РД 26.260.011-99

РУКОВОДЯЩИЙ ДОКУМЕНТ

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

РАСЧЕТНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ НОРМ ГЕРМЕТИЧНОСТИ
СОСУДОВ И АППАРАТОВ

ЛИСТ УТВЕРЖДЕНИЯ

РД 26.260.011-99

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

РАСЧЕТНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ НОРМ ГЕРМЕТИЧНОСТИ СОСУДОВ И АППАРАТОВ

Генеральный директор ОАО «ВНИИПТхимнефтеаппаратуры» ________________________	В.А. Панов
Заведующий отделом Стандартизации ______________________________________	В.Н. Заруцкий
Заведующий отделом № 29 _____________________________	С.Я. Лучин
Заведующий лабораторией № 56 ________________________	Л.В. Овчаренко
Руководитель разработки, старший научный сотрудник ___________________________	В.П. Новиков
Инженер-технолог II кат. ______________________________	Н.К. Ламина
Инженер по стандартизации I кат. ______________________	З.А. Лукина
СОГЛАСОВАНО
Заместитель генерального директора по научно-производственной деятельности ОАО «НИИХИММАШ» ____________________________	В.В. Раков

Предисловие

1. РАЗРАБОТАН ОАО «Волгоградский научно-исследовательский и проектный институт технологии химического и нефтяного аппаратостроения» (ОАО «ВНИИПТхимнефтеаппаратуры»).

2. УТВЕРЖДЕН И ВВЕДЕН В ДЕЙСТВИЕ Техническим комитетом № 260 «Оборудование химическое и нефтегазоперерабатывающее» Листом Утверждения от 24 июня 1999 г.

3. ВЗАМЕН «Методики расчетного определения норм герметичности сосудов и аппаратов».

4. ПЕРЕИЗДАНИЕ 2000 г. июль с ИЗМЕНЕНИЕМ № 1, утвержденным Листом Утверждения от 27 июня 2000 г.

РУКОВОДЯЩИЙ ДОКУМЕНТ

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ РАСЧЕТНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ НОРМ ГЕРМЕТИЧНОСТИ СОСУДОВ И АППАРАТОВ

Дата введения 1999-07-01

1. ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ

Настоящий руководящий документ предназначен для установления норм при проектировании и испытаниях на герметичность сосудов и аппаратов, изготавливаемых по ОСТ 26-291 и может быть использован для любого другого оборудования, подконтрольного Госгортехнадзору России, при условии соблюдения требований ПБ 03-108 , ПБ 09-170 , ПБ 10-115 , СНиП 3.05.05 .

2. НОРМАТИВНЫЕ ССЫЛКИ

В настоящем руководящем документе использованы ссылки на следующие стандарты, правила и другие источники:

Одним из основных показателей, определяющих класс опасности вещества по ГОСТ 12.1.007 является его предельно допустимая концентрация в воздухе рабочей зоны, определяемая по ГОСТ 12.1.005 .

3.2. При нормальной работе оборудования и вентиляции содержание вредных веществ в воздухе рабочей зоны должно быть меньше или равно предельно допустимой концентрации этих веществ по ГОСТ 12.1.005 .

При установке технологического оборудования на открытой площадке, что характерно для большинства нефтегазоперерабатывающих предприятий, вентиляция рабочей зоны зависит от атмосферных условий на территории предприятия и физических свойств выделяющегося вредного вещества.

3.3. Норма герметичности сосуда, аппарата в соответствии с ГОСТ 26790 определяется как наибольший суммарный расход вещества через течи, обеспечивающий работоспособное состояние сосуда, аппарата и установленный нормативно-технической документацией на данный сосуд, аппарат.

Норма герметичности измеряется в единицах газового потока:

3.4. При пневмоиспытаниях сосудов, аппаратов и трубопроводов методом падения давления определяется коэффициент негерметичности:

ПДКпр - предельно допустимая концентрация вредного вещества в приточном воздухе, мг/м 3 (не должна превышать 0,3ПДКрз).

4.2. При введении значений из формулы () в формулу () получим формулу для расчета нормы герметичности сосуда, аппарата, установленного в помещении:

Vp з - объем рабочей зоны, м 3 (в соответствии с ГОСТ 12.1.005 высота 2 м, площадь по СН 245 не менее 4,5 м 2 , следовательно объем составляет не менее 9 м 3 , при отсутствии более точных данных).

4.4. С учетом формулы () формула () приобретает следующий вид:

При отсутствии данных о классе герметичности разъемных соединений рекомендуется использовать данные приложения настоящего руководящего документа.

Таблица А.1 - Значения предельно допустимой концентрации вредного вещества в воздухе рабочей зоны в зависимости от класса опасности этого вещества по ГОСТ 12.1.007

В миллиграммах на метр кубический

Класс опасности вредного вещества по ГОСТ 12.1.007	Предельно допустимая концентрация вредного вещества (ПДК) в воздухе рабочей зоны
	менее 0,1
	0,1 - 1,0
	1,1 - 10,0
	более 10
Примечание - Нижней границей класса опасности 1 для расчета нормы герметичности сосуда, аппарата допускается принимать значение 0,01 мг/м 3

Приложение Б

Таблица Б.1 - Значения кратности воздухообмена для производственных помещений

Наименование исходных продуктов, применяемых в производстве или помещении	Кратность воздухообмена, ч -1							Коэффици ент увеличения для горячих продуктов
	при отсутствии сернистых соединений			при наличии сернистых соединений			Склады
	компрессорные	насосные	производствен ные	компрессорные	насосные	производствен ные
Аммиак
Производство ацетальдегида с ртутным катализатором
Бутан, водород, метан, пропан, бутилен, пентан, паральдегид, пропилен, этан, этилбензол, этилен, крекинг-газ, сырая нефть и др. вещества с ПДКрз более 50 мг/м 3
Селективные растворители, эфир, этилированный бензин, дивинилацетат, дихлорстирол, хлористый винил, хлористый метилен и др. вещества с ПДКрз 5 - 50 мг/м 3 включительно
Бром и др. вещества с ПДКрз 0,5 - 5,0 мг/м 3
Хлор, ацетилен и др. вещества с ПДКрз 0,5 мг/м 3 и менее
Азотная, фосфорная и др. кислоты с ПДКрз 10 мг/м 3 и менее
Естественный нефтяной газ
Бензин
Лигроин, моторное топливо, мазут, крекинг-остаток, битум (товарные)
Этиленовая жидкость								при ток душированием рабочих мест
								вы тяжка
Смазочные масла, парафин (при отсутствии растворителей)
Растворы щелочные
Примечания 1. Пользоваться настоящей таблицей следует при отсутствии данных о количестве выделяющегося вредного вещества от оборудования, арматуры, коммуникаций и т.п. 2. Предельно допустимые концентрации вредных веществ в воздухе рабочей зоны (ПДКрз) необходимо принимать по перечню, утвержденному Минздравом и приведенному в санитарных нормах и в ГОСТ 12.1.005 . 3. Указанные кратности воздухообмена учитывают возможность содержания вредных веществ в приточном воздухе не более 0,3 ПДКрз. 4. Сернистыми считаются нефтепродукты и газы с содержанием серы 1 % и более по массе. 5. При температурах нефти, нефтепродуктов и газов выше 60 °C указанные в таблице кратности воздухообмена следует повышать на коэффициенты, приведенные в последней графе. 6. Данные настоящей таблицы полностью соответствуют данным таблицы из Инструкции по проектированию отопления и вентиляции нефтеперерабатывающих и нефтехимических предприятий ВСН 21-77 .

