МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ СХІДНОУКРАЇНСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ імені ВОЛОДИМИРА ДАЛЯ СЄВЄРОДОНЕЦЬКИЙ ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ІНСТИТУТ

О.І. Барвін, І.М. Гєнкіна, В.В. Іванченко, Г.В. Тараненко, Ю.М. Штонда

КОНСТРУЮВАННЯ І РОЗРАХУНОК

СТАЛЕВИХ ЗВАРНИХ ПОСУДИН ТА АПАРАТІВ.

ФЛАНЦЕВІ З'ЄДНАННЯ

Луганськ 2007

УДК 66.023+66.025

БК 35.11

К65

Рекомендовано Міністерством освіти і науки України як навчальний посібник для студентів вищих навчальних закладів за спеціальністю “Обладнання хімічних виробництв та підприємств будівельних матеріалів”.

(лист № 1.4/18-Г-1141 від 16.07.07.) Рецензенти:

Панов Є.М., доктор технічних наук, проф. НТУУ ”КПІ“

Юшко В.Л., доктор технічних наук, проф. УДХТУ

Склабінський В.І., доктор технічних наук, проф. СумДУ

Борисенко В.А., кандидат технічних наук, НДІХІММАШ

Відповідальний редактор В.В. Іванченко

О.І. Барвін, І.М. Гєнкіна, В.В. Іванченко, Г.В. Тараненко, Ю.М. Штонда.

К65 Конструювання і розрахунок сталевих зварних посудин та апаратів. Фланцеві з'єднання. – Луганськ: Вид-во Східноукр. нац. ун-ту імені Володимира Даля, 2007. – 306 с., 108 іл., 117 табл., 48 бібліогр назв.

ISBN

У даному посібнику наведені описи стандартних конструкцій фланцевих з’єднань, які застосовуються у хімічному машинобудуванні, а також рекомендації щодо їх вибору та розрахунку на міцність, жорсткість і герметичність.

Розрахунки фланцевих з’єднань викладені на основі діючої у хімічному машинобудуванні нормативно-технічної документації.

Наведені приклади розрахунків фланцевих з’єднань.

Посібник призначено для використання в навчальному процесі при вивченні студентами дисциплін професійної та практичної підготовки, а також в курсовому та дипломному проектуванні.

Посібник може бути корисним інженерам-механікам, які займаються проектуванням, виготовленням і експлуатацією посудин та апаратів хімічних виробництв і підприємств будівельних матеріалів.

УДК 66.023+66.025

ББК 35.11

ISBN © О.І. Барвін, І.М. Гєнкіна, В.В. Іванченко,

Г.В. Тараненко, Ю.М Штонда

© Східноукраїнський національний уні-

верситет імені Володимира Даля, 2007

ЗМІСТ

1 ЗАГАЛЬНІ ВІДОМОСТІ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

1.1 Вимоги, що пред'являються до фланцевих з'єднань . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

1.2 Класифікація фланців . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

2 КОНСТРУКЦІЇ ФЛАНЦЕВИХ З'ЄДНАНЬ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

2.1 Конструкції фланцевих з'єднань посудин та апаратів . . . . . . . . . . . . . . . 5

2.2 Конструкції з'єднань з перехідними фланцями . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

2.3 Конструкції з'єднань з арматурними фланцями . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

2.4 Конструкції заглушок . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

2.5 Приклади вибору фланцевих з'єднань . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

3 КОНСТРУКЦІЇ ТА МАТЕРІАЛИ ПРОКЛАДОК ФЛАНЦЕВИХ

З'ЄДНАНЬ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

3.1 Загальні вимоги . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

3.2 Типи прокладок для фланцевих з’єднань . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

3.3 Конструкції прокладок для фланцевих з’єднань посудин та апаратів . 30

3.4 Конструкції прокладок для арматурних фланцевих з’єднань . . . . . . . . 38

4 ВИБІР КРІПИЛЬНИХ ВИРОБІВ ДЛЯ ФЛАНЦЕВИХ З'ЄДНАНЬ . . . . . 44

5 РОЗРАХУНОК ФЛАНЦЕВИХ З'ЄДНАНЬ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

5.1 Напружений стан деталей фланцевого з’єднання . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

5.2 Розрахункові температури елементів фланцевого з’єднання . . . . . . . . . 59

5.3 Допустимі напружини . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

5.4 Розрахунок допоміжних величин . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63

5.5 Визначення коефіцієнта жорсткості фланцевого з’єднання . . . . . . . . . . 70

5.6 Розрахунок навантажень . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71

5.7 Розрахунок болтів (шпильок) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75

5.8 Розрахунок прокладок . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76

5.9 Розрахунок фланців на міцність . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76

5.10 Перевірка фланцевого з’єднання на жорсткість . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84

5.11 Розрахунок фланців на малоциклову втомленість . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85

5.12 Приклади розрахунку фланцевих з’єднань . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88

ДОДАТОК А Межі застосування фланців посудин та апаратів . . . . . . 119

ДОДАТОК Б Конструкції і розміри фланців посудин та апаратів . . . . 124

ДОДАТОК В Конструкції та розміри сталевих фланців арматури,

з’єднувальних частин і трубопроводів . . . . . . . . . . . . . . . . 165 ДОДАТОК Г Заглушки фланцеві сталеві . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202

ДОДАТОК Д Матеріали прокладок фланцевих з’єднаннь . . . . . . . . . . 220

ДОДАТОК Е Прокладки фланцевих з'єднань посудин та апаратів . . . . 230

ДОДАТОК Ж Прокладки фланцевих з'єднань арматури, з’єднуваль-

них частин та трубопроводів . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239

ДОДАТОК И Кріпильні вироби для фланцевих з’єднань . . . . . . . . . . . 269

СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303

3

1 ЗАГАЛЬНІ ВІДОМОСТІ

Окремі частини апаратів (корпуси, кришки, царги, трубні пучки, розподільні камери та ін.) з'єднуються між собою, а також з арматурою та трубопроводами за допомогою роз'ємних з'єднань.

Найпоширенішим видом роз'ємних з'єднань, що застосовуються в хімічній та інших галузях промисловості, є фланцеві з'єднання, які відрізняються простотою конструкції, легкістю збирання та розбирання і забезпечують герметичність та міцність апаратів.

Для герметичного перекриття (відглушення) отворів штуцерів на апаратах, а також для відглушення трубопроводів при проведенні ремонтних робіт та гідравлічних або пневматичних випробувань застосовуються заглушки.

1.1 Вимоги, що пред'являються до фланцевих з'єднань

До фланцевих з'єднань пред'являють наступні вимоги:

– герметичність при заданих температурі та тиску;

– достатня міцність і жорсткість;

– допустимість багатократного збирання та розбирання; – технологічність виготовлення; – взаємозамінність.

1.2 Класифікація фланців

Фланці класифікуються наступним чином:

– за призначенням – фланці посудин та апаратів; фланці арматури, з’єднувальних частин і трубопроводів;

– за конструкцією – плоскі приварні, приварні встик, перехідні фланці;

– за типом ущільнювальних поверхонь – з гладкою поверхнею (зі з’єднувальним виступом), з ущільнювальними поверхнями типів “шиппаз”, “виступ-западина”, під металеві прокладки овального та восьмикутного перерізу, під лінзову прокладку.

4

2 КОНСТРУКЦІЇ ФЛАНЦЕВИХ З'ЄДНАНЬ

2.1 Конструкції фланцевих з'єднань посудин та апаратів

Фланці посудин та апаратів (далі апаратні фланці) застосовують для з’єднання окремих складових одиниць корпусів апаратів між собою, а також як фланці люків.

ланці і прокладки до них стандартизовані по внутрішньому діаме-

тру і умовному тиску.

Базовим розміром апаратних фланців є внутрішній діаметр. Стандартами [29-31] передбачені наступні внутрішні діаметри фланців: 400,

500, 600, 700, 800, 900, 1000, 1100, 1200, 1400, 1600, 1800, 2000, 2200,

2400, 2600, 2800, 3000, 3200, 3400, 3600, 3800 та 4000 мм.

Апаратні фланці виготовляються на наступні умовні тиски: 0,3; 0,6; 1,0; 1,6; 2,5; 4,0; 6,3; 8,0; 10 та 16 МПа.

Для створення необхідної герметичності фланцевого з'єднання ущільнювальним поверхням надають певну форму. Залежно від тиску і фізико-хімічних властивостей середовища передбачені наступні типи ущільнювальних поверхонь фланців:

– гладка;

– виступ; – западина;

– шип;

– паз; – під металеву прокладку восьмикутного перерізу.

Апаратні фланці виготовляють монометалевими, облицьованими листом або наплавленими корозійностійкою сталлю.

Плоскі приварні фланці посудин та апаратів за конструкцією підрозділяються на наступні виповнення (рисунки Б.1-Б.15 додатку Б):

– 1 (монометалеві з гладкою ущільнювальною поверхнею);

– 2 (монометалеві з пазом);

– 3 (монометалеві з шипом);

– 4 (монометалеві із западиною);

– 5 (монометалеві з виступом);

– 6 (монометалеві із гладкою ущільнювальною поверхнею, облицьовані листом з корозійностійкої сталі);

– 7 (з пазом, облицьовані листом із корозійностійкої сталі);

– 8 (з шипом, облицьовані листом із корозійностійкої сталі);

5

– 9 (із западиною, облицьовані листом із корозійностійкої сталі);

– 10 (з виступом, облицьовані листом із корозійностійкої сталі);

– 11 (з гладкою ущільнювальною поверхнею, наплавлені корозійностійкою сталлю);

– 12 (з пазом, наплавлені корозійностійкою сталлю);

– 13 (з шипом, наплавлені корозійностійкою сталлю);

– 14 (із западиною, наплавлені корозійностійкою сталлю); – 15 (з виступом, наплавлені корозійностійкою сталлю).

Приварні встик фланці посудин та апаратів за конструкцією підрозділяються на наступні виповнення (рисунки Б.16-Б.27 додатку Б):

– 1 (монометалеві із западиною);

– 2 (монометалеві з виступом);

– 3 (монометалеві з пазом);

– 4 (монометалеві з шипом);

– 5 (із западиною, облицьовані листом із корозійностійкої сталі); – 6 (з виступом, облицьовані листом із корозійностійкої сталі);

– 7 (з пазом, облицьовані листом із корозійностійкої сталі); – 8 (з шипом, облицьовані листом із корозійностійкої сталі);

– 9 (із западиною, наплавлені корозійностійкою сталлю);

– 10 (з виступом, наплавлені корозійностійкою сталлю); – 11 (з пазом, наплавлені корозійностійкою сталлю); – 12 (з шипом, наплавлені корозійностійкою сталлю).

Приварні встик фланці посудин та апаратів під прокладку восьмикутного перерізу за конструкцією підрозділяються на наступні виповнення (рисунки Б.28-Б.31 додатку Б):

– 1 (монометалеві під прокладку восьмикутного перерізу);

– 2 (під прокладку восьмикутного перерізу, наплавлені корозійностійкою сталлю).

Фланцеве з'єднання (рисунки 2.1, 2.2) складається з фланців 1 , 2 , болтів (шпильок) 3 , гайок 4 та ущільнювального елементу (прокладки) 5 , який установлюється між ущільнювальними поверхнями фланців і забезпечує герметичність при затягуванні болтів або шпильок.

На рисунку 2.1 представлені апаратні фланцеві з'єднання з плоскими приварними фланцями з гладкою ущільнювальною поверхнею і ущільнювальними поверхнями типів “виступ-западина” та “шип-паз”.

Плоский приварний фланець є плоским кільцем, що приварюється до краю обичайки (втулки), завдяки чому фланець і обичайка працюють під навантаженням як єдине ціле.

6

1, 2 – фланці; 3 – болт; 4 – гайка; 5 – прокладка; 6 – втулка (обичайка)

Рисунок 2.1 – Апаратні фланцеві з’єднання з плоскими приварними фланцями

а – типу „виступ-западина”; б – типу „шип-паз”; в – з ущільнювальною поверхнею під прокладку восьмикутного

перерізу

1, 2 – фланці; 3 – шпилька; 4 – гайка; 5 – прокладка

Рисунок 2.2 – Апаратні фланцеві з’єднання з приварними встик фланцями

На рисунку 2.2 представлені апаратні фланцеві з'єднання з приварними встик фланцями із ущільнювальними поверхнями типів “виступзападина”, “шип-паз” та під прокладку восьмикутного перерізу.

Приварний встик фланець має конічну втулку яка приварюється до обичайки стиковим швом. Ці фланці застосовуються при більш високих тисках і температурах та при більшій кількості циклів навантаження (понад 2000) ніж плоскі приварні.

Перевагою фланців з гладкою ущільнювальною поверхнею є простота конструкції (технологічність виготовлення).

Для забезпечення взаємозамінності фланців всіх типів їх приєднувальні розміри (зовнішній діаметр, діаметр болтової окружності, кількість і діаметр болтових отворів) і розміри ущільнювальних поверхонь стандартизовані [29-31] і прийняті однаковими при одному і тому ж умовному тиску і внутрішніх діаметрах незалежно від конструкції та матеріалу фланця.

Межі застосування апаратних фланців наведені в таблиці 2.1 [28].

Форма ущільнювальної поверхні вибирається залежно від конструкції фланця та групи апарата.

Плоскі приварні фланці з гладкою ущільнювальною поверхнею застосовуються на умовний тиск від 0,3 до 1,6 МПа для посудин 3, 4 і 5 груп.

Фланці з ущільнювальними поверхнями типу “шип-паз” рекомендуються для прокладок, які необхідно поміщати в замкнутий об'єм (наприклад, з фторопласту), для апаратів, які працюють під вакуумом (абсолютний тиск від 0,05 до 0,001 МПа), а також для герметизації середовищ з високою проникаючою здатністю (водень, гелій, високотемпературні органічні теплоносії).

Матеріали фланців слід приймати за таблицею А.1 додатку А залежно від матеріалу обичайки (з тієї ж марки сталі або близької за властивостями), розрахункового тиску та розрахункової температури [28].

Фланці з недорогих вуглецевих і низьколегованих марок сталей виготовляють монометалевими, а фланці з аустенітних корозійностійких сталей – монометалевими переважно при невеликих розмірах. Фланці відносно великих діаметрів виготовляють облицьованими або наплавленими, при цьому несуча частина фланця виконується з вуглецевих або низьколегованих сталей, а поверхні, які торкаються середовища, захищають корозійностійкими марками сталей.

Конструкція плоского приварного фланця з гладкою ущільнювальною поверхнею, облицьованого листовою корозійностійкою сталлю, наведена на рисунку 2.3,а , а наплавленого корозійностійкою сталлю – на рисунку 2.3,б .

Таблиця 2.1 – Межі застосування апаратних фланців

Конструкція приварного встик фланця з виступом, облицьованого листовою корозійностійкою сталлю, наведена на рисунку 2.4,а , а наплавленого корозійностійкою сталлю – на рисунку 2.4,б .

Конструкції та розміри плоских приварних фланців, облицьованих і наплавлених корозійностійкою сталлю, наведені в додатку Б.

