Расчет фланцевых соединений по методикам EN 1591-1 и KTA
Требования к герметичным соединениям в последние годы постоянно повышаются. Недавние изменения, актуализированные предписания (напр. директива ЕС по оборудованию, работающему под давлением) и руководствующиеся ими нормативные документы требуют более обширную базу требований.
Исходя из этого, были усилены требования в отношении защиты окружающей среды (напр. TA-Luft в Германии), причем ограничения выбросов находятся в центре внимания. В этой связи новые директивы требуют «квалифицированного подхода» и «использования соответствующих параметров уплотнений».
В рамках представленной общей концепции по герметичности фланцев центральное значение приходится на расчётные требования. Для расчета ваших фланцевых соединений мы предлагаем аналитический метод в соответствии с DIN EN 1591 часть 1 (EN 1591-1:2014) или с KTA 3211.2, а также подробные расчёты по методу конечных элементов. При этом могут обрабатываться как фланцевые соединения с уплотнением в силовом последовательном соединении, так и с уплотнением в силовом параллельном соединении.
Основной задачей каждого расчета является определение требуемого усилия, производимого на монтажные крепежные болты (сила затягивания при монтаже). Данный показатель обязательно необходим, неважно идет ли речь о стандартном соединении или о специальной конструкции. Без этих параметров (или указания соответствующего момента затяжки) невозможно произвести надежный монтаж.
Для обеспечения безопасной работы необходимо ограничивать возникающие нагрузки (подтверждение прочности). Кроме того должно быть обеспечено достаточное давление на поверхность уплотнения в процессе эксплуатации (подтверждение герметичности).
Для этого мы разработали программное обеспечение TEMES fl.cal.
С помощью нашего программного обеспечения мы самостоятельно производим расчет фланцев для вашей компании. В рамках данного программного обеспечения мы также применяем программы конечных элементов (КЭМ). В частности, если речь идет о комплексных специальных конструкциях, при которых аналитический метод расчета исчерпал себя.
Расчет фланцевых соединений – Справочник химика 21
Расчет фланцевых соединений [c.76]В чем заключается конечная цель расчета фланцевого соединения Какие выводы и рекомендации могут быть сделаны в результате расчета [c.169]
Расчет фланцевого соединения [c.172]
Глава VI РАСЧЕТ ФЛАНЦЕВЫХ СОЕДИНЕНИЙ [c.81]
При расчете фланцевых соединений арматуры, а также фланцев штуцеров аппаратов следует учитывать значительные усилия от веса примыкающих трубопроводов, температурные усилия, возникающие в результате нагрева и охлаждения трубопроводов, ветровую нагрузку на трубопроводы и др. Дополнительно к нагрузке от внутреннего давления указанные нагрузки создают изгибающие и крутящие моменты на арматурное фланцевое соединение. В связи с этим, как правило, арматурные фланцевые соединения массивнее аппаратных.
При расчете фланцевого соединения на условное давление принимают большее из значений [c.84]
Метод расчета фланцевых соединений по коду США для котлов и сосудов под давлением [c.93]
Выбор и расчет фланцевых соединений. Фланцы, как и все детали массового изготовления, нормализованы, поэтому задача заключается обычно в выборе фланцевого соединения по ГОСТам и нормалям в зависимости от рабочих параметров. Размеры фланцевого соединения определяются двумя величинами — условным проходом Оу и условным давлением ру. Условный проход связан с диаметром обечайки или трубы, но не всегда им соответствует. Обычно несколько близких по размерам диаметров труб связывают с определенным условным проходом. Условное давление выбирают в зависимости от рабочего давления, температуры и свойств [c.58]
Более подробно расчет фланцевых соединений см. ОСТ 26-373—78. [c.67]
РАСЧЕТ ФЛАНЦЕВЫХ СОЕДИНЕНИЙ И КРЫШЕК [c.78]
Выбор штуцеров В , В2 и расчет фланцевых соединений 73 [c.5]
Выбор штуцеров В ь В 2 и расчет фланцевых соединений [c.73]
Примечания 1. Плоские фланцы разрешается применять до температуры 300 С. 2. Первая ступень рабочего давления (при температуре до 100 °С) распространяется и на минусовые температуры, но не ниже пределов, которые допускаются для сталей по ОСТ 26-291 — 79 (см. гл. 3). 3. Допускается применение других марок сталей, предусмотренных ОСТ 26-291 — 79, с механическими свойствами, обеспечивающими работу фланцевых соединений аппаратов в пределах давлений и температур, указанных в табл. 13.5. 4. Расчет фланцевых соединений проведен по ОСТ 26-373 — 78 прн температуре 100 °С с учетом прибавки на коррозию с 2 мм и без учета внешнего изгибающего момента для всех категорий аппаратов, предусмотренных ОСТ 26-291 — 79. Расчет плоских фланцев проводился при наличии паронитовой прокладки, для приварных встык фланцев под плоскую прокладку принималась асбо-стальная прокладка.
Общий порядок расчета. Конструирование и расчет фланцевого соединения рекомендуется выполнять в следующей последовательности (ОСТ 26-373—78). [c.261]
Расчет фланцевого соединения, работающего под действием внутреннего давления. Нагрузка, действующая на фланцевое соединение от внутреннего избыточного давления, [c.270]
Расчет фланцевого соединения, работающего под совместным действием внутреннего избыточного давления, внешней осевой силы Р н изгибающего момента М. Болтовая нагрузка в условиях монтажа (до подачи внутреннего избыточного давления) [c.273]
Расчет фланцевого соединения, работающего под действием внешнего давления. Болтовая нагрузка в условиях монтажа (до подачи наружного давления) [c.273]
Комплексный расчет фланцевого соединения состоит из определения геометрических размеров его основных элементов (фланцев, прокладки, болтов), удовлетворяющих условиям герметичности и прочности. [c.92]
Конструирование и расчет фланцевого соединения рекомендуется выполнять в изложенной ннже последовательности (ОСТ 26-373—78) и [19]. [c.109]
В расчетной практике широко используется упрощенный вариант расчета фланцевых соединений. Пример расчета фланцевых соединений по этому варианту приведен ниже. [c.589]
РАСЧЕТ ФЛАНЦЕВЫХ СОЕДИНЕНИИ [c.110]
Для расчета фланцевых соединений нет единой методики. При выборе размеров фланцев для сосудов, работающих под давлением, рекомендуется в основном пользоваться государственными стандартами и ведомственными нормалями. Если в них ет указаний на методику выбора размеров фланцев для данного конкретного случая, то можно пользоваться изложенной ниже методикой.
Расчет фланцевых соединений состоит из расчета фланцев и шпилек. Болты во фланцевых соединениях обычно не применяют, так как при затяжке болта в стержне возникают большие скручивающие напряжения со стороны головки. [c.110]
Расчет фланцевых соединений, работающих прп нормальных и повышенных температурах прп давлении р, обычно ведут на условное давление /Зу, принимаемое по табл. 31. [c.137]
Если расчет фланцевого соединения ведут не на условное, а на рабочее давление р (при рабочей температуре), то нагрузку на болты вычисляют по формулам [c.139]
При расчете фланцевого соединения на рабочее давление р (при рабочей температуре) нагрузку на болты определяют по формулам [c.140]
При расчете фланцевых соединений с легко деформируемыми мягкими неметаллическими прокладками, нагрузку на болты можно определять по формуле [c.143]
При расчете фланцевых соединений на условное давление ру допускаемые напряжения для фланцев, шпилек и болтов можно принимать [c.148]
Герметичность фланцевого соединения обеспечивается сжатием между фланцами прокладки, выполненной из более мягкого, податливого материала. Фланцы для труб, трубной арматуры и корпусов аппаратов стандартизованы. Их конструкцию и размеры выбирают согласно ГОСТ 12815 – ГОСТ 12822 и ГОСТ 28759,1 – ГОСТ 28759.4 в зависимости от условного проходного диаметра Dy и условного давления Ру. Стандартизованы и методы расчета фланцевых соединений (ОСТ 26-373-78). Технические требования к фланцам следует назначать в соответствии с ГОСТ 12816 и ГОСТ 28759.5. [c.59]
При расчете фланцевого соединения выбирают материалы – элементов и устанавливают на них допускаемые напряжения прй расчетной температуре. Определяют основные размеры фланца, в том числе диаметр болтовой окружности D6, средний диаметр прокладки >сли эффективную ширину прокладки =0,5в , если ширина прокладки
Сущестнует несколько методов расчета фланцевых соединений [1, 15, 21 1. Ниже приведены приближенный метод расчета, метод расчета по коду США, который допускается для расчета аппаратных и арматурных фланцевых соединений как в США, так и в некоторых других странах, наиример Англии, Франции, Японии, а также метод расчета аппаратных фланцевых соединений, принятый в химическом и иеф Тяном машиностроении. [c.81]
Среди разъемных неподвижных соединений в химическом аппаратостроенни наибольшее распространение получили фланцевые соединения. При конструировании аппаратов следует применять стандартные и нормализованные фланцы, например, по ГОСТ 12815—67—ГОСТ 12839—67, ГОСТ 1233—67-ГОСТ 1235—67. Такие фланцы выпускаются отдельно для арматуры и трубопроводов на Оу до 800 мм и для аппаратов на Оу от 400 мм и более. Расчет фланцевого соединения проводят лишь в тех случаях, когда не представляется возможным применить нормализованные фланцы ввиду отсутствия фланцев требуемых параметров. Расчет фланцевого соединения заключа- [c.78]
Для расчета фланцевых соединений до сих пор нет единой, окончательно принятой методики. Поэтому для выбора размеров фланцев для сосудов, работающих под давлением, рекомендуется в основном пользоваться государственными стандартами и ведолг-ственнымп нормалями. [c.137]
Фланцевые соединения
17.04.2018
Слово «фланец» пришло в русский язык из немецкого языка, также как и непосредственно само фланцевое соединение. В немецком существительное Flansch обозначает ровно то же самое, что и производное от него русское слово «фланец», ─ плоскую металлическую пластину на конце трубы с отверстиями для резьбового крепежа (болтов или шпилек с гайками).
Фланцы являются одним из самых распространенных разъемных соединений, которые используются в промышленности. Они служат для соединения отдельных частей аппаратов. Также они используются для присоединения к аппарату трубопроводов, трубопроводной арматуры, датчиков контрольно-измерительных приборов, для соединения между собой отдельных участков трубопроводов и т д.
Распространенность фланцевых соединений трубопроводной арматуры обусловлена множеством присущих им достоинств. Самое очевидное из них ─ возможность многократного монтажа и демонтажа.
Рис. 1. Фланцы
Фланцевые соединения отличаются прочностью и надежностью, что позволяет использовать их для комплектации трубопроводных систем, работающих под высоким давлением. При соблюдении ряда условий фланцевые соединения обеспечивают очень хорошую герметичность. Для этого стыкуемые фланцы должны иметь аналогичные, не выходящие за рамки допустимой погрешности, присоединительные размеры. Еще одно из условий ─ обязательная периодическая подтяжка стыков, позволяющая поддерживать на должном уровне «хватку» болтовых соединений. Это особенно важно при постоянном воздействии на них механических вибраций или наличии существенных колебаний температуры и влажности окружающей среды. И чем больше диаметр трубопровода, тем это актуальнее, ведь по мере его увеличения усилие на фланцы возрастает. Герметичность фланцевых соединений во многом зависит от уплотнительной способности устанавливаемых между фланцами прокладок.
Способность фланцевого соединения противостоять давлению, температурам, а в случае применения особых материалов, агрессивным средам, с возможностью перераспределения нагрузок в местах соединений (паропроводы, предприятия химической промышленности и пр.) делает данный вид соединения просто незаменимым при больших диаметрах трубопроводов. При малых диаметрах трубопроводов фланцевые соединения не оправданы, так как муфтовые (резьбовые) соединения отвечают всем требованиями при своей экономичности.
Как правило, фланцевые соединения имеют круглую форму, так как она наиболее надежна и проста в исполнении. Однако, при необходимости, фланцевые соединения могут быть изготовлены с квадратной или прямоугольной формой патрубка.
Прямоугольные и квадратные фланцевые соединения достаточно сложны в обработке и не всегда обеспечивают необходимую герметичность, поэтому применять их следует только в случае крайней необходимости.
1. Типы фланцевых конструкций
По конструкции и способу соединения c корпусом аппарата различают следующие основные типы фланцев:
Рис. 2 Типы фланцевых соединений
На территории Российской Федерации наибольшее распространение получили три следующих фланцевых стандарта:
По ГОСТ 12820-80 — фланец стальной плоский приварной.
По ГОСТ 12821-80 — фланец стальной приварной встык.
По ГОСТ 12822-80 — фланец стальной свободный на приварном кольце.
Таблица 1. Варианты исполнения фланцевых соединений.
1.1 Плоские приварные фланцы (рис. 3) являются самыми простыми по своей конструкции.
Их широко применяют на стальных аппаратах и трубопроводах. Плоские приварные фланцы представляют собой плоские кольца, приваренные к краю обечайки по её периметру. Они также могут изготавливаться с защитным кольцом (рис. 4) в целях экономии конструкционного материала. Этот тип фланца применяется при следующих условиях: Ру.=0,1 – 2,5 МПа, температура рабочей среды – до 300 °С.
Рис. 3. Плоский приварной фланец
Рис. 4. Плоский приварной фланец с защитным кольцом
1.2 Фланцы воротниковые имеют несколько конструктивных разновидностей.
Фланцы приварные воротниковые обладают более высокой жесткостью и прочностью. Они применяются при давлениях до 20 МПа.
Наиболее распространены фланцы кованые и приварные встык, широко применяемые на стальных сварных аппаратах. Приварные встык фланцы (рис. 5) имеют конические втулки-шейки. Втулка фланца приваривается стыковым швом к обечайке и значительно увеличивает прочность фланца. Если аппарат изготовлен из дорогостоящей легированной стали, то такой фланец в целях экономии конструкционного материала делают с защитным кольцом (рис. 5). Этот тип фланцев применяется при следующих условиях: Ру.= 1,6 – 6,4 МПа, температура рабочей среды – до 300 °С.
Рис. 5. Фланец приварной с шейкой
На чугунных и стальных литых аппаратах делают воротниковые фланцы, отлитые заодно с корпусом аппарата.
Находят применение фланцы, сваренные из двух частей: тарелки и втулки (шейки).
Рис. 6 – Фланец, сваренный из двух частей
На аппаратах и трубопроводах из кислотостойкой стали фланец иногда выполняют из углеродистой стали и защищают его накладками из кислотостойкой стали.
Рис. 7 – Фланец, защищенный накладками из кислотостойкой стали
1 – кислотостойкая сталь; 2 – углеродистая сталь
1.3 Фланцы стальные свободные на приварном кольце могут быть выполнены в нескольких вариантах. Этот тип фланца применяется при: Ру.=0,1 – 2,5 МПа, температура рабочей среды – до 300 °С
Стальные свободные фланцы на отбортовке применяют на аппаратах из мягких цветных металлов (алюминия, меди и др.), а также из некоторых пластмасс, поддающихся отбортовке. Их также используют при необходимости максимально сэкономить конструкционный материал, например титан или высоколегированную сталь. Фланцы на отбортовке применяют для условного давления до 0,6 МПа.
Рис. 8 – Фланец свободный на отбортовке
Фланцы на утолщении (бурте) устанавливают на аппаратах из стекла, керамики и пластмасс, не поддающихся пластической деформации (например, фаолита – кислотоупорной термореактивной пластмассы), а также в тех случаях, когда считают нежелательным сварку патрубка из высоколегированной стали с фланцем, изготовленным из углеродистой стали. Фланцы с буртом, укрепленные шейкой, применяют для весьма значительных давлений – до 10 МПа.
Рис. 9 – Фланец на утолщении (бурте)
1.4 Фланцы на резьбе применяют на трубопроводах высокого давления, где сварка нежелательна, а также там, где есть необходимость снимать фланец для разборки узла.
Рис. 10 – Фланец на резьбе
1.5 Свободные разборные фланцы применяют для соединений трубопроводов и аппаратов из стекла, керамики и других хрупких материалов.
Они выполняются в двух вариантах:
Фланцы разъемные из двух частей. Изготавливают такие фланцы из ковкого чугуна. Обе половины стягиваются болтами.
Рис. 11 – Фланец разъемный из двух частей
• Фланцы с разъемным кольцом. Этот вид фланцев дешевле и удобнее в монтаже/демонтаже, чем разъемные, но менее компактный.
Рис. 12 – Фланец с разъемным кольцом
1 – кольцо из двух половин
1.6 Фланцы со стяжными скобами применяют для эмалированных аппаратов, чтобы уменьшить массу и улучшить температурный режим при обжиге эмали. Такое соединение выдерживает давление до 0,5 – 0,6 МПа. Скобы устанавливают с очень малым шагом (почти вплотную).
Рис. 12 – Фланец со стяжной скобой
2. Варианты исполнения фланцевой поверхности
В соответствии с требованиями ГОСТ имеется девять исполнений поверхности фланца (рис. 14), При подборе ответных фланцев трубопроводной арматуры, кроме условных прохода и давления, необходимо указывать исполнение уплотнительной поверхности. Следует отметить, что для свободных фланцев различные исполнения возможны только у приварного кольца.
Рис. 13. Варианты исполнений поверхности фланца.
1. – соединительный выступ; 2 – выступ; 3 – впадина; 4 – шип; 5 – паз; 6 – под линзовую подкладку; 7 – под прокладку овального сечения; 8 – с шипом под фторопластовую прокладку; 9 – с пазом под фторопластовую прокладку.
Фланцы с выступом, впадиной применяются при давлении до 1,6 МПа. Фланцы с шип-пазом применяют при обработке ядовитых, коррозионных и взрывоопасных сред при давлении до 6,4 МПа. Фланцы в исполнении 1 используются при условном давлении не выше 6,3 МПа.
Существует следующая схема стыковки фланцев по исполнениям:
Рис. 15. Схема стыковки фланцев по исполнениям уплотнительной поверхности
3. Прокладки фланцевых соединений
Надежность и качество фланцевого соединения во многом зависит от выбора уплотнительной прокладки. Для фланцевых соединений применяются как мягкие неметаллические, полуметаллические, так и полностью металлические прокладки.
Прокладка – это отдельный сжимаемый элемент соединения, который, находясь в сжатом состоянии между фланцевыми деталями трубопроводов, под действием давления от затянутых крепежных изделий, заполняет собой промежуток между соединяемыми деталями.
