Ruuviliitosten kokeelliseen tutkimiseen on syvennytty erityisesti viime vuosina, sillä erilaisia ruuviliitoksiin liittyviä vaurioita on havaittu esimerkiksi rakennustyömaanostureissa, rakennusten teräsrakenteissa, laitteiden ja koneiden kokoonpanoissa sekä tuulivoimaloiden tornipulteissa.

Eurofins Expert Servicesissä kehitetyllä kokeellisella menetelmällä voidaan tutkia ruuviliitosten ja niissä käytettävien voiteluaineiden käyttäytymistä. Menetelmää on hyödynnetty vaurioiden juurisyyn selvittämiseen, mutta vastaavasti myös vaurioiden ennaltaehkäisemiseen eli ruuviliitosten tekemiseen varmistelluilla arvoilla.

Mistä ruuviliitosten vauriot yleensä johtuvat?

Ruuviliitosten pettäminen voi johtua esimerkiksi ylikuormittumisesta ja väsymisestä. Näiden ilmiöiden taustalla voi olla virheitä asennuksessa, rakenteen suunnittelussa tai laitteen käyttötavassa. Haurausilmiöitä, kuten vetyhaurautta, tavataan ruuveissa silloin tällöin. Vetyhauraus saattaa varsinkin korkean lujuusluokan ruuveissa olla valmistusperäistä ja liittyä tiettyihin valmistuseriin. 

Vaurioselvityksessä murtumismekanismi tunnistetaan mikroskopiatutkimuksella. Keskeisenä työkaluna on tällöin pyyhkäisyelektronimikroskooppi (SEM), jonka avulla tutkitaan murtopinnan yksityiskohtia.

Murtopintatutkimuksen ohella ruuvien keskeinen tutkimusmenetelmä on ruuvin vaatimustenmukaisuuden selvittäminen mekaanisen testauksen, teräksen koostumusmittauksen ja poikkileikkaushietutkimuksen keinoin. Esimerkiksi ruuvien ja vaarnaruuvien lujuusluokat ja niiden mekaaniset ominaisuudet on esitetty standardissa EN ISO 898-1:2013.

Kuva 1. Murtopintojen SEM-kuvia. a) väsymismurtuma, jossa havaitaan väsymiselle ominaiset etenemisjäljet eli striaatiot, b) materiaalin kestoon nähden liian suuren vetojännityksen aiheuttama sitkeä ylikuormitusmurtuma, c) vetyhaurausmurtumalle tyypillinen raerajamurtuma, d) voimakkaan äkillisen ylikuormituksen aiheuttama lohkomurtuma.

Lujuusluokkatunnus kertoo ruuvin vetomurto- ja myötölujuusvaatimuksen. Vetokoelaitteilla suoritettujen ruuvien vetolujuustestien tuloksia voidaan suoraan verrata näihin vaatimuksiin. Standardissa on esitetty vaatimukset myös teräksen kemialliselle koostumukselle, kovuudelle ja mikrorakenteelle, jotka kaikki voidaan selvittää laboratoriotesteillä ja -analyyseillä.

Pahimmillaan momenttisuosituksen sokea noudattaminen voi johtaa ruuvin yli- tai alikiristykseen ja vakavaan vaurioon

Viime aikoina olemme havainneet enenevässä määrin, että ruuvien kireydet saattavat vaihdella huomattavasti, vaikka kiristyksessä on noudatettu määriteltyä kiristysmomenttia. On havaittu, että eri tavoin valmistetut, erilaisen pinnanlaadun omaavat ruuvit käyttäytyvät eri tavoin niin, että toista ruuvilaatua käytettäessä ruuvit ovat pettäneet, vaikka ruuvit ovat mekaanisilta ominaisuuksiltaan vastanneet täysin toisiaan.

Kuva 2. Ruuviliitoksessa vaikuttavien voimien suuntia.

Ilmiön perussyynä on ruuvikitkan vaihtelu, jonka ansiosta sama kiristysmomentti voi eri kitkaolosuhteissa johtaa täysin erilaiseen vetojännitykseen ruuvissa. Kitkaan vaikuttavat ruuvin pinnanlaadun lisäksi vastakierre, mahdolliset aluslevyt sekä käytetty voiteluaine.

Oikein suunnitellussa ruuviliitoksessa ruuvin kestävyyden kannalta vetolujuus on ruuvin tärkein ominaisuus. Liitokset pyritään tekemään kalibroidulla kiristysmenetelmällä siten, että ruuvin varteen syntyy riittävän tarkasti vaadittava esijännitysvoima.

Kiristyksestä aiheutuvan vetojännityksen vuoksi ruuvi venyy. Oikein mitoitettu ruuvi toimii materiaalin elastisella venymäalueella jousen tavoin. Ruuvin venytyksessä tulee pysyä riittävällä varmuudella materiaalin elastisella venymäalueella, myötörajan alapuolella, jolloin ruuvimateriaaliin ei synny pysyviä muodonmuutoksia. Ruuvin esikiristys ei saa olla siis liian suuri. Liitoksen varmistamiseksi esikiristyksen tulee toisaalta olla riittävä. Ruuvin vetojännitykselle on siksi määritelty minimi- ja maksimiarvot.

