9 Расчет фланцевых соединений

Цель работы: ознакомится с основными видами конструкции фланцевых соединений, методикой расчета фланцевых соединений на прочность.

9.1 Основные сведения

В химических аппаратах для разъемного соединения составных корпусов и отдельных частей применяются фланцевые соединения преимущественно круглой формы. Фланцевые соединения должны быть прочными, жесткими, герметичными и доступными для сборки, разборки и осмотра. Фланцевые соединения стандартизованы для труб и трубной арматуры и отдельно для аппаратов. Конструкции стандартных стальных фланцев для труб и арматуры показаны на рисунке 9.1.1.

Рисунок 9.1.1– Типы фланцев

а – стальной приварной к корпусу; б – приварной встык с плоской поверхностью; в – приварной встык с выступом и впадиной; г – приварной встык с шипом и пазом (1:2,5 – рекомендуемый угол конусности)

9.2 Расчет фланцевых соединений

Расчет фланцевого соединения требует вычисления следующих расчетных величин.

Меньшая толщина конической втулки фланца (рисунок 8.2.1), м:

Отношение большей толщины втулки фланца к меньшей для приварных встык фланцев и бортов выбирают по рисунок 8.2.2, для плоских фланцев;

Большая толщина втулки фланца для плоских приварных фланцев принимают ;

Рисунок 9.2.1 – Конструктивные размеры 4,0 < P_У ≤ 6,4 МПа фланца

Высота втулки приварного встык фланца.

Рисунок 9.2.2 – График для определения коэффициента β

Кроме того, определяют эквивалентную толщину втулки фланца, м:

для плоского приварного фланца ;

Диаметр болтовой окружности , м:

а) для приварных встык фланцев

б) для приварных плоских фланцев

Наружный диаметр фланца, м:

где – величина, зависящая от типа и размера гайки, м (таблица 9.2.1);

– диаметр болтовой окружности, м;

принимают кратным 10 или 5 мм;

Наружный диаметр прокладки, мм:

где – назначают в зависимости от диаметра болтов и вида прокладки (таблица 9.2.1);

Средний диаметр прокладки, м:

где – ширина прокладки, м;

Эффективную ширину прокладки находим по формулам, м:

а) для плоских прокладок:

б) для прокладок восьмиугольного и овального сечений:

Ориентировочное число болтов (шпилек):

где – шаг болтов, м.

Окончательное число болтов определяют как ближайшее большее кратное четырем;

Ориентировочную толщину фланца определяют по формуле:

где значение определяется по рисунку 9.2.3.

Расчет фланцевого соединения, работающего под внутренним давлением, проводят следующим образом.

Определяют нагрузку, действующую на фланцевое соединение от внутреннего избыточного давления:

где внутреннее избыточное давление.

Находят реакцию прокладки в рабочих условиях:

где – коэффициент, зависящий от конструкции и материала прокладки (таблица 9.2.2);

Болтовую нагрузку в условиях монтажа (до подачи внутреннего давления) определяют по формулам, МПа:

а) при

где – коэффициент жесткости фланцевого соединения;

– расчетное значение удельного давления на прокладку (таблица 9.2.2), МПа;

– число болтов;

– расчетная площадь поперечного сечения болта (шпильки) по внутреннему диаметру резьбы;

б) при

Таблица 9.2.1 – Значение и в зависимости от типа гайки и диаметра отверстий под болт

, мм	, мм		, мм
	Шестигранная гайка	Шестигранная гайка с уменьшенным размером «под ключ»	Плоская прокладка	Прокладка овального сечения
23 25 27 30 33 40 46 52	40 42 47 52 58 70 80 92	36 40 42 47 52 63 69 80	30 32 34 37 41 48 55 61	53 55 57 60 64 71 78 84

Рисунок 9.2.3 – График для определения коэффициента

1 – для плоских приварных фланцев; 2 – для приварных встык фланцев

Таблица 9.2.2 – Расчетные параметры прокладок (ОСТ 26-373-78)

Конструкция прокладки	Материал прокладок		, МПа	, МПа
Плоская неметаллическая	Резина по ГОСТ 7338-77 с твердостью по прибору ТШР, МПа: в диапазоне 0,76 – 1,2 более 1,2 Картон асбестовый по ГОСТ 2850-75 толщиной 3 мм Паронит по ГОСТ 481-71 толщиной не менее 1 мм Фторопласт-4 по ГОСТ 10007-72 толщиной 1-3 мм	0,5 1,0 2,5 2,5 2,5	2,0 4,0 20 20 10	18 20 130 130 40
Плоская металлическая	Алюминий АД по ГОСТ 21631-76 Латунь Л63 по ГОСТ 2208-75 Сталь 05кп по ГОСТ 1050-74 Сталь по ГОСТ 5632-72: 08Х13 08Х18Н10Т	4,0 4,75 5,5 5,5 6,5	60 90 125 125 180	-
Плоская составная	Асбест по ГОСТ 2850-75 Оболочка толщиной 0,2-0,3 мм: алюминиевая медная латунная из стали 05кп из стали 12Х18Н10Т	3,25 3,5 3,5 3,75 3,75	38 46 46 53 63	-
Овального или восьмиугольного сечения металлическая	Сталь 05кп; 08Х13 Сталь 08Х18Н10Т	5,5 6,5	125 180	-

Болтовая нагрузка в рабочих условиях определяется по формуле:

Приведенные изгибающие моменты в диаметральном сечении фланца:

За расчетное значение принимают большее из значений и .