Подвижное или неподвижное уплотнение фланцевых разъемов обеспечивают различными материалами: резиной, паронитом, легкоплавким уплотнителем и др. Фланцы плоские герметизируют, применяя мягкие металлические или гофрированные прокладки с мягкой набивкой.
Для исполнений фланцев 1, 2, 3, 4, 5 допустимо использование широкого перечня прокладок: металлических (в т. ч. зубчатых), металлографитовых на основе терморасширяющегося графита (ТРГ), спирально-навитых (СНП), эластичных (они особенно востребованы для чугунных фланцев). Если речь идет о вредных веществах 1, 2 или 3 классов опасности или пожаро-взрывоопасных веществах, для фланцев с исполнением уплотнительной поверхности 1 следует использовать волновые прокладки ТРГ с упругим вторичным уплотнением, а прокладки СНП снаряжать двумя ограничительными кольцами.
Более подробную информацию об уплотнительных материалах Вы сможете почерпнуть из статьи «Уплотнения в трубопроводной арматуре».
Фланцы с уплотнительными поверхностями исполнений 6 и 7 применяют с линзовыми прокладками, а также прокладками овального и восьмиугольного сечения. А фланцы с уплотнительными поверхностями исполнений 8 и 9 ─ с прокладками на основе фторопласта-4.
Размеры прокладки должны обеспечивать собираемость фланцевого соединения с учетом размеров исполнений уплотнительных поверхностей фланцев, а конструкция ─ центрирование прокладки при сборке, предотвращая возможность выдавливания. Лучшую фиксацию прокладки могут обеспечить отдельные элементы конструкции фланца. Например, паз под прокладку и шип в ответном фланце образуют своего рода замок, защищающий прокладку и тем самым повышающий надежность соединения.
4. Условный проход. Особенности его обозначения
Очень важно отметить, что условный проход не является внешним диаметром трубы, а обозначает проход (сечение), по которому протекает среда через фланцевое соединение. Одной из особенностей фланцев стальных плоских приварных и стальных свободных на приварном кольце на диаметры условного прохода Ду 100,125 и 150 мм является то, что возможны три их конструкции под различные наружные диаметры трубы.
Поэтому при заказе этих фланцев на Ду 100,125 или 150 мм необходимо указывать букву, соответствующую требуемому диаметру трубы. Если в заявке (спецификации) на данные типоразмеры фланцев буква не указана, то фланцы изготавливаются под следующие диаметры трубы: 100А, 125А, 150Б (табл. 2).
Таб. 2. Соответствие условного прохода Ду 100,125 и 150 наружному диаметру трубы.
Особенностью фланцев с диаметром условного прохода Ду > 200 мм является то, что из-за различных классов точности изготовления труб и фланцев, расточка внутреннего диаметра фланцев плоского, свободного и его кольца допускается по фактическому наружному диаметру трубы с зазором на сторону не более 2,5 мм , т. е. по всему внутреннему диаметру фланца и кольца не более 5,0 мм. Другими словами, при изготовлении трубы возможно отклонение от идеальной формы круга, таким образом, труба может не соответствовать внутреннему диаметру фланца, что в свою очередь затрудняет соединение трубы и фланца.
5. Давление
Еще одной важной конструктивной особенностью всех изделий, составляющих фланцевое соединение, является условное давление, которое может выдержать соединение. Показатели по давлению зависят от геометрических размеров фланца и исполнения уплотнительной поверхности. Фланец стальной плоский приварной (ГОСТ 12820-80, рис.1) и фланец стальной свободный на приварном кольце (ГОСТ 12822-80) выдерживают давление до 25 кгс/см2, а вот фланец стальной приварной встык (ГОСТ 12821-80) может выдерживать давление до 200 кгс/см2.
При этом особенностью данного показателя является то, что он может выражаться в различных единицах измерения: кгс/см2, Па, МПа, атм., бар. Единицей измерения при производстве и обозначении фланцев является кгс/см2.
Основными марками стали для производства фланцев считаются следующие:
• Сталь 20 или сокращенно Ст.20 (регламентируется ГОСТом 8479-70) — сталь конструкционная углеродистая качественная. Фланцев из такой стали ст. 20 распространены чаще всего и их применяют при монтаже различной трубопроводной арматуры в магистралях (вода, пар, и т.д.) с температурой внешнего воздействия не ниже — 40 градусов и внутренней температурой не выше +475 градусов Цельсия.
• Не менее распространенной при изготовлении фланцев является так же марка стали 09г2с, сокращенно ст. 09Г2С (соответствующая ГОСТу 19281-89) – такая сталь конструкционная низколегированная для сварных конструкций. Отличием ее от стали 20, является то, что фланцы 09г2с могут эксплуатироваться с температурами внешнего воздействия до — 70 градусов. И соответственно (нефть, природный газ и т.д.), тем не менее, температура рабочей среды не должна превышать + 475 градусов Цельсия.
• Сталь марки 12Х18Н10Т (соответствует ГОСТ 25054-81) – такая сталь является конструкционной криогенной. Фланцы из стали 12Х18Н10Т разрешается эксплуатировать в агрессивных условиях например, разбавленные растворы азотной, уксусной, фосфорной кислот, растворах щелочей и солей, с диапазоном рабочих температур от -196 до +350 градусов Цельсия.
• Сталь марки 10Х17Н13М2Т (соответствует ГОСТ 25054-81) – эта марка коррозионно-стойкая обыкновенная. Разрешена эксплуатация таких изделий в средах имеющих повышенную агрессивность, обладает устойчивостью против электрохимической и химической коррозии, коррозии под напряжением и др., диапазон разрешенных температур от -196 до +600 градусов Цельсия. Имеет длительный срок службы.
• Сталь марки 15Х5М (ГОСТ 20072-74) обладает свойствами жаропрочности, является низколегированной. Такая сталь используется для изготовления фланцев способных обладать высокой сопротивляемостью окислению при температуре 600-650 градусов. Обладает жаростокостью.
Конечно, кроме перечисленных марок сталей в производстве стальных фланцев могут применяться и другие марки сталей, например: 13ХФА, 10Г2ФБЮ, 08Х18Н10Т, 17Г1С, 10Г2С, 30ХМА, 40Х и другие.
7. Фланцевый крепеж
Крепеж — это детали, которые служат для неподвижного соединения частей машин и конструкций. К ним обычно относят детали соединений: болты, винты, шпильки, гайки, шурупы, глухари, шплинты, шайбы, заклепки, штифты и многое другое.
Крепежные изделия принято делить на две основные группы:
1. Общепромышленный крепеж, применяемый практически во всех отраслях промышленности и народного хозяйства, не обладающий узкими специализированными характеристиками.
2. Крепеж специального назначения характеризуется узкоспециализированной областью применения (например, автомобильный, железнодорожный, и др.).
Рис. 16 Фланецы, скрепленные крепежом
Для таких изделий свойственна четкая направленность на применение в конкретной области или даже продукции (механизмы, изделия и т. п.), обусловленная специальными характеристиками.
Фланцевый крепеж предназначен для соединения деталей трубопроводов. К деталям фланцевого крепежа относятся: болт, шпилька, гайка, шайба.
Болт – крепежная деталь для разъемного соединения частей машин и сооружений в виде стержня с резьбой на одном конце и шести- или четырехгранной головкой на другом.
Рис. 17. Болт
Гайка – деталь резьбового соединения или винтовой передачи, имеющая отверстие с резьбой. Крепежная гайка в резьбовом соединении навинчивается на конец болта или шпильки или же на резьбовой участок вала, оси для закрепления от осевого перемещения сидящих на них деталей — подшипников качения, шкивов и т. п.
Рис. 18 Гайка
Шайба — деталь, подкладываемая под гайку или головку винта. Шайбы общего назначения применяют для увеличения площади опоры, если опорная поверхность из мягкого материала или неровная, а также, если отверстие под винт продолговатое или увеличенного диаметра. Косую и сферические шайбы используют для устранения перекоса гайки или головки винта при затяжке. Быстросъемную шайбу применяют в приспособлениях для экономии времени на снятие обработанной детали и установку новой. Уплотнительную шайбу из мягкого материала ставят под головку резьбовой пробки для обеспечения герметичности соединения. Пружинная шайба уменьшает опасность самоотвинчивания винтов или гаек благодаря силам упругости сжатой шайбы. Стопорная (запирающая) шайба путем отгибания ее частей устраняет возможность поворота гайки или винта относительно опорной детали или вала. Концевые шайбы препятствуют осевому перемещению вдоль вала неподвижно закрепленных или вращающихся на валу деталей.
Рис. 19 Шайба
Шпилька — крепежная деталь, представляющая собой металлический стержень с резьбой на обоих концах. Конец шпильки ввинчивается в одну из соединяемых деталей, а другая деталь прижимается к первой при навинчивании гайки на другой конец шпильки. Возможно также соединение деталей шпилькой, на концы которой навинчивают гайки. Существует большое количество нормативных документов, в которых сформулированы технические требования к крепежу. Например, требования к крепежу, используемому во фланцевых соединениях, изложены в ГОСТ 20700-75. Эти требования обусловлены условиями эксплуатации: рабочим давлением, характеристиками среды и т. д. Конструкция и размеры крепежных изделий регламентируются в ГОСТ 9064-75,9065-75, 9066-75.
Рис. 20 Шпилька
8. Основные параметры фланцевого крепежа
8.1 Рабочее давление
Это давление, с которым транспортируется по системе жидкость (газ, пар и т. д.). Следовательно, чем выше рабочее давление в системе, тем с более высокими прочностными характеристиками необходимо выбирать крепеж. В свою очередь, необходимые прочностные характеристики крепежа обеспечиваются правильным выбором материала, режимами термической обработки и т. д. Таким образом, в диапазоне температур от -40 до + 400 °С, и при давлении до 100 кгс/см2 рекомендуется применять крепеж, изготовленный из стали 35, в то время как увеличение давления до 200 кгс/см2 требует применение крепежа из стали 20X13.
8.2 Рабочая температура
Одним из важнейших параметров является рабочая температура. Исходя из того, какую температуру имеет среда, которая будет транспортироваться по трубопроводу, а также с учетом внешней среды, зависит и марка стали, из которой будет изготовлен крепеж. Каждая марка стали имеет определенный диапазон рабочих температур, при которых крепежное изделие может обеспечить прочность и надежность соединения.
Например, при одном и том же номинальном давлении при температуре не ниже -30 °С рекомендуется применять шпильки из стали 35, в то время как при предполагаемой температуре эксплуатации до -70 °С следует применять крепеж, изготовленный из хладостойких марок стали, например, 09Г2С или 10Г2.
8.3 Рабочая среда
Существуют определенные характеристики рабочей среды: температура, химические свойства (состав — агрессивный, неагрессивный).
В соответствии с перечисленными выше показателями должен подбираться фланцевый крепеж. Для агрессивных сред подбирается крепеж, который может выдержать негативное разрушительное влияние этой среды. К таким маркам стали относятся 20X13,14X17Н2, 12Х18Н9Т и другие.
8.4 Диаметр резьбы
Все резьбовые крепежные детали имеют внутренний (гайки) и наружный (шпильки и болты) диаметр резьбы. В зависимости от назначения и нормативного документа, по которому изготавливается продукция, резьба может быть метрической и дюймовой. Метрический шаг резьбы измеряется в миллиметрах, а дюймовый — в дюймах.
Пример: М12 — метрическая резьба с номинальным диаметром 12 мм 3 / 4 ” — дюймовая резьба с номинальным диаметром 3 / 4 дюйма.
8.5 Шаг резьбы — расстояние между двумя соседними вершинами резьбы.
В зависимости от назначения крепежного изделия большинство нормативных документов предусматривает возможность изготовления крепежа с различным шагом резьбы (крупный или мелкий шаг резьбы). Как правило, крупный шаг резьбы является основным и при заказе изделия не указывается.
В отдельных случаях может быть выполнен шаг резьбы отличный от рекомендованного нормативными документами.
Пример: болт М12×1,25 — болт с метрической резьбой, номинальным диаметром 12 мм и мелким шагом резьбы 1,25 мм .
8.6 Размер «под ключ» равен диаметру вписанной окружности.
Как правило, для каждого номинального диаметра резьбы предусмотрена одна величина «под ключ».
Пример: для гайки с номинальным диаметром резьбы 16 мм предусмотрен размер «под ключ» S, равный 24 мм .
8.7 Длина болта — длина, которая указывается в обозначении изделия при заказе, в большинстве случаев не является габаритной характеристикой. Преимущественно длина болта, указываемая в обозначении изделия, равна длине стержня болта, т. е. высота головки болта в расчет не берется.
Пример: для болта М12х120 — длина стержня болта равна 120 мм, при этом общая габаритная длина больше на высоту головки болта на 7,5 мм , т. е. общая габаритная длина равна 127,5 мм.
8.8. Длина шпильки
Для большинства шпилек длина, указываемая при заказе, обозначает общую габаритную длину шпильки. Однако некоторые нормативные документы предусматривают в обозначении шпилек не всю длину шпильки.
Пример: ГОСТ 22032-76, распространяющийся на шпильки с ввинчиваемым концом длиной dv предусматривает обозначение длины шпильки, не включающей длину ввинчиваемого конца.
8.9 Длина резьбового конца — длина части болта или шпильки, предназначенная для навинчивания гайки.
8.10 Покрытие
В случае необходимости защиты крепежного изделия от негативного воздействия окружающей среды возможно нанесение на его поверхность различных защитных покрытий (цинк, хром, никель и др.).
Подбор фланцевого крепежа
Фланцевый крепеж подбирается в соответствии со следующими документами: ГОСТ 20700-75; ГОСТ 12816-80; ГОСТ 9064-75; ГОСТ 9066-75; ПБ 10-115-96; ПБ-03-75-94; ОСТ 26-2043-91; ОСТ 26-2037-96; ОСТ 26-2038-96; ОСТ 26-2039-96; ОСТ 26-2040-96; ОСТ 26-2041-96 и другими нормативными документами, регулирующими применение крепежа в зависимости от его назначения.
Чтобы правильно подобрать крепеж необходимо помнить о том, что им будет комплектоваться конкретное фланцевое соединение, следовательно, необходимо учитывать такие параметры:
рабочее давление
рабочая температура
рабочая среда (газ, вода, пар, нефть и т. д.)
внешняя среда
Помимо вышеперечисленных параметров на выбор крепежа влияет и марка стали, из которой изготовлен фланец. Рассматриваются наиболее часто применяемые марки стали фланцев и даются рекомендации по вариантам комплектации их фланцевым крепежом:
1. Существуют определенные ограничения по выбору типа крепежа для фланцевого соединения. При давлении до 25 кгс/см2. Можно установить как болт, так и шпильку. При давлении же свыше 25 кгс/см2, согласно ГОСТ 12816-80, применение болтов не допускается.
2. Для фланцевых соединений существует большое количество рекомендуемых марок материала для комплектации. При изготовлении крепежной пары гайка-шпилька из одной и той же марки стали, твердость гайки должна быть на 20 единиц меньше, чем у шпильки. Это обусловлено тем, что при возникновении избыточного давления в системе вероятно повреждение шпильки, при этом гайка не будет повреждена. В этом случае сложнее будет выявить неполадку. Если шпилька выполнена методом накатки резьбы, то ГОСТ 20700-75 допускает изготовление пары из материала с одинаковой твердостью.
9. Расчеты фланцевых соединений и крепежа
9.1 Определение размеров фланца
После того как выбрана конструкция фланцевого соединения и подобран материал прокладки, чертится его эскиз и определяются размеры.
Фланцы штуцеров выбираются стандартными по ГОСТ 1255-67, ГОСТ 12828-67, ГОСТ 12834-67.
Фланцевые штуцера представляют собой патрубки, выполненные из труб с приваренными к ним фланцами.
Фланцы аппаратов берут со стандартными размерами по ГОСТ 28759.1-90…ГОСТ28759.8-90 или с нестандартными размеры.
Аппаратом в данном случае является емкость, состоящая из цилиндрической обечайки, днища и крышки, предназначен для нагревания, охлаждения определенных продуктов и др. процессов.
Расчеты можно посмотреть перейдя по ссылке.
9.2 Расчет фланцевого соединения на прочность и герметичность
Делая расчёт фланцевого соединения, приходится решать несколько задач: соединение должно быть прочным, жёстким и герметичным. Фланцевые соединения штуцеров могут на прочность не рассчитываться. Фланцевые соединения штуцеров стандартизованы, для каждого вида штуцера оговорен наружный диаметр патрубка условный диаметр штуцера, толщина патрубка и общая высота штуцера Фланцевые соединения аппаратов стандартные и нестандартные обязательно должны рассчитываться на прочность по ГОСТ Р 52857.4–2007 «Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчёта на прочность. Расчёт на прочность и герметичность фланцевых соединений».
Расчеты можно посмотреть перейдя по ссылке.
9.3 Проверка прочности болтов (шпилек) и прокладок
9.4 Расчет фланцев на статическую прочность
9.5 Проверка углов поворота фланцев
Приложения к расчетам.
Список литературы
1. ГОСТ 1050-88. Прокат сортовой, калиброванный, со специальной отделкой поверхности из углеродистой качественной конструкционной стали.
2. ГОСТ 7769-82. Чугун легированный для отливок со специальными свойствами.
3. ГОСТ 9064-75. Гайки для фланцевых соединений с температурой среды от 0° до 650° С.
4. ГОСТ 9066-75. Шпильки для фланцевых соединений с температурой среды от 0° до 650° С.
5. ГОСТ 12820-80. Фланцы стальные плоские приварные на Ру от 0,1 до 2,5 МПа (от 1 до 25 кгс/см2).
6. ГОСТ 12821-80. Фланцы стальные плоские приварные на Ру от 0,1 до 20,0 МПа (от 1 до 200 кгс/см2)
7. ГОСТ 22032-76 – ГОСТ 22043-76. Шпильки. Конструкция и размеры.
8. ГОСТ 28759.1-90 – ГОСТ 28759.8-90. Фланцы сосудов и аппаратов и прокладки к ним.
9. ГОСТ 28759.8-90. Прокладки металлические восьмиугольного сечения.
10. ГОСТ 535-88. Прокат сортовой и фасонный из стали углеродистой обыкновенного качества.
11. ГОСТ 4543-71. Прокат из легированной конструкционной стали.
12. ГОСТ 12822-80. . Фланцы стальные свободные на приварном кольце на Ру от 0,1 до 2,5 МПа (от 1 до 25 кгс/см2).
13. ГОСТ 19281-89. Прокат из стали повышенной прочности.
