Глава 6. Фланцевые соединения аппаратов

6.1. Конструкция фланцев

Фланцевые соединения - наиболее распространенный вид разъёмных соединений в химическом машиностроении, обеспечивающий прочность и герметичность, быструю сборку и разборку, простоту изго­товления.

Соединение состоит из двух фланцев, уплотнительного устрой­ства и крепежных элементов (болтов или шпилек, гаек, шайб) (рис. 6.1)

Рис. 6.1.

Фланцевое соединение:

1 – фланцы; 2 – болт; 3 – прокладка

Шпильки применяют при условном давлении свыше 1,6 МПа (услов­ным называют избыточное давление при температуре 20 °С).

По конструкции фланцы можно разделить на цельные (рис. 6.2, а, б), когда корпус аппарата и фланец работают под нагрузкой сов­местно, и свободные (рис.6.2, в), когда корпус аппарата разгружен от действий изгибающих моментов, возникающих при затяжке фланце­вого соединения. Конструкция фланцев в значительной мере определяется давлением рабочей среды и требованиями минимальных затрат времени на сборку (разборку) соединения.

Плоские приварные фланцы рекомендуется [20] применять при условном давлении от 0,3 до 1,6 МПа и температуре до 300 °С.

Фланцы приварные встык имеют конические втулки-шейки. Утолщение у основания фланца (см. рис. 6.2, б) делает его более жестким. Втулку фланца приваривают стыковым швом к обечайке.

Свободные фланцы (см. рис. 6.2, в) представляют собой кольца, диаметр отверстия которых несколько больше наружного диаметра обе­чайки, на которую их свободно надевают. Такие фланцы применяют обычно в аппаратах, изготавливаемых из мягких (алюминий, медь) или хрупких (стекло, керамика) материалов при условном давлении до 1,6 МПа и температуре до 300 °С; причем число циклов нагружения не должно превышать 2*10³.

Конструктивные формы уплотнительных поверхностей регламентированы ОСТ 26-426-79 и ОСТ 26-427-79 и представлены на рис. 6.3, а, б, в, г. Плоская уплотнительная поверхность (см. рис. 6,3, а) приме­няется при внутреннем давлении до 0,6 МПа.

Уплотнительные поверхности обрабатываются, однако излишняя шлифовка поверхности не допускается. Иногда на поверхности нарезают несколько кольцевых канавок треугольного сечения, которые за­полняются при затягивании соединения материалом прокладки.

Фланцы с выступом - впадиной (см. рис. 6.3, б) обеспечивают соосность соединения, применяются при давлениях от 0,6 до 1,6 МПа.

Соединение типа "шип-паз" (см. рис. 6.3, в) используют в бо­лее ответственных аппаратах при работе с ядовитыми веществами, в глубоком вакууме, при работе аппарата под внутренним давлением от 1,6 до 6,4 МПа.

Уплотнительные поверхности под металлическую прокладку (см. рис. 6.3, г) рекомендуются для давлений от 6,4 до 16 МПа.

Прокладки обеспечивают герметичность соединения. При затяги­вании соединения прокладки деформируются и заполняют все углубления на поверхности фланцев. Герметичность соединения возрастает с уве­личением давления на прокладку, поэтому прокладки для фланцевых соединений высокого давления делают более узкими.

Рис.6.2.

Основные типы фланцев:

а – плоский приварной; б – приварной встык; в – свободный

В зависимости от условий работы для изготовления прокладок применяют различные материалы: металлы - алюминий, медь, сталь, никель, свинец; полимеры - фторопласты, полиэтилен, паронит, резина; комбинированные материалы - полимеры в сочетании с металла­ми, асбест в металлической обкладке и другие. Резиновые прокладки применяют для небольших давлений и температур (не более 50...70 °С). Очень распространен паронит. Представляет собой композицию, сос­тоящую из асбеста, каучука и различных наполнителей. Прокладки из паронита применяют при температурах до 450 °С и давлениях до 6 МПа в различных средах - в горячей воде, водяном паре, различных кислотах и растворителях (бензол, бензин и др.).

Асбест для прокладок используют в виде шнура или листового материала. Прокладки из него обладают высокой термостойкостью (до 500 °С) и кислотостойкостью.

Металлические прокладки применяют для высоких давлений.

Комбинированные прокладки состоят из металлических и неметаллических материалов, которым металлическая армировка придает жест­кость; а более пластичный неметаллический наполнитель обеспечивает герметичность соединений. Широко применяются асбометаллические прокладки, полимеры в сочетании с металлами.

