10

Лекция № 9 Расчёт фланцевых соединений

1. Определение усилий, действующих на фланцевое соединение фонтанной арматуры

Наиболее распространено соединение узлов и деталей арматуры с помощью фланцев. При этом уплотнение осуществляется метал­лическим кольцом овального или восьмиугольного сечения (рис. 9.1).

Рисунок 9.1 – Схема фланцевого соединения деталей арматуры

В фонтанной арматуре усилие, действующее на кольцо, не должно приводить к его остаточным деформациям.

Возможна работа фланцевого соединения при двух вариантах касания уплотняющего кольца и канавки фланца (рис. 9.1, б и в) в начальный момент затяжки.

Усилия при этих 2-х вариантах рассчитывают различными методами. Но в обоих случаях определяют:

1. Усилия предварительной затяжки,

2. Рабочее усилие при повышении в ар­матуре давления,

3. учитывают влияние разности температур жидкости или газа внутри и окружающей среды,

4. влияние веса боковых отводящих труб, подсоединенных к арма­туре.

Арматуру выпускают для использования по второму варианту уплотнения, но на практике часто применяется и первый.

1.1 Расчет усилий при уплотнении с двухсторон­ним контактом прокладки

1) Усилие пред­варительной затяжки Р_зат в этом случае определяют по давле­нию допустимого предварительного смятия:

, (9.1)

где D_ср – средний диаметр кольца;

b_эф — эффективная ширина прокладки;

q — до­пустимое давление (для мягких сталей, например ст. 2, q = 127 МПа, а для более твердых, например 1Х18Н9, q= 172 МПа).

2) Усилие Р_эк, действующее при эксплуатации, учитывает:

а) дейст­вие давления Р_дав, разжимающего фланцы;

б) остаточное усилие за­тяжки ΔР_зат, которое должно быть достаточным для уплотнения соединения;

в) влияние температуры перекачиваемой среды P_t;

г) уси­лие отводящих манифольдов Р_ман.

Две первые составляющие равны

, (9.2)

где р — давление в арматуре;

m — прокладочный коэффициент (для мяг­кой стали m = 5,5, для более твердой m = 6,5).

При работе арматуры с газом или со смесью жидкости и газа вводят коэффициент 2m.

Нагрузки от температурных расширений. В результате разности температурного расширения деталей арма­туры, прокладок и шпилек, возникают дополнительные усилия P_t. (в Чичерове).

Дополнительная нагрузка на шпильки от массы арматуры и манифольдов (рис. 9.2),

, (9.3)

где М_из – изгибающий момент (произведение расстояния до центра тяжести от оси скважины на силу тяжести отвода).

D_б – диаметр окружности, проведённой через оси болтов.

Условно принимается, что нагрузка передаётся 1/3 всех шпилек. Общее усилие ,действующее на наиболее нагруженную шпильку равно

, (9.4)

где z – число шпилек в соединении.

Напряжение в наиболее нагруженной шпильке

. (9.5)

1.2. Расчет усилий при уплотнении с односторон­ним контактом прокладки. При затяжке соединения с овальным кольцом при втором варианте его уста­новки (см. рис. 9.1, в) оно сжимается по оси соединения и по радиусу. Кольцо рассматривается как толстостенный цилиндр, сжимаемый внешним условным давлением. В этом случае большее эквива­лентное напряжение σ_экв будет возникать у внутренней поверхно­сти овального кольца. Оно находится по окружному (σ_τ) и осе­вому (σ_z) напряжениям:

. (9.6)

Рисунок 9.2 – Схема нагрузки на ар­матуру устья от отводящего трубопровода

Осевое усилие действующее на кольцо Р_z = Р^‘_зат (рис. 9.3) может быть определено упрощённо

, (9.7)

где D_п – диаметр цилиндра, проведённого через места касания кольца и фланца,

σ_т – предел текучести материала кольца,

h_раб – рабочая высота кольца,

,

.

Усилие, действующее на шпильки во время работы арматуры можно определить по формуле АЗИНмаша

, (9.8)

где ; ; .

Рисунок 9.3 – Схема распределения усилий на контакте уплотняю­щего кольца и фланца