Беляев В.М., Миронов В.М. Конструирование и расчет элементов оборудования отрасли. Часть 1: Тонкостенные сосуды и аппараты химических производств

Подождите немного. Документ загружается.

в этом случае фланец работает в лучших условиях, но увеличивается болто-

вое усилие.

Чем больше давление в аппарате, тем уже должна быть прокладка. Во

фланцах высокого давления площадь касания металлических шлифованных

элементов привалочной поверхности определяется шириной полоски упру-

гой деформации сжатых частей.

Форма привалочной поверхности существенно влияет на работу про

кладки и величину болтового усилия. Поэтому при его определении в расчет

вводится не действительная ширина прокладки, а только ее часть, которая

называется эффективной шириной прокладки. Это объясняется тем, что

внешний диаметр прокладки сжат сильнее, чем внутренний.

Фланцы могут работать и совсем без прокладок, если их привалочные

поверхности пришабрены и плотно

прижаты друг к другу. Такие фланцы

очень дороги и применяются в весьма жестких условиях.

Различные виды привалочных поверхностей приведены на рис. 6.11.

Плоская поверхность (рис. 6.11,а) применяется до р

=2,5 МПа. На плоских

поверхностях иногда наносят от двух до четырех рисок треугольного сечения

(рис. 6.11,б), полагая, что это улучшает уплотнение и уменьшает вероятность

его пробоя.

Рис. 6.11. Форма привалочных поверхностей

а) плоская; б) плоская с рисками; в) выступ-впадина;

г) шип-паз; д) с овальным металлическим кольцом; е) с линзой

Фланцы выступ-впадина (рис. 6.11,в) предусмотрены для работы до

=800 мм и р

=16 МПа, а до D

=250 мм при р

=20 МПа. Однако опыт экс-

плуатации показал, что ширина прокладки у таких фланцев слишком велика,

что увеличивает их затяжку. Поэтому это соединение не имеет преимуществ

перед предыдущим типом, за исключением самоцентрирования и меньшей

вероятности пробоя прокладки.

Гораздо более надежно уплотнение «шип-паз» (рис. 6.11,г). При услов-

ном давлении до 10 МПа «шип-паз» допустим до D

=800 мм, а при меньших

давлениях это соединение работает хорошо до самых больших диаметров.

Уплотнение со шлифованным кольцом овального сечения (рис. 6.11,д)

и линзовое уплотнение (рис. 6.11,е) пригодны для высоких давлений. Первое

– до 20 МПа, а второе – до 100 МПа.

Привалочные поверхности под мягкую прокладку достаточно обрабо-

тать по третьему или четвертому классу

чистоты. Для металлических шли-

фованных прокладок требуется более высокая чистота обработки – седьмой

или восьмой класс.

6.4. Сущность расчета фланцев

Рассмотрим метод расчета фланцев, предложенный С.П.Тимошенко,

отличающийся ясностью предпосылок. Разберем вначале работу свободного

фланца. Свободный фланец – это кольцо прямоугольного сечения, нагружен-

ное равномерно распределенными по окружности моментами (рис. 6.12).

Рис. 6.12. К расчету свободного фланца

Допустим, что под действием моментов деформация кольца будет со-

стоять только в повороте сечения на угол θ без искажения формы сечения

кольца.

Относительное удлинение исследуемого волокна радиусом r при пово-

роте сечения на угол θ будет

=ε и, следовательно, .

=σ

Согласно условиям равновесия половины кольца сумма всех нормальных

сил, действующих на его поперечное сечение, должна равняться нулю, а мо-

мент этих сил по отношению к оси х должен равняться моменту

M=M

⋅

ρ,

где M

– момент, приходящийся на единицу длины осевой линии;

ρ - радиус осевой линии.

Для кольца любого сечения условия равновесия будут

∫∫

MdF

.;0

Для кольца прямоугольного сечения

∫∫∫∫

−−

.;0

Rн

Rв

Rн

Rв

Mdrdy

drdy

После интегрирования последнего уравнения имеем

,ln

откуда

==θ .

Тогда

=σ .

Максимальные напряжения возникнут у внутренних углов сечения

кольца. В этом случае

;

max

yRr

==σ±==

Отсюда прямо можно определить напряжение и толщину свободного фланца

66,1

max

=σ и

ln][

29,1

= ,

где W – болтовая нагрузка;

l – плечо момента.

Более сложен расчет цельного фланца, гомогенно соединенного с тру-

бой. В этом случае фланец не только поворачивается на угол θ, но и изгибает

саму трубу. Благодаря разной жесткости трубы и фланца в месте их соедине-

ния

возникают перерезывающие силы Р

и изгибающие моменты М

(рис. 6.13). Найдем значения Р

и М

, отнесенные на единицу длины внут-

ренней окружности трубы. Угол поворота края трубы равен углу поворота

фланца θ.

