§ 3. Расчетно-проектная работа № 2

Расчет фланцевых соединений

Цель работы: изучение основных конструкций фланцевых сое­динений и приобретение навыков расчета фланцевых соединений на прочность и герметичность.

Задание: определить основные размеры стального фланцевого соединения, а также выполнить расчет на прочность и герметичность фланцевого соединения аппарата, работающего под внутренним давлением, если заданы: - внутренний диаметр аппарата, м; толщина стенки обечайки , м; внутреннее давление в аппарате , МПа; температура обрабатываемой среды ; внешние изгибающий момент и осевая сила отсутствуют (F= О, М=0); прибавка к расчетной толщине стенки С=1 мм; коэффициент прочности сварных швов 1,0; материал фланца - сталь 12Х18Н10Т, материал болтов - сталь 35Х; фланцы неизолированные.

Методика расчета

Определение конструктивных размеров фланца. Толщина втулки фланца (см. рис. 2.9) в зависимости от его конструкции принимается:

для приварного встык

но во всех случаяхмм; (2.67)

для плоских приварных и свободных

(2.68)

Толщина у основания втулки приварного втык фланца (см. рис. 2.9)

(2.69)

где - коэффициент, определяемый из рис. 2.14.

Рис. 2.14. График для определения коэффициента

Высота втулки фланца:

приварного встык

(2.70)

где -уклон втулки;

плоского приварного или свободного

(2.71)

Диаметр болтовой окружности фланцев:

приварных встык

(2.72)

где - нормативный зазор между гайкой и втулкой (), мм;-наружный диаметр болта, выбираемый по табл. 2.4;

плоских сварных

(2.73)

свободных

(2.74)

где нормативный зазор между гайкой и обечайкой (мм);-внутренний диаметр свободного кольца ().

Таблица 2.4

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

Наружный диаметр всех типов фланцев:

(2.75)

где -конструктивная добавка для размещения гаек по диаметру фланца (табл. 2.5).

Наружный диаметр прокладки:

приварных встык и плоских приварных фланцев

(2.76)

где - нормативный параметр, зависящий от типа прокладки (принимается по табл. 2.5);

свободных фланцев

(2.77)

где - наружный диаметр бурта ().

Таблица 2.5

Вспомогательные величины для определения размеров фланца

Средний диаметр прокладки

(2.78)

где -ширина прокладки, принимая по табл. 2.6.

Таблица 2.6

Размеры прокладок

Количество болтов, необходимое для обеспечения герметичности соединения,

(2.79)

где -рекомендуемый шаг расположения болтов, выбираемый в зависимости от давления:

Давление в аппарате Р_р, МПа Шаг расположения болтов t_m

До 0,3	(4,25,0)
0,3-0,6	(3,8 4,8)
0,6-1,0	(3,54,2)
1,0-1,6	(3,0 3,8)
1,6-2,5	(2,73,5)
2,5 - 4,0	(2,33,0)
4,0-10,0	(2,12,8)

Полученное значение округляем до значения, кратного четырем. Высота (толщина) фланца ориентировочно, м,

(2.80)

где -коэффициент, принимаемый по рис. 2.15; - эквивалентная толщина втулки фланца, м.

(2.81)

Расстояние между опорными поверхностями гаек для фланцевого соединения с уплотнительной поверхностью типа "шип-паз" (ориенти­ровочно)

(2.82)

где -высота (толщина) стандартной прокладки (=2мм).

Примечание. Все значения, получаемые по формулам (2.67-2.82),

Необходимо округлять до ближайшего значения стандартной толщины листа.

Определение нагрузок, действующих на фланец (рис. 2.16). Равнодействующая внутреннего давления, МН,

(2.83)

Реакция прокладки, МН,

(2.84)

где - эффективная ширина прокладки, м ( примм, примм

); - коэффициент, зависящий от материала и конструкции прокладки ( определяется по табл. 2.7)

Таблица 2.7

Характеристика плоских неметаллических прокладок

* Для сред с высокой проникающей способностью (водород, гелий, легкие нефтепродукты, сжиженные газы и т.п.) = 35 МПа.

Рис. 2.16. Схема действия нагрузок на фланец в рабочих условиях

Усилие, МН, возникающее от температурных деформаций, опре­деляется по формулам:

Для плоских приварных и приварных встык фланцев

(2.85)

для фланцевых со свободными кольцами

(2.86)

где ,,- соответственно коэффициенты линейного расширения материала фланца, болтов и свободного кольца (см.табл.2.8),;,,- соответственно температура фланца, болтов свободного кольца (см.табл.2.9 ) ,;,,,- податливости соответственно болтов, прокладки, фланцев, свободного кольца, вычисляемые по формулам:

(2.87)

Где - модуль упругости материала болтов (табл. 2.10),; -расчетная длина болта, м;

(2.88)

Где - расстояние между опорными поверхностями головки болта и гайки (определяется конструктивно или по формуле 2.82); - диаметр отверстия под болт, м;

(2.89)

Где - высота (толщина) прокладки, м; - коэффициент обжатия прокладки ( для прокладок: из резины из картона, паронита, фторопласта и т.п. ); - модуль упругости материала прокладки, (см. табл. 2.7);

(2.90)

Где , -безразмерные параметры

; (2.91)

(2.92)

,- коэффициенты, определяемые по формулам

(2.93)

(2.94)

E- модуль упругости материала фланца ( см. табл. 2.10), ;

(2.95)

Где - модуль упругости материала кольца, (табл.2.10);- высота ( толщина) свободного кольца, м.

Таблица 2.8

Коэффициент линейного расширения () сталей

Таблица 2.9

Расчетная температура элементов фланцевого соединения

Примечание. - расчетная температура соответственно фланцев, свободного кольца, болтов и обечайки.

