Главная > Разное > Резьбовые и фланцевые соединения
<< Предыдущий параграф
Следующий параграф >>
<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Макеты страниц

10.4. Проверочный расчет

Расчет выполняют для оценки прочности элементов и плотности ответственных соединений.

Усилия в соединении. Фланцевое соединение рассчитывают по схеме, показанной на рис. 10.9. Изгибной жесткостью болтов пренебрегают. Фланцы относят к системе болта, трубу и прокладку — к системе корпуса.

Рис. 10.9. Конструктивная (а) и силовая (б) схемы к расчету усилий в соединении с плоской прокладкой

На соединение действует внешняя сила, обусловленная давлением рабочей среды,

где диаметр уплотнения.

В расчетах принимают полагая при этом, что рабочая среда проникает в зону контакта между фланцем и прокладкой и вдвое уменьшает ее эффективную ширину. В стандарте ASME (США) допускают, что эффективная ширина прокладки уменьшается лишь на 1/3 ее ширины.

Полная сила, действующая на болты,

где предварительная нагрузка на болты до приложения внешней силы (суммарная сила затяжки); коэффициент основной нагрузки.

После приложения внешней силы нагрузка на прокладку уменьшается до значения

Таблица 10.3. Значения для плоских прокладок

Для обеспечения герметичности необходимо выполнение условия

где усилие уплотнения стыка в рабочих условиях.

Усилие уплотнения. Сжимающая контактная нагрузка на соединение, предотвращающая утечку рабочей среды (жидкости, газа), определяется контактным давлением на прокладку в рабочих условиях Значение определяют обычно в зависимости от давления рабочей среды по формуле

где коэффициент уплотнения прокладки (прокладочный коэффициент, см. табл. 10.1).

Значение должно удовлетворять условию герметичности (10.1).

При использовании плоских прокладок усилие уплотнения определяют по формуле

где эффективная ширина прокладки; ее значение выбирают в зависимости от ширины прокладки:

Таблица 10.4. Рекомендуемые значения толщины и ширины плоских прокладок в зависимости от рабочих параметров среды

Рекомендуемые значения и соотношения для вычисления для плоских прокладок из различных материалов даны в табл. 10.3; в табл. 10.4 указаны рекомендуемые значения ширины и толщины прокладок в зависимости от рабочих параметров среды.

Рис. 10.10. Соединения с линзовой прокладкой

Для гребенчатой прокладки (см. рис. 10.4, б) можно принимать значения табл. 10.1, уменьшенные на 20 %.

При толщине прокладки принимают где число гребешков.

Для овальных, круглых и линзовых прокладок между плоскими поверхностями уплотнения (см. рис. 10.4, г, ж) можно принимать

где - радиус кривизны контактирующей поверхности прокладки.

При использовании линзовых прокладок (рис. 10.10, а) для обеспечения лучших условий контакта твердость материала линзы

должна быть несколько меньше твердости материала трубы. Усилие , действующее на линзу, и усилие уплотнения связаны соотношением

где угол трения, коэффициент трения; часто принимают Угол а обычно равен Нормальное усилие, необходимое для уплотнения,

где нагрузка на единицу длины контактной линии.

Значения выбирают в зависимости от

Нагрузку можно определить исходя из равенства контактных напряжений для создания герметичности и предела текучести материала линзы. На основании теории контактных деформаций (контакт цилиндра и полуплоскости) максимальные контактные напряжения (в середине полоски контакта, рис. 10.10, б)

где — предел текучести или модуль упругости материала линзы; радиус кривизны контактирующей поверхности линзы.

Ширина полоски контакта

Из формулы (10.13) получаем

Например, при

Увеличение при возрастании объясняется необходимостью увеличения усилий для создания контактных напряжений, равных

Сила обжатия и допускаемые давления для прокладки. Для обеспечения герметичности стыка прокладка должна быть предварительно обжата под определенным давлением (для устранения неплотности прилегания) путем затяжки болтов.

Монтажное контактное давление (давление обжатия) для соединений с плоскими прокладками находят по формуле

Необходимое монтажное усилие (сила обжатия)

Однако при очень больших значениях контактного давления на прокладку возможно ее расплющивание, образование трещин и т. п. По условию прочности монтажное контактное давление должно быть не более допускаемого, т. е.

Для плоских рифленых прокладок значения могут быть приняты на меньше указанных в табл. 10.1.

Для круглых прокладок можно использовать значения, приведенные в табл. 10.1, если давления относить к ширине прокладки

Для линзовых прокладок принимают

Допускаемое давление при, находят по формуле (10.11)

Сила затяжки фланцевых болтов. Сила затяжки болтов должна обеспечивать герметичность соединения. Исходя из равенства (10.9) получим

Силу затяжки для обеспечения герметичности в рабочих условиях выбирают с некоторым запасом на потерю затяжки:

При действии внешнего изгибающего момента к величине добавляется слагаемое

В равенстве (10.18) коэффициент, большие значения которого принимают для металлических прокладок и для прокладок, подвергающихся частому действию повторных нагрузок при повышенных температурах. Для резиновых прокладок

Для обеспечения герметичности при гидравлических испытаниях сила затяжки болтов

где пробное давление.

Значение устанавливается техническими условиями и составляет обычно

Сила затяжки должна превышать необходимую силу обжатия, т. е.

При выборе силы затяжки рассматривают все три условия (10.17)-(10.19) и принимают наибольшее значение выбранное значение должно удовлетворять условию прочности прокладки.

Давление на прокладку

Температурное усилие

где коэффициенты линейного расширения и температуры материала фланца и болтов соответственно.

