6.2 Расчет фланцевых соединений.

Расчет стальных фланцевых соединений (фланцы приварные), аппаратов, работающих под внутренним давлением дан в соответствии с ОСТ 26-373-78 “Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность фланцевых соединений” [2].

Расчетные формулы применимы при отношении наружного диаметра фланцев (Dн) к внутреннему диметру аппарата (D) Dн/D≤2 для аппаратов c диаметром не менее 400 мм.

Расчету предшествует конструктивная проработка, при которой предварительно определяют основные размеры самого фланца, размеры прокладки. Таким образом, расчет фланцевого соединения является проверочным. Размеры фланцев, прокладки, болтов должны удовлетворять условиям герметичности и прочности.

Определяется расчетная температура элементов фланцевого соединения:

для изолированного соединения

tср=t; t δ =0,97t

для неизолированного соединения

tср =0,96t; t δ =0,95t;

где tср, t δ, t – расчетная температура соответственно фланцев, болтов, обечайки.

Допускаемое напряжение для материала болтов:

[σ]δ = σT/nT.δ ,

где [σ]δ - предел текучести материала болтов;

nT.δ - коэффициент прочности по пределу текучести

nT.δ = 1,9 + 2,8

Толщина S1 втулки фланца (см. рис. 6.2) для приварного

S≤So≤1,3S, но всегда So-S≤5 мм;

для плоских приварных

So≥S,

где S - исполнительная толщина обечайки.

Толщина S1 у основания втулки приварного встык фланца (см. рис. 6.2, б)

S1=β1So,

при этом β1 принимается по рис. 7.2.

Высота hb втулки фланца:

приварного встык

,

где i - уклон втулки (i = 1/3);

плоского приварного

.

Диаметр болтовой окружности фланцев приварных встык

Dδ≥ D + 2(S1+d δ+u),

где u - нормативный зазор между гайкой и втулкой (u = 4:6 мм);

d δ - наружный диаметр болта (табл. 2.2.) плоских приварных

Dδ > D + 2 (2 So + d δ+u).

Наружный диаметр фланцев

Dн≥ D+а,

где а - конструктивная добавка для размещения гаек по диаметру фланца (табл. 6.4).

Рис. 6.4. Схема действия нагрузок на фланец в рабочих условиях

Наружный диаметр прокладки

Dн.п. = Dδ – е,

где е - нормативный параметр, зависящий от типа прокладки (см. табл. 6.4).

Средний диаметр прокладки

Dс.п. = Dн.п. – b,

где b - ширина прокладки принимается по табл. 6.5.

Количество болтов необходимых для обеспечения герметич­ности

,

где tш - рекомендуемый шаг расположения болтов, выбираемый по табл.6.3.

Высота (толщина) фланца ориентировочно

,

где λф - принимается согласно рис. 6.3;

Sэк - эквивалентная толщина втулки;

.

Определяется болтовая нагрузка необходимая для обес­печения герметичности соединения, исходя из схемы нагружения (рис. 6.1).

При расчете определяются нагрузки для двух различных состояний: при монтаже – Fδ1 и в рабочих условиях – Fδ2.

Болтовая нагрузка в условиях монтажа

,

где Rп - реакция прокладки, МН;

Rп = π Dс.п.bо kδ pp,

где bо – эффективная ширина прокладки,

при b≤15 мм bо = b, при b>15 мм .

Таблица 6.1

Типы и пределы применения фланцев

Внутренний диаметр D, мм	Внутреннее давление, МПа
	плоские приварные				приварные встык						приварные встык под металлическую прокладку
	0,3	0,6	1,0	1,6	0,6	1,0	1,6	2,5	4,0	6,4	6,4	8,0	10,0	16,0
400-1600 1600-2000 2000-3200 3200-4000	+ + + +	+ + +	+ + +	+ +	+	+ + + +	+ + +	+ +	+	+	+	+	+	+

Таблица 6.2

Рекомендуемые диаметры болтов (шпилек) в зависимости от давления и диметра, аппарата

Внутреннее давление Рp, МПа	Диаметр аппарата, мм
	300	1000	1200	1400	1600	1800	2000	2200
0 – 0,6 0,6 – 1,0 1,0 – 1,6 1,6 – 2,5 2,5 – 4,0 4,0 – 6,4 6,4 – 8,0 8,0 – 10,0	20 20 20 20 30 30 30- 36 36- 42	20 20 20 20 30 42 42 48	20 20 24 – 30 24 – 30 36 42 48 52 – 56	20 20 24 – 30 24 – 30 36 48 52- 56 56 – 64	20 24 – 30 24 – 30 24 – 30 36 48 52- 56 56 – 64	20 24 – 30 24 – 30 30 42 52 - -	24 30 30 30 42 52 - -	24 – 30 30 30 - - - - -

Таблица 6.3.