14. ГОСТ 20700-75. Болты, шпильки, гайки и шайбы для фланцевых и анкерных соединений, пробки и хомуты с температурой среды от 0° до 650° С.
15. ГОСТ 9065-75*. Шайбы для фланцевых соединений с температурой среды от 0° до 650° С.
16. ОСТ 26-2037-96. Болты с шестигранной головкой для фланцевых соединений.
17. ОСТ 26-2039-96. Шпильки с ввинчиваемым концом для фланцевых соединений (нормальной точности).
18. ОСТ 26-2038-96. Гайки шестигранные для фланцевых соединений.
19. ОСТ 26-2040-96. Шпильки для фланцевых соединений.
20. ОСТ 26-2041-96. Гайки для фланцевых соединений.
21. ГОСТ Р 52857.1 – 2007. Сосуды и аппарату. Нормы и методы расчета на прочность. Общие требования.
22. ГОСТ Р 52857.4 – 2007. Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность. Расчет на прочность и герметичность фланцевых соединений.
23. ГОСТ 5632—72. Стали высоколегированные и сплавы коррозионностойкие, жаростойкие и жаропрочные. Марки.
Автор статьи специалист по работе с корпаративными клиентами
ООО “Крионика”
Кравец Ольга Юрьевна
Фланцевые соединения — Расчет – Энциклопедия по машиностроению XXL
Расчеты на прочность и устойчивость элементов теплообменника включают расчеты крышек, фланцевых соединений, спиралей. Расчет крышек производится по ГОСТ 14249, расчет спирали на прочность и устойчивость -по [29]. [c.390]Трение между кольцами фланцев оказывает незначительное влияние на общую картину деформирования фланцевого соединения, В расчетах по модели жесткого кольца это влия- ние обычно переоценивается, чем и объясняется слишком сильное влияние трения, обнаруженное в работе 7]. [c.54]
Разница коэффициентов линейного расширения не должна превышать 10%. При большей разнице в коэффициентах линейного расширения требуется подтверждение работоспособности фланцевого соединения путем расчета на прочность и плотность. Подтверждение работоспособности фланцевого соединения можно обеспечить путем экспериментального исследования. Подтверждения работоспособности соединения не требуется, когда температура крепежных деталей не превышает 50°С. [c.119]
Температура криогенной среды доходит до —253 “С, давление свыше 300 кгс/см . Кроме передачи по трубопроводу криогенная среда подлежит длительному хранению. Утечка криогенной среды через затвор фланцевого соединения, назначаемая расчетом или [c.17]
В качестве второго примера расчета группы болтов при сдвигающей нагрузке рассмотрим фланцевое соединение валов. В конструкции таких соединений обычно предусматривают центрирующие выступы [c.39]
При расчете фланцевых соединений силу трения обычно не учитывают, относя ее в запас надежности. Предполагая, что все болты являются призонными, находим из уравнения (48) диаметр расположения болтов [c.288]
Расчет фланцевых соединений литых и сварно-литых (рис. 111.11, а) спиральных камер имеет свои особенности и производится в соответствии с требованиями, предъявляемыми к контактирующим фланцам (см. рис. III.6, б) с самоуплотняющимися обычно резиновыми прокладками. Этот вид соединения применяют для обеспечения длительной прочности и надежности. Переход от флан-цев к оболочке в этих камерах выполняется с уклоном от 1 2,5 до 1 10. Методика расчета аналогична методике расчета фланцевых соединений трубопроводов и тонкостенных сосудов [7]. [c.74]
Расчет фланцевых соединений на прочность выполняют в определенном порядке. При этом конструкция фланцевого соединения должна быть предварительно разработана и вычерчена, для чего ориентировочно можно принять = = 26 бфл = 2,56 = 26 = 1,56. [c.77]Болты устанавливают с предварительным натягом, при этом в расчете на нераскрытие стыков задается напряжение 150—180 МПа. Следует иметь в виду, что в радиально-осевых турбинах под влиянием осевой силы фланцы могут разгружаться на 40—50 ЛЛа, однако при работе соединений остается значительная сила трения, которую при расчете фланцевого соединения на прочность не учитывают (оня идет в запас). [c.177]
Методы расчета фланцевых соединений, предложенные рядом авторов и применяемые в настоящее время, приводят к существенным расхождениям. даже при расчете фланцевых соединений, находящихся в совершенно аналогичных условиях эксплуатации [c.203]
Рассмотрим соединение с полосовой формой стыка (рис. 3.20). Положим, что болт затянут предварительно с усилием Qq, а давления на торцах гайки равны соответственно q (z) и q2(z). Соединение нагружено силой N и изгибающим моментом М — внешними нагрузками Такая расчетная схема является достаточно точной при расчете фланцев с полосовым стыком и может использоваться как приближенная при расчете фланцевых соединений с кольцевым и прямоугольным стыками. [c.57]
Резьбовые соединения (тонкостенных валов, обсадных труб, трубопроводов и т. п.), шлицевые соединения (тонкостенных валов, муфт и др.), фланцевые соединения и другие часто могут быть схематизированы в расчете в виде оболочек и пластинок, связанных между собой контактным слоем, имитирующим связи конструктивного (резьбу, зубья и т. д.) и технологического характера (натяг, шероховатость и др.). [c.69]
В заключение отметим, что решение этой задачи может использоваться в расчете фланцевых соединений. [c.80]
Глава 6. РАСЧЕТ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ НАПРЯЖЕНИЙ ВО ФЛАНЦЕВЫХ. СОЕДИНЕНИЯХ [c.95]
Результаты многочисленных экспериментов на различных конструкциях фланцевых соединений свидетельствуют о том, что контактный метод расчета достаточно правильно и хорошо описывает основные особенности работы фланцевых соединений. [c.111]
В заключение отметим, что модели фланцев в виде круглых пластинок-использовались и ранее для упрощенных расчетов фланцевых соединений (без решения контактной задачи). [c.114]
РАСЧЕТ УСИЛИЙ В БОЛТАХ ФЛАНЦЕВЫХ СОЕДИНЕНИЙ [c.140]
В заключение отметим, что решение этой задачи можно использовать при расчете фланцевого соединения, работающего при внешней изгибающей нагрузке. [c.200]
Дополнительной проверке при расчетах по номинальным напряжениям подвергались устойчивость элементов под действием продольных сил и внешнего давления, компенсационная способность трубопроводов, затяг фланцевых соединений с прокладками и без них. [c.29]
Последующим этапом (конец 50-х начало 60-х годов) в развитии методов расчета прочности атомных реакторов был переход к уточненному анализу местной механической и термической напряженности [3, 4] при сохранении указанного выше порядка выбора основных размеров. В первую очередь этот анализ выполнялся на основе рационального выбора расчетной схемы. При этом сложные конструктивные элементы реакторов представлялись в виде набора оболочек (цилиндрические, сферические, конические), пластин, колец, стержней с заданными краевыми условиями. На рис, 2.1 схематически показано [5] фланцевое соединение корпуса ВВЭР, а на рис. 2.2 соответствующая ему расчетная схема. [c.30]
Поверочный расчет вьшолняется для режимов гидравлического испытания, затяга шпилек главного разъема и фланцевых соединений патрубков и трубопроводов, пуска и останова, стационарного режима и др. Кроме нормальных условий эксплуатации, рассматриваются некоторые отклонения от этих условий и аварийные ситуации. В качестве расчетных случаев рассматривается сочетание силового и теплового нагружения, которое может привести элемент конструкции в предельное состояние. Основными расчетными нагрузками являются внутреннее или наружное давление, [c.44]
Корпусные конструкции энергетических установок, помимо разнообразия составляющих их элементов и узлов, требующих совместного рассмотрения при расчете напряженного состояния, включают, как показано в гл. 3, большое разнообразие условий их взаимодействия, особенно в узлах разъема фланцевых соединений. Некоторые из этих условий могут быть определены численными методами теории упругости (упругие контактные податливости фланцев) или экспериментально (податливости резьбовых соединений или пластических прокладок) для других условий, существенно влияющих на напряженное состояние всей конструкции, могут быть заданы лишь возможные пределы их изменения (допуски на [c.127]
Из этих данных видно, что при отсутствии или ограничении проскальзывания в точке А (условия 3,4) нажимное кольцо ограничивает деформации и напряжения в крышке. С другой стороны, выбирание зазора в посадочном соединении крышки с корпусом (условие 2 в точке В) ускоряет в процессе затяга рост меридиональных напряжений в крышке. Большой диапазон изменения рассматриваемой величины напряжения показывает, что произвольный выбор при расчете какого-либо одного условия взаимодействия узлов фланцевого соединения из условий 1-4, например наиболее просто учитываемого при расчете (как это принято в нормах и в расчетной практике), может дать результаты, весьма далекие от действительных. Вместе с тем, отсюда следует, что сопоставление данных тензометрических натурных или стендовых исследований напряжений и деформаций с рядом расчетных вариантов может позволить определить по совокупности характерных точек конструкции действительные условия взаимодействия и именно при этих данных проводить дальнейшую отработку расчетных схем и методов. [c.132]
Метод расчета напряженно-деформированных состояний фланцевых соединений корпусов и сосудов при переменных режимах нагружения позволяет определять величины контактных давлений и перемещений на поверхностях фланцев и прокладок, величину раскрытия стыка и догрузку шпилек после нагружения сосуда внутренним давлением. Метод применяется при проектировании и проверочном расчете фланцевых соединений осесимметричных корпусов и сосудов. [c.121]
Расчет жесткости. В некоторых случаях от конструкции или ее элементов требуется большая жесткость, характеризующаяся способностью конструкции незначительно изменять форму под действием приложенной нагрузки. Требованию большой жесткости должно удовлетворять, например, фланцевое соединение, размеры которого выбирают с расчетом обеспечения его плотности при эксплуатации. Иногда, напротив, конструктивные элементы должны обладать большой податливостью (способностью значительно изменять первоначальную форму без нарушения при этом прочности). Примером могут служить трубопроводы, работающие в условиях самокомпенсации тепловых удлинений и различного вида компенсационные устройства (линзовые и торовые компенсаторы, сильфоны). [c.243]
Шиманского метод расчета коэффициентов концентрации 418 Шлейфы осциллографов 497 Шлицевые соединения — Коэффициент концентрации 458 Шпильки фланцевого соединения паропровода — Напряжения затяжки — Пример определения 293 Штаермана метод определения изгибных напряжений для оболочек вращения 207 [c.563]
Напряжения затяжки шпильки фланцевого соединения водопровода — Пример расчета 287 [c.636]
С использованием приведенных в таблице коэффициентов был выполнен расчет по методу [9] верхней части корпусной конструкции (см. рис. 2.1) на усилие затяга фланцевого соединения (особенности расчета по этому методу, вызванные наличием зон контакта, зависят в основном от условий взаимодействия в этих зонах, а не от вида нагружения). Ввиду частого расположения щпилек передаваемая ими осевая нагрузка считается равномерно распределенной по окружности. Здесь также принято, что в стыке крышки с корпусом имеется радиальное проскальзывание, а в стыке фланца крышки с нажимным кольцом коэффициент трения равен 0,2. [c.137]
РД 26-15-88. Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность и герметичность фланцевых соединений.— М. НИИХИММАШ, УкрНИИХИММАШ, ВНИИнефтемаш, 1990.-64 с. [c.359]
Трубопроводы служат каналами, по которым энергия от насосов поступает к гидродвигателям. В зависимости от условий работы применяют жесткие и гибкие трубопроводы. Чаще всего в качестве трубопроводов гидроприводов применяют круглые стальные бесшовные трубы и иногда трубы из алюминиевых сплавов и чугуна. Гидравлический расчет трубопроводов производится по формулам гидравлики применительно к течению вязкой жидкости, Соединения труб и присоединение их к элементам и узлам гидроприводов должны быть прочными и гер-. метичными. При соединении стальных труб применяют сварку, фланцевые соединения. Соединение труб небольшого диаметра производится накидными гайками с развальцовкой соединяемых концов труб для высоких и сверхвысоких давлений используют ниппельное соединение. [c.364]
В связи с задачами о термонапряженности с учетом температурных зависимостей упругих и дилатометрических свойств, а также пластических деформаций, развиваюш ихся во времени, была разработана их трактовка в интегральных уравнениях, позволившая использовать методы итерации (повторения) и средства вычислительной техники и тем самым получить решения при сложных конструктивно заданных граничных условиях и экспериментально определенных уравнениях состояния. На этой основе были разработаны способы расчета на прочность и ползучесть с учетом температурных градиентов дисков и лопаток газовых и паровых турбин, трубопроводов и фланцевых соединений, толстостенных корпусов и несущих оболочек и других неравномерно нагретых конструкций. [c.40]
Учитывая, что фторопласт-4 при нагрузках и особенно повышенных температурах обладает большой текучестью, при использовании его фланцевые соединения выполняют специальной конструкции типа шип — паз . Однако и в этом случае во избежание разгерметизации соединения необходимо соблюдать определенные соотношения между размерами прокладки и внутренним давлением в аппарате. И. А. Шупляк и Н. И. Таганов рекомендуют при расчете на плотность соединений с прокладками [c.218]
Значительные возможности в использовании методов строительной механики в расчетах напряженных состояний осесимметричных несущих элементов ВВЭР открьшаются в связи с расширением применения вычислительной техники в практике проектирования. Матричная запись и решение соответствующих дифференциальных уравнений на ЭВМ позволили в компактной и единообразной форме при сравнительно небольших затратах машинного времени (измеряемого десятками секунд) получать распределение напряжений в таких сложных зонах корпусов реакторов, как фланцевое соединение главного разъема [9, 10, 12]. В таком расчете представляется возможным учесть ступенчатое изменение толщин, несовпадение средних радиусов оболочек, условия взаимодействия между элементами. Увеличение числа сопрягаемых элементов и уменьшение их высоты (до долей толщин) позволяет заменить сложный профиль в зоне сопряжения ступенчатым и получить напряжения, характеризующие концентрацию напряжений. Вводя в такие расчеты интегральные функции пластичности или переменные параметры упругости, можно получить данные о перераспределении напряжений в упругопластической области [12, 15]. [c.35]
Учет местной податливости в зонах контакта. В работе [9] был рассмотрен способ учета местной податливости в узких кольцевых зонах контакта с нераскрытым стыком при расчете конструкции методом строительной механики оболочек и колец. При этом были использованы коэффициенты местной податливости, полученные в [10] численным методом осесимметричной теории упругости. Применительно к корпусной конструкции с фланцевым соединением, содержащим два нажимных кольца, стянутые длинными шпильками, было показано, что пренебрежение контактными моментами приводит к существенному занижению жесткости корпусных оболочечных конструкций и завышению изгибных напряжений в галтель-ных переходах фланцев. Метод учета контактных податливостей для нераскрытых стьпсов, предложенный в работе [9], так же как и полученный в ней вывод о погрешности упрощенного расчета, применимы к рассматриваемой здесь конструкции (см. рис. 2.1). [c.132]
Учет продольной жесткости шпилек в затянутом фланцевом соединении. Выше рассматривался расчет конструкции на затяг фланцевого соединения, для которого усилия в шпильках были заданными, и потому податливости шпилек могли не учитываться. Напряженное и деформированное состояние от затяга шпилек считается начальным состоянием для последующих расчетов на внешнюю нагрузку, например затяг нажимных винтов узла уплотнения, внутреннее давление в корпусе, нагрузки от неравномерного нагрева конструкции. При действии этих нагрузок в шпильках возникают дополнительные неизвестные усилия АР, а контактные сопряжения становятся зависимыми аналогично сопряжениям (см. рис. 3.2). В сопряжениях А к В кв точке С имеются неизвестные разрывы AQ , А и АР. Осевое усилие АР создает в точке С неизвестный внешний изгибающий момент ДЛ1 =ЛРбк> вызванный переносом осевого усилия с радиуса / ш на радиусЛд. При выводе формулы (3.2) было показано, что для определения неизвестных разрывов А , Ад , AAf должны рассматриваться зависящие от них величины Af и Здесь И к – радиальное перемещение нажимного кольца в точке А от распорного усилия AQ , момента АМ , вызванного дополнительным усилием АР в шпильках, и внешней нагрузки . Л/ — изгибающий момент, возникающий после указанного выше переноса усилия АР и равный [c.138]
Сравнение расчетов с экспериментами. В работе [31] для определения деформаций и напряжений во фланцевом соединении сосудов без нажимных колец использовались также два расчетных метода. Приближенный метод осуществлялся путем разбиения фланцевого соединения на базисные элементы – кольца, оболочки, балки. Поперечные силы и моменты в местах их соединений определялись из уравнений равновесия и совместности деформаций. Второй подход использует метод конечных элементов, для чего применялась программа MAR для ЭВМ /5Л/-370. Наличие в программе специальных люфтовых элементов позволяет моделировать нелинейную контактную задачу, связанную с локальным смыканием и (или) раскрытием зазора между поверхностями фланцев и проклад- [c.153]
Расчет по методу конечных элементов при упругой модели материала описывает деформации фланцев с той же точностью, что и при упругопластической модели. Однако так как нелинейная контактная задача, связанная с процессом смыкания зазоров между фланцами, требует пошагового решения (в приращениях), имеет смысл использовать упруго-пластическую модель материала. Трение между кольцами фланцев ока-зьшает незначительное влияние на общую картину деформирования фланцевого соединения. [c.154]
Упругопластический расчет по предлагаемому методу выполняется для осесимметричных корпусных конструкций и узлов энергетического оборудования, сосудов под давлением, фланцевых соединений, патрубков и других деталей, рассматриваемых как многократно статически неопределимые составные системы из элементов оболочек, пластин, кольцевых деталей и стержней. Различные типовые особенности этих конструкций, такие, как жесткие и упругие закрепления и опоры, шарнирные соединения, разъемные соединения с разнообразными условиями контактирования соединяемых деталей и узлов, разветвления меридиана и тд., рассматриваются как разрьтные сопряжения (см. 1 гл. 3). В каждом приближении упругопластического расчета вьшолняется упругий расчет по следующим рекуррентным матричным формулам метода начальных параметров [2] линейным соотношениям между перемещениями и усилиями на краях рассматриваемых элементов [c.206]
Расчет фланцевого соединения с прокладкой ведется на рабочую нагрузку и усилие деформации прокладки, а при расчете соединения с упругим кольцом учитывается только рабочая нагрузка. Это прив0)1ит к значительному уменьшению габаритов и веса узлов, а также к упрощению операций сборки и разборки. [c.182]
Из-за снилудельное давление на прокладку фланцевого соединения, и возникает опасность нарушения плотности. Чтобы избежать этого, шпильки после определенного срока работы подтягивают. После каждого последующего подтягивания релаксационная кривая идет более полого, и напряжения в шпильках снижаются не так быстро. Время до последующего подтягивания может быть значительно большим, чем до предыдущего. Чем выше рабочая температура, тем ниже релаксационная стойкость стали. Колебания температуры резко снижают релаксационную стойкость, и ее снижение зависит от марки стали, колебания температуры и продолжительности цикла. При расчете деталей, работающих в условиях релаксации напряжений при изменяющихся температурах, следует ориентироваться на верхнюю температуру цикла. [c.218]
на растяжение, на сдвиг, для фланцевых соединений — MechaniCS
10 ноября состоялся вебинар «Демонстрация расчета болтов в MechaniCS: на растяжение, на сдвиг, для фланцевых соединений», в ходе которого рассматривается расчет болтового соединения в программе для машиностроительного проектирования MechaniCS на платформе AutoCAD.
