Технические статьи

ГлавнаяТехнические статьиФланцыРасчёты → Определение размеров фланцев воротниковых, плоских и свободных на основе стандартных размеров фланцев ГОСТ

Определение размеров фланцев воротниковых, плоских и свободных на основе стандартных размеров фланцев ГОСТ

Размеры фланцев часто необходимо определить, основываясь на размерах фланцев ГОСТ.

Размеры фланцев часто необходимо определить, основываясь на размерах фланцев ГОСТ.

Несмотря на стандартизацию, окончательный выбор части размеров фланцев и фланцевых соединений часто остаётся за конструктором. В ряде случаев бывает необходимость определения размеров фланцев, не предусмотренных стандартами. При неточном методе расчёта размеров фланцев и недостаточном учёте всех параметров невозможно создать надёжное и наименее металлоёмкое фланцевое соединение.

Дата публикации: 26 июня 2011

Автор: Дроздов М.В., ООО «Инженерный Союз»

Разместите статью о трубопроводах в данном каталоге
Ваша информация на каталоге технических статей

Стандартные размеры фланцев по ГОСТ оптимальны

Размеры фланцев при конструировании определяются основана на целесообразности размеров фланцев ГОСТ или фланцев по другим основным стандартам и плотности таких стандартных фланцевых соединений. Ведь естественным является предположение, что советские и российские конструкторы не зря выбрали те или иные размеры фланцев для определённых Ду и Ру.

При неточном методе расчёта размеров фланцев и недостаточном учёте всех параметров невозможно создать надёжное и наименее металлоёмкое фланцевое соединение.

Методика такого конструирования позволяет обойтись без сложных расчётов фланцев решить следующие проблемы:

В начало

Размеры фланца для новых Ду и Ру

Пусть рассчитаны размеры фланца первого для определённых Ду и Ру. При этом первый фланец может быть как стандартным фланцем по ГОСТ, так и нестандартным. Назначается нагрузка, которой первый фланец не удовлетворяет.

Требуется определить размеры фланца второго, удовлетворяющего вновь назначенной нагрузке.

В начало

Размеры фланца стального из нового материала

Пусть также имеются рассчитанные размеры фланца стального.

Требуется определить достаточно прочные размеры фланцы из материала, не предусмотренного стандартом на Ду, Ру фланцев и усилие болтовзаданных в условиях.

В начало

Размеры фланцев воротниковых

Размеры фланцев воротниковых.

Рисунок 1. Размеры фланцев воротниковых

Расчётная толщина кольца цельного фланца с учётом выступов и пазов, т.е. характерных размеров уплотнительных поверхностей воротникового фланца, в мм:

bp = A' ⋅Dв.ф / (Dв. ф+25),    (1)

где A' — коэффициент, зависящий от Pу, Dу и определенный по таблице 1,
Dв.ф — внутренний диаметр воротникового фланца (внутренний размер фланца).

Формуле (1) отвечает Dн.ф (наружные размеры фланцев воротниковых) фланца ГОСТ для Pу, Ду, заведомо известных.

Таблица 1. Коэффициент А' для размеров воротниковых фланцев применительно к ГОСТ 12821-80 (унаследовано из ГОСТ 12830-67)

Pу, кгс/см2 1,0; 2,5 6 10 16 25 40 64 100 160 200
Dу, мм 25-200 100-1000 100-400 100-350 100-350 100-200 100-250 100-150 100-125 100
 A' 17-18 19,5-26,5 24,5-30 25-35 30-43 32-43 42-47 48,5-54 54 70
Dу, мм 300-1600 1200-1400 500-1200 400-1200 400-800 250-500 300-400 200-400 200-300 125-250
A' 22-28,5 28,5-33,5 30,5-39 37-45 47-62 43-66 59-70 64-81 79 91-118

Отношение размеров фланцев воротниковых.

Рисунок 2. Отношение размеров фланцев.

При уменьшении Dн.ф искомую толщину кольца bp2 фланца определяют по формуле, найденной из условия равенства напряжений для рассматриваемого фланца (величинам и размерам фланца присвоим индекс 1) и полученного уменьшением наружного диаметра кольца рассматриваемого фланца — величины с индексом 2:

σк = Qпрbc / (1,82 Dв.ф); (равенство напряжений фланцев, где Qпр - приведённая нагрузка болтов)

bp2 = bp1⋅(Qпр2 / Qпр1)⋅(B1/ B2).    (2)

Величина одного из размеров фланцев bp1 в данном случае определена формулой (1); B1 и B2 находят по графику (рисунок 2). 

Qпр1,Qпр2 вычисляются по формуле:

Q_{pi p} = { P_1 (D_3 - D_4) + Q(D_1 - D_2) + P(D_2 - D_3) }/{ D_{Pi. Phi} - D_{B. Phi} },    (2а)

  • где P1 - сила давления рабочей среды на площадь, ограниченную внутренним диаметром фланца, кгс,
  • P - сила давления рабочей среды на площадь, ограниченную диаметром эффективной прокладки для фланцев, кгс,
  • расчётную нагрузку болтов Q1, Q2 полагают известной. 

