Расчет фланцевых соединений

 

Цель работы: ознакомится с основными видами конструкции фланцевых соединений, методикой расчета фланцевых соединений на прочность.

 

9.1 Основные сведения

 

В химических аппаратах для разъемного соединения составных корпусов и отдельных частей применяются фланцевые соединения преимущественно круглой формы. Фланцевые соединения должны быть прочными, жесткими, герметичными и доступными для сборки, разборки и осмотра. Фланцевые соединения стандартизованы для труб и трубной арматуры и отдельно для аппаратов. Конструкции стандартных стальных фланцев для труб и арматуры показаны на рисунке 9.1.1.

Рисунок 9.1.1– Типы фланцев

а – стальной приварной к корпусу; б – приварной встык с плоской поверхностью; в – приварной встык с выступом и впадиной; г – приварной встык с шипом и пазом (1: 2, 5 – рекомендуемый угол конусности)

 

9.2 Расчет фланцевых соединений

Расчет фланцевого соединения требует вычисления следующих расчетных величин.

Меньшая толщина конической втулки фланца (рисунок 8.2.1), м:

Отношение большей толщины втулки фланца к меньшей для приварных встык фланцев и бортов выбирают по рисунок 8.2.2, для плоских фланцев ;

Большая толщина втулки фланца для плоских приварных фланцев принимают ;

Рисунок 9.2.1 – Конструктивные размеры 4, 0 < P_У ≤ 6, 4 МПа фланца

 

Высота втулки приварного встык фланца .

Рисунок 9.2.2 – График для определения коэффициента β

 

Кроме того, определяют эквивалентную толщину втулки фланца, м:

для плоского приварного фланца ;

Диаметр болтовой окружности , м:

а) для приварных встык фланцев

б) для приварных плоских фланцев

Наружный диаметр фланца, м:

где – величина, зависящая от типа и размера гайки, м (таблица 9.2.1);

– диаметр болтовой окружности, м;

принимают кратным 10 или 5 мм;

Наружный диаметр прокладки, мм:

где – назначают в зависимости от диаметра болтов и вида прокладки (таблица 9.2.1);

Средний диаметр прокладки, м:

где – ширина прокладки, м;

Эффективную ширину прокладки находим по формулам, м:

а) для плоских прокладок:

б) для прокладок восьмиугольного и овального сечений:

Ориентировочное число болтов (шпилек):

где – шаг болтов, м.

Окончательное число болтов определяют как ближайшее большее кратное четырем;

Ориентировочную толщину фланца определяют по формуле:

где значение определяется по рисунку 9.2.3.

Расчет фланцевого соединения, работающего под внутренним давлением, проводят следующим образом.

Определяют нагрузку, действующую на фланцевое соединение от внутреннего избыточного давления:

где внутреннее избыточное давление.

Находят реакцию прокладки в рабочих условиях:

где – коэффициент, зависящий от конструкции и материала прокладки (таблица 9.2.2);

Болтовую нагрузку в условиях монтажа (до подачи внутреннего давления) определяют по формулам, МПа:

а) при

где – коэффициент жесткости фланцевого соединения;

– расчетное значение удельного давления на прокладку (таблица 9.2.2), МПа;

– число болтов;

– расчетная площадь поперечного сечения болта (шпильки) по внутреннему диаметру резьбы;

б) при

Таблица 9.2.1 – Значение и в зависимости от типа гайки и диаметра отверстий под болт

, мм	, мм	, мм
Шестигранная гайка	Шестигранная гайка с уменьшенным размером «под ключ»	Плоская прокладка	Прокладка овального сечения

 

Рисунок 9.2.3 – График для определения коэффициента

1 – для плоских приварных фланцев; 2 – для приварных встык фланцев

Таблица 9.2.2 – Расчетные параметры прокладок (ОСТ 26-373-78)

Конструкция прокладки	Материал прокладок		, МПа	, МПа
Плоская неметаллическая	Резина по ГОСТ 7338-77 с твердостью по прибору ТШР, МПа: в диапазоне 0, 76 – 1, 2 более 1, 2 Картон асбестовый по ГОСТ 2850-75 толщиной 3 мм Паронит по ГОСТ 481-71 толщиной не менее 1 мм Фторопласт-4 по ГОСТ 10007-72 толщиной 1-3 мм	0, 5 1, 0 2, 5   2, 5   2, 5	2, 0 4, 0
Плоская металлическая	Алюминий АД по ГОСТ 21631-76 Латунь Л63 по ГОСТ 2208-75 Сталь 05кп по ГОСТ 1050-74 Сталь по ГОСТ 5632-72: 08Х13 08Х18Н10Т	4, 0 4, 75 5, 5   5, 5 6, 5		-
Плоская составная	Асбест по ГОСТ 2850-75 Оболочка толщиной 0, 2-0, 3 мм: алюминиевая медная латунная из стали 05кп из стали 12Х18Н10Т	3, 25 3, 5 3, 5 3, 75 3, 75		-
Овального или восьмиугольного сечения металлическая	Сталь 05кп; 08Х13 Сталь 08Х18Н10Т	5, 5 6, 5		-

 

Болтовая нагрузка в рабочих условиях определяется по формуле:

Приведенные изгибающие моменты в диаметральном сечении фланца:

За расчетное значение принимают большее из значений и .