Почему полезно участвовать?На вебинаре будет показано на примерах, как сделать корректный расчет болтов, какие исходные данные можно использовать в этом расчете, и как в результате расчета подбирается оптимальный диаметр соединения.
Вы познакомитесь с инструментами проектирования MechaniCS, избавляющими от рутины и ошибок.
Все инструменты и элементы программы реализованы в соответствии с ГОСТ и общепринятыми методиками.
Участники вебинара получат сертификат и выгодные условия на покупку программы MechaniCS.
О чем вы узнаете на вебинаре?Резьбовые соединения часто используются в различных механизмах, для их правильного выбора целесообразно использовать САПР. Детали крепежа по государственным и отраслевым стандартам входят в состав базы элементов MechaniCS и их вычерчивание как в детальном, так и в упрощенном виде осуществляется программой по выбранным параметрам. Это избавляет пользователя от рутинного черчения. В состав MechaniCS включен также инструмент «Болтовое соединение», который позволяет компоновать резьбовые соединения различных типов. При этом диапазоны основных параметров каждой из деталей крепежа могут быть корректно подобраны системой для любой требуемой толщины соединяемого пакета элементов, а сами детали могут быть согласованы между собой по размерам. После предварительного выбора параметров можно выполнить проверочный расчет соединителя на прочность. Если болтовое соединение не прошло проверку на прочность, то его диаметр следует увеличивать и после этого выполнять новую проверку. При этом проявляется еще одно из преимуществ САПР — возможность быстрой замены всех деталей соединения. Поскольку детали связаны между собой зависимостями, то, например, при изменении диаметра болта диаметры привязанных к нему гайки и шайбы изменятся автоматически.
Целью расчета болтов, винтов и шпилек, как правило, является определение оптимального диаметра деталей крепежа для работы в заданных условиях. Поскольку на данный момент отсутствует полноценный машиностроительный стандарт для расчета болтового соединения с учетом различных вариантов нагружения, то в программе MechaniCS реализована методика из учебника «Детали машин» от авторов Н. Г. Куклин, Г. С. Куклина.
Чаще всего на практике встречаются следующие три основные расчетные схемы:
- расчет болта на растяжение;
- расчет болта на сдвиг;
- расчет болтов фланцевого соединения.
Расчет болтов, который входит в состав программы MechaniCS, осуществляется именно по этим базовым схемам.
В соответствии с методикой из учебника при проектировании крепежа задается осевая и сдвигающая нагрузка, дополнительные данные, такие как число болтов, число плоскостей стыка, коэффициенты внешней нагрузки и трения, а также можно на выбор учитывать класс прочности материала по ГОСТ 1759.4-87, или предел текучести, который был определен по результатам испытаний механических свойств тестовой детали из партии. Запас прочности выбирается в зависимости от ответственности соединения и контроля затяжки по рекомендациям или задается вручную.
Расчетный диаметр резьбы, который был получен в ходе расчета, сравнивается с проверяемым диаметром, и по результатам такой проверки делается заключение о достаточной или недостаточной прочности соединения.
По окончании вебинара вы получите:
- Сертификат слушателя.
- Видео-запись вебинара.
- Интересные условия на покупку программы MechaniCS.
Ведущий: Хромых Алексей, руководитель проекта MechaniCS ООО «Магма-Компьютер», ктн.
Вебинар ориентирован на начальников отделов, инженеров, конструкторов, проектировщиков машиностроительных, авиастроительных, судостроительных предприятий, добывающих предприятий, металлургических и трубопрокатных заводов, компаний-производителей оборудования, энергетических компаний, нефтеперерабатывающих заводов и предприятий химической промышленности, строительных компаний и конструкторских бюро, проектных институтов – всех тех, кто разрабатывает чертежи по ЕСКД.
ОСОБЕННОСТИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И РАСЧЕТА ФЛАНЦЕВЫХ СОЕДИНЕНИЙ БАШЕННЫХ СООРУЖЕНИЙ
Теплых А.В. ООО КБТ, г. Самара,
Оценка предельной несущей способности фланцевого соединения на высокопрочных болтах при наличии остаточных деформаций фланцев с использованием расчетных моделей на основе объемных конечных элементов. Теплых
ПодробнееРасчет элементов стальных конструкций.
Расчет элементов стальных конструкций. План. 1. Расчет элементов металлических конструкций по предельным состояниям. 2. Нормативные и расчетные сопротивления стали 3. Расчет элементов металлических конструкций
ПодробнееДОБРАЧЕВ В.М., к.т.н., доцент (НГАСУ), г. Новосибирск, Россия ВЕРШИНИН Д.С., ассистент (КузГТУ) г. Кемерово, Россия
УДК 69.07 ДОБРАЧЕВ В.М., к.т.н., доцент (НГАСУ), г. Новосибирск, Россия ВЕРШИНИН Д.С., ассистент (КузГТУ) г. Кемерово, Россия ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПРЕДВАРИТЕЛЬНОГО НАПРЯЖЕНИЯ В КОНСТРУКЦИЯХ РАМНЫХ УЗЛОВ КАРКАСОВ
ПодробнееПредотвращение аварий зданий и сооружений
МЕТОДИКА РАСЧЕТА АРМАТУРЫ ФАП В ИЗГИБАЕМОМ ЖЕЛЕЗОБЕТОННОМ ЭЛЕМЕНТЕ ПРЯМОУГОЛЬНОГО ПРОФИЛЯ С ДВОЙНЫМ АРМИРОВАНИЕМ УДК 6401 Попов Владимир Мирович Доцент кафедры строительных конструкций ФГОУ ВПО “Костромская
Подробнее1. РАСЧЕТНЫЕ ПАРАМЕТРЫ
ОГЛАВЛЕНИЕ 1 РАСЧЕТНЫЕ ПАРАМЕТРЫ 4 КОНСТРУИРОВАНИЕ И РАСЧЕТ ВЕРХНЕЙ ЧАСТИ КОЛОННЫ 5 1 Компоновка 5 Проверка устойчивости в плоскости изгиба 8 3 Проверка устойчивости из плоскости изгиба 8 3 КОНСТРУИРОВАНИЕ
Подробнеемомент сопротивления изучаемого сечения.
ОЦЕНКА ПРИМЕНИМОСТИ ГИПОТЕЗ СОПРОТИВЛЕНИЯ МАТЕРИАЛОВ ПРИ РАСЧЕТЕ СТАЛЬНЫХ ПЕРФОРИРОВАННЫХ БАЛОК Платунова А.К., Хазова А.А., Сатанов А.А. ФГБОУ ВПО «Нижегородский государственный архитектурно-строительный
Подробнее11 РАСЧЁТ СЖАТЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
11 РАСЧЁТ СЖАТЫХ ЭЛЕМЕНТОВ 11.1 Общие сведения К сжатым элементам относят: колонны; верхние пояса ферм, загруженные по узлам, восходящие раскосы и стойки решетки ферм; элементы оболочек; элементы фундамента;
ПодробнееОглавление Введение… 3
Оглавление Введение… 3 Глава 1. Основные предпосылки, понятия и определения, используемые в курсе сопротивления материалов – механике материалов и конструкций… 4 1.1. Модель материала. Основные гипотезы
Подробнее1. Цели и задачи вступительного экзамена
Программа дисциплины разработана в соответствии с государственным образовательным стандартом высшего профессионального образования. Направление подготовки магистра 08.04.01 «Строительство» Программа подготовки
ПодробнееСтальные колонны. План. Колонной
Стальные колонны. План. 1.Обшие сведения. Область применения. 2.Расчет центрально-сжатых стальных колонн сплошного сечения 3.Правила конструирования центрально-сжатых стальных колонн 1.Обшие сведения.
ПодробнееРасчет металлических конструкций
Расчет металлических конструкций Расчет по СП 16.13330 “Стальные конструкции” Расчет по СНиП II-23-81 “Стальные конструкции” Расчет по СП 53-102-2004 “Общие правила проектирования стальных конструкций”
Подробнее6 Стадии напряженнодефрмированного
6 Стадии напряженнодефрмированного состояния (НДС) Основныезадачитеории сопротивленияжелезобетона Оценка напряженно-деформированного состояния железобетонной конструкции. Определение конфигурации элемента.
Подробнее470 – Сквозная колонна
470 – Сквозная колонна 1 Программа предназначена для конструирования стальной сквозной двухветвевой колонны согласно СНиП II-3-81* [1] или СП 53-10-004 [] Программа производит подбор сечения ветвей колонны
ПодробнееИтоги 100+ Forum Russia 2015
Итоги 00+ Forum Russia 205 СТАЛЕЖЕЛЕЗОБЕТОННЫЕ ПЕРЕКРЫТИЯ ВЫСОТНЫХ ЗДАНИЙ Айрумян Эдуард Левонович Заведующий отделом ЛСТК, ООО ЦНИИ Проектстальконструкция Область применения В мировой практике высотного
ПодробнееОГЛАВЛЕНИЕ. Предисловие… 3 ЧАСТЬ ПЕРВАЯ
ОГЛАВЛЕНИЕ Предисловие… 3 ЧАСТЬ ПЕРВАЯ Глава первая Растяжение и сжатие……6 1.1. Продольная сила…6 1.2. Нормальные напряжения, абсолютное удлинение и потенциальная энергия…8 1.3. Поперечная деформация
Подробнееглавному вектору R, R, R и главному
Лекция 08 Общий случай сложного сопротивления Косой изгиб Изгиб с растяжением или сжатием Изгиб с кручением Методики определения напряжений и деформаций, использованные при решении частных задач чистого
ПодробнееРасчет балки. 1 Исходные данные
Расчет балки 1 Исходные данные 1.1 Схема балки Пролет A: 6 м. Пролет B: 1 м. Пролет C: 1 м. Шаг балок: 0,5 м. 1.2 Нагрузки Наименование q н1, кг/м2 q н2, кг/м γ f k d q р, кг/м Постоянная 100 50 1 1 50
Подробнее5. Расчет остова консольного типа
5. Расчет остова консольного типа Для обеспечения пространственной жесткости остовы поворотных кранов обычно выполняют из двух параллельных ферм, соединенных между собой, где это возможно, планками. Чаще
ПодробнееТочность расчета усилий затяжки болтовых соединений фланцев
Методика расчета усилий затяжки болтовых соединений фланцев часть III
Второй фактор представляет собой сочетание гидростатической нагрузки соединений фланцев и остаточной нагрузки прокладки. Он определяется следующим уравнением:
Wm1 = ((π•G2 • P)/4) + (2 •b•π •G • m • P)
Первая часть этого уравнения позволяет вывести гидростатическое усилие. Оно вычисляется путем умножения давления P на эффективную внутреннюю область прокладки (π • G2 / 4), где G – нагрузочный диаметр (обычно находится в области средней точки сжимаемой области прокладки).
Второе слагаемое в уравнении позволяет вычислить остаточную нагрузку прокладки. Оно рассчитывается путем умножения давления Р на эффективную область прокладки (2 •b∙π• G) и коэффициент m. Как и в предыдущем случае, прокладка с более высоким коэффициентом потребует более высокой остаточной нагрузки.
С целью обеспечения факторов безопасности и предотвращения утечки нагрузочная способность болтов фланцевого соединения должна превышать расчетные значения сжатия прокладки. Начальные нагрузки болтов (до повторной затяжки) должны быть несколько большими, чем минимальные расчетные значения нагрузки прокладки, при условии, что прочность фланца и прокладки приняты во внимание.
Таким образом, практически все соединения фланцев требуют более высоких нагрузок при установке, приблизительно в два раза больше минимальных расчетных значений. При этом по возможности, следует запросить у производителя значения максимальных нагрузок прокладок.
Вывод:
Большие расчетные значения WM1 или WM2 требуют повышенной нагрузки на болт. Минимально необходимая величина нагрузки делится на количество болтов в соединении фланцев, что позволяет определить минимальную силу f, используемую в уравнении крутящего момента:
T= (k∙f∙d)/12
Произведя расчет крутящего момента необходимо убедиться, что растяжение болта не является чрезмерным и находится в рамках предела текучести или предельного расчетного напряжениям предоставляемого производителем болтов. Также необходимо убедиться в том, что болты растягиваются достаточно, чтобы компенсировать осадку, давление, температуру и другие нагрузочные потери.
Расчет и расчет фланцевого болтового соединения на требуемую герметичность и прочность
В статье представлена методика расчета и анализа прочности фланцево-болтового соединения. В первой части были проведены аналитические расчеты. Их целью было определение момента сборки гаек для достижения желаемой герметичности. Учитывалось фланцевое соединение DN100 PN40 с двумя разными прокладками. Аналитические расчеты были выполнены в соответствии с алгоритмом, включенным в PN EN 1591-1.На следующем этапе были проведены численные расчеты для подтверждения аналитических результатов. Результатом этих расчетов стали карты распределения контактных напряжений на поверхности прокладки, оценка запаса прочности отдельных элементов соединения, а также определение угла поворота фланца. Данные численных расчетов были сопоставлены с аналитическими результатами, которые подтвердили их удовлетворительное соответствие. На последнем этапе были проведены экспериментальные испытания соединения.Основными результатами испытаний были измеренные значения уровня утечки, усилия затяжки болта и расчетные коэффициенты запаса прочности. Косвенным результатом экспериментальных измерений были карты распределения напряжений на контактной поверхности прокладки, которые определялись с помощью измерительной пленки. В конечном итоге, на основе результатов экспериментов было установлено, что предложенный аналитический метод расчета и моделирования соединения с помощью метода конечных элементов является очень хорошим инструментом для проектирования соединения с требуемым уровнем герметичности.
1 Введение
Фланцево-болтовое соединение – один из основных узлов трубопроводной системы, позволяющий соединять отдельные участки труб в более сложные участки или соединять измерительные и технологические устройства и машины, такие как расходомеры, насосы, вентиляторы и сосуды под давлением. Подсчитано, что на нефтеперерабатывающем заводе среднего размера имеется примерно 100 000 таких соединений. Поскольку это разъемное соединение, в нем неизбежна утечка. Эту утечку следует определять на стадии проектирования [1] и, по возможности, строго контролировать во время сборки и эксплуатации трубопроводных систем [2, 3].Большинство трубопроводных установок транспортируют вещества, которые из-за неконтролируемой утечки могут способствовать крупным катастрофам [4, 5]. В зависимости от типа транспортируемой среды это может вызвать опасность пожара, загрязнения окружающей среды, таким образом, это влечет за собой воздействие с потерей здоровья и жизни людей или животных [6].
Конструкция таких соединений в основном зависит от выбора подходящей прокладки / уплотнения и ее правильной сборки при соответствующей нагрузке. Основными проектными данными являются: номинальный диаметр трубопровода, температура, давление и тип транспортируемой среды.Дополнительные данные – внешние нагрузки, их изменение во времени, требуемая герметичность и прочность соединения. На протяжении десятилетий было разработано множество вычислительных алгоритмов для поддержки конструкции фланцевого болтового соединения с учетом желаемой герметичности. В большинстве случаев процедуры относятся к конструкции фланцевого болтового соединения с круглой прокладкой, а результаты расчета в основном представляют собой силу затяжки болта или крутящий момент, с которым гайки должны быть затянуты, чтобы гарантировать надлежащая герметичность [7].Коды расчетов [8], [9] основывались на одномерной модели соединения, в которой прокладка, болты и фланцы не деформировались. Наиболее точный подход к проектированию таких связей – в алгоритме по [1]. Вычислительная модель учитывает, среди прочего, взаимодействие фланца-прокладки-болта, их упруго-пластическое поведение, а также ползучесть и релаксацию прокладки под воздействием повышенной температуры. Дополнительно внешние нагрузки в виде сил и изгибающих моментов, тепловое расширение
Учитываетсякомпонентов, а также условия трения на сопрягаемых поверхностях.Алгоритм учитывает два основных состояния нагрузки:
И-0 – в рабочем состоянии (в сборе),
I-1 – рабочее состояние (влияние внутреннего давления и температуры, а также внешняя нагрузка, действующая на соединение).
Необходимые проектные данные в виде свойств материала прокладки были получены в результате экспериментальных испытаний в соответствии с [10].
Эти испытания проводились на специальном устройстве (см. Рис.1) моделирование нагрузки прокладки при заданной температуре и давлении герметизируемой среды (обычно гелия). Непосредственными результатами испытаний являются характеристики деформации или характеристики герметичности прокладок. На основании таких данных были определены расчетные коэффициенты. Эти коэффициенты, среди прочего, включают: модуль упругости, коэффициент трения, допустимое контактное напряжение, минимальные контактные напряжения, обеспечивающие адекватную герметичность. В правильно спроектированном соединении (помимо достижения желаемой герметичности) важным аспектом является поддержание напряжения в определенных соединительных элементах на допустимом уровне.Безопасное состояние определяется с помощью коэффициента запаса прочности, который косвенно описывает состояние нагрузки конкретного элемента соединения. Как правило, этот коэффициент безопасности определяет отношение текущего значения силы или напряжения в данном элементе к значению предельной силы или допустимого напряжения. Для безотказной работы должны были соблюдаться неравенства (1) для всех вышеупомянутых состояний нагрузки I-0, I-1.
Рисунок 1
Стенд для определения свойств материалов прокладки; 1 – пресс гидравлический, 2 – компьютер, 3 – пульт управления, 4 – блоки дифференциального давления, 5 – гелиевый детектор, 6 – экран, 7 – резервуар с гелием, 8 – блок охлаждения гидравлического пресса, 9 – масляный насос гидросистемы. пресс
(1) φ знак равно F А F L я м знак равно ж А ж L я м ≤ 1
Где:
F A , F Lim – действительная сила, приложенная к элементам, и предельная сила вызывают разрушение элементов соответственно, f A , f Lim – фактическое напряжение в элементах и предельное напряжение (равно допустимому напряжению) соответственно.