Приложение В

Таблица В.1 - Классы негерметичности уплотнений и соответствующие им удельные утечки *

Класс	Удельная утечка			Критерий качественной (визуальной) оценки	Характерные типы уплотнений
	Q , мм 3 /(м · с)	V , см 2 /м 2	Qs , мм 3 /(м · с)
0 - 0	До 10 -5		До 10 -5	Абсолютная герметичность	Металлические сильфоны, мембраны полимерные
	Св. 10 -5		Св. 10 -5
0 - 1	До 10 -4		До 10 -3
1 - 1	" 10 -4		" 10 -3	Слабый запах, визуально невидимое отпотевание	Мембраны резиновые, рукава УН эластомерные
	" 5 · 10 -4		" 5 · 10 -3
1 - 2	" 5 · 10 -4	До 10 -3	" 5 · 10 -3
	" 5 · 10 -3		" 5 · 10 -2
2 - 1	" 5 · 10 -3	Св. 10 -3	" 5 · 10 -2	Подтекание без каплеобраэования	УН в тяжелых режимах, эластомерные УПС и УВ
	" 5 · 10 -2	до 10 -2	" 5 · 10 -1
2 - 2	" 5 · 10 -2	" 10 -2
	" 5 · 10 -1 -	Капельные утечки	УВ торцевые, УПС и УВ набивные, щелевые компенсированные
4 - 2	" 50 - 5 · 10 2			Частые капли
	" 5 · 10 2			Непрерывные утечки	УПС, УВ бесконтактные
	" 10 3
	" 10 3
Примечание - Для газовых сред вместо Q критерием является удельная утечка Б -14. Всс = 0,1В = 1,36 · 10 -5 , м 3 · Па/с, что также соответствует пятому классу герметичности по ОСТ 26-11 -14. 2. Исходные данные Сосуд предназначен для смеси природных углеводородов с содержанием сероводорода до 25 % (Мр = 16,4) при давлении Рр = 2,5 МПа и температуре 100 °C (373 К) и имеет объем 10 м 3 ; ПДКрз - 3 мг/м 3 , Кг = 1. При установке на открытой площадке норма герметичности сосуда по формуле (): Это соответствует пятому классу герметичности по ОСТ 26-11 -14. Норма герметичности сварных соединений сосуда: Всс = 0,1В = 2,0 · 10 -6 , м 3 · Па/с, что также соответствует пятому классу герметичности по ОСТ 26-11 -14.

CCC Р

РУКОВОДЯЩИЙ ДОКУМЕНТ

СОСУДЫ И АППАРАТЫ.
НОРМЫ И МЕТОДЫ РАСЧЕТА НА ПРОЧНОСТЬ И ГЕРМЕТИЧНОСТЬ ФЛАНЦЕВЫХ СОЕДИНЕНИЙ

РД 26-15-88

Москва 1990

РУКОВОДЯЩИЙ ДОКУМЕНТ

Дата введения 01.07.89

Настоящий руководящий документ устанавливает нормы и методы расчета на прочность и герметичность фланцевых соединений сосудов и аппаратов из стали, работающих в химической, нефтехимической и смежных отраслях промышленности в условиях воздействия статических и повторностатических нагрузок. Допускается применять настоящий РД для расчета фланцевых соединений трубопроводов и штуцеров при условии выполнения п.1.3. Руководящий документ применим при соблюдении требований ОСТ 26-291.

1. ОБЩИЕ ТРЕБОВАНИЯ

1.1. Термины и условные обозначения соответствующих им физических величин приведены в обязательном приложении 1. 1.2. Типы фланцевых соединений приведены на черт. 1-4*. Пределы применения типов фланцевых соединений приведены в справочном приложении 5. *Чертеж не определяет конструкцию. 1.3. Расчетные формулы настоящего стандарта применимы при

И

1.4. Если число циклов нагружения, вызванное сборками-разборками и изменениями режима эксплуатации (давления, температуры), более 1000, то необходимо после проверки прочности фланцев по разделу 8 произвести расчет на малоцикловую прочность по разделу 9. 1.5. Рабочая температура элементов фланцевого соединения определяется на основании теплотехнических расчетов или результатов испытаний. Допускается определять расчетную температуру элементов фланцевого соединения по табл. 1 .

Таблица 1

Тип фланцевого соединения	Изолированные			Неизолированные
	t ф	t к	t б	t ф	t к	t б
Плоские, приварные в стык (черт. 1 , 2)	t					0,95 t
Со свободными кольцами (черт. 3)	t					0,81 t
Фланцы приварные под зажимы (черт. 4)	t					0,55 t

1.6. При работе аппарата в условиях нескольких расчетных режимов по температуре и давлению расчет производится на условия, обеспечивающие прочность и герметичность фланцевого соединения во всех режимах.

2. ДОПУСКАЕМЫЕ НАПРЯЖЕНИЯ

2.1. Допускаемые напряжения для материалов болтов (шпилек) определяются по формулам при условии: а) если расчетная температура не превышает для болтов (шпилек) из углеродистых сталей 380°С, низколегированных сталей - 420°С, аустенитных сталей - 525°С

Б) если расчетная температура болтов (шпилек) превышает указанную в п.а

2.2. Коэффициенты запаса прочности п т, приведены в табл. 2.

