 너무 크게 되면, 완전한 피로 파괴(고장)가 발생합니다. 피로 균열은 볼트 나사산의 부식 및 불순물, 나사산의 품질 불량 또는 충격하중에 의해 형성될 수 있습니다.

교대 응력 또한 계속 증가하면서 끝내 피로 균열을 발생시킵니다. 그리고 외부 하중과 주기적인 하중을 받으면서 피로 균열이 전파됩니다. 균열이 볼트에 전파되다가 누적된 하중에 견딜 수 없게 되면 볼트 전체가 파괴됩니다. 피로 균열은 볼트의 부식 또는 소재 내 불순물, 나사산의 가공 품질 또는 우발적인 하중(충격)에 의해 시작될 수 있습니다.

여러 개의 볼트가 관련된 경우 한 개의 볼트가 파손되면 근처에 있는 다른 볼트에 과부하가 걸릴 수 있습니다. 과부하는 매우 빠르게 발생하는 연쇄적인 파괴 반응을 일으키며, 이러한 현상은 볼트에 전파되기까지 반복적으로 발생하지 않더라도 일어날 수 있습니다.

Chaib는 "피로 파괴의 경우 언제 피로와 균열, 나아가 조립체의 총체적인 고장이 발생할지 아무도 알 수 없습니다. 일반적으로 피로 파괴는 가장 달갑지 않은 형태로 예고 없이 나타납니다."라고 설명합니다.

고장 원인을 파악하는 한 가지 방법은 이시카와(물고기 뼈) 다이어그램을 사용하는 것입니다. 이 솔루션은 Nord-Lock 기술 센터에서 고객을 도울 때 종종 사용됩니다.

"고장이 발생하면 기존 조립품을 교환하고 부품을 교체하기 전에 고객은 작업 상황을 파악해야 합니다."라고 Chaib은 말하며 "모든 부품의 사진을 찍고 부품마다 번호를 표시해야 합니다. 파손된 표면, 접촉면 또는 나사산을 건드리지 않고 보존하는 것도 중요합니다. 또한 신속한 문제 파악을 위해 사고 상황과 고장 상태에 대한 기술적인 설명이 있어야 합니다."라고 덧붙입니다.

또한 고객은 분석을 위해 부품을 기술 센터로 운송하는 도중 부식이 발생하지 않도록 모든 부품을 보호해야 하는데, 이는 균열에 의한 고장 원인을 부식으로 오인하는 경우를 방지하기 위한 것입니다.

"이 일련의 과정을 통해 고객은 저희 팀이 상황을 빠르고 정확하게 분석할 수 있도록 협조해 줌으로써 신속한 답변과 해결책을 제공받을 수 있습니다. 이후에는 조립품 교체가 더 이상 문제 되지 않습니다. 따라서 고객은 위험성이 있는 부품을 변경하여 생산을 지속할 수 있습니다."라고 Chaib은 말합니다.

대부분의 고객은 제한된 상황에 따라 가능한 한 빨리 생산을 재개해야 하는 경우가 많습니다. 이런 이유로 운송 중에 조립품을 점검하고 검증하는 것이 매우 중요합니다. 동시에 고객사는 전문 분석가의 지원을 통해 기존 부품을 대체할 수 있는 가장 정확하고 효과적인 솔루션을 찾을 수 있습니다.

Nord-Lock 기술 센터에서는 모든 부품을 점검하고 손상된 부품을 사진으로 촬영합니다. 경우에 따라 3D 현미경을 사용하여 특정 요소를 비교하고 확인합니다. 필요에 따라 외부 협력 연구소에 추가 분석을 의뢰할 수도 있습니다. 마지막으로 결과를 분석하고 전체적인 원인을 규명합니다.

Chaib는 "당사 연구실에서는 진동, 토크, 체결력 테스트를 수행할 수 있습니다. 또한 제안된 솔루션이 정확하고 안전하게 작동하는지 완벽하게 확인하기 위해 볼트의 형태까지 테스트할 수 있습니다."라고 설명합니다.

또한 "기술 센터에서는 여러 상황을 분석하고 원인을 파악하여 문제에 대한 기술적 해결책을 제안합니다.”라고 설명하며 “저희 팀은 항상 경제적, 실용적, 운영적 요소와 같은 다른 많은 측면을 고려합니다."라고 덧붙입니다.

텐셔너 사례:

Superbolt 텐셔너는 체결력의 정확성과 작은 토크로 높은 수준의 체결력을 구현할 수 있어 선호되는 솔루션입니다.

한 고객사에서 다른 제조업체의 멀티 잭볼트를 구조물에 테스트했습니다. 얼마 후 구조물에 고장이 발생했고 해당 고객사는 Nord-Lock에 조사를 요청했습니다.

"저희는 3D 현미경을 사용하여 고장 상태를 분석했고 고장의 주요 원인이 과도한 볼트 축력에 의해 가속화된 피로 파괴였다는 것을 알 수 있었습니다."

잭볼트 끝에서 관찰된 매팅(matting)은 축력이 올바르게 적용되었음을 의미하지만, 잭볼트 끝과 너트 본체 사이의 잭볼트 진행(course of jackbolts) 거리를 조사한 결과 모든 멀티 잭볼트에서 큰 차이가 발견되었습니다. 한 잭볼트는 진행 거리가 0이었습니다. 이는 잭볼트가 저절로 풀렸기 때문이었습니다.