Из ранее рассмотренного примера жесткого со-

единения трубы и фланца имеем:

θ=

−

−=

−

kMP

Коэффициент k равен

)1(3

μ−

= ,

откуда .2;2;

0000

θ=θ== DkPkDMkMP

Крутящий момент, отнесенный к единице длины осевой линии фланца

и возникающий под действием болтовой нагрузки W,

⎥

⎦

⎤

⎢

⎣

⎡

−−−

⎥

⎦

⎤

⎢

⎣

⎡

−−−

)(

00вн

kMMRRW

PMRRW

M .

Подставим это значение в уравнение для определения угла поворота свобод-

ного фланца , определим его значение и вычислим момент М

⎥

⎦

⎤

⎢

⎣

⎡

−−−=

)(

00вн

kMMRRW

kDR

Вводя значение цилиндрической жесткости

)1(12

μ−

D , получим

окончательно

вн

)(

RRW

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

μ−

−

= .

Наибольшее напряжение будет от изгиба в трубе

=σ

6.5. Условия расчета фланцевых соединений

Фланцевое соединение рассчитывают по ОСТ 26-373-78. Расчетная

температура t принимается в соответствии с табл. 6.1,

где t

– температура фланца;

– температура корпуса;

– температура болта.

Допускаемые напряжения для болтов и шпилек, не указанные в таблицах,

определяют по формулам:

Рис. 6.13

а) для углеродистых сталей при t

≤380°С, для низколегированных ста-

лей при t

≤420°С и для высоколегированных аустенитных сталей при

≤525°С

./][

TTБ

Таблица 6.1

Расчетная температура фланцевого соединения

Тип фланцевого соединения

Изолированные

элементы

Не изолированные

элементы

Приварные плоские и встык

- 0,97t 0,96t - 0,95t

Со свободными фланцами

0,97t 0,9t 0,96t 0,9t 0,81t

б) при больших расчетных температурах

.;;min][

пл

дл

⎭

⎬

⎫

⎩

⎨

⎧

=σ

nnn

Запасы прочности для болтов приведены в табл. 6.2.

Таблица 6.2

Запас прочности для болтов фланцевого соединения

Материал болта

дл

пл

Углеродистые стали

Затяг не

контролируется

Затяг

контролируется

/σ

≥0,7

2,8 2,4 1,8 1,1

/σ

<0,7

2,3 2,1 1,8 1,1

Аустенитные стали 1,9 1,8 1,8 1,1

Допускаемые напряжения для фланцев:

а) в месте соединения втулки с плоскостью фланца

;][

фф T

б) в месте соединения втулки с обечайкой при давлении менее 4 МПа и

N≤2000 (N – число циклов нагружения фланца)

;003,0][

фо

в) то же, но при N>2000

;

100

;

2100

100

min][

фо

⎭

⎬

⎫

⎩

⎨

⎧

σ+

ψ−

=σ

−

г) для свободного фланца

кк

][

При давлении p ≥ 4 МПа допускаемые напряжения уменьшают в пол-

тора раза.

Допускаемые напряжения для всех элементов фланцевого соединения

при расчетной температуре ниже 20 °С принимают такими же, как и при

температуре 20 °С (при условии, что материал при этой температуре можно

применить).

6.6. Общий порядок расчета фланцевого соединения

Конструирование и расчет фланцевого соединения рекомендуется вы-

полнять в следующем порядке. Должно быть задано: конструкционный мате-

риал фланцев и болтов (шпилек), давление р, внутренний диаметр фланцево-

го соединения D, толщина стенки аппарата s

. Далее выбирают конструкцию

(рис. 6.14) и материал прокладки (табл. 6.3).

Толщина

s втулки фланца (см. рис. 6.15) в зависимости от его конст-

рукции принимается:

- для приварного встык

sss 35,1

≤

, но во всех случаях ммss 5

≤− ;

- для плоских приварных и свободных

ss ≥

где s — исполнительная толщина обечайки аппарата.

Далее определяется ширина прокладки b

(рис. 6.15 и табл. 6.4).

Толщина

s у основания втулки приварного встык фланца

011

= , при

этом

принимается по рис. 6.16.

Рис 6.14. Выбор прокладки:

а – плоская; б – гофрированная; в – овальная

шлифованная; г – восьмиугольная

Рис. 6.15. Размеры фланца

Таблица 6.3

Конструкция и материал прокладки

Конструкция прокладки Материал р, МПа

t, °С

Плоская неметаллическая

резина

≤

0,6 -30

100

асбестовый картон

≤

1,6

до 550

паронит

≤

2,5 -200

400

фторопласт не зависит

-200

250

Плоская металлическая

(шип-паз)

сталь, латунь, Al

≥2,5 -200÷300

Плоская составная

асбест в металличе-

ской оболочке

≤6,3

-200÷550

Овальная и

восьмиугольная

сталь

≥6,3

Таблица 6.4

Выбор ширины прокладки

Конструкция прокладки

Диаметр

аппарата,

мм

Ширина

прокладки,

мм

Плоская неметаллическая

≤

1000

12-15

1000-2000 15-25

>2000 25

Плоская составная

≤

1600

12-18

>1600 18-25

Плоская металлическая

≤

1000

10-12

>1000 12-15

Овальная и восьмиугольная

≤

600

12-18

600-800 16-22

800-1000 18-28

1000-1600 22-42

Длина l втулки фланца приварного встык

(

)

3 ssl

−

⋅

≥ .