При получении формулы (2) на размер фланцевого кольца принято А1= А2= А, поскольку А  изменяется на порядок меньше, чем отношение Dн. ф/ Dв.ф при Dв. ф = const.

Диаметр резьбы болта 

d = В'⋅bp,   (3)

где В' — безразмерный коэффициент, определяемый по таблице 2.

Таблица 2. Коэффициент В' для цельных фланцев

Ру фланца, кгс/см2 1,0-2,5 6 10 16 25 40;64 100 160 200
В'  1,0 0,9 0,85 0,80 0,75 0,70 0,65 0,60 0,55

Примечание: Для болтов соединения с фланцами Ду 25 мм Ру 200 кгс/см2 коэффициент В' в таблице 2 увеличивают на 30%.

Размер фланца sн — толщина стенки фланца в основании конической втулки (толщина воротника фланца) — назначается так:

Dв.ф ≥ 100,  Pу ≤ 64 кгс/см2   ................sн = 0,75 bp;

Dв.ф ≥ 100,  Pу ≤ 100 кгс/см................sн = 0,85 bp;

Dв.ф ≥ 100,  Pу любое              ................sн = 0,70 bp.

Уклон i для кованых фланцев i = 1/3 (допускается i = 1/1.25), а для литых фланцев i = 1/5.

Наружный диаметр фланца

Dн.ф = Dв.ф +2 (sн +r) + 2Dг + 5,     (4)

где r — радиус галтели в основании конической втулки фланца стального приварного встык (воротника фланца)

r ≤ 0,6 sн.     (5)

Диаметр окружности болтов

D1 = Dн. ф — Dг — 5. (6)

Назначив число болтов кратным 4 или 2, определяют напряжения в них:

σ = Q' / fб,

где fб - площадь расчётного поперечного болта, см2,
Q' - расчётная нагрузка на один болт, кгс.

В начало

Решение первой задачи конструирования фланцев. Нахождение размеров фланцев для большей нагрузки.

Какие размеры фланцев требуется рассчитать?

Условиям эксплуатации трубопровода (фланцы труб) или сосуда (фланцы сосудов), к которым не  предъявляется требований по повышенным  статическим  и динамическим  нагрузкам,  взрывоопасности  и токсичности  рабочей среды отвечают, стандартные фланцы ГОСТ (40).

Пусть далее к данному, ранее рассчитанному  фланцевому соединению с известными размерами фланцев (величинам, относящимся к нему, приписываем индекс 1), предъявлены новые требования по дополнительному восприятию  внешнего момента M = 0,5 Mпр (Mпр- это изгибающий момент, действующий на фланцевое соединение, соответствующий образованию на трубе шарнира текучести, кгс⋅см) и по условию  токсичности рабочей среды фланец должен быть в m>1 раз менее  напряженными.

Остаются постоянными следующие размеры фланцев:

  • Dв.ф = const (размеры фланцев - внутренние диаметры фланцев)
  • Dн. ф =const (размеры фланцев - наружные диаметры фланцев)

Требуется подобрать новые размеры фланца усиленного (размерам фланца второго приписываем индекс 2):

  • bp2 — новый размер фланца — толщина фланцевого кольца с учётом размеров уплотнительной поверхности),
  • sH2 — (новый диаметр фланца в воротнике).

В начало

Конструирование фланцев. Как найти размеры фланцев?

Схема решения такова. Определяем:

  • Mпр (критическая характеристика фланцев — изгибающий момент, при котором на торце трубы с фланцем возникает явление шарнира текучести) - по формуле:
    M_{pi p} = 1.27 pi r^2 sqrt{(sigma_T s)^2 - 0.75 (r p)^2 }
  • M2 = 2 Мпр  — требуемая характеристика фланцев — новый, увеличенный вдвое, выдерживаемый изгибающий момент;
  • QM2  = 4 M2 / D2 — силовая характеристика: часть нагрузки болтов, расходуемая на создание внутренних сил, уравновешивающих внешний момент M2 (эта и другие силовые характеристики фланцев приводятся здесь в кгс);
  • Qупл — силовая характеристика фланцевого соединения: часть нагрузки болтов, давящая на фланцевые прокладки, расходуемая на создание затвора:
    Qупл = Fэ q или Qупл = π D2 qs; где D2 — один из основных размеров фланцев — средний диаметр контактной площади фланцевой прокладки, см;
  • определяем нагрузку крепежа на фланцы:
    Q2 = QM2 +P+ Q упл.

Формула (2) для искомой толщины  кольца фланца bp принимает вид 

bp2  =  bp1 m Qпр2 / Qпр1;    (7)

где bp1, Qпр1 известны по условию задачи; B1/B2 =1,поскольку Dн ф= const; Qпр2 определено по формуле (2а) с учетом Q2; m - коэффициент

согласно условию задачи. Затем, как указано выше параграфа, назначаем размеры фланцевого воротника sн2, i2.

В начало

Порядок расчета второй задачи

Какие характеристики должны обеспечить новые размеры фланцев

Изготовление фланцев осуществляется из нового сплава с пределом текучести σT2, а не σT1, при σT1T1.