Конструкції та розміри приварних встик фланців, облицьованих і наплавлених корозійностійкою сталлю, наведені в додатку Б.

Конструкції та розміри приварних встик фланців під прокладку восьмикутного перерізу, облицьованих листом або наплавлених корозійностійкою сталлю, наведені в додатку Б.

а – облицьований листом із корозійностійкої сталі; б – наплавлений коро-

зійностійкою сталлю

Рисунок 2.3 – Конструкції плоских приварних фланців, облицьованих та наплавлених корозійностійкою сталлю

Фланці, облицьовані листом з корозійностійкої сталі, застосовують при робочій температурі не більше 100 °С.

Для контролю герметичності зварних з'єднань облицьованих фланців передбачають контрольні отвори під нарізь М10. Контроль щільності зварних з'єднань облицьованих фланців виконується пневматичним випробуванням під тиском 0,05 МПа. В робочих умовах ці отвори залишаються відкритими.

Фланці для посудин із двошарових сталей слід виготовляти зі сталі основного шару або зі сталі цього ж класу із захистом ущільнювальної та внутрішньої поверхні фланця від корозії облицюванням або наплавленням корозійностійкою сталлю.

Втулки плоских приварних фланців виконань 6-15 за стандартом [29], а також облицювання та наплавлення виготовляють зі сталей марок 08Х22Н6Т, 08Х18Н10Т, 08Х17Н15М3Т, 10Х17Н13М2Т, 12Х18Н10Т за ГОСТ 5632-72.

а – облицьований листом із корозійностійкої сталі; б – наплавлений коро-

зійностійкою сталлю

Рисунок 2.4 – Конструкції приварних встик фланців, облицьованих і наплавлених корозійностійкою сталлю

Для втулки, облицювання та наплавлення фланця застосовуються корозійностійкі сталі однієї марки.

Плоскі приварні фланці з вуглецевої сталі з втулкою зі сталі аустенітного класу можуть застосовуватися при температурі не більше 100 °С, а з втулкою з біметалу (з основним шаром з вуглецевої сталі) – до 300 °С. Їх допускається приварювати безпосередньо до обичайки (днища) з товщиною рівною або більшою ніж товщина втулки.

Радіальний зазор для плоских приварних фланців між зовнішньою поверхнею втулки (обичайки, днища) та внутрішньою поверхнею фланця не повинен перевищувати 2,5 мм.

Межі застосування апаратних фланців залежно від матеріального виповнення та розрахункової температури наведені в таблиці А.1 додатку А.

У фланцевих з’єднаннях з ущільнювальними поверхнями типів “виступ-западина” і “шип-паз”, які розташовані в горизонтальній площині, нижні фланці повинні бути, як правило, з ущільнювальними поверхнями типів „западина” або „паз”. У фланцевих з’єднаннях, які розташовані в вертикальній площині, фланці штуцерів повинні бути, як правило, з ущільнювальними поверхнями типів „западина” або „паз”.

2.2 Конструкція з’єднань з перехідними фланцями

Перехідні приварні встик фланці застосовуються переважно в кожухотрубчастих теплообмінних апаратах з плаваючою головкою. За їх допомогою кришка апарата приєднуються до кожуха.

Галузевим стандартом [36] передбачені наступні виповнення перехідних фланців під плоску прокладку:

– 1 (монометалевий з виступом);

– 2 (монометалевий з шипом);

– 3 (з виступом, наплавлений корозійностійкою сталлю); – 4 (з шипом, наплавлений корозійностійкою сталлю).

Галузевим стандартом [37] передбачені наступні виповнення перехідних фланців під металеву прокладку восьмикутного перерізу:

– 1 (монометалевий);

– 2 (наплавлений корозійностійкою сталлю).

Конструкція з’єднання з перехідними фланцями з ущільнювальними поверхнями типу “виступ-западина” наведена на рисунку 2.5, а з’єднання з перехідними фланцями з ущільнювальною поверхнею під прокладку восьмикутного перерізу – на рисунку 2.6.

Конструкції та розміри перехідних фланців наведені в додатку Б.

1 – перехідний фланець; 2 – фланець; 3 – прокладка; 4 – болт; 5 – гайка

Рисунок 2.5 – Фланцеве з’єднання типу „виступ-западина” з перехідним фланцем

Відповідні фланці, що приварюються до кришки теплообмінного апарата з плаваючою головкою, залежно від розрахункового тиску та розрахункової температури кожуха можуть бути плоскими приварними або приварними встик, а залежно від корозійних властивостей середовища – монометалевими або наплавленими корозійностійкою сталлю.

1 – перехідний фланець; 2 – фланець; 3 – прокладка; 4 – шпилька; 5 – гайка Рисунок 2.6 – Фланцеве з’єднання з ущільнювальною поверхнею під прокладку восьмикутного перерізу з перехідним фланцем

2.3 Конструкції з'єднань з арматурними фланцями

Арматурні фланці застосовуються в апаратах для з’єднання між собою окремих складових одиниць, що виготовляються з труб діаметром до 1200 мм, а також як фланці штуцерів.

Приєднання трубної арматури до апарата, а також технологічних трубопроводів для підведення та відведення рідинних та газоподібних середовищ здійснюється за допомогою штуцерів або ввідних труб.

Фланцеві штуцери (рисунок 2.7) представляють собою патрубки з привареними до них фланцями.

Арматурні фланці відрізняються за конструкцією і розмірами від фланців посудин та апаратів. Порівняно з апаратними фланцями арматурні фланці працюють в більш жорстких умовах. На ці фланці діють додаткові навантаження від ваги трубопроводів великої протяжності, від температурних коливань, вібраційні, ударні та інші.

Арматурні фланці виготовляють переважно круглої форми. Флан-

ці, що мають чотири отвори під болти (шпильки), на номінальний (умовний) тиск PN до 4,0 МПа виготовляють також квадратними.

а – штуцер з плоским приварним фланцем; б – штуцер з приварним встик

фланцем

1 – патрубок ; 2 – фланець

Рисунок 2.7 – Конструкція штуцерів посудин та аппаратів

Арматурні фланці виготовляють тільки монометалевими.

Фланці, заглушки і прокладки до них стандартизовані за номіна-

льним (умовним) тиском та умовним проходом (номінальним розміром). Умовний прохід визначає не тільки розміри труби, але і розміри приєднуваного до неї фланця. Величина умовного проходу визначається зовнішнім діаметром труби, тоді як її внутрішній діаметр залежить від товщини стінки. Так, для труб з номінальним розміром (умовним проходом) DN 50 мм зовнішній діаметр труби дорівнює 57 мм, а внутрішній діаметр змінюється залежно від товщини стінки труби.

Установлено наступний ряд номінальних розмірів (умовних проходів): 10, 15, 20, 25, 32, 40, 50, 65, 80, 100, 125; 150, 200, 250, 300, 350,

400, 500, 600, 800, 1000, 1200, 1400, 1600, 2000, 2400 та 3000 мм. Ряд номінальних (умовних) тисків для арматурних фланців: 0,1; 0,25; 0,6; 1,0; 1,6; 2,5; 4,0; 6,3; 8,0; 10; 16 та 20 МПа.

Введення понять номінального розміру (умовного проходу) та номінального (умовного) тиску дозволяє звести до мінімуму весь типорозмірний ряд арматурних фланців. Всі типи фланців з міркувань взаємозамінності на даний умовний прохід і умовний тиск мають однакові приєднувальні розміри.

Залежно від тиску і фізико-хімічних властивостей середовища передбачаються наступні виповнення ущільнювальних поверхонь фланців:

– 1 (з приєднувальним виступом);

– 2 (з виступом);

– 3 (із западиною);

– 4 (з шипом);

– 5 (з пазом);

– 6 (під лінзову прокладку);

– 7 (під прокладку овального перерізу); – 8 (з шипом під фторопластову прокладку); – 9 (з пазом під фторопластову прокладку).

Плоский приварний фланець представляє собою плоске кільце, яке приварюється до краю труби. Завдяки цьому фланець і труба працюють під навантаженням як єдине ціле.

Плоскі приварні фланці рекомендується застосовувати при номінальному (умовному) тиску PN від 0,1 до 2,5 МПа і температурі від мінус 70 до плюс 300 ºС.

Плоскі арматурні фланці за конструкцією підрозділяються на наступні виповнення (рисунки В.1-В.3 додатку В):

– 1 (зі з’єднувальним виступом); – 2 (з виступом); – 3 (із западиною).

Допускається виготовлення плоских приварних фланців із ущільнювальними поверхнями виповнень 4, 5, 8 і 9 (рисунки В.4, В.5 додатку В). Розміри ущільнювальних поверхонь фланців виповнень 4, 5 наведені в таблиці В.1, а виповнень 8, 9 – в таблиці В.2 додатку В.

На рисунку 2.8 представлені фланцеві з’єднання з плоскими приварними фланцями з ущільнювальними поверхнями зі з’єднувальним виступом (з гладкою ущільнювальною поверхнею) і типу “виступзападина”.

а – зі з’єднувальним виступом (з гладкою ущільнювальною поверхнею);

б – типу “виступ-западина”

1 , 2 – фланці; 3 – прокладка; 4 – болт; 5 – гайка; 6 – патрубок

Рисунок 2.8 – Фланцеві з'єднання з плоскими приварними арматурними фланцями

На рисунку 2.9 представлені фланцеві з’єднання з приварними встик фланцями з ущільнювальними поверхнями зі з’єднувальним виступом, типів “виступ-западина”, “шип-паз” і під прокладку овального перерізу.

На рисунку 2.10 представлені фланцеві з’єднання з приварними встик фланцями з ущільнювальною поверхнею під лінзову прокладку.

Фланцеве з’єднання складається з фланців 1 і 2, ущільнювального елементу (прокладки) 3, який встановлюється між ущільнювальними поверхнями фланців і забезпечує його герметичність, болтів (шпильок) 4 та гайок 5.

а – зі з’єднувальним виступом; б – типу “виступ-западина”; в – типу “шип-паз”; г – з ущільнювальною поверхнею під прокладку овального перерізу 1, 2 – фланці; 3 – прокладка; 4 – болт (шпилька); 5 – гайка

Рисунок 2.9 – Фланцеве з'єднання з приварними встик фланцями

1, 2 – фланці; 3 – прокладка лінзова; 4 – шпилька; 5 – гайка

Рисунок 2.10 – Фланцеве з'єднання з приварними встик арматурними фланцями і ущільнювальною поверхнею під лінзову прокладку

Приварний встик фланець має конічну втулку і приварюється до труби стиковим швом. Ці фланці застосовуються при більш високих тисках та температурах і при більшій кількості циклів навантаження (понад 2000) ніж плоскі приварні.

Приварні встик арматурні фланці рекомендується застосовувати на номінальний (умовний) тиск PN від 0,1 до 20,0 МПа і при температурі від мінус 253 до плюс 600 ºС.

Приварні встик арматурні фланці за конструкцією підрозділяються на наступні виповнення (рисунки В.7-В.13 додатку В):

– 1 (зі з’єднувальним виступом);

– 2 (з виступом);

– 3 (із западиною);

– 4 (з шипом);

– 5 (з пазом);

– 6 (під лінзову прокладку);

– 7 (під прокладку овального перерізу); – 8 (з шипом під фторопластову прокладку); – 9 (з пазом під фторопластову прокладку).

Конструкцію фланців вибирають залежно від розрахункового тиску і розрахункової температури.

Типи і межі застосування арматурних фланців залежно від умовно-

го проходу, умовного тиску та температури наведені в таблиці 2.2 [20].

Таблиця 2.2 – Типи і межі застосування арматурних фланців

Форма ущільнювальної поверхні арматурних фланців вибирається залежно від конструкції фланця і групи трубопроводу.

Плоскі приварні фланці з гладкою ущільнювальною поверхнею застосовуються лише для посудин 3, 4 і 5 груп. Для посудин 1 і 2 груп необхідно застосовувати фланці з ущільнювальними поверхнями типів “виступ-западина” і “шип-паз”, причому перевагу слід віддавати першим.

Фланці з ущільнювальними поверхнями типу “шип-паз” рекомендуються для прокладок, які необхідно поміщати в замкнутий об’єм (наприклад, з фторопласту), для умов вакууму (абсолютний тиск від 0,05 до 0,001 МПа), а також для герметизації середовищ з високою проникаючою здатністю (водень, гелій, високотемпературні органічні теплоносії).

Трубопроводи залежно від фізико-хімічних властивостей речовин, що транспортуються, підрозділяються на групи, що наведені в таблиці 2.3 [7].

При виборі типу ущільнювальної поверхні фланців трубопроводів слід керуватися таблицею 2.4 [7].

Для трубопроводів груп А і Б технологічних об’єктів I категорії вибухонебезпеки не допускається застосування фланцевих з’єднань з гладкою ущільнювальною поверхнею за винятком застосування спірально-навитих прокладок.

У фланцевих з’єднаннях вертикальних штуцерів з ущільнювальними поверхнями типів “виступ-западина” і “шип-паз” нижні фланці, а також фланці на горизонтальних штуцерах повинні бути, як правило, з ущільнювальними поверхнями типів „западина” або „паз”.

Таблиця 2.3 – Групи технологічних трубопроводів

Таблиця 2.4 – Вибір типу ущільнювальної поверхні фланців

2.4 Конструкції заглушок

Для відглушення отворів штуцерів на апаратах, а також для відглушення трубопроводів при проведенні ремонтних робіт та гідравлічних або пневматичних випробувань застосовуються заглушки.

Сталеві фланцеві заглушки [42] призначені для герметичного закриття отворів штуцерів або бобишок посудин та апаратів на номінальний (умовний) тиск PN від 0,6 до 16 МПа і при температурі від мінус 70 до плюс 600 °С в хімічній, нафтохімічній, нафтопереробній та інших галузях промисловості.

Фланцеві заглушки виготовляють п'яти виповнень:

– виповнення 1 – заглушки зі з’єднувальним виступом на номінальний (умовний) тиск PN від 0,6 до 4,0 МПа;

– виповнення 2 – заглушки з виступом на номінальний (умовний) тиск PN від 1,0 до 6,3 МПа; – виповнення 3 – заглушки з шипом на номінальний (умовний) тиск PN від 0,6 до 6,3 МПа;

– виповнення 4 – заглушки під прокладку овального перерізу на номінальний (умовний) тиск PN від 6,3 до 16,0 МПа;

– виповнення 5 – заглушки із западиною на номінальний (умовний) тиск PN від 0,6 до 4,0 МПа.

Конструкції та розміри заглушок наведені в додатку Г.

2.5 Приклади вибору фланцевих з’єднань

Приклад 1

Підібрати фланцеве з'єднання для трубопроводу водяної пари зі сталі 20 з номінальним розміром (умовним проходом ) DN 150 мм, що працює під робочим тиском РN 3,5 МПа та температурі середовища плюс 240 °С.

За таблицею 2.2 для заданих номінального тиску та температури приймаємо фланці приварні встик. За таблицею 2.3 для технологічного трубопроводу, який транспортує негорючі речовини, приймаємо групу трубопроводу В. За таблицею 2.4 для трубопроводу групи В при номінальному (умовному ) тиску PN 3,5 МПа приймаємо фланці з ущільнювальними поверхнями типу „виступ-западина”.