Разность температур болтов и фланца обычно составляет при температуре среды при температуре среды

Разность температур в момент прогрева следует принимать в раза больше.

Коэффициент основной нагрузки соединения и податливость деталей. Коэффициент основной нагрузки соединения

где коэффициенты соответственно осевой нагрузки и внутреннего давления.

Коэффициент осевой нагрузки

где податливость прокладки, трубы, болтов и фланцев.

Коэффициент осевой нагрузки изменяется в пределах . В приближенных расчетах можно принимать: при металлических прокладках ; при мягких (исключая резиновые) ; при резиновых

Коэффициент внутреннего давления

где податливость фланца, обусловленная радиальной деформацией стенок трубьь Эта деформация вызывает поворот тарелок фланцев и уменьшает нагрузку на фланцевые болты.

В приближенных расчетах можно принимать Обычно

Приближенная формула для вычисления нагрузки на болты в рабочих условиях

Податливость болтов

где расчетная длина болта; диаметр стержня болта; число болтов; модуль упругости материала болта (с учетом температуры).

Увеличением длины на приближенно учитывается податливость витков резьбы.

Податливость прокладки

где модуль упругости материала прокладки (см, табл. 10.1). Податливость трубы

Податливость фланцев при действии осевой нагрузки определяют с учетом поворотной деформации фланца и изгиба связанной с ним цилиндрической оболочки (трубы).

Если угол поворота фланца под действием силы составляет податливость (для двух фланцев)

На основании решения, изложенного в подразд. 10.5,

Значения см. в табл. 10.2, При высокой температуре следует учитывать уменьшение модуля упругости.

Податливость фланцев при действии внутреннего давления на основании решения для двух фланцев

Расчет на прочность фланцевых болтов. Полная сила, действующая на фланцевые болты в рабочих условиях,

Усилие при монтаже должно удовлетворять условиям (10.17)-(10.19). Условие прочности фланцевых болтов

При воздействии высокой температуры проводят расчет на длительную прочность.

Рис. 10.11. Расчетная схема фланца

Коэффициент запаса прочности по пределу длительной прочности в болте

где — предел длительной прочности материала болта при рабочей температуре за время работы конструкции;

Прочность фланцевых болтов необходимо проверить при гидравлических испытаниях и при прогреве.

Напряжение в болтах при гидравлической опрессовке

Напряжение в болтах при прогреве определяют по формуле (10.30), причем значение соответствует нестационарному температурному режиму. Принимают, что соответствует максимальной температуре (при высокой температуре и большей длительности работы предел длительной прочности часто меньше предела текучести при той же температуре).

Расчет на прочность фланцев. Напряжение изгиба в трубе в месте присоединения к фланцу (сечение на рис. 10.11) определяют по формуле (10.5). В приближенных расчетах часто принимают

В самом фланце возникают окружные напряжения

где угол поворота фланца; у и радиальная и осевая координаты рассчитываемой точки.

Угол поворота фланца

Учитывая равенство (10.3), находим

В удовлетворительно работающих фланцевых соединениях допускаемый угол поворота плоских фланцев . Для фланцев, приваренных встык, и 0,013 соответственно при внутреннем диаметре фланца

В точке В (см. рис. 10.11) в двух взаимно перпендикулярных площадках действуют напряжения

Наибольшее окружное напряжение во фланцах (в точке В)

Эквивалентное напряжение

где предел прочности материала с учетом температуры и длительности работы.

Напряжения в равенстве (10.35) вычисляют по формулам (10.5) и (10.34).

Условие (10.35) обеспечивает коэффициент запаса по напряжениям

При большой конусности трубы и в трубах больших диаметров может оказаться опасным сечение в месте перехода от цилиндрической части к конической.

Изгибающий момент в сечении х

где коэффициент

координату х см. на рис. 10.11; средняя толщина конического участка.

Напряжения изгиба в сечении

где длина конической части трубы.

Окружное напряжение в этом сечении

Прочность оценивают по уравнению (10.35). Если прочность сечения обеспечивается, так как изгибающий момент быстро затухает.

При действии малоцикловых нагрузок фланцевые соединения могут выходить из строя из-за повреждений (трещин недопустимых размеров, разрушений) болтов и фланцев в зонах концентрации напряжений (деформаций).

Оценку надежности болтов в этом случае выполняют по схеме, описанной в гл. 6.

Оценку надежности фланцев часто выполняют по расчетной амплитуде напряжений

где теоретический коэффициент концентрации напряжений в расчетном сечении детали (с учетом пластических деформаций); допускаемое напряжение для материала фланца.

Расчетное напряжение в опасной точке фланца определяют также методом конечных элементов (см. далее).

Значение определяют по условной амплитуде напряжений (формула Б. Лангера)

где амплитуда деформаций (пластических и упругих) цикла; число циклов нагружений фланца до разрушения; относительное сужение площади поперечного сечения стандартного образца из материала фланца; предел выносливости при симметричном цикле напряжений стандартного образца из материала фланца.

Для фланцев (корпусов) коэффициент запаса прочности по числу циклов по напряжениям . С учетом этого получим соотношения между допускаемыми напряжениями и числом циклов до разрушения

В качестве расчетных принимаются минимальные значения получаемые по двум последним формулам. При давлении среды допускаемые напряжения уменьшают в 1,5 раза для аппаратов химической и нефтяной промышленности.

Кроме целесообразно определить коэффициент запаса прочности по разрушающей нагрузке.

Разрушающая нагрузка при кратковременном действии внешних сил

причем определяют с учетом температуры.

При длительном действии нагрузки

Коэффициент запаса прочности фланца по разрушающей нагрузке

В удовлетворительно работающих соединениях

<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Оглавление