Фланец плоский приварной (+методика расчета)

Расчет фланцевых соединений.pdf

ФЛАНЦЕВЫЕ СОЕДИНЕНИЯ:
Издательство ФГБОУ ВПО «ТГТУ»
КОПТЕВА Вера Борисовна
КОПТЕВ Андрей Алексеевич
Методические указания
Редактор Л.В. К о м б а р о в а
Инженер по компьютерному макетированию М.С. Ан ур ь е в а
Подписано в печать 05.10.2011.
Формат 60 × 84 16. 139 усл. печ. л. Тираж 50 экз. Заказ № 422
Издательско-полиграфический центр ФГБОУ ВПО «ТГТУ»
2000 г. Тамбов ул. Советская д. 106 к. 14
Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Тамбовский государственный технический университет»
Методические указания к курсовой работе
по дисциплине «Технологическое оборудование:
конструирование и расчёт» для студентов
направлений 151000.62 222900.62 222000.62
Рекомендовано Редакционно-издательским советом университета
Кандидат технических наук доцент кафедры
«Технология продовольственных продуктов» ФГБОУ ВПО «ТГТУ»
С о с т а в и т е л и:
В.Б. Коптева А.А. Коптев
Фланцевые соединения: конструкции размеры расчёт на
прочность : методические указания сост. : В.Б. Коптева
А.А. Коптев. – Тамбов : Изд-во ФГБОУ ВПО «ТГТУ» 2011. –
Даны конструкции фланцев и уплотнительных поверхностей рекомендации по выбору прокладок определение размеров фланцев и
расчёт на статическую прочность.
Предназначены для студентов направлений 151000.62
Федеральное государственное бюджетное
образовательное учреждение высшего
профессионального образования
«Тамбовский государственный технический
университет» (ФГБОУ ВПО «ТГТУ») 2011
ВЫБОР КОНСТРУКЦИИ ФЛАНЦА
Фланцевые соединения – наиболее широко применяемый вид разъёмных соединений в промышленности обеспечивающий герметичность и
прочность конструкции а также процесс изготовления разборки и сборки. Даже если технологический процесс аппарата позволяет делать его
неразъёмным то фланцевые соединения будут присутствовать на штуцерах и трубопроводах.
Прежде чем приступать к расчёту фланцевого соединения необходимо выбрать его конструкцию которая зависит от конструкционного
метериала давления и температуры.
По конструкции фланцы можно разделить на цельные когда корпус
аппарата и фланец работают под нагрузкой совместно (рис. 1 2) и свободные когда корпус аппарата разгружен от действия изгибающих моментов возникающих при затяжке фланцевого соединения (рис. 3).
Приварные встык фланцы (рис. 1) имеют конические втулки-шейки.
Втулка фланца приваривается стыковым швом к обечайке и значительно
увеличивает прочность фланца. Если аппарат изготовлен из дорогостоящей легированной стали то такой фланец в целях экономии конструкционного материала делают с защитным кольцом (рис. 1 б). Этот тип фланцев
применяется при Py = (16 – 64) МПа и температуре до 300 °С (табл. 1).
Типы и пределы применения фланцев
Внутреннее давление МПа
Рис. 1. Фланец с шейкой приварной встык
Рис. 2. Плоский приварной фланец
Рис. 3. Свободные фланцы:
а – на отбортовке; б – на приварном кольце; в – на приварном бурте
Плоские приварные фланцы (рис. 2) представляют собой плоские
кольца приваренные к краю обечайки по её периметру. Они также могут
делаться с защитным кольцом (рис. 2 б) в целях экономии конструкционного материала. Этот тип фланца применяется при Ру = (03 – 16) МПа и
температуре до 300 °С (табл. 1).