Для трубопроводу зі сталі 20 приймаємо матеріал фланця сталь 20. За таблицею 4.2 для сталевих приварних встик фланців зі сталі 20 на умовний тиск від 0,1 до 20,0 МПа приймаємо матеріал болтів стальмарки 35Х і гайок сталь 35.

Конструкції фланців наведені на рисунках 2.11 і 2.12.

Розміри фланця з виступом (виповнення 2 ), зі сталі 20, з номінальним розміром (умовним проходом ) DN 150 мм, на номінальний (умовний ) тиск PN 4 МПа приймаємо за таблицею В.3 додатку В:

d₁ = 145 мм; D=300 мм; D₁ =250 мм; D₂ =212 мм; D₄ =203 мм; D_n =161 мм; D_m =186 мм; b=27 мм; h=3 мм; h₂ =3 мм; h₄ =68 мм; n=8 мм; d=26 мм; болти М24.

Умовне позначення фланця:

Фланец 2-150-40 ст. 20 ГОСТ 12821-80.

Розміри фланця з западиною (виповнення 3 ), зі сталі 20, з номінальним розміром (умовним проходом ) DN 150 мм, на номінальний (умовний ) тиск PN 4 МПа приймаємо за таблицею В.3 додатку В:

d₁ =145 мм; D=300 мм; D₁ =250 мм; D₂ =212 мм; D₆ =204 мм; D_n =161 мм; D_m =186 мм; b=27 мм; h=3 мм; h₂ =3 мм; n=8 мм; h₄ =68 мм; d=26 мм; болти та гайки М24.

Рисунок 2.11 – Фланець приварний встик з виступом (виповнення 2 ) Умовне позначення фланця:

Фланец 3-150-40 ст. 20 ГОСТ 12821-80.

За таблицею Д.1 додатку Д при робочих параметрах трубопроводу для насиченої пари приймаємо прокладку з парониту загального призначення (ПОН ).

За таблицею Ж.1 для ущільнювальної поверхні виповнення 1 (зі з’єднувальним виступом ) приймаємо плоску еластичну прокладку виповнення Б (рисунок 2.13 ).

Розміри плоскої еластичної прокладки для фланця з номінальним розміром (умовним проходом ) DN 150 мм на номінальний (умовний ) тиск PN 4,0 МПа приймаємо за таблицею Ж.4 додатку Ж: D=203 мм; d=161 мм.

Рисунок 2.12 – Фланець приварний встик із западиною (виповнення 3 )

Рисунок 2.13 – Еластична плоска прокладка виповнення Б Умовне позначення плоскої еластичної прокладки виповнення Б з номінальним розміром (умовним проходом ) DN 150, мм на номінальний (умовний ) тиск PN 4,0 МПа, з парониту загального призначення (ПОН ):

Прокладка Б-150-40-ПОН ГОСТ 15180-86.

Приклад 2

Для посудини 3 групи за ГСТУ 3-17-191-2000 підібрати фланцеве з'єднання штуцера апарата з номінальним розміром (умовним проходом ) DN 100 мм. Робочий тиск в апараті 0,7 МПа, робоча температура 285 °С. Матеріал корпуса апарата сталь марки 09Г2С. Середовище в апараті 3 класу небезпеки за ГОСТ 12.1.007-76.

Матеріал фланця приймаємо як матеріал штуцера – сталь марки 09Г2С.

За таблицею 2.2 для тиску 0,7 МПа при температурі 285 °С приймаємо плоскі приварні фланці на номінальний тиск PN 1,0 МПа.

За таблицею 4.2 для сталевих плоских приварних фланців зі сталі марки 09Г2С при заданих розрахункових тиску та температурі приймаємо матеріал болтів та гайок – сталь марки 14Х17Н2.

За таблицею 2.3 для речовин 3 класу небезпеки за ГОСТ 12.1.00776 приймаємо групу трубопроводу А (б ).

За таблицею 2.4 для речовин групи А (б ) при номінальному (умовному ) тиску PN до 2,5 МПа для штуцерів апарата приймаємо фланці зі з’єднувальним виступом (рисунок 2.14 ).

Розміри фланця зі з’єднувальним виступом (виповнення 1 ), зі сталі 09Г2С, з номінальним розміром (умовним проходом ) DN 100 мм, на номінальний тиск PN 1 МПа приймаємо за таблицею В.1:

d_в =110 мм; D=215 мм; D₁ =180 мм; D₂ =158 мм; b=19 мм; h=3 мм;

n=4 мм; d=18 мм; болти М16.

Умовне позначення фланця штуцера:

Фланец 1-100-10 ст.09Г2С ГОСТ 12820-80.

За таблицею Д.1 додатку Д для сухих нейтральних газів при робочих параметрах для фланців штуцерів апарата приймаємо прокладки з парониту загального призначення ПОН за ГОСТ 481-80.

За таблицею Ж.1 додатку Ж для фланців з ущільнювальною поверхнею зі з’єднувальним виступом (виповнення 1 ) приймаємо прокладку виповнення А.

Розміри плоскої еластичної прокладки для фланця з номінальним розміром (умовним проходом ) DN 100 мм, на номінальний (умовний ) тиск PN 1,0 МПа приймаємо за таблицею Ж.3 додатку Ж:

D=161 мм; d=106 мм.

Умовне позначення прокладки з номінальним розміром (умовним проходом ) DN 100 мм, на номінальний (умовний ) тиск PN 1 МПа, з парониту загального призначення (ПОН ):

Прокладка А-100-10-ПОН ГОСТ 15180-86.

Рисунок 2.14 – Фланець штуцера апарата

Питання для самоперевірки

1 Вимоги, що пред’являються до фланцевих з’єднань.

2 Класифікації фланцевих з’єднань.

3 Конструкції фланцевих з’єднань посудин та апаратів.

4 Конструкції фланцевих з’єднань арматури, з’єднувальних частин і трубопроводів.

5 Межи застосування плоских приварних фланців.

6 Межи застосування приварних встик фланців.

7 Вибір ущільнювальних поверхонь.

8 Вибір крипільних виробів.

3 КОНСТРУКЦІЇ ТА МАТЕРІАЛИ ПРОКЛАДОК

ФЛАНЦЕВИХ З'ЄДНАНЬ

3.1 Загальні вимоги

Ущільнювальний елемент (прокладка), що виготовляється у вигляді кільця і встановлювається між фланцями, повинен відповідати наступним основним вимогам:

– бути достатньо пружним та міцним для сприймання внутрішнього тиску і температурних подовжень;

– бути хімічно стійким в агресивних середовищах;

– бути теплостійким;

– при стисненні заповнювати всі мікронерівності ущільнювальних поверхонь фланців;

– зберігати герметичність з'єднання при пружних деформаціях фланців та болтів (шпильок) від діючих навантажень (для цього матеріал ущільнювального елемента повинен мати пружні властивості);

– зберігати герметичність з'єднання при його тривалій експлуатації в умовах дії корозійних середовищ у всьому можливому діапазоні зміни температури;

– матеріал ущільнювального елементу не повинен бути дефіцитним.

Різні умови роботи прокладок обумовлюють і різноманіття застосованих матеріалів. Прокладки виготовляють:

– неметалевими (фторопласт, поліетилен, поліхлорвініловий пластикат, азбест, пароніт та гума);

– металевими (сталі марок 08, 08Х13, 08Х18Н10Т та ін.);

– комбінованими (азбест у металевому обкладанні з листового металу, полімери в поєднанні з металами).

Для того, щоб при обтисненні прокладка не зменшувала прохідний переріз фланцевого з'єднання, її внутрішній діаметр має бути на декілька міліметрів більше внутрішнього діаметра фланця.

Прокладки з неметалевих пластичних матеріалів, наприклад, з фторопласту, застосовують в з'єднаннях типу “шип-паз”.

3.2 Типи прокладок для фланцевих з'єднань

Залежно від призначення та конструкції фланців у фланцевих з'єднанях застосовуються наступні типи прокладок (рисунок 3.1):

– плоска;

– круглого перерізу; – азбометалева;

– спірально-навита;

– овального перерізу;

– восьмикутного перерізу;

– зубчаста; – лінзова.

а – плоска; б – круглого перерізу, в – азбометалева; г – спірально-навита; д –

овального перерізу; е – восьмикутного перерізу; ж – зубчаста; з – лінзова

Рисунок 3.1 – Типи прокладок

Як прокладки для апаратних фланців застосовуються наступні: плоскі, азбометалеві, спірально-навиті, восьмикутного перерізу тощо.

Як прокладки для арматурних фланців застосовуються наступні: плоскі, круглого перерізу, азбометалеві, спірально-навиті, овального та восьмикутного перерізу, лінзові.

Плоскі, азбометалеві та спірально-навиті прокладки застосовуються у фланцевих з'єднаннях з гладкою ущільнуванною поверхнєю, типів „виступ-западина” та „шип-паз”.

Прокладки круглого перерізу застосовуються для фланців з ущільнуванною поверхнєю типу „шип-паз”.

Металеві прокладки овального та восьмикутного перерізу та лінзові застосовуються для фланцевих з'єднань при номінальному (умовному) тиску більш 6,3 МПа. При цьому твердість за Бринелем матеріалу прокладки повинна бути принаймні на 20 одиниць нижче за твердість матеріалу фланців.

Матеріали прокладок рекомендується вибирати за таблицею Д.1 додатку Д залежно від агресивності робочого середовища, температури та тиску [44].

Плоскі прокладки виготовляють завтовшки 1-3 мм з пароніту, гуми, картону, фторопласту та терморозширеного графіту ГРАФЛЕКС.

Пароніт загального призначення марок ПОН і ПОН-1 застосовують при номінальному (умовному) тиску PN до 6,3 МПа і розрахунковій температурі від мінус 182 до плюс 450 °С, а маслобензостійкий марок ПМБ і ПМБ-1 – при PN до 10 МПа і розрахунковій температурі від мінус 182 до плюс 300 °С.

Листову гуму тепло-, морозо-, кислото- та лугостійку марки ТМКЩ застосовують при номінальному (умовному) тиску PN до 1 МПа і температурі від мінус 60 до плюс 80 °С, а атмосферомаслостійку марки АМС і маслобензостійку марки МБС – при розрахунковій температурі від мінус 40 до плюс 80 °С.

Листову гуму виготовляють двох класів:

– 1 – для прокладок на номінальний (умовний) тиск PN >0,1МПа;

– 2 – для прокладок на номінальний (умовний) тиск PN до 0,1 МПа.

За ступенем твердості листову гуму розділяють на:

– м'яку – М;

– середньої твердості – С; – підвищеної твердості – Т.

Прокладковий картон просочений марки А використовують при номінальному (умовному) тиску PN до 16 МПа і розрахунковій температурі від мінус 40 до плюс 120 °С.

Азбестовий картон марок КАП і КАОН-2 застосовують при номінальному (умовному) тиску PN до 6,3 МПа і розрахунковій температурі від мінус 15 до плюс 500 °С.

Фторопласт-4 застосовують при номінальному (умовному) тиску

PN до 2,5 МПа і розрахунковій температурі від мінус 269 до плюс 250 °С для фланцевих з’єднань типу “шип-паз” зі зменшеним зазором.

Ущільнювальні матеріали марок ФУМ-В, ФУМ-Ф та ФУМ-О на основі фторопласту використовують при номінальному (умовному) тиску PN до 6,3 МПа і розрахунковій температурі від мінус 60 до плюс 150 °С.

Матеріал з терморозширеного графіту ГРАФЛЕКС застосовують на номінальний (умовний) тиск PN до 100 МПа та розрахунковій температурі від мінус 200 до плюс 1000 °С для інертних середовищ або вакууму. Температура експлуатації для окислювальних середовищ визначається хімічною стійкістю сталевих частин прокладок.

3.3 Конструкції прокладок для фланцевих з’єднань посудин та апаратів

Конструкції та розміри плоских неметалевих прокладок для апаратних фланців наведені в додатку Е [33]. Стандарт [33] поширюється на прокладки з неметалевих матеріалів до фланців посудин та апаратів за ГОСТ 28759.2-90 і ГОСТ 28759.3-90.

Стандартом передбачаються конструкції прокладок двох виповнень:

– 1 (для фланців з ущільнювальними поверхнями типів “виступзападина” та “шип-паз” виповнень 2-5, 8-10, 12-15 за ГОСТ 28759.2-90 і виповнень 1-12 за ГОСТ 28759.3-90);

– 2 (для фланців з гладкою ущільнювальною поверхнею виповнень 1, 6, 11 за ГОСТ 28759.2-90).

Конструкції та розміри плоских неметалевих прокладок наведені на рисунку Е.1 і в таблиці Е.1 додатку Е.

Товщину прокладок S приймають рівною:

– з гуми – 3 мм;

– з пароніту та картону при внутрішньому діаметрі фланця

D 1400 мм – 2 мм, а при D 1400 мм – 3 мм;

– з фторопласту-4 і фторопластової стрічки – до 3 мм.

Прокладки з фторопласту-4 застосовують для фланців виповнень

2, 3, 7, 8, 12 та 13 за ГОСТ 28759.2-90 і виповнень 3, 4, 7, 8, 11, 12 за ГОСТ 28759.3-90.

Плоскі та гофровані комбіновані прокладки виготовляють завтовшки до 4,5 мм з оболонкою зі сталі, алюмінію або міді та азбестовим сердечником і застосовують при номінальному (умовному тиску PN до 6,3 МПа і температурі від мінус 70 до плюс 425° С.

Конструкція та розміри азбометалевих прокладок для апаратних фланців наведені на рисунку Е.2 і в таблиці Е.2 додатку Е [34]. Стандарт [34] поширюється на азбометалеві прокладки для фланців посудин та апаратів за ГОСТ 28759.3-90.

Матеріал наповнювача прокладок – картон азбестовий за ГОСТ 2850-80 або папір азбестовий за ГОСТ 23779-79.

Матеріал оболонок прокладок, який вибирається у кожному окремому випадку залежно від умов експлуатації, наведений в таблиці Е.3 додатку Е.

Прокладки зубчасті, які виготовляють з металу більш м'якого ніж метал фланців (свинець, алюміній, мідь, сталь тощо), розраховані на робочий тиск до 20 МПа. Робоча температура залежить від властивостей матеріалу прокладки.

Прокладки восьмикутного перерізу [35], що виготовляються зі сталей марок 08кп, 08Х18Н10 і 08Х18Н10Т, застосовують при умовному тиску PN 6,3-16 МПа та температурі від мінус 70 до плюс 540 °С.

Конструкція та розміри металевих прокладок восьмикутного перерізу для апаратних фланців наведені в додатку Е.

Для прокладок масою понад 20 кг на бічній зовнішній поверхні допускається передбачати сліпі отвори з наріззю М10 під рим-болти для полегшення монтажу.

У даний час в світовій практиці для виготовлення високонадійних фланцевих прокладок використовується ущільнювальний матеріал на основі терморозширеного графіту (ТРГ). Ущільнення з ТРГ мають ряд переваг порівняно з іншими видами прокладок.