Chaib는 "또한 복제품 텐셔너의 자체 풀림에 대응하는 성능을 확인한 결과, 복제품 텐셔너는 이러한 문제를 전혀 고려하지 않고 제작되었다는 사실을 확인했습니다."라고 말하며 "복제품과 당사의 텐셔너를 비교했을 때 둘 다 나사 직경, 재질, 외경은 같았지만 멀티 잭볼트의 몇 가지 특수성이 고려되지 않았습니다."라고 덧붙여 설명합니다.

복제품 텐셔너의 정적 성능은 양호했지만, 피로 파괴의 원인이 되는 자체 풀림 문제를 해결하지 못하고 있었습니다.

클램프 길이 관련 사례 :

해당 고객사는 기존 볼트 체결 솔루션을 사용하던 중 조립품이 손상되었습니다. 이에 조립품의 볼트, 너트, 평 와셔 및 스페이서를 새것으로 교체하고 사진을 촬영 후 사진과 함께 손상된 부품을 당사로 보냈습니다. 또한 이 고객사의 경우 당시 상태와 외부 하중에 대한 정보를 제공하기 위해 CAD 파일까지 공유했습니다.

위 고객은 클램프 길이를 늘리기 위해 스페이서를 사용했고, 이를 통해 문제가 해결될 것이라고 믿었습니다. 하지만 기계를 재가동한 이후에는 동일한 고장이 재발했습니다.

"고객의 조립체를 분석한 결과, 피로 고장이 발생했다는 사실을 확인했습니다."라고 Chaib은 말합니다. " 조립체에는 높은 축력이 가해져 있었습니다. 일반적으로 높은 축력은 그리 위험한 문제가 아니며 오히려 좋은 솔루션이 되는 경우가 많습니다. 때문에 고장의 다른 원인을 찾기 위해 좀 더 깊이 조사해야 했습니다."

저희는 해당 사례에서 높은 전단 하중, 즉 횡 방향 하중이 발생한다는 사실을 확인했습니다. 고객은 이전과 동일한 클램프 길이를 사용하되, 토크와 볼트 등급을 올려 축력을 높임으로써 고정 솔루션을 사용할 수 있도록 해야 했습니다. 횡 방향 하중의 경우 가장 좋은 해결책은 축력을 높이고 고정 솔루션을 통해 이를 유지하는 것이었습니다.

"우리는 고객에게 조립품이 자체적으로 풀리지 않도록 보호하기 위해 Nord-Lock 와셔를 사용할 것을 제안했습니다."라고 Chaib은 말합니다. "당사의 솔루션을 적용하기 위해 해당 고객은 체결부에 Nord-Lock 와셔 두 개와 높은 등급의 볼트(10.9) 그리고 적절한 토크를 적용하는 수정이 필요했습니다."

나사산부 고장 사례:

해당 고객은 조립품의 절반을 잃었지만 나사산에는 눈에 띄는 손상이 없었습니다.

"우리는 고객에게 예상 하중과 조립 상태에 대한 추가 정보를 요청했습니다."라고 Chaib는 말합니다. " 고객 측은 충격 하중은 받았지만 피로 하중은 없었다고 답했습니다. "."

"구조물의 외부 프로파일을 살펴본 결과 나사산부 끝에 약간의 소성 변형이 있었습니다. 또한 나사산을 따라 축 방향으로 자국이 남아 있었으며, 외경이 불규칙한 점도 발견했습니다."

분석 엔지니어들은 외경과 재료 특성이 나사산 각도와 축 방향 하중으로 인한 후프 응력을 견딜 충분한 내구성이 부족하여 발생하는 잠재적 고장 시나리오를 도출했습니다. 최대 하중 하에서 파트 1이 팽창(방사형 연신율)하고 가는 나사산으로 인해 파트 2에 슬립이 발생하면서 파트 1에서 분리되는 현상이 발생하는 것이었습니다.

"이 시나리오를 검증하기 위해 FEM(유한 요소법) 계산을 수행하고 측정된 직경을 FEM상 직경 (축 방향 하중 후) 과 FEM 및 실제로 적용된 나사산 형태를 비교했습니다."라고 Chaib은 말합니다.

FEM 결과가 실제와 매우 유사했기 때문에 해당 시나리오가 받아들여져 다음과 같은 실용적인 솔루션을 제안할 수 있었습니다.

나사산 부분의 외경을 넓힙니다.
보통 나사산 볼트를 사용합니다.
높은 강성(영탄성 계수)의 재질을 사용합니다.
파트 1의 형태를 최적화합니다.

가장 일반적인 볼트 고장 원인:

1. 인적 과실.
2. 재질의 결함(예: 피로 균열을 유발하는 소재 내 불순물).
3. 정확하게 교정되지 않은 공구.
4. 설계 오류.
5. 외부 부하의 과소평가 또는 잘못된 가정이 이루어진 경우.
6. 계산(예: 볼트의 토크 또는 응력) 오류.

볼트 고장 분석 정리:
고장 난 볼트 조립체의 담당자는 다음을 수행해야 합니다.
1. 고장 난 조립체의 작업 환경을 안전하게 보존합니다.
2. 고장 난 모든 부품의 사진을 찍습니다.
3. 모든 부품에 번호를 매깁니다.
4. 부식으로부터 부품을 보호해야 합니다.
5. 사고 및 고장 상황을 자세히 설명합니다.