CC BY
51
Основы методики расчёта на статическую прочность устройств сужающих быстросменных, изготовленных по ТУ 51-72-87 Крылов Д. И.1, Лебедев Н. С.2, Макеев М. В.3,
Мищенко И. Г.4, Рамзин А. Б.5, Элкснин В. В.6
1 Крылов Денис Иванович / Krylov Denis Ivanovich - заместитель заведующего отделом оценки соответствия;
2Лебедев Николай Сергеевич /Lebedev Nikolai Sergeevich - заместитель заведующего отделом оценки соответствия; 3Макеев Максим Владимирович /Makeev Maxim Vladimirovich - заместитель заведующего отделом оценки
соответствия;
Мищенко Игорь Григорьевич /Mishchenko Igor Grigorevich - кандидат технических наук, заместитель технического директора;
5Рамзин Алексей Борисович /Ramzin Aleksey Borisovich - заместитель заведующего лабораторией неразрушающего контроля, технического диагностирования и металловедения;
6Элкснин Виктор Владимирович /Elksnin Victor Vladimirovich - кандидат технических наук, главный специалист отдела
расчёта на прочность,
Акционерное общество «Центральное конструкторское бюро нефтеаппаратуры», г. Подольск
Аннотация: в данной статье рассматриваются особенности расчёта на статическую прочность фланцевых соединений с контактирующими фланцами, которые применяются в технических устройствах, эксплуатируемых на опасных производственных объектах, но расчёт которых не отражён в ГОСТ Р 52857.4-2007 «Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность. Расчет на прочность и герметичность фланцевых соединений».
Abstract: this article discusses the features is based on static strength of flanges in contact with the flanges, which are used in technical devices used at a hazardous production facilities, but the calculations are not reflected in the GOST R 52857.4-2007 «Vessels and vehicles. Norms and methods of strength calculation. Calculation of the strength and tightness of flanged joints».
Ключевые слова: устройство сужающее быстросменное, контактирующий фланец, неконтактирующий фланец, статическая прочность, запас прочности.
Keywords: quick-narrowing unit, contacting flange, non-contacting flange, static strength, margin of safety.
На объектах нефтяной и газовой промышленности, являющихся опасными производственными объектами, широко применяются устройства сужающие быстросменные (УСБ), изготовленные по ТУ 51-7287 [1]. Конструктивная схема УСБ (рис. 1) включает фланцевое соединение с контактирующими фланцами (КФ).
Имеющаяся методика расчёта неконтактирующих фланцев (НФ) [2; 3] не подходит для расчёта КФ, так как у последних контакт осуществляется по всей поверхности фланцев (в предположении их идеального контакта), а не в локальной зоне через сравнительно жесткую прокладку. Это сказывается на напряженно-деформированном состоянии (НДС) КФ - фланцев и шпилек при нагружении УСБ внутренним давлением. Нагрузка на шпильки может быть существенно большей, чем в соединении с НФ (при прочих равных условиях), помимо усилия от давления, шпильки нагружаются дополнительным усилием от контактного взаимодействия фланцев (РсоП).
а) 1 - корпус; 2 - фланец; 3 - накладка; 4 - крышка; 5 - патрубок; 6 - диафрагма; 7 - шпилька; 8 - уплотнение; 9 - прокладка; 10, 11 - шпильки; 12, 13 - кольца резиновые; 14 - табличка;
15 - накладка; 16 - гайка колпачковая; 17 - пробка; 18 - ручка; 19, 20 - петли; 21 - гайка.
Рис. 1. Конструктивная схема и общий вид УСБ а) конструктивная схема; б) общий вид
Принятые допущения для КФ: фланцевое соединение «фланец-корпус» считаем телом вращения -объемное изображение фланцевого соединения, заменим его осевым сечением; корпус - недеформируемый; нагрузка - внутреннее давление; усилие предварительного затяга шпилек отсутствует; влияние обжатия прокладки не учитывается; шпильки - абсолютно жесткие, позволяют перейти к расчётной схеме (рис. 2а), в которой действие шпилек заменяем граничными условиями - опорой, запрещающей перемещение точки В фланца (болтовой окружности) в осевом направлении (вдоль оси OY), корпус закреплен в основании от осевого перемещения. Заменив действия опоры и корпуса болтовым и контактным усилиями, соответственно, получим вид деформированного состояния фланца, нагруженного указанными усилиями и внутренним давлением р (рис. 2б). Исходя из вышесказанного, окончательная расчётная схема для фланцевого соединения УСБ имеет вид, указанный на рис. 3.
АО «ЦКБН» разработана методика расчета НДС фланцевого соединения с КФ с использованием методов теории пластин, колец и цилиндрических оболочек [5; 6]. Запасы прочности для элементов соединения (шпилек, фланца, резьбы фланца) регламентируются нормативными документами [2-3; 6]. Условия проведения гидроиспытаний регламентируются Рекомендациями [8].
Допускаемые напряжения для материалов шпилек
\а~\шп определяются по формуле:
шп] (!)
а)
Рис. 2. Вид деформированного состояния фланцевого соединения «фланец-корпус», нагруженного внутренним
давлением
а) - фланец контактирует с корпусом; б) - нагружение фланца болтовым Qc и контактным Pcontусилиями (внутреннее давление не показано)
Рис. 3. Расчетная модель фланца, где ст4 - предел текучести, МПа; nt - коэффициент запаса прочности, установлен [2]
При расчёте статической прочности фланцев расчетным является сечение по окружности шпилек - АВ (см. рис. 2), при этом условия статической прочности вычисляют по формулам:
с АБ = 1,5 [О], (2)
где [о] - допускаемые напряжения для материала фланца, МПа, вычисляется аналогично (1), принимая в соответствии с [2] для рабочих условий nt =1,5; для условий гидроиспытаний nt =1,1.
При расчёте усилия на шпильках, равнодействующую усилия Qp от давления р определяем по формуле:
Qp = л ■ Dk 2' p / 4 (3)
где Dk - диаметр уплотнения, мм;
р - расчетное давление, МПа (для рабочих условий принимаем р = рраб принимаем согласно [1]; для условий гидроиспытаний принимаем рги = 1,25 рраб [8]).
Расчетное суммарное усилие для фланцевых шпилек Qc определяют из условия:
Qc = k Qp • (L1+L2) ■ ni / L2, (4)
где k - коэффициент затяжки (k = 1,25 М,5 принимаем на основании [1]);
Li - расчетное плечо, мм (см. рис. 2) [1];
L2 - расчетное плечо, мм (см. рис. 2) [1];
П1 - коэффициент, учитывающий влияние контактного взаимодействия в соединении фланец-корпус (из результатов сравнения с численным экспериментом, учитывающего в том числе, что в предельном состоянии раскрытие стыка происходит при повороте фланца относительно точки C (см. рис.2));
Напряжение растяжения фланцевых шпилек:
Ошп — Qc /(z 4п) (5)
где fmn - площадь поперечного сечения шпильки по внутреннему диаметру резьбы, мм, определяется согласно [3].
Условие прочности фланцевых шпилек:
СТ шп — [ст шп], (6)
Ограничив величину ошп, возникающую при рабочих условиях, с учётом требований по обеспечению нормативных запасов прочности в рабочих условиях, с учётом одновременного обеспечения нормативных запасов прочности в ходе гидроиспытаний, определяем значение допускаемого Рраб по шпилькам.
При расчёте фланца величину усилия контакта Pcont, действующее на фланцевое соединение в точке С, определяется по формуле:
Рcont = Qc - Qp, (7)
а изгибающий момент в расчетном сечении АВ:
М = Р cont ' L2, (8)
Напряжение изгиба определяют по формуле:
Стфл = 6 М/ [ я ■ Db - z- c) h2], (9)
где h - толщина фланца, мм (см. рис. 2) [1];
z - количество шпилек [1];
с - диаметр отверстий под шпильку, мм [1];.
Условие прочности фланца при расчете статической прочности
СТ фл — [СТ АВ], (10)
Ограничив величину Офл, возникающую при рабочих условиях в сечение АВ (рис. 2), с учётом требований по обеспечению нормативных запасов прочности в рабочих условиях, с учётом одновременного обеспечения нормативных запасов прочности в ходе гидроиспытаний, определяем значение допускаемого Рраб для фланца.
Напряжение среза резьбы корпуса т p определяют по формуле [6]:
Т
p
&
яdx • hp • z• Кх • Km
(11)
где d1 - наружный диаметр шпильки, мм;
^ -расчетная длина резьбового соединения [6];
К1 - коэффициент резьбы [7];
Km - коэффициент, учитывающий изменение деформации витков резьбы по высоте соединения [7]. Условие прочности резьбы на срез:
Тр ^ [тр] , (12)
В формуле (12) [Тр]
0.25 • R
T
р 0.2
для рабочих условий и
[т р] = 0.35 • RTo.2
для условий
гидроиспытаний (Rp0 2 - минимальное значение предела текучести) [7].
Ограничив величину т p, возникающую при рабочих условиях, с учётом требований по обеспечению
нормативных запасов прочности в рабочих условиях, с учётом одновременного обеспечения нормативных запасов прочности в ходе гидроиспытаний, определяем значение допускаемого Рраб для резьбы корпуса. Расчёт на статическую прочность УСБ показал:
- УСБ работают с нормативными запасами прочности в исполнении УСБ 00.000 00-03; 05; 06; 10; 11; 15;
20; 25; 30; 35;
- в других исполнениях УСБ работают с ненормативными запасами прочности для шпилек и резьбы корпуса, в случае работы с рабочими давлениями согласно ТУ 51-72-87 [1]. Допускаемое рабочее давление УСБ существенно ниже проектного. Ограничением допускаемого рабочего давления УСБ, с учётом работы его элементов с нормативными запасами прочности, являются напряжения, возникающие:
а) для УСБ 700 6.4-10.0, УСБ 500-16.0; УСБ 400-16.0, УСБ 300 10.0-16.0 в шпильках;
б) для других УСБ - в резьбе корпуса.
Литература
1. ТУ 51-72-87 Устройства сужающие быстросменные. УСБ. Технические условия.
2. Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность. Общие требования. ГОСТ Р 52857.1 - 2007.
3. Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность. Расчет на прочность и герметичность фланцевых соединений. ГОСТ Р 52857.4-2007.
4. СТП 26.260.2043-2004. Болты, шпильки, гайки и шайбы для фланцевых соединений. Технические требования. ОАО «НИИХИММАШ», 2004.
5. Биргер И. А., Шорр Б. Ф., Шнейдерович Р. М. Расчет на прочность деталей машин. Справочное пособие. Под общей редакцией д-ра техн. наук, проф. И. А. Биргера. М., Машиностроение, 1966, 616 с.
6. Биргер И. А., Иосилеви Г. Б. Резьбовые и фланцевые соединения. М., Машиностроение, 1990, 368 с.
7. Нормы расчета на прочность оборудования и трубопроводов атомных энергетических установок. ПНАЭ Г-7-002-86. М., Энергоатомиздат, 1989, 525 с.
8. Руководство по безопасности «Рекомендации по устройству и безопасной эксплуатации технологических трубопроводов» (утверждены приказом Ростехнадзора от 27.12.2012 № 784).