Наружные диаметры фланцев стальных приварных встык (размеры фланцев ГОСТ 12821-80) остаются прежними Dн.ф =const, как и нагрузка крепежа на фланцы Q =const.

Требуется определить sн2, bp2 — новые размеры фланцев воротниковых.

В начало

Конструирование фланцев. Размеры фланцев новой конструкции.

Формула (2) на размеры воротникового фланца в области кольца с учетом формулы (7) принимает вид:

 bp2 = m' bp1,     (8)

где m' =  σT1 / σT2.

Далее, как в решении первой задачи, назначаем  sн2, i.

Затем проверяем запас прочности по втулке

nвт2 =nвт1 (sн1/sH2)σT2 / σT1.   (9)

Здесь индексы 1 и 2 указывают на принадлежность величин так же, как  в σT1, σT2. Величина  nвт1 предполагается известной. Формула (9) получена из условия равенства величин в отношении σT1 / σT2 их выражениям, записанным через  напряжения  и nвт1, nвт2 с учетом приближенного равенства моментов Mo (47) для обоих фланцев.

В начало

Размеры фланцев плоских. Расчёт плоских фланцев

Фланец стальной плоский приварной имеет толщину кольца (в мм), которая вычисляется по формуле, аналогичной формуле (1) на размеры фланцев воротниковых:

b= A'' ⋅Dв.ф / (Dв. ф+35),    (10)

где A'' — коэффициент на размеры фланцев плоских, определяемый из таблицы 3;
Dв. ф  — внутренний диаметр обечайки или трубы, то есть Dв. ф = Dв.

Размеры плоских фланцев также определяются по формуле (2).

Таблица 3. Коэффициент А''для плоских приварных применительно к ГОСТ 12820-80 (принят взамен ГОСТ 1255-67)

Pу фланцев плоских, кгс/см2 1,0;2,5 6 10 16 25
Ду фланцев плоских, мм 80-200 250-800 1000-1600 80-350 400-600 100-3500 400-600 80-400 500-600 80-300
A'' 19-19,5 25-27 31-33 26-28.5 30.5-37 20-31 31-33 35-41 51.5-53 31.5-42
 

Примечание: Два значения А''в клетке отвечают двум Dу в соответствующей верхней клетке; для промежуточных Dу  значения А'' находят интерполяцией.

Диаметр резьбы болтов для соединений плоских фланцев:

d = B'' bp,          (11)

где B'' — безразмерный коэффициент из таблицы 14.

Таблица 14. Коэффициент B'' на размеры плоских фланцев

Ру фланцев плоских, кгс/см2 1,0; 2,5 6 10 16 25
B '' 1,0 0,9 0,85 0,8 0,8

Наружный диаметр кольца фланца

Dн. ф = Dв. ф + 4s + 2Dг + 5 мм.

Диметр окружности болтов для фланцев плоских рассчитывается по формуле (6).

В начало

Размеры фланцев свободных. Конструирование свободных фланцев

Конструирование фланцев свободных на наконечнике с конической втулкой (находим размеры свободных фланцев на приварном встык кольце) начинают с назначения размеров конической втулки:

sH/s = 2; i =1/3 для фланцев свободных Dв. ф ≤ 250 мм;

sH/s = 2; i =1/5 для свободных фланцев Dв. ф > 250 мм.

Далее назначают толщину концевого бурта под фланец свободный: lб. н = sH.

Радиус галтели r в основании конической втулки по зависимости (5).

Наружный диаметр бурта наконечника под фланец свободный

Dн. б = Dв. ф + 2(sH + r + Δб) мм,

где Δб = 3…5 мм — ширина кольцевой площадки для опоры кольца фланца свободного, равная 3 при Dв. ф ≤ 500 мм и 5-ти при Dв. ф > 500 мм.

Малая масса бурта наконечника и основная роль конической втулки в сопротивлении наконечника деформации позволяет пренебречь выступающей частью бурта под свободный фланец при назначении прочных размеров втулки. Расчёт сводится к выполнению условия:

σв. б = 6 Мб. н / sH2 ≥ 1,2.

Здесь Мб. н — интенсивность момента, приложенного к бурту наконечника:

Мб. н = (Qпр / π)⋅(Dн. б — Dв. ф)/ Dв. ф,

где Qпр определяется по выражению (2а).

В начало

Заключение

Несмотря на стандартизацию, окончательный выбор части размеров фланцев и фланцевых соединений часто остаётся за конструктором. В ряде случаев бывает необходимость определения размеров фланцев, не предусмотренных стандартами.

В начало

Список литературы

  1. ГОСТ 12815-80 Фланцы арматуры, соединительных частей и трубопроводов.. – М. : ИПК Изд-во стандартов, 2003. – 19 c.
  2. Ковальский Б. С., Перцев Л.П. Нормализация фланцев сосудов и аппаратов // сб. "Нормализация в машиностроении", 1962, №2, с. 3-9... – М. : Стандартгиз.

Получив доступ к данной странице, Вы автоматически принимаете Пользовательское соглашение.

Рейтинг@Mail.ru
Rambler's Top100