Свободные фланцы (рис. 3) представляют собой кольца имеющие
внутренний диаметр несколько больше наружного диаметра обечайки на
которую их свободно одевают. Фланец на отбортовке (рис. 3 а) применяют
в аппаратах из цветных металлов на приварном кольце и бурте – в аппаратах из высоколегированных сталей. Все свободные фланцы экономят дорогостоящие конструкционные материалы и изготавливаются из углеродистой стали обыкновенного качества – стали ВСт3. При затяжке фланец опирается в отбортовку обечайки (рис. 3 а) в кольцо привариваемое к краю
обечайки (рис. 3 б) или на бурт привариваемый встык к обечайке (рис. 3 в).
Свободные фланцы на отбортовке применяются при давлении до 06 МПа
на кольце – до 16 МПа на бурте – до 64 МПа (табл. 1).
Конструктивные формы уплотнительных поверхностей фланцев регламентированы ОСТ 26-426–79 и ОСТ 26-427–79 и представлены на рис. 4.
Плоская уплотнительная поверхность (рис. 4 а) применяется при
давлении до 1 МПа фланцы с выступом-впадиной (рис. 4 б) при давлении до 16 МПа. Фланцы с шип-пазом (рис. 4 в) применяют при обработке
ядовитых коррозионных и взрывоопасных сред при давлении до 64 МПа
под металлическую прокладку (рис. 4 г) при давлении 64 16 МПа.
ПРОКЛАДКИ ДЛЯ УПЛОТНЕНИЯ РАЗЪЁМНЫХ СОЕДИНЕНИЙ
Функционирование машин аппаратов трубопроводов связано с надёжной герметизацией плоскостей находящихся под действием различных сред и давлений. В качестве уплотняющих элементов используют
прокладки различного рода.
По конструктивному признаку и материалу различают прокладки
следующих типов: неметаллические асбометаллические и комбинированные (металлический корпус в виде сетки и мягкая набивка) в уплотнении
выступ-впадина шип-паз металлические восьмиугольного и овального
Рис. 4. Конструкции уплотнительных поверхностей:
а – плоская; б – выступ-впадина; в – шип-паз; г – подшлифованное кольцо
Выбор материала прокладок. Материал прокладок выбирают в зависимости от параметров (давление температура) и химических свойств
среды воздействующих на прокладку (табл. 2).
Прокладочные материалы
Паронит маслобензостойкий
Рабочее давление МПа
Вода воздух нейтральные
растворы солей нейтральные газы и пары HSO
Тяжёлые нефтепродукты
керосин масла бутанол
Водяной пар сухие нейтральные и инертные газы
Вакуум Воздух вода водяной пар
– 99% сухие нейтральные и
Вакуум Лёгкие нефтепродукты
Сжиженные углеводороды
Углеводороды жидкие и
Кислоты и щёлочи любой
концентрации растворители
ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАЗМЕРОВ ФЛАНЦА
После того как выбрана конструкция фланцевого соединения и подобран материал прокладки чертится его эскиз и определяются размеры.
Фланцы штуцеров выбираются стандартными по ГОСТ 1255–67 ГОСТ
828–67 ГОСТ 12834–67.
Фланцы аппаратов или берут со стандартными размерами по ГОСТ
759.1–90 ГОСТ 28759.8–90 или с нестандартными размерами.
Толщина S0 втулки фланца в зависимости от конструкции принимается:
для приварного встык S0 = (1 13)S но во всех случаях S0 – S ≤ 5 мм;
для плоского приварного и свободного S0 ≥ S где S – исполнительная толщина обечайки или крышки.
Рис. 5. График для определения коэффициента
У фланца приварного встык толщина втулки у основания берётся
равной S1 = S0 где – коэффициент принимаемый по графику на рис. 5.
Высота втулки l фланца:
плоского приварного и свободного l ≥ 05 D ( S 0 C ) .
Диаметр болтовой окружности Dб для фланцев:
приварных встык Dб ≥ D + 2(S1 + dб + И);
плоских приварных Dб ≥ D + 2 (S0 + dб + И);
свободных Dб ≥ Dк + 2(dб + И1)
где И И1 – нормативный зазор между гайкой и втулкой: И = 6 мм;
И1 = 8 мм; Dк – внутренний диаметр свободного кольца фланца Dк = D +
Диаметр болтов dб выбирается по табл. 3 в зависимости от давления P
и внутреннего диаметра аппарата D.