Определенное дополнение к аналитическим расчетам и их проверка может быть дополнительно проведена с использованием численных расчетов, основанных на методе конечных элементов (МКЭ). Анализ таких вопросов представлен, в том числе, в [11, 12, 13, 14, 15, 16, 17]. Геометрическая модель может быть построена на основе двухмерного (осесимметричность) или трехмерного [18] анализа всего или части соединения. Основными преимуществами численных расчетов, прежде всего, являются:
определение контактного напряжения на поверхности прокладки,
определение максимального эквивалентного напряжения фланцев, болтов и прокладки,
определение влияния тепловых и внешних нагрузок на уровень деформации стыка.
Данные в виде свойств материала прокладки и сборочных нагрузок, необходимые для подготовки расчетной модели, были получены посредством вышеупомянутых аналитических расчетов и экспериментальных испытаний.
2 Цель и объем работ
Целью работы было проектирование фланцево-болтового соединения с прокладкой на два строго определенных класса герметичности. В проекте в качестве основных инструментов использовались аналитические расчеты (по методике, описанной в [1]) и метод конечных элементов.Аналитические расчеты в основном использовались для определения рабочего напряжения болта и оценки запаса прочности болта, фланца и прокладки. На последнем этапе были проведены экспериментальные испытания для определения фактического уровня герметичности и проверки аналитических и численных расчетов.
3 Расчетные данные
Ключевыми данными были характерные размеры фланцевого болтового соединения PN40 DN100 (см. Рис. –) и значения, указанные в таблице 1.
Таблица 1Расчетные данные фланцево-болтового соединения PN40 DN 100
| № | Параметр | Символ | Значение | Установка |
|---|---|---|---|---|
| Рабочие параметры | ||||
| 1 | Давление | п. | 40 | бар |
| 2 | Температура жидкости | т | 20 | С |
| Фланцы | ||||
| 3 | Внешний диаметр | D | 275 | мм |
| 4 | Диаметр делительной окружности | D b | 210 | мм |
| 5 | Диаметр трубы | D p | 100 | мм |
| 6 | Толщина фланца | т | 38.5 | мм |
| 7 | Допустимое напряжение | f F | 192 | МПа |
| Прокладка | ||||
| 8 | Наружный диаметр | d o | 152 | мм |
| 9 | Внутренний диаметр | d i | 112 | мм |
| 10 | Толщина прокладки | т г | 2 | мм |
| 11 | Допустимое напряжение | f G | 220 | МПа |
| 12 | Материал | FG 1 / FG 2 | ||
| Болты | ||||
| 13 | Количество болтов | н б | 8 | – |
| 14 | Прочность болта | f B | 500 | МПа |
| 15 | Диаметр болта | M | 24 | мм |
| 16 | Общая длина болта | л или | 100 | мм |
| 17 | Длина рукоятки болта | л г | 80 | мм |
| 18 | Допустимое напряжение | f B | 500 | МПа |
В качестве прокладочного материала были выбраны два типа волокнисто-эластомерного материала толщиной 2 мм.Материал, обозначенный как FG_1, представлял собой композит, сделанный из смеси арамидных и минеральных волокон и каучука NBR в качестве связующего. Кроме того, материал был армирован изнутри перфорированной сеткой
.из нержавеющей стали толщиной 0,25 мм. Второй материал представлял собой композит, обозначенный как FG_2, состоящий из арамида, графита и минералов, а также каучука SBR в качестве связующего. Оба материала характеризовались высокой стойкостью к жидкому и газообразному топливу и широким диапазоном приложения нагрузок от давления вакуума до 100 бар и температуры от -65 до 250 ˚ C.В расчетах были приняты два класса герметичности: L1.0 и L.0.1, которые соответствуют уровням утечки: 1,0 мг / с · м и 0,1 мг / с · м относительно среднего периметра прокладки. Коэффициенты материала прокладки, необходимые для расчетного процесса, были получены путем экспериментальных испытаний [10], основными результатами которых были характеристики, описывающие степень утечки и деформации в зависимости от контактного напряжения. Эти характеристики показаны на рисунках с 3 по 6. Рабочая температура конструкции составляла 20 ˚ ° C, а давление – 40 бар (4 МПа).
4 Аналитические расчеты
Целью аналитических расчетов было определение значения момента затяжки гайки в рабочем состоянии от усилия, обеспечивающего надлежащую герметичность соединения. Косвенными результатами были оценка запаса прочности фланца, болта и прокладки, а также определение угла поворота фланца. Основные формулы вычислительного алгоритма [1] были представлены от (2) до (8).
Усилие затвора в рабочем состоянии:
(2) F B 0 знак равно F грамм 0 + F р 0
Где F G 0 – сила прокладки, которая определяется в итеративном расчете, а F R 0 – внешняя нагрузка.
Усилие затвора в рабочем состоянии:
(3) F B 1 знак равно F грамм 1 + F Q 1 + F р 1
Рисунок 2
Характерный размер фланцевого соединения
Рисунок 3
Характеристика, описывающая скорость утечки в зависимости от приложенного контактного напряжения прокладки FG_1
Рисунок 4
Характеристика прокладки FG_2, описывающая уровень утечки как функцию контактного напряжения
Где:
F Q – это гидростатическая сила, возникающая в результате давления жидкости.Каждый параметр, индексированный как 1 , означает рабочее состояние, тогда как параметры, индексированные как 0 , означают, что он находится в рабочем состоянии.
Коэффициент нагрузки болта (коэффициент безопасности):
(4) φ B 1 знак равно F B 1 А B ж B C B < 1
Рисунок 5
Характеристика прокладки FG_1, описывающая степень деформации в зависимости от контактного напряжения
Рисунок 6
Характеристика прокладки FG_2, описывающая степень деформации в зависимости от контактного напряжения
Коэффициент нагрузки прокладки:
(5) φ грамм 1 знак равно F грамм 1 А грамм Q S Максимум < 1
Коэффициент нагрузки фланца:
(6) φ F 1 знак равно F грамм 1 ⋅ час грамм + F Q 1 ( час ЧАС – час п ) + F р 1 ⋅ час ЧАС W F
Где:
W F – характерный модуль поперечного сечения фланца [Н · м] и h G , h H , h P – рычаг плеч, на которые действуют определенные силы наносятся на характерные точки фланцевого соединения.
Расчет по формуле (6) очень сложен, так как он включает множество параметров в зависимости от размеров фланца. В упрощенном виде параметр F представляет собой отношение фактического напряжения фланца к допустимому напряжению материала фланца.
Вращение фланца рассчитывается следующим образом:
(7) Θ F знак равно Z F E F F грамм час грамм + F Q ( час ЧАС – час п + час Q ) + F р ( час ЧАС – час р
Рабочий крутящий момент:
(8) M B 0 знак равно k B F B 0
Где k B – коэффициент болта, состоящий из характеристического размера болта, а также коэффициента трения резьбы.
Отдельные результаты аналитических расчетов для обоих состояний нагрузки I-0 и I-1 представлены в таблицах с 2 по 3.
Рассматривая данные в таблицах, можно сделать вывод, что для двух состояний нагрузки значения коэффициентов безопасности были меньше 1, что означает, что конструкция соответствует ключевому критерию (1). Самым нагруженным элементом соединения в обоих условиях нагружения был болт, а наименее нагруженным – фланец. Требуемый максимальный момент затяжки составил 221 Нм и был рассчитан для соединения с прокладкой из материала GF_1.Это было значение, обеспечивающее расчетную герметичность 0,1 мг / с · м. В результате расчетов был сделан вывод о том, что материалу FG_1 требуется более высокое контактное напряжение для получения того же уровня герметичности, что и для прокладки FG_2. На рисунке 7 представлено сравнение коэффициентов запаса прочности (расчетный I-0, в процессе эксплуатации и рабочее состояние I-1) прокладки фланцевого соединения для обеих конфигураций. Представленные в таблицах значения запаса прочности ограничены нагрузкой, обеспечивающей класс герметичности L0.1.
Рисунок 7
Факторы безопасности в эксплуатации и в рабочем состоянии стыка с прокладками из двух конфигураций материалов – FG_1 и FG _2
5 Численные расчеты
Основной целью численных расчетов было определение местного эквивалентного напряжения отдельных элементов соединения, а также определение контактного напряжения на поверхности прокладки.
5.1 Расчетная модель
Численные расчеты проводились в ANSYS 15.0 с использованием структурного анализа. Геометрическая модель соединения и граничные условия представлены на рисунке 8. На боковых стенках 1/8 фланцевого болтового соединения были применены опоры без трения для получения периодической модели. К болту была приложена нагрузка предварительного натяжения, чтобы имитировать силу болта в рабочем состоянии. Внутренняя поверхность соединения была нагружена давлением для имитации рабочих условий. Расчеты проводились с двумя шагами нагрузки; первый соответствовал рабочему состоянию (I-0), второй – рабочему состоянию, возникающему при давлении 40 бар.В качестве рабочей нагрузки болта были использованы значения, полученные в результате аналитического расчета, соответствующие расчетному классу герметичности (см. Значения F B 0 , приведенные в таблицах 2 и 3). На сопрягаемых поверхностях были активированы контактные элементы и задан коэффициент трения 0,4. Фланцы, болт, шайба и гайка были нанесены на карту с помощью изотропной модели стального материала с модулем Юнга E = 206000 МПа и коэффициентом отравления v = 0.3. Свойства прокладки как числовая модель были введены в компьютерную программу в виде характеристик деформации, показанных на рисунках 5 и ?? . Дискретизация модели проводилась с помощью шестигранников и клиновых элементов (см. Рис. 9) с квадратичной функцией формы. Контакты между отдельными предметами моделировались как фрикционные. Коэффициент трения между металлической частью составлял 0,15, тогда как площадь контакта между прокладкой и металлом составляла 0,3.
Рисунок 8
Геометрическая модель, а также граничные условия соединения: а) рабочая нагрузка I-0 б) рабочая нагрузка I-1
Рисунок 9
Расчетная сетка соединения а) весь узел, б) дискретная область прокладки и фланца в) крепеж
Таблица 2Выбранные результаты фланцевого соединения PN40 DN 100 с прокладкой из материала FG_1
| Класс герметичности | I-0 | И-1 | |||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| F B0 | M B0 | Ф B0 | Ф F0 | Ф G0 | ϴ F0 | Ф B1 | Ф B1 | Ф F1 | Ф G1 | ϴ F1 | |
| кН | Нм | – | – | – | ° | кН | – | – | – | ° | |
| L1.0 | 43,2 | 169 | 0,59 | 0,36 | 0,57 | 0,14 | 44,55 | 0,52 | 0,221 | 0,05 | 0,17 |
| L0.1 | 56,4 | 221 | 0,79 | 0,44 | 0.65 | 0,18 | 58,38 | 0,67 | 0,219 | 0,058 | 0,22 |
Выбранные результаты фланцевого соединения PN40 DN 100 с прокладкой из материала FG_2
| Класс герметичности | I-0 | И-1 | |||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| F B0 | M B0 | Ф B0 | Ф F0 | Ф G0 | ϴ F0 | Ф B1 | Ф B1 | Ф F1 | Ф G1 | ϴ F1 | |
| кН | Нм | – | – | – | ° | кН | – | – | – | ° | |
| L1.0 | 29,1 | 114 | 0,39 | 0,295 | 0,420 | 0,11 | 30,48 | 0,36 | 0,209 | 0,031 | 0,15 |
| L0.1 | 46,6 | 182 | 0,66 | 0.409 | 0,525 | 0,14 | 48,37 | 0,55 | 0,197 | 0,035 | 0,19 |
В средней части прокладки и фальца фланца введены измерительные пути (см. Рис. 10). После постобработки по этим траекториям были определены радиальное распределение контактного напряжения на прокладке и смещение фланца.
Рисунок 10
Определенные измерительные пути а) на прокладке б) на фланце
5.2 Численные результаты
На основе численного расчета были проанализированы следующие результаты:
распределение контактных напряжений по поверхности прокладки,
максимальное эквивалентное напряжение в отдельных элементах соединения,
приращение нагрузки на болты от рабочего состояния I-1,
деформация фланца (угол поворота фланца в осевой плоскости соединения).
5.2.1 Распределение контактного напряжения прокладки
На рисунках 11 и 12 представлены карты распределения контактных напряжений на поверхности прокладки в рабочем состоянии I-1 . Неравномерность контактного напряжения по радиусу прокладки вызвана деформацией фланца. При нагрузке, соответствующей герметичности L1.0 в обоих соединениях, разница контактных напряжений от точки 1 до точки 2 составляла примерно 10 МПа.В случае нагрузки, соответствующей герметичности L0.1, перепад давления составлял около 12 МПа для стыка с прокладкой из материала FG_, тогда как в стыке с прокладкой из материала FG_1 разница составляла 20 МПа. Более точный график изменения контактного напряжения вдоль радиального пути прокладки показан на Рисунке 13.
Рисунок 11
Распределение контактных напряжений в рабочем состоянии и нагрузка на фланец, соответствующие герметичности L1.0 а) соединение с прокладкой с FG_1 б) соединение с уплотнением FG_2
Рисунок 12
Распределение контактных напряжений в рабочем состоянии и нагрузка на фланец в соответствии с герметичностью L0.1 a) соединение с уплотнением FG_1 b) соединение с уплотнением FG_2
Рисунок 13
Радиальное контактное напряжение по ширине прокладки при нагрузке на соединение, соответствующей герметичности L0.1
На диаграмме сравнивается радиальное контактное напряжение соединения, уплотненного материалами FG_1 и FG_2 в рабочем состоянии I-1, и нагрузки, соответствующей классу L0.1. Анализируя эти данные, можно отметить, что соединение с прокладкой из материала FG_1 характеризуется большей неравномерностью радиального контактного напряжения, чем соединение с прокладкой из материала FG_2 (сравните наклон контактного напряжения обеих кривых, представленных на рис. ). На рисунках 14 и 15 представлено сравнение радиального контактного напряжения в обоих состояниях нагрузки I-0 и I-1.
Рисунок 14
Радиальное контактное напряжение по ширине прокладки в соединении с прокладкой FG_1 во всех случаях нагрузок
Рисунок 15
Радиальное контактное напряжение по ширине прокладки в соединении с прокладкой FG_2 во всех случаях нагрузки
Пунктирные линии на диаграммах соответствуют рабочему состоянию (I-0), а непрерывные линии – рабочему состоянию (I-1).Разница давлений в состояниях I-0 и I-1 возникла в результате частичной разгрузки прокладки из-за гидростатического давления, действующего на заглушенные концы фланцев. В обоих случаях конфигурации соединения, независимо от степени герметичности, различия контактных напряжений между состояниями I-0 и I-1 были одинаковыми и составили около 5 МПа.
5.2.2 Максимальное напряжение
На рис. 16 представлены примеры распределения эквивалентных напряжений в основании болта и наиболее напряженном участке фланца.
Рисунок 16
Распределение эквивалентных напряжений в соединении a) в основании болта b) во фланце
Максимальное местное напряжение соединения в определенных состояниях нагрузки было отнесено к допустимому расчетному напряжению, в результате чего коэффициенты безопасности были рассчитаны в соответствии с формулой (1). Результаты расчетов представлены в таблицах 4 и 5. Все расчетные значения коэффициентов безопасности
Таблица 4Результаты численного расчета стыка, прокладываемого материалом ФГ_1
| I-0 | И-1 | |||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| F B0 | Ф B0 | Ф F0 | Ф G0 | ϴ F0 | Ф B1 | Ф B1 | Ф F1 | Ф G1 | ϴ F1 | |
| L1.0 | 43200 | 0,391 | 0,599 | 0,229 | 0,04 | 44363 | 0,402 | 0,615 | 0,209 | 0,05 |
| L0.1 | 56429 | 0,510 | 0,788 | 0,309 | 0,06 | 57286 | 0.519 | 0.801 | 0,288 | 0,06 |
Результаты численного расчета стыка с прокладкой из материала ФГ_2
| I-0 | И-1 | |||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| F B0 | Ф B0 | Ф F0 | Ф G0 | ϴ F0 | Ф B1 | Ф B1 | Ф F1 | Ф G1 | ϴ F1 | |
| L1.0 | 29085 | 0,263 | 0,407 | 0,148 | 0,03 | 31077 | 0,282 | 0,437 | 0,133 | 0,03 |
| L0.1 | 46586 | 0,421 | 0,652 | 0,249 | 0,05 | 47957 | 0.435 | 0,671 | 0,223 | 0,05 |
были в приемлемом диапазоне. Кроме того, в таблицах указаны увеличение нагрузки на болт и угол поворота фланца. Увеличение нагрузки болтов в состоянии I-1 составляет в среднем 1 кН и является результатом действия гидростатической силы – в соответствии с формулой (3). Для наглядности результатов расчетов на рисунке 17 представлены гистограммы значений запаса прочности и угла поворота фланца на фоне результатов, полученных аналитически.Значения в таблицах относятся к нагрузке на соединение, соответствующей герметичности L0.1.
Рисунок 17
Графическое изображение коэффициентов запаса прочности в элементах соединения и углов поворота фланцев соединения с прокладками FG_1 и FG_2. Состояние I-1 и нагрузка на соединение, соответствующая герметичности L0.1, а) коэффициенты запаса прочности болта, б) коэффициенты прочности фланца, в) коэффициенты запаса прочности прокладки, г) угол поворота фланца
Изучив схему, данные показывают, что согласно численным расчетам наиболее нагруженным элементом был фланец F = 0.8. Однако по аналитическим расчетам наиболее нагруженным элементом является болт B = 0,68. Более того, с учетом аналитических расчетов коэффициент запаса прокладки ниже G = 0,1, а согласно численным расчетам значение выше Φ G = 0,25. Тем не менее, независимо от метода расчетов, все коэффициенты запаса прочности (по формуле (1)) соответствуют основному требованию. Наибольшие расхождения между численными и аналитическими данными были получены для угла поворота фланца.Значения этого параметра, согласно аналитическим расчетам, были в четыре раза выше результатов, полученных при численных расчетах.
6 Экспериментальные испытания
Проверка аналитических и численных результатов проводилась экспериментальными испытаниями. Основная цель заключалась в подтверждении предполагаемой (проектной) герметичности, а также в проверке сил, полученных из расчетов, моментов затяжки гаек и расчетных коэффициентов надежности болта и прокладки.
