Фланцевое соединение. Прокладки фланцевых соединений. Усилия во фланцевом соединении

10. Фланцевое соединение

Фланцевое соединение - разъёмное соединение частей аппаратов, обеспечивающее герметичность. Отъёмные крышки, днища, крепятся к корпусам аппаратов при помощи фланцев. Соединение трубопроводов с аппаратами и трубопроводов между собой так же могут быть выполнены на фланцах. Фланцевое соединение включает в себя: фланцы, прокладку и болты.

Фланцы могут быть приварные и свободные (накидные). По конструкции фланцы бывают плоские и с шейкой (только приварные). Кроме того фланцы различаются по конструкции уплотняющих поверхностей. Схема фланцевого соединения приведена на рис. ... .

Прокладки фланцевых соединений

Для обеспечения герметичности соединения между  фланцами устанавливают прокладки. По конструкции прокладки бывают плоские неметаллические и металлические, плоские и гофрированные неметаллические в металлической оболочке, металлические линзовые, овальные и многогранные, неметаллические шнуровые круглого и прямоугольного сечения. Прокладки выполняют из различных материалов в зависимости от области применения (см. Табл. 10.1 Приложения). Основными характеристиками прокладок являются: прокладочный коэффициент (мера податливости прокладки)  m, минимальное усилие обжатия для обеспечения герметичности  q_o, МПа , максимально допускаемая нагрузка на прокладку [q], МПа.

Характеристики прокладок приведены в Табл. 10.2 Приложения.

Геометрические характеристики фланцевого соединения

Основные расчётные геометрические характеристики фланцевого соединения (см. рис. ... ) следующие:

диаметр окружности болтов      , где: D - внутренний диаметр корпуса (трубы), s - толщина стенки корпуса (трубы), d_б - диаметр болтов, u - нормативный зазор между гайкой и обечайкой   мм.;

наружный диаметр фланца           , наружный диаметр прокладки      , где e - нормативный размер, который выбирается как  , причём множитель 1.5 принимают при  мм, а 1.25 - при мм.;

средний диаметр прокладки       , где b - ширина прокладки, которая выбирается согласно рекомендациям Таб. ... Приложения.

Усилия во фланцевом соединении

При эксплуатации во фланцевом соединении имеет место усилие Q_э , которое складывается из следующих составляющих:

, где:  R_п - сила осевого сжатия прокладки (реакция прокладки)

,            (здесь и далее     Р_р - рабочее давление), для обеспечения герметичности необходимо чтобы сила осевого сжатия прокладки была не менее минимальной силы - силы предварительного обжатия ,   т.е.  . Если это условие не выполняется, то необходимо уменьшить ширину прокладки b.

- усилие от внутреннего давления

,

- усилие от разности температур болтов и фланца

, где:  - коэффициент, выбирается в зависимости от диаметра обечайки D и рабочего давления Р_р по таблицам или графикам, для  мм  и  МПа  можно принять ;

z - число болтов (выбор числа болтов дан ниже),

F_б - минимальное поперечное сечение болта (по внутреннему диаметру резьбы или внутреннему диаметру проточки, если таковая имеется),

Е_б - модуль упругости материала болта,

t - рабочая температура,

 и   - коэффициент линейного термического расширения материала фланца и болта соответственно.

Если в результате расчёта получилось , то принимают  .

Для того чтобы обеспечить герметичность соединения при заданном давлении и податливости выбранной прокладки при монтаже затяжкой болтов необходимо создать определённое усилие. Усилие затяжки болтов при монтаже:

, где:  - коэффициент прочности, выбирается минимальным из двух значений

, здесь и - допускаемые напряжения материала фланцев при температуре 20 ^оС и при рабочей температуре соответственно,  и  - то же для материала болтов;

 - коэффициент жёсткости соединения, выбирается в зависимости от рабочего давления и диаметра обечайки по графикам или расñчитываются [11, с. 99]. Для мм и МПа можно принять , а при    .

Выбор болтов

При расчёте болтов на прочность расчётное усилие болтов Q_б выбирают максимальное из трёх значений:             .

Число болтов определяют как: , и округляют до целого чётного значения. Здесь f_б -  шаг болтов, который выбирают из условия герметичности соединения в зависимости от диаметра болта и рабочего давления:

Диаметр болтов выбирают из условий прочности:

, здесь F_б - минимальная площадь поперечного сечения болта

Допускаемое напряжение для материала болтов определяется как:

, где  - предел прочности материала болта при разрыве,

n_з - коэффициент запаса прочности, который при контролируемой затяжке болтов можно принять в пределах:  , а при не контролируемой затяжке коэффициент запаса прочности n_з выбирают в соответствии с материалом и диаметром болтов:

Определение толщины фланца

Болты при затяжке создают изгибающий момент на фланце и толщина фланца h должна быть достаточна, чтобы изгибающие напряжения во фланце были меньше допускаемых. По упрощенной методике расчёта условие обеспечения прочности фланца:

, где: Q_ф - расчётное усилие на фланце    ,

l - плечо изгибающего момента (расстояние от оси болтов до обечайки)

.               .

Проверка прокладок на прочность

При слишком больших усилиях неметаллические прокладки могут быть раздавлены и разрушиться, поэтому прокладки следует проверять на предельно допускаемое давление:  . Металлические прокладки на допускаемое давление не проверяют. Значение [q] определяют по Табл..... для выбранной прокладки.