Ущільнювальний матеріал нового покоління ГРАФЛЕКС на основі ТРГ має високу термо- та хімічну стійкість, високу стисливість і відновлюваність, є екологічно чистим, негорючим, мінімально газопроникним.

Прокладки з ТРГ ГРАФЛЕКС виготовляють наступних типів: – прокладки фланцеві неармовані ГРАФЛЕКС-ПГФ за ТУ 5728016-13267785-99; – прокладки фланцеві армовані ГРАФЛЕКС-ПАГФ за ТУ 5728011-13267785-99; – прокладки фланцеві облицьовані ГРАФЛЕКС-ПОГФ за ТУ 5728012-13267785-99.

Типи, конструкції та розміри прокладок визначаються з урахуванням наступних факторів:

– конструкції фланцевого з'єднання;

– параметрів робочого та навколишнього середовища; – деформації фланців при експлуатації.

Прокладки ГРАФЛЕКС-ПГФ призначаються для герметизації фланцевих з'єднань при температурі від мінус 196 до плюс 800 °С і тиску до 100 МПа.

Прокладки застосовують для пари, води, нафтопродуктів, розчинників, водних розчинів солей.

Прокладки діаметром до 4000 мм виготовляють із:

– графітної стрічки завтовшки 0,3-0,5 мм – витий ущільнювач; – графітового неармованого листа необхідної товщини та густини; – графітної фольги завтовшки 0,5-0,6 мм – шаровий ущільнювач.

Прокладки ГРАФЛЕКС-ПАГФ застосовують для ущільнення

фланцевих з'єднань в хімічній, нафтохімічній та інших галузях промисловості. Їх застосовують для пари, води, нафтопродуктів, розчинників, водних розчинів солей. Прокладки стійкі до хімічно агресивних середовищ.

Прокладки ГРАФЛЕКС-ПАГФ виготовляють з графітного армованого листа ГРАФЛЕКС. Армування виконується перфорованою фольгою із корозійностійких марок сталей товщиною 0,1 мм. Графітова фольга типу ГФ-Г застосовується в прокладках типу ГРАФЛЕКС-ПАГФ для устаткування загальнопромислового призначення. Товщина прокладок складає від 1 до 5 мм, зовнішній діаметр прокладок – до 1500 мм.

Конструкція прокладки ПАГФ представлена на рисунку 3.2.

З метою виключення контакту матеріалу прокладки з агресивним середовищем незалежно від її температури або з повітрям при температурі понад 400 °С прокладки оснащуються захисними кільцями (обтюраторами) (рисунки 3.2, 3.3). Обтюратори виготовляють зі сталевої корозійностійкої стрічки.

Рисунок 3.2 – Конструкція прокладки ГРАФЛЕКС-ПАГФ

Армовані графітні прокладки ГРАФЛЕКС-ПАГФ забезпечують надійну герметизацію середовищ у фланцевих з'єднаннях з ущільнювальними поверхнями наступних типів:

– гладкими;

– „виступ-западина”;

– „шип-паз”.

Межі застосування прокладок типу ГРАФЛЕКС-ПАГФ наведені в таблиці 3.1.

а – типу 00 (без обтюратора); б – типу 01 (із внутрішнім обтюратором); в – типу 02 (із зовнішнім обтюратором); г – типу 03 (із внутрішнім та зовнішнім обтюраторами)

Рисунок 3.3 – Типи прокладок ГРАФЛЕКС-ПАГФ

Таблиця 3.1 – Межі застосування прокладок типу ГРАФЛЕКС-ПАГФ

Прокладки типу ГРАФЛЕКС-ПОГФ застосовують в хімічній, нафтохімічній та інших галузях промисловості для герметизації фланцевих з'єднань посудин і трубопроводів при температурі від мінус 190 до плюс 800 °С.

Прокладки типу ГРАФЛЕКС-ПОГФ збираються на сталевій основі з облицюванням гнучкою графітною фольгою. Гнучку графітну фольгу ГРАФЛЕКС типу ТГР-Г застосовують для підприємств загальнопромислового призначення, типу ТРГ-Д – для ядерної енергетики.

Основи прокладок виготовляють з вуглецевої (У) або корозійностійкої сталі (Н), зубчастими або гладкими. Сталева основа – багаторазового застосування. Прокладки виготовляють із зовнішнім діаметром до 2000 мм.

Конструкції сталевих основ прокладок ГРАФЛЕКС-ПОГФ наведені на рисунку 3.4.

а – зубчасте типу 3.1; б – зубчасте із зовнішнім обмежувальним кільцем типу 3.2; в – зубчасте з внутрішнім буртом обмежувача стиснення типу 3.3; г – зубчасте з внутрішнім буртом обмежувача стиснення та обмежувальним кільцем зовнішнім типу 3.4; д – гладке із зовнішнім та внутрішнім буртами обмежувача стиснення

Рисунок 3.4 – Конструкції сталевих основ прокладок ГРАФЛЕКСПОГФ

Прокладки ГРАФЛЕКС-ПОГФ на сталевій зубчастій основі герметизують фланцеве з'єднання за рахунок пружності плакуючих графітних шарів, які дозволяють сприймати задане навантаження за рахунок вибору необхідної густини графіту, при цьому забезпечується тільки легке торкання вершин зубців з металом без пошкодження поверхні фланця.

Прокладка ГРАФЛЕКС-ПОГФ на сталевій зубчастій основі використовується для герметизації фланцевих з'єднань з гладкою ущільнювальною поверхнею, а також з ущільнювальними поверхнями типів “шиппаз” і “виступ-западина”. Прокладка ГРАФЛЕКС-ПОГФ на сталевій основі з буртами використовується для герметизації фланцевих з'єднань з гладкою ущільнювальною поверхнею та типу “виступ-западина” (рисунок 3.5).

Межі застосування прокладок типу ГРАФЛЕКС-ПОГФ наведені в таблиці 3.2.

а – фланцеве з'єднання із зубчастою прокладкою та обмежувальним зовніш-

нім кільцем типу 3.2; б – фланцеве з'єднання із зубчастою прокладкою типу 3.1

Рисунок 3.5 – Застосування прокладок типу ГРАФЛЕКС-ПОГФ на сталевій основі

Таблиця 3.2 – Межі застосування прокладок типу ГРАФЛЕКС-ПОГФ

Спірально-навиті прокладки (СНП) призначаються для ущільнення фланцевих з'єднань типів “виступ-западина” і “шип-паз” посудин та апаратів в хімічній, нафтопереробній та інших галузях промисловості.

Залежно від конструкції спірально-навиті прокладки підрозділя-

ються на типи, що наведені на рисунку 3.6.

СНП складається з двох спірально-навитих поперемінних стрічок:

з корозійностійкої сталі 1 та спеціального наповнювача 2 . При необхідності прокладки можуть мати обмежувальні кільця 3 і 4 .

Спірально-навиті прокладки типу А призначені для фланцевих з'єднань з ущільнювальною поверхнею типу “шип-паз”, прокладки типів Б і В – для фланцевих з'єднань з ущільнювальною поверхнею типу “виступ-западина”, прокладки типів Г і Д – для фланцевих з'єднань з гладкою ущільнювальною поверхнею.

Спірально-навиті прокладки виготовляють з каркасом зі сталевої стрічки марок 12Х18Н10Т або 10Х17Н13М2Т з наповнювачем з пароніту, фторопластової плівки або графітної фольги із зовнішнім діаметром до 1100 мм. Їх застосовують при номінальному (умовному) тиску PN до 10 МПа.

Переваги таких прокладок: можливість багатократного використання, здатність протистояти ударам, вібраціям, перепадам тиску та температури. За формою перерізу всі типи СНП виготовляються V-образного профілю.

Товщина прокладок типа СНП по металевому каркасу складає 3,2 і 4,5 мм. Як каркас застосовується сталева корозійностійка стрічка завтовшки 0,20 і 0,25 мм.

а – основних типів А і Б (без обмежувальних кілець); б – типу В (із зовнішнім обмежувальним кільцем); в – типу Г (з внутрішнім обмежувальним кільцем); г – типу Д (з внутрішнім та зовнішнім обмежувальними кільцями)

1 – стрічка металева; 2 – стрічка наповнювача; 3 – зовнішнє кільце; 4 – внутрішнє кільце

Рисунок 3.6 – Типи спірально-навитих прокладок

Вибір матеріалу наповнювача залежно від умов експлуатації необхідно проводити за таблицею 3.3.

Таблиця 3.3 – Межі застосування спірально-навитих прокладок

Товщина внутрішніх та зовнішніх обмежувальних кілець дорівнює

2,4 і 3,0 мм.

Товщина наповнювача складає:

– з пароніту марки ТП за ТУ 38.114202-81 – 0,6 мм;

– з пароніту марки ТП за ТУ 38.114285-83 – 0,6 мм;

– з пароніту марки ПК за ГОСТ 481-80– 0,6 мм;

– з плівки фторопластової захисної марки Ф-4МБ – за ТУ 6-0505-242-84В – 0,4 мм;

– графітної фольги типу “Графлекс” за ТУ 57-1-1326778-92 – 0,6 мм. Внутрішні обмежувальні кільця виготовляють зі сталей марок не схильних до міжкристалічної корозії: 12Х18Н10Т, 12Х18Н9, 08Х18Н10Т, 10XI7HI3M2T, 10Х17Н13МЗТ та ін.

Зовнішні обмежувальні кільця виготовляють з вуглецевої сталі марок 20, 35, 40 при температурі робочого середовища до плюс 300 °С або з корозійностійких сталей при температурі робочого середовища понад плюс 300 °С.

Конструкція та розміри прокладок для фланців посудин та апаратів з ущільнювальними поверхнями типу „шип-паз” наведені на рисунку Е.4 і в таблиці Е.6 (додаток Е).

Конструкція та розміри прокладок для фланців посудин та апаратів з ущільнювальними поверхнями типу „виступ-западина” наведені на рисунку Е.5 і в таблиці Е.7 (додаток Е).

3.4 Конструкції прокладок для арматурних фланцевих з’єднань

Плоскі еластичні прокладки для арматурних фланців за ГОСТ 12820-80 - ГОСТ 12822-80 виготовляються за стандартом [25].

Стандартом передбачені конструкції прокладок наступних виповнень (таблиця Ж.1 додатку Ж):

– А (для фланців зі з’єднувальним виступом виповнення 1 за

ГОСТ 12820-80 - ГОСТ 12822-80);

– Б (для фланцевих з’єднань із ущільнювальними поверхнями типу “виступ-западина” виповнень 2, 3 за ГОСТ 12820-80 - ГОСТ 12822-80);

– В (для фланцевих з’єднань із ущільнювальними поверхнями типу “шип-паз” виповнень 4, 5 за ГОСТ 12820-80 - ГОСТ 12822-80);

– Г (для фланцевих з’єднань із ущільнювальними поверхнями типу “шип-паз” виповнень 8, 9 за ГОСТ 12820-80 - ГОСТ 12822-80 під прокладки з фторопласту-4 і ущільнювального матеріалу на основі фторопласту);

– Д (для фланців виповнень 1, 5 за ГОСТ 12820-80 - ГОСТ 1282280 для прокладок з пластини гумової листової).

Виповнення прокладок та межі їх застосування залежно від умовного проходу та умовного тиску наведені в таблицах Ж.1-Ж.2 додатку Ж.

Конструкція та розміри прокладок наведені на рисунках Ж.1-Ж.3 і в таблицях Ж.3-Ж.8 додатку Ж.

Прокладки круглого перерізу виготовляють переважно з гуми, а також із ущільнювального матеріалу на основі фторопласту марок ФУМ-В, ФУМ-Ф і ФУМ-О (рисунок Ж.3, таблиця Ж.7 додатку Ж). Гумові прокладки застосовують в апаратах, що працюють під вакуумом та розрахунковій температурі до плюс 80 °С. Прокладки з фторопластового ущільнювального матеріалу використовують при номінальному (умовному) тиску PN до 6,3 МПа та розрахунковій температурі від мінус 60 до плюс 150 °С.

Плоскі (тип 1 ) і гофровані (тип 2 ) комбіновані прокладки виготовляють завтовшки до 2,4 мм в оболонці зі сталі, алюмінію або міді та азбестовим сердечником і застосовують при номінальному (умовному) тиску PN 1,0-6,3 МПа та розрахунковій температурі від мінус 70 до плюс 475 °С [39].

Стандарт [39] розповсюджується на плоскі азбометалеві прокладки типу 1 для фланців на умовний прохід (номінальний розмір) DN 10-600 мм і гофровані типу 2 – на умовний прохід (номінальний розмір) DN 10-300 мм.

Конструкція та розміри прокладок наведені на рисунках Ж.4, Ж.5 і в таблицях Ж.9, Ж.10 додатку Ж.

Матеріал наповнювача прокладок – картон азбестовий за ГОСТ 2850-80 або папір азбестовий за ГОСТ 23779-79.

Матеріал оболонок прокладок вибирається у кожному окремому випадку залежно від умов експлуатації і наводиться в таблиці Ж.11 додатку Ж.

Спірально-навиті прокладки (СНП) [38] призначені для ущільнення фланцевих з’єднань з гладкою ущільнювальною поверхнею типів “виступ-западина” і “шип-паз”.

Спірально-навиті прокладки типу А призначені для фланцевих з’єднань типу “шип-паз”, прокладки типів Б і В – для фланцевих з’єднань типу “виступ-западина”, прокладки типів Г і Д – для фланцевих з'єднань із з’єднувальним виступом (з гладкою ущільнювальною поверхнею).

Вибір матеріалу наповнювача залежно від умов експлуатації необхідно проводити за таблицею 3.3.

Основні розміри прокладок типу СНП наведені в додатку Ж.

Конструкція та розміри прокладок для ущільнювальних поверхонь типу “шип-паз” (типу А) наведені на рисунку Ж.6 і в таблиці Ж.12 додатку Ж.

Конструкція та розміри прокладок для ущільнювальних поверхонь типу “виступ-западина” (типу Б) наведені на рисунку Ж.6 і в таблиці Ж.13 додатку Ж.

Конструкція та розміри прокладок для ущільнювальних поверхонь типу “виступ-западина” (типу В) наведені на рисунку Ж.7 і в таблиці Ж.14 додатку Ж.

Конструкція та розміри прокладок для гладких ущільнювальних поверхонь (типу Г) наведені на рисунку Ж.8 і в таблиці Ж.15 додатку Ж.

Конструкція та розміри прокладок для гладких ущільнювальних поверхонь (типу Д) наведені на рисунку Ж.9 і в таблиці Ж.16 додатку Ж.

Прокладки зубчасті виготовляють з металу більш м’якого ніж метал фланців (свинець, алюміній, мідь, сталь) і розраховані на робочий тиск до 20 МПа. Допустима температура застосування прокладок залежить від властивостей матеріалів, з якіх вони виготовляються.

Прокладки овального перерізу [43], які виготовляють зі сталей марок 08кп, 08Х13, 08Х18Н10 і 08Х18Н10Т, застосовують при номінальному (умовному) тиску PN понад 6,3 МПа і розрахунковій температурі від мінус 70 до плюс 540 °С.