Определение диаметра болтовой окружности, м

а) для приварных встык фланцев

)006,0(2

≥

ББ

dsDD

;

б) для плоских приварных фланцев

)006,0(2

≥

ББ

dsDD

;

в) для свободных фланцев

)006,0(2

ок

≥

ББ

dDD

где D

ок

– внутренний диаметр свободного фланца. Определение на-

ружного диаметра фланца

),aDD

Бф

≥

где а – определяется в зависимости от диаметра болта и размера гайки по

таблице в стандарте. Диаметр должен быть кратным пяти.

Определе-

ние наружного

диаметра про-

кладки

еDD

−

где е – зависит

от типа проклад-

ки и диаметра

болта и выбира-

ется по таблице в

стандарте.

Определе-

ние среднего диа-

метра прокладки

пппср

bDD

−

где b

–ширина

прокладки.

Эффективная ширина прокладки b

, используемая в расчетах, опреде-

ляется по табл. 6.5.

Таблица 6.5

Выбор эффективной ширины прокладки

Конструкция прокладки

Ширина

прокладки b

, мм

Эффективная

ширина b

Плоская

≤

0,5 b

>15

06,0 b *

Овальная и восьмиугольная 0,125 b

•

при вычислении b

следует подставлять в метрах.

По табл. 6.6 выбираются расчетные параметры прокладки m и q в зави-

симости от конструкции и материала прокладки.

Определяется ориентировочное число болтов или шпилек

где t

– шаг болтов, определяемый параметрами табл. 6.7 и принимаемый

при его меньшем значении.

Далее определяются вспомогательные величины:

а) коэффициент κ

Рис. 6.16. Графики для определения β:

Для p

≤0.6 МПа β≤2,2; для p

≥10 МПа β=2.

Во всех сл

чаях β

min

≥1,5

)1(25,0

)1(1

β++

−β+=κ

где

x = ;

б) эквивалентная толщина втулки фланца

(для плоского приварного фланца

);

в) ориентировочная толщина фланца

Dsh λ= ,

для плоских приварных фланцев

;0016,0146,19104,02624,0

++−=λ ppp

для фланцев, приваренных встык,

;1985,01357,00262,00018,0

++−=λ ppp

Таблица 6.6

Расчетные параметры прокладок

Конструкция

прокладки

Материал прокладки m

q [q] E

МПа

Плоская

неметалличе-

ская

Резина при р

=0,76-1,2 МПа 0,5 2,0 18 3(1+b

/2s)

Резина при р

>1,2 МПа 1,0 4,0 20 4(1+b

/2s)

Картон асбестовый 2,5 20 130 2000

Паронит 2,5 20 130 2000

Фторопласт 2,5 10 40 2000

Плоская ме-

таллическая

Алюминий АД 4,0 60

- -

Латунь Л63 4,75 90

Сталь 05кп 5,5 125

Сталь08Х13 5,5 180

Сталь 08Х18Н10Т 6,5

Овальная,

8-угольная

Сталь 05кп,08Х13 5,5 125

- -

Сталь 08Х18Н10Т 6,5 180

Таблица 6.7

Выбор шага болтов

≤0,3

0,6 1,0 1,6 2,5 4,0 6,4-10,0

4,2-5,0 3,8-4,8 3,5-4,2 3,0-3,8 2,7-3,5 2,3-3,0 2,1-2,8

г) безразмерный параметр ω

,)]1(9,01[

−

ψ+λ+=ω j Klg28,1

. (6.1)

100

Для плоских приварных и приварных встык фланцев

DDK

/= ; для

буртов свободного фланца

/ DDK

; для колец свободного фланца

/ DDK

= ,

где D

– наружный диаметр фланца или кольца свободного фланца;

D – внутренний диаметр трубы или обечайки;

и D

– наружный и внутренний диаметр бурта свободного фланца;

- внутренний диаметр кольца свободного фланца;

д) безразмерные параметры Т и ψ

;

)1)(945,105,1(

1)lg55,81(

−

−+

Угловая податливость фланца, (МН/м)

-1

)]9,01(1[

−

Угловая податливость плоской фланцевой крышки, (МН/м)

-1

кр

Еh

Здесь

кр

кркр

кр

)1857,1(1)[1(

]1)lg55,81([67,1

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

+−−

−+

=χ

KKK

;

где δ

кр

– толщина плоской крышки;

кр

– толщина фланцевой части крышки;

пср

кр

K =

Линейная податливость прокладки, м/МН

пппср

ЕbD

Расчетная длина болта

БББ

dll 28,0

где l

Б0

– длина болта между опорными поверхностями головки болта и гай-

ки. Для металлических прокладок у

=0).

Расчетная длина шпильки с двумя гайками

БББ

dll 56,0

Линейная податливость болтов (шпилек), м/МН

БББ

Efz

y =

где f

– сечение болта по внутреннему диаметру резьбы.

Коэффициент жесткости фланцевого соединения