39 Вопрос.

СВОБОДНЫЕ ФЛАНЦЫ характеризуются отсутствием краевых напряжений, напряжений от сварки (т.к. отсутствует жесткая связь  сварка  с корпусом аппарата или трубопроводом) и напряжений в корпусе аппарата (в трубопроводе) от затяжки болтов (шпилек) (см. рис. 8.7).

В процессе работы фланцевого соединения корпус аппарата (трубопровод) разгружен от действия изгибающих моментов, возникающих при затяжке фланцев. Однако сами фланцы, будучи более нагруженными, чем корпус аппарата или трубопровод могут иметь тарелку с высотой несколько большей, чем высота тарелки цельных фланцев.

Свободные фланцы (рис. 8.88.11) состоят из плоской кольцевой тарелки 1 с отверстиями для болтов или шпилек и центральным отверстием, диаметр которого несколько больше наружного диаметра трубы или обечайки аппарата, на которую ее свободно надевают. В процессе работы (при затяжке) свободных фланцев тарелка 1 может опираться на отбортованную часть 2 трубы или обечайки 7 (рис. 8.8), утолщение или бурт 3 с конической втулкой 4 (рис. 8.9), приварное опорное кольцо 5 (рис. 8.10), либо же иметь резьбу в центральном отверстии, при помощи которой тарелка 1 с цилиндрической шейкой 6 навинчивается на резьбовой участок трубы или обечайки 6 аппарата (рис. 8.11).

.Свободные фланцы целесообразно применять:

• в прочноплотных соединениях стальных труб, сосудов и аппаратов, работающих при высоких температурах;

• в соединениях конструктивных элементов из пластичных цветных металлов и сплавов (например, медь, алюминий), особенно, когда необходимо иметь фланцы из более прочного материала (например, сталь), чем соединяемые элементы;

• в соединениях труб, сосудов и аппаратов из хрупких неметаллических (например, стекло, керамика, ферросилид) и разнородных материалов, сварка которых либо невозможна, либо требует особой технологии;

• для обеспечения независимой координации (в плоскости фланцев) соединяемых элементов трубопроводов, сосудов и аппаратов по отверстиям для болтов или шпилек;

• для экономии дефицитного конструкционного материала в соединениях труб, сосудов и аппаратов. При этом патрубок (обечайку) и приварное кольцо или бурт изготавливают из дефицитного материала (например, из нержавеющей стали), а сами фланцы  из обычной углеродистой стали (например, СтЗсп ГОСТ 380-2005).

Стальные свободные фланцы на отбортовке

Стальные свободные фланцы на бурте

Стальные свободные фланцы на опорном кольце (:

Стальные свободные фланцы на резьбе:

Достоинства свободных фланцев:

• простата конструкции и сборки;

• высокая технологичность изготовления;

• отсутствие концентрации напряжений у основания фланца (рис. 8.7);

Недостатки свободных фланцев:

• не высокая прочность и жесткость конструкции;

• большая высота тарелки фланца;

• не возможность применения при средних и высоких давлениях (кроме резьбовых фланцев и на бурте);

не возможность применения при диаметрах аппарата более 3000 мм

Свободные фланцы рассчитывают на изгиб.

Радиус опорной поверхности фланца можно определить как

, (8.29)

где ,  соответственно наружный и внутренний радиусы опорной поверхности фланца, м.

При постоянном неизменном прямоугольном сечении фланца изгибающие моменты от действия сил и N будут равны

, (8.30)

где  радиус болтовой окружности фланца, м;

. (8.31)

Тогда суммарный изгибающий момент относительно сечения фланца по оси уу будет равен

. (8.32)

При нормальной работе фланца силы и N будут уравновешенны, т.е. . Тогда формула (8.32) примет вид

. (8.33)

Момент сопротивления изгибу сечения фланца по оси уу с учетом ослабления сечения двумя отверстиями под болты будет равен

, (8.34)

где  наружный радиус тарелки фланца, м; d_отв  диаметр болтового отверстия в тарелке фланца, м; h  высота тарелки фланца, м.

Напряжение изгиба в сечении фланца по оси уу будет равно

. (8.35)

Из условия прочности (8.35) выражаем высоту тарелки фланца

. (8.36)