Расчет усилий действующих на фланцевое соединение фонтанной арматуры

BY ADMIN · 22.12.2014

При фланцевом соединении деталей арматуры уплотнение осуществляется в основном металлическим кольцом овального или восьмиугольного сечения.

Усилие, действующее на кольцо, не должно приводить к его остаточным деформациям.

В одном из вариантов сборки фланца прокладочное кольцо соприкасается с канавками фланцев по их внутреннему и внешнему скосам [2]. Уплотнение происходит за счет упругой деформации кольца и фланцев в месте соприкосновения (рис. 1.1).

Рис. 1.1. Схема фланцевого соединения

При расчете фланца определяются усилия обжатия, рабочее усилие при повышении в арматуре давления, усилия от разности температур фланца и стягивающих шпилек при перекачке горячей среды и усилие от веса боковых отводящих труб, присоединенных к арматуре.

Для обеспечения герметичности стыка прокладка должна быть предварительно обжата для устранения неплотности прилегания под определённым давлением. Необходимое усилие обжатия [6]

(1.1)

где D_ср — средний диаметр прокладки;

b_эф — эффективная, т. е. суммарная ширина контакта прокладки (для прокладок овального и восьмиугольного сечений b_эф = b/4);

q_обж — давление на прокладку для ее обжатия (для мягкой меди q_обж = 160 МПа, мягкой стали — 250 МПа; стали типа 15Х5М — 350МПа; стали 12Х18Н9T — 400 МПа [6]).

Давление обжатия на прокладку должно быть меньше допускаемого табл. 4 [6]:

Усилие, действующее при эксплуатации Рэксп, учитывает действие давления Р_дав, разжимающее фланцы, остаточное усилие затяжки ΔР_зат, которое должно быть достаточным для уплотнения соединения, влияние температуры горячей перекачиваемой среды рt, влияние веса отводящих манифольдов Рм [2, 24]:

* (1.2)

где усилие от действия давления и остаточного усилия затяжки определяется по формуле

. (1.3)

Здесь Р_р— давление в арматуре;

m — прокладочный коэффициент, зависящий от упругих свойств материала прокладки (для резины m = 1,2; для паронита m = 1,6; для меди = 2,4; для мягкой стали m = 2,7; для хромникелевой стали m = 3,8 (табл. 4 [6])).

В случае работы арматуры с паром или газом или смеси жидкости и газа в формулу подставляют 2m.

При перекачке горячей среды металл арматуры нагревается больше, а шпильки — меньше, так как у них лучше условия охлаждения.

Считая фланцы жесткими, а шпильки и прокладку упругими, определяют дополнительную нагрузку [24]:

, (1.4)

где Δt — разность температур фланца и шпилек; °С;

h_ш — длина растягиваемой части шпилек;

α — коэффициент теплового расширения материала шпилек (для стали α = 0,11ּ10-41/ºС);

h_р — рабочая высота прокладки;

Е_ш, Е_пр — модули упругости материала шпильки и прокладки;

f_ш — площадь поперечного течения шпильки;

f_пр — площадь поперечного (горизонтального) сечения прокладки.

Рабочая высота прокладки

, (1.5)

где R — радиус закругления прокладки.

Усилие в шпильках от веса отводящих труб манифольда

, (1.6)

где М_изг — суммарный изгибающий момент от веса деталей манифольда;

D_шп — диаметр окружности крепления шпильками.

За расчетное усилие P_pac принимается большее из Р_обж и Р_эксп. Усилие на наиболее нагруженную шпильку определяется по формуле

, (1.7)

где Р_рас — большее усилие из Р_обж и Р_эксп;

n — количество шпилек.

Напряжение в шпильке

, (1.8)

где f_ш — площадь поперечного сечения шпильки по внутреннему диаметру резьбы;

η — коэффициент запаса η = 1,25 — 1,6.

Допускаемый момент затяжки шпильки ключом [6]

, (1.9)

где d — наружный диаметр резьбы шпильки;

σт — предел текучести материала шпильки.

Расчетный момент затяжки шпильки

, (1.10)

Задача 1. Рассчитать усилие обжатия и эксплуатационное усилие, действующее на фланец фонтанной арматуры с прокладкой овального сечения из стали 12Х18Н9Т. Выбрать диаметр шпилек фланца исходя из рассчитанных усилий, материала ст. 30 (σт = 300 МПа) и определить момент затяжки шпилек.

Исходные данные
Диаметр фланца	175 мм
Условный диаметр прохода	50 мм
Внутренний диаметр прокладки	85 мм
Высота прокладки	12 мм
Ширина прокладки	6 мм
Диаметр окружности крепления шпильками	135 мм
Рабочее давление	35 МПа
Температура добываемой жидкости	30°С
Количество шпилек
Рабочая высота шпильки	45 мм
Высота профиля резьбы шпильки	1,5 мм

Решение. Усилие обжатия фланца определим по формуле (1.1). Для прокладки из стали 12Х18Н9Т qобж = 400 МПа. Средний диаметр прокладки

тогда

Для определения эксплуатационного усилия воспользуемся формулой (1.2), так как температура добываемой жидкости не превышает 30°С, а данные по весу отводящих труб манифольда отсутствуют. Используем лишь первые два члена формулы (1.2), т. е. определим усилие от рабочего давления и остаточного усилия затяжки (m = 3,2):

За расчетное усилие принимаем большее из рассчитанных (Рэксп).

Усилие на наиболее нагруженную шпильку определим по формуле (1.7):

Диаметр шпильки определим из отношения (1.8), приняв коэффициент запаса η = 1,5:

Отсюда диаметр шпильки по впадине резьбы

Выберем диаметр шпильки

Напряжение в шпильке

где площадь поперечного сечения шпильки по впадине резьбы

Допустимый момент затяжки шпильки (формула (1.9))

Расчетный момент затяжки (формула (1.10))

Задача 2. По условиям предыдущей задачи рассчитать усилие обжатия и эксплуатационное усилие, действующее на фланец фонтанной арматуры с прокладкой из мягкой стали при нагнетании в скважину горячей воды и пара. Выбрать материал для шпилек, исходя из рассчитанных усилий, и определить момент затяжки шпилек.

Исходные данные
Рабочее давление	12 МПа
Температура закачиваемой смеси	300°С
Диаметр шпилек	18 мм
Вес части манифольда, приходящейся на фланец	2000 Н
Расстояние до центра тяжести части манифольда	2 м

Решение. Усилие обжатия фланца определим по формуле (1.1). Для прокладки из мягкой стали q_обж = 250 МПа. Из предыдущей задачи D_cp = 88, b_эф = 1,5 мм,

Усилие от рабочего давления и остаточного усилия затяжки определим по формуле (1.3) при m = 2,7·2 = 5,4:

Нагрузку от разности температур фланца и шпилек определим по формуле (1.4), причем разность температур в начало прогрева при 300°С составит 20°С [24]. По условию длина растягиваемой части шпилек h_ш = 45 мм.

Рабочая высота прокладки h_р = 12 — 2 = 10 мм, площадь поперечного сечения прокладки