Волошин А. А. - Расчет и конструирование фланцевых соединений.

Волошин А. А., Григорьев Г.Т. Расчет и конструирование фланцевых соединений: Справочник.— 2-е изд., перераб. и доп.— Л.: Машиностроение. Ленингр. Отд-ние, 1979.— 125 сил. 45 к.

Справочник содержит материалы по фланцевым соединениям: круглым, прямоугольным, с откидными болтами, а также бугельным и штуцерным соединениям труб. Изложена методика расчета фланцевых соединений трубопроводов, сосудов и аппаратов на любые давления и температуры рабочей среды. Приведены расчеты на прочность фланцев труб, сосудов и аппаратов, частей бугельных и штуцерных соединений, болтов и расчеты на плотность фланцевых, бугельных и штуцерных соединений.

Второе издание (1-е изд. 1972 г.) дополнено материалами для расчета более прогрессивных, чем фланцевые соединения, разъемных прочноплотных соединений труб, а также особенностями конструирования фланцевых соединений сосудов и аппаратов для химической промышленности.

Справочник предназначен для ИТР, занимающихся конструированием и расчетом фланцевых соединений трубопроводов, сосудов, и аппаратов.

ПРЕДИСЛОВИЕ

Настоящее издание справочника отвечает как более широкому кругу задач, возникающих у конструкторов, так и требованию доходчивости до читателя. Дело в том, что изложенный ниже метод расчета фланцев, результаты расчета по которому практически точно совпадают с многочисленными опытными данными отечественных и зарубежных исследователей для фланцев с Da ф от 29,9 мм до 980 мм, неотделим от учета внешних нагрузок, передающихся на фланцевые соединения, от конструктивных особенностей и от жесткости фланцев. Так, например, часть нагрузки болтов фланцевого соединения, расходуемая на восприятие основной внешней нагрузки — момента М, может в несколько раз превосходить часть нагрузки болтов, расходуемую на восприятие давления рабочей среды Я. Далее, обычно принимаемый постоянным запас прочности во втулке цельного фланца, названный ниже конструктивным запасом, изменяется в несколько раз в зависимости от назначения фланцевого соединения и его диаметра Dy.

В справочнике все эти задачи получили решение.

При неточном методе расчета фланцев, недостаточном учете всех указанных выше факторов нельзя создать надежное, наименее металлоемкое фланцевое соединение. В главе о расчете фланцев сосудов особое внимание обращено на совершенствование конструкции и расчет разъемных соединений эмалированных сосудов. Соответствующий параграф написан по материалам и при участии И. Г. Шермана и Л. А. Ярошевской.

Авторы выражают благодарность Б. В. Протопопову за оказанную им научную помощь при подготовке рукописи настоящей книги.

Книга написана в системе МКГСС. Для перевода в систему СИ пользуются следующими соотношениями: 1 кгс » 9,81Н; 1 кгс-см ж 0,0981Нм; 1 кгс/см2 я» 9,81 ¦ 104 Па. Просим читателей высказать свои пожелания и направить их по адресу: 191065, Ленинград, ул. Дзержинского, 10, изд-во «Машиностроение».

Глава первая

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

1. ЗАДАЧА РАСЧЕТА ШЛАНЦЕВЫХ И ДРУГИХ РАЗЪЕМНЫХ СОЕДИНЕНИЙ

Фланцевые соединения являются прочно-плотными разъемными соединениями сосудов, арматуры, соединительных частей и трубопроводов.

Несмотря на стандартизацию фланцев, окончательный выбор части размеров фланцев и фланцевых соединений все еще остается за конструктором. В ряде случаев возникает необходимость в конструировании фланцев, не предусмотренных стандартами. Так 2 появляется задача конструирования и расчета фланцев и фланцевых соединений.

Конструирование фланцев может сводиться к назначению их прочных размеров без подробного расчета, во многом основываясь  на теории подобия. Основное содержание задачи расчета фланцев следующее. Цельный фланец состоит из кольца, которое может рассматриваться как тонкая кольцевая пластинка, и втулки также рассматриваемой как тонкостенная цилиндрическая оболочка, в общем случае, с переменной толщиной

стенки. Опираясь на теорию упругости и экспериментальную проверку, излагаемая методика пользуется расчетной моделью (рис. 1) сопряжения втулки 1, 2 и кольца 3 с помощью упругих связей 4, существенно уточняющей расчет напряжений.

Втулки фланцев часто делают коническими, хорошо гасящими краевую деформацию и удобными конструктивно. Методика для удобства расчетных операций предусматривает замену конической втулки эквивалентной по упругим свойствам втулкой 2 с постоянной толщиной стенки (рис. 1).

Практическое значение, особенно для фланцев низкого давления, имеет задача о выборе шага болтов, поскольку прогиб w колец фланцев между болтами (рис. 2, а) может нарушить плотность соединения. В методике эта задача решена на основе рассмотрения деформации дискретно нагруженных пластин. Температурные напряжения во фланцевых соединениях криогенной техники могут вызвать частичное раскрытие фланцев(рис. 3) и изменение натяжения болтов. В методике приведена оценка упомянутых эффектов по известным температурам частей соединения.

