Расчет стальных фланцевых соединений аппарата, работающего под внутренним давлением

РАСЧЕТ СТАЛЬНЫХ ФЛАНЦЕВЫХ СОЕДИНЕНИЙ АППАРАТА,

РАБОТАЮЩЕГО ПОД ВНУТРЕННИМ ДАВЛЕНИЕМ

Применим при D_н / D  2.

При работе аппарата в условиях нескольких расчетных режимах по температуре и давлению расчет производится на наиболее тяжелый режим.

1.Тип фланцевого соединения задается по таблице 1.

2.Расчетная температура элементов фланцевого соединения устанавливается по таблице 2.

3. Допускаемые напряжения для материала болтов (шпилек) определяются по таблице 4.

Допускаемое напряжение для материала болта (шпилек), не указанного в таблице 4, рассчитывается по формулам (1) или (2)

а).если расчетная температура болтов (шпилек) не превышает для углеродистых сталей 280⁰С, низколегированных –420⁰С, аустенитных –525⁰С , то

(1)

б). если расчетная температура болтов (шпилек) превышает указанные выше значения, то

(2)

где - соответственно пределы текучести, длительной прочности и ползучести материала болтов; n_Т.б – коэффициент запаса прочности болтов по пределу текучести ( таблица 3); n_п.б- коэффициент запаса прочности болтов по пределу ползучести ( n_п.б=1,1).

4.Толщина S_o втулки фланца в зависимости от его конструкции принимается:

а). Для приварного встык

S  S_o  1,3 S , но во всех случаях ( S_o-S)  5 мм (3)

б). для плоских приварных и свободных

S_o  S (4)

где S- исполнительная толщина обечайки аппарата

5. Толщина S₁ у основания втулки приварного встык фланца

(5)

где коэффициент ₁ принимается по графику 1

6. Высота втулки фланца h_в:

а) для приварного встык

(6)

где  - уклон втулки (  = 1/3).

б). для плоского приварного или свободного

(7)

7. Диаметр болтовой окружности фланцев D_б

а). для приварных встык

(8)

где u – нормативный зазор между гайкой и втулкой (u=4-6 мм); d_б- наружный диаметр болта, выбираемый по таблице 5.

б). для плоских приварных

(9)

в). для свободных

(10)

где u₁ – нормативный зазор между гайкой и обечайкой (u₁=8 мм); D_s – внутренний диаметр свободного кольца ( D_s  D + 2 S_o ).

8. Наружный диаметр фланцев всех рассматриваемых типов

(11)

где а – конструктивная добавка для размещения гаек по диаметру фланца, принимается по таблице 6.

9. Наружный диаметр прокладки:

а). для приварных встык и плоских приварных фланцев

(12)

где е- нормативный параметр, зависящий от типа прокладки и принимаемый по таблице 6

б). для свободных фланцев

(13)

где D_s1 – наружный диаметр бурта

10. Средний диаметр прокладки

(14)

где b – ширина прокладки, принимаемая по таблице 7

11. Количество болтов, необходимое для обеспечения герметичности соединения

(15)

где t_ш – рекомендуемый шаг расположения болтов, выбираемый в зависимости от давления по таблице 8.

12.Высота ( толщина ) фланца ориентировочно

(16)

где _ф – принимается согласно рис.1; s_эк- эквивалентная толщина втулки

(17)

13. Болтовая нагрузка, необходимая для обеспечения герметичности соединения определяется исходя из схемы нагружения (рис.2).

Расчет сводится к определению нагрузок для двух различных состояний: при монтаже – F _б1 и в рабочих условиях – F_б2.

А). Болтовая нагрузка в условиях монтажа

(18)

где F – внешняя осевая растягивающая (+) или сжимающая (-) сила; М – внешний изгибающий момент; _б.20 – допускаемое напряжение для материала болтов при 20⁰С, определяется по таблице 4; р_пр – минимальное давление обжатия прокладки , определяется по таблицам 9 и 10; f_б- расчетная площадь поперечного сечения болта; F_д – равнодействующая внутреннего давления; R_п- реакция прокладки; к_ж- коэффициент жесткости фланцевого соединения; в_о- эффективная ширина прокладки; при в 15 мм в_о=в, при в15 мм .

