книги / Трубопроводная арматура

где Dn — средний диаметр прокладки, см.

Для обеспечения плотности соединения в рабочих условиях

где qp — необходимое давление на прокладку в рабочих условиях, зависящее от материала прокладки, её ширины и толщины:

т Р раб

(8.6)

V т/Ш

величин Qo6 и Qp, вычисленных для данного фланца. Наибольшая из них определяет величину усилия необходимого затяга прокладки.

Таким образом, при Qo6 > Qp QH= Qo6; при Qo6 < Qp, QH= Qp.

251

8.4 Расчет на прочность болтов и шпилек

Болты и шпильки фланцевого соединения работают в сложных условиях постоянного напряжённого состояния. В процессе работы трубопровода могут иметь место колебания нагрузки вследствие изменения давления, колебания температуры и т. д [1,2].

После затяжки фланцевого соединения в болтах появляется нагрузка QH, которая после подачи давления в трубопровод и создания усилия вдоль шпинделя Qo увеличивается до:

Таким образом, усилие, воспринимаемое болтами, зависит от усилия затяга QH, усилия давления среды QCD, усилия вдоль шпинделя

Q0 и соотношения жесткостей болтов и прокладки (соединяемых частей). Если жесткость болта будет большой по сравнению с жесткостью соединяемых частей (весьма упругие прокладки и короткие болты большого сечения), то усилие, воспринимаемое

болтами, будет приближаться к сумме Q6D = QH+ QCD4Q0; наоборот,

при жестких металлических прокладках и длинных упругих болтах усилие в болтах будет иметь величину, близкую к QH.

Диаметр и число болтов фланцевого соединения выбираются в зависимости от конструктивных особенностей соединения, условий его работы, температуры среды, транспортируемой по трубопроводу, материала болтов и ряда других обстоятельств. Однако при всех

где Q6 — общая нагрузка, допускаемая болтами или шпильками;

Одоп ~ нагрузка, допускаемая на один болт или шпильку; z — число болтов.

252

При высоких удельных давлениях на поверхностях витков резьбы в болтах возникают задиры, и коэффициент трения увеличивается до (.1=0,6 и более. Это явление возникает при нагрузках на болт, приближающихся к разрушающим. Чтобы исключить возможность появления задиров, необходимо выдержать условие, определяемое формулой (исходя из равномерной нагрузки витков):

где Одоп — расчётная допускаемая нагрузка на болт, Н;

q — допустимое удельное давление, МПа; f — площадь кольцевой

СЖ

поверхности витка, м2; п — число витков.

При нормальной температуре задиры возникают при удельных давлениях а една витках:

-для высоколегированных сталей (кроме Х18Н10Т) — 200 МПа;

-для мягких сталей — 120 МПа;

-для смазанных резьб — 200 МПа.

При расчете можно принимать:

где оПред — напряжение сжатия на витках для смазанных резьб;

псж “ коэффициент надёжности, псж = 2,0.

где d, — номинальный диаметр резьбы, м; d0 — отверстие под болт, м. Материал и конструкция гайки оказывают влияние на равномерность распределения напряжений. Обычно гайки изготавливают из материала более мягкого, чем материал болта, с меньшим модулем упругости. Это способствует выравниванию напряжений по виткам и уменьшает вероятность схватывания металла гайки и болта. Возможность применения более мягкого материала для гайки определяется тем, что площадь среза витков у гайки больше (по наружному диаметру резьбы), чем у болта (по внутреннему диаметру

резьбы).

253

В процессе изготовления болтов в головке болта в месте сопряжения со стержнем могут возникнуть значительные внутренние напряжения, поэтому болты являются менее надежным элементом крепления, чем шпильки. Кроме того, более соосное приложение усилия вдоль стержня, создаваемого гайкой, по сравнению с головкой болта обеспечивает лучшие условия работы шпильки. Учитывая сказанное, во фланцах арматуры для давлений Ру = 4 МПа и выше следует устанавливать шпильки; болты применяются лишь для более низких давлений.

В соответствии с требованиями Ростехнадзора для фланцевых соединений из аустенитной стали болты, шпильки и гайки изготовляются из сталей того же класса. Крепежные детали из аустенитной стали для фланцев из углеродистой стали, а также иные сочетания (например, фланцы из аустенитной стали, а крепежные детали из перлитной стали) могут быть применены лишь в случае работы соединений при постоянной температуре.

Легированные стали, применяемые для изготовления крепежных деталей, подвергаются термической обработке — закалке и отпуску или нормализации и отпуску.