Таблица 2

Материал болтов
		Рабочие условия		Условия испытания
		затяжка не контролируется	затяжка контролируется	затяжка не контролируется	затяжка контролируется
Углеродистые стали
Аустенитные стали

2.3. Коэффициент запаса прочности по пределу длительной прочности п D =1,8. Коэффициент запаса прочности по пределу ползучести п п =1,1. 2.4. Допускаемые напряжения для материалов болтов (шпилек) для рабочих условий определяются по табл. 3. 2.5. Допускаемые напряжения для материала фланцев или обечайки при расчете статической прочности: а) для фланцев по черт. 1 в сечении S 1: для рабочих условий и затяжки

Для условий испытания и затяжки

Б) для фланцев по черт. 1, 2, 3 , 4 , 11 в сечении S 0: для рабочих условий и затяжки

Для условий испытания

В) для кольца свободного фланца: для рабочих условий и затяжки

Для условий испытаний

S 0,2 , s в , [ s ] 20 - принимаются по ГОСТ 14249 или другой нормативной документации при расчетной температуре. Расчет фланцевого соединения для условий испытания производить не требуется, если расчетное давление в условиях испытания будет меньше, чем расчетное давление в рабочих условиях, умноженное на 1,35 . Примечания: 1. Для фланцев по черт. 1 допускаемое напряжение в сечении S 1 , для рабочих условий и условий затяжки при расчете с учетом нагрузки от температурных деформаций Q 1 может быть увеличено до 30%. 2. Для фланцев по черт. 3 допускаемое напряжение для свободного кольца при расчете с учетом нагрузки от температурных деформаций Q 1 может быть увеличено на 30%. (Измененная редакция, Изм. № 1)

3. РАСЧЕТ ВСПОМОГАТЕЛЬНЫХ ВЕЛИЧИН

3.1. Эффективная ширина прокладки, мм:

b 0 = b n при b n £ 15 мм

При b n > 15 мм

Для прокладок овального или восьмигранного сечения

3.2. Характеристики прокладки m , q обхв, К , Е п принимаются по табл. 4 . 3.3. Податливость прокладки, мм/Н.

.

Для металлических и асбометаллических прокладок

у n =0.

3.4. Податливость болтов (шпилек) для фланцев по черт. 1 , 2 , 3 , 11 , мм/Н

Где L б = L б 0 +0,28 d - для болта, L б = L б 0 +0,56 d - для шпильки, f б - принимается по табл. 5. 3.5. Податливость зажимов для фланцев по черт. 4, мм/Н

Где l з принимается по ОСТ 26-01-64. 3.6. Параметры фланца* * В случае соединения с разными (по материалам или размерам) фланцами расчет следует производить для каждого фланца. 3.6.1. Эквивалентная толщина втулки, мм

S э =K × S 0 ,

Где K - определяется по черт. 5. Для фланцев по черт. 2, 3 , 4

S э = S 0 .

3.6.2. Коэффициенты

,

Где ; y 1 - определяется по черт. 6. Для крышек сферических неотбортованных

.

3.6.3. Угловая податливость фланца, 1/Н × мм

,

Где y 2 - определяется по черт. 7. Для фланца со сферической неотбортованной крышкой

3.7. Угловая податливость свободного кольца по черт. 3, 1/Н × мм,

Где y к - определяется по черт. 6. 3.8. Угловая податливость плоской крышки, 1/Н × мм,

Где ;

3.9. Угловая податливость фланца, нагруженного внешним изгибающим моментом, 1/Н × мм, для фланцев по черт. 1, 2

;

Для фланца по черт. 3

;

Для свободного кольца

;

3.10. Плечи моментов, мм: для фланцев по черт. 1, 2, 4 *

,

*Для фланцев по черт. 4

;

Для фланцев по черт. 3

,

,

,

4. КОЭФФИЦИЕНТ ЖЕСТКОСТИ ФЛАНЦЕВОГО СОЕДИНЕНИЯ

4.1. Фланцевое соединение, натруженное внутренним или наружным давлением и внешней осевой силой: для соединения по черт. 1, 2, 4

,

Где ; для соединения по черт. 4

Для соединений по черт. 3

Для соединения с крышкой

Где . 4.2. Фланцевое соединение, нагруженное внешним изгибающим моментом,

Где ; для фланцев по черт. 3

.

5. РАСЧЕТ НАГРУЗОК

5.1. Равнодействующая внутреннего давления, Н,

**

**Для условий вакуума или наружного давления Р< 0 5.2. Реакция прокладки в рабочих условиях, Н,

.

5.3. Нагрузка, возникающая от температурных деформаций, Н*: *В случае, если между фланцами зажата трубная решетка или другая деталь, необходимо учесть температурную деформацию этой детали. в соединении по черт. 1, 2

Где - толщина верхнего и нижнего фланца в соединении по черт. 3

Где ; в соединении по черт. 4

Где ; - высота верхнего нижнего упоров в соединении с крышкой

,

Где ; a ф , a к , a кр - определяются по ОСТ 26-11-04-84; a з - определяется по приложению 2. Примечания. 1. При определении нагрузок от температурных деформаций расчетную температуру фланцев, крышки, болтов (шпилек), трубной решетки, свободного кольца следует уменьшить на температуру при которой происходит сборка фланцевого соединения (20°С). 2. Если между фланцами зажата трубная решетка или для снижения нагрузок от температурных деформаций установлены дополнительные шайбы, то при определении l б 0 необходимо учесть их толщины. (Измененная редакция, Изм. № 1). 5.4. Болтовая нагрузка Р б в условиях монтажа принимается большей из следующих значений, Н*, * F <0, если усилие сжимающее. При определении Р б 4 . величина Q t учитывается только при Q t <0, при a <1в расчетах принимается a =1.

;

для фланцев по черт. 1, 2, 3 ;

Для фланцев по черт. 4,

Где B 1 - принимается по табл. 5. Для условий вакуума или наружного давления

Р б =Р б 2.

(Измененная редакция, Изм. № 1). 5.5. Приращение нагрузки в болтах (шпильках) в рабочих условиях, Н,

,

при a <1в расчетах принимается a =1. (Измененная редакция, Изм. № 1).

6. РАСЧЕТ БОЛТОВ (ШПИЛЕК)

6.1. Условия прочности болтов (шпилек)*: *Величина x >1 допускается по согласовании с одним из авторов стандарта. для фланцев по черт. 1, 2, 3

;

**

**Для условий вакуума и наружного давления где x =1,1+1,2; для фланцев по черт. 4

;

.

Примечание - при проверке прочности болтов для рабочих условий с учетом нагрузки на болты от стесненности температурных деформаций допускаемое напряжение может быть увеличено на 30%. (Измененная редакция, Изм. № 1). 6.2. Рекомендуемое значение крутящего момента при затяжке приводится в приложении 3 (рекомендуемое).

7. РАСЧЕТ ПРОКЛАДОК

Условие прочности прокладки проверяется для мягких прокладок

.

