Рассчитать усилие обжатия и эксплуатационное усилие, действующее на фланец фонтанной арматуры с прокладкой овального сечения из стали 12Х18Н9Т. Выбрать диаметр шпилек фланца исходя из рассчитанных усилий, материала ст. 30 (σ_т = 300 МПа) и определить момент затяжки шпилек.

При фланцевом соединении деталей арматуры уплотнение осуществляется в основном металлическим кольцом овального или восьмиугольного сечения.

Усилие, действующее на кольцо, не должно приводить к его остаточным деформациям.

В одном из вариантов сборки фланца прокладочное кольцо соприкасается с канавками фланцев по их внутреннему и внешнему скосам [2]. Уплотнение происходит за счет упругой деформации кольца и фланцев в месте соприкосновения (рис. 1).



Рисунок 1 - Схема фланцевого соединения

При расчете фланца определяются усилия обжатия, рабочее усилие при повышении в арматуре давления, усилия от разности температур фланца и стягивающих шпилек при перекачке горячей среды и усилие от веса боковых отводящих труб, присоединенных к арматуре.

Для обеспечения герметичности стыка прокладка должна быть предварительно обжата для устранения неплотности прилегания под определённым давлением. Необходимое усилие обжатия

(1.1)

где D_ср - средний диаметр прокладки;

b_эф - эффективная, т. е. суммарная ширина контакта прокладки (для прокладок овального и восьмиугольного сечений b_эф = b/4);

q_обж - давление на прокладку для ее обжатия (для мягкой меди q_обж = 160 МПа, мягкой стали - 250 МПа; стали типа 15Х5М - 350МПа; стали 12Х18Н9T - 400 МПа [6]).

Усилие, действующее при эксплуатации Р_эксп, учитывает действие давления Р_дав, разжимающее фланцы, остаточное усилие затяжки ΔР_зат, которое должно быть достаточным для уплотнения соединения, влияние температуры горячей перекачиваемой среды рt, влияние веса отводящих манифольдов Р_м:

^ (1.2)

^{где усилие от действия давления и остаточного усилия затяжки определяется по формуле}

(1.3)

Здесь Р_р - давление в арматуре;

m - прокладочный коэффициент, зависящий от упругих свойств материала прокладки. (для резины m = 1,2; для паронита m = 1,6; для меди = 2,4; для мягкой стали m = 2,7; для хромникелевой стали m = 3,8.

В случае работы арматуры с паром или газом или смеси жидкости и газа в формулу подставляют 2m.

При перекачке горячей среды металл арматуры нагревается больше, а шпильки - меньше, так как у них лучше условия охлаждения.

Считая фланцы жесткими, а шпильки и прокладку упругими, определяют дополнительную нагрузку:

(1.4)

где Δt - разность температур фланца и шпилек; °С;

h_ш - длина растягиваемой части шпилек;

α - коэффициент теплового расширения материала шпилек (для стали α = 0,11ּ10^-4 1/ºС);

h_р - рабочая высота прокладки;

Еш, Е_пр - модули уп­ругости материала шпильки и прокладки;

f_ш - площадь попе­речного течения шпильки;

f_пр - площадь поперечного (горизонтального) сечения прокладки. Рабочая высота прокладки

(1.5)

где R - радиус закругления прокладки.

Усилие в шпильках от веса отводящих труб манифольда

(1.6)

где М_изг - суммарный изгибающий момент от веса деталей манифольда;

D_шп - диаметр окружности крепления шпильками.

За расчетное усилие P_pac принимается большее из Р_обж и Р_эксп. Усилие на наиболее нагруженную шпильку определяется по формуле

(1.7)

где Р_рас - большее усилие из Р_обж и Р_эксп;

n - количество шпилек.

Напряжение в шпильке

(1.8)

где f_ш - площадь поперечного сечения шпильки по внутрен­нему диаметру резьбы;

η - коэффициент запаса η = 1,25 - 1,6.