Наружный диаметр фланца:
для приварных встык и плоских Dн = Dб + a;
для свободных Dнк = Dб + а где а – конструктивная добавка для
размещения гаек по диаметру фланца принимается по табл. 4.
Рекомендуемые диаметры болтов (шпилек) dб (мм)
в зависимости от давления и диаметра аппарата
Вспомогательные величины для определения размеров фланца
Конструктивная добавка a мм
Нормативный параметр e мм
Наружный диаметр прокладки:
– для приварных встык и плоских фланцев
где e – нормативный параметр зависящий от типа прокладки принимается по табл. 4;
– для свободных фланцев
где Dн – наружный диаметр отбортовки кольца или бурта
Dн = Dб – dб – (6 10) мм.
Средний диаметр прокладки для всех фланцев:
где bп – ширина прокладки принимаемая по табл. 5.
Количество болтов необходимое для обеспечения герметичности
где tш – рекомендуемый шаг расположения болтов в зависимости от давления принимается по табл. 6.
Полученное число округляют в большую сторону до кратного четырём.
Предварительная толщина фланца:
– приварного встык h ≥ λ ф DS э
где Sэ – эквивалентная толщина втулки
– плоского h ≥ λ ф DS 0 ;
где λф – коэффициент определяемый по графику на рис. 6.
Плоские неметаллические
Плоские металлические
Диаметр аппарата D мм
Ширина прокладки bп мм
Рекомендуемый шаг расположения болтов
Давление в аппарате P МПа
Шаг расположения болтов
Рис. 6. График для определения коэффициента λф
Расстояние между опорными поверхностями гаек:
для приварных встык и плоских Lбо = 2h + hп;
для приварных встык и плоских с защитным кольцом Lбо = 2h +
для свободных на отбортовке Lбо = 2hо + 2hк + hп
где hп – толщина прокладки; hп = 1 3 мм; hзк – толщина защитного кольца;
hзк = 10 12 мм; ho – толщина отбортовки.
РАСЧЁТ ФЛАНЦЕВОГО СОЕДИНЕНИЯ
НА ПРОЧНОСТЬ И ГЕРМЕТИЧНОСТЬ
Делая расчёт фланцевого соединения приходится решать несколько
задач: соединение должно быть прочным жёстким и герметичным.
Фланцевые соединения штуцеров и трубопроводов могут на прочность не рассчитываться. Фланцевые соединения аппаратов стандартные
и нестандартные обязательно должны рассчитываться на прочность по
ГОСТ Р 52857.4–2007 «Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчёта на
прочность. Расчёт на прочность и герметичность фланцевых соединений».
Эффективная ширина плоской прокладки:
b0 = bп при bп ≤15 мм;
b0 = 38 bп при bп > 15 мм.
Характеристики прокладки принимаются по табл. П8.
Определение податливости прокладки болтов (шпилек) фланцев
Податливость прокладки
где Kобж – коэффициент обжатия прокладки; Eп – модуль продольной упругости прокладки МПа принимаются по табл. П8.
Податливость болтов (шпилек)
где Lб = Lбо + 028dб – для болта; Lб = Lбо + 056dб – для шпильки; fб – площадь сечения болта (шпильки) по внутреннему диаметру резьбы приведена в табл. П9.
Безразмерные коэффициенты (рис. П1):
(105 + 194 K 2 )( K 1)
Для фланцевых соединений с приварными встык фланцами с конической втулкой коэффициенты F V и f определяются по графикам на рис.
Для плоских приварных и свободных фланцев F = 091; V = 055; f = 1.
где l0 – параметр длины обечайки l0 = DS 0 .
