Арматура қосылыстарындағы фланецтерге түсетін күштерді есептеу

Фланецті қ осылыстарды есептеу методикасы олардың қ осылу тә сіліне байланысты болады: шпилькамен немесе хомутпен. Екі жағ дайда да фланец пен нығ ыздауыштың тө семелері есептелінеді, ал бірінші жағ дайда шпилькалар, ал екіншісінде хомут пен оны тарту бұ рандалары есептелінеді. Екі жағ дайда да нығ ыздағ ыш тө семенің алдын - ала тартылу кү ші есептеледі. Фланецтің шпилькамен қ осылысында осьтік кү ш шпильканың тартылу кү шінің қ осындысына тең, ал хомутты қ осылыста – хомуттың конустық бетін қ ысуғ а кү ш салады.

2.11-сурет. Фланецті бұ рандалы қ осылысының есептеу ү лгісі

Екі жағ дайда да (2.11-сурет, а) тө семенің ө ту тесігіне байланысты орналасу тү рлері ескеріледі. Бірінші жағ дайда (2.11-сурет, б) ол жинау кезінде ө ту тесігінің ішкі жә не сыртқ ы жоғ арғ ы бө лімдеріне тиіп тұ рады да, ө зінің серпімді дефформациясының нә тижесінде фланецпен нығ ыздалады. Екінші жағ дайда (2.11-сурет, в) тө семе шпильканың тартылымына байланысты нығ ыздалады.

Зауыттан шығ арылатын арматура негізінен тө семемен бірге екінші ү лгі бойынша жасалынады.

Тө семелерді екінші жағ дайда қ ұ ру негізінен р₀ сыртқ ы қ ысымы бар қ алың қ абырғ алы ыдыстардың элементтері ретінде қ арастырылады. Осығ ан байланысты ішкі аймақ тағ ы эквивалентті кернеуді келесі формуламен есептеуге болады.

, (2.2)

мұ ндағ ы, – шең берлік жә не – осьтік кернеулер.

= -р₀ ; (2.3)

= - , (2.4)

мұ ндағ ы, r_c жә не r_іш – тө семенің радиустары (сыртқ ы жә не ішкі); Р_z – осьтік кү ш; f₀ – тө семе қ имасының ауданы.

жә не мә ндерін (2.2)-дегі орындарына қ ойғ анда келесі формуланы аламыз.

р₀= . (2.5)

Осьтік кү ш жә не сыртқ ы қ ысым келесі формуламен байланысты болады:

2P_z tg α ₁=р₀π Д_тh_ж, (2.6)

мұ ндағ ы, Д_т – тө семемен фланецтің тиісу жазық тығ ындағ ы цилиндрдің диаметрі:

Д_т=2r_c-2R₀(1-sin α ₁), (2.7)

мұ ндағ ы, h_ж = h_T-0622 R₀ – тө семенің жұ мыстық биіктігі.

Тө семе материалы σ _экв болғ анда р₀ максималды мә нге ие болады деп қ абылдаймыз. Осығ ан байланысты есептеулерде беріктік қ орының коэффициентін кө п жағ дайда фланец ү шін – 2, 5, тө семе ү шін – 2, 25-ге тең етіп қ абылдап, σ _экв-ті -ге ауыстыруғ а мү мкіндік туады.

Сонда

σ _экв .

Тарту кү шін анық тау ү шін фланец пен тө семенің тү йісуінен пайда болатын ү йкеліс кү шін есепке алу қ ажет. Соғ ан байланысты оларды тарту кү ші:

Р_тар= , (2.8)

мұ ндағ ы, – бұ рышының мә нін жоғ ары деп санасақ, онда осьтік кернеу аз болады, осығ ан байланысты оларды есепке алмауғ а болады. Тарту кү шін жең іл жолмен анық тау ү шін к=r_іш/r_c деп белгілеп, жең ілдетілген формуланы мына тү рде аламыз:

Р_тар 0, 25 π D_Th_p(1-к²) ctg α ₁. (2.9)

Осы формула бойынша тарту кү шін есептеу, практикада есептеулердің қ ажетті дә лдігін қ амтамасыз етеді.