8. РАСЧЕТ ФЛАНЦЕВ НА СТАТИЧЕСКУЮ ПРОЧНОСТЬ*

8.1. Угол поворота фланца при затяжке

,

Где M 01 = P б × b . *В случае соединения с разными (по размерам или материалам) фланцами расчет следует производить для каждого фланца. 8.2. Приращение угла поворота фланца в рабочих условиях

Где . 8.3. Меридиональное напряжение в обечайке (втулке) на наружной и внутренней поверхностях при затяжке, МПа: для фланцев по черт. 1 в сечении S 1:

s н = s 1; s 12 =- s 1

Где , Т - определяется по черт. 8, D *= D при D ³ S 1 , D *= D + S 0 при D < S 1 и ¦ >1 , D *= D + S 1 при D < S 1 и ¦ =1 ; для фланцев по черт. 1 в сечении S 0

s 21 = ¦ × s 1 ; s 22 =- ¦ × s 1 ,

Где ¦ - определяется по черт. 9; для фланцев по черт. 2, 3 , 4

s 21 = s 1 ; s 22 =- s 1 ,

Где . 8.4. Приращения меридиональных напряжений в обечайке (втулка) на наружной и внутренней поверхностях в рабочих условиях, МПа: для фланцев по черт. 1 в сечении S 1

D s 11 = D s н + D s 1 ; D s 12 = D s н + D s 1

,

;

В сечении S 0

D s 21 = D s н + ¦ D s 1 ; D s 22 = D s н + ¦ D s 1

;

D s 21 = D s н + D s 1 ; D s 2 2 = D s н + D s 1

8.5. Окружные напряжения в обечайке (втулке) на наружной и внутренней поверхностях при затяжке, МПа: для фланцев по черт. 1 в сечении S 1

Для фланцев по черт. 1 в сечении S 0

D s 23 = 0,3 ¦ × s 1 ; D s 24 = -0,3 ¦ × s 1;

Для фланцев по черт. 2, 3, 4

D s 23 = 0,3 s 1 ; D s 24 = -0,3 s 1;

8.6. Приращения окружных напряжений в обечайке (втулке) на наружной и внутренней поверхностях в рабочих условиях, МПа: для фланцев по черт. 1 в сечении S 1

,

;

В сечении S о

Для фланцев по черт. 2, 3, 4

8.7. Условие прочности фланца при расчете статической прочности: для фланцев по черт. 1 в сечении S 1

при затяжке

в рабочих условиях

Для фланцев по черт. 1, 2, 3 , 4 в сечении S о

при затяжке

;

в рабочих условиях

9. РАСЧЕТ НА МАЛОЦИКЛОВУЮ УСТАЛОСТЬ

9.1. Расчетную амплитуду приведенных условных упругих напряжений при затяжке определяют по формуле

Где для фланцев по черт. 1 a б определяется по черт. 10. для фланцев по черт. 2

s 1 =0,

Для фланцев по черт. 3, 4

s 1 =0,

9.2. Расчетную амплитуду приведенных условных упругих напряжений в рабочих условиях определяют по формуле

Для фланцев по черт. 1

D s 1 = a б × D s 11 ,

Для фланцев по черт. 2

s 1 =0,

Для фланцев по черт. 3, 4

s 1 =0,

9.3. Проверка малоцикловой прочности фланцевого соединения проводится по ГОСТ 25859-83. Для этого по амплитуде напряжений, определенной из условия затяжки ( s a ) по п.9.1, определяется допустимое количество сборок-разборок [ N ] с . По амплитуде напряжений, определенной для рабочих условий () по п.9.2, определяется допустимое число циклов изменения режима эксплуатации [ N ] р . Условие прочности для заданного количества нагружений ( N с , N р ) будет выполняться, если

10. РАСЧЕТ СВОБОДНОГО КОЛЬЦА

10.1. Угол поворота свободного кольца

.

10.2. Кольцевое напряжение в свободном кольце, МПа

.

10.3. Условие прочности

11. ТРЕБОВАНИЯ К ЖЕСТКОСТИ

Допустимый угол поворота для фланцев по черт. 2, 3 , 4:

для рабочих условий и затяжки

Для условий испытаний

Для фланцев по черт. 1:

для рабочих условий и затяжки

0,009 при D £ 2000 мм;

0,013 при D > 2000 мм;

для условий испытаний

0,011 при D £ 2000 мм;

0,015 при D > 2000 мм;

Таблица 3

Несчетная температура, °С	Допускаемое напряжение, МПа, для сталей марок
		12Х18Н10Т, 10Х17Н13М2Т			35Х, 40Х, 38ХА, 37Х12Н8Г8МФБ, 20ХН3А

Продолжение табл. 3

Расчетная температура	Допускаемое напряжение, МПа, для сталей марок
				18Х12ВМБФР			08Х15Н24В4ТР

Таблица 4

Тип и материал прокладки	Коэффициент m	Удельное давление обжатия прокладки q обж , МПа	Допускаемое удельное давление [ q ], МПа	Коэффициент обжатия, K	Условный модуль сжатия Е n × 10 -5 , МПа
Плоская из: резины по ГОСТ 7338 с твердостью по ШОРУ А до 65 единиц					0,3 × 10 -4 ´
резины по ГОСТ 7338 с твердостью по ШОРУ А более 65 единиц					0,4 × 10 -4 ´
паронита по ГОСТ 481 при толщине не больше 2 мм
картона асбестового по ГОСТ 2850 при толщине 1-3 мм
фторопласта-4 ТУ 6-05-810 при толщине 1-3 мм
алюминия марки АД по ГОСТ 21631
латуни марки Л63 по ГОСТ 2208
стали 05кп по ГОСТ 9045
Плоская из:
асбеста по ГОСТ 2850
в оболочке из алюминия,
меди и латуни
стали 05КП
стали типа 12Х18Н10Т
Кольцо с овальным или восьмигранным сечением из:
стали 0,5КП по ГОСТ 9045 или 08Х13 по ГОСТ 5632
стали 08Х18Н10Т

*Для сред с высокой проникающей способностью (водород, гелий, легкие нефтепродукты, сжиженные газы и т.п.) q обж = 35,0 МПа.

Таблица 5

Диаметр болта d , мм
Площадь поперечного сечения болта по внутреннему диаметру резьбы* f б , мм 2
Нагрузочная способность зажима В n Н
Высота упора h 2 , мм

*В случая применения шпилек с проточкой стержня до диаметра, меньшего внутреннего диаметра резьбы, значение площади поперечного сечения определяется по диаметру проточки.

12. РАСЧЕТ ФЛАНЦЕВЫХ СОЕДИНЕНИЙ С КОНТАКТИРУЮЩИМИ ФЛАНЦАМИ

12.1. Общие требования. 12.1.1. Термины и условные обозначения соответствующих им физических величин приведены в обязательном приложении 1. 12.1.2. Типы фланцевых соединений приведены на черт. 11. Пределы применения указанных типов фланцевых соединений приведены в справочном приложении 5. 12.1.3. Пределы применения расчетных формул настоящего раздела должны соответствовать п.1.3. 12.1.4. Расчетная температура элементов фланцевого соединения устанавливается в соответствии с п.1.5. 12.2. Допускаемые напряжения. 12.2.1. Допускаемые напряжения для материала болтов определяют по п. 2.1 с увеличением на 25%. 12.2.2. Допускаемые напряжения для материала фланца при расчете статической прочности определяются по п.2.5. 12.3. Расчет вспомогательных величин. 12.3.1. Эффективная ширина и характеристики прокладки определяются по пп. 3.1; 3.2. 12.3.2. Податливость контактных поясов прокладки, мм/Н

12.3.3. Расчетная длина и податливость болтов (шпилек) определяются по п.3.4. 12.3.4. Параметры фланца. 12.3.4.1. Угловая податливость фланца определяется по п.3.6. 12.3.5. Угловая податливость плоской крышки определяется по п.3.8. Угловая податливость крышки сферической неотбортованной определяется по п.3.6.3. 12.3.6. Плечи моментов, мм:

;

;

.