Условие прочности болтов:

где - допускаемые напряжения материала болта соответственно при 20 °С и рабочей температуре, МПа;

Условие прочности прокладки (только для неметаллических прокладок):

где находится по таблице 9.2.5

В случае неудовлетворения условия следует увеличить ширину прокладки.

Расчет на прочность приварных плоских фланцев и приварных встык фланцев проводят следующим образом.

Определяют:

Максимальное напряжение в сечении фланца:

где при при ; при ;

параметр определяется по рисунку 9.2.4 ;

безразмерные параметры и определяются по формулам:

где - для плоских приварных и приварных встык фланцев;

Рисунок 9.2.4 – График для определения коэффициента

Максимальное напряжение в сечении , МПа:

Окружное напряжение в кольце фланца от действия , МПа:

где – безразмерный параметр;

Напряжение во втулке фланца от внутреннего давления, МПа:

тангенциальное

меридиональное

Условие прочности фланца:

а) в сечении

б) в сечении

Если не соблюдается любое из условий прочности фланца, следует увеличить толщину фланца .

9.3 Пример расчета фланцевого соединения

Исходные данные: Необходимо произвести расчет плоского приварного фланца внутренним диаметром мм, с внутренним давлением среды МПа и толщиной стенки фланца мм.

Меньшая толщина конической втулки фланца (рисунок 9.2.1), м

Принимаем

При этом должно выполняться условие .

Для плоских фланцев;

Большая толщина втулки фланца принимаем ;

Определим эквивалентную толщину втулки фланца

Диаметр болтовой окружности (основные размеры болта для крепления фланца, принимая, что используется шестигранная гайка с уменьшенным размером «под ключ» и плоская прокладка, по таблице 9.2.1

принимаем

Наружный диаметр фланца, м:

Наружный диаметр прокладки, мм:

Средний диаметр прокладки (примем ширину прокладки ), м:

Эффективную ширину прокладки находим по формуле, м:

Ориентировочное число болтов (шпилек), примем :

Окончательное число болтов

Ориентировочную толщину фланца определяют по формуле:

по рисунку 9.2.3. определяем

Определяем нагрузку, действующую на фланцевое соединение от внутреннего избыточного давления:

Находим реакцию прокладки в рабочих условиях (:

Болтовая нагрузка в условиях монтажа ( МПа), МПа:

Болтовая нагрузка в рабочих условиях определяется по формуле:

Приведенные изгибающие моменты в диаметральном сечении фланца (допускаемые напряжения материала болта при 20 °С МПа и при рабочей температуре МПа)::

За расчетное значение принимаем .

Условие прочности болтов (расчетная площадь поперечного сечения болтов определяется по формуле

:

Условие прочности прокладки ( из таблицы 9.2.2

Условие прочности прокладки выполнено.

Расчет на прочность приварных плоских фланцев проводят следующим образом.

Определим:

Максимальное напряжение в сечении фланца:

где ; прибавка на коррозию

параметр для приваренных плоских фланцев

безразмерные параметры и определяются по формулам:

Максимальное напряжение в сечении , МПа:

Окружное напряжение в кольце фланца от действия , МПа:

безразмерный параметр , при угле конусности :

Напряжение во втулке фланца от внутреннего давления, МПа:

тангенциальное

меридиональное

Условие прочности фланца:

а) в сечении

б) в сечении (коэффициент )

Условие прочности фланца выполняется.

9.4 Задание для самостоятельного расчета фланцевого соединения

Выполнить расчет на прочность фланцевого соединения работающего под действием внутреннего давления. Варианты задания представлены в таблице 9.4.1

Таблица 9.4.1 – Исходные данные для расчета фланцевого соединения

Вариант	Тип фланца	D, мм	P, МПа	S, мм
1	Плоский приварной фланец	100	2,5	18
2	Плоский приварной фланец	150	2,5	18
3	Приварной встык фланец	100	2,5	16
4	Плоский приварной фланец	200	2,5	16
5	Приварной встык фланец	150	1,6	16
6	Плоский приварной фланец	250	1,6	14
7	Приварной встык фланец	200	1,6	14
8	Плоский приварной фланец	300	1	12
9	Приварной встык фланец	400	0,6	12
10	Плоский приварной фланец	350	0,8	10
11	Приварной встык фланец	400	0,6	10
12	Приварной встык фланец	450	0,3	8
13	Плоский приварной фланец	450	0,3	8