6.1 Испытательный стенд
На рис. 18 представлен испытательный стенд, основной частью которого было фланцевое болтовое соединение с размерами, соответствующими таблице 1. Дополнительным оборудованием испытательного стенда был: усилитель, связанный с системой тензодатчиков, закрепленных на каждом из восьми болтов М 24, гелиевый детектор вместе с вакуумным насосом, гелиевый резервуар с давлением 200 бар. Благодаря тому, что каждый болт был оборудован системой датчиков деформации, можно было определить их точное натяжение при заданной нагрузке, вызванной динамометрическим ключом.
Рисунок 18
Стенд для исследования фланцевого болтового соединения с прокладкой 1 – гелиевый резервуар, 2 – фланцевое болтовое соединение, 3 – вакуумный насос, 4 – динамометрический ключ, 5 – гелиевый детектор, 6 – усилитель
6.2 Методика испытаний
Перед установкой верхнего фланца (для определения контактного напряжения) на него поместили два фрагмента измерительной пленки FUJI с диапазоном 10-50 МПа (среднее напряжение) и диапазоном от 50 до 130 МПа (высокое напряжение). поверхность прокладки (см. рис.18в). Затем, после размещения верхнего фланца, болты устанавливались в отверстия фланцев и предварительно затягивались гайки. Процедура тестирования проводилась в два основных этапа. На первом этапе (соответствующем состоянию I-0) соединение было нагружено путем затягивания гаек с помощью динамометрического ключа в соответствии со значениями, приведенными в таблицах 2 и 3 (см. Значения M B 0 для две прокладки). Затем были записаны значения тензодатчиков каждого болта. На втором этапе (соответствующем состоянию I-1) соединение было нагружено гелием под давлением 40 бар.В результате соединение находилось под давлением, снова считывались значения натяжения болтов и измерялся уровень утечки гелия. После завершения измерений соединение было разжато, гайки откручены и верхний фланец снят. Косвенным шагом в измерениях было определение контактного напряжения на поверхности прокладки. Как упоминалось выше, измерение проводилось с помощью измерительной пленки FUJI. Принцип его работы основан на том, что при контактном напряжении пленка окрашивалась в розовый цвет.Если контактное напряжение было больше, цвет пленки был более интенсивным. Для получения значения контактного напряжения интенсивность пленки оценивали по эталонной шкале.
6.3 Результаты испытаний
В таблицах 6 и 7 представлены силы болтов в условиях отдельных нагрузок, среднее контактное напряжение и измеренные значения утечки. Наиболее важным значением, полученным в результате экспериментального испытания, была величина утечки гелия. В случае шарнирной нагрузки, соответствующей расчетной герметичности L0.1 реальные (измеренные) значения утечки находились в приемлемом порядке для обеих конфигураций соединения. Это означает, что аналитически рассчитанные значения крутящего момента M B 0 были правильными. Наибольшее расхождение реальной утечки по отношению к расчетному значению было измерено при нагрузке на соединение, соответствующей расчетной герметичности L0.1. . Тем не менее, измеренная герметичность оказалась выше расчетных значений. Это означает, что расчетный крутящий момент в этом случае был немного завышен.
Таблица 6Перечень результатов измерений и расчетных данных в виде момента затяжки гаек, класса герметичности и усилий болтов для материала FG_1 с прокладками в стыках.
| I-0 | |||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| L конструкция | Mc | Ф 1 | Ф 2 | Ф 3 | Ф 4 | Ф 5 | Ф 6 | Ф 7 | Ф 8 | F śr | S 0 |
| мг / с · м | Нм | кН | кН | кН | кН | кН | кН | кН | кН | кН | МПа |
| 1 | 169 | 44.54 | 45,32 | 47,83 | 47,15 | 47,43 | 47,24 | 45,92 | 48,96 | 46,80 | 45,14 |
| 0,1 | 221 | 53,99 | 56,64 | 59,8 | 59,35 | 59,23 | 59,9 | 54.09 | 60,28 | 57,91 | 55,86 |
| И-1 | |||||||||||
| L дизайн | L реальный | Ф 1 | Ф 2 | Ф 3 | Ф 4 | Ф 5 | Ф 6 | Ф 7 | Ф 8 | F śr | S I |
| мг / с · м | мг / с * м | кН | кН | кН | кН | кН | кН | кН | кН | кН | МПа |
| 1 | 4.88 | 44,84 | 45,62 | 48,13 | 47,45 | 47,73 | 47,54 | 46,22 | 49,26 | 47,10 | 40,68 |
| 0,1 | 0,29 | 54,09 | 56,74 | 59,9 | 59,45 | 59,33 | 60 | 54.19 | 60,38 | 58.01 | 51,20 |
Перечень измеренных и расчетных данных в виде момента затяжки гаек, класса герметичности и усилий болтов для материала FG_2 с прокладками в стыках.
| I-0 | |||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| L конструкция | Mc | Ф 1 | Ф 2 | Ф 3 | Ф 4 | Ф 5 | Ф 6 | Ф 7 | Ф 8 | F śr | S 0 |
| мг / с ∙ м | Нм | кН | кН | кН | кН | кН | кН | кН | кН | кН | МПа |
| 1 | 114 | 29.99 | 30,78 | 31,18 | 32,73 | 31,04 | 30,91 | 29,33 | 32,3 | 27,00 | 26,04 |
| 0,1 | 182 | 46,19 | 47,71 | 49,14 | 49,35 | 48,59 | 49,9 | 47.09 | 50,28 | 48,53 | 46,81 |
| И-1 | |||||||||||
| L дизайн | L реальный | Ф 1 | Ф 2 | Ф 3 | Ф 4 | Ф 5 | Ф 6 | Ф 7 | Ф 8 | F śr | S I |
| мг / с ∙ м | мг / с ∙ м | кН | кН | кН | кН | кН | кН | кН | кН | кН | МПа |
| 1 | 2.66 | 30,99 | 31,78 | 32,18 | 33,73 | 32,04 | 31,91 | 30,33 | 33,3 | 27,87 | 22,13 |
| 0,1 | 0,39 | 47,09 | 48,61 | 50,04 | 50,25 | 49,49 | 50.8 | 47,99 | 51,18 | 49,43 | 42,93 |
Увеличение силы болтов из-за давления гелия, действующего на заглушенные концы фланцев (в обеих конфигурациях соединения), приблизительно равно 1 кН. Эти значения согласуются с приращением нагрузки, полученным в результате численных расчетов. Среднее контактное напряжение прокладки в состоянии I-0 рассчитывалось по формуле (9), а в состоянии I-1 – по формуле (10).
(9) S 0 знак равно 8 F ¯ B 0 А грамм
(10) S 1 знак равно ( 8 F ¯ B 1 – п А я ) А грамм
На основе среднего усилия в болте и значений среднего контактного напряжения прокладки были рассчитаны коэффициенты запаса прочности.На рис. 19 значения коэффициентов запаса прочности указаны в виде гистограммы. Анализ этих данных показывает, что болт был более нагруженным элементом.
Рисунок 19
Коэффициенты запаса прочности болта и прокладки при нагрузке на соединение, соответствующей герметичности L0.1
В состоянии I-0 коэффициент запаса прочности болта составлял Φ B = 0,37 для соединения с прокладкой FG_1, в то время как в стыке с прокладкой FG_2 значение составляло Φ B = 0.31. В случае нагрузки на прокладку эти значения составляли Φ G = 0,26 и Φ G = 0,23, соответственно. На рис. 20 представлен пример распределения контактных напряжений, полученный с помощью измерительной пленки FUJI.
Рисунок 20
Распределение контактных напряжений на пленке FUJI в случае соединения с прокладкой из материала FG_2 и состояния I-0, а также нагрузки, соответствующей герметичности L1.0
Используя цветовую палитру пленки FUJI, контактное напряжение было оценено в трех характерных точках прокладки, т.е.е. по внутреннему, среднему и внешнему диаметру. Согласно рис. 20 контактное напряжение на внутреннем и внешнем диаметрах лучше соответствовало эталонному цвету 28 МПа. В случае среднего диаметра цвет пленки максимально соответствовал эталонному значению 35 МПа.
7 Резюме теста и расчетов
Результаты экспериментальных испытаний подтверждают, что предложенная методика аналитических расчетов позволяет с достаточной точностью достичь предполагаемого уровня герметичности стыка.
Рассчитанные значения крутящего момента удовлетворительно обеспечивают надлежащее натяжение болта (сравните данные F B 0 , рассчитанные аналитически и определенные экспериментально). Более того, эти значения обеспечивают предполагаемую степень герметичности стыка. Кроме того, было обнаружено, что соединение оптимально нагружено, что подтверждается расчетными и проверенными значениями коэффициентов безопасности.
На рисунке 21 представлено сравнение коэффициентов безопасности, рассчитанных аналитически и численно, а также определенных экспериментально.Каждое значение было ниже допустимого уровня в соответствии с критерием (1). Другой аспект, достойный сравнения, – это рассчитанное численно и экспериментально определенное распределение контактного напряжения. Сравнение обоих результатов представлено на рис. 22. Для лучшего сравнения обоих результатов карта была представлена в серой шкале. Видно, что диапазон значений в обоих случаях считается вместе. В случае численного результата контактное напряжение составляло от 27 до 32 МПа, тогда как на карте пленки FUJI диапазон составлял от 28 до 35 МПа.Единственное противоречие между контактным напряжением, определенным пленкой FUJI и полученным численно, заключается в том, что в случае пленки FUJI контактное напряжение на внешнем диаметре уменьшается, что не соответствует численным результатам.
Рисунок 21
Перечень коэффициентов безопасности, рассчитанных аналитически и численно, а также экспериментально определенных
Рисунок 22
Сравнение численных результатов и результатов испытаний распределения контактных напряжений на прокладке FG_2 в состоянии I-0, соответствующем герметичности L1.0
Ссылки
[1] EN 1591-1. Фланцы и их соединения. Правила проектирования круглых фланцевых соединений с уплотнением. Часть 3. Расчет. 2014 Поиск в Google Scholar
[2] ESA-FSA «Рекомендации по безопасному использованию уплотнений – фланец и прокладка» Часть 1: Рекомендации по техническому обслуживанию, поиск в Google Scholar
[3] EN 1591-4 Квалификация персонала в монтаж болтовых соединений ответственных систем под давлением. 2014 Поиск в Google Scholar
[4] Kidam K., Hassin MH «Повышение внутренней безопасности и предотвращения несчастных случаев в химической промышленности путем предотвращения прошлых аварий», Journal of Chemical and Natural Resources Engineering 2008, стр. 75-86 Поиск в Google Scholar
[5] Sonnemans PJM, Korvers PMW «Несчастные случаи в химической промышленности. промышленность »Журнал предотвращения потерь в перерабатывающей промышленности, 2006 г., стр. 1–12. Поиск в Google Scholar
[6] Фуртек А. Центр передового опыта« Обзор опасных аварий на трубопроводе »при Институте атомной энергии, 2004 г. , Поиск в Google Scholar
[7] TA Luft «Первое общее административное постановление к федеральному закону о защите от выбросов – техническое руководство по чистому воздуху» 24 июля 2002 г. Поиск в Google Scholar
[8] Кодекс ASME по котлам и сосудам под давлением.Раздел VIII. Раздел 1. ASME. 2017 Поиск в Google Scholar
[9] PN-EN 13445-3 Сосуды под давлением без огневого освещения – Часть 3: Конструкция. 2014-11 / A4: 2018 Поиск в Google Scholar
[10] EN 13555. Фланцы и их соединения – Параметры прокладок и процедуры испытаний, соответствующие правилам проектирования для кольцевых фланцевых соединений с прокладками. 2014. Поиск в Google Scholar
[11] Абид М. «Сборка фланцевых соединений с прокладками на болтах с контролем момента предварительного натяга: метод конечных элементов». ASME2013 Конференция по сосудам под давлением и трубопроводам.Том 3: Дизайн и анализ. Париж. Франция. 14–18 июля. 2013. Поиск в Google Scholar
[12] Эстрада Х .. Парсонс И. Д. «Анализ конечных элементов на прочность и герметичность фланцевого соединения из стеклопластика». Международный журнал сосудов под давлением и трубопроводов. 76. 1999. 543-550. Искать в Google Scholar
[13] Джоши Д. Махадеван П. «Незначительность геометрической нелинейности при расчете фланцевого соединения с контактом металл-металл». Международный журнал сосудов под давлением и трубопроводов 84 (2007) 405–411.Искать в Google Scholar
[14] Мурали М .. Шунмугам М.С. Сива Н. «Исследование герметичности фланцевых соединений болтовых соединений с прокладками с использованием анализа методом конечных элементов» Международный журнал сосудов под давлением и трубопроводов 84 (2007) 349– 357. Искать в Google Scholar
[15] Валчак Р., Павлицкий Дж., Загурски А., Герметичность и материальные аспекты болтовых фланцевых соединений с нелинейными прокладками, Arch. Металл. Mater., Vol. 61 (2016), No 3, с. 1409–1416. Искать в Google Scholar
[16] Grzejda R., Влияние нелинейности контактного слоя между элементами, соединенными в предварительно натянутом болтовом фланцевом соединении, на рабочие силы в болтах // Механика и машиностроение. 21, № 3 (2017) с. 541-548. Поиск в Google Scholar
[17] Сава Т., Тенма К., Кобаяши Т., Куросава Р., Анализ напряжений методом конечных элементов и оценка характеристик уплотнения в соединениях с разборными фланцами коробчатой формы, подверженных внутреннему давлению, Дж. Нажмите. Vessel Technol., Т. 139, нет. 5, стр. 051202, авг.2017. Поиск в Google Scholar
[18] Цао Д .. Сюй Х. «Трехмерный анализ методом конечных элементов болтового фланцевого соединения с учетом нелинейности прокладки». Сосуды и трубопроводы под давлением ASME. Vol 382. 1999 pp 121-126. Искать в Google Scholar
Поступила: 12.02.2019
Принято: 08.04.2019
Опубликовано в сети: 12.08.2019
© 2019 П. Яшак и К. Адамек, опубликовано De Gruyter
Это произведение находится под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 Международная лицензия.
Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности. Если ваш браузер не принимает файлы cookie, вы не можете просматривать этот сайт.
Настройка вашего браузера для приема файлов cookie
Существует множество причин, по которым cookie не может быть установлен правильно. Ниже приведены наиболее частые причины:
- В вашем браузере отключены файлы cookie. Вам необходимо сбросить настройки своего браузера, чтобы он принимал файлы cookie, или чтобы спросить вас, хотите ли вы принимать файлы cookie.
- Ваш браузер спрашивает вас, хотите ли вы принимать файлы cookie, и вы отказались. Чтобы принять файлы cookie с этого сайта, используйте кнопку “Назад” и примите файлы cookie.
- Ваш браузер не поддерживает файлы cookie. Если вы подозреваете это, попробуйте другой браузер.
- Дата на вашем компьютере в прошлом. Если часы вашего компьютера показывают дату до 1 января 1970 г., браузер автоматически забудет файл cookie. Чтобы исправить это, установите правильное время и дату на своем компьютере.
- Вы установили приложение, которое отслеживает или блокирует установку файлов cookie. Вы должны отключить приложение при входе в систему или проконсультироваться с системным администратором.
Почему этому сайту требуются файлы cookie?
Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности, запоминая, что вы вошли в систему, когда переходите со страницы на страницу. Чтобы предоставить доступ без файлов cookie потребует, чтобы сайт создавал новый сеанс для каждой посещаемой страницы, что замедляет работу системы до неприемлемого уровня.
Что сохраняется в файле cookie?
Этот сайт не хранит ничего, кроме автоматически сгенерированного идентификатора сеанса в cookie; никакая другая информация не фиксируется.
Как правило, в файлах cookie может храниться только информация, которую вы предоставляете, или выбор, который вы делаете при посещении веб-сайта. Например, сайт не может определить ваше имя электронной почты, пока вы не введете его. Разрешение веб-сайту создавать файлы cookie не дает этому или любому другому сайту доступа к остальной части вашего компьютера, и только сайт, который создал файл cookie, может его прочитать.
МЕТОДЫ РАСЧЕТА ФЛАНЦЕВЫХ СОЕДИНЕНИЙ С ПЛОСКИМ УПЛОТНЕНИЕМ – Sinograf
Уплотнения рассчитываются путем проверки пригодность конкретного уплотнения или путем выбора конструктивное исполнение фланцевого соединения особенности с учетом конкретных прокладка. Это ни в коем случае не алгоритм, способный оптимизировать конструктивные особенности самой пломбы, который подбирается на основе дизайнерского или опыт пользователя. Выполнение описанные условия расчета ниже обеспечивает надежную прочность с уважение к прокладке и герметичности при водный тест.
Следует добавить, что фланцевое резьбовое соединение – это система взаимно взаимодействующих элементов: болтов, фланцев, прокладки, а также рубашки или трубопровода. В случае изменения уплотнения следует учитывать, какие изменения оно может вызвать в других компонентах. Можно предположить, что на прочность болтов и фланцев и условия нагружения не влияет изменение уплотнения, если не были превышены существующие нагрузки на монтажные и рабочие болты и не изменился средний диаметр прокладки.При рассмотрении конструкции фланцевого соединения в первую очередь необходимо учитывать данные, не зависящие от самого соединения, такие как рабочее давление в трубопроводе и номинальный диаметр, а после расчета – соответствующую ширину фланца, материал прокладки и болты. количество и качество должны быть выбраны.
В Польше используются следующие методы расчета фланцевых соединений:
Брошюра- согласно DT-UC-90 / WO-O [DT-UC-90 / WO-O Расчеты прочности]
, разработанная Управлением технического надзора UDT, с учетом следующих факторов:- đm – минимальное напряжение посадки,
- đr – минимальное рабочее напряжение, а
- b – коэффициент релаксации,
- в соответствии с немецкими правилами AD-merkblatt, с учетом конкретных расчетных коэффициентов, определенных стандартом DIN 28090-95,
- согласно US ASME Code; Раздел VIII, Раздел 1; Приложение 2, с учетом расчетных коэффициентов m и y, указанных производителем в соответствии со стандартом ASTM.
Вышеуказанные методы допущены Управлением технического надзора UDT в качестве расчетных формул для фланцевых болтовых соединений в устройствах, подлежащих техническому осмотру. Даже если все эти методы основаны на одних и тех же правилах, они отличаются способом расчетов. Следовательно, коэффициенты расчета, указанные производителями конкретных уплотнительных материалов, относятся к конкретному методу расчета и не являются взаимозаменяемыми напрямую.
