Емкостных аппаратов 8 страница

Рис. 5.3 Схема к расчету сальникового уплотнения:

1 - вал, 2 - втулка нажимная, 3 - набавка, 4 - корпус, 5 – шпилька

Предполагается, что герметичность уплотнения будет обеспе­чена, если баковое давление набивки на вал р_х в её нижней части будет не менее избыточного давления среды р_U (рис. 5.2). При этом требуемое давление втулки на сальниковую набивку (Па) будет равно

- коэффициент бокового давления сальниковой, набивки;

f - коэффициент трения между набивкой и валом, на­бивной и стенкой камеры (среднее значение);

S_Н - толщина набивки, ;

h - высота набивки, м;

d, d_к - соответственно диаметр вала и камеры, м.

Рекомендуемые значения коэффициентов: набивка АП во ГОСТ 5152-66 (асбестовая с антифрикционной добавкой, t_max=300°С) к=0,3; f=0,1. Набивка АСТ по ГОСТ 5152-66 (асбестовая, пропитанная с суспензией фторопласт - 4 с тальком, t_max=300°С) к=0,5, f=0,1.

Усилие затяжки шпилек нажимной втулки находится по формуле

, (5.1)

где z - число шпилек.

Шпильки проверяются на прочное по условию

, (5.2)

где σ - расчетное напряжение, МПа;

1,3 – коэффициент, учитывающий напряжения кручение, возника­вшие при затяжке шпилек;

d₁ - внутренний диаметр резьбы, мм;

F_зат - усилие затяжки шпильки, Н;

[σ] - допускаемое напряжение растяжение для материала шпиль­ки, МПа.

Глава 6 ФЛАНЦЕВЫЕ СООЕДИНЕНИЯ АППАРАТОВ

6.1 Фланцы.

Фланцевые соединения - наиболее распространенный вид разъёмных соединений в химическом машиностроении, обеспечивающий прочность и герметичность, быструю сборку и разборку, простоту изго­товления.

Соединение состоит из двух фланцев, уплотнительного устрой­ства и крепежных элементов (болтов или шпилек, гаек, шайб) (рис. 6.1)

Рис. 6.1 Фланцевое соединение:

1 – фланцы; 2 – болт; 3 – прокладка

Шпильки применяют при условном давлении, свыше 1,6 МПа (услов­ным называют избыточное давление при температуре 20 °С).

По конструкции фланцы можно разделить на цельные (рис. 6.2, а, б), когда корпус аппарата и фланец работают под нагрузкой сов­местно, и свободные (рис. 6.2, в), когда корпус аппарата разгружен от действий изгибающих моментов, возникающих при затяжке фланце­вого соединения. Конструкция фланцев в значительной мере определяется давлением рабочей среды и требованиями минимальных затрат времени на сборку (разборку) соединения.

Плоские приварные фланцы рекомендуется [1] применять при условном давлении от 0,3 до 1,6 МПа и температуре до 300 °С.

Фланцы приварные встык имеют конические втулки-шейки. Утолщение у основания фланца (см. рис.6.2,б) делает его более жестким. Втулку фланца приваривают стыковым швом к обечайке.

Свободные фланцы (см. рис.6.2,в) представляют собой кольца, диаметр отверстия которых несколько больше наружного диаметра обе­чайки, на которую их свободно надевают. Такие фланцы применяют обычно в аппаратах изготавливаемых из мягких (алюминий, медь) или хрупких (стекло, керамика) материалов при условном давлении до 1,6 МПа и температуре до 300 °С; причем число циклов нагружения не должно превышать 2*10³.

Конструктивные формы уплотнительных поверхностей регламенти­рованы ОСТ 26-426-79 и ОСТ 26-427-79 и представлены на рис. 6.3, а, б, в, г. Плоская уплотнительная поверхность (см. рис.6,3, а) приме­няется при внутреннем давлении до 0,6 МПа.