М

F

F_д

D_б

D

D_с.п

R_п

D_б

F_б2

Рис.1 Схема действия нагрузок на фланец в рабочих условиях

Равнодействующая внутреннего давления F_д и реакция прокладки R_п определяются по формулам:

(19)

где к_пр – коэффициент , зависящий от материала и конструкции прокладки, определяется по таблице 9-10.

Расчетная площадь поперечного сечения болта ( шпильки) принимается по внутреннему диаметру резьбы d_б - .

Для шпилек с проточкой стержня до диаметра, меньшего внутреннего диаметра резьбы, значение площади поперечного сечения определяется по диаметру проточки.

Коэффициент жесткости соединения к_ж=1 для приварных встык фланцев с овальными или восьмигранными металлическими прокладками и для фланцев со свободными кольцами.

Коэффициент жесткости при стыковке фланцев одинаковой конструкции вычисляется по формуле:

(20)

где y_б – линейная податливость болтов

(21)

Е_б – модуль упругости материала болтов ( таблица ); l_б – расчетная длина болта, определяемая по формуле

(22)

l_б.о - расстояние между опорными поверхностями головки болта и гайки ( опре-деляется конструктивно) ;d - диаметр отверстия под болт.;

y_ф – угловая податливость фланца, находится из формулы:

(23)

Е – модуль упругости фланца ( таблица ); - безразмерные параметры:

(24)

коэффициенты, определяемые по формулам:

(25)

Коэффициент жесткости при стыковке фланцев различной конструкции:

(26 )

(27)

где y_ф1, y_ф1- угловые податливости фланцев; D_ф1,D_ф2- внутренние диаметры фланцев; s _эк1, s_эк2 – эквивалентные толщины втулок фланцев.

Болтовая нагрузка в рабочих условиях:

(28)

где F_д – усилие, возникающее от температурных деформаций, определяемое по формулах:

а). для плоских приварных и приварных встык фланцев

(29)

б). для фланцев со свободными кольцами

(30)

где _ф, _б,  _с – соответственно коэффициенты линейного расширения материала фланцев, болтов и свободного кольца ( таблица );t_ф, t_б, t_с - соответственно температура фланца, болтов, свободного кольца ( таблица 2); y_с – податливость свободного кольца

(31)

где Е_с – модуль упругости материала кольца ( таблица );h_с – высота ( толщина ) свободного кольца.

При F_t 0 должно выполняться условие

(32)

где _б – допускаемое напряжение для материала болтов при рабочей температуре.

14. Условие прочности болтов

(33)

(34)

где _б20 – допускаемое напряжение для материала болтов при 20⁰С.

15. Условие прочности втулки для сечения, ограниченного размером s₁

(35)

Максимальное напряжение в сечении, ограниченном размером s₁:

(36)

где f_ф, T_ф – безразмерные параметры, определяемые соответственно по рис. и формуле:

(37)

М_о- приведенный изгибающий момент, вычисляемый из условия

(38)

Максимальное напряжение в кольце фланца

(39)

Допускаемое напряжение для фланца в сечении s₁ принимается равным пределу текучести материала фланца, т.е. ₁=_т.

17.Условие прочности втулки фланца для сечения, ограниченного размером s_o

(40)

где _о – максимальное напряжение в сечении, ограниченном размером s_o, определяемое по формуле

(41)

_t и _m - соответственно тангенциальное и меридиональное напряжение во втулке фланца от внутреннего давления:

(42)

₀ – допускаемое напряжение для фланца в сечении s_o , принимаемое при количестве нагружения соединения ( сборка-разборка ) не более из условий: ₀=0,003Е при р_р  4 МПа; ₀=0,02Е при р_р  4 МПа.

18. Условие герметичности фланцевого соединения определяется углом поворота фланца:

(43)

где  - допускаемый угол поворота фланца, принимаемый для плоских фланцев =0,013 рад; для фланцев, приварных встык, =0,09 рад при D  2000 мм,

=0,013 рад при D  2000 мм.

19. Условие прочности для свободного кольца

(44)

М_о^с – приведенный изгибающий момент, определяемый из условия

(45)

Допускаемые напряжения для материала свободного кольца при 20⁰С и расчетной температуре соответственно

_с20=_т.с20 и _с  _т.с (46)

где _т.с20 , _т.с - предел текучести материала кольца соответственно при 20⁰С и расчетной температуре.

20. Требование к углу поворота свободного кольца

(47)

Допускаемый угол поворота кольца 0,026 рад.