Таблица 2.10

Модуль продольной упругости (МПа) сталей

Расчетная площадь поперечного сечения болта по внутреннему диаметру резьбы принимается по табл. 2.11.

Таблица 2.11

Значение площадей поперечного сечения болтов

Коэффициент жесткости фланцевого соединения:

при стыковке фланцев одинаковой конструкции

(2.96)

При стыковке фланцев различной конструкции

(2.97)

(2.98)

(2.99)

где ,- угловые податливости фланцев;,- внутренние диаметры фланцев, м; , - эквивалентные толщины втулок фланцев, м; К_ж = 1 - для приварных встык фланцев с овальными или восьмигранными металлическими прокладками, а также для фланцев со свободными кольцами.

Болтовая нагрузка в условиях монтажа до подачи внутреннего давления:

(2.100)

Где - внешняя осевая растягивающая (+) или сжимающая(-) сила (=0- в нашем случае);-внешний изгибающий момент (=0);- допускаемое напряжение для материала болта при 20( см. табл. 2.12),;- минимальное давление обжатия прокладки ( табл. 2.8);-расчетная площадь поперечного сечения болта, (табл. 2.11).

Болтовая нагрузка в рабочих условиях

. (2.101)

При должно выполняться условие

, (2.102)

Где - допускаемое напряжение для материала болтов при расчетной температуре, МПа.

Приведенный изгибающий момент

.

Допускаемое напряжение [а]_б (МПа) для стальных болтов (шпилек)

Таблица 2.12

Расчетная	Марка стали
температура	35	12Х18Н10Т	45Х14Н14В2М	35Х; 40Х	25Х2МФА	25Х2М1Ф
t,°C	ВСт5	10Х17Н13М2Т		37Х12Н8Г8МФБ	25X1МФ
20	130	110	160	230	230	230
100	126	105	150	230	230	230
200	120	98	138	225	225	225
250	107	95	132	222	220	220
300	97	90	126	220	215	215
350	86	86	120	185	215	215
375	80	85	117	175	210	210
400	75	83	114	160	210	210
425	68	82	110	-	182	195
450	-	80	107	-	156	180
475	-	79	104	-	127	165
500	-	78	100	-	96	150
510	-	-	95	-	84	137
520	-	-	90	-	74	120
530	-	-	85	-	65	100
540	-	-	80	-	55	75
550	-	-	75	-	-	64

Таблица 2.12

Условия прочности болтов выполняются:

; (2.103)

. (2.104)

Проверить условие прочности неметаллических прокладок

, (2.105)

Где - допускаемое давление на прокладку (табл. 2.7);

.

Максимальное напряжение в сечении фланца, ограниченное размером .

, (2.106)

Где - безразмерный параметр, определяемый по номограмме (рис. 2.17);

- безразмерный параметр, определяемый по формуле

. (2.107)

Максимальное напряжение в сечении, ограниченное размером ,

, (2.108)

Где (см. табл. 2.1).

Максимальное окружное напряжение в кольце фланца

. (2.109)

Проверить условие прочности втулки фланца для сечения, ограниченного размером :

, (2.110)

Где ( см. табл.2.1).

Рис. 2.17. График для определения коэффициента

Напряжения во втулке от внутреннего давления:

тангенциальное

, (2.111)

Где С=1мм прибавка на коррозию;

мередиональное

. (2.112)

Проверить условие прочности для сечения фланца, ограниченного размером :

, (2.113)

где - допускаемое напряжение для фланца в сечении , принимаемое при количестве нагружений соединений (сборка-разборка) не более из условий:

при МПа;

при МПа.

Проверить условие герметичности фланцевого соединения по углу поворота фланца

, (2.114)

где - допускаемый угол поворота фланца, принимаемый для плоских фланцев =0,013 рад; для фланцев, приварных встык =0,009 рад при 2000мм;=0,013 рад приD>2000 мм.

Проверить условие прочности для свободного кольца

, (2.115)

где - приведенный изгибающий момент, определяемый из условия

. (2.116)

Допускаемые напряжения для материала свободного кольца при 20 °С и расчетной температуре соответственно

и , (2.117)

где и - предел текучести материала кольца соответственно при 20 °С и расчетной температуре (табл. 2.1).

Проверить условие герметичности, определяемое углом поворота свободного кольца

, (2.118)

Где =0,026 рад – допускаемый угол поворота кольца.

Порядок оформления отчета. Отчет о расчетно-практической работе оформляется в соответствии с требованиями, изложенными в [10], и включает в себя следующие разделы:

-цель работы;

-теоретическую часть, в которой приводится классификация фланцев и типов уплотнительных поверхностей фланцевых соединений; области применения различных типов фланцев; виды прокладок; требования, к ним предъявляемые; излагается сущность комплексного расчета фланцевого соединения;

-расчетную часть, в которой приводится расчет фланцевого соединения согласно предлагаемому варианту (табл. 2.13);

- графическую часть, в которой даются чертеж проектируемого фланцевого соединения и спецификация к нему.

Таблица 2.13

Контрольные вопросы

1. Назовите основные типы фланцев. Укажите границы их приме­нения.

2. Приведите классификацию типов уплотнительных поверхностей фланцевых соединений. Укажите границы их применения.

3. Какие материалы используются в качестве прокладок во флан­цевых соединениях? Дайте им характеристику. Назовите требования, предъявляемые к прокладкам.

4. В чем заключается сущность расчета на прочность фланцевого соединения?

5. В чем заключается сущность расчета на герметичность фланцевого соединения?

6. Как учитывается влияние высоких рабочих температур при расчете фланцевого соединения?

7. Поясните методику расчета при определении геометрических размеров основных элементов фланцевого соединения.