Лекция 7. Фланцевые соединения. Конструкции и расчет

Фланцевые соединения – наиболее распространенный вид разъемных соединений, используемых в химическом машиностроении. Они обеспечивают герметичность, прочность, быструю сборку и разборку узлов и аппаратов. В частности, фланцевое соединение используется для крепления отъемной крышки к корпусу аппарата, для присоединения к аппаратам трубопроводов, запорных устройств, контрольно-измерительных приборов.

Конструкция фланцевого соединения зависит от рабочих параметров аппарата: так, например, плоские приварные фланцы используются при давлении МПа, и температуре ; приварные встык фланцы – при МПа и температуре .

Фланцевое соединение состоит из двух фланцев, соединенных с помощью болтов (шпилек), гаек, шайб (рис.3.8). Между уплотнительными поверхностями фланцев устанавливается прокладка, которая обеспечивает герметичность соединения при относительно небольшом усилии затяжки болтов (рис.3.8). Фланцевые соединения стандартизованы.

Формы наиболее распространенных уплотнительных поверхностей представлены на рис.3.9. Фланцы с гладкой уплотнительной поверхностью применяются при внутреннем давлении до 0,6 МПа; с выступом-впадиной – при давлении от 0,6 до 1,6 МПа; с шипом-пазом – от 1,6 до 6,4 МПа.

Во фланцевых соединениях при МПа и применяют болты, а при МПа и – шпильки.

 

Герметичность фланцевого соединения в значительной степени зависит от правильного выбора прокладки, материал и форму которой выбирают с учетом рабочего давления, температуры и свойств перерабатываемой среды. В зависимости от материала прокладки бывают неметаллические, металлические и комбинированные.

Неметаллические прокладки (рис.3.10а) изготовляют из резины, паронита, асбеста, полимерных материалов. Резиновые прокладки применяют при небольших давлениях и температурах (не более 60⁰-70⁰ С). Распространенным прокладочным материалом является паронит – композиционный материал, изготовленный из асбеста, каучука и различных наполнителей. Прокладки из паронита используют при температурах до 450⁰С и давлениях до 6 МПа в различных средах (вода, кислоты, растворители). Асбест для прокладок применяют в виде шнура или листового материала. Прокладки из асбеста обладают высокой термостойкостью (до500⁰ С) и кислотостойкостью.

Металлические прокладки выполняют из пластичных металлов (медь, алюминий), они находят применение при высоких давлениях (более 6 МПа).

Комбинированные прокладки (рис.3.10б) состоят из металлических и неметаллических частей и применяют в диапазоне температур от –200⁰ до +500⁰С и давлении до 6,4 МПа. Металлическая армировка придает жесткость, а неметаллический наполнитель обеспечивает герметичность соединений. Широко применяют асбометаллические прокладки.

Расчет фланцевых соединений. Выбор элементов фланцевого соединения осуществляется по соответствующим стандартам, что в значительной степени предопределяет надежную работу аппарата.

Фланцы, выполненные в соответствии с ГОСТом, в расчете не нуждаются. Расчет фланцевого соединения заключается в проверке прочности болтов (шпилек), которые для обеспечения герметичности соединения должны быть предварительно затянуты. Усилие затяжки болтов должно быть таким, чтобы под действием – давления в аппарате не произошло раскрытие стыка. Поэтому следует рассчитать требуемую силу затяжки болтов, обеспечивающую необходимую остаточную затяжку и проверить болты (шпильки) на прочность. При затяжке фланцевого соединения силой F_з болт и прокладка получат

 

деформации и (рис.3.11 а,б).

Деформации сжатой прокладки и растянутого болта соответственно равны

и

где l_б и l_пр – коэффициенты податливости болта и прокладки;

А_б и А_пр – площади поперечного (деформируемого) сечения болта и прокладки:

,

где z – число болтов.

После приложения к соединению рабочей нагрузки (давление в аппарате) F_p болт и прокладка получат дополнительную совместную деформацию = , при этом болт удлинится на а сжатие прокладки уменьшится на (рис.3.11 б,в).

Вследствие упругого расширения прокладки, ранее стянутой начальным усилием затяжки F_з, последнее уменьшится до величины

остаточной затяжки . Изменение нагрузки равно .

Усилие, растягивающее болт, возрастет до величины , где – некоторая часть рабочей нагрузки, на которую увеличилась начальная затяжка болта F_з.

Используя условие совместности деформаций болта и деталей (прокладки) =, можно записать

где , – коэффициенты жесткости болта и прокладки соответственно;

откуда

;

суммарная расчетная нагрузка на болт

,

где .

Соотношение всех найденных усилий и деформаций можно построить графически на диаграмме F – (рис.3.12) , удобной для исследования.

Заметим, что углы q_б и q_пр на диаграмме характеризуют соответственно жесткости болта и деталей (прокладки) и определяются равенствами

, ,

где с_б и с_пр – коэффициенты жесткости болта и прокладки.

 

На диаграмме видно, что предельная рабочая нагрузка, при которой начинается раскрытие стыка (F_з^¢=0) выражается ординатой KL. Во избежание нарушения герметичности остаточная затяжка должна быть порядка , целесообразно применение податливых прокладок (с_пр снижается; с_б > с_пр). В этом случае значение c получается большим (c=0,5 ¸ 0,8), что и обеспечивает большую величину .

Начальная затяжка ; расчетное усилие .

Зная расчетную нагрузку на болт, можно составить условие его прочности. Затянутый болт, находящийся под действием рабочей нагрузки, испытывает одновременно растяжение силой F и кручение моментом . Найдем напряжения растяжения и

кручения: ; ;

Тогда, эквивалентная нагрузка

 

,

где коэффициент, учитывающий кручение болта,

.

Подставляя средние значения для нормализованных болтов , найдем .

Следовательно, расчет напряженных болтов можно вести на растяжение подобно ненапряженным, но с учетом кручения коэффициентом и по расчетной нагрузке F:

; .