книги / Трубопроводная арматура

где средний диаметр конуса соприкосновения пробки и корпуса:

^ Е>1 + Е>2 _ 110 + 88 _

Ф = 4°05\

sin 4°05’ = 0,0712.

Продольное усилие, необходимое для уплотнения, определяется по

удельное давление на конусной поверхности, необходимое для обеспечения плотности, определяется по следующей эмпирической зависимости (где Р в кгс/см2, а и b в мм):

Момент от действия давления среды по формуле (7.4):

Mp = V K i L=5'o lo3 o'1' ^ :f 3 = 24,75, Н м,

где коэффициент трения на конусной поверхности pR = 0,1;

усилие от действия среды Qp = А^Р = 0,005-МО6 = 5,0, кН,

где площадь проходного отверстия корпуса, перекрытая пробкой:

А р = 3,14-(40-10“ 3 )2 =0,005, м2.

Таким образом момент на пробке по формуле (7.2)

М = мк + мс + Мр = 285,0 + 1,61 + 24,75 = 311,36, Н-м.

Рис. 7.6. Конусный кран с сальником

В случае, когда кран с конусной пробкой изготовлен без сальника (натяжной) момент от сальника Мс заменяется на момент на бурте Мб и определяется по формуле (7.6):

-з 32-10“ 2

где усилие затяга конуса по формуле(7.22):

Q6 = Q= Qy = TtDKbqy = 3,14 • 0,099 • 0,011-1,2 • 106 = 4,1 кН;

242

8

ГЛАВА РАСЧЕТ ФЛАНЦЕВОГО СОЕДИНЕНИЯ

8.1 Цель расчета фланцевых соединений

Целью расчёта фланцевого соединения является создание необходимой прочности для выдержки условий влияния окружающей среды и создание прочности болтового (шпилькового) соединения [23,24,28,80].

При расчёте должно быть обеспечено условие, заключающееся в том, что при возникновении рабочего давления в трубопроводе запасы прочности болтов и фланца по отношению к действующим условиям не должно быть ниже определённой величины.

Ресурс (временный или цикловой) могут определять износ конструкции фланцевого соединения. Интенсивному изнашиванию подвергаются детали арматуры, работающие на песчаных месторождениях нефти при её фонтанировании, когда под большим давлением и со значительной скоростью через арматуру проходит поток нефти, содержащий песок.

Безотказность арматуры сохраняется при правильной её эксплуатации и тщательном техническом обслуживании, если конструкция фланцевого соединения и материал деталей выбраны правильно и соответствуют условиям работы.

Наибольшее число отказов возникает в рабочем органе арматуры в результате коррозии, эрозии, гидратообразования, замерзания воды и вибрации. Усталостное разрушение деталей происходит наиболее часто в местах концентрации напряжений, например, во фланцах, патрубках и других деталях, имеющих места концентрации напряжений.

Арматура считается герметичной при следующих условиях: при закрытом запорном органе рабочая среда не протекает из одной части в другую, отделённую арматурой, отсутствуют пористые участки, раковины, трещины, через которые могла бы просочиться рабочая среда в окружающую атмосферу.

Чтобы фланцевые соединения сохраняли герметичность, необходимо выбрать соответствующие размеры и материал прокладки и создать постоянную и равномерную затяжку фланцев. Фланцевое

244

соединение состоит из трёх элементов: фланцев, болтов и прокладки, физико-механические свойства которых значительно влияют на работу фланцевого соединения. Плотность фланцевого соединения обеспечивается путём соответствующей затяжки болтов.

8.2Конструкция фланцев и фланцевых соединений

Втрубопроводах и арматуре применяется много различных конструкций фланцевых соединений. Конструкция фланцевого соединения показана на рис. 8.1. Но почти все фланцы можно свести в две большие группы:

1.Ж ёсткие фланцы, в которых кольцевая часть фланца изготовлена заодно с цилиндрической частью, как показано на рис. 8.2.