Конструкція та розміри металевих прокладок овального та восьмикутного перерізу для арматурних фланців наведені в додатку Ж.

Лінзові прокладки [17] застосовують у фланцевих з’єднаннях з приварними встик фланцями при номінальному (умовному) тиску PN понад 6,3 МПа.

Типи та виповнення лінз наведені в таблиці 3.4.

Таблиця 3.4 – Типи і виповнення лінз

Лінзи типу Ж застосовують при температурі до плюс 400 °С, лінзи типу К – при температурі понад 400 °С.

Жорстка лінза без бурта (рисунок 3.7) представляє собою металеве кільце з двома торцевими шаровими поверхнями, які торкаються конічних поверхонь на торцях ущільнюваних труб (рисунок 2.10).

Рисунок 3.7 – Жорстка лінза без бурта (тип Ж, виповнення 1)

Лінзи з буртом (тип Ж, виповнення 2) виготовляють зі сталей підвищеної міцності і застосовують при номінальному (умовному) тиску від 40 до 63 МПа. Конструкція жорсткої лінзи з буртом наведена на рисунку 3.8.

Рисунок 3.8 – Жорстка лінза з буртом (тип Ж, виповнення 2)

Конструкція компенсувальної лінзи наведена на рисунку 3.9.

1 – лінза; 2 – вставне кільце

Рисунок 3.9 – Компенсувальна лінза (типу К)

Компенсувальна лінза складається безпосередньо з лінзи 1 з проточкою усередині, у якій розміщується розріне вставне кільце 2 . Проточка сприяє збільшенню гнучкості лінзи та її здатності до самоущільнювання. Компенсувальні лінзи та вставні кільця виготовляють зі сталей однакових марок. Твердість вставних кілець має відповідати твердості сталі у відпаленому стані.

Застосування лінзових прокладок залежно від розрахунковій температури, номінального (умовного) тиску і марок сталей труб та деталей трубопроводів наведено в таблиці 3.5.

Таблиця 3.5 – Характеристики лінзових прокладок

Конструкції та розміри лінз наведені на рисунках Ж.12-Ж.15 і в таблицях Ж.19-Ж.22 додатку Ж.

Питання для самоперевірки

1 Вимоги, що пред’являються до ущільнювальних елементів.

2 Типи прокладок фланцевих з’єднань.

3 Матеріали прокладок фланцевих з’єднань.

4 Конструкції спірально-навитих прокладок.

5 Конструкції металевих прокладок.

43

4 ВИБІР КРІПИЛЬНИХ ВИРОБІВ ДЛЯ ФЛАНЦЕВИХ З'ЄДНАНЬ

Матеріал кріпильних виробів для апаратних фланців вибирають залежно від матеріалу фланців, розрахункової температури, умовного тиску та внутрішнього діаметра фланця за таблицею 4.1 [32].

Матеріал кріпильних виробів для фланців штуцерів слід вибирати залежно від типу і матеріалу фланців, розрахункової температури та умовного (номінального) тиску за таблицею 4.2 [21].

Для фланців на умовний тиск PN до 1,6 МПа і при температурі до 300 °С застосовують болти з шестигранною голівкою за ГОСТ 7798-70 [12] або шпильки за ГОСТ 22042-76 [27] і шестигранні гайки за ГОСТ 5915-70 [11], а на умовний тиск PN 2,5 МПа та більше і при температурі понад 300 °С і нижче мінус 40 °С – шпильки за ГОСТ 9066-75 [15] і ГОСТ 22042-76, гайки за ГОСТ 9064-75 [13] і ГОСТ 5915-70.

Позначення класів міцності болтів і шпильок залежно від матеріалу наведено в таблиці 4.3.

Позначення класу міцності болтів і шпильок складається з двох цифр:

– перша відповідає 1/100 номінального значення тимчасового опору розриву в Н/мм² ;

– друга відповідає 1/10 відношення номінального значення межи текучості до тимчасового опору в процентах.

Добуток з двох цифр відповідає 1/10 номінального значення межи текучості в Н/мм² .

Клас міцності гайок позначається цифрою, яка показує найбільший клас міцності болтів або шпильок, з якими вони можуть сполучатися у з’єднанні. Позначення класів міцності гайок наведено в таблиці 4.4.

Конструкція та розміри болтів з шестигранною голівкою наведені на рисунку И.1 і в таблицях И.1, И.2 додатку И. Маса болтів наведена в таблиці И.3. Конструкція і розміри гайок наведені на рисунку И.2 і в таблиці И.4. Маса гайок наведена в таблиці И.5. Конструкція і розміри шпильок з двома однаковими по довжині нарізними кінцями для деталей з гладкими отворами наведені на рисунку И.3 і в таблицях И.6, И.7. Маса шпильок наведена в таблицях И.8, И.9.

44

Закінчення таблиці 4.1

Продовження таблиці 4.2

Таблиця 4.3 – Класи міцності болтів (шпильок)

Таблиця 4.4 – Класи міцності гайок

Продовження таблиці 4.4

Шпильки двосторонні за ГОСТ 9066-75 для фланцевих з’єднань арматури, з’єднувальних частин і трубопроводів, приладів, посудин та апаратів з температурою середовища від 0 до 650 °С і номінальним (умовним) тиском PN не менше 4 МПа застосовують двох типів:

– А (шпилька суцільна із однаковими номінальними діаметрами нарізі та гладкої частини, з температурою, яка менше або дорівнює 300 °С);

– Б (шпилька суцільна з номінальними діаметрами нарізі більше номінального діаметра гладкої частини, з температурою понад 300 °С).

Конструкція та розміри шпильок за ГОСТ 9066-75 наведені на рисунку И.4 і в таблицях И.10, И.11 додатку И, маса шпильок наведена в таблицях И.12, И.13. Конструкція і розміри гайок за ГОСТ 9064-75 наведені на рисунку И.5 і таблиці И.14.

Маса гайок наведена в таблиці И.15.

Конструкція та розміри шайб за ГОСТ 9065-75 [14] наведені на рисунку И.6 і таблиці И.16. Маса шайб наведена в таблиці И.17.

Вибір матеріалів кріпильних деталей для фланцевих з’єднань з температурою середовища від 0 до 650 °С і умовним тиском PN не менше 4 МПа наведений в таблиці 4.5

Таблиця 4.5 – Матеріали для кріпильних деталей [26]

Сталі для виготовлення шпильок, гайок та шайб розподіляються по якості на чотирі категорії:

– категорія І – сталі звичайної якості, які застосовуються для виготовлення кріпильних виробів на номінальний (умовний) тиск РN менше

1,6 МПа і температуру менше 200 °С;

– категорія ІІ – якісні вуглецеві сталі, які застосовуються для виготовлення шпильок і гайок з номінальним діаметром нарізі до 48 мм при робочий температурі до 300 °С та шайб всіх розмірів;

– категор виготовлення ія ІІІ – якісні вуглецеві сталі у поліпшеному стані для виготовлення шпильок і гайок усіх розмірів при робочий температурі до 425 °С у випадках, якщо температура відпуску вище ціеї температури не менш ніж на 100 °С;

– категорія ІV – теплостійкі, жароміцні леговані сталі у термічно обробленому стані, що застосовуються для виготовлення шпильок, гайок та шайб всіх розмірів при робочий температурі, яка не перевищує температуру середовища у випадках, якщо температура відпуску вище ціеї температури не менш ніж на 100 °С.

Розподіл сталей для кріпильних деталей за якістю на категорії наведений в таблиці 4.6.

Таблиця 4.6 – Розподіл сталей для кріпильних деталей за якістю на категорії

Для фланцевих з’єднань з лінзовими ущільненнями застосовують шпильки за ГОСТ 10494-80 [18]. В таблиці 4.7 наведені граничні параметри застосування шпильок залежно від матеріалу. Граничні параметри застосування гайок залежно від матеріалу наведені в таблиці 4.8.

Таблиця 4.7 – Граничні параметри застосування шпильок залежно від матеріалу

Таблиця 4.8 – Граничні параметри застосування гайок залежно від матеріалу

Конструкція та розміри шпильок для фланцевих з’єднань з лінзовими ущільненнями наведені на рисунку И.7 і в таблиці И.18 додатку И. Маса шпильок наведена в таблицях И.19 і И.20. Конструкція, розміри та маса гайок для фланцевих з’єднань з лінзовими ущільненнями наведені на рисунку И.8 і в таблиці И.21.

Порівняно з болтами шпильки забезпечують більш рівномірний розподіл напружин. Крім того, шпильки можна встановлювати у важкодоступних місцях. При розрахунковій температурі понад 300 °С слід застосовувати шпильки з проточкою або повністю нарізні.

Шайби у фланцевих з’єднаннях застосовують при умовному (номінальному) тиску PN 4 МПа і більше. Їх підкладають під голівки гайок для більш рівномірного розподілення тиску та запобігання поверхонь фланців від зминання.

Коефіцієнт лінійного розширення матеріалу болтів (шпильок) не повинен відрізнятися від коефіцієнта лінійного розширення матеріалів фланців більш ніж на 10 %.

Допускається застосовувати матеріали болтів (шпильок) з коефіцієнтами лінійного розширення відмінними від коефіцієнтів лінійного розширення матеріалів фланців більш ніж на 10 % в наступних випадках:

– у разі обґрунтовування розрахунком на міцність;

– при розрахунковій температурі фланця не більше 100 °С.

Гайки та болти (шпильки) повинні виготовлятися зі сталей різних марок, а при виготовленні їх зі сталі однієї марки – з різною твердістю. При цьому твердість гайки повинна бути нижче за твердість болта (шпильки) не менше ніж на 15 НВ.

Допускається застосовувати гайок зі сталей перлітового класу на болтах (шпильках), які виготовляються із аустенітних сталей.

У разі виготовлення кріпильних деталей холодною деформацією вони повинні піддаватися термічній обробці – відпуску.

Види покриття болтів, шпильок, гайок та шайб наведені в таблиці 4.9.

Таблиця 4.9 – Види покриття

5 РОЗРАХУНОК ФЛАНЦЕВИХ З’ЄДНАНЬ

У даному розділі наводяться рекомендації щодо вибору типів і розрахунку на міцність, жорсткість, герметичність та малоциклову утомленість фланцевих з'єднань сталевих зварних посудин та апаратів, які працюють у хімічній і суміжних з нею галузях промисловості.

Розрахункові схеми фланцевих з’єднань наведені на рисунках 5.1 і

5.2.

Розрахункові формули застосовні при виконані наступних умов

D _з D 2 і 2h D_з D 0,25,

де ^D _з – зовнішній діаметр фланця мм; D – внутрішній діаметр фланця, мм; h – товщина фланця, мм.

При роботі апарата в умовах декількох розрахункових режимів по температурі та тиску розрахунок необхідно проводити за умов, що забезпечують міцність, жорсткість, герметичність та малоциклову утомленість фланцевого з'єднання у всіх режимах.

5.1 Напружений стан деталей фланцевого з'єднання

Фланцеві з'єднання звичайно навантажені внутрішнім надлишковим або зовнішнім тиском, а також у ряді випадків зовнішніми осьовими силами і згинальними моментами. Значні навантаження на фланці створюються болтами в умовах затягування з'єднання. При підвищеній температурі середовища в апараті елементи фланцевого з'єднання нагріваються неоднаково, при цьому температура болтів установлюється звичайно нижче температури фланців. Унаслідок теплового розширення деталей фланцевого з'єднання в болтах (шпильках) можуть виникати значні температурні зусилля.

В результаті впливу зовнішніх навантажень у діаметральних перерізах фланця виникають згинальні моменти, під дією яких втулка (обичайка) знаходиться в напруженому стані. Якщо втулка циліндрична, або зовсім відсутня (плоский фланець приварений безпосередньо до обичайки), небезпечним перерізом є переріз у місці приварки фланця до обичайки.

56

а – з гладкою ущільнювальною поверхнею; б – з ущільнювальною поверхнею типу „виступ-западина”; в – з ущіль-

Рисунок 5.1 – Фланцеві з’єднання з плоскими приварними фланцями

а – з ущільнювальною поверхнею типу „виступ-западина”; б – з ущільнювальною поверхнею типу „шип-паз”; в – з

ущільнювальною поверхнею під прокладку восьмикутного перерізу

Рисунок 5.2 – Фланцеві з’єднання з приварними встик фланцями

Якщо втулка фланця конічна (фланець приварений встик), небезпечними є перерізи в місці з’єднання площини фланця з втулкою і втулки з обичайкою. У зазначених перерізах напружини виникають в осьовому і тангенціальному напрямках. Визначаючи еквівалентні напружини та порівнюючи величину останніх із допустимими значеннями, можна зробити оцінку виконання умов міцності фланця у розглянутих перерізах.

5.2 Розрахункові температури елементів фланцевого з'єднання

Розрахункові температури елементів фланцевого з'єднання визначаються за таблицею 5.1 залежно від розрахункової температури апарата та наявності теплоізоляції.

Таблиця 5.1 – Розрахункові температури елементів фланцевого з'єднання

Позначення в таблиці 5.1:

t – розрахункова температура стінки апарата, °С; t_ф – розрахункова температура фланця, °С; t_б – розрахункова температура болтів (шпильок), °С.

5.3 Допустимі напружини

Допустимі напружини для матеріалів болтів (шпильок), що застосовуються у фланцевих з'єднаннях апаратів при різних температурах, наведені в таблиці 5.2.

Допустимі напружини для матеріалів болтів (шпильок) _б , МПа, не зазначених у таблиці 5.2, визначають за формулами:

– якщо розрахункова температура болтів (шпильок), які виготовляються з вуглецевих сталей, не перевищує 380, °С, низьколегованих – 420, °С, аустенітних – 525 °С

^{R e} ; (5.1) n _т

– якщо розрахункова температура болтів (шпильок) перевищує зазначену вище

R ⁵

e ; m / 10 ;, (5.2)

т n д

де ^R _e – мінімальне значення границі текучості матеріалу болтів (шпильок) при розрахунковій температурі, МПа;

R m/10₅ – середнє значення границі тривалої міцності за 10⁵ г при розрахунковій температурі, МПа;

R p1,0 / 10₅ – середня 1%-на границя повзучості за 10⁵ г при розрахун-

ковій температурі, МПа; ⁿ _т – коефіцієнт запасу міцності по границі текучості; n _д – коефіцієнт запасу міцності по границі тривалої міцності; ⁿ _п – коефіцієнт запасу міцності по границі повзучості.

Таблиця 5.2 – Допустимі напружини матеріалу болтів (шпильок)

Закінчення таблиця 5.2

Коефіцієнти запасу міцності по границі текучості наведені в таблиці 5.3.

Коефіцієнт запасу міцності по границі тривалої міцності слід приймати рівним ⁿ _д 1,8.

Коефіцієнт запасу міцності по границі повзучості слід приймати рівним ⁿ _п 1,1.

Допустимі напружини для матеріалу приварних встик фланців

_S1 , МПа, в перерізі товщиною ^S ₁ (рисунок 5.2) при ро-

зрахунку на статичну міцність визначають за формулами:

– у робочих умовах

; (5.3)

– в умовах затягнення фланцевого з'єднання

²⁰ S1 1,5 ²⁰ ; (5.4)

– в умовах випробувань

²⁰ , (5.5)

20 – допустима напружина для матеріалу фланців відповідно де при розрахунковій температурі і температурі 20 °С, МПа.