Фланцы малых давлений и температур невозможно создать, не допустив пластическую деформацию в основании втулки (рис. 2,6, область А). Эта успешно решенная практикой задача получила в методике объяснение и количественную оценку.

Нагрузка болтов, по которой определяют прочные размеры фланца, расходуется на восприятие приложенных к соединению внешних нагрузок. Эта актуальная задача, в особенности по учету внешнего изгибающего момента, часто являющегося главной внешней нагрузкой, решена методами сопротивления материалов.

Основываясь на решениях технологии обработки металлов давлением, методика дает способ расчета силы вытяжки отбортованной трубы из фланца (рис. 4), позволяя тем самым рассчитать надежный фланец данной конструкции.

Выводы науки о неметаллических материалах послужили основанием раздела о прокладках и их уплотняющих свойствах. Такова многообразная задача о расчете фланцев и фланцевых соединений, рассматриваемая в статической постановке. К ней примыкает задача о расчете бугельных соединений (рис. 5), имеющая, однако, свои допущения. К штуцерным соединениям, применяемым в трубопроводах двигателей, предъявляется требование вибростойкости. Это требование удовлетворено путем выполнения опытно-конструкторских исследований. Штуцерные соединения, как правило, диаметром более 20 мм, применяются в трубопроводах, отвечающих статическому режиму работы. В методике, для таких штуцерных соединений, раскрыта их особенность как статически неопределимых систем.

2. КОНСТРУКЦИЯ ФЛАНЦЕВЫХ И ДРУГИХ РАЗЪЕМНЫХ СОЕДИНЕНИЙ

Фланцевые соединения можно отнести к одной из двух групп: первой, характеризуемой передачей всей нагрузки болтов на прокладку; второй, где нагрузка болтов распределяется между прокладкой и опорным или ограничительным кольцом. Соединения второй группы применяются либо с упругими прокладками (рис. 3 и рис. 6), нуждающимися в регламентированном сжатии, либо с целью разгрузки болтов от изгибных напряжений, что требуется при частых разборках соединений, либо, наконец, для исключения изгиба кольца свободного фланца с целью его упрочнения (рис. 7).

По характеру сопряжения кольца с трубой или обечайкой фланцы разделяются также на две группы: цельные и свободные. Цельные фланцы (рис. 3) изготавливаются самостоятельно или совместно с корпусом сосуда, арматуры. К цельным примыкают стальные плоские приварные фланцы (рис. 2,6). Приварная втулка в виде утолщения стенки обечайки сосуда (рис. 8) позволяет применять плоские приварные фланцы на давление проводимой среды 40 кгс/см2 вместо 25 кгс/см2 согласно ГОСТ 1255—67 [16]. Меньший вес по сравнению с плоскими приварными фланцами имеют штампованные со сфероидальными уплотнительными поверхностями фланцы (рис. 9).

Цельные фланцы применяются при любых параметрах рабочей среды и условиях нагружения.

Применение свободных фланцев (рис. 10, а) ввиду их меньшей прочности по сравнению с цельными фланцами ограничено по диаметрам и параметрам рабочей среды [40]. Фланцы (рис. 10,6) применяют при высоких давлениях проводимой среды (см. п. 25). Простота изготовления способствовала широкому применению свободных фланцевых соединений со стальными кольцами на отбортовке в медных сосудах низкого давления диаметром до 2000 мм (рис. 11.

Различают фланцы по форме кольца (круглые, квадратные, прямоугольные, овальные); по типу крепления к трубе [40]; по материалу — стальные, чугунные, из алюминия и т. д.; по способу изготовления — кованые, литые; по применению — фланцевые соединения трубопроводов, сосудов и некоторые другие.

Иногда применяют фланцы конструктивно отличные от стандартных [40]. Исследование напряженного состояния таких фланцев указывает на существенное увеличение напряжений в них [44]. Расчетная оценка возможна, если удается привести по конструкции рассматриваемый фланец к стандартному.

В сосудах применяются фланцевые соединения с зажимами (рис. 12), фиксирующими прямую ось болта, для низких и средних давлений. Вес таких соединений на 40—60% меньше, чем равных по Ру, Dy фланцевых соединений [40]. Зажимы и их размеры стандартизированы. Выбор шага зажимов (см. п. 9). Конструирование и оценочный расчет фланцевых соединений с зажимами см. статью [26].

Бугельные соединения (рис. 5) применяют в трубопроводах диаметром от 25 до 500 мм от глубокого вакуума до повышенных давлений. При высоких давлениях (200 кгс/см2) бугельные соединения применяются ограниченно ввиду их большой массы по сравнению с фланцевыми соединениями [43]. Трение между наконечником и бредем вносит неопределенность в распределение давления по прокладке, заставляя увеличивать нагрузку болтов.

Бугельное соединение с охватывающей металлической лентой (рис. 13) применяют при низких давлениях. Применяют их и в неметаллических трубопроводах (рис. 14).

Штуцерные соединения, ввиду их применения в трубопроводах машин и двигателей различного назначения, должны удовлетворять требованиям вибростойкости [35]. Эти требования удовлетворяются, если усталостное разрушение наблюдается не в штуцерном соединении, а близ него, на трубе.