Итак, для обеспечения герметичности фланцевого соединения необходимо правильно определить нагрузку на монтажный болт.Поскольку для прокладочных листов, предлагаемых Sinograf, расчетные коэффициенты y и m были определены в соответствии со стандартом США ASTM, поэтому нагрузку на монтажный болт следует рассчитывать в соответствии с ASME Code.
Нагрузка на монтажный болт «W» определяется следующими двумя значениями. Первый – это так называемая нагрузка посадки прокладки Wm2; вторая – рабочая нагрузка Wm1. Большее из этих значений принимается в качестве нагрузки на сборку болта.
Нагрузка на посадочный болт Wm2 – это сила, с которой прокладка должна быть прижата, чтобы закрыть микропоры внутри самой прокладки и заполнить неровности на стыке фланца и прокладки.Прокладка устанавливается в условиях атмосферной температуры и давления и без внутреннего рабочего давления. Посадочная нагрузка постоянна и зависит только от материала и размеров прокладки. Для графитовых уплотнений оно составляет 900–5000 фунтов на квадратный дюйм, тогда как 1000 фунтов на квадратный дюйм соответствует 68,94 бар.
Минимальная нагрузка на болт, необходимая для установки прокладки, определяется по следующей формуле (1):
(1) Wm2 = 3,14 бГр, где:
- b – активная ширина прокладки, определяемая по поверхности, заключенной между поверхностными облицовками, и фактической шириной нагруженной прокладки
- G – т. Н.диаметр активной прокладки
- y – минимальное напряжение посадки. Это параметр для материала прокладки, определяемый производителем.
Нагрузка на рабочий болт Wm1 должна выдерживать нагрузки от внутреннего давления H и обеспечивать, чтобы прокладка оставалась нагруженной давлением сжатия Hp даже после ослабления соединения. Внутреннее давление H – это сила, возникающая из расчетного рабочего давления P в эксплуатации, связанного с диаметром активной прокладки. Давление сжатия Hp выражается в кодексе ASME как “m”, кратное рабочему давлению.
Нагрузка на рабочий болт выражается формулой (2):
(2) Wm1 = H + Hp = 0,785G2P + (2bx3,14GmP), где:
- P – рабочее рабочее давление
- b – активная ширина прокладки, определяемая по поверхности, заключенной между поверхностными облицовками, и фактической шириной нагруженной прокладки
- G – т. Н. диаметр активной прокладки
- м – безразмерный расчетный коэффициент, указанный производителем уплотнения.
Из анализа приведенных выше формул в отношении графитовых уплотнений можно сделать следующие выводы:
- Поскольку уплотнения из графитовых листов имеют большой упругий возврат, рекомендуется использовать более тонкие уплотнения, что улучшает герметичность фланцевого соединения без необходимости увеличения его жесткости.
- Из-за того, что нагрузки на посадочные места графитовой прокладки меньше, чем, например, резино-асбестовые прокладки, возможна замена прокладочного материала с сохранением существующей конструкции фланцевого соединения.
Нагрузка на поверхности раздела уплотнение / фланец
На поверхность раздела уплотнение / фланец нагружается усилие болта во время сборки соединения; эта нагрузка называется нагрузкой на монтажный болт. Для герметизирующих жидкостей рекомендуется принять p мин. монтажная нагрузка:
p мин = a + bp0 [МПа], где:
- p0 – рабочее давление [МПа]
- a = 4 ÷ 5 [МПа]
- b = 3
Для уплотнительных газов эта нагрузка должна быть намного выше:
p мин = a1 + b1p0 [МПа], где:
- a1 = 18 ÷ 20 [МПа]
- b1 = 4,5
Рабочее давление снижает нагрузку на соединение.Это означает более длинные болты и меньшую монтажную нагрузку. Рельеф учитывается при выборе окончательной минимальной нагрузки на монтажный болт pm min :
pm min = p min + p0π d2 / πdśrucz [МПа], где:
- d – диаметр трубопровода
- dśr – средний диаметр уплотнения
- dśr = d + ucz
- учить – ширина уплотнения.
Проверить, чтобы монтажная нагрузка не превышала допустимую контактную нагрузку ámax для материала (указанную в таблицах свойств материалов).
Зная монтажную нагрузку и размеры уплотнения, можно определить общую нагрузку соединения и, таким образом, выбрать болты.
Фланцевые соединения с контактом за пределами окружности болта: правила проектирования ASME Часть B (Технический отчет)
Родабо, Э. С., и Мур, С. Э. Фланцевые соединения с контактом за пределами окружности болта: правила проектирования ASME, часть B. США: Н. П., 1976.
Интернет. DOI: 10.2172/7149542.
Родабо, Э. К., и Мур, С. Э. Фланцевые соединения с контактом за пределами окружности болта: правила проектирования ASME, часть B. Соединенные Штаты. https://doi.org/10.2172/7149542
Родабо, Э. К., и Мур, С. Э. Сб.
«Фланцевые соединения с контактом за пределами окружности болтов: правила проектирования ASME, часть B».Соединенные Штаты. https://doi.org/10.2172/7149542. https://www.osti.gov/servlets/purl/7149542.
@article {osti_7149542,
title = {Фланцевые соединения с контактом за пределами окружности болта: правила проектирования ASME Часть B},
author = {Родабо, Э. К. и Мур, С. Э.},
abstractNote = {Нормы ASME по котлам и сосудам под давлением, Раздел VIII, Раздел 1, содержат правила, которые подразделяются на «Часть A» и «Часть B».Часть A охватывает фланцевые соединения, где контакт между фланцами происходит через прокладку, расположенную внутри отверстий для болтов. Часть B охватывает фланцевые соединения с контактом вне болтовых отверстий. В этом отчете (a) обобщается теория фланцевых соединений части B, (b) представлены примеры, демонстрирующие существенные различия между фланцевыми соединениями части A и фланцевыми соединениями части B, (c) представлены имеющиеся данные испытаний, относящиеся к характеристикам части B фланцевые соединения, (d) дает списки двух компьютерных программ, которые можно использовать для оценки характеристик фланцевых соединений Части B, и (e) дает рекомендации по пересмотру Кодекса и другим аспектам проектирования фланцевых соединений Части B.},
doi = {10.2172 / 7149542},
url = {https://www.osti.gov/biblio/7149542},
journal = {},
number =,
volume =,
place = {United States},
год = {1976},
месяц = {5}
}
Оценка болтовых соединений и фланцев ANSI B16. 5 фланцевых соединений: правила проектирования ASME, часть A (технический отчет)
Родабо, Э.С., и Мур, С. Е. Оценка болтовых соединений и фланцев ANSI B16. 5 фланцевых соединений: правила проектирования ASME Часть A . США: Н. П., 1976.
Интернет. DOI: 10,2172 / 7246900.
Родабо, Э. К., и Мур, С. Э. Оценка болтовых соединений и фланцев ANSI B16. 5 фланцевых соединений: правила проектирования ASME Часть A . Соединенные Штаты. https: // doi.org / 10.2172 / 7246900
Родабо, Э. К., и Мур, С. Э. Пт.
«Оценка болтов и фланцев ANSI B16. 5 фланцевых соединений: правила проектирования ASME Часть A». Соединенные Штаты. https://doi.org/10.2172/7246900. https://www.osti.gov/servlets/purl/7246900.
@article {osti_7246900,
title = {Оценка болтов и фланцев ANSI B16.5 фланцевых соединений: правила проектирования ASME, часть A},
author = {Родабо, Э. К. и Мур, С. Э.},
abstractNote = {Целью представленного отчета является разработка относительно простых, но консервативных методов оценки соответствия трубопроводной продукции, используемой в трубопроводных системах Класса-1, Класса-2 и Класса-3. Достаточно обширные и подробные оценки фланцевых соединений ANSI B16.5 служат основой для разработанных относительно простых уравнений. Эти простые уравнения затем включаются в виде рекомендуемых изменений в Кодекс.},
doi = {10.2172 / 7246900},
url = {https://www.osti.gov/biblio/7246900},
journal = {},
number =,
volume =,
place = {United States},
год = {1976},
месяц = {8}
}
Как определить момент затяжки болтов для фланцевых соединений?
Контроль нагрузки имеет важное значение для обеспечения надлежащего уплотнения соединения с прокладками.В предыдущих статьях Sealing Sense изучались типы используемых прокладок, влияние отделки фланца на уплотнение прокладки и основные ошибки, которых следует избегать при правильной сборке герметичного соединения. Однако, независимо от типа прокладки, контроль нагрузки, вероятно, является наиболее важным критерием для обеспечения герметичности соединения с прокладками. Большой проблемой является то, что нагрузку на прокладку нельзя измерить напрямую и легко во время установки.
Однако прилагаемый крутящий момент на фланцевых болтах можно измерить и контролировать, и это один из наиболее часто используемых методов контроля нагрузки на прокладку.В этой статье исследуется момент затяжки болта и основные соображения по преобразованию измеряемого момента затяжки болта в нагрузку на прокладку, необходимую для герметизации фланцевого соединения.
Момент затяжки болта
Крутящий момент – это сила вращения, измеряемая в фут-фунтах (фут-фунтах) или дюйм-фунтах (дюймах-фунтах), прилагаемая для затягивания (поворота) гайки на болте. Крутящий момент можно измерить во время сборки фланца с помощью правильно откалиброванного динамометрического ключа. Во фланце с болтовым соединением приложенный крутящий момент создает осевую нагрузку на болт.Болт действует как пружина. Затягивание гайки растягивает болт, что увеличивает нагрузку на прокладку. Взаимосвязь между крутящим моментом, усилием поворота, осевым усилием болта и нагрузкой на прокладку можно выразить упрощенной формулой:
T = (k ∙ f ∙ d) / 12
Где :
T = крутящий момент, фут-фунт
k = Безразмерный коэффициент гайки
f = осевая сила в фунтах
d = Номинальный диаметр болта в дюймах
Фактор гайки – это «модифицированный» коэффициент трения, но фактор гайки включает больше, чем просто трение.Это скорее множитель «в целом», учитывая многие другие потери нагрузки. Если приложить тот же крутящий момент, коэффициент гайки 0,1 приведет к удвоению осевого усилия, чем коэффициент гайки 0,2. Небольшие изменения коэффициента затяжки гаек могут привести к большим изменениям нагрузки, испытываемой прокладкой. Это свидетельствует о необходимости хорошо смазанного болта, гайки и шайбы.
Рисунок 1. Усилия на болтовом соединении
Усилия на болтовом соединении
Как описано выше, болты действуют как пружины, стягивающие фланцы вместе.Они должны быть достаточно растянуты, чтобы выдерживать нагрузку на прокладку, когда система находится под давлением, а также при изменении давления и температуры при нормальном использовании. Дополнительная нагрузка, превышающая минимальную нагрузку, необходимую для уплотнения, придаст болтовому соединению гибкость для поглощения этих изменений нагрузки и запас прочности для поддержания уплотнения при колебаниях этих системных сил.
Предел текучести болта – это мера нагрузки, необходимой для растягивания болта до его максимальной длины или растяжения, при этом он все еще может вернуться к исходной длине.Если болт чрезмерно растянут и нагружен сверх предела текучести, болт не будет “пружинить назад” при снятии нагрузки. Болты из-за перегрузки могут растягиваться за пределы их предела текучести и фактически приводят к снижению нагрузок на прокладку после приложения дополнительных внешних и прикладных нагрузок к соединению. Продолжительное затягивание болтов не обязательно приведет к увеличению нагрузки на прокладку или остановке утечки из уплотненного соединения, а также может привести к выходу болта из строя.
Болт также может потерять сжимающую нагрузку, если он недостаточно растянут, а система расслабляется сверх того значения, на которое болт был растянут.Часто рекомендуется нагружать болт примерно на 50–60 процентов от его предела текучести, чтобы обеспечить достаточное растяжение «пружины». Однако эта рекомендация должна быть умерена с учетом величины напряжения прокладки и напряжения фланца; убедитесь, что приложенная нагрузка не приведет к перегрузке и повреждению прокладки или фланца.
Болты бывают разных марок, каждый с индивидуальным пределом текучести и свойствами. Правильный выбор болта имеет решающее значение для правильной сборки фланцевого соединения на болтах.
Требования к конструкции прокладки
У нас есть динамометрический ключ для измерения крутящего момента во время сборки и формула для расчета крутящего момента на основе нагрузки на прокладку, но какая нагрузка на прокладку необходима для создания уплотнения? Часть f, или сила, из нашего уравнения крутящего момента состоит из двух основных частей, как указано в правилах проектирования для фланцев труб с выступом в Нормах по котлам и сосудам высокого давления. Во-первых, сила, необходимая для сжатия и удержания прокладки на месте.Нагрузка, создаваемая болтами, должна сжимать прокладку, чтобы она соответствовала поверхностям фланца, и «посадить» прокладку во фланец. Это включает нагрузку или коэффициент посадки узла прокладки y.
Секунда – это объединенная сила, необходимая для:
• 1. Преодолеть гидростатические концевые силы, создаваемые внутренним давлением жидкости, пытающимся раздвинуть фланцы
• 2. Сожмите прокладку настолько, чтобы она удерживалась на месте, когда внутреннее давление пытается проникнуть через прокладку и / или уплотнительные поверхности прокладки / фланца
• 3.Сохраняйте некоторую остаточную нагрузку на прокладку после того, как гидростатическая нагрузка разгрузила прокладку, что включает коэффициент прокладки m.
Силы, необходимые для сжатия прокладки для эффективного уплотнения, зависят от типа и типа прокладки, степени герметичности фланца, жидкости в системе, а также температуры и давления. Коэффициенты прокладки ASME m и y определяют нагрузки, необходимые для прокладки, но лучше получить рекомендации от производителя прокладки. Примечание: часто перечисленные коэффициенты прокладки m и y являются необязательными, «минимальными» значениями и не обязательно говорят о герметичности данного соединения.
Уравнение Code Design, используемое для определения минимальной нагрузки посадки на прокладку, выглядит следующим образом:
Wm2 = (π • b • G ) y
Первая комбинация параметров – это в основном эффективная площадь прокладки, основанная на pi, умноженная на производную ширину прокладки b, , которая различается для различных конфигураций сжатия и типов прокладок, и G , который является диаметром реакции прокладки под нагрузкой.Получение этих значений для всех различных типов прокладок и конфигураций сжатия фланцев выходит за рамки данной статьи, но их можно найти в документации по продуктам и в Нормах по котлам и сосудам высокого давления.
Обратите внимание, что некоторые производители используют площадь прокладки намного ближе к фактической площади уплотнительной поверхности прокладки при сжатии, в отличие от эффективной площади , показанной выше, что дает гораздо более консервативное число. Это по-прежнему будет соответствовать Кодексу, поскольку Кодекс дает минимальных нагрузок .Затем эта площадь умножается на коэффициент прокладки y, чтобы получить нагрузку Wm2. Чем больше значение y, тем больше нагрузка, необходимая для «посадки» прокладки.
Второй фактор нагрузки – это комбинация двух факторов: гидростатической концевой нагрузки на фланцевое соединение и остаточной нагрузки на прокладку. Эта нагрузка определяется следующим уравнением:
Wm1 = ((π • G 2 • P) / 4) + (2 • b • π • G • m • P)
Первая часть этого уравнения представляет собой член для вычисления концевых гидростатических сил.Они рассчитываются путем умножения давления P на эффективную внутреннюю площадь прокладки (π · G 2 /4), где G – диаметр нагрузки, который обычно находится примерно в средней точке области сжатой прокладки. Второй член в приведенном выше уравнении – это требуемая остаточная нагрузка на прокладку. Оно рассчитывается путем умножения давления P на эффективную площадь прокладки (2 • b ∙ π • G ), а затем умножения этой нагрузки на коэффициент прокладки m. По сути, прокладка с более высоким коэффициентом m потребует более высокой остаточной нагрузки.
Кодекс предполагает более высокие нагрузки на монтажные болты, чем эти расчетные значения, в качестве запаса прочности против утечки в рабочих условиях и для обеспечения ослабления соединения в процессе эксплуатации. Это предполагает возможную потребность в начальных нагрузках на болты, которые могут быть намного больше, чем минимальное расчетное значение, при условии, что будут приняты во внимание чрезмерная деформация фланца и максимальная допустимая нагрузка прокладки.
Следовательно, почти все фланцы используют значительно более высокие значения нагрузки для установки .Установочные нагрузки часто более чем в два раза превышают минимальные расчетные нагрузки. Мы рекомендуем связаться с производителями прокладок для получения информации о рекомендуемой нагрузке на прокладку при установке.
Резюме
Меньшее из двух значений – Wm1 или Wm2 – определяет минимальную требуемую расчетную нагрузку на болт. Минимальная требуемая нагрузка на болт, разделенная на количество болтов во фланце, определит минимальное f или усилие, необходимое для использования уравнения крутящего момента.
После расчета крутящего момента убедитесь, что болты не растягиваются и не превышают предел текучести или некоторое заранее определенное расчетное напряжение.Кроме того, проверьте, достаточно ли растянуты болты, чтобы компенсировать ползучесть, циклическое изменение давления и температуры и другие потери нагрузки.
Подробное описание крутящего момента и нагрузки, необходимых для герметизации фланцевых соединений с болтовым соединением, можно найти в книге Джона Бикфорда «Прокладки и соединения с прокладками » Джона Бикфорда.
Мы приглашаем вас задать вопросы по вопросам герметизации и дадим наилучшие ответы на основе публикаций FSA. Пожалуйста, направляйте свои вопросы по адресу: [email protected] .
Калькулятор фланцев (труба, трубопровод) | в том числе база
Рис. 1. Типовые конструкции фланцев
Фланец – это средство соединения двух трубопроводов, таких как сопла, трубопроводы, трубопроводы, трубки и т. Д., Которые содержат текущую и / или находящуюся под давлением жидкость (и). Обычно требуется, чтобы фланцевое соединение было прочнее, чем труба или патрубок, к которому оно прикреплено, т. Е. Не является предметом слабости, потому что в противном случае из него возникнет утечка до того, как произойдет структурное разрушение.Стандартные фланцы спроектированы так, чтобы оставаться герметичными даже при превышении предела текучести.
Типы фланцев
Принципиальные конструкции фланцев показаны на рис. 1.
Хотя эти фланцы теоретически взаимозаменяемы, каждый тип обычно связан с предпочтительным применением.