12.3.7. Коэффициенты:

;

Чертеж не определяет конструкцию

Ориентировочные значения h 1 , a 1 , a 2 принимаются по табл. 6:

;

;

;

;

Где Для фланцев по черт. 11а

Для фланцев по черт. 11б

Таблица 6

D

12.4. Расчет нагрузок 12.4.1. Равнодействующая внутреннего давления, Н

12.4.2. Нагрузки в элементах соединения, возникающие от температурных деформаций

12.4.3. Болтовая нагрузка в условиях монтажа принимается большей из следующих значений, Н:

.

12.4.4. Приращение нагрузки в болтах (шпильках) в рабочих условиях, Н

.

12.4.5. Реакция контактных поясов прокладки в рабочих условиях, Н:

;

.

12.4.6. Максимальный изгибающий момент принимается большим, Н × мм:

;

Где [ s ] 20 , [ s ] - принимаются по ОСТ 26-11-04. 12.5. Расчет болтов (шпилек) 12.5.1. Условия прочности болтов (шпилек) и величина крутящего момента на ключе определяются по п.6. 12.6. Условие прочности прокладки

.

12.7. Условие герметичности

.

12.8. Расчет фланца 12.8.1. Меридиональное напряжение в обечайке (втулке), МПа

,

Где коэффициент Т определяется по черт. 8. 12.8.2. Окружное напряжение в обечайке (втулке), МПа

.

12.8.3. Условие прочности обечайки

.

ПРИЛОЖЕНИЕ 1

Обязательное

Термины и обозначения

Таблица 7

	Обозначение
Ширина прокладки, мм	b n
Нагрузочная способность зажима, Н	B 1
Прибавка для компенсации коррозии, мм	C
Внутренний диаметр фланца, мм
Внутренний диаметр свободного кольца, мм	D к
Наружный диаметр фланца, мм	D н
Наружный диаметр свободного кольца, мм	D нк
Диаметр окружности расположения болтов (шпилек), мм	D б
Средний диаметр прокладки, мм	D сп
Наружный диаметр болта (шпилька), м<	d
Модуль продольной упругости материала при температуре 20°С и расчетной, МПа, принимается по ГОСТ 14249:
фланца	Е 20 , Е
болтов (шпилек)	Е 20 б , Е б
свободного кольца.	Е 20 к , Е к
крышки	Е 20 кр , Е кр
Условный модуль сжатия материала прокладки, МПа
Внешняя осевая сила (сжимающая со знаком минус),Н	F
Площадь поперечного сечения болта (шпильки) по внутреннему диаметру резьбы, мм 2	f б
Толщина фланца, свободного кольца, мм	h , h к
Высота упора, принимается по ОСТ 26-01-64, мм	h 1
Высота бурта для опирания зажима, мм	h 2
Толщина крышки и фланцевой части в зоне уплотнения, мм	h кр , s кр
Толщина прокладки, мм	h п
Длина конической втулки, мм	L
Внешний изгибающий момент, Н × мм	M
Радиус сферы сферической неотбортованной крышки, мм	R c
Радиус бурта для опирания зажима, принимается по ОСТ 26-01-64, мм	R
Расчетное давление, МПа
Толщина конической втулки в месте соединения с
фланцем	S 1
обечайкой, втулкой, днищем, мм	S 0
Толщина обечайки, днища, втулки, мм	S 0
Расстояние между опорными поверхностями гайки и головки болта, шпильки, мм	L б 0
Число болтов (шпилек), шт	n
Расчетная температура, °С
фланца, крышки	t ф
болтов (шпилек)
свободного кольца	t к
Температурный коэффициент линейного расширения материала, 1/°С
фланца	a ф
болтов (шпилек)	a б
свободного кольца	a к
крышки	a кр
Предел текучести материала болтов (шпилек) при расчетной температуре, МПа	s т
Среднее значение предела длительной прочности за 10 5 ч при расчетной температуре, МПа	s д × 10 5
Средний 1%-ный предел ползучести за 10 5 ч при расчетной температуре, МПа	s 1% × 10 5
Допускаемое напряжение материала болтов (шпилек) при температуре 20°С и расчетной, МПа	[ s ] 20 б, [ s ] б
Предел текучести материала фланца, МПа	s 0,2
Допускаемое напряжение материала фланца при температуре 20°С и расчетной, МПа	[ s ] 20 , [ s ]
Допускаемое напряжение материала свободного кольца при расчетной температуре, МПа	[ s ] к
Допускаемые напряжения для фланцев в сечениях S 1 и S 0	[ s ] S 1 , [ s ] S 0
Расчетная и допускаемая амплитуда условных упругих напряжений, МПа	s а , [ s а ]
Заданное и допускаемое число циклов нагружения	N , [ N ]

ПРИЛОЖЕНИЕ 2

Коэффициенты линейного расширения

Таблица 8

Марки стали	Коэффициент линейного расширения a × 10 6 , 1/°С в зависимости от температуры, °С
35
40
20Х13
14Х17Н2
35Х 40Х 38 ХА
20XH3A
30XMA
25Х1МФ
25Х2М1Ф
18Х12ВМБФР
37Х12Н8Г8МФБ
12Х18Н10Т 10Х17Н13М2Т
45Х14Н14В2М
ХН35ВТ
08Х15Н24В4

(Измененная редакция, Изм. № 1).

ПРИЛОЖЕНИЕ 3

Крутящий момент на ключе при затяжке

ПРИЛОЖЕНИЕ 4

Справочное

Пример расчета фланцевого соединения

Исходные данные: D = 400 мм, h = 300 мм, f = 200°С, E 20 = 1,99 × 10 5 МПа; D н = 535 мм, h п = 2 мм, P = 0,6 МПа, Е = 1,81 × 10 5 МПа; D б = 495 мм, S 0 = 8 мм, М = 0,83 × 10 7 Н × мм, = 2,1 × 10 5 МПа; D сп = 445 мм, d = 20 мм, F = 15000 Н, Е б = 2,01 d 10 5 МПа; b п = 12 мм, n = 20, с = 2 мм, a ф = 12,6 × 10 -6 1/°С; a б = 11,9 × 10 -6 1/°С Материал фланцев - сталь 20К. Материал болтов - сталь 35. Материал прокладки - паронит ПОН.

1. Расчет вспомогательных величин

1.1. Эффективная ширина прокладки

b o = b n = 12 мм.