Таблиця 5.3 – Значення коефіцієнта запасу міцності по границі текучості

Позначення в таблиці:

^R _е – мінімальне значення границі текучості матеріалу болтів

(шпильок) при розрахунковій температурі, МПа;

^R _т – мінімальне значення тимчасового опору (границі міцності) матеріалу болтів (шпильок) при розрахунковій температурі, МПа.

Допустимі напружини у перерізі ^S ₁ в робочих умовах і умовах затягнення фланцевого з'єднання при розрахунку з урахуванням навантаження від температурних деформацій ^Q _t можуть бути збільшені на величину до 30 %.

Допустимі напружини ²⁰ приймаються за посібником [2].

Допустимі напружини для матеріалу приварних встик і плоских приварних фланців S ₀ , МПа, у перерізі товщиною ^S ₀

(рисунки 5.1 і 5.2) при розрахунку на статичну міцність слід визначати за формулами:

– в робочих умовах

; (5.6)

– в умовах затягнення фланцевого з'єднання

лу фланця (напружина, при якій залишкове подовження складає 0,2 %) відповідно при розрахунковій температурі і температурі 20 °С, МПа;

^R _m , ^R _m ²⁰ мінімальне значення тимчасового опору (границі міцності) матеріалу фланця відповідно при розрахунковій температурі і температурі 20 °С, МПа.

Для вуглецевих і низьколегованих сталей у формулах (5.6)-(5.8) замість мінімальних значень умовних границь текучості ^R p0,2 і ^{R 20} p0,2 слід підставляти мінімальні значення границь текучості при розрахунковій температурі – ^R _e і температурі 20 °С – ^R _e ²⁰ відповідно.

Значення величин ^R _p 0,2, ^R20 _p 0,2 , ^R _m , ^R _m ²⁰ приймаються за посібником [2].

Розрахунок фланцевого з'єднання для умов випробувань проводити не потрібно, якщо розрахунковий тиск в умовах випробувань менше розрахункового тиску в робочих умовах, помноженого на 1,35 .

5.4 Розрахунок допоміжних величин

Ефективну ширину плоскої прокладки ^b ₀ , мм, визначають за формулами:

b₀ b_n при ^b _n 15 мм; (5.9) b₀ 3,8 b_n при ^b _n 15 мм, (5.10)

де ^b _n – виконавча ширина прокладки, мм (визначається за таблицею Е.1 додатку Е).

Для металевих прокладок восьмикутного перерізу

b ₀ 0,25b _n . (5.11)

Лінійну податливість плоских металевих і азбометалевих прокладок приймають рівною у n0 .

Лінійну податливість плоскої неметалевої прокладки у n , мм/Н, визначають за формулою у n , (5.12)

де ^h _n – товщина прокладки, мм; K – коефіцієнт обтиснення прокладки;

^E _n – модуль пружності прокладки, МПа; ^D _cn – середній діаметр прокладки, мм.

Основні характеристики прокладок для фланцевих з’єднань апаратів наведені в таблиці 5.4.

Для прокладок ТРГ „Графлекс” умовний модуль стиснення ^E _n ,

МПа, розраховують за формулою

E _п 11,1 q , (5.13)

де q – питомий тиск на прокладку при затягненні фланцевого з’єднання, МПа.

У зв’язку з тим, що модуль пружності прокладки залежить від питомого тиску на прокладку q , при визначенні коефіцієнта жорсткості фланцевого з’єднання J податливість прокладки визначають методом послідовних наближень.

Попередньо визначають питомий тиск на прокладку при затягненні q , МПа, за формулою

q , (5.14)

де ^P _б – болтове зусилля для умов монтажу, яке визначається за формулою (5.52), Н.

При визначенні зусилля ^P _б коефіцієнт жорсткості фланцевого з’єднання у першому наближенні приймають рівним J1 .

Потім за формулою (5.13) визначають модуль пружності і за формулою (5.12) податливість прокладки. Якщо коефіцієнт жорсткості фланцевого з’єднання J буде більше одиниці, необхідно визначити болтове зусилля ^P _б 1 за формулою (5.53) з отриманим коефіцієнтом J і повторити визначення питомого тиску q та умовного модуля стиснення ^E _n . Після цього необхідно визначити нове значення коефіцієнта J . Таблиця 5.4 – Характеристики прокладок

с-

Закінчення таблиці 5.4

Якщо при першому наближенні коефіцієнт жорсткості фланцевого з’єднання J буде менше одиниці, при розрахунку фланцевого з’єднання його значення приймають рівним одиниці.

Податливість болтів (шпильок) ^y _б , мм/Н, визначають за формулою

y_б , (5.15)

де ^l _б – розрахункова довжина болта (шпильки),мм;

^f _б – площа поперечного перерізу болта (шпильки) по внутрішньому діаметру нарізі, мм (приймається за таблицею 5.5);

Е _б ²⁰ – модуль подовжньої пружності матеріалу болта (шпильки) при температурі 20 °С; n – кількість болтів (шпильок).

Таблиця 5.5 – Площа поперечного перерізу болта (шпильки)

Розрахункову довжину болта (шпильки) визначають за формулою

l б l б0 0,28d для болта, (5.16) l _б 0 0,56 d для шпильки

де ^l _б 0 – відстань між опорними поверхнями гайки і голівки болта (для шпильок – між опорними поверхнями гайок), мм;

d – зовнішній діаметр болта (шпильки), мм.

Якщо між фланцями затиснута трубна решітка або інша деталь, при визначенні розрахункової довжини болта (шпильки) слід враховувати їхні товщини.

При розрахункових тисках Р2,5 МПа слід застосовувати шпильки.

Еквівалентну товщину втулки приварного встик фланця ^S _е , мм, визначають за формулою

S _е K ₁ S ₀ , (5.17)

де ^S 0 – товщина конічної втулки в місці з’єднання з обичайкою (рисунок 5.2), мм;

^K ₁ – безрозмірний коефіцієнт.

K ₁ . (5.18)

Коефіцієнт розраховують за формулою

S₀ , (5.19)

де ^S 1 – товщина конічної втулки в місці з’єднання з фланцем, мм.

Коефіцієнт X визначають за формулою

X l D S ₀ , (5.20)

де l – довжина конічної втулки (рисунок 5.2), мм.

Еквівалентну товщину плоского приварного фланця приймають рівною ^S _е ^S ₀ .

Кутову податливість фланця ^y _ф , 1/Н·мм, визначають за формулою

y _ф , (5.21)

де безрозмірні коефіцієнти;

^{Е 20} – модуль подовжньої пружності матеріалу фланця при температурі 20 ºС; h – товщина фланця (рисунки 5.1, 5.2), мм.

Для фланців із ущільнювальною поверхнею типу „виступ” або „шип” товщину фланця приймають рівною h h (рисунки 5.1, 5.2).

Для фланців із ущільнювальною поверхнею типу „западина” або „паз” товщину фланця приймають рівною h h (рисунки 5.1, 5.2).

Якщо фланці виконуються зі сталей різних марок або мають різне конструктивне виповнення, розраховувати на міцність необхідно обидва фланці.

, (5.22)

де , j – безрозмірні коефіцієнти.

Коефіцієнт розраховують за формулою

h D S₀ . (5.23)

Коефіцієнт 1 розраховують за формулою

₁ 1,28 lg D_з D , (5.24)

де ^D _з – зовнішній діаметр фланця, мм.

Коефіцієнт 2 розраховують за формулою

. (5.25)

Коефіцієнт j розраховують за формулою

j h S ₀ . (5.26)

Кутову податливість фланця зі сферичною невідбортованою кришкою ^y _{кр с} , 1/Н·мм, розраховують за формулою

y _{кр с} , (5.27)

де – безрозмірні коефіцієнти.

Для сферичних невідбортованих кришок коефіцієнт розраховують за формулою

, (5.28)

де ^R _c – внутрішній радіус сфери сферичного невідбортованого днища, мм.

Коефіцієнт

. (5.29)

Кутову податливість плоскої кришки ^y _кр , 1/Н·мм визначають за формулою

X ^кр

^y _кр Е кр _{20 h кр3} , (5.30)

де ^X _кр – безрозмірний коефіцієнт; ^h _кр – товщина плоскої кришки в зоні ущільнення, мм.

X_кр , (5.31)

де кр – товщина плоскої кришки на зовнішньому діаметрі, мм; ^К _кр – безрозмірний коефіцієнт.

K_кр D_з D_сп , (5.32)

де ^D _сп – середній діаметр прокладки, мм.

Кутову податливість фланця, навантаженого зовнішнім згинальним моментом, ^y _фм , 1/Н мм, визначають за формулою 3

D

y _фм . (5.33)

4 н

Плечі моментів сил b і e , мм, визначають за формулами: b 0,5 D_б D_сп ; (5.34) e 0,5 D _сп D S _е , (5.35)

де ^D _б – діаметр болтової окружності, мм;

^S _е – еквівалентна товщина втулки фланця, мм.

5.5 Визначення коефіцієнта жорсткості фланцевого з'єднання

Коефіцієнт жорсткості фланцевого з’єднання J , навантаженого внутрішнім надлишковим або зовнішнім тиском і зовнішньою осьовою силою, визначають за формулою

J , (5.36)

де – коефіцієнт, мм/Н.

Коефіцієнт

b² . (5.37)

При стисненні однакових за розмірами фланців із гладкою ущільнювальною поверхнею: коефіцієнт жорсткості фланцевого з’єднання визначають за формулою

, (5.38)

де b² . (5.39)

Для з’єднання фланця з плоскою кришкою коефіцієнт жорсткості

J визначають за формулою

J, (5.40)

де

b . (5.41)

При дії на фланцеве з’єднання зовнішнього згинального моменту коефіцієнт жорсткості визначають за формулою

5.6 Розрахунок навантажень

Рівнодіючу внутрішнього надлишкового або зовнішнього тиску ^Q _д , Н, розраховують за формулою

Q _д 0,785D _сп ² Р , (5.44)

де Р – розрахунковий внутрішній надлишковий або зовнішній тиск (для вакууму або зовнішнього тиску P < 0), МПа. Реакція прокладки в робочих умовах ^R _n , Н

R_n D_сп b_o m P , (5.45)

де m – коефіцієнт питомого тиску на прокладку, що визначається за таблицею 5.4.

При визначенні навантажень від температурних деформацій розрахункові температури фланців, кришки, болтів (шпильок), трубної решітки необхідно зменшити на температуру, при якій відбувається збирання фланцевого з’єднання (20 °С).

Навантаження, що виникає від температурних деформацій фланцевого з’єднання ^Q _t , Н, розраховують за формулою

Q _t 20 , (5.46)

де ₁ – коефіцієнт, мм/Н;

_ф 1 ^, _ф 2 ^, _б коефіцієнти лінійного розширення матеріалів відповідно фланців і болтів (шпильок), 1/ °С;

^t _ф, ^t _б – розрахункові температури відповідно фланців і болтів

(шпильок),°С.

Коефіцієнт визначають за формулою

b ² . (5.47)

Коефіцієнти лінійного розширення сталей, які отримали найбільше поширення для виготовлення фланців і болтів (шпильок), наведені в таблиці 5.6.

Навантаження, що виникає від температурних деформацій при стисненні однакових за конструкцією фланців (із гладкою ущільнювальною поверхнею і під прокладку восьмикутного перерізу) ^Q _t , Н, визначають за формулою

E _б E

Навантаження, яке виникає від температурних деформацій у з’єднанні фланця з плоскою кришкою ^Q _t , Н, визначають за формулою

Таблиця 5.6 – Розрахункове значення коефіцієнта лінійного розширення сталей

Болтове навантаження в умовах монтажу ^P _б , Н, визначають за формулою

P_б max P_б 1; Р_б 2; Р_б 3 , (5.52)

де ^Р _б 1 – болтове навантаження від спільної дії внутрішнього надлишко-

вого або зовнішнього тиску середовища, осьової сили і згинального моменту, Н;

^Р _б 2 – болтове навантаження, необхідне для початкового зминання прокладки, Н;

^Р _б 3 – болтове навантаження за умови забезпечення міцності болтів (шпильок), Н.

Болтове навантаження ^P _б 1 визначають за формулою

Р _б 1 , (5.53)

де F – зовнішнє осьове зусилля, що діє на фланцеве з’єднання ( F 0, якщо зусилля стискальне), H;

М – зовнішній згинальний момент, що діє на фланцеве з’єднання, H·мм.

При відсутності зовнішнього осьового зусилля F і зовнішнього згинального моменту М болтове навантаження визначають за формулою

Р_б 1 J Q_д R _n Q _t . (5.54)

Навантаження від температурних деформацій ^Q _t враховують лише при ^Q _t 0.

Якщо коефіцієнт жорсткості фланцевого з’єднання J1 , в розрахунках слід приймати J1 .

Болтове навантаження, яке необхідне для початкового зминання прокладки, визначають за формулою

P_б 2 0,5 D_cn b₀ q_обт . (5.55)

Болтове навантаження за умови забезпечення міцності болтів (шпильок) визначають за формулою

P _б 3 0,4 _б ²⁰ n f _б , (5.56)

де _б ²⁰ – допустима напружина для матеріалу болтів (шпильок) при

температурі 20 ºС;

п – кількість болтів (шпильок).

Для умов вакууму або зовнішнього тиску

P_б max P_б 2; P_б 3 . (5.57)

5.7 Розрахунок болтів (шпильок)

Умови міцності болтів (шпильок):

– в умовах монтажу

; (5.58)

– в робочих умовах

, (5.59)

де _б 1 – напружина в болтах (шпильках) в умовах монтажу (при температурі 20 °С), МПа; _б 2 – напружина в болтах (шпильках) при розрахунковій температурі в робочих умовах, МПа;

^P _б – прирощення навантаження на болти (шпильки) в робочих умовах, Н.

. (5.60)

D

При відсутності зовнішнього осьового зусилля F і зовнішнього згинального моменту М прирощення болтового навантаження ^P _б визначають за формулою

P_б 1 J Q_д Q_t . (5.61)

Для умов вакууму або зовнішнього тиску

б . (5.62)

При перевірці міцності болтів в робочих умовах з урахуванням навантаження на болти від стиснення температурних деформацій допустиму напружину можна збільшити на 30 %.

5.8 Розрахунок прокладок

Умова міцності м’яких прокладок має вигляд

q q , (5.63)

де q – допустимий питомий тиск на прокладку, МПа.

5.9 Розрахунок фланців на міцність

Кут повороту фланця при затягненні з’єднання , рад, визначають за формулою

M ₀₁ , (5.64)

де ^M ₀₁ – згинальний момент від болтового навантаження, Н·мм.

Згинальний момент від болтового навантаження визначають за формулою

M ₀₁ P _б b. (5.65)

Прирощення кута повороту фланця в робочих умовах , рад, розраховують за формулою

₀₁ , (5.66)

де ^M ₀₁ прирощення згинального моменту від болтового навантаження, Н·мм.

