Определение усилий, действующих на фланцевое соединение арматуры

 

Наиболее распространено соединение узлов и деталей арма­туры с по­мощью фланцев. При фланцевом соединении деталей арматуры уплотнение осу­­ществ­ляется в большинстве случаев металлическим кольцом овального или вось­­миугольного сече­ния (рис. 3.1.8, а).

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

Рис. 3.1.8. Схема фланцевого соединения деталей арматуры

 

В первом варианте (рис. 3.1.8, б) уже при сборке кольцо со­прикасается с ка­навками фланцев по их внутреннему и внешне­му скосам. Уплотнение проис­хо­дит за счет упругой деформации кольца и фланцев в месте их соп­рикос­но­ве­ния.

Во втором варианте (рис. 3.1.8, в) кольцо соприкасается в начале сборки толь­ко с внешним скосом канавки у верхнего фланца и фаски у нижнего флан­ца. При затяжке соединения шпильками кольцо уменьшается в диаметре (в пре­де­лах упругих деформаций) и доходит до внутреннего скоса канавки, в этот мо­мент затяжка прекращается.

Момент упора кольца во внутренний скос заметен по резко­му возрастанию уси­лия затяжки гаек у шпилек.

При работе уплотнения, когда в арматуре повышается давле­ние, фланцы раз­двигаются под действием давления и кольцо занимает первоначальное по­ло­же­ние (см. рис. 3.1.8, б).

Усилия при этих двух вариантах использования кольца рас­считывают раз­лич­ными методами. Но в обоих случаях опреде­ляются усилия предварительной за­тяжки, рабочее усилие при повышении в арматуре давления, учитывается влия­ние разности температур откачиваемой жидкости или газа и окружающей ар­ма­туру среды и влияние веса боковых отводящих труб, подсое­диненных к арма­туре [8].

Арматура выпускается для использования по второму вари­анту уплот­не­ния, но на практике часто применяется и первый.

Расчет усилий при уплотнении по первому варианту (см. рис. 3.1.8, б). Уси­лие предварительной затяжки (Р_зат) в этом случае определяется по давле­нию допустимого предваритель­ного смятия:

(3.1.1)

где D _ср— средний диаметр кольца (считается, что уплотнение может проис­хо­дить как по внутреннему, так и по наружному скосу канавки на фланце); b _эф — эффек­тивная ширина проклад­ки, т.е. суммарная ширина уплотняющего пояска у кольца.

Допустимое давление для мягких сталей (Ст. 2) равно 127 МПа, а для бо­лее твердых (1Х18Н9) — 172 МПа.

Усилие, действующее при эксплуатации (Р _экспл), учитывает дей­ствие дав­ле­ния (Р _раб), разжимающего фланцы, остаточное уси­лие затяжки (Р _зат), которое долж­­но быть достаточным для уплот­нения соединения, влияние температуры пе­рекачиваемой среды (РТ), влияние отводящих манифольдов (Р _ман).

Два первых составляющих Р _экспл равны:

(3.1.2)

где р — давление в арматуре; т — прокладочный коэффици­ент, зависящий от упру­гих свойств материала прокладки. Для мягкой стали он равен 5,5, для бо­лее твердой — 6,5.

В случае работы арматуры с газом или со смесью жидкости и газа в за­ви­си­мость (3.1.2) вводится коэффициент 2 перед «m».

При подаче в скважину теплоносителя (например, пара) или отборе плас­то­вой жидкости с высокой температурой масса ме­талла арматуры около про­ход­­ного сечения и прокладка нагре­ваются. Температура шпилек будет ниже, так как условия их охлаждения лучше. В результате температурное расширение основ­ного тела деталей арматуры и прокладки становится боль­ше, чем шпилек, и они нагружаются дополнительным усили­ем Р _г

Считая (для упрощения) фланцевые окончания деталей жес­ткими, а шпиль­ки и прокладку упругими, определяем возника­ющее усилие

(3.1.3)

где Δ t — разность температур фланца и шпилек; h _шп — длина растягиваемой час­ти шпильки; α — коэффициент теплового рас­ширения материала фланца, 1/°С; h _ра6 — высота прокладки меж­ду поверхностями опоры о соседние флан­цы; Е _шп, Е _пр — модули упругости материала шпилек и прокладки, соот­ветст­вен­но; f _шп, f _пр — площади горизонтального сечения шпильки и прокладки, соот­ветст­венно.

Если температура пара, проходящего через арматуру, равна 300 °С, то раз­ность температур фланца и шпилек в начале про­грева близка к 20 °С, а при уста­новившемся режиме — к 10 °С. Несмотря на небольшую разность тем­пера­тур, усилия, вызывае­мые ею, соизмеримы с усилиями, которые мы учли ранее.

Рабочая высота прокладки:

(3.1.4)

Обозначения и величины h _пи α ₁, R ₀ показаны на рис. 3.1.8.

