Конструкционная прочность бугельных соединений Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 621.646

Погодин Валерий Константинович,

д. т. н., с. н. с. отдела № 24 ОАО «ИркутскНИИхиммаш» тел. 41-03-36, e-mail: v.pogodin@himmash.irk.ru Вайнберг Снежана Михайловна, инженер-конструктор отдела № 24 ОАО «ИркутскНИИхиммаш» тел. 41-03-36, e-mail: s.vainberg@himmash.irk.ru

КОНСТРУКЦИОННАЯ ПРОЧНОСТЬ БУГЕЛЬНЫХ СОЕДИНЕНИЙ

V.K. Pogodin, S.M. Vainberg

STRUCTURAL STRENGTH CLIP JOINTS

Аннотация. Предлагаемая методика расчёта и конструирования предназначена для проектирования применяемых в зарубежной и отечественной практике бугельных соединений с самоуплотняющимися уплотнительными кольцами с осевым упором. Методика позволяет определять оптимальные параметры деталей и элементов бугельных соединений для конкретных условий их применения в химической, нефтехимической и нефтеперерабатывающей, энергетической и других отраслях промышленности.

Ключевые слова: разъёмное соединение, бугель, прочность, герметичность.

Abstract. The tendered design procedure is intended for projection to clamp hubs with self-sealing packing rings with an axled stop applied in foreign and domestic practice. The method allows to define optimum arguments of details and members clip joints for concrete conditions of their application in chemical, petrochemical and oil refining, power and other industries.

Keywords: detachable joint, bow collector, strength, leak-tightness.

На рис. 1, 2 представлена конструкция бу-гельного соединения с самоуплотняющимся кольцом, с осевым упором, которая может быть использована для трубопроводов, сосудов и аппаратов высокого давления [1, 2].

Соединение (рис. 1) включает в себя соединяемые детали 1 и 2 с уплотнительными поверхностями, например корпуса и крышки сосуда (или соединяемых фланцев труб, или в трубах) и уп-лотнительное кольцо 4. На рис. 2 представлено уплотнительное соединение.

Рис. 1. Бугельное соединение с уплотнительным кольцом: 1, 2 - соединяемые детали, 3 - бугель, 4 - уплотнительное кольцо

Рис. 2. Уплотнительное соединение в сборе: 1 - уплотнительное кольцо, 2, 3 - уплотнительные элементы соединяемых деталей

иркутским государственный университет путей сообщения

При расчёте конструкции следует принимать:

- величины рабочего и расчетного давлений, расчетной температуры производится в соответствии с ГОСТ 14249;

- величина пробного давления в соответствии с Правилами Ростехнадзора, ОСТ 24.201.0390, ГОСТ 356;

- средние величины температур деталей соединения для стационарных режимов работы определяют на основании тепловых расчетов, результатов замеров фактических температур на сосудах и трубопроводах, аналогичных проектируемым, а также результатов экспериментов.

В случае отсутствия таких данных следует принимать:

- для бугельных соединений (рис. 1), которые не теплоизолированы с наружной поверхности, значения температур деталей tf, Ь 1ш, tк принимают в соответствии с графическими экспериментально полученными зависимостями, представленными на рис. 3;

шшт

В качестве исходных данных для расчета

давление рабочее. МПа В

давление расчетное. МПа А

давление пробное. МПа

внутренний диаметр сосуда (трубы), мм

наружный диаметр фланца сосуда (крышки, трубы), мм А,

угол наклона уплотнительной поверхности фланца (трубы), град г

допускаемое погонное усилие при затяжке, И/мм

Материал уплотнительных колец выбирают коррозионностойким по отношению к рабочей среде, с твердостью на 20 НВ меньшей, чем у материала соединяемых деталей (трубы или корпуса сосуда). В случае, если используются мягкие защитные покрытия, в качестве материала для уп-лотнительного кольца может использоваться тот же материал, что и материал соединяемых деталей.

Для выбранных материалов уплотнительно-го кольца и соединяемых деталей определяют следующие механические характеристики:

Рис. 3. Зависимость температуры деталей (¿ю от температуры среды С)

- для бугельного соединения, детали которого теплоизолированы с наружной поверхности,

tf tкр tb tш tк t;

- усилия действующих на детали бугельно-го соединения, тепловые воздействия учитываются в следующих случаях: при расчетной температуре t > 200 °С и при расчетной температуре t > 100 °С, если разность между величинами коэффициентов линейного расширения материалов элементов уплотнения и крепежа (бугель, шпильки) составляют более 2,5-10-6 1/град (уплотни-тельные кольца и соединяемые детали из аусте-нитных сталей);

- механические и физико-механические характеристики материалов деталей бугельного соединения для расчетных температур в соответствии с нормативными документами, а также [3, 7].

Величины технических характеристик материалов для промежуточных значений температур определяют методом интерполяции.

предел текучести материала кольца при 1 = 20 °С 20 тк

предел текучести материала кольца при расчетной температуре 1 ТК 5

предел прочности материала кольца при ^ = 20 °С

предел прочности материала кольца при расчетной температуре

предел текучести материала соединяемых деталей при ^ = 20 °С 20 °тэ

предел текучести материала соединяемых деталей при расчетной температуре г

предел прочности материала соединяемых деталей при ^ = 20 °С ^20 аъо 5

предел прочности материала соединяемых деталей при расчетной температуре °ъо _

Допускаемые напряжения в уплотнительном кольце определяют из условия

[ак ] = шт

'ьк п

т ъ

где п - запас прочности по пределу текучести,

(1,5);

пъ - запас прочности по пределу прочности, (2,6).

Допускаемое напряжение смятия

]к = 0,45 -°ТК ,

Допускаемое напряжение среза

\?ср ]к = 0,5-[&К ].

Конструирование уплотнительного кольца

При расчете уплотнительного кольца (рис. 4) определяют:

- высоту юбки 1и и толщину ребра уплотнительного кольца из графика, представленного на рис. 5;

Рис. 5. Зависимость для определения размеров уплотнительного кольца

- толщину юбки уплотнительного кольца:

А = . ;

- наружный диаметр юбки кольца: D1 = D + 2h; ширину уплотнительной поверхности

кольца:

W -

P у L + у J D cos p Di[Oi]k cos(r„-P)'

Рис. 4. Уплотнительное кольцо с осевым упором

, = (у, -1 ) - угол наклона уплотнительной

поверхности кольца;

ук - угол наклона уплотнительной поверхности крышки и корпуса (фланца, трубы);

[а ] = 0,5а'тк - допускаемое контактное

напряжение на уплотнительной поверхности.

Толщину юбки выбирают из условия ее прочности на срез.

' 2P(lu - W cos rk)

h = max <

lTmb 2Pi6 (I, - W cos П)

Диаметр контакта уплотнительных поверх-

ностей

°е = А -2■ ^Го -г •(!-^Го)• Т8Уо] где г - радиус скругления уплотнительной поверхности.

Полная высота уплотнительного кольца Ь = К + 2(4 + 0,8г).

Наружный диаметр кольца 02 определяют из графика (рис. 6).

Рис. 6. Зависимость для определения наружного диаметра уплотнительного кольца

Максимально допустимая радиальная деформация уплотнительного кольца

5 = ВкаТк

где р - угол трения на уплотнительных поверхностях (сталь по стали), град (11°20');

2Ек

где Е'к - модуль упругости материала уплотни-тельного кольца при расчетной температуре.

Диаметр контакта уплотнительного кольца до затяжки

Бко = Вк + 2 8Г

Исходный осевой зазор (рис. 2), между торцевой поверхностью фланца (с одной стороны) и торцом упора уплотнительного кольца

tgrk

Проверку правильности выбора геометрических параметров уплотнительного кольца из условия прочности юбки на изгиб определяют по формуле

6P

1 ks123k0 j-1,) -1 p^k j-1, )+k2j- i, )

CT

TK

иркутским государственный университет путей сообщения

где

р =

1,285

^(Д + D)„,25h :

KS123

P =

1 S123

4K32 - K2(1 - K„) .

К2 - K1K3

4К2K3 - Ki(1 - К„)

К 22 - K1K3

где К0, К1, К2, К3 - функции Крылова, принимаемые согласно [3] в зависимости от величины 5 -1 . При этом должно выполняться условие

СТ < СТтк.

Проверку наступления в кольце пластических деформаций производят из условия

Г>2 4

P Г4

(Г22 - Г12)2

- + 3P2 < а'

где Г1 =-

D

2Sk + LD

' 2L '

Бк=ЬЪ + 0,5йг(Д - Д) - 0,5Ж2 зт(2^0). Допускаемую нагрузку на торцевые поверхности осевого упора уплотнительного кольца определяют по формуле

е ]=^стт,

t • TK

где ат — min \

S--A D22 - Df)

Fb = Fq + Fp+ Fm + Ft,

-D,

2

51.=а1 ^ 1 +а/ 2^2^ 2 +акгкЬ (Иу1 + ^ 2 + кг X

- суммарное осевое температурное перемещение деталей уплотнения в зоне контакта; а , а2, а ,а , - коэффициенты линейного расширения материалов соединяемых деталей 1 и 2, уплотнительного кольца бугеля;

tb - температуры соответствующих деталей; - толщина соединяемых деталей; ^ - толщина ребра уплотнительного кольца; Ь - полная высота уплотнительного кольца; // = ЛК + Ле - суммарный коэффициент осевой податливости соединения,

где Лк = --коэффициент осевой податливо-

Е'кр

сти ребра уплотнительного кольца,

где Е'к - модуль упругости материала уплотни-

тельного кольца,

\ + Н2 + А3

где Л — -

- коэффициент осевой

- минимальная

опорная площадь контакта ребра уплотнительного кольца.

Суммарная допускаемая осевая нагрузка на уплотнительное кольцо

ш]=еУ ]+ДоЪ.

Конструирование деталей и элементов бугельного соединения

Расчетное осевое усилие, действующее на щеки бугеля, определяют по формуле

Е •-(Dvb + Sb)S„ податливости бугеля,

где ЕТ - модуль упругости материала бугеля; Dvb - внутренний диаметр проточки бугеля; Sb - толщина бугеля в сечении I-I (рис. 12). При |F| < „,1 • Fp в расчете не учитывается. Если F>S•а', где а'т =mln(a^,а'ТР), то необходимо принять другие сочетания материалов деталей соединения или изменить их геометрические размеры и тепловой режим работы.

Осевое усилие, действующее на детали Усилие в бугельном соединении после затяжки шпилек

F3 =-Dk • q3 + Fm. Усилие в шпильках бугельного соединения

где F —-P - осевая нагрузка от действия дав-

* 4 ления среды;

^ = 0,5 -п- РБК (1и + 0,5Ьг) tgyк - осевая реакция уплотнительного кольца; Т7 4М „

Ьт =- - усилие, действующее на щеки бугеля

при действии изгибающего момента М на поверхность контакта изгибаемой стали с бугелем со средним диаметром Бж (если момент М не задан принимают Fm = 0,1 - ^ );

ТГ 5Ъ

г{ =--осевая нагрузка, возникающая от нерав-

Л

номерности нагрева элементов и деталей РС;

после их затяжки

F — max

2tg (Q-p) „,55 • D2 • P • tg(Q + p)

• F

где ® - угол наклона щек бугеля;

р - угол трения (сталь по стали), 11°30'.

При пробном гидравлическом давлении Рпр

усилия, действующие в бугельном соединении F и F , определяют при значении р вместо Р ,

в пр 8 пр ' Г ^ Г пр '

а ^ принимают равным нулю.

При технологическом давлении опрессовки Ропр усилие, действующее в бугельном соединении

F , F , определяют при значениях F вместо

в опр ' 8 опр ' ^ ^ Г- опр

Р, а значение ^ принимают равным нулю.

Для выбора конструкции фланца бугельного соединения определяют:

2

а

При

D.,

-> 1,2

возможно применение резьбо-

вого фланца (рис. 7).

В других значениях могут использовать-

оПт

ся приварные (рис. 8) или цельные (рис. 9) фланцы с переходным диаметром (рис. 8) или гладкие фланцы (рис. 9).

Переходный диаметр фланца принимают равным о = ко , где значение коэффициента к

определяют из графика (рис. 10).

Рис. 7. Резьбовое соединение фланца с соединяемой деталью: 1 - фланец, 2 - соединяемая деталь

Рис. 8. Фланец с переходным диаметром: 1 - труба, 2 - фланец

о

- наружный диаметр трубы (корпуса)

Етк =?■ Д

где р - коэффициент толстостенности трубы (корпуса) назначают по значению ¡п р = р где

Ик'

р\ - допускаемое напряжение материала трубы (корпуса);

= Д + 2(1 -8№ук - диаметр уплотнитель-ного конуса на торце фланца трубы (корпуса).

При использовании гладкого фланца (рис. 9)

Df = Dk.

При других исполнениях (рис. 7, 8) должно соблюдаться условие 1.

А„

0 100 200 300 400 500 Qfk

Рис. 10. Зависимость коэффициента К от Dfr

Рис. 11. Расчетная схема фланца

Sb

Рис. 9. Фланец гладкий

Рис. 12. Расчетная схема бугеля

Размеры бугельного соединения определяют в следующей последовательности:

R, r - радиусы закругления опорных поверхностей соединяемых деталей r1 и бугеля и Rr принимают согласно табл. 1;

Dvb = Df + 2C - внутренний диаметр бугеля, где С - зазор между наружным диаметром фланца Dnf и внутренним диаметром бугеля, определяется согласно табл. 1 ;

Dk = Dvt + 2Rr (1 - sin ©) - внутренний диаметр поверхности контакта соединяемой детали с бугелем,

K

1,2

1,1

1,0

иркутским государственный университет путей сообщения

DnK =

4F

+ D.2

наружный диаметр

F = max

F3;

1,bD • P; 4

Dnf = Dnk + 2R (1 - sin в) - наружный диаметр соединяемой детали.

Таблица 1

D, мм C Rr Г1

50 1,5 2,0 1,5

75

100 2,0

150 2,5 2,0

200

250

300

350 2,5 3,0 2,5

400

450

500

550 3,0 3,5 3,0

700

900

1000 4,0

1200 5,0 4,0

1300

1500 6,0 5,0 3,5

h =

1.5 • (-Fz) "(1 -M)(ßk - 1)(ßk +1) + 2(1 + ^)lnßk '

_ (1 + /0 + (1 -rtßk _

Dt

hf = max

tgYk

Напряжение среза в сечении II-II (рис. 11)

F

тс =-z-

ср a • D..,, • h„

\|п[а ] /

поверхности контакта соединяемой детали с бугелем, где F определяют из условия

Если тср — [т]^, то h увеличивают до тех пор, пока не будет соблюдено условие тс^ < [т] .

Напряжение в сечении I-I соединяемой детали определяют по формуле

4F

9,6

Е л(й} - D2) ж(Df + D)(Df - D)2

F

2DNK -(Df +D)

+Fr (DnK - Df )tge

F = max \

Высоту опорной части h3 определяют по формуле

Радиальную составляющую осевой силы определяют из условия

¡F3tg (в + p) \l,1Fqtg (в-p)

Если аъ> [а]7, то диаметр Df увеличивают до тех пор, пока условие аЕ < [a]f не будет соблюдено.

Диаметр стержня шпильки ds определяют по ГОСТ 26303-84.

Диаметр резьбы шпильки dp, мм, определяют по ГОСТ 10494.

При расчете размеров бугеля (рис. 11 и 12) определяют:

- внутренний диаметр щеки Dvbm = Dnf + 2С;

- опорную высоту h7 = hf;

- высоту элемента h5 = 0,5 • (Dnk - Dvk)tge + h7;

- полную высоту Hm = 2hf + 2h¡ + hr;

- наружный диаметр бугеля Dm = Dvbm + 2Sb.

Толщину бугеля в сечении I-I (рис. 12) Sb,

определяют из условия 1

Sb = max

Hm

1Г ^

Fb - Mb

Dnk - Dvk

4F,

+ Dvbm Dvbm

где ßk =- - коэффициент толстостенности со-

Dnk

единяемой детали.

Высоту h4 по периметру окружности диаметром Dvk определяют по формуле

h = h3 - 0,5(Dvk - Df )tg©.

Высоту опорной части соединяемой детали hf определяют из условия

fh - (Dnk - Df )ü,5tg6 ü,75(Duf - D) .

Суммарные напряжения от растяжения и изгиба в сечении I-I (рис. 12):

F

1,5F,

жDmSb ?rDmSb2

(Dm - Dvb ) + (DVm - Dvb )

где Dcpb = Dm +Dvbm

tg (в + р) _ средний диаметр в сечении

I-I бугеля.

Если аЕ > [а]ь, то диаметр Dm, увеличивают до тех пор, пока условие аЕ < [а]ь не будет выполнено.

х

X

X

Напряжение среза бурта бугеля ть в сече-F

нии II—II тъ =

В случае, если тъ > [т]ь, величину Н5, увеличивают до тех пор, пока условие тъ < [т]ъ не будет выполнено.

Конструктивное оформление бугеля проводят в соответствии с рис. 13.

Рис. 13. Конструктивное оформление бугелей

Диаметр отверстий в бугеле под шпильки определяют по следующим формулам:

йъ = йр + 2 - для резьбы от М5 до М24; йъ = йр + 4 - для резьбы от М24 до М60; йъ = йр + 6 - для резьбы свыше М60.

Расстояние между шпильками А = 3йр на площадке бугеля.

В случае, если Нт > 2А, количество шпилек оставляют равным 4.

Если Hm < 2A, то количество шпилек принимают равным 2 и расчет повторяют. При этом принимают ширину площадки для размещения гаек S = 2,5db;

толщину лапки бугеля b определяют по формуле

b = ЩШ;

V 2Hm [а]ь ширина бугеля: Bb = Dm + 2S.

На основании предложенной методики разработаны нормативные документы по конструированию бугельных соединений [5], а также разработаны, изготовлены и внедрены конструкции бугельных соединений для установок промышленных предприятий.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Погодин В.К. Разъемные соединения и герметизация в оборудовании высокого давления. Иркутск: ОАО "ИркутскНИИхиммаш", 2001, — 405 с.

2. Погодин В.К., Кузнецов К.А., Верхозин Н.А. Разработка новых бугельных соединений взамен фланцевых. Научный журнал: Современные технологии. Системный анализ. Ир-ГУПС Спецвыпуск. 2011, С. 140—147

3. Кузнецов А.М., Лившиц В.И, Погодин В.К. и др. Сосуды и трубопроводы. Справочник. Изд.2-е, доп., Иркутск: ГП «Иркутская обл. типография №1», 1999, 600 с.

4. Биргер И.А., Шор Б.Ф., Шнейдерович Р.М. Расчёты на прочность деталей машин. Изд. 2-е, исправл. и доп. М.: «Машиностроение»,1966, 616 с.

5. 4РД 0154-21-2006. Бугельные разъёмные соединения. Типы и конструкции. Технические требования. ОАО "ИркутскНИИхиммаш", 43 с.