Угловая податливость фланца при затяжке
Угловая податливость кольца свободного фланца
Равнодействующая нагрузка от давления
Приведённая нагрузка вызванная воздействием внешней силы и изгибающего момента
Усилие необходимое для смятия прокладки при затяжке
где qобж – удельное усилие обжатия прокладки (табл. П8).
Усилие на прокладке в рабочих условиях необходимое для обеспечения герметичности фланцевого соединения
где m – прокладочный коэффициент (табл. П8).
При действии наружного давления Rп = 0.
Нагрузка вызванная температурной деформацией:
– в соединениях с приварными встык и плоскими фланцами
Qt = γ[αф1h1(tф1 – 20) + αф2h2(tф2 – 20) – αб(h1 + h2)(tб – 20)];
– в соединениях со свободными фланцами
Qt = γ [αф1h1(tф1 – 20) + αф2h2(tф2 – 20) +
+ 2 αкhк(tк – 20) – αб(h1 + h2 + 2hк)(tб – 20)]
где αф1 αф2 αк αб – коэффициенты линейного расширения для фланца
кольца свободного фланца болта (шпильки) выбираются по табл. П4;
tф1 tф2 tк tб – расчётная температура фланца кольца свободного фланца
болта (шпильки) (табл. П1); h1 h2 hк – толщина фланца кольца свободного фланца; γ – жёсткость фланцевого соединения:
– для фланцев со свободными кольцами
где a b – плечи действия усилий в болтах (шпильках):
– для приварных встык и плоских фланцев b = 05(Dб – Dсп);
– для фланцев со свободными кольцами:
где DS = 05(Dн + Dк + 2h0);
– для всех типов фланцев
e = 05(Dсп – D – Sэ)
где Sэ – эквивалентная толщина втулки:
– для плоских приварных и свободных фланцев Sэ =
– для приварных встык фланцев Sэ см. п. 3.
Коэффициент жёсткости фланцевого соединения
– для свободных фланцев α = 1.
Расчётная нагрузка на болты (шпильки) фланцевых соединений:
– при затяжке фланцевого соединения
где Рб1 – расчётная нагрузка на болты (шпильки) при затяжке необходимая для обеспечения герметичности в рабочих условиях
α(Qд + F ) + Rп + Qt
Рб2 – расчётная нагрузка на болты (шпильки) при затяжке необходимая
для обеспечения обжатия прокладки и минимального начального натяжения болтов (шпилек)
Pб2 = ma 04 f б n[] б20 ;
– в рабочих условиях
Pбp = PбM + (1 α ) Qд + F + Qt .
ПРОВЕРКА ПРОЧНОСТИ БОЛТОВ (ШПИЛЕК) И ПРОКЛАДОК
Расчётные напряжения и условия прочности в болтах (шпильках):
где – коэффициент затяжки = 12;
Условия прочности прокладки
РАСЧЁТ ФЛАНЦЕВ НА СТАТИЧЕСКУЮ ПРОЧНОСТЬ
Расчётный изгибающий момент действующий на фланец:
M M = C F PбM b – для приварного встык плоского фланца и бурта
M кM = C F PбM a – для кольца свободного фланца;
M p = C F ma Qд + QFM e – для приварного встык
плоского фланца и бурта свободного фланца;
M кp = C F Pбp α – для кольца свободного фланца где СF – коэффициент учитывающий изгиб фланца между болтами (шпильками)
Расчётные напряжения во фланце при затяжке
Меридиональное изгибающее напряжение во втулке приварного
встык фланца обечайке плоского фланца или обечайке бурта свободного
для приварных встык фланцев с конической втулкой в сечении S1
для приварных встык фланцев с конической втулкой в сечении S0
для плоских и свободных фланцев
где D* – приведённый диаметр;
D* = D + S0 при D 20S1 и f > 1;
D* = D + S1 при D 20S1 и f = 1;
для плоского приварного фланца
Напряжения в тарелке приварного встык и плоского фланца и бурте
радиальное напряжение
окружное напряжение кольца свободного фланца
Расчётные напряжения во фланце в рабочих условиях
Меридиональные изгибающие напряжения во втулке приварного
встык фланца обечайке плоского приварного фланца или обечайке бурта
для плоских приварных фланцев и со свободными кольцами
Меридиональные мембранные напряжения во втулке приварного
Окружные мембранные напряжения от действия давления во втулке приварного встык фланца обечайке плоского фланца или обечайке
бурта свободного фланца в сечении S0
Напряжения в тарелке приварного встык фланца плоского фланца и
бурта свободного фланца:
окружное напряжение в кольце свободного фланца
Условия статической прочности фланцев
Для приварных встык фланцев с конической втулкой в сечении S1
ma 1P 1PMM + тP ; 1P + 1PMM
где Kт = 13 – при температурной деформации; Kт = 10 – без учёта температурной деформации; []M = 15[].
