4. Расчет и конструирование фланцевых соединений

4.1. Конструкции и работа фланцевых соединений

Фланцевые соединения являются прочно-плотными 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 (рис. 6) 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 (рис. 6).

Практическое значение, особенно для фланцев низкого давления, имеет задача о выборе шага болтов, поскольку прогиб со колец фланцев между болтами (рис. 6) 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 (рис. 6), 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 (рис. 7).

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 ок­ружностям с диаметрами, соответственно, D₁ D₂, D₄ и D₃ (рис. 8). Эти диаметры являются нормативными. Отступления от них приводят к не­обоснованному 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 D_y.

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

Рис.6. Расчетная модель.

Рис.7. Соединение Рис.8. Схемы сил приложенных к

со свободными фланцами цельному фланцу

и спорным кольцом

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.