Например:
Приварная шейка Фланцы (встроенные) в основном используются в трубопроводах и для наиболее сложных применений с точки зрения механических и гидростатических нагрузок.
Фланцы с муфтой (незакрепленные) обычно используются в многофазных трубопроводных системах с малым диаметром (≤3 дюймов) высокого давления, с высоким расходом, где внешняя нагрузка на фланец минимальна. Конструкция с муфтой обеспечивает проход с гладким проходом соединение значительно снижает возможность эрозии от многофазных жидкостей.
Фланцы Slip-On (незакрепленные) предназначены для тех же применений, что и конструкция Socket, за исключением того, что они более подвержены эрозии, коррозии, ударным нагрузкам и вибрации. для использования в недорогих приложениях с низким спросом.
Фланцы (свободные) с притертой кромкой предназначены для применений, в которых фланец и труба не должны свариваться. Во фланец вставляется заглушка, и заглушка приваривается к трубе встык. Этот объект удобен, если фланец и труба изготовлены из разных материалов. Эти фланцы обычно зарезервированы для применений с низким давлением и для тех, где внешние нагрузки незначительны.
Поворотное кольцо Фланцы используются для незакрепленных или встроенных фланцев, болтовое кольцо которых должно вращаться, чтобы обеспечить выравнивание шпильки и болта во время сборки.
Рифленые грани используются по ряду причин:
1) Более легкое позиционирование и обзор прокладки
2) Упрощение прокладок высокого давления (RTJ)
3) Легче установить устройство обнаружения утечек (рис. 2)
Стандартная толщина выступающей поверхности составляет 0,06 дюйма (1,5 мм) для фланцев всех номиналов до 300 фунтов включительно и 0,25 дюйма (6,35 мм) для всех других номиналов фланцев.
Выступ не включен в расчеты прочности фланцев ‘.Т.е. длина фланца (L) не включает толщину выступа.
Прокладки
Существует множество различных конструкций прокладок для фланцев, но наиболее популярными являются два типа прокладок RTJ и «спирально-навитые». Прокладки RTJ обычно состоят из мягкого железа или нержавеющей стали, а спирально-навитые прокладки обычно содержат сетку из нержавеющей стали с подходящим наполнителем.
Рис. 2. Типичное обнаружение утечек для RTJ Прокладки
RTJ предназначены для систем высокого давления и бывают разных конструкций и материалов, но все они работают одинаково в том, что они уплотняют углы кольцевой секции, в отличие от плоских прокладок, которые уплотняют на своих поверхностях.Когда фланцы устанавливаются в местах, где затруднен осмотр (например, под водой), полезно установить внешне видимое средство обнаружения утечек (рис. 2). Плунжер, изготовленный из меди, гарантирует, что на нем не будет морских зарослей.
Плоские прокладки обычно используются для трубопроводов, в отличие от трубопроводов, систем, в которых условия нагрузки менее жесткие, чем в типичных применениях RTJ. Плоские прокладки могут содержать что угодно, от полимера или растительного волокна до мягкого металла (железа, меди, алюминия и т. Д.).). Самая распространенная плоская прокладка – спирально-навитая.
Дополнительную информацию по этим элементам см. На странице технической помощи CalQlata Flange Gaskets.
Типовой проект
Размер и материал прокладки будут определять требования к нагрузке на болт на основании требований к герметизации под давлением или внешней механической нагрузки, такой как изгибающие моменты, скручивание и / или осевое напряжение.
Нагрузка на болт фланца для посадки прокладки (уплотнение под давлением) и нагрузка, необходимая для внешних сил, не суммируются.Нагрузка на болт фланца будет представлять собой наивысшее требование, т.е. либо для посадки прокладки, либо для внешней нагрузки, в зависимости от того, что больше. Важно убедиться, что материал прокладки выбран соответствующим образом.
Напряжения на фланцах
Фланец нагружается тремя способами:
1) Болтовая нагрузка
2) Внутреннее давление
3) Внешние силы и моменты
Поскольку нагрузка на болт должна быть достаточной для сдерживания внутреннего давления, а также внешних сил и моментов, нагрузка на болт всегда будет определять размер и прочность фланца.
Рис. 3. Нагрузки и напряжения на фланцах
Наибольшие напряжения, возникающие во фланце, обычно возникают на пересечении внешнего диаметра ступицы и задней части фланца в результате изгибающего момента, создаваемого между болтами и прокладкой (Рис. 3: Mᴳ = Wᴳ x hᴳ).
Поскольку самые высокие напряжения в фланце с болтовым соединением сильно локализованы и рассеиваются на очень коротком расстоянии, допускается, чтобы расчетное продольное напряжение (Sᴴ) превышало предел текучести.Однако касательные (Sᵀ) и радиальные (Sᴿ) напряжения действуют под давлением и поэтому ограничиваются пределом текучести.
Стандарты
Стандартные фланцы предназначены для установки стандартных трубопроводов для вставки и / или сварки, наиболее признанным международным стандартом для которых является API 5L, а наиболее признанными международными стандартами для фланцев являются API 605 и ANSI B16-5. Наиболее широко признанный международный код проектирования (расчета) для этих фланцев – ASME VIII. Поэтому калькулятор фланцев CalQlata преимущественно основан на этих стандартах / нормах проектирования.
Код дизайна
ASME VIII – это наиболее широко известный и признанный во всем мире проектный код для расчета фланцев трубопроводов, а ANSI B 16-5 – наиболее широко известный проектный код для трубопроводных систем. Поскольку теперь ASME и ANSI объединены, ASME / ANSI стал наиболее подходящим кодом проектирования для всех трубопроводов и трубопроводных систем. Хотя API также предоставляет проектную спецификацию (данные о размерах) для фланцев трубопроводов, он аналогичен проекту ANSI, но не предоставляет комплексных средств расчета.Сегодня почти все нормы и стандарты расчета конструкции обычно основываются на коде ASME.
Именно по этой причине CalQlata основала свой калькулятор фланцев на:
ASME VIII, раздел 1, приложения 2, P и S
Облицовка фланца
Если фланцы плакированы материалом, отличным от материала основного корпуса, например Инконель, монель, 316, дуплекс и т. Д., Материал оболочки не следует включать в расчеты фланца, поскольку они будут иметь упругие свойства, отличные от свойств основной части фланца, и, следовательно, будут по-разному реагировать на нагрузки, приложенные к фланцу. сам.
Калькулятор фланцев– Техническая помощь
Калькулятор фланцев включает базу данных размеров фланцев и средство расчета для определения их пригодности в соответствии с конструктивным кодом ASME VIII.
Входные данные соответствуют символам CalQlata, а выходные данные соответствуют кодам проектирования ASME VIII. Выходные данные приведены в соответствии с подразделом 2-3 «Обозначения» конструктивного кода, чтобы помочь вам проверить результаты вычислителя фланцев. По этой причине; где входные и выходные данные относятся к одному и тому же свойству или измерению, их символы могут отличаться, например.грамм. в то время как внутренний диаметр фланца обозначен как «Øᵢ» во входных данных, он обозначен как «B» в выходных данных.
В этом калькуляторе используются две системы единиц измерения: метрическая (мм и Н) и британская (дюймы и фунты-силы).
Советы по расчету
Если вам трудно снизить напряжение до приемлемого уровня, это, вероятно, связано с тем, что допустимое напряжение болтового соединения (σᴮ) слишком велико. Код проектирования ASME предполагает, что вы будете прикладывать допустимое напряжение болтов во время сборки.Если это окажется слишком сложным для вашего фланца, вы можете увеличить его толщину (t), уменьшить допустимое напряжение болта или (немного) уменьшить размер болта. И наоборот, если во время установки приложены недостаточные напряжения, фланец может со временем ослабнуть из-за релаксации материала и, в конечном итоге, утечки.
Уменьшение напряжения посадки (y) и коэффициента прокладки (m) также помогает снизить напряжения на фланцах. Например; попробуйте использовать Monel или Inconel® вместо нержавеющих сталей, таких как AISI 304 и 316.
Максимальная нагрузка на болт (W), которая используется для расчета напряжений фланца, выбирается из самых высоких из различных случаев нагружения: «W ‘», «Wᵐ²», «Wᴼ», «Wᴳ». Сравнивая букву W с остальными, вы увидите, какой из них вызывает проблему.
Для фланцев с притиркой см. Точность ниже.
База фланцев
База данных фланцев включает:
Конструкции: притирочная, гнездовая, надвижная и приварная шейка
Технические характеристики: ANSI, API, BS и MSS
Размеры отверстий: от ½ “до 48”
Номинальное давление: от 150 до 2500 фунтов
Входные данные
Каждый раз, когда из базы данных выбирается другая конструкция / размер фланца, автоматически обновляются следующие входные данные:
наружный диаметр (Øₒ)
диаметр стыка (Øᵂ)
внутренний диаметр (Øᵢ) #
толщина (т)
длина (L)
диаметр ступицы (Øᴴ)
диаметр выступа (Øᴿ)
количество болтов (n)
Диаметр делительной окружности (PCD)
диаметр отверстия под болт (Øᴮᴴ)
# Примечание. Внутренний диаметр (Øᵢ) не обновляется для фланцев с приварной шейкой, поскольку это переменная величина, которая не включена в код конструкции.
Все остальные размеры и свойства (перечисленные ниже) останутся неизменными при переключении между размерами фланца. Поэтому вы должны позаботиться о том, чтобы вручную обновить детали болтов, прокладок и труб / форсунок по мере необходимости.
В то время как различные допустимые напряжения материала учитываются для температуры окружающей среды и расчетной температуры (σₐ и σ соответственно), ASME обычно рекомендует, чтобы углеродистые стали начали терять прочность при температуре выше 650 ° F (340 ° C), а легированные стали – при температуре выше 100 ° F (38 ° C). ).
Размеры болтов …
Главный диаметр резьбы (Øₒᴮ)
Малый диаметр резьбы (Øᵢᴮ)
Шаг резьбы (Pᴮ)
… можно получить из программ CalQlata ThreadsThreads и Threads +.
Размеры прокладки:
Шаговый диаметр прокладки (Øᴳ) – это диаметр посередине.
его производственной ширины («N»).
Базовая ширина прокладки (bₒ) – это ширина в непосредственном контакте с фланцем при полном сжатии.Для прокладок RTJ это обычно принимается как ширина ÷ 8⁽²⁾ (ASME VIII, раздел 1, приложение 2, таблица 2-5.2)
И то, и другое необходимо будет установить вручную, если только вы не сможете импортировать их из калькулятора фланцевых прокладок CalQlata.
Следующие входные данные, относящиеся к прокладке, можно найти в:
ASME VIII, раздел 1, приложение 2, таблица 2-5.1 или техническая помощь по фланцевым прокладкам CalQlata
Коэффициент прокладки (м) колеблется от 1,0 для самых мягких (резиновых) материалов до 6.5 для нержавеющей стали
Усадочное напряжение (y) колеблется от 0,2 фунтов на квадратный дюйм для самых мягких (резиновых) материалов до 26 фунтов на квадратный дюйм для нержавеющей стали
За исключением специальных конструкций и материалов, внутреннее давление (p) не должно превышать давления, указанные в следующей таблице:
До 650 ° F (340 ° C) фланцы из углеродистой стали не должны превышать давление для каждого указанного номинального значения в диапазоне от -28 до 38 ° C
Фланцы из легированных сталей не должны превышать давление для каждого номинального значения при указанных температурах
| Н / мм² (psi) | 150 фунтов | 300 фунтов | 400 фунтов | 600 фунтов | 900 фунтов | 1500 фунтов | 2500 фунтов |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| от -28 до 38 ° C (от -18 до 100 ° F) | 1.96 (284) | 5,11 (741) | 6,81 (988) | 10,21 (1481) | 15,32 (2222) | 25,53 (3703) | 42,55 (6171) |
| 50 ° C (122 ° F) | 1,92 (278) | 5,01 (727) | 6,68 (969) | 10,02 (1453) | 15.02 (2178) | 25,04 (3632) | 41,73 (6052) |
| 100 ° C (212 ° F) | 1,77 (257) | 4,64 (673) | 6,18 (896) | 9,28 (1346) | 13,91 (2017) | 23,19 (3363) | 38,65 (5606) |
| 150 ° C (302 ° F) | 1.58 (229) | 4,52 (656) | 6,03 (875) | 9,05 (1313) | 13,57 (1968) | 22,61 (3279) | 37,69 (5466) |
| 200 ° C (392 ° F) | 1,4 (203) | 4,38 (635) | 5,84 (847) | 8,76 (1271) | 13.15 (1907) | 21,91 (3178) | 36,52 (5297) |
| 250 ° C (482 ° F) | 1,21 (175) | 4,17 (605) | 5,56 (806) | 8,34 (1210) | 12,52 (1816) | 20,86 (3025) | 34,77 (5043) |
| 300 ° C (572 ° F) | 1.02 (148) | 3,87 (561) | 5,16 (748) | 7,75 (1124) | 11,62 (1685) | 19,37 (2809) | 32,28 (4682) |
| 350 ° C (662 ° F) | 0,84 (122) | 3,7 (537) | 4,93 (715) | 7,39 (1072) | 11.09 (1608) | 18,48 (2680) | 30,8 (4467) |
| 375 ° C (707 ° F) | 0,74 (107) | 3,65 (529) | 4,86 (705) | 7,29 (1057) | 10,94 (1587) | 18,23 (2644) | 30,39 (4408) |
| 400 ° C (752 ° F) | 0.65 (94) | 3,45 (500) | 4,6 (667) | 6,9 (1001) | 10,35 (1501) | 17,25 (2502) | 28,75 (4170) |
| 425 ° C (797 ° F) | 0,56 (81) | 2,88 (418) | 3,83 (555) | 5,75 (834) | 8,63 (1252) | 14.38 (2086) | 23,96 (3475) |
| 450 ° C (842 ° F) | 0,47 (68) | 2,0 (290) | 2,67 (387) | 4,01 (582) | 6,01 (872) | 10,02 (1453) | 16,69 (2421) |
| 475 ° C (887 ° F) | 0,37 (54) | 1.35 (196) | 1,81 (263) | 2,71 (393) | 4,06 (589) | 6,77 (982) | 11,29 (1637) |
| 500 ° C (932 ° F) | 0,28 (41) | 0,88 (128) | 1,17 (170) | 1,76 (255) | 2,64 (383) | 4,4 (638) | 7.33 (1063) |
| 525 ° C (977 ° F) | 0,19 (28) | 0,52 (75) | 0,69 (100) | 1,04 (151) | 1,55 (225) | 2,59 (376) | 4,32 (627) |
| 540 ° C (1004 ° F) | 0,13 (19) | 0,33 (48) | 0.43 (62) | 0,65 (94) | 0,98 (142) | 1,63 (236) | 2,72 (395) |
Специальные конструкции
Вы можете перезаписать (изменить) любое входное значение базы данных по вашему желанию, и расчет будет исправлен с учетом вашего измененного значения. Однако, если вы измените фланец на другой размер или тип, измененное значение будет потеряно.
Расчеты надвижных фланцев могут использоваться для фланцев с муфтой более 3 дюймов, поскольку расчеты идентичны, а база данных надвижных фланцев включает размеры до 48 дюймов.Вам просто нужно включить внутреннюю кромку и выступающую поверхность в ваши окончательные чертежи / технические характеристики.
Выходные данные
Список выходных данных и символы аналогичны показанным в ASME VIII, Раздел 1, Приложение 2, 2-3 Обозначения.
Расчеты для притертых фланцев, фланцев с головкой под торцевой ключ и надвижных фланцев «свободные» в соответствии с ASME VIII.
Расчеты для фланцев с приварной шейкой являются «интегральными» в соответствии с ASME VIII.
Обратите внимание на значения для «N» и «w» (ASME VIII, раздел 1, приложение 2, таблица 2-5.2) будет автоматически установлен на ноль в этом калькуляторе, если информация о прокладках не была импортирована из калькулятора CalQlata Flange Gaskets
.Результат расчета для поворотного кольца, основанный на том же внутреннем диаметре, что и внешний диаметр ступицы (Øᴴ), приведен в нижней части страницы выходных данных. Если это напряжение слишком велико, вы просто увеличиваете толщину фланца (t) до тех пор, пока она не станет приемлемой. Если на вашем фланце нет поворотного кольца, проигнорируйте этот результат.
Эффективная посадочная ширина прокладки ‘b’ (ASME VIII, раздел 1, приложение 2, таблица 2-5.2) рассчитывается в калькуляторе фланцев на основе базовой ширины прокладки «bₒ», которую вы вводите или импортируете из калькулятора фланцевых прокладок CalQlata.
Импортированные данные
Калькулятор фланцев импортирует следующие данные из калькулятора фланцевых прокладок CalQlata:
‘Øᴳ’ (диаметр шага прокладки)
‘bₒ’ (базовая ширина прокладки)
‘N’ (ширина прокладки)
‘w’ (ширина выступа фланца)
Применимость
Эти расчеты применимы к проектам, включенным в базу данных калькулятора, и к любым изменениям размеров, которые вы в них вносите.
Фланцы применимы только к круглым фланцам типов, показанных на Рис.1
Точность
Точность этих расчетов соответствует вышеуказанному Кодексу проектирования
.Однако следует соблюдать осторожность с допустимыми напряжениями для притертых фланцев, поскольку они не обеспечивают такой же уровень поддержки, как конструкции с муфтой и вставкой, поскольку фланец не приварен к трубе. Поэтому CalQlata рекомендует, чтобы допустимые напряжения болтов и фланцев в притертых фланцах сохранялись в пределах 90% от предела текучести для рассматриваемого материала.
Банкноты
- Фланцевые прокладки обычно состоят из более мягких сплавов на основе никеля, что позволяет уменьшить переменные m и y примерно на 15%.
- В то время как ASME рекомендует, чтобы эффективная ширина прокладки (bₒ) была равна ширине прокладки, деленной на 8 для всех прокладок RTJ, прокладки, изготовленные из мягкого (чистого) железа, могут (и CalQlata считает, что должны) делиться на 6. Кроме того, ‘w’, что ASME использует для определения «bₒ» для фланцев RTJ на самом деле ширину выступа, а не ширину прокладки («N»).Поскольку в кольцевых канавках RTJ нет выступа, калькулятор фланцевых прокладок CalQlata основывает «bₒ» для прокладок RTJ на «N», а не на «w».
Дополнительная литература
Дополнительную информацию по этому вопросу можно найти в справочных публикациях (47, 48 и 49)
.