Тарту кү шін анық тау методикасы, бұ рандалы жә не хомутты фланецті қ осылыстарды есептеуге де қ олданылады.

Фланецті қ осылыстырдың жұ мысына ә сер етуші кү ш келесі формула бойынша есептеледі:

Р_тар= р_{жұ м}, (2.10)

мұ ң дағ ы, F₀= . Бұ л берілген формула тө семенің фланецті қ осылыстың кү шпен тартып тү йісу жағ дайына сә йкес келеді. Басқ а шамалар келесі формуламен анық талады:

А₀=05π D_Th_pf(к)ctg α ₁, (2.11)

f(к)=2k²/(1+ к²), (2.12)

мұ ндағ ы, – Пуассон коэффициенті.

Фланецті арматураның ескі тү рдегі қ осылысындағ ы нығ ыздау тө семесін пайдалану бірінші тә сіл бойынша қ олданылады. Осығ ан байланысты фланецті қ осылыс 2.10-сурет, б ү лгісі бойынша есептеледі жә не мұ нда есептеу тә сілі жең ілдейді.

Мұ ндай жағ дайда Р_тар кү шін тө семені алдын - ала қ ысудың мү мкіндік қ ысымы q бойынша есептейді:

Р_тар = π D_opb_эфq, (2.13)

мұ ндағ ы, D_ор – тө сеніштің орташа диаметрі; b_эф – тө семенің эффективті ені.

Маркасы Ст20 болаттың мү мкіндік қ ысымын 120-130 МПа-ғ а тең етіп қ абылдаймыз, ал коррозиясы бар ортадағ ы жұ мыстар ү шін келесі болат тү рі қ абылданғ ан. Оның маркасы 1Х18Н9, мү мкіндік қ ысымы 170-175МПа.

Жоғ арыда кө рсетілген шпильканы есептеу тә сілін, қ оршағ ан ортаның немесе ө німнің температурасының тез ө згеруі орын алмағ ан кезінде фланецтік қ осылысқ а пайдаланамыз.

Ал пайдалану шарты кү рделі кездерде, мысалы температураның жоғ ары мө лшерде ө згеруі кезінде, қ оршағ ан орта мен ө німнің температураларының айырмашылығ ы ү лкен болғ анда, температураның ә р мезгілдегі ө згерісі, майысу моментінің орын алуы кезінде, шпилькағ а тү сетін кү ш салмақ бойынша ө згеріп тұ рады.

Фланецке тү сетін кү ш, ішкі қ ысымның жә не тарту кү штерінің қ осындысына сә йкес болғ андық тан, келесі формуланы аламыз:

Р_{қ ыс}+Δ P_тар= +π D_opb_эф mp, (2.14)

мұ ндағ ы, Р_{қ ыс} – ішкі қ ысымның р шартты кү ші; Δ Ρ _тар – тартылудың қ алдық кү ші; m=5, 5-6, 5 – тө семенің серпімділігін ескеру коэффициенті.

Арматура арқ ылы жоғ ары температуралық орта ө ткен кезде, фланецқ а қ арағ анда шпильканың жылуберуі қ арқ ынды болады да, оның температурасы фланецтің температурасынан тө мен болып, бұ л айырмашылық қ оршағ ан ортаның тө менгі температураларында айрық ша болады. Демек, шпилькағ а қ осымша кү ш Р_t салуғ а ә келеді де, оның мә ні келесі формуламен анық талады:

P_t= , (2.15)

мұ ндағ ы, Δ t – шпилька жә не фланец температураларының айырмашылығ ы, h_шп – шпильканың созылу ұ зындығ ы; – фланецтің жылулық ұ лғ аю коэффициенті; h_тө – тө семенің биіктігі; Е_шп жә не Е_тө – тө семе мен шпилька материалдарының серпімділік модульдері: f_шп f_тө – тө семе мен шпилька қ ималарының аудандары.