2.Свободные фланцы, в которых кольцевая часть фланца изготовлена отдельно от цилиндрической части, и связана с ней при помощи упора, резьбы и прочих соединительных элементов, как показано на рис. 8.3.

Рис. 8.1. Конструкция фланцевого соединения

8.3 Методика расчёта фланцевых соединений

При расчёте фланцевых соединений должно обеспечиваться условие, заключающееся в том, что при возникновении рабочего давления в трубопроводе запасы прочности болтов и фланца по отношению к действующим усилиям не должны быть ниже определённой величины [5,28].

Таким образом, расчёт фланцевого соединения состоит из трёх элементов:

1.Определение величины затяга прокладки, необходимой для обеспечения плотности соединения.

2.Определение количества и размеров болтов.

3.Определение размеров фланцев.

Эти элементы расчёта необходимо рассматривать как составные части единого целого, их нельзя отрывать друг от друга, так как в различных методах применяются разные эмпирически полученные или составленные данные, которые соответствуют только данной методике расчёта.

Усилие затяга во фланцевом соединении не сохраняется

246

постоянным, оно изменяется со временем вследствие релаксации напряжений в прокладках и болтах.

Релаксация напряжений в прокладке протекает как в начальный период работы соединения вскоре после затяжки, так и в нагретом виде. Имеются сведения о том, что через 24 часа усилие затяга соединения с паронитовой прокладкой уменьшается на 30 %. Повторные затяжки ликвидируют это снижение затяга.

Релаксация напряжений в болтах и шпильках возникает в процессе эксплуатации, когда болты и шпильки нагреваются до высокой температуры. Явление текучести металла в шпильках (при высоких температурах болты не применяются) приводит к тому, что удельные давления на прокладку снижаются и могут вызвать протечку среды.

Для работы прокладки характерны два периода. Первый - до подачи среды в трубопровод, когда прокладка предварительно обжата между уплотняющими поверхностями на месте её установки с тем, чтобы на ней в известной мере отпечатался рельеф уплотняемых поверхностей. Усилие обжатия в основном зависит от материала прокладки и площади обжатия. Второй период работы прокладки начинается с того момента, когда в трубопровод поступает среда в связи с тем, что фланцевое соединение испытывает на себе влияние колебаний давления, температуры, сотрясений и т.д. В этом случае предварительно обжатая прокладка обеспечивает плотность соединения в силу своей упругости.

На характер работы фланца прокладочного соединения в условиях эксплуатации значительное влияние оказывает и соотношение между упругостью прокладки и упругостью болтов и фланца.

Применяемые в настоящее время методы расчета фланцевых соединений можно разделить на две группы:

1.Метод расчета по допускаемым напряжениям.

2.Метод расчета по допускаемым нагрузкам.

Расчет фланцев по допускаемым напряжениям применим для всех металлов при всех условиях работы. Расчет фланцев по допускаемым нагрузкам является более совершенным, но он применим лишь для нехрупких металлов, работающих при таких условиях, когда температура фланцев лежит в зоне, где основной характеристикой прочности металла является предел текучести.

Таким образом, расчет всех чугунных и стальных фланцев, работающих при высокой температуре, когда ползучесть металла приобретает большое значение, следует вести только по допускаемым напряжениям.

Типы фланцев

Жесткие фланцы.

Жёсткие фланцы — это те фланцы, в которых кольцевая часть фланца изготовлена заодно с цилиндрической частью [5,6].

Жёсткие фланцы применяют в различных соединениях трубопроводной арматуры.

Они рассчитаны на разные ступени рабочего давления (от 0,1 МПа до 40 МПа). Основными монтажными параметрами жёстких фланцев являются: условный диаметр прохода, строительная длина и высота, конструкция и присоединительные размеры проходных патрубков. Жёсткие фланцы входят в группу средних диаметров прохода от 50 до 350 мм включительно; применяются для разводящих линий трубопроводов и отдельных магистралей, изготавливаются крупносерийно. Для жёстких фланцев используются серые, ковкие и высокопрочные чугуны.

