книги из ГПНТБ / Дуб Б.И. Арматура трубопроводов высокого давления

дость таких прокладок большая, чем материала фланца. Использование на электростанциях СССР твердых ста­ лей для изготовления зубчатых прокладок не оправдало себя; применение мягких сталей позволило достигнуть не­

обходимой плотности соединения даже в тех случаях, ког­ да обработка уплотнительных поверхностей фланцев была недостаточно точной; в этих случаях прокладка заполняла неровности поверхностей фланцев. При использовании же

205

и т. п. При строгом выполнении всех этих условий для до­ стижения необходимой плотности соединения не потребо­ валось сминания сопрягаемых поверхностей прокладки и фланца и можно было бы ограничиться сравнительно не­ большими упругими напряжениями. В этом случае не по­ требовалось бы излишних усилий при затяге шпилек фланцевого соединения, что позволило бы снизить вес.

этой прокладки основано на деформации ее поверхности, материал линзы должен быть мягче материала фланца; это достигается отжигом стали.

Мембранные прокладки также изготовляют из тех же сталей, что и фланцы. По германским нормам (от мая 1944 г.) для среды высокого давления при температуре выше 475° С для мембранных прокладок необходимо при­ менять хромованадиевую сталь.

Для уплотнения крышек водяной арматуры ВАЗ при­ меняет прокладки из мягкой углеродистой стали.

5-4. Эксплуатация и исследования фланцевых соединений

Опыт работы электростанций с установками высокого давления показывает, что нарушения плотности фланце­ вых соединений возникают часто главным образом в пер­ вый период эксплуатации установок.

Нарушения плотности происходят под влиянием боль­ шого количества причин как эксплуатационного характера, так и в результате неправильных монтажа и ремонта.

Наиболее важным фактором, определяющим плотность фланцевого соединения, являются затяжка его в холодном состоянии и сохранение ее в рабочих условиях.

необходимо, чтобы шпильки стягивали фланцы с усилием Р , не меньшим усилия, создаваемого рабочей средой, т. е.

чтобы

р

206

где Dn — средний диаметр прокладки, см; р — рабочее давление, кг/см2.

Однако одного этого усилия недостаточно для обеспе­ чения плотности соединения. Уплотняемые поверхности фланца и прокладок имеют неровности, создающие при их соприкосновении условия для протечки рабочей среды.

шпильки должны быть подвержены затягу с некоторым первоначальным усилием

ро =

где b — ширина контактной поверхности прокладки и флан­ цев, см;

<з0 — необходимая удельная нагрузка на опорную поверх­ ность прокладки при обжатии, кг/см2.

В рабочих условиях на шпильки действует усилие

Л = Л> + ^

где vj — коэффициент, характеризующий упругость фланце­ вого соединения и связанный с упругостью основ­ ных деталей соединения (болтов, фланцев, про­ кладки).

Экспериментальными работами ЦКДИ установлено, что для уплотнения прокладки величина усилия должна быть такой, чтобы зубья прокладки при начальном затяге были доведены до пластического состояния, так как только при таком состоянии зубья могут принять форму и разме­ ры, обеспечивающие повсеместный контакт их опорной поверхности с поверхностью фланца. Если при данной на­ грузке не будет достигнута плотность соединения, то даль­

фланцев.

Для определения величины этой критической нагрузки на зубья прокладок ЦКТИ провел опыты с обжатием се­

щадь зубьев с ростом общей нагрузки практически не уве­ личивались (стабилизировались и приближались к некото-

207

рой предельной величине). Это обстоятельство является результатом того, что зубья прокладки, доведенные пре­ дельной удельной нагрузкой до пластического состояния, в дальнейшем деформируются так, что опорная площадь контакта увеличивается пропорционально росту общей на­ грузки на прокладку. Такое положение, например, видно

Остаточное сжатие

Рис. 5-19. Зависимость остаточного • сжатия зубцов прокладок из же­ леза Армко от удельной нагрузки.

из установленной ЦКТИ зависимости остаточного сжатия зубьев прокладки из железа Армко от удельной нагрузки, приведенной на рис. 5-19. В данном случае исследовалась односторонняя прокладка с двумя зубьями.

Опытами установлено, что величина предельной (кри­ тической) нагрузки зависит главным образом от материа­ ла прокладки и практически не зависит от высоты зубьев,

их опорной ширины и числа.

Для определения расчетного усилия, требуемого для уплотнения фланцевого соединения, ЦКТИ рекомендует следующие формулы:

= + М;

=М;

208

[М.

4(а0-а)А 1 J

Ь

Z- — ,

а ’

где Рг — полное усилие, действующее в шпильках;

Р— усилие от гидростатического давления рабочей среды;

Ро — усилие в шпильках при затяге; а0— критическая удельная нагрузка на опорную пло­

щадь зубьев при обжатии, кг/сл/2; а — удельная нагр/зка на з/бья, необходимая для

сохранения плотности в рабочих условиях, кг[см2; т} — коэффициент, учитывающий упругость фланцевого

соединения;

k— коэффициент, учитывающий увеличение опорной площади, происходящее при обжатии прокладки,

атакже увеличение, обусловленное отклонениями

вфактических размерах от заданных;

Таблица 5-6

Значения удельных нагрузок на прокладки

Примечание. В скобках поставлены предварительные данные.

Коэффициент т] характеризует упругость фланцевого соединения. При абсолютно жестком соединении этот ко­ эффициент равен нулю.