Тө семенің биіктігі былай есептелінеді:

H = h_p + (1-cos α ₁)R₀. (2.16)

Шпилькағ а симметриясыз жү ктемеге байланысты тү сетін қ осымша кү ш былай жазылады:

P= , (2.17)

мұ ндағ ы, М_май – арматура осінен ауырлық ортасына дейінгі манифольд пен арматураның ауырлық тарының майыстыру моменті; Д_б – бұ ранданың астындағ ы фланец тесіктерінің шең берінің диаметрі.

Р кү шін шпилькалар қ осындысының ү штен бірі қ абылдайды деп есептелінеді. Онда шпилькағ а ә сер етуші кү ш, мынағ ан тең болады:

Р_шп = , (2.18)

мұ ндағ ы, z – шпилькалардың саны.

Бұ л шпилькадағ ы кернеу мынағ ан тең: σ _мп = P_шп/f_шп.

Арматураның бұ рандалық немесе шпилькалық қ осылыстарының тарту моменті берілген шамағ а қ атаң тү рде сә йкес болуы шарт.

Арматураның бө лшектерін беріктілікке есептегенде шпильканың, фланецтің, арматураның цилиндрлі жә не тө семе бө лшектерінің беріктілігін ескеру қ ажет.

Фланецті есептеу кезінде оның сығ ылу кү ші, арматурадағ ы қ ысымның жоғ арылауы кезіндегі орын алатын жұ мыстық кү ш, ыстық ортаның ө ту кезіндегі шпилькаларды тарту кү ші мен фланецтың ә ртү рлі температурасындағ ы пайда болатын кү штер жә не арматурағ а бекітілген қ ұ быр салмағ ының ә серінен болатын кү штер анық талады.

Қ ұ бырлар байланысының нығ ыздығ ын қ амтамасыз ету ү шін тө семе белгілі қ ысымда алдын - ала сығ ылуы қ ажет. Қ ажетті сығ у кү шін мына формуламен анық таймыз:

P_сығ =π D_орт b_т q_сығ , (2.19)

мұ ндағ ы, D_орт – тө семенің орташа диаметрі, b_т – тиімді, яғ ни тө семенің тү йісу ұ зындығ ының қ осындысы (сопақ жә не сегізқ ырлы қ има ү шін b_т = b/4); q_сығ – тө семенің сығ ылуына қ ажетті қ ысым (жұ мсақ жез ү шін q_сығ = 160 MПа, жұ мсақ болат ү шін – 250 MПа; 15Х5М типті болат ү шін – 350 MПа; 12Х18Н9Т маркалы болат ү шін – 400 МПа).

Тө семеге тү сетін сығ ылу қ ысымы мү мкіндік кө рсеткіштен тө мен болу керек:

q_сығ ≤ [q].

P_пайд – пайдалану кезіндегі ә сер ететін кү ш, фланецтің ұ лғ аюына ә сер ететін P_қ қ ысымын, байланыстың нығ ыздалуына жеткілікті болатын Δ P_тар тарту кү шін, P_t – ыстық ө ндіру ортасының температурасының ә серінен болатын кү шті жә не P_м – сұ йық ты алып кететін манифольд салмағ ының ә серін ескереді, яғ ни:

P_пайд= P_{қ ыс} + ∆ Р_тар + P_і + 3Р_м^*, (2.20)

мұ ндағ ы, қ ысымның ә серінен болатын кү ш пен тарту кү шінің қ алдық мә ні мына формуламен анық талады:

P_{қ ыс} + ∆ Р_тар= π *D_opт*Р / 4 + π *D_opт*b_{ә сер}*m*P_p, (2.21)

мұ ндағ ы, P_р – арматурадағ ы қ ысым; m – тө семе материалының серпімділік қ асиетіне тә уелді болатын тө семе коэффициенті. (Резина ү шін m=1, 2; паронит ү шін m=1, 6; жез ү шін m=2, 4; жұ мсақ болат ү шін m=2, 7; хромникелді болат ү шін m=3, 2).

Арматураның бу немесе газ, сұ йық тық жә не газ қ оспасымен жұ мыс кезінде формулағ а 2m қ ойылады.

Ыстық ортаны ө ндіру кезінде арматураның металы шпилькаларғ а қ арағ анда кө бірек қ ызады, себебі соң ғ ыларының салқ ындау шарттары жақ сы.