1.2. Характеристики прокладки, принимаются по табл. 4: m = 2.5; q обж = 20 МПа; К = 0,9; Е n = 2 × 10 3 МПа. 1.3. Податливость прокладки

1.4. Податливость болтов

Где f б = 225 мм 2 принимается по табл. 5. 1.5. Параметры фланца 1.5.1. Эквивалентная толщина втулки

S о = S o = 8 мм.

1.5.2. Коэффициенты

y 1 = 0,16 определяется по черт. 6;

1.5.3. Угловая податливость фланца

Где y 2 = 6,9 определяется по черт. 7. 1.6. Угловая податливость фланца, нагруженного внешним изгибающим моментом,

1.7. Плечи момента:

b = 0,5(D б -D сп ) = 0,5(495 - 445) = 25 мм;

e = 0,5( D сп - D - S э ) = 0.5(445 - 400 - 8) = 18,5 мм.

2. Коэффициент жесткости фланцевого соединения

2.1. Фланцевое соединение, нагруженное внутренним давлением и внешней осевой силой:

2.2. Фланцевое соединение, нагруженное внешним изгибающим моментом:

=

;

3. Расчет нагрузок

3.1. Равнодействующая внутреннего давления

Q д = 0.785 × D 2 сп × P = 0,785 × 445 2 × 0,6 = 93270,0 Н.

3.2. Реакция прокладки в рабочих условиях

R n = p × D сп × b о × m × P = 3,14 × 445 × 12 × 2,5 × 0,6 = 25151,4 Н.

3.3. Нагрузка, возникающая от температурных деформаций

В условиях монтажа принимается большей из следующих значений:

P б1 =0,5 × p × D сп × b э × q обж =0,5 × 3,14 × 445 × 12 × 20=167676,0 H

P б1 =0,4 × × п × f б =0,4 × 130 × 20 × 225=234000,0 H .

3.5. Приращение нагрузки в болтах в рабочих условиях

4. Расчет болтов

Где принимается по табл. 3,

5. Расчет прокладок

;

[ q ] = 130 МПа, принимается по тaбл. 4;

6. Расчет фланца

6.1. Угол поворота фланца при затяжке:

6.2. Приращение угла поворота фланца в рабочих условиях:

6.3. Меридиональные напряжения в обечайке на наружной и внутренней поверхностях при затяжке, МПа

Где Т = 1,78 - принимается по черт. 8;

s 21 = 353,6 МПа; s 22 = -353,6 МПа.

6.4. Приращения меридиональных напряжений в обечайке на наружной и внутренней поверхностях в рабочих условиях:

D s 21 = D s н + D s 1 = 24,3 + 104 = 128,3 МПа;

D s 22 = D s н - D s 1 = 24,3 + 104 = 128,3 МПа;

6.5. Окружные напряжения в обечайке на наружной внутренней поверхностях при затяжке, МПа:

s 23 = 0,3 × s 1 = 0,3 × 353,6 = 106,1 МПа;

s 24 = -0,3 × s 1 = -0,3 × 356,6 = -106,1 МПа.

s s 0 = 425,6 МПа < 491 МПа.

Уровень напряженного состояния не превышает допускаемый.

7. Требование к жесткости

q + D q £ ,

0,0040 + 0,0012 = 0,0052<0,013.

ПРИЛОЖЕНИЕ 5

Пределы применения типов фланцевых соединений

Фланцы плоские (черт. 2), со свободном кольцом (черт. 3), с зажимами (черт. 4) рекомендуется применять при температуре среды до 300°С. Фланцы с гладкой уплотнительной поверхностью рекомендуются для условных давлений среды до 1,6 МПа. Фланцы с уплотнительной поверхностью выступ-впадина рекомендуются для условных давлений среды более 1,6 МПа. Фланцы с уплотнительной поверхностью «шип-ваз» рекомендуются для прокладок, которые необходимо помещать в замкнутый объем. Фланцы с уплотнительной поверхностью под металлическую прокладку овального или восьмигранного сеченая рекомендуются для условных давлений среды более 6,0 МПа. Фланцы контактирующие (черт. 11) рекомендуются для условных давлений до 0,6 МПа и вакуума с остаточным давлением не ниже 5 мм рт.ст. (0,005 МПа ост.) при температуре до плюс 300°С.

Параметры фланцевого соединения, мм	Типы фланцев
	Приварные встык (черт. 1)	Плоские (черт. 2)	Свободные (черт. 3)	Примечание
1. Толщина обечайки (втулки)	S = S 0 +1,3 S , но не во всех случаях	S 0 ³ S		S - толщина обечайки, к которой приваривается фланец; b принимается по черт. 13
	S 0 -S × 5 мм
	S 1 = b S 0
2. Длина конической втулки t				i = 1:3 уклон втулки
3. Диаметр болтовой окружности	D б ³ D + 2(S 1 + d + u )	D б ³ D +2(2S 1 +d × u )	D б >D к +8(d +u 1)	u = 6 мм u 1 = 8 мм
D б	D б = ε 1 × D 0,931			ε 1 принимается по табл. 11 d принимается по табл. 13
4. Наружный диаметр фланца D н	D н ³ D б +а			а принимается по табл. 13
5. Наружный диаметр прокладки D s	D s = D б - e		D s £ D s 1	е принимается по табл. 13
6. Средний диаметр прокладки D сп	D сп = D s - b			b принимается по табл. 14
7. Число болтов n				t 1 принимается по табл. 12
8. Ориентировочная толщина фланца h				l 1 принимается по черт. 14 S 0 принимается по п.3.6.1

2 - для фланцев по черт. 1

Таблица 11

Безразмерный параметр ε 1 в зависимости от Р у

Таблица 13

Вспомогательные величины d , a и е для болтов (шпилек)

Р у , МПа	Диаметры болтов (шпилек) для аппаратов, мм

Диаметр болта d б

Диаметр отверстия под болт d

Для гаек шестигранных

Для гаек шестигранных с уменьшенным размером под ключ

Для плоских прокладок

Для прокладок овального или восьмиугольного сечения

Таблица 14

Размеры прокладок

Материал прокладки	Диаметр аппарата, мм	Ширина прокладки, мм
Плоские неметаллические прокладки	D £ 1000
	1000 < D £ 2000
	D > 2000
Плоские металлические прокладки	D £ 1000
	D > 1000
Плоские прокладки в металлической оболочке и зубчатые металлические прокладки	D £ 1600
	D > 1600
Овального или восьмиугольного сечения прокладки для Р у ³ 6,3 МПа	D £ 600
	600 < D £ 800
	800 < D £ 1000
	1000 < D £ 1600

Продолжение таблицы*

Материал прокладки	Диаметр аппарата, мм	Ширина прокладки, мм	Толщина прокладки, мм
ТРГ «Графлек c) не армированная с абтюретором	400< D £ 600
	600 £ D <1000
	1000 £ D <1500
	400 £ D <600
ТРГ «Графлек c) армированная с абтюретором	400 £ D <600
	600 £ D <1000

* Размеры прокладок приняты по техническим условиям, разработанными НПО «УНИХИМТЕК.(Измененная редакция, Изм. № 1).