Рис. 6.3.

Типы уплотнительных поверхностей фланцевых соединений

а – гладкая уплотнительная поверхность; б – выступ – впадина;

в – шип-паз; г – под металлическую прокладку

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» [4,20].

Расчетные формулы применимы при отношении наружного диаметра фланцев (D_н) к внутреннему диметру аппарата (D) D_н/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.

6.2.1. Определяется расчетная температура элементов фланцевого соединения:

для изолированного соединения

t_ф=t;

для неизолированного соединения

t_ф = 0,96t;

где t_ф, t – расчетная температура соответственно фланцев, болтов, обечайки [12].

6.2.2. Допускаемое напряжение для материала болтов:

[σ]_б = σ_T/n_T.б ,

где [σ]_т – предел текучести материала болтов;

n_T.б – коэффициент прочности по пределу текучести

n_T.б = 1,9… 2,8.

6.2.3. Толщина S₁ втулки фланца (см. рис. 6.2)

- для приварного

S ≤ S_o ≤ 1,3S, но всегда S_o-S ≤ 5 мм;

- для плоских приварных

S_o ≥ S,

где S – исполнительная толщина обечайки.

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

,

при этом β₁ принимается по рис. 6.5.

6.2.5. Высота h_b втулки фланца:

- приварного встык:

,

где – уклон втулки ( = 1/3);

- плоского приварного:

.

– толщина коррозии материала аппарата за 20 лет.

= 2 мм.

6.2.6. Диаметр болтовой окружности фланцев:

- приварных встык:

D_б≥ D + 2(S₁+d _б+u),

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

d _б – наружный диаметр болта (табл. 6.2.) - плоских приварных:

D_б > D + 2 (2 S_o + d_б+u).

Наружный диаметр фланцев

D_н≥ 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

6.2.7. Наружный диаметр прокладки

D_н.п. = D_б – е,

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

6.2.8. Средний диаметр прокладки

D_с.п. = D_н.п. – b,

где b – ширина прокладки, принимается по табл. 6.5.

6.2.9. Количество болтов, необходимых для обеспечения герметич­ности:

,

где – рекомендуемый шаг расположения болтов, выбираемый по табл. 6.3.

6.2.10. Высота (толщина) фланца ориентировочно

,

где = 0,3;

Sэк – эквивалентная толщина втулки;

.

6.2.11. Определяется болтовая нагрузка, необходимая для обес­печения герметичности соединения, исходя из схемы нагружения (рис. 6.4).

При расчете определяются нагрузки для двух различных состояний: при монтаже – F_б1 и в рабочих условиях – F_б2.

Болтовая нагрузка в условиях монтажа

,

где – реакция прокладки, МН;

= ·· ·k_пр ·,

где – эффективная ширина прокладки, м

при ≤15 мм =, при >15 мм .

Таблица 6.1

Типы и пределы применения фланцев

	Внутрен-ний диаметр D, мм	Внутреннее давление, МПа
		плоские приварные					приварные встык							приварные встык под металличес-кую 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	+ + + +		+ + +	+ + +	+ +	+	+ + + +		+ + +	+ +	+	+	+	+	+	+

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 6.2

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

Таблица 6.3

Рекомендуемый шаг расположения болтов

Давление в аппарате Рp, МПа	Шаг расположения болтов tш
1	2
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) dб (3,8+4,8) dб (3,5+4,2) dб (3,0+3,8) dб (2,7+3,5) dб (2,3+3,0) dб (2,1+2,8) dб

Таблица 6.4

Вспомогательные величины для определения размера фланца

Диаметр болта dб, мм	Конструктивная добавка а, мм		Конструктивная добавка е, мм
	для гаек шестигранных	для гаек с уменьшенным размером	для плоских прокладок	для прокладок овального сечения
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	D≤1000 1000<D≤2000 D>2000	12 - 15 15 - 25 25
Плоские металлические	D≤1000 D>1000	10 - 12 12 - 15
Плоские в металлической оболочке и зубчатые металлические	D≤1600 D>1600	12 - 18 13 - 25
Овального и восьмиугольного сечения для р≥ 6,4 МПа	D≤600 600<D≤800 800<D≤1000 1000<D≤1600	12 - 13 16 - 22 18 - 28 22-42

Рис.6.5.

График для определения коэффициента β1

Рис. 6.6.

График для определения коэффициента λ_ф: