Определение общего усилия и напряжения, действующего на наиболее нагруженную шпильку фланцевого соединения при работе фонтанной арматуры.

Усилия при этих двух вариантах уплотнения рассчитывают различными методами. Но в обоих случаях определяют усилия предварительной затяжки, рабочее усилие при повышении в арматуре давления, учитывают влияние разности температур откачиваемой жидкости или газа и окружающей арматуру среды и влияние веса боковых отводящих труб, подсоединенных к арматуре.

Усилие предварительной затяжки Р _зат определяют по давлению допустимого предварительного смятия

где D _ср — средний диаметр кольца; b _эф — эффективная ширина прокладки, т. е. суммарная ширина уплотняющего пояска у кольца; q — допустимое давление.

Р_эк, действующее при эксплуатации, учитывает: действие давления Р_дав, разжимающего фланцы; остаточное усилие затяжки ΔР_зат, которое должно быть достаточным для уплотнения соединения; влияние температуры перекачиваемой среды P_t; усилие отводящих манифольдов Р_ман. Две первые составляющие Р_эк равны

где р — давление в арматуре; m — прокладочный коэффициент, зависящий от упругих свойств материала прокладки (для мягкой стали m = 5,5, для более твердой m = 6,5).

При работе арматуры с газом или со смесью жидкости и газа в вводят коэффициент 2т. При подаче в скважину теплоносителя (например, пара) или отборе пластовой жидкости с высокой температурой металл арматуры около проходного сечения и прокладка нагреваются. Температура шпилек будет ниже, так как условия их охлаждения лучше. В результате температурное расширение деталей арматуры и прокладки становится больше, чем шпилек, и они нагружаются дополнительным усилием Р_t.

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

 

 

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

Масса арматуры и манифольдов, подсоединяемых к ним и оборудованных несколькими задвижками и дросселями, бывает весьма значительной. При этом не всегда отводящие трубопроводы имеют надежную опору, и поэтому часть их силы тяжести передается арматуре, что 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 большую дополнительную нагрузку на шпильки.

 

 

 

 

где М _изг — изгибающий момент, равный произведению расстояния от центра тяжести отвода до оси арматуры устья 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 шести шпильках две, расположенные ближе к отводу, будут разгружены, на двух средних нагрузка не изменится и у двух шпилек нагрузка увеличится.

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

 

 

где z — число шпилек в соединении.

Напряжение в наиболее нагруженной шпильке