Прирощення згинального моменту від болтового навантаження визначають за формулою

e . (5.67)

При відсутності зовнішнього осьового зусилля F і зовнішнього згинального моменту М прирощення згинального моменту від болтового навантаження ^M ₀₁ , Н·мм, визначають за формулою

M₀₁ P_б b Q_д e. (5.68)

Меридіональні напружини в перерізі товщиною ^S ₁ конічної втулки приварного встик фланця при затягненні фланцевого з’єднання 11 і ₁₂ , МПа, визначають за формулами:

– на зовнішній поверхні втулки

– на внутрішній поверхні втулки , де – максимальна згинальна напружина в перерізі товщиною ^S ₁ приварного встик фланця, МПа.

Максимальну згинальну напружину в перерізі товщиною ^S ₁ конічної втулки приварного встик фланця визначають за формулою

, (5.69)

де T – безрозмірний коефіцієнт; D* – розрахунковий діаметр, мм;

С 1 – добавка для компенсації корозії та ерозії, мм. Коефіцієнт Т визначається за формулою

D ^з D ² 1 8,55lg D ^з D 1 . (5.70)

T

1,05 1,945 D _з D ² D _з D 1

Розрахунковий діаметр D* визначають за формулою

D при D 20 S1

D* D S0 при D 20 S1 и f 1 , (5.71)

D S1 при D 20 S1 и f 1

де f – коефіцієнт, що визначається за графіком, який наведений на рисунку 5.3.

Меридіональні напружини в перерізі товщиною ^S ₀ конічної втулки приварного встик фланця при затягненні фланцевого з’єднання 21 і ₂₂ , МПа, визначають за формулами: – на зовнішній поверхні втулки

– на внутрішній поверхні втулки .

Меридіональні напружини в перерізі товщиною ^S ₀ циліндричної втулки (обичайки) плоского приварного фланця при затягненні фланцевого з’єднання 21 і 22 , МПа, визначають за формулами:

– на зовнішній поверхні втулки

– на внутрішній поверхні втулки , де – максимальна згинальна напружина в перерізі ^S ₀ циліндричної втулки, МПа.

Максимальну згинальну напружину в перерізі ^S ₀ циліндричної втулки плоского приварного фланця , МПа, визначають за формулою

, (5.72)

де T – безрозмірний коефіцієнт, що визначається за формулою (5.70); С сума добавок до розрахункової товщини втулки фланця, мм.

Рисунок 5.3 – Графік для визначення коефіцієнта f

Якщо фланець приварюється безпосередньо до обичайки, замість товщини циліндричної втулки ^S ₀ в формулу (5.72) необхідно підставляти товщину стінки обичайки S .

Прирощення меридіональних напружин в перерізі товщиною ^S ₁ конічної втулки приварного встик фланця в робочих умовах 11 і

12 , МПа, визначають за формулами:

– на зовнішній поверхні втулки

; (5.73)

– на внутрішній поверхні втулки

, (5.74)

де – прирощення напружини, яка виникає в меридіональному на прямку в перерізі товщиною ^S ₁ конічної втулки від дії зовнішніх навантажень в робочих умовах, МПа;

в – прирощення напружини, яка виникає в меридіональному на-

прямку в перерізі товщиною ^S ₁ конічної втулки від зміни згинального моменту в робочих умовах, МПа.

; (5.75) . (5.76)

Прирощення меридіональних напружин у перерізі товщиною ^S ₀ конічної втулки приварного встик фланця в робочих умовах 21 і

22 , МПа, визначають за формулами:

– на зовнішній поверхні втулки

; (5.77)

– на внутрішній поверхні втулки

, (5.78)

де – прирощення напружини, що виникає в меридіональному

напрямку в перерізі товщиною ^S ₀ конічної втулки від дії зовнішніх навантажень в робочих умовах, МПа.

. (5.79)

Прирощення меридіональних напружин у перерізі товщиною ^S ₀ циліндричної втулки (обичайки) плоского приварного фланця в робочих умовах 22 , МПа, визначають за формулами:

– на зовнішній поверхні втулки

; (5.80)

– на внутрішній поверхні втулки

, (5.81)

де _м – прирощення напружини, що виникає в меридіональному на-

прямку циліндричної втулки (обичайки) в робочих умовах від дії зовнішніх навантажень, МПа;

– прирощення напружини, що виникає в меридіональному на-

прямку від зміни згинального моменту в робочих умовах, МПа.

; (5.82)

. (5.83)

Окружні напружини в перерізі товщиною ^S ₁ конічної втулки приварного встик фланця при затягненні фланцевого з’єднання 13 і 14 , МПа, визначають за формулами:

– на зовнішній поверхні втулки

; (5.84)

– на внутрішній поверхні втулки

. (5.85)

Окружні напружини в перерізі товщиною ^S ₀ конічної втулки приварного встик фланця при затягненні фланцевого з’єднання 23 і ₂₄ ,

МПа, визначають за формулами:

– на зовнішній поверхні втулки

₂₃ 0,3 f _в ; (5.86)

– на внутрішній поверхні втулки

. (5.87)

Окружні напружини в перерізі товщиною ^S ₀ циліндричної втулки

(обичайки) плоского приварного фланця при затягненні фланцевого з’єднання ₂₃ і 24 , МПа, визначають за формулами:

– на зовнішній поверхні втулки

₂₃ 0,3 _в ; (5.88)

– на внутрішній поверхні втулки

. (5.89)

Прирощення окружних напружин в перерізі товщиною ^S ₁ конічної втулки приварного встик фланця в робочих умовах 14 , МПа, визначають за формулами:

Прирощення окружних напружин в перерізі товщиною ^S ₀ конічної втулки приварного встик фланця в робочих умовах 24 ,

МПа, визначають за формулами:

– на зовнішній поверхні втулки

; (5.92)

– на внутрішній поверхні втулки

. (5.93)

Прирощення окружних напружин в перерізі товщиною ^S ₀ циліндричної втулки (обичайки) плоского приварного фланця в робочих умовах ₂₄ , МПа, визначають за формулами:

– на зовнішній поверхні втулки (обичайки)

0,3 _в ; (5.94)

– на внутрішній поверхні втулки (обичайки)

0,3 _в , (5.95)

де ^S 0 – товщина циліндричної втулки (якщо фланець приварюється безпосередньо до обичайки, ^S ₀ S ), мм.

Умова статичної міцності приварних встик фланців у перерізі товщиною ^S ₁ :

де ₁₁ ^р – меридіональна напружина в перерізі товщиною ^S ₁ на зовні-

шній поверхні конічної втулки приварного встик фланця в робочих умовах, МПа;

12 ^р – меридіональна напружина в перерізі товщиною ^S ₁ на внут-

рішній поверхні конічної втулки приварного встик фланця в робочих умовах, МПа;

13 ^р – окружна напружина в перерізі товщиною ^S ₁ на зовнішній по-

верхні конічної втулки приварного встик фланця в робочих умовах, МПа;

₁₄ ^р – окружна напружина в перерізі товщиною ^S ₁ на внутрішній

поверхні конічної втулки приварного встик фланця в робочих умовах, МПа;

S₁ – допустима напружина для матеріала приварного встик фла-

нця в перерізі товщиною ^S ₁ в робочих умовах (при розрахунковій температурі), МПа.

Меридіональні і окружні напружини в перерізі товщиною ^S ₁ конічної втулки приварного встик фланця в робочих умовах ₁₁ ^{р ,} ₁₂ ^{р ,} ₁₃ ^р ,

₁₄ ^р , МПа, визначають за формулами:

₁₁ ; (5.98)

₁₂ ; (5.99)

₁₃ ; (5.100) ₁₄ . (5.101)

Умови статичної міцності приварних встик і плоских приварних фланців у перерізі товщиною ^S ₀ визначають за формулами:

– при затягненні з’єднання

де ₂₁ ^р – меридіональна напружина в перерізі товщиною ^S ₀ на зовнішній

поверхні конічної втулки приварного встик і циліндричної втулки плоского приварного фланця в робочих умовах, МПа;

22 ^р – меридіональна напружина в перерізі товщиною ^S ₀ на внутріш-

ній поверхні конічної втулки приварного встик і циліндричної втулки плоского приварного фланця в робочих умовах, МПа;

23 ^р – окружна напружина в перерізі товщиною ^S ₀ на зовнішній по-

верхні конічної втулки приварного встик і циліндричної втулки плоского приварного фланця в робочих умовах, МПа;

₂₄ ^р – окружна напружина в перерізі товщиною ^S ₀ на внутрішній по-

верхні конічної втулки приварного встик і циліндричної втулки плоского приварного фланця в робочих умовах, МПа;

S0 – допустима напружина для матеріалу приварного встик фла-

нця в перерізі товщиною ^S ₀ конічної втулки і циліндричної втулки плоского приварного фланця в робочих умовах (при розрахунковій температурі), МПа.

Меридіональні і окружні напружини в перерізі товщиною ^S ₀ конічної втулки приварного встик і циліндричної втулки плоского приварного фланця в робочих умовах ₂₁ ^{р ,} ₂₂ ^{р ,} ₂₃ ^{р ,} ₂₄ ^р , МПа, визначають за формулами

₂₁ ; (5.104)

₂₂ ; (5.105)

₂₃ ; (5.106)

₂₄ . (5.107)

5.10 Перевірка фланцевого з'єднання на жорсткість

Умова жорсткості фланцевого з’єднання має вигляд

, (5.108)

де – допустимий кут повороту фланця, рад.

Для плоских приварних фланців:

– в робочих умовах 0,013 ;

– в умовах випробувань 0,017 .

Для фланців приварних встик: – в робочих умовах:

0,009 при D2000 мм;

0,013 при D2000 мм; – в умовах випробувань:

0,011 при D2000 мм;

0,015 при D2000 мм.

5.11 Розрахунок фланців на малоциклову втомленість

Розрахункову амплітуду зведених умовних пружних напружин , МПа, при затягненні фланцевого з’єднання визначають за формулою

_а 0,5max 1; ₂ ; ₃ , (5.109)

де – головні нормальні напружини, МПа.

Головні нормальні напружини для приварних встик фланців визначають за формулами:

; (5.110)

; (5.111) , (5.112)

де – коефіцієнт, який визначається за графіком, який наведений на рисунку 5.4, залежно від відношення радіуса тороїдального переходу між конічною втулкою і тарілкою фланця r до товщини втулки фланця ^S ₁ .

Головні нормальні напружини для плоских приварних фланців визначають за формулами:

₁ 0 ; (5.113)

₂ 1,5 max ₂₁ ; ₂₃ ; ₂₁ 23 ; (5.114) 3 1,5max ₂₂ ; ₂₄ ; ₂₂ 24 . (5.115)

Розрахункову амплітуду зведених умовних пружних напружин в робочих умовах _а ^р , МПа, визначають за формулою

. (5.116)

Рисунок 5.4 – Графік для визначення коефіцієнта

Прирощення головних нормальних напружин приварних встик фланців визначають за формулами:

; (5.117)

; (5.118) . (5.119)

Прирощення головних нормальних напружин плоских приварних фланців визначають за формулами:

Кількість допустимих збирань фланцевого з’єднання визначають за формулою

, (5.123)

де t – температура збирання апарата, °С; А, В – характеристики матеріалу, МПа; ⁿ _N – коефіцієнт запасу міцності по числу циклів, ⁿ _N = 10; n – коефіцієнт запасу міцності по напружинам, n = 2;

– умовна амплітуда напружин при затягненні фланцевого з’єднання, МПа.

Умовну амплітуду напружин при затягненні фланцевого з’єднання визначають за формулою

. (5.124)

Характеристики матеріалу A і B визначають за таблицею 5.7. Таблиця 5.7 – Характеристики матеріалу A і B

Позначення в таблиці 5.7:

^R _m ²⁰ – мінімальне значення тимчасового опору (границі міцності) при температурі 20 °С, МПа;

^R _e ²⁰ – мінімальне значення границі текучості при температурі 20 °С, МПа.

Число допустимих циклів зміни режиму експлуатації визначають за формулою

, (5.125)

p

де _a – умовна амплітуда напружин для робочих умов, МПа;

t – розрахункова температура стінки апарата, °С.

Умовну амплітуду напружин для робочих умов визначають за формулою

. (5.126)

Умова міцності для заданої кількості циклів навантажень має вигляд

1 , (5.127)

де ^N _з – кількість збирань фланцевого з’єднання за весь строк служби;

^N _p – кількість циклів зміни режимів експлуатації за весь строк служби.

5.12 Приклади розрахунку фланцевих з'єднань

Приклад 1

Розрахунок на міцність, жорсткість та герметичність фланцевого з'єднання люка апарата, що працює під внутрішнім надлишковим тиском

1 Вихідні дані

Розрахунковий тиск в апараті Р1,0 МПа, розрахункова температура стінки t 165 С, внутрішній діаметр обичайки люка D400мм, матеріал фланця і кришки люка – сталь 20, матеріал обичайки люка – сталь Ст3сп5. Група апарата – 4. Додаток до розрахункової товщини обичайки люка для компенсації корозії та ерозії прийняти рівним С 12 мм. Розрахунковий тиск в умовах випробувань Р _в 1,33МПа. Загальна кількість циклів навантаження за весь строк служби апарата N 2 10³ . Зовнішнє осьове зусилля, що діє на фланцеве з'єднання, прийняти рівним F0 , зовнішній згинальний момент – M0 .

За розрахунковим тиском Р1МПа і розрахунковою температурою t165°С для апарата 4 групи приймаємо люк виповнення 2 з плоским приварним фланцем зі сталі 20 з гладкою ущільнювальною поверхнею. Відповідно до таблиці А.1 додатку А для плоских приварних фланців на умовний тиск PN 1 МПа, які виготовляються зі сталі 20, при розрахунковій температурі t 165 C допустимий розрахунковий тиск визначаємо методом лінійної інтерполяції, P 0,967 МПа, що менше розрахункового. Приймаємо фланці на номінальний (умовний ) тиск PN 1,6 МПа, допустимий розрахунковий тиск для яких при розрахунковій температурі складає P 1,548 МПа, що більше розрахункового. Умовне позначення люка:

Люк 2-400-1,6-1 ОСТ 26-2002-83.

Конструкція та розміри люка і його елементів відповідно до стандартів 29 , 33 , 40 , 41 наведені на рисунку 5.5. У фланцевому з'єднанні з гладкою ущільнювальною поверхнею застосовуємо паронітову прокладку виповнення 2 за таблицею Е.1 додатку Е. Конструкція та розміри прокладки наведені на рисунку 5.5,г.

Розрахункова температура стінки апарата складає t165 C , тому апарат і фланцеве з'єднання повинні бути теплоізольовані.

Розміри елементів фланцевого з'єднання, мм:

Товщина кришки люка на зовнішньому діаметрі _кр . . . . . . . . . . . . 23

Діаметр болтів d . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . М20

Кількість болтів n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

а – люк; б – кришка люка; в – фланець; г – прокладка

Рисунок 5.5 – Люк апарата

За таблицею 5.1 визначаємо розрахункові температури фланця і болтів:

t_ф t 165 С;

t_б 0,97t 0,97 165 160 С.