Рекомендуемый шаг расположения болтов

Давление в аппарате Рp, МПа	Шаг расположения болтов tш
До 0,3 0,3 – 0,6 0,6 – 1,0 1,0 – 1,6 1,6 – 2,5 2,5 – 4,0 4,0 – 10,0	(4,2+5,0) dδ (3,8+4,8) dδ (3,5+4,2) dδ (3,0+3,8) dδ (2,7+3,5) dδ (2,3+3,0) dδ (2,1+2,8) dδ

Таблица 6.4

Вспомогательные величины для определения размера фланца

Диаметр болта dδ, мм	Конструктивная добавка а, мм		Конструктивная добавка е, мм
	для гаек шестигранных	для гаек с уменьшенным размером	для плоских прокладок	для прокладок овального св­ечения
20 22 24 27 30 36 42 48 52	40 42 47 52 58 60 80 92 97	36 40 42 47 52 63 69 80 86	30 32 34 37 41 48 55 61 65	50 52 57 60 64 71 78 84 88

Таблица 6.5.

Размеры прокладок

Прокладка	Диаметр аппарата D, мм	Ширина прокладки b, мм
Плоские неметаллические Плоские металлические Плоские в металлической оболочке и зубчатые металлические Овального и восьмиугольно­го сечения для р≥ 6,4 МПа	D≤1000 1000<D≤2000 D>2000 D≤1000 D>1000 D≤1600 D>1600 D≤600 600<D≤800 800<D≤1000 1000<D≤1600	12 - 15 15 - 25 25 10 - 12 12 - 15 12 - 18 13 - 25 12 - 13 16 - 22 18 - 28 22-42

Рис. 6.2 График для определения коэффициента β1

Рис. 6.3. График для определения коэффициента λф:

1 – для плоских приварных фланцев;

2 – для сварных встык фланцев

Kпр – коэффициент прокладки (табл. 6.6);

Pp – расчетное давление, МПа;

Dсп – средний диаметр прокладки, м;

Fд – равнодействующая внутреннего давления, МН:

Fд = Ppπ D²с.п./4;

Pпp – минимальное давление обжатия прокладки (см. табл. 6.6);

Kж – коэффициент жесткости фланцевого соединения.

Для определения Kж вычисляются следующие величины:

yп – линейная податливость прокладки (неметаллической)

,

Где hп – высота (толщина) прокладки;

kп – коэффициент обжатия прокладки (для прокладок из резины kп=0,09, из картона, паронита, фторопласта и т.п. kп=1,0);

Eп –модуль упругости материала прокладки (для паронита, толщиной более 1 мм и фторопласта Eп=2000 МПа);

Yф – угловая податливость фланца

,

где - безразмерные параметры:

; ;

- коэффициенты, определяемые по формулам:

; ;

E - модуль упругости материала фланца, МПа;

yδ - линейная податливость болтов

,

где Eδ – модуль упругости материала болтов;

yδ – расчетная длина болта.

Расчетная длина болта:

,

где lδ – расстояние между опорными поверхностями головки болта и гайки (определяется конструктивно);

d - диаметр отверстий под болт.

Таблица 6.6

Характеристика прокладок

Конструкция прокладки	Материал прокладки	Коэффициент kпр	Удельное давление, МПа
			Минимальное pпр	Допускаемое [pпр]
Плоская неметаллическая Плоская металлическая** Плоская асбестовая в металлической оболочке** Металлическая овальная или восьмигранная**	Резина: мягкая твердая асбест листовой при толщине 1-3мм паронит при толщине не более 1 мм фторопласт-4 при толщине 1-3 мм Алюминий марки АДМ Латунь мар­ки Л163 Сталь: 05кп 0ХI8НI0Т Оболочка из алюминия Меди или латуни стали 05кп стали O8ХI8НIOТ Сталь: 05кп 0XI3 O8ХI8НIOТ	0,5 1,0 2,5 2,5 2,5 4,0 4,75 5,5 6,5 3,25 3,5 3,75 3,75 5,5 5,5 6,5	2,0 4,0 20 20* 10 60 90 125 180 38 46 53 63 125 125 180	18 20 130 130 40

* Для сред с высокой проникающей способностью (водород, ге­лий, легкие нефтепродукты и др.)

р= 35 МПа,

** Для данной конструкций прокладки допускаемое удельное давление не регламентируется.

Тогда коэффициент жесткости фланцевого соединения при стыковке фланцев одинаковой конструкции

.

Болтовая нагрузка в рабочих условиях

,

где Ft - усилие, возникающее от температурных деформаций, МН.

,

где - коэффициента линейного расширения материала фланцев и болтов соответственно;

- соответственно температура фланца и болтов.

Условия прочности болтов

где [σ]δ - допускаемое напряжение для материала болтов.

Если условия прочности не выполняются, необходимо задаться новым значением Пδ количества болтов и повторить расчет с п.2.12.