Для приварных встык фланцев с конической втулкой в сечении S0:
; 03 0P ± 0PM 0 ; 07 0P ± 0PMM 0PM 0 ≤ 13[]R
Для плоских фланцев и буртов свободных фланцев в сечении S0
ma 0P 0PMM + PR ; 0P + 0PMM
Для фланцев всех типов в сечении S0
Для тарелок приварных встык фланцев плоских фланцев и буртов
Для колец свободных фланцев
ПРОВЕРКА УГЛОВ ПОВОРОТА ФЛАНЦЕВ
Угол поворота приварного встык плоского фланца и бурта свободного фланца в рабочих условиях
– для приварного встык фланца
[] = 0006 при D ≤ 400 мм;
[] = 0013 при D > 2000 мм;
– для плоского фланца и бурта свободного фланца
K = 1 – рабочие условия;
K = 13 – условия испытания.
Угол поворота кольца свободного фланца:
Плоские приварные встык
Со свободными кольцами
П2. Значение номинального допускаемого напряжения
для материала болтов
Номинальное допускаемое напряжение [] МПа
Продолжение табл. П2
Номинальное допускаемое напряжение [] МПа для сталей марок
Х17Н2 07Х16Н6 КН35ВТ
П3. Значения модуля продольной упругости
Модуль упругости 10–5 МПа при температуре °C
Х 40Х 15ХМ 218 215 208 201 192
Х11Н22Т3МР 19 181 169 158 148 142 137 133 131 130
П4. Коэффициент линейного расширения сталей
Коэффициент линейного расширения α·106 1°C
в зависимости от температуры °C
– 200 20 – 300 20 – 400 20 – 500 20 – 600
П5. Допускаемые напряжения для углеродистых
и низколегированных сталей
Допускаемое напряжение [] МПа для сталей марок
П6. Значение предела текучести
Расчётное значение предела текучести т МПа
П7. Значение предела прочности
Расчётное значение временного сопротивления в МПа
П8. Характеристики основных типов прокладки
– резины по ГОСТ 7338 с
твёрдостью по ШОРУ А
Тип и материал прокладки
– паронита по ГОСТ 481 при
толщине не больше 2 мм
– картона асбестового по
ГОСТ 2850 при толщине
– фторопласта-4 ТУ 6-05-810
П9. Площадь поперечного сечения болта (шпильки) fб
Площадь поперечного сечения
болта (шпильки) по внутреннему диаметру резьбы fб мм2
Продолжение табл. П9
Рис. П1. Коэффициенты T U Y и Z зависящие
от соотношения размеров тарелки фланца
Рис. П2. Коэффициент F
Рис. П3. Коэффициент V
Рис. П4. Поправочный коэффициент для напряжений во втулке фланца f
ГОСТ Р 52857.1–2007. Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчёта на прочность.
Общие требования. – М. : Стандартинформ 2008. – 23 с.
ГОСТ Р 52857.4–2007. Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчёта на прочность.
Расчёт на прочность и герметичность фланцевых соединений. – М. : Стандартинформ

Фланец.cdw