3.1.7.Расчет фланцевого соединения

Герметичность фланцевого соединения обеспечивается правильным подбором материала прокладки и учётом действующих усилий. Элементы фланцевого соединения (болты и прокладки) проверяются на прочность.

Расчет фланцевого соединения люка аппарата проводится на основе отраслевого нормативно-технического документа РД 26-15-88.

Податливость болтов фланцевого соединения определяется по формуле:

λ_Б = l_Б / (z_Б · Е_Б20 · А_Б), (43)

где l_Б – приведённая длина для болтов, м;

E_б20 – модуль упругости материала болта при 20°С, Па;

z_б – число болтов (шпилек) в соединении;

A_б – минимальная площадь поперечного сечения болта, м².

Приведенная длина болтов определяется по формуле:

l_Б = h_Ф + 0.5d_Б (44)

где h_Ф – общая высота дисков фланцевого соединения, м;

d_б – наружный диаметр резьбы болта, м.

Общая высота дисков фланцевого соединения определяется по формуле:

h_Ф = 2h + s_n + 1 (45)

h – высота диска фланца, мм;

s_П – толщина прокладки, мм.

В качестве материала прокладки примем паронит общего назначения - ПОН ГОСТ 481-80. Толщина прокладки s_П = 3 мм [1, таблица 13, с.48].

Для фланца люка h = 30 мм, диаметр болтов d_Б = 20мм, количество – z_Б = 20 [1, таблица В15, с.143], А_Б = 225·10^-6 м² [1, таблица 14, с.49], Е_Б20 = 2,0·10¹¹ Па [1, таблица Б.3, с.112].

По формулам (43), (44), (45) получим:

h_Ф = 2 · 30 + 3 + 1 = 64 мм.

l_Б = 0,064 + 0.5 · 0,020 = 0,074 мм.

λ_Б = 0,074 / (20 · 2·10¹¹ · 225·10^-6) = 8,22 · 10^-11м / Н

Податливость прокладки определяется по формуле:

(46)

где b – ширина прокладки, м;

К₀ – коэффициент обжатия;

D_П.СР. – средний диаметр прокладки, м;

E_П – модуль упругости материала прокладки, Па.

Средний диаметр прокладки:

D_П.СР = D_П – b, (47)

где D_П – внешний диаметр прокладки, м.

Принимаем D_П = 457 мм, b = 12,5 мм [1, таблица В.15, с.143], модуль упругости материала прокладки Е_П = 2 · 10⁹ Па, К₀ = 0,9[1, таблица 13, с.48].

D_П.СР = 0,457– 0,0125 = 0,44 м.

7,73 · 10^-11 м / Н

Коэффициент внешней нагрузки

χ = λ_П / (λ_П + λ_Б) (48)

χ = 7,73 · 10^-11 / (7,73 · 10^-11 + 8,22 · 10^-11) = 0,485

Усилие от давления рабочей среды

F_Д = 0,25 · р_РВ · π · D_П.СР² (49)

F_Д = 0,25 · 0,8 · 10⁶ · π · (0,44)² = 124,1· 10³ Н.

Усилие, которое должно быть приложено к прокладке, чтобы обеспечивалась герметичность в рабочих условиях:

F_П2 = K_П · р_РВ · π · D_П.СР · b₀, (50)

где K_П – коэффициент материала прокладки;

b₀ - эффективная ширина прокладки, м.

Принимаем К_П =2,5 [1, таблица 13, с.48], b₀ = b = 0,0125 м [1, с.51].

F_П2 = 2,5 · 0,8 · 10⁶ · π · 0,44 · 0,0125 = 34,1 · 10³ Н.

Усилие в болтах от температурной деформации:

(51)

где t_ф, t_Б – температура болтов и фланцев соответственно, °С;

t₀ = 20°C – начальная температура, °С;

α_ф, α_Б – коэффициенты линейного расширения материалов фланцев и болтов соответственно, 1/°С;

Е_Б, Е_Б20 – модуль упругости материала болтов при рабочей и начальной температуре, Па.

Температура фланцев и болтов при отсутствии теплоизоляции составляет:

t_ф = t_С (52)

t_Б = 0,85 · t_C ≥ 20° С (53)

t_ф = t_С = 20 °C; t_Б = 20 °С.

Усилия во фланцевых соединениях

а) на стадии монтажа и герметизации; б) на стадии эксплуатации; (усилия на прокладку F_п показаны только со стороны верхнего фланца)

Рисунок 15

Коэффициенты линейного расширения и для материала фланцев (15Х5М) и для материала болтов (37Х12Н8Г8МФБ):

α_ф = 11,9 · 10^-6 1/°С α_Б = 15,9 · 10^-6 1/°С [1, таблица Б.4, с.112]

Модуль упругости для материала болтов при рабочей и начальной температурах:

Е_Б = 2 · 10¹¹ Па Е_Б20 = 2 · 10¹¹ Па [1, таблица Б.3, с.112]

По формуле (51) получим:

0 Н.

Усилие затяжки F_б1, действующее как на болты, так и на прокладку при монтаже, принимается наибольшим из двух:

F_Б1’ = F_П1’ = 0,5 · π · D_П.СР · b₀ · q_min (54)

F_Б1’’ = F_П1’’ = F_П2 + (1 - χ) · F_Д (55)

F_Б1 = max { F_Б1’; F_Б1’’} (56)

где q_min - минимальная удельная нагрузка на контактной поверхности прокладки, необходимая для заполнения неровностей уплотнительных поверхностей фланцев.

q_min = 20 МПа [1, таблица 13, с.48].

F_Б1’ = F_П1’ = 0,5 · π · 0,44 · 0,0125 · 20 ·10⁶ = 172,7 · 10³ Н

F_Б1’’ = F_П1’’ = 34,1 · 10³ + (1 – 0,485) · 124,1 · 10³ = 98 · 10³ Н

F_Б1 = max { F_Б1’; F_Б1’’} = 172,7 · 10³ Н

При действии на рабочего давления усилие на болты определяется по формуле:

F_Б2 = F_Б1 + χ · F_Д (57)

и составляет F_Б2 = 172,7 · 10³ + 0,485· 124,1 · 10³ = 23,3 · 10³ Н

Проверка прочности болтов в условиях монтажа осуществляется по условию:

(58)

где σ_Б1 – напряжения возникающие в болтах при монтаже, Па;

[σ_Б]₂₀ – допускаемые напряжения для материала болтов при t = 20°C.

Напряжения возникающие в болтах при монтаже

49,9 · 10⁶ Па,

не превышают допускаемых [σ_Б]₂₀ = 230 · 10⁶ Па[1, таблица Б.2, с.110-111].

Условие (58) выполняется.

Проверка прочности болтов в рабочих условиях осуществляется по условию:

(59)

где σ_Б2 – напряжения возникающие в болтах в рабочих условиях, Па;

[σ_Б] – допускаемые напряжения для материала болтов при рабочей температуре, Па.

Напряжения возникающие в болтах в рабочих условиях

51,7 · 10⁶ Па,

не превышают допускаемых [σ_Б] = 230 · 10⁶ Па [1, таблица Б.2, с.110-111].

Условие (59) выполняется.

Проверка прочности материала прокладки осуществляется по условию:

, (60)

где q, [q] – рабочая и допускаемая удельная нагрузка на прокладку соответственно, Па.

Удельная нагрузка на прокладку

10 · 10⁶ Па,

не превышает допускаемого значения [q] = 130 · 10⁶ Па [1, таблица 13, с.48].

Условие (60) выполняется.