Фланецтарды қ атты, ал шпилькалар мен тө семелерді серпімді деп алып, орын алатын қ осымша жү ктемені анық тайды:

∆ t*h_шα

P_i=,

_{Һ ш Һ ж}

⁺ (2.22)

Е_шΣ f_ш Е_{тө с}Σ f_{тө с}

мұ ндағ ы, Δ t – фланец пен шпилька температураларының айырмашылығ ы, º C; h_ш – шпильканың созылатын бө лігінің ұ зындығ ы; α − шпилька материалының жылулық ұ зару коэффициенті (болат ү шін α = 0, 11*10^-4 1/º C); h − тө семенің жұ мыстық ұ зындығ ы; E_ш, E_{тө с} − шпилька мен тө семе материалының серпімділік модульдері; f_ш − шпильканың кө лденең қ имасының ауданы; f_{тө с} – тө семенің кө лденең қ имасының ауданы.

Тө семенің жұ мыстық биіктігі:

һ _ж=h_п – 0, 22R, (2.23)

мұ ндағ ы, R − тө семенің дө ң ес жерінің радиусы. Манифольдтың сұ йық ә кетілетін қ ұ бырының салмағ ынан туындайтын шпилькалардағ ы кү шті келесі формуламен табамыз:

M_иілу

P_M =, (2.24)

D_орт + D_шп

мұ ндағ ы, Μ _і − манифольд бө лшектерінің салмағ ының ә серінен болатын иілу моментінің қ осындысы; D_ш − шпилькалармен бекітілген аймақ тың диаметрі.

Есептік кү ш P_есеп ретінде P_сығ мен P_пайд кү штерінің ү лкен мә ні таң дап алынады. Ең ү лкен жү ктемесі бар шпилькадағ ы кү ш мына формула арқ ылы анық талады:

Р_есеп

Р_ш =, (2.25)

n

мұ ндағ ы, Р_есеп мә ні ретінде Р_сығ мен Р_пайд кү штерінің ең ү лкені таң дап алынады; n – шпилькалардың саны.

Шпилькадағ ы кернеу:

σ = P_ш /f_ш ≤ σ _а/η, (2.26)

мұ ндағ ы, f_ш – шпилька бұ рандасының ішкі диаметрі бойынша алынғ ан кө лденең қ имасының ауданы; η – қ ор коэффициенті η = 1, 25-1, 6.

Шпильканы кілтпен тарту кезіндегі мү мкіндік моменті:

М_кл=(0, 04-0, 07)σ _аd³, (2.27)

мұ ндағ ы, d – шпилька бұ рандасының сыртқ ы диаметрі; σ _а – шпилька материалының ағ у шегі.

Шпильканың есептік тарту моменті:

М_кл.e=0, 055σ d³. (2.28)

1-мысал. Ст 12x18H9T маркалы болаттан жасалынғ ан қ имасы сопақ ша тө семесі бар фонтанды арматураның фланеціне ә сер ететін пайдалану кү ші мен сығ у кү штерін есептеу қ ажет.

Есептелген кү шке сә йкес Ст 30 маркалы болат материалдан жасалынғ ан (σ _т=300МПа) фланец шпилькасының диаметрін таң дап жә не оның тарту моментін анық тау керек.

Берілгендері:

Фланецтің диаметрі 175 мм;

Шартты диаметрі 50 мм;

Тө семенің ішкі диаметрі 85 мм;

Тө семенің биіктігі 12 мм;

Тө семенің ені 6 мм;

Шпилькалармен бекіту шең берінің диаметрі 135 мм;

Жұ мыстық қ ысым 35 МПа;

Ө ндірілетін сұ йық тың температурасы 30 ⁰С;

Шпилькалар саны 6;

Шпилькалардың жұ мыстық биіктігі 45 мм;

Шпилька резьбасының профилінің биіктігі 1, 5 мм.

Шешімі: Фланецті сығ у кү шін (2.19) формуласымен табамыз. Маркасы ст.12Х189Т болаттан жасалынғ ан тө семе ү шін q_обж=МПа.