Sama kiristysmomentti voi kuitenkin johtaa täysin erilaiseen vetojännitykseen ruuvissa.

- Kitkan ollessa alhainen aiheuttaa kiristysmomentti korkean vetojännityksen.

- Kitkan ollessa suuri aiheuttaa sama kiristysmomentti huomattavasti alhaisemman vetojännityksen.

Todellinen ruuviin saatettu vetojännitys on siis avaintekijä ruuvin kestävyydessä, ja sen on huomattu vaihtelevan huomattavasti riippuen esimerkiksi pintojen ja voiteluaineen ominaisuuksista sekä niiden poikkeamista, ruuvin iästä tai käyttöolosuhteista.

Kuva 3. Ruuvin jännitys-venymäkäyrä.

Ongelmalliseksi asian tekee, että yleensä kiristettäessä tiedetään vain kiristysmomentti eikä ruuviin muodostuvaa esikiristysvoimaa voida suoraan kontrolloida. Pahimmillaan momenttisuosituksen sokea noudattaminen voi johtaa ruuvin yli- tai alikiristykseen ja vakavaan vaurioon.

Suositeltavaa olisikin tehdä käytännön testejä oikean kiristysmomentin määrittämiseksi. Ja juuri turvallisten kiristysmomenttien määrittämiseen on Eurofins Expert Services Oy:ssä kehitetty kokeellinen menetelmä, jonka periaate on kuvattu lyhyesti seuraavaksi.

Kokeellinen menetelmä turvallisen kiristysmomentin määrittämiseen

Kokeellisessa testissä mitataan ruuvin venymää venymäliuskoilla, ja testi voidaan suorittaa koeolosuhteissa tai tietyin rajoituksin kentällä. Testisarjan muuttujina voivat olla esimerkiksi voiteluaine, pultin käyttöaste (uusi/käytetty) tai eri lämpötila.

Koeolosuhteissa esim. lämpötilan muutoksen vaikutuksia voidaan simuloida kenttäolosuhteita nopeammin ja hallitummin.

Testauksen lopputuloksena selvillä on turvallinen momenttialue sekä saadaan kiristysmomentin minimi- ja maksimiarvot pulttikoko-kohtaisesti. Näiden tietojen avulla ruuviliitokset voidaan toteuttaa luotettavammin ja ennaltaehkäistä vakaviakin onnettomuuksia sekä kalliita seisokkeja koneissa ja laitteissa.

Eurofins Expert Services Oy tarjoaa palveluita myös teollisuuden kunnossapidolle

–Meidät tunnetaan vielä ehkä laajemmin testaus- ja sertifiointitalona, mutta tarjoamme asiantuntevaa ja korkealaatuisia palveluita myös esimerkiksi koneiden ja laitosten käynnissäpitäjille.

Laaja-alaisista tutkimusmenetelmistä räätälöidyt ratkaisumallit soveltuvat eri toimialojen vaurio- ja häiriötutkimuksiin sekä vahinko- ja onnettomuustutkimuksiin. Asiantuntijuutemme sekä laaja laboratoriopalvelukokonaisuutemme tarjoaa myös monipuolisesti eri palveluita ennaltaehkäisevään kehitysja tutkimustyöhön juurikin esimerkiksi kunnossapitäjille.

Voimme määrittää ruuviliitosten lisäksi esimerkiksi korroosion etenemisnopeuden tai kumiletkujen oletetun haurastumisaikataulun
hyvinkin tarkasti määritellyssä kohteessa, jonka kautta kunnossapito pystyy määrittelemään kriittisen komponentin tarkastus- ja/tai vaihtovälin ennakoidusti, eikä esimerkiksi vaurioitumishistoriaan perustuen, optimoiden näin kustannuksia sekä käyttövarmuuden, sanoo Eurofins Expert Servicesin asiakkuuspäällikkö Marko Laurikainen.

Teksti: Marko Laurikainen,
Asiakkuuspäällikkö, Eurofins Expert Services Oy

underline

Lisätietoja

MarkoLaurikainen@eurofins.com
Puh. 040 769 1137
Eurofins Expert Services Oy on osa kansainvälistä Eurofins
Groupia. Tarjoamme kattavia asiantuntija-, sertifiointi-,
testaus- ja tarkastuspalveluja. Meillä työskentelee lähes 200 eri
alojen asiantuntijaa. Suomessa toimipisteemme ovat Espoossa,
Tampereella, Vihdissä ja Salossa. Liikevaihtomme oli vuonna
2020 21,5 milj. €.
Lue lisää meistä: https://www.eurofins.fi/expertservices