Приложение 6

(Обязательное)

НОРМЫ И МЕТОДЫ РАСЧЕТА НА ПРОЧНОСТЬ И ГЕРМЕТИЧНОСТЬ ФЛАНЦЕВЫХ СОЕДИНЕНИЙ С ПРОКЛАДКАМИ ИЗ ТЕРМОРАСШИРЕННОГО ГРАФИТОВОГО МАТЕРИАЛА «ГРАФЛЕКС»

1. Настоящее приложение распространяется на расчет фланцевых соединений с уплотнительными поверхностями «шип-паз» с прокладками из ТРГ«ГРАФЛЕКС».2. Характеристики прокладок из ТРГ «ГРАФЛЕКС»* m , q обж ,.[ q ], приведены в табл. Модуль упругости прокладки E п = 11,1 q , где - удельное давление на прокладку при затяжке, МПа.3. Коэффициент жесткости фланцевого соединения a определяется в соответствии с п. 4.1.В связи с тем, что модуль упругости прокладки зависит от удельного давления на прокладку ( q ), то при определении a податливость прокладки определяется методом последовательных приближений следующем путем:Предварительно определяется удельное давление на прокладку при затяжке по формуле: Р б - болтовое усилие для условий монтажа, определяемое по п.5.4.При определении Р б - коэффициент в первом приближении принимается равным единице.Затем по формуле E п = 11,1 q определяется модуль упругости и по п. 3.3 податливость прокладки.Если a получится больше единицы, то необходимо определить болтовое усилие Р б1 , по п.5.4. с полученным коэффициентом a и повторить определение q и Е . После этого вновь определить коэффициент a . *Примечание. Характеристики прокладок представлены НПО «УНИХИМТЕК Если при первом приближении коэффициент a получится меньше единицы, то при расчете фланцевых соединений коэффициент a принимается равным единице и дальнейшие приближения по определению a не требуются.

Тип и материал прокладки	Коэффициент m	Удельное давление обжатия прокладки q обж , МПа	Допускаемое удельное давление [ q ], МПа
Прокладка ТРГ неармированная с обтюратором
Прокладка ТРГ армированная без обтюратора			120 при t =2 мм*) 100 при t =3 мм*)
Прокладка ТРГ армированная с обтюратором
*) толщина прокладки в свободном состоянии

ИНФОРМАЦИОННЫЕ ДАННЫЕ

1. РАЗРАБОТАН НИИхиммашем, Укрниихиммашем, ВНИИнефтемашем ИСПОЛНИТЕЛИ: Рачков В.И., к.т.н.; Зусмановская С.И., к.т.н.; Гапонова Л.П.; Смольский К.В., к.т.н.; Заваров В.А.; Морозов В.Г.; Перцев Л.П., д.т.н.; Голубова Т.П.; Мамонтов Г.В., к.т.н.; Зейде И.Е.; Вольфсон Б.С. 2. УТВЕРЖДЕН И ВВЕДЕН В ДЕЙСТВИЕ листом утверждения Главного научно технического управления от 29.11.88 г. 3. ВЗАМЕН ОСТ 26-373-78, ОСТ 26-01-396-78, ОСТ 26-01-54-77. 4. ССЫЛОЧНЫЕ НОРМАТИВНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ДОКУМЕНТЫ

	Номер пункта, подпункта, перечисления, приложения
ГОСТ 481-80
ГОСТ 2208-75
ГОСТ 2850-80
ГОСТ 5632-72
ГОСТ 7338-77.
ГОСТ 9045-80
ГОСТ 14249-80	Приложение 1
ГОСТ 21631-76
ГОСТ 25859-83
ОСТ 26-01-64-83	Приложение 1
ОСТ 26-11-04-84	2.5, 5.3, 12.4.6
ОСТ 26-291-87	Вводная часть
ТУ6-05-810-76

1. Общие требования. 1 2. Допускаемые напряжения. 3 3. Расчет вспомогательных величин. 4 4. Коэффициент жесткости фланцевого соединения. 6 5. Расчет нагрузок. 7 6. Расчет болтов (шпилек) 8 7. Расчет прокладок. 9 8. Расчет фланцев на статическую прочность* . 9 9. Расчет на малоцикловую усталость. 11 10. Расчет свободного кольца. 12 11. Требования к жесткости. 12 12. Расчет фланцевых соединений с контактирующими фланцами. 16 Приложение 1 Термины и обозначения. 20 Приложение 2 Коэффициенты линейного расширения. 21 Приложение 3 Крутящий момент на ключе при затяжке. 21 Приложение 4 Пример расчета фланцевого соединения. 22 Приложение 5 Пределы применения типов фланцевых соединений. 26 Приложение 6 Нормы и методы расчета на прочность и герметичность фланцевых соединений с прокладками из терморасширенного графитового материала « графлекс» . 29

В.Т. Барченко, М.Л. Виноградов

Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет "ЛЭТИ" (СПбГЭТУ), ул. Профессора Попова, 5, Санкт-Петербург, 197376, Россия, , Этот адрес электронной почты защищен от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.

В данной статье приводится методика определения нормы герметичности для вакууммируемого изделия и расчета временной зависимости изменения давления в устройстве при наличии течи. Представлено соотношение потоков течи по гелию и герметичности для различных типов проникающих веществ. Показаны новинки проборов для организации контроля герметичности на предприятиях.

Портативный гелиевый течеискатель обеспечивает достоверную регистрацию потока гелия вплоть до 1 . 10 -7 Па. м 3 /с (7,6 . 10 -4 л. мкм рт. ст./с).

Как и крупногабаритные стационарные течеискатели, переносной течеискатель имеет функцию обнуления фона, которая служит для привязки концентрации гелия в помещении к нулю, и позволяет проводить контроль герметичности независимо от постоянного уровня гелия вблизи объекта.

Рассмотрим график статистического распределения течей, выявляемых при работе с гелиевыми течеискателями . На график, приведенный на рисунке 2, наложены диапазоны чувствительности портативного течеискателя в профессиональном и стандартном исполнениях.

Рисунок 2. Статистическое распределение количества обнаруживаемых течей различных потоков

Анализ данного статистического распределения позволяет сделать вывод, что в диапазон чувствительности портативного гелиевого течеискателя попадает абсолютное большинство реальных сквозных течей, которые необходимо обнаруживать при контроле герметичности.

Течи потоком 10 -9 мм рт.ст. . л/с и менее обусловлены, прежде всего:

o проницаемостью вакуумных уплотнений,

o газовой диффузией и проводимостью через материалы изделий (например, через полимеры),

o десорбцией и испарением с внутренних стенок изделия.

Натекания, обусловленные перечисленными причинами, следует предотвращать на этапе разработки конструкции и выбора материалов изделий, а также путем проведения подготовки изделия к испытаниям по методикам, описанным в . При дальнейших испытаниях на герметичность, течи потоком 7,5 . 10 -7 мм рт. ст. . л/с и более могут быть обнаружены с помощью портативного гелиевого течеискателя.