Условие прочности болтов:

где - допускаемые напряжения материала болта соответственно при 20 °С и рабочей температуре, МПа;

Условие прочности прокладки (только для неметаллических прокладок):

где находится по таблице 9.2.5

В случае неудовлетворения условия следует увеличить ширину прокладки.

Расчет на прочность приварных плоских фланцев и приварных встык фланцев проводят следующим образом.

Определяют:

Максимальное напряжение в сечении фланца:

где при при ; при ;

параметр определяется по рисунку 9.2.4 ;

безразмерные параметры и определяются по формулам:

где - для плоских приварных и приварных встык фланцев;

Рисунок 9.2.4 – График для определения коэффициента

Максимальное напряжение в сечении , МПа:

Окружное напряжение в кольце фланца от действия , МПа:

где – безразмерный параметр;

Напряжение во втулке фланца от внутреннего давления, МПа:

тангенциальное

меридиональное

Условие прочности фланца:

а) в сечении

б) в сечении

Если не соблюдается любое из условий прочности фланца, следует увеличить толщину фланца .

 

9.3 Пример расчета фланцевого соединения

Исходные данные: Необходимо произвести расчет плоского приварного фланца внутренним диаметром мм, с внутренним давлением среды МПа и толщиной стенки фланца мм.

Меньшая толщина конической втулки фланца (рисунок 9.2.1), м

Принимаем

При этом должно выполняться условие .

Для плоских фланцев ;

Большая толщина втулки фланца принимаем ;

Определим эквивалентную толщину втулки фланца

Диаметр болтовой окружности (основные размеры болта для крепления фланца, принимая, что используется шестигранная гайка с уменьшенным размером «под ключ» и плоская прокладка, по таблице 9.2.1

принимаем

Наружный диаметр фланца, м:

Наружный диаметр прокладки, мм:

Средний диаметр прокладки (примем ширину прокладки ), м:

Эффективную ширину прокладки находим по формуле, м:

Ориентировочное число болтов (шпилек), примем :

Окончательное число болтов

Ориентировочную толщину фланца определяют по формуле:

по рисунку 9.2.3. определяем

Определяем нагрузку, действующую на фланцевое соединение от внутреннего избыточного давления:

Находим реакцию прокладки в рабочих условиях (:

Болтовая нагрузка в условиях монтажа ( МПа), МПа:

Болтовая нагрузка в рабочих условиях определяется по формуле:

Приведенные изгибающие моменты в диаметральном сечении фланца (допускаемые напряжения материала болта при 20 °С МПа и при рабочей температуре МПа)::

За расчетное значение принимаем .

Условие прочности болтов (расчетная площадь поперечного сечения болтов определяется по формуле

:

Условие прочности прокладки (из таблицы 9.2.2

Условие прочности прокладки выполнено.

Расчет на прочность приварных плоских фланцев проводят следующим образом.

Определим:

Максимальное напряжение в сечении фланца:

где ; прибавка на коррозию

параметр для приваренных плоских фланцев

безразмерные параметры и определяются по формулам:

Максимальное напряжение в сечении , МПа:

Окружное напряжение в кольце фланца от действия , МПа:

безразмерный параметр , при угле конусности :

Напряжение во втулке фланца от внутреннего давления, МПа:

тангенциальное

меридиональное

Условие прочности фланца:

а) в сечении

б) в сечении (коэффициент )

Условие прочности фланца выполняется.

 

9.4 Задание для самостоятельного расчета фланцевого соединения

 

Выполнить расчет на прочность фланцевого соединения работающего под действием внутреннего давления. Варианты задания представлены в таблице 9.4.1

 

Таблица 9.4.1 – Исходные данные для расчета фланцевого соединения

Вариант	Тип фланца	D, мм	P, МПа	S, мм
	Плоский приварной фланец		2, 5
	Плоский приварной фланец		2, 5
	Приварной встык фланец		2, 5
	Плоский приварной фланец		2, 5
	Приварной встык фланец		1, 6
	Плоский приварной фланец		1, 6
	Приварной встык фланец		1, 6
	Плоский приварной фланец
	Приварной встык фланец		0, 6
	Плоский приварной фланец		0, 8
	Приварной встык фланец		0, 6
	Приварной встык фланец		0, 3
	Плоский приварной фланец		0, 3