8.5 Расчёт круглых жестких фланцев по допускаемым напряжениям

Расчёт выполняют следующим образом. Расчетная схема круглого жесткого фланца с прокладкой представлена на рис. 8.5.

Вычисляются усилия, действующие на фланец. Усилие от давления среды:

(8.13)

Реакция прокладки:

(8.14)

Расчётное усилие, передаваемое болтами на фланец:

(8.15)

254

Рис. 8.5. Круглый жесткий фланец с прокладкой

Определяется условный момент по формуле:

°D„

Dn = D - B ,

где D — диаметр прокладки;

с2

п2

Вычисляются действующие напряжения: а) осевое

255

где f — коэффициент поправки напряжений, зависящий от

1 отношений — и —, принимается по диаграмме [23,24,28]; 1у — длина

где L — коэффициент; h — толщина фланца, мм; d — коэффициент.

Коэффициенты U, Т принимаются в зависимости от к = - ^ - п о

'вн

диаграмме [2].

Коэффициенты F, V — по диаграмме [2]; Ь) напряжение радиальное:

зависимости от

к = D D.вн

256

Во фланцах допускаются следующие напряжения:

а<1,5* а (8.25)

о' доп

8.6Расчёт фланцев по предельным нагрузкам

Расчёт стальных фланцев, работающих при высокой температуре, когда характеристикой прочности является предел ползучести или предел длительной прочности, должен производиться по методу предельных нагрузок. Расчёт жёстких фланцев производится по следующей методике. Предельная нагрузка на фланец при S,< h определяется по формуле

где 0 Пред — предельная нагрузка на фланец, Н; h — толщина фланца, м; а т — предел текучести материала фланца, МПа; ф — коэффициент, учитывающий влияние отверстий под болты на прочность фланца;

если выдержано условие 1 > —— (DBH+2Sj, то считают, что фланец

УSj +S

струбой соединён плавным переходом и принимают с = 1, следовательно, значение х определяется из уравнения:

Величину х можно определить с помощью специального графика [28]. График построен на основе преобразованного уравнения,

имеющего вид а + Ь х х = т х,в котором:

257

Определение x при помощи графика производится следующим образом:

определяют значения а, b и ш:

должна быть сравнена с усилиями, которые ожидаются во фланце в процессе эксплуатации.

При тщательном анализе сил, действующих на фланец, можно установить схему действия этих сил. На фланец действуют:

258

Q6 — усилие от действия болтов;

Q, — реакция прокладки;

Q.p — усилие от действия среды, которое рассматривается как состоящее из двух усилий: усилия Q3, приложенного к среднему диаметру трубы, и усилия (&, приложенного между средней окружностью прокладки и внутренней поверхностью трубы. Воздействия нагрузок на фланец показаны на рис. 8.6.

Рис. 8.6. Воздействие нагрузок на фланец

Поскольку фланец подвергается изгибу, определим приведённое усилие, приложенное к трубе, которое вызывает момент на фланце, эквивалентный моменту от действия сил, приложенных к фланцу.

Величина этого усилия равна:

(8.34)

(8.35)

259

(8.36)

Q2 = ° 3 = %

1l _xn' 12~Xc' 13 " ^ +~ 2 ^ + 2 x r f8,37)

Существует мнение, что фланец должен быть прочнее болтов, с тем чтобы разрушение болтов предшествовало разрушению фланцев. Имеются сторонники применения к фланцевому соединению принципа равнопрочности болтов и фланцев. Во всяком случае, должно быть выдержано условие Оср г>Он.

Существует мнение, что целесообразно выдержать и условие

8.7Пример расчёта необходимого усилия затяга прокладок разных типов

Исходные данные:

плоская неметаллическая прокладка при ширине В = 5 мм и толщине 8= 4 мм. Рабочее давление Рраб = 1 МПа. Диаметр прокладки D =438 мм.

Для обеспечения плотности соединения прокладка должна быть предварительно обжата на месте её установки с усилием, определяемым по формуле (8.2):

Qo6 =L B-q0 Кф =1,368 0,005*1,9-106 1 = 13,0 кН,

D — диаметр прокладки; В — ширина прокладки, В = 5мм; Кф— коэффициент формы, учитывающий наличие бороздок, пересекающих поверхность уплотнения, неравномерность деформации фланцев, а следовательно, неравномерность деформации прокладки.

Рекомендуется принимать для круглого фланца Кф = 1,0;

260