Присоединительные патрубки жёстких фланцев наиболее часто имеют фланцы, герметизация которых осуществляется прокладкой. Прокладка может изготовляться из мягкого неметаллического материала. Имеются следующие виды жёстких фланцев:

1.С соединительным выступом, литые из серого чугуна.

2.С шипом или пазом, литые из серого чугуна.

3.Без выступа литые стальные.

4.С выступом литые стальные.

Свободные фланцы.

Свободные фланцы — это те фланцы, в которых кольцевая часть изготовлена отдельно от цилиндрической и связана с ней при помощи упора, резьбы и прочих соединительных элементов.

Свободные фланцы так же применяют в различных соединениях трубопроводной арматуры. Они рассчитаны на разные ступени рабочего давления (от 0,1 до 20 МПа). Основными монтажными параметрами свободных фланцев являются: условный диаметр прохода, строительная длина и высота, конструкция и присоединительные размеры проходных патрубков.

Свободные фланцы входят в группу средних и больших диаметров прохода от 50 до 1200 мм. Используются в основном в магистральных трубопроводах, изготовляются серийно и мелкосерийно.

Для свободных фланцев используются серые и ковкие чугуны, а также стали различных марок.

Фланцевые соединения уплотняются металлическими прокладками овального сечения из сталей марок 8КП, 20, 40, твёрдость которых должна быть ниже твёрдости материала фланца. Имеются следующие виды свободных фланцев:

1. Стальные свободные на приварном кольце.

248

2.Стальные свободные с выступом.

3.Стальные свободные на отбортованной трубе.

Расчёт фланцевого соединения по типу жёсткого фланца

Расчёт усилия, необходимого для затяга прокладки. Усилие обжатия, в основном, зависит от материала прокладки и площади обжатия.

На характер работы прокладочного соединения в условиях эксплуатации значительное влияние оказывает и соотношение между упругостью прокладки и упругостью болтов и фланца.

Усилие взаимодействия прокладки и фланца в рабочих условиях:

поступления среды и возникновения усилия Qcp; ц — коэффициент, характеризующий жёсткость фланцевого соединения.

При расчёте фланцев принимают: для жёстких фланцев ц = 0,1; для свободных фланцев ц = 0,2.

Для мягких и упругих прокладок (резины и т.д.) значение ц увеличивается.

Расчёт необходимого усилия затяга прокладок разных типов может производиться по следующим данным.

Плоские неметаллические прокладки при ширине В > 4 мм и

толщине 8< 4 мм, такая прокладка показана на рис. 8.4.

Для обеспечения плотности соединения прокладка должна быть предварительно обжата на месте её установки с усилием:

неравномерность деформации прокладки.

Рекомендуется принимать для круглого фланца Кф = 1,0;

249

I

Рис. 8.4. Плоская неметаллическая прокладка

qo — удельное давление на прокладке, необходимое для создания плотности, зависящее от материала прокладки, её ширины и толщины.

При затяге фланцевого соединения вследствие изгиба фланцев прокладка обжимается неравномерно (по наружному краю сильнее, чем по внутреннему), поэтому фактически действующая ширина прокладки уменьшается. Помимо этого с увеличением ширины и толщины прокладки условия обеспечения плотности соединения улучшаются.

Для определения значения q0 используется формула:

q С

(8.3)

Ч° л/25 л/В

Здесь толщина прокладки 5 в мм, ширина В в см. Рекомендуются следующие значения qy:

qy = 2 МПа — для прокладок из паронита;

qy = 4 МПа — для прокладок из резины и пластиката;

qy = 10 — 35 МПа — для листового фторопласта (по данным различных источников);

С — коэффициент, учитывающий увеличение шероховатости и других отклонений от идеальной плоскости в связи с увеличением диаметра прокладки, который можно принимать:

250