Манометрический течеискатель для интегрального контроля герметичности

Манометрический течеискатель – автоматический течеискатель для контроля герметичности изделий, обеспечивающий измерение общего натекания до 10 -4 Па. м 3 /с и выше.

Течеискатель снабжен двумя типами датчиков: давления и потока газа. Вакуумная система течеискателя построена таким образом, что возможно реализовать манометрический, вакуумметрический методы контроля герметичности, а также течеискание по измерению расхода газа.

Рисунок 3. Течеискатели: а – портативный гелиевый, б – манометрический

Принципы обнаружения течи, реализованные в данном приборе, делятся на два типа.

1) Течеискание по росту или падению давления. Манометрический и вакуумметрический методы применяются для определения суммарной утечки. Манометрический метод подходит для замкнутых конструкций, в которых можно создать давление выше атмосферного. Вакуумметрический – для замкнутых конструкций, в которых можно создать вакуум.

Принцип расчета потока течи основан на контроле скорости изменения давления в объекте контроля. В приборе установлен эталонный герметичный объем, отделенный от измеряемого объекта чувствительной к перепаду давления мембраной. Способ течеискания по измерению дифференциального давления заключается в том, что и объект, и эталонный объем откачиваются или заполняются газом до одинакового давления.

При наличии течи в испытуемом объекте, баланс давлений нарушается и мембрана, разделяющая объемы, деформируется. По изменению емкости конденсатора, одной обкладкой которого служит указанная мембрана, производится насчет величины течи в испытуемом объекте.

2) Течеискание по измерению расхода газа.Прибор измеряет количество воздуха, который проникает в объект в случае наличия течи. Испытания проводятся с помощью датчика расхода газа. Прибор калибруется с помощью контрольной течи, устанавливаемой специальный порт течеискателя, и внешнего измерителя расхода газа.

Литература

1. Локтев И.И. / Контроль крупных и мелких течей в тепловыделяющих элементах // Вакуумная техника и технология, том 10, №3, 2000

2. The US Particle Accelerator School Vacuum Fundamentals, Lou Bertolini, Lawrence Livermore National Laboratory, January 19, 2004

3. ОСТ 5.0170-81. Контроль неразрушающий. Металлические конструкции. Газовые и жидкостные методы контроля герметичности.

4. ПНАЭ Г-7-019-89. Унифицированная методика контроля основных материалов (полуфабрикатов), сварных соединений и наплавки оборудования, и трубопроводов АЭУ. Контроль герметичности. Газовые и жидкостные методы.

При анализе работоспособности различных изделий в химической или нефтегазовой отраслях промышленности возникают задачи исследования герметичности уплотнительных элементов. В данной статье рассмотрен подход к численному моделированию герметичности уплотнительного кольца с помощью метода конечных элементов.

Для обеспечения герметичности конструкций часто используются уплотнительные кольца, например, они устанавливаются в местах соединений деталей трубопроводов. Уплотнительные элементы зачастую изготавливают из гиперупругих материалов , например, из резины. Такие материалы при больших деформациях демонстрируют упругое поведение, то есть их напряженно-деформированное состояние зависит только от актуального состояния тела, при этом и напряжения, и деформации выражаются через потенциальную энергию упругой деформации. Вид функции потенциальной энергии задается при выборе той или иной модели материала при расчете. Существуют различные модели: полиномиальная, Муни-Ривлина, нео-Гуковская и другие, все указанные модели представлены в конечно-элементном пакете ANSYS, который используется для расчета. Диаграмма деформирования таких материалов является существенно нелинейной, на рисунке 1 показан пример зависимости напряжений от деформаций для гиперупругого материала.

Рисунок 1 – Пример диаграммы деформирования для гиперупругого материала

Для определения параметров моделей проводятся натурные испытания. Обычно используются следующие эксперименты: одноосное растяжение/сжатие, двухосное растяжение/сжатие, плоское растяжение/сжатие, объемное растяжение/сжатие. Полученные экспериментальные данные в виде зависимости инженерных напряжений от инженерных деформаций могут быть обработаны внутренними инструментами ANSYS, например, Curve Fitting Tool. Данный инструмент позволяет методом наименьших квадратов вычислить параметры, необходимые для аппроксимации диаграммы деформирования для определения функции потенциальной энергии упругой деформации.

После выбора и калибровки модели материала для уплотнителя производится расчет герметичности. При эксплуатации изделия, герметичность которого необходимо обеспечить, уплотнитель находится в сжатом состоянии. Это состояние зачастую достигается за счет предварительного поджатия уплотнительного элемента. Стоит отметить, что так как при сжатии свойства материала уплотнителя существенно нелинейные, то именно поэтому необходимо использовать нелинейные модели.

В качестве примера рассмотрена задача исследования герметичности уплотнительного кольца, установленного в специальный паз в стальной детали. В начальном состоянии высота уплотнителя больше высоты паза для последующего создания поджатия в нем. Задача рассматривается в двухмерной осесимметричной постановке. На рисунке 2 показано поперечное сечение уплотнителя, слева располагается внутренняя часть уплотнителя, справа – внешняя.

Рисунок 2 – Поперечное сечение уплотнителя

Расчет герметичности проводится в статической постановке с двумя шагами нагружения. На первом шаге осуществляется усадка уплотнителя между металлическими поверхностями паза, то есть решается контактная задача. На втором шаге задается воздействие среды (например, жидкости) на уплотнитель. Для этого используется инструмент Fluid Pressure.

Нагрузка типа Fluid Pressure моделирует действие жидкости или газа, которые окружают исследуемое тело и могут проникать между контактирующими телами. Данную нагрузку можно задать как между деформируемыми телами, так и между твердым и деформируемым. Постановка задачи может быть двухмерной и трехмерной.

Область приложения нагрузки определяется в процессе расчета на каждой итерации. В начале итерации алгоритм определяет стартовые точки, к которым прикладывается нагрузка. Для первой итерации стартовые точки задает пользователь. Затем определяются точки, в которых выполнен критерий проникновения, и к ним прикладывается давление жидкости, а их ближайшие к этим точкам узлы становятся стартовыми точками для следующей итерации, этот процесс повторяется до окончания расчета. При этом всегда строится связная область, содержащая стартовую точку, поэтому, например, если на исследуемом теле есть поверхность с открытым статусом контакта, но на этой поверхности нет стартовых точек, то нагрузка к ней приложена не будет.

Для определения области приложения нагрузки используется критерий проникновения. Возможны два вида критерия:

Статус контакта – в случае открытого статуса контакта происходит проникновение жидкости;

Контактное давление – если контактное давление между исследуемыми телами ниже указанного пользователем, то происходит проникновение жидкости; допускаемое давление можно определить в виде таблично заданной