За таблицею 4.1 при заданих розрахункових параметрах для фланців з вуглецевої сталі для виготовлення болтів приймаємо сталь марки 40.

Допустиму напружину матеріалу болтів _б , МПа, при розрахунковій температурі ^t _б 160 С визначаємо за таблицею 5.2 методом лінійної інтерполяції _б 122МПа.

Допустимі напружини для матеріалу обичайки визначаємо за посібником 2 . При розрахунковій температурі t 165 C допустиму напружину приймаємо рівною 144МПа, при температурі t 20 C – 154МПа .

Мінімальне значення границі текучості для сталі Ст3сп5 при розрахунковій температурі t 165 C приймаємо рівним ^R _e 223,5 МПа; при температурі t 20 C – ^R _e ²⁰ 250МПа. Мінімальне значення тимчасового опору при розрахунковій температурі t 165 C приймаємо рівним

^R _m 473,5 МПа, при температурі t 20 C – ^R _m ²⁰ 460МПа.

Визначаємо допустимі напружини для матеріалу фланця в перерізі ^S ₀ за формулами:

Розрахунковий тиск Р в робочих умовах, помножений на величину

1,35

154

1,35P1,35 1,0 1,44МПа

144

більше розрахункового тиску Р _в в умовах випробувань, тому розрахунок фланцевого з'єднання для умов випробувань не проводимо [2 ].

Відповідно до рисунка 5.5,г визначаємо виконавчу ширину прокладки

b n D 1 D 2 457 427 15мм

2 2

і середній діаметр прокладки

D cn D 1 D 2 457 427 442мм.

2 2

Ефективну ширину прокладки визначаємо за формулою (5 .9 )

b₀ ^b _n 15 мм.

За таблицею 5.4 для прокладки з пароніту товщиною 2 мм визначаємо коефіцієнт обтиснення К 0,9 і умовний модуль стиснення Е _п 0,02 10 ⁵ МПа.

Лінійну податливість неметалевої прокладки визначаємо за формулою (5.12 )

y n Eh _n n DK _cn b _n 3,14 0,022 100,9 5 442 15 4,321 10 8 мм/Н.

Відстань між опорними поверхнями гайки і голівки болта ^l _б 0 визначаємо відповідно до рисунка 5.5,а

l_б 0 h ^h _кр ^h _n 35 23 2 60 мм.

Розрахункову довжину болта визначаємо за формулою (5 .16 ) l_б l_б 0 0,28d 60 0,28 20 65,6 мм.

Площу поперечного перерізу болта М20 по внутрішньому діаметру нарізі визначаємо за таблицею 5.5, ^f _б 225мм² . Модуль подовжньої пружності матеріалу болта (сталь марки 40 ) Е _б ²⁰ при температурі t 20 C визначаємо за посібником 2 , ^E _б ²⁰ 1,99 ^{10 5} МПа. Податливість болтів визначаємо за формулою (5 .15 )

l б 65,6 7,326 10 8 1/Н мм. y б 20 f б n 1,99 10 5 225 20

E б

Еквівалентну товщину плоского приварного фланця приймаємо рівною товщині обичайки в перерізі ^S ₀

0,305.

Товщина плоскої кришки в зоні ущільнення ^h _кр і на зовнішньому діаметрі _кр відповідно до рисунка 5.5,а складає

h_кр 23 мм.

Значення коефіцієнтів ^К _кр і ^Х _кр обчислюємо за формулами (5 .32 )

і (5 .31 )

Кутову податливість плоскої кришки визначаємо за формулою

(5 .30 )

Коефіцієнт жорсткості фланцевого з'єднання з плоскою кришкою визначаємо за формулою (5 .40 )

J

1,643.

Розрахунок навантажень, що діють у фланцевому з'єднанні Рівнодіючу внутрішнього надлишкового тиску визначаємо за формулою (5 .44 )

Q _д 0,785D _сп ² Р 0,785 442 ² 1,0 153400Н.

Реакцію прокладки в робочих умовах обчислюємо за формулою (5 .45 ), визначивши за таблицею 5.4 коефіцієнт питомого тиску на прокладку m

52070 Н.

Коефіцієнти лінійного розширення матеріалів фланця, кришки і болтів визначаємо методом лінійної інтерполяції за таблицею 5.6: 12,39 10 ⁶ 1/

_{ф кр} °С;

11,72 10 ⁶ 1/ _б °С.

Модулі подовжньої пружності матеріалів фланця, кришки і болтів при розрахунковій температурі визначаємо методом лінійної інтерполяції за посібником 2 :

Е Е_кр 1,845 10⁵ МПа;

Навантаження ^Q _t , що виникає від температурних деформацій фланцевого з'єднання, визначаємо за формулою (5 .50 )

тому при визначенні болтового навантаження воно не враховується. Болтове навантаження Р_б 1 визначаємо за формулою (5 .54 )

Р_б 1 J Q_д R_п 1,643 153400 52070 304100Н.

Болтове навантаження Р _б 2 , необхідне для початкового зминання прокладки, визначаємо за формулою (5 .55 ). Питомий тиск обтиснення прокладки з пароніту визначаємо за таблицею 5.4, ^q _обт 20 МПа .

Р_б 2 0,5 D_cn b₀ q_обт 0,5 3,14 442 15 20 208300Н.

Болтове навантаження Р _б 3 за умови забезпечення міцності болтів визначаємо за формулою (5 .56 )

Р _б 3 0,4 _б ²⁰ n f _б 0,4 130 20 225 234000Н.

Болтове навантаження в умовах монтажу Р _б визначаємо за формулою (5 .52 )

Р_б max P_б 1;Р_б 2;Р_б 3 max 304100;208300;234000304100Н.

Розрахунок болтів

Умова міцності болтів в умовах монтажу (5.58 )

б1 P б 304100 67,6 20б 130МПа n f _б 20 225

виконується.

Прирощення навантаження на болти в робочих умовах визначаємо за формулою (5 .61 )

Р_б 1 J Q_д Q_t 1 1,643 153400 7120 91520Н.

Умова міцності болтів в робочих умовах (5 .59 )

б2 P б ¹ f бP ^б 304100 91520 47, ² _б 122МПа п _{20 225}

виконується.

Розрахунок прокладки

Допустимий питомий тиск на прокладку визначаємо за таблицею 5.4, q 130МПа.

Умова міцності м'якої прокладки (5 .63 )

P ^б 304100 14,6 q 130МПа

q

D _cn b _n 3,14 442 15

виконується.

Розрахунок фланця на міцність

Згинальний момент від болтового навантаження обчислюємо за формулою (5.65 )

M ₀₁ P _б b 304100 26,5 8,059 10 ⁶ Н мм.

Кут повороту фланця при затягненні з'єднання обчислюємо за формулою (5 .64 )

M ₀₁

8,059 10 ⁶ 3,44 10 ³ рад.

Прирощення згинального моменту від болтового навантаження ^M ₀₁ визначаємо за формулою (5 .68 )

M₀₁ P_б b Q_д e 91520 26,5 153400 17 182520Н мм.

Прирощення кута повороту фланця в робочих умовах обчислюємо за формулою (5 .66 )

01

182520 8,4 10 ⁵ рад.

01

182520рад.

Коефіцієнт Т обчислюємо за формулою (5 .70 )

T

1

2

1,78.

Максимальну напружину вигину у втулці в перерізі ^S ₀ обчислюємо за формулою (5 .72 )

404,5 МПа.

Меридіональні напружини в циліндричній обичайці при затягненні фланцевого з'єднання для плоских приварних фланців складають:

– на зовнішній поверхні втулки

404,5МПа;

– на внутрішній поверхні втулки 404,5 МПа.

Прирощення напружини, що виникає в меридіональному напрямку в циліндричній втулці в робочих умовах від дії зовнішніх навантажень _м , визначаємо за формулою (5.82 ) м Q _д 4M D _cn F 153400 4 0 / 442 0 23,5 _МПа. D S ₀ C 3,14 400 8 2,8

Прирощення напружини , що виникає в меридіональному напрямку в циліндричній втулці в робочих умовах від зміни згинального моменту, визначаємо за формулою (5 .83 )

в DT S MC 012 1,784000,3058 2182520,8 2 9,2 _МПа.

0

Прирощення меридіональних напружин у циліндричній обичайці в робочих умовах для плоских приварних фланців визначаємо за формулами:

– на зовнішній поверхні обичайки (5.80 )

32,7 МПа;

– на внутрішній поверхні обичайки (5 .81 )

14,3 МПа.

Окружні напружини в циліндричній обичайці при затягненні з'єднання для плоских приварних фланців визначаємо за формулами:

– на зовнішній поверхні обичайки (5 .88 )

₂₃ 0,3 _в 0,3 404,5 121,4МПа;

– на внутрішній поверхні обичайки (5 .89 )

₂₄ 0,3 _в 0,3 404,5 121,4 МПа.

Прирощення окружних напружин в циліндричній обичайці в робочих умовах для плоских приварних фланців обчислюємо за формулами:

– на зовнішній поверхні обичайки (5.94 )

0,3 9,2 41,2МПа;

– на внутрішній поверхні обичайки (5 .95 )

0,3 9,2 35,7 МПа.

Меридіональну напружину в перерізі ^S ₀ на зовнішній поверхні втулки плоского приварного фланця в робочих умовах визначаємо за формулою (5 .104 )

21 ^р 21 21 404,5 32,7 437,2 МПа.

Меридіональну напружину в перерізі ^S ₀ на внутрішній поверхні втулки плоского приварного фланця в робочих умовах визначаємо за формулою (5.105 )

22 ^р 22 22 404,5 14,3 390,2 МПа.

Окружну напружину в перерізі ^S ₀ на зовнішній поверхні втулки плоского приварного фланця в робочих умовах визначаємо за формулою

(5.106 )

23 ^р 23 23 121,4 41,2 162,6 МПа.

Окружну напружину в перерізі ^S ₀ плоского приварного фланця на внутрішній поверхні втулки в робочих умовах визначаємо за формулою

(5.107 )

24 ^р 24 24 121,4 35,7 85,7 МПа.

Умови статичної міцності фланця в перерізі ^S ₀ , що визначаютьсяза формулами:

виконуються.

Допустимий кут повороту для плоских приварних фланців в робочих умовах складає = 0,013 рад.

Умова жорсткості фланцевого з'єднання (5.108 )

3,44 10 ³ 8,4 10 ⁵

0,0035 0,013 рад

виконується.

Розрахунок фланцевого з'єднання на малоциклову втомленість Головні напружини для плоских приварних фланців визначаємо за формулами (5 .113 )- (5 .115 ):

Розрахункову амплітуду зведених умовних пружних напружин, що виникають у фланці при затягненн з'єднання, визначаємо за формулою

(5.109 )

_а 0,5max 1; ₂ ; ₃ 0,5max 0; 606,8; 606,8303,4 МПа.

Прирощення напружин для плоских приварних фланців визначаємо за формулами (5.120 )- (5 .122 ):

₁ 0 ;

₂ 1,5 ^max 21 ^; 23 ^; 21 23

1,5 max 32,7 ; 41,2; 32,7 41,2 61,8 МПа;

₃ 1,5 ^max 22 ^; 24 ^; 22 24

1,5 max 14,3; 35,7 ; 14,3 35,7 53,6 МПа.

Розрахункову амплітуду зведених умовних пружних напружин в робочих умовах визначаємо за формулою (5.116 ) р 0,5 max ₁ ; ₂ ; ₃ 0,5 max 0; 61,8; 53,630,9 МПа.

_a

Характеристику матеріалу (вуглецевої сталі ) визначаємо за таблицею 5.7, А 0,6 ¹⁰⁵ МПа. Характеристику В визначаємо за формулою, що наведена в таблиці 5.7

В 0,66 R _m ²⁰ 0,43 R _e ²⁰ 0,66 460 0,43 250 196 МПа.

Коефіцієнт запасу міцності по числу циклів навантаження складає ⁿ _N =10; коефіцієнт запасу міцності по напружинам – n = 2.

Умовну амплітуду напружин при затягненні фланцевого з'єднання визначаємо за формулою (5.124 )

303,4 МПа.

Виходячи із загальної кількості циклів навантаження за весь термін служби апарата, кількість збирань фланцевого з'єднання приймаємо рівною ^N _з 1000, кількість циклів зміни режимів експлуатації – N _p 1000 .

Кількість допустимих збирань фланцевого з'єднання визначаємо

Умовну амплітуду напружин для робочих умов визначаємо за формулою (5.126 )

98 МПа. Допустиме число циклів зміни режиму експлуатації визначаємо при розрахунковій температурі за формулою (5.125 )

Умова малоциклової міцності для заданої кількості циклів навантажень (5.127 )

N з N p 1000 1000 0,12 1

N _з N _p 8,38 10 ³

виконується.

Приклад 2

Розрахунок на міцність, жорсткість і герметичність фланцевого з'єднання апарата, що працює під внутрішнім надлишковим тиском

Вихідні дані

Розрахунковий тиск в апараті складає Р7,0 МПа, розрахункова температура стінки апарата t 250 С, внутрішній діаметр апарата D1000мм, матеріал фланців і обичайки – сталь марки 16ГС. Група апарата – 1. Добавку для компенсації корозії та ерозії прийняти рівною С 1 2 мм. Розрахунковий тиск в умовах випробувань Р _в 11,04 МПа .

Загальна кількість циклів навантаження за весь строк служби апарата N 3,5 ¹⁰³ . Зовнішнє осьове зусилля, що діє на фланцеве з'єднання, прийняти рівним F0 , зовнішній згинальний момент – M0 .

За таблицею 2.1 для заданих розрахункових параметрів приймаємо фланці приварні встик з металевою прокладкою восьмикутного перерізу (рисунок Б.28 ). Для фланців на умовний тиск PN 8,0 МПа, зі сталі марки 16ГС, при розрахунковій температурі t 250 C допустимий розрахунковий тиск складає P 7,25МПа 28 , що більше розрахункового.

Конструкція та розміри фланців відповідно до таблиці Б.6 наведені на рисунку 5.6,а, конструкція та розміри прокладки відповідно до таблиці Е.4 додатку Е – на рисунку 5.6,б.

а – фланцеве з'єднання; б – прокладка восьмикутного перерізу Рисунок 5.6 – Фланцеве з'єднання з металевою прокладкою

Розміри елементів фланцевого з'єднання, мм:

Внутрішній діаметр фланця D . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1000 Діаметр болтової окружності ^D _б . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1255

Зовнішній діаметр фланця ^D _з . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1340

Товщина втулки в місці з'єднання з обичайко ^S ₀ . . . . . . . . . . . . . . . 37

Товщина втулки в місці з'єднання з фланцем ^S ₁ . . . . . . . . . . . . . . . . 76

Довжина конічної втулки l . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140

Товщина фланця h . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130

Середній діаметр прокладки ^D _сп . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1090

Ширина прокладки b _n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

Діаметр болтів d . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . М42

Кількість болтів n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

Розрахункова температура апарата складає t 250 C, тому апарат і фланцеве з'єднання повинні бути теплоізольовані.

За таблицею 5.1 визначаємо розрахункові температури фланця і шпильок:

t_ф t 250 С;