Иногда отводы арматуры и манифольды, подсоединяемые к ним, имеют нес­колько задвижек и дросселей. Масса всех этих деталей значительна. При этом не всегда отводящие трубопро­воды имеют надежную опору, и поэтому часть их веса передает­ся арматуре. При отводе от тройника это создает момент, ко­то­рый нельзя не учитывать в расчетах. Получается рычаг, к кото­рому при­ло­же­на сила в центре тяжести отвода между тройником и надежной опорой отво­да. Рычаг опирается о прокладку флан­ца и растягивает часть шпилек. Это шпиль­ки, наиболее удален­ные от манифольда, создающего изгибающий мо­мент. Так как расстояние до центра тяжести отвода от оси арматуры измеряет­ся обыч­но метрами, а от опоры фланца до шпилек — сантимет­рами, сущест­вен­ный вес отвода создает большие дополнитель­ные нагрузки на шпильки. Эти уси­лия можно определить по следующей зависимости:

(3.1.5)

где М_изг — изгибающий момент, равный произведению рас­стояния от центра тяжес­ти отвода до оси арматуры на силу тяжести отвода; D _б — диаметр окруж­нос­ти, проведенной через оси болтов.

Поскольку это усилие воспринимается только частью шпи­лек, условно при­нимаем, что нагрузка Р_ман передается 1/3 всех шпилек соединения. Дейст­ви­тель­но, при двенадцати шпильках четыре, расположенные ближе к отводу, бу­дут разгружены, на четырех средних нагрузка не изменится и у четырех осталь­ных шпилек нагрузка увеличится.

(3.1.6)

где z — число шпилек в соединении. Напряжение в наиболее нагруженной шпиль­ке

(3.1.7)

Таким образом, общее усилие, действующее на наиболее на­груженную шпиль­ку фланцевого соединения при работе армату­ры, можно принять при­мер­но равным

Расчет усилий при уплотнении по второму варианту (см. рис. 3.1.8, в). При за­тяжке соединения с овальным кольцом во вто­ром варианте его установки оно сжи­мается по оси соединения и по радиусу. Если условно принять силу, дейст­вую­щую по радиусу, равномерно распределенной по внешней поверхнос­ти коль­ца, то кольцо можно рассматривать как толстостен­ный цилиндр (отно­ше­ние толщины цилиндра к диаметру близ­ко или более 1/10), сжимаемый внеш­ним условным давлени­ем р _ц. В этом случае большее эквивалентное напряжение (σ _экв) будет у внутренней поверхности овального кольца. Оно нахо­дится по окружному (σ _τ) и осевому (σ _z) напряжениям. Боль­шее окружное напряжение будет на внутренней поверхности прокладки:

(3.1.8)

Осевое напряжение

(3.1.9)

где r _н, r _в — наружный и внутренний радиусы прокладки, со­ответственно; Р _z — осе­вое усилие, действующее на прокладку; f _пр — площадь сечения прокладки, пер­пендикулярная к ее оси.

Радиальное напряжение у внутренней поверхности овального кольца будет при затяжке равно нулю, так как в этот период внутри арматуры избыточного дав­ления нет.

Подставляя в (3.1.10) значения σ _z и σ _τ из (3.1.8) и (3.1.9), нахо­дим:

Эквивалентное напряжение определяется по четвертой тео­рии прочности:

(3.1.10)

(3.1.11)

В то же время условное внешнее давление р₀ связано с осе­вым усилием P_z, приложенным к овальному кольцу, следующей зависимостью (см. рис. 3.1.8):

(3.1.12)

где D _п— диаметр цилиндра, проведенный через места каса­ния прокладки и фланцев,

(3.1.13)

h _ра6 — рабочая высота прокладки при применяемых углах α ₁,

(3.1.14)

Таким образом, из выражений (3.1.11) и (3.1.12) можно опре­делить P_z. При этом принимаем, что р₀ не превышает величину, при которой σ_экв ста­но­вит­ся близким к пределу текучести мате­риала прокладки σ_т, т.е. можно за­ме­нить σ_эквна σ_т с определен­ным запасом прочности. Этот запас принимается для прок­ладки обычно несколько меньшим, чем для фланца. Если запас проч­ности при расчете фланца принимается равным 2,5, то для про­кладки запас прочности ра­вен 2,25.

(3.1.15)

Однако P _zне равно усилию затяжки фланцевого соединения, так как часть уси­лия тратится на преодоление сил трения в ме­сте соприкосновения прок­лад­ки и фланца.

В некоторых случаях необходимо учитывать и силу трения. При учете сил тре­ния (рис. 3.1.9) усилие затяжки Р _затбудет

(3.1.16)

 

Рис. 3.1.9. Схема распределения уплотняющего кольца и фланца

 

Учитывая, что шероховатость поверхности канавки и прокладки мала и что пе­ред сборкой канавка и прокладка покрываются смазкой, в некоторых слу­чаях мож­но пре­небречь силой трения. При боль­ших углах а можно также пре­неб­­речь и осевыми напряжениями. Тогда упрощенное выражение для усилия за­­тяж­ки будет иметь следующий вид [10]: усилий на контакте

(3.1.17)

где k = r _в/ r _н

Для определения усилия, действующего на шпильки соеди­нения во время ра­боты арматуры, можно воспользоваться зави­симостью, предложенной АзИНмашем:

, (3.1.18)

где

 

, (3.1.19)

,

Выражение (3.1.17) получено для случая, когда прокладка при затяжке до­во­­дится до двухстороннего касания с канавкой флан­ца. При определении за­ви­си­­мости (3.1.17) были приняты допу­щения, которые приводят к занижению зна­чения А_о примерно на 30% при коэффициенте трения 0,16 (φ = 9°) и за­вы­ше­нию на 16% при коэффициенте трения 0,05 (φ = 3°). При φ = 5° значе­ния А _о,по­лу­ченные по формуле АзИНмаша и по более точным зависимостям (3.1.14), сов­падают.