При расчете фланцевых соединений ЦКТИ принимает: т|=0,1—для жестких фланцев и т] = 0,2 — для свободных фланцев.

Коэффициент k по опытным данным составляет

1,25—1,3.

При прогреве паропровода температура фланца ра­ стет быстрее, чем температура стягивающих фланцы бол­ тов. Это обстоятельство, вызовет в болтах добавочное на­ пряжение Даь В случае, если жесткость фланцев превос­ ходит жесткость болтов, как это в действительности и бы­ вает, это напряжение

2/ЛДЛа

Дз> = -——Et [кг)смг\,

чи где — толщина диска фланца, мм-,

—разность температур фланца и шпильки;

а— коэффициент теплового расширения, принятый условно для фланца и шпилек одинаковым;

фланцевого соединения корпуса и крышки)и шпилек даже при относительно медленном разогреве составляет око­ ло 20° С.

По истечении некоторого промежутка времени темпе­ ратура фланцев и шпилек выравнивается, однако некото­ рая разность температур продолжает оставаться даже при стабильном температурном режиме. Это видно из данных, приведенных в табл. 5-7 по температурам отдельных де­ талей вентиля диаметром 20 мм при работе на паре с тем­ пературой 505° С и давлением 110 ат '.

При быстром разогреве разность между температурами фланцев и шпилек может достигать 50° С и даже более.

Добавочное напряжение, подсчитанное для Пу = 15 см и Dn =19 см, при разности температур фланцев и шпилек

50° С составляет: Adi=900 кг!см2.

В действительных условиях столь значительного доба­ вочного напряжения в шпильках не будет, так как по мере его возникновения прокладка будет деформироваться,

210

Таблица 5-7

Температура деталей (°C) вентиля ВАЗ при установившемся тепловом режиме

вать большие напряжения в шпильках и их деформацию, а после выравнивания температуры фланцев и шпилек— ослабление затяжки.

Если при этом фланцевое соединение плохо изолирова­ но, то разность температур фланца и шпилек возрастает, что еще более усугубляет положение.

Практически скорость прогрева паропроводов высокого давления в большинстве случаев применяют не более 2—3° С в минуту.

Неравномерное распределение температур в деталях арматуры наблюдается не только йри прогреве, но и при снижении температуры пара. Значительные снижения тем­ пературы пара могут привести к значительной разности температур фланцев и шпилек, но в этом случае темпера­

дополнительный затяг вызывает дополнительное напряже­ ние в шпильках.

При расчете напряжений, возникающих в результате неодинакового теплового расширения, значение модуля упругости надо брать при рабочей температуре. Измене­ ние величины Е для углеродистой стали в зависимости

Рис. 5-20. Зависимость модуля нормальной упругости Е от температуры.

Требуемое дополнительное усилие предварительного затяга шпилек

[кг],

где Fm — суммарная площадь сечения шпилек, сщ2.

Общее необходимое усилие предварительного затяга шпилек составит:

Р = Р1 + Р2==^ш(3ш + д32) [кг],

где а -{- ’’а — наименьшее напряжение в шпильках от пред­ варительного затяга с учетом компенсации колебаний температуры, кг)см2.

Для рассмотренного ранее фланцевого соединения при разности температур фланцев и шпилек 20° С в результате расчета получается:

аш Д- Дза = 870 4- 400 = 1 270 кг/см2.

Отоль значительное напряжение предъявляет к мате­ риалу шпилек повышенные требования, основным из ко­ торых является высокий предел текучести.

212

Для шпилек фланцевых соединений трубопроводов вы­ сокого давления в основном применяют высококачествен­ ную сталь ЭИ 10.

В процессе эксплуатации фланцевых соединений при высокой температуре в результате релаксации напряже­ ний в шпильках будет происходить ослабление затяга фланцевого соединения.

Характер кривой релаксации1 показан на рис. 5-21. Таким образом, для обеспечения плотности фланцевого соединения необходимо, кроме усилия первоначального

пенсации колебаний температуры, создать дополни­ тельный запас в натяге шпилек для релаксации напря­ жений.

Рассмотрим условия работы фланцевого соединения, приведенного на рис. 5-22, с учетом релаксации напря­ жений.

1 Кривые релаксации построены не на основе опытных данных, а на аналитически выраженной зависимости релаксации и ползучести стали.

213

Как уже было установлено выше, минимальное напря­

величины. Если ставить себе задачу обеспечить плотность фланцевых соединений в течение полной рабочей кампа­ нии при существенной ежегодной периодичности капи­ тальных ремонтов, длительность рабочей кампании долж­ на быть не менее 10 000 ч. Сле­ довательно, на кривой релакса­ ции (рис. 5-21) уровень напря­ жения в шпильках 1 270 кг/см2 должен быть достигнут к концу рабочей кампании.. Такую зада­ чу решить очень трудно, так как даже при большом первоначаль­ ном затяге, при котором напря­ жения в шпильках достигают значительной величины (1 600 кг/см2), это напряжение снизит­ ся до 1 270 кг/см2 уже через 4,5—5 тыс. ч работы (считая

/ = 450° С).

Через указанный промежу- -

охлаждения трубопровода, при котором может произойти раскрытие фланцевого соеди­ нения.

Чтобы не прибегать к подтяжке шпилек ранее 10 000 ч работы, необходимо первоначально затяг шпилек сделать

ям. Поэтому в практических условиях чаще всего прибе­ гают к увеличениям первоначального’ затяга шпилек- в 5 раз, а иногда и в 7—8 раз и даже более выше усилия

Р создаваемого рабочей средой.

214