Уплотнительные поверхности обрабатываются, однако излишняя шлифовка поверхности не допускается. Иногда на поверхности нарезают несколько кольцевых канавок треугольного сечения, которые за­полняются при затягивании соединения материалом прокладки.

Фланцы с выступом - впадиной (см. рис.6.3, б) обеспечивают соос­ность соединения, применяются при давлениях от 0,6 до 1,6 МПа.

Соединение типа "шип-паз" (см. рис. 6.3, в) используют в бо­лее ответственных соединениях при работе с ядовитыми веществами, в глубоком вакууме, при работе аппарата под внутренним давлением от 1,6 до 6,4 МПа.

Уплотнительные поверхности под металлическую прокладку (см. рис. 6.3, г) рекомендуются для давлений от 6,4 до 16 МПа.

Прокладки обеспечивают герметичность соединения. При затяги­вании соединения прокладки деформируются и заполняют все углубления на поверхности фланцев. Герметичность соединения возрастает с уве­личением давления на прокладку, поэтому прокладки для фланцевых соединений высокого давления делают более узкими.

Рис. 6.2. Основные типы фланцев:

а – плоский приварной; б – приварной встык; в – свободный

В зависимости от условий работы для изготовления прокладок применяют различные материалы: металлы - алюминий, медь, сталь, никель, свинец; полимеры - фторопласты, полиэтилен, паронит, резина; комбинированные материалы - полимеры в сочетании с металла­ми, асбест в металлической обкладке и другие. Резиновые прокладки применяют для небольших давлений и температур (не более 50...70 °С). Очень распространен паронит. Представляет собой композицию, сос­тоящую из асбеста, каучука и различных наполнителей. Прокладки из паронита применяют при температурах до 450 °С и давлениях до 6 МПа в различных средах - в горячей воде, водяном паре, различных кислотах и растворителях (бензол, бензин и др.).

Асбест для прокладок используют в виде шнура или листового материала. Прокладки из него обладают высокой термостойкостью (до 500 °С) и кислотостойкостью.

Металлические прокладки применяют для высоких давлений.

Комбинированные прокладки состоят из металлических и неметаллических материалов, которым металлическая армировка придает жест­кость; а более пластичный неметаллический наполнитель обеспечивает герметичность соединений. Широко применяются асбометаллические прокладки, полимеры в сочетании с металлами.

Рис 6.3. Типы уплотнительных поверхностей фланцевых соединений:

а – гладкая уплотнительная поверхность;

б – выступ – впадина;

в – шип-паз;

г – под металлическую прокладку

6.2 Расчет фланцевых соединений.

Расчет стальных фланцевых соединений (фланцы приварные), аппаратов, работающих под внутренним давлением дан в соответствии с ОСТ 26-373-78 “Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность фланцевых соединений” [2].

Расчетные формулы применимы при отношении наружного диаметра фланцев (D_н) к внутреннему диметру аппарата (D) D_н/D≤2 для аппаратов c диаметром не менее 400 мм.

Расчету предшествует конструктивная проработка, при которой предварительно определяют основные размеры самого фланца, размеры прокладки. Таким образом, расчет фланцевого соединения является проверочным. Размеры фланцев, прокладки, болтов должны удовлетворятьусловиям герметичности и прочности.

6.2.1 Определяется расчетная температура элементов фланцевого соединения:

для изолированного соединения

tср=t; t δ =0,97t

для неизолированного соединения

tср =0,96t; t δ =0,95t;

где tср, t _δ, t – расчетная температура соответственно фланцев, болтов, обечайки.

6.2.2 Допускаемое напряжение для материала болтов:

[σ]δ = σT/nT.δ,

где [σ]δ - предел текучести материала болтов;

nT.δ - коэффициент прочности по пределу текучести

nT.δ = 1,9 + 2,8

6.2.3 Толщина S₀ втулки фланца (см. рис. 6.2) для приварного

S≤So≤1,3S, но всегда So-S≤5 мм;

для плоских приварных

So≥S,

где S - исполнительная толщина обечайки.