Тө семенің орташа диаметрі

;

,

сонда,

.

Пайдалану кү шін анық тау ү шін (2.20) тең деуін қ олданамыз, себебі ө ндірілетін сұ йық тың температурасы 30⁰С-тан аспайды жә не манифольдтің салмағ ы жө нінде мә ліметтер жоқ. Сондық тан аталғ ан формуланың тек бірінші екі мү шелерін ғ ана қ олданып, жұ мыстық қ ысым мен тарту кү шінің ә серін анық таймыз (m=3, 2):

.

Есептік кү ш ретінде анық талғ ан кү штердің ү лкен мә нін таң дап аламыз, демек Р_пайд.

Ең ү лкен кү ш тү сетін шпильканы (2.25) формуласынан табамыз:

.

Қ ор коэффициентін η =1, 5 деп алып шпильканың диаметрін (2.26) формуласымен есептейміз:

.

Шпильканың резьбасының ойығ ы бойынша есептелген диаметр

.

Шпильканың диаметрі:

,

шпилькадағ ы пайда болатын кернеу мә ні:

,

шпильканың резьбасының ойығ ы бойынша анық талғ ан қ имасының ауданы:

.

Шпильканы тарту мү мкіндігінің моменті (1.9) формуласы:

Есептік тарту моментін (2.28) формуласымен:

.

2-мысал. Алдың ғ ы есептің шарты бойынша ұ ң ғ ымағ а ыстық су мен бу берген кездегі фонтанды арматураның фланеціне тү сетін сығ у кү ші мен пайдалану кү штерін есептеу керек. Тө семе жұ мсақ болаттан жасалынғ ан.

Есептелген кү шке байланысты шпильканың материалын таң дап жә не олардың тарту моментін табу керек.

Берілгендері:

Жұ мыстық қ ысым 12 МПа;

Айдалатын қ оспаның температурасы 300 ⁰С;

Шпилькалардың диаметрі 18 мм;

Фланецке тү сетін манифольд бө лігінің салмағ ы 2000 Н;

Манифольд бө лігінің салмақ орталығ ына дейінгі қ ашық тық 2 м.

Шешімі: Фланецті сығ у кү шін (2.19) формуласымен есептейміз. Жұ мсақ болат маркасы ү шін q_обж=250 МПа. Алдың ғ ы есептен D_ор=88 мм, b_эф=1, 5 мм.

.

Жұ мыстық қ ысым мен тарту кү шінің қ алдығ ын (2.21)-ден табамыз (m=2, 7*2=5, 4):

.

Фланец пен шпилька температураларының айырмашылығ ынан туындайтын жү ктемені (2.22) формуласымен анық таймыз жә не бастапқ ы 300˚ С-қ а қ ызу кезіндегі температуралық айырмашылық 20˚ С-ты қ ұ райды.

Шарт бойынша шпильканың тартылатын бө лігінің ұ зындығ ы h_ш=45 мм.

Тө семенің жұ мыстық биіктігі h_ж=12-2=10мм, тө семенің кө лденең қ имасының ауданы:

f_{тө с} = 0, 785(91² - 85²)=829 мм².

Шпильканың кө лденең қ имасының ауданы:

f_ш = 0, 785*18²= 254, 3 мм².

Сонда, температуралық айырмашылық тан туатын жү ктемені мына формула бойынша анық таймыз:

20·45·10^-3·0, 11·10^-4

P_t = =

45·10^-3 10·10^-3

2, 1·10⁵·10⁶·6 · 254, 3·10^{-6 +} 2, 1·10⁵·10⁶·829·10^-6

99, 0·10^-7

= = 50254 H.

1, 14·10^-10+0, 57·10^-10

Манифольдтың бө лігінің салмақ кү шін (2.24) формуласымен анық таймыз. Ондағ ы манифольдтің салмағ ының моменті:

M_иіл =2000·2=4000 H·м.

Алдың ғ ы есептің шарты бойынша Д_б=135 мм. Сонымен:

4000·2

Р_м = = 35874 Н.