Допускаемый момент затяжки шпильки ключом

(1.9)

где d - наружный диаметр резьбы шпильки;

σ_т - предел текучести материала шпильки.

Расчетный момент затяжки шпильки

(1.10)
Решение

Задача 1

Исходные данные
Диаметр фланца	195 мм
Условный диаметр прохода	70 мм
Внутренний диаметр прокладки	95 мм
Высота прокладки	12 мм
Ширина прокладки	6 мм
Диаметр окружности крепления шпильками	155 мм
Рабочее давление	35 МПа
Температура добываемой жидкости	50°С
Количество шпилек	6
Рабочая высота шпильки	45 мм
Высота профиля резьбы шпильки	1,5 мм

Усилие обжатия фланца определим по формуле (1.1).

Для прокладки из стали 12Х18Н9Т q_обж = 400 МПа. Средний диаметр прокладки





тогда



Для определения эксплуатационного усилия воспользуемся формулой (1.2), так как температура добываемой жидкости не превышает 30°С, а данные по весу отводящих труб манифольда отсутствуют. Используем лишь первые два члена формулы (1.2), т. е. определим усилие от рабочего давления и остаточного усилия затяжки (m = 3,2):



За расчетное усилие принимаем большее из рассчитанных (Рэксп).

Усилие на наиболее нагруженную шпильку определим по формуле (1.7):



Диаметр шпильки определим из отношения (1.8), приняв коэффициент запаса η = 1,5:



Отсюда диаметр шпильки по впадине резьбы



Выберем диаметр шпильки



Напряжение в шпильке



где площадь поперечного сечения шпильки по впадине резьбы



Допустимый момент затяжки шпильки (формула (1.9))



Расчетный момент затяжки (формула (1.10))



Задача 2

Исходные данные
Рабочее давление	13 МПа
Температура закачиваемой смеси	260°С
Диаметр шпилек	18 мм
Вес части манифольда, приходящейся на фланец	2300 Н
Расстояние до центра тяжести части манифольда	2,2 м

Усилие обжатия фланца определим по формуле (1.1). Для прокладки из мягкой стали q_обж = 250 МПа. Из предыдущей задачи D_cp = 98, bэф = 1,5 мм,

.

Усилие от рабочего давления и остаточного усилия затяж­ки определим по формуле (1.3) при m = 2,7·2 = 5,4:



Нагрузку от разности температур фланца и шпилек определим по формуле (1.4), причем разность температур в начало прогрева при 300°С составит 20°С. По условию длина растягиваемой части шпилек h_ш = 45 мм.

Рабочая высота прокладки h_р = 12 - 2 = 10 мм, площадь поперечного сечения прокладки

.

Площадь поперечного сечения шпильки

,

тогда

,

Нагрузку от веса части манифольда определим по формуле (1.6). Момент от веса манифольда

.

По условию предыдущей задачи D_шп = 155 мм,

.

Эксплуатационное усилие по формуле (1.2)

.

За расчетное усилие принимаем большее из рассчитанных (Р_эксп и Р_обж).

Усилие на наиболее нагруженную шпильку определим по формуле (1.7):

.

Напряжение в шпильке определим по формуле (1.8):

.

.
Выбираем материал шпилек. Это сталь 35 с σ_т = 360МПа.

Коэффициент запаса

,

что допустимо. Допустимый момент затяжки шпильки (формула (1.9))

.

Расчетный момент затяжки (формула (1.10))

.

где усилие от действия давления и остаточного усилия затяжки определяется по формуле^ В формуле (1.2) учет веса отводящих манифольдов Рм применяется с коэффициентом 3, так как работает на растяжение лишь 1/3 шпилек фланца.

---

Смотрите также файлы

• Обслуживание скважины, эксплуатируемой усшн.docx

• Отчет по лабораторной работе 2 одномерная статистическая модель.docx

• Задача в 11 пробах руды определено содержание никеля.docx

• Контральная ведомость.docx

• Вариант 1 (средний).doc