4. Расчет и конструирование фланцевых соединений

4.1. Конструкции и работа фланцевых соединений

Фланцевые соединения являются прочноплотными разъемными соединениями сосудов, арматуры, соединительных частей и трубопроводов. Несмотря на стандартизацию фланцев, окончательный выбор части размеров фланцев и фланцевых соединений все еще остается за конструктором. В ряде случаев возникает необходимость в конструировании фланцев, не предусмотренных стандартами.

Основное содержание задачи расчета фланцев вытекает из следующих соображений. Цельный фланец состоит из кольца, которое может рассматриваться как тонкая кольцевая пластинка, и втулки, также рассматриваемой как тонкостенная цилиндрическая оболочка, в общем случае с переменной толщиной стенки. Опираясь на теорию упругости и экспериментальную проверку, в излагаемой методике используют расчетную модель (рисунок 7) сопряжения втулки 1, 2 и кольца 3 с помощью упругих связей 4, существенно уточняющую расчет напряжений.

Втулки фланцев часто делают коническими, хорошо гасящими краевую деформацию и удобными конструктивно. Методика для удобства расчетных операций предусматривает замену конической втулки эквивалентной по упругим свойствам втулкой 2 с постоянной толщиной стенки (рисунок 7).

Практическое значение, особенно для фланцев низкого давления, имеет задача о выборе шага болтов, поскольку прогиб со колец фланцев между болтами (рисунок 8) может нарушить плотность соединения. В методике эта задача решена на основе рассмотрения деформации дискретно нагруженных пластин.

Фланцевые соединения можно отнести к одной из двух групп: первой, характеризуемой передачей всей нагрузки болтов на прокладку; и второй, где

нагрузка болтов распределяется между прокладкой и опорным или ограничительным кольцом. Соединения второй группы применяются либо с упругими прокладками (рисунок 9), нуждающимися в регламентированном сжатии, либо с целью разгрузки болтов от изгибных напряжений, что требуется при частых разборках соединений, либо, наконец, для исключения изгиба кольца свободного фланца с целью его упрочнения (рисунок 10).

По характеру сопряжения кольца с трубой или обечайкой фланцы разделяются также на две группы - цельные и свободные.

Цельные фланцы изготавливаются самостоятельно или совместно с корпусом сосуда, арматуры. Цельные фланцы применяются при любых параметрах рабочей среды и условиях нагружения.

Внешние силы, приложенные к фланцу. Изгиб цельного фланца вызывается силами Q, R, P1 и Р3, равномерно распределенными по ок-ружностям с диаметрами, соответственно, D1 D2, D4 и D3 (рисунок 11). Эти диаметры являются нормативными. Отступления от них приводят к не-обоснованному снижению расчетной нагрузки фланца.

Часть нагрузки болтов фланцевого соединения, расходуемая на восприятие основной внешней нагрузки - момента М, может в несколько раз превосходить часть нагрузки болтов, расходуемую на восприятие давления рабочей среды Р. Далее обычно принимаемый постоянным запас прочности во втулке цельного фланца, названный ниже конструктивным запасом, изменяется в несколько раз в зависимости от назначения фланцевого соединения и его диаметра Dy.

При неточном методе расчета фланцев, недостаточном учете всех указанных выше факторов нельзя создать надежное, наименее металлоемкое фланцевое соединение.

Рисунок 7 – Расчетная модель сопряжения втулки цельного фланца с кольцом:

1 – оснавная часть втулки; 2 – зона сопряжения; 3 – кольцо; 4 – упругие связи

Рисунок 8 – Прогиб конец фланцев между болтами

Рисунок 9 – Фланцевое соединение: 1 – упругая прокладка; 2 –ограничительное кольцо

Рисунок 10 – Соединение со свободными фланцами и опорным кольцом, не испытывающими изгиба

Рисунок 11 – Схемы сил, приложенных к цельному фланцу

Основными терминами, используемыми при конструировании фланцевых соединений являются

1. Плотность фланцевого, бугельного или штуцерного соединения -способность данного соединения сохранять при различных эксплуатационных условиях нагружения различную герметичность, не оговариваемую и оцениваемую по удовлетворительным условиям эксплуатации установки, в составе которой находится аппарат или трубопровод с данным соединением.

2. Герметичность (неполная) фланцевого, бугельного или штуцерного соединения - способность затвора данного соединения допускать протечку рабочей среды, не превышающую заранее оговоренной величины. Величина протечки контролируется масс-спектрометром или оценивается расчетом.

3. Цельный фланец - фланец, состоящий из кольца и втулки, как правило, конической, неразъемно соединенных между собой.

4. Свободный фланец - фланец, кольцо которого накинуто на бурт наконечника, приварное кольцо или на отбуртовку обечайки.

5. Прочные размеры фланца - размеры, при которых фланец удовлетворяет условиям прочности, а соединение из таких фланцев условиям герметичности.