(88+135)·10^-3

Пайдалану кү шін (2.20) формуласы бойынша есептейміз:

Р_пайд=99806+50254 +3·35874=257682 Н.

Есептік кү ш ретінде есептелген кү штердің ү лкенін аламыз (Р_пайд мен Р_сығ ).

Ең ү лкен жү ктеме тү сірілетін шпилькағ а жұ мсалынғ ан кү шті (2.25) формуласы бойынша:

Р_б = 257682/ 6 = 42947 Н.

Шпильканың кернеуі (2.26):

σ _б = 42947 / 176, 6∙ 10^-6 = 243, 2∙ 10⁶ Н/м²,

мұ ндағ ы, f′ _б=0, 785(18-3)² = 176, 6 мм².

Анық тамалық кесте бойынша шпильканың материалын таң даймыз. Ол σ _т=360 МПа Ст 35 маркалы болат.

Қ ор коэффициенті

η = 360 / 243= 1, 48

мү мкіндік шегінде жатыр.

Шпильканың шақ тамалық тарту моментін (2.27) формуласынан кө реміз

М_кл=0, 06∙ 360∙ 10⁶∙ 18³∙ 10^-9=39 Н∙ м.

Тартудың есептік моменті (2.28) формуласымен:

М_кл.е=0, 06∙ 243∙ 10⁶∙ 18³∙ 10^-9 =26, 2 Н∙ м.

3-мысал. Фонтанды арматура штуцерінің диаметрін анық тау.

Ү лкен газдық факторы бар фонтанды ұ ң ғ ымалардың ернеулік штуцерінің тесігінің диаметрі Г.Н. Газиевтің эмпириялық формуласы бойынша анық талады:

d =0, 27φ , (2.29)

мұ ндағ ы, φ – газдық фактордың кө леміне тә уелді тә жірибелік коэффициент (φ =1, 0÷ 1, 2 қ абылданады); Q_г – газдың дебиті, м³/тә у; ρ _г – газдың тығ ыздығ ы, кг/м³; Р_е – штуцер алдындағ ы ұ ң ғ ыма ернеуіне тү сетін қ ысым, кг*с/см² (МПа); Р_ш – штуцер қ ысымы, кгс/см²(МПа).

Егер газдық фактор шамалы немесе мү лде жоқ болса, онда штуцердің диаметрін сұ йық тың саптама арқ ылы ағ ып шығ у формуласымен анық тайды:

Q=μ ƒ ,

cонда,

, (2.30)

мұ ндағ ы, Q – сұ йық шығ ыны, м³/с; μ = 0, 7-0, 9 – сұ йық тың тығ ыздығ ына тә уелді шығ ын коэффициенті; ƒ – саптаманың ауданы, м²; g – еркін тү су ү деуі; Н –тегеурін, м.су.бағ.

Газдық факторы 90 м³/т жә не дебиті 100 т/тә у болатын фонтанды ұ ң ғ ыма ү шін штуцердің диаметрін анық тау керек, егер ρ _г =1, 16 кг/м³, ернеуге тү сетін қ ысым 10 МПа, лақ тыру тізбегіндегі қ ысым 2 МПа-ғ а тең болса.

Шешімі. Анық таймыз Q_г = 90*100=9000 м³/тә у. (2.29) формуласымен d-ны табамыз:

d=0, 27· 1 =12, 34 мм.

4-мысал. Ө ндіретін сұ йық дебиті 200 м³/тә у тең болғ анда ұ ң ғ ыма штуцерінің диаметрін табу керек, егер ернеуге тү сетін қ ысым – 3, 5 МПа, ал лақ тыру тізбегіндегі қ ысым 1, 5 МПа болса.

Шешімі. Сұ йық тың секундтық шығ ымын анық таймыз:

Q=200/86400=2, 315· 10^-3 м³/с.

Штуцердегі тегеурін шығ ынын есептейміз:

Н= (Р_е-Р_ш)100=(3, 5-1, 5)100=200 м.су.бағ.

Сонда штуцер тесігінің диаметрін (2.30) формуласымен анық таймыз:

=7, 67· 10^{-3 м.}