Расчет и конструирование типового оборудования (стр. 27 из 35)

– внутреннее или наружное избыточное давление;

– осевые силы;

– изгибающие моменты;

– усилия затяжки болтов; – температурные усилия.

В результате воздействия внешних нагрузок в диаметральных сечениях фланца возникают изгибающие моменты, под действием которых втулка (обечайка) будет находиться в напряженном состоянии. Если втулка цилиндрическая (плоский приварной фланец), опасным сечением является сечение в месте приварки фланца к обечайке. Если втулка фланца коническая (фланец приварной встык), опасными являются сечения в месте соединения плоскости фланца с втулкой и втулки с обечайкой. В указанных сечениях напряжения возникают в осевом (меридиональные напряжения) и тангенциальном (кольцевые или окружные напряжения) направлениях.

14.4. Последовательность расчета фланцевых соединений

Фланцевое соединение рассчитывают на прочность, жесткость (герметичность) и малоцикловую усталость.

Расчет фланца на прочность заключается в определении эквивалентных напряжений в опасных сечениях и сравнении этих напряжений с допускаемыми напряжениями.

Расчет фланца на жесткость (герметичность) заключается в определении угла поворота фланца и сравнения его с допускаемой величиной угла поворота.

Расчет фланцевых соединений производится в следующей последовательности:

1. Определяется тип фланца (плоский приварной или приварной встык) по давлению, температуре и диаметру.

2. Определяется тип уплотнительной поверхности по свойствам рабочей среды или группе аппарата.

3. Выбираются фланцы (крышка) по соответствующим стандартам и определяются их размеры (вычерчивается эскиз).

4. Уточняется материал фланца, крышки, болтов или шпилек, прокладки.

5. Выбирается прокладка по соответствующему стандарту и определяются ее размеры.

6. Определяют расчетную температуру элементов фланцевого соединения.

7. Определяют допускаемые напряжения для материала болтов и фланцев.

8. Рассчитывают податливости элементов фланцевого соединения.

9. Определяют коэффициент жесткости фланцевого соединения.

10. Производят расчет нагрузок.

11. Выполняют расчет болтов на прочность.

12. Выполняют расчет мягких прокладок на смятие.

13. Выполняют расчет фланца на прочность.

14. Выполняют расчет фланца на жесткость. 15. При необходимости выполняют расчет на малоцикловую усталость.

14.5. Определение расчетных параметров

Расчетные температуры элементов фланцевого соединения

Расчетные температуры элементов фланцевого соединения зависят от расчетной температуры аппарата и наличия теплоизоляции.

Таблица 14.2

Расчетные температуры элементов фланцевого соединения

Фланцы изолированные		Фланцы неизолированные
tф	tб	tф	tб
t	0 97, t	0 96, t	0 85, t

t расчетная температура стенки аппарата, °С;

–

^t_ф расчетная температура фланца, °С;

–

^t_б расчетная температура болтов (шпилек), °С.

–

Допускаемые напряжения

Допускаемые напряжения для материалов болтов (шпилек) определяются по формулам:

если расчетная температура болтов (шпилек), изготовленных из углеродистых сталей не превышает 380 °С, низколегированных – 420 °С, аустенитных – 525 °С

R^e ; (14.1)

[ ]_б

n_т

если расчетная температура болтов (шпилек) превышает указанную выше

^R R R

[ ^]_б min ^e ; ^{m 10/ 5} ; ^{p1 0 10, / 5} , (14.2) nт nд nп

где ^R_e – минимальное значение предела текучести материала болтов (шпилек) при расчетной температуре, МПа;

10₅ – среднее значение предела длительной прочности за 10⁵ ч при расчетной температуре, МПа;

0 10/ ₅ – средний 1%-ный предел ползучести за 10⁵ ч при расчетной температуре, МПа;

ⁿ_т – коэффициент запаса прочности по пределу текучести; ⁿ_д – коэффициент запаса прочности по пределу длительной прочности; ⁿ_п – коэффициент запаса прочности по пределу ползучести.

Коэффициенты запаса прочности по пределу текучести приведены в таблице 14.3.

Коэффициент запаса прочности по пределу длительной прочности следует принимать равным n_д 1 8, .

Коэффициент запаса прочности по пределу ползучести принимается равным ⁿ_п 1 1, .

Таблица 14.3 Значение коэффициента запаса прочности по пределу текучести

Материал болтов (шпилек)	Коэффициент запаса прочности по пределу текучести nт
	рабочие условия		условия испытания
	затяжка не контролиру-ется	затяжка контролиру-ется	затяжка не контролиру-ется	затяжка контролиру-ется
Углеродистые стали при: Re / Rт 0 7,	2,6–2,8	2,4	2,1	1,8
Re / Rт 0 7,	2,3	2,1	1,7	1,6
Аустенитные стали	1,9	1,8	1,4	1,3

^R_т – минимальное значение временного сопротивления (предела прочности) материала болтов

(шпилек) при расчетной температуре.

Допускаемые напряжения для наиболее распространенных материалов болтов (шпилек) приведены пособии 2 .

Допускаемые напряжения материала фланца [ ] и [ ]²⁰ принимаются пособию [1].

Дальнейшие расчеты рассмотрим для плоских приварных фланцев для опасного сечения ^S₀ .

Расчет фланцев приварных встык производится аналогичным образом, но для двух опасных сечений: ^S₀ и S₁ . Последовательность расчета и расчетные формулы для приварных встык фланцев приведены в пособии [2].

Расчетная схема плоских приварных фланцев приведена на рис. 14.16.

Допускаемые напряжения для материала плоских приварных фланцев в сечении толщиной ^S₀

(рис.14.16) при расчете на статическую прочность:

в рабочих условиях

[ ] ; (14.3)

в условиях затяжки

[ ; (14.4)

в условиях испытания

, (14.5)

где ^R_{p0 2}, , R²⁰_{p0 2},

минимальное значение условного предела текучести материала фланца соответственно при расчетной и температуре 20 °С, МПа;

^R_m, ^R_m²⁰

минимальное значение временного сопротивления (предела прочности) материала фланца соответственно при расчетной и температуре 20 °С, МПа.

а – с гладкой уплотнительной поверхностью; б – типа „выступ-впадина”; в –типа „шип-паз”

Рис. 14.16. Расчетная схема для плоских приварных фланцев

Для углеродистых и низколегированных сталей в формулах (14.3)–(14.5) вместо минимальных значений условных пределов текучести ^R_p0,2 и R²⁰_p0,2 необходимо подставлять минимальные значения пределов текучести при расчетной температуре – ^R_e и температуре 20°С – ^R_e²⁰ соответственно.

Расчет фланцевого соединения для условий испытания производить не требуется, если расчетное давление в условиях испытания меньше, чем расчетное давление в рабочих условиях, умноженное на 1 35, [ ]²⁰ /[ ].

Расчет вспомогательных величин

Эффективную ширину плоской прокладки определяют по формулам:

^b₀ ^b_n при ^b_n 15 мм; (14.6) b₀ 3 8, b_n при ^b_n 15 мм, (14.7)

гд ^b_n исполнительная ширина прокладки, мм.