6.2.4 Толщина S₁ у основания втулки приварного встык фланца (см. рис. 6.2б)

S₁= β₁S₀,

при этом β₁ принимается по рис. 7.2.

6.2.5 Высота h_b втулки фланца:

приварного встык

,

где i - уклон втулки (i = 1/3);

плоского приварного

.

6.2.6 Диаметр болтовой окружности фланцев

приварных встык

D _δ ≥ D + 2(S₁+d_δ+u),

где u - нормативный зазор между гайкой и втулкой (u= 4:6 мм);

d_δ - наружный диаметр болта (табл. 2.2.)
плоских приварных

D_δ > D + 2 (2 So + d_δ+u).

Наружный диаметр фланцев

D_н≥ D+а,

где а - конструктивная добавка для размещения гаек по диаметру фланца (табл. 6.4).

Рис. 6.4. Схема действия нагрузок на фланец в рабочих условиях

2.6.7 Наружный диаметр прокладки

Dн.п. = D_δ – е,

где е - нормативный параметр, зависящий от типа прокладки (см. табл. 6.4).

2.6.8 Средний диаметр прокладки

Dс.п. = Dн.п. – b,

где b - ширина прокладки принимается по табл. 6.5.

2.6.9 Количество болтов необходимых для обеспечения герметич­ности

,

где t_ш - рекомендуемый шаг расположения болтов, выбираемый по табл.6.3.

2.6.10 Высота (толщина) фланца ориентировочно

,

где λ_ф - принимается согласно рис. 6.3;

S_эк - эквивалентная толщина втулки;

.

2.6.11 Определяется болтовая нагрузка необходимая для обес­печения герметичности соединения, исходя из схемы нагружения (рис. 6.1).

При расчете определяются нагрузки для двух различных состояний: примонтаже – F_δ1и в рабочих условиях – F_δ2.

Болтовая нагрузка в условиях монтажа

,

где R_п - реакция прокладки, МН;

Rп = π Dс.п.bо kδ pp,

где b₀ – эффективная ширина прокладки,

при b≤15 мм b₀ = b, при b>15 мм .

Таблица 6.1

Типы и пределы применения фланцев

Внутренний диаметр D, мм	Внутреннее давление, МПа
плоские приварные	приварные встык	приварные встык под металлическую прокладку
0,3	0,6	1,0	1,6	0,6	1,0	1,6	2,5	4,0	6,4	6,4	8,0	10,0	16,0
400-1600 1600-2000 2000-3200 3200-4000	+ + + +	+ + +	+ + +	+ +	+	+ + + +	+ + +	+ +	+	+	+	+	+	+

Таблица 6.2

Рекомендуемые диаметры болтов (шпилек) в зависимости от давления и диметра аппарата

Внутреннее давление Рp, МПа	Диаметр аппарата, мм
0 – 0,6 0,6 – 1,0 1,0 – 1,6 1,6 – 2,5 2,5 – 4,0 4,0 – 6,4 6,4 – 8,0 8,0 – 10,0	30- 36 36- 42		24 – 30 24 – 30 52 – 56	24 – 30 24 – 30 52- 56 56 – 64	24 – 30 24 – 30 24 – 30 52- 56 56 – 64	24 – 30 24 – 30 - -	- -	24 – 30 - - - - -

Таблица 6.3.

Рекомендуемый шаг расположения болтов

Давление в аппарате Рp, МПа	Шаг расположения болтов tш
До 0,3 0,3 – 0,6 0,6 – 1,0 1,0 – 1,6 1,6 – 2,5 2,5 – 4,0 4,0 – 10,0	(4,2+5,0) dδ (3,8+4,8) dδ (3,5+4,2) dδ (3,0+3,8) dδ (2,7+3,5) dδ (2,3+3,0) dδ (2,1+2,8) dδ

Таблица 6.4

Вспомогательные величины для определения размера фланца

Диаметр болта dδ, мм	Конструктивная добавка а, мм	Конструктивная добавка е, мм
для гаек шестигранных	для гаек с уменьшенным размером	для плоских прокладок	для прокладок овального св­ечения

Таблица 6.5.

Размеры прокладок

Прокладка	Диаметр аппарата D, мм	Ширина прокладки b, мм
Плоские неметаллические   Плоские металлические     Плоские в металлической оболочке и зубчатые металлические   Овального и восьмиугольно­го сечения для р≥ 6,4 МПа	D≤1000 1000<D≤2000 D>2000   D≤1000 D>1000   D≤1600 D>1600     D≤600 600<D≤800 800<D≤1000 1000<D≤1600	12 - 15 15 - 25   10 - 12 12 - 15   12 - 18 13 - 25     12 - 13 16 - 22 18 - 28 22-42

Рис. 6.2 График для определения коэффициента β1

Рис. 6.3. График для определения коэффициента λф:

1 – для плоских приварных фланцев;

2 – для сварных встык фланцев

K_пр – коэффициент прокладки (табл. 6.6);

P_р – расчетное давление, МПа;

D_сп– средний диаметр прокладки, м;

F_д – равнодействующая внутреннего давления, МН:

Fд = P_р π D²_сп/4;

P_пр – минимальное давление обжатия прокладки (см. табл. 6.6);

K_ж– коэффициент жесткости фланцевого соединения.

Для определения K_ж вычисляются следующие величины:

Y_п– линейная податливость прокладки (неметаллической)

,

Где h_п – высота (толщина) прокладки;

K_п– коэффициент обжатия прокладки (для прокладок из резины kп=0,09, из картона, паронита, фторопласта и т.п. kп=1,0);

E_п –модуль упругости материала прокладки (для паронита, толщиной более 1 мм и фторопласта Eп=2000 МПа);

Y_ф – угловая податливость фланца

,

где - безразмерные параметры:

; ;

- коэффициенты, определяемые по формулам:

; ;

E - модуль упругости материала фланца, МПа;

y_δ - линейная податливость болтов

,

где E_δ – модуль упругости материала болтов;

y_δ – расчетная длина болта.

Расчетная длина болта:

,

где l_δ – расстояние между опорными поверхностями головки болта и гайки (определяется конструктивно);

d - диаметр отверстий под болт.

Таблица 6.6

Характеристика прокладок

Конструкция прокладки	Материал прокладки	Коэффициент kпр	Удельное давление, МПа
Минимальное pпр	Допускаемое [pпр]
Плоская неметаллическая   Плоская металлическая**     Плоская асбестовая в металлической оболочке**     Металлическая овальная или восьмигранная**	Резина: мягкая твердая асбест листовой при толщине 1-3мм   паронит при толщине не более 1 мм   фторопласт-4 при толщине 1-3 мм   Алюминий марки АДМ   Латунь мар­ки Л63   Сталь:   05кп   0ХI8НI0Т   Оболочка из алюминия   Меди или латуни   стали 05кп   стали O8ХI8НIOТ   Сталь:   05кп   0XI3   O8ХI8НIOТ	0,5   1,0     2,5     2,5     2,5     4,0     4,75   5,5   6,5     3,25     3,5   3,75     3,75   5,5   5,5   6,5	2,0   4,0     20*

* Для сред с высокой проникающей способностью (водород, ге­лий, легкие нефтепродукты и др.)

р= 35 МПа

** Для данной конструкций прокладки допускаемое удельное давление не регламентируется.

Тогда коэффициент жесткости фланцевого соединения при стыковке фланцев одинаковой конструкции

.

Болтовая нагрузка в рабочих условиях

,

где Ft - усилие, возникающее от температурных деформаций, МН.

,

где - коэффициента линейного расширения материала фланцев и болтов соответственно;

- соответственно температура фланца и болтов.

Условия прочности болтов

где [σ]δ - допускаемое напряжение для материала болтов.

Если условия прочности не выполняются, необходимо задаться новым значением П_δ количества болтов и повторить расчет с п.2.12.

Дата добавления: 2015-07-19