Константин Ефанов
Расчет фланцевых соединений
Введение
Монография является одновременно учебной и аналитическим обзором методов расчета фланцев и фланцевых соединений, применяемых на нефтегазовых, химических аппаратах и технологических трубопроводах.
В монографии показаны последние технические достижения по расчету фланцев и фланцевых соединений нефтегазовых и химических аппаратов.
Приведено обоснования нормативного требования о несовпадении осей шпилек с плоскостями симметрии аппаратов и проанализирован частный случай расположения трубопровода под углом к плоскостям симметрии аппарата. Что имеет важно значение для специалистов, занимающихся монтажной компоновкой, трубопроводной обвязкой аппаратов, и проектированием технологических трубопроводов.
Перечислены наиболее распространенные методы расчета фланцевых соединений и приведены на них литературные ссылки, а также на историю разработки отечественных норма на расчет сосудов и аппаратов.
Материал монографии может представлять интерес для главных специалистов-проектировщиков в нефтегазовой промышленности и судостроении, конструкторов сосудов и аппаратов различного назначения, насосов и арматуры, специалистов по прочностным расчетам, инженерам по изготовлению фланцев, а также для подготовки специалистов.
О несовпадении осей фланцев с осями сосудов
В нормативно-технической документации присутствует требование, согласно которому оси отверстий под шпильки во фланцах не должны находиться на главных осях симметрии аппаратов.
Это требование можно неоднозначно просчитать для шлемового трубопровода, крепящегося к верхнему шаровому днищу колонны под углом 45 градусов. В этом случае возникает вопрос в том, следует ли поворачивать главные оси симметрии колонны до совпадения с осями симметрии трубопровода. Ответ на вопрос будет показан ниже в рамках рассмотрения основной проблемы.
Приведем обоснование данного требования нормативной документации.
В работе Волошина и Григорьева [1] подробно описан изгиб фланцевой пары. При чистом изгибе ось изгиба совпадает с плоскостью симметрии фланца. Плоскость симметрии фланца согласно требованию нормативной документации располагается параллельно осям симметрии аппарата.
В этом случае, смотря на фланец увидим, что плоскости, проведенные через оси фланцевых отверстий и ось втулки фланца (в которых находятся оси отверстий под шпильки) находятся под углом к осям симметрии фланца (параллельным осям аппарата). Например, для фланца с 4 отверстиями, оси отверстий будут расположенными под углом 45 градусов к главным осям фланца, параллельными осям аппарата, тем самым требования стандартов выполняются.
Ось изгиба фланца может смещаться, однако, рассматриваем случай чистого изгиба без смещения оси.
Рассмотрим половину фланца с 4 отверстиями. Имеется два варианта расположения шпилек:
1 вариант – под углом 45 градусов,
2 вариант – с совпадением осей.
По 1 варианту оси 2 шпилек могут воспринимать равные и максимальные для них значения растягивающих усилий.
По второму варианту стержень только верхней одной шпильки воспримет максимальное усилие. Оси двух соседних шпилек будут находиться с линией изгиба в одной плоскости и перпендикулярно ей (то есть практически участвовать в восприятии нагрузок не будут по сравнению с центральной шпилькой).
Рассмотрим расстояние от осей шпилей до оси изгиба фланца. По 2 варианту оно будет равно половине диаметра осей отверстий, то есть R. По 1 варианту получим (из геометрии треугольника) меньшее плечо, равное R·cos45° = 0,7071·R.
При условной единичной растягивающей силе по оси шпильке, во втором случае момент будет равен R, в первом случае момент будет равен 2·0,7071R = 1,4R. При этом для 2 случая вклад двух шпилек, лежащих в плоскости с линией изгиба не учитываем за счет его незначительной величины.
– несовпадение осей шпилек с осями симметрии аппарата позволяет воспринимать моменты с более высокими значениями, чем при совпадении шпилек с осями аппарата,
– при несовпадении шпилек с осями аппарата, большее число шпилек участвует в восприятии нагрузки.
Сделаем вывод относительно шлемового трубопровода, расположенного под углом 45 градусов к осям колонны:
– при несовпадении плоскостей симметрии трубопроводов и аппарата, оси шпилек во фланце не должны совпадать с плоскостями симметрии трубопровода так как изгиб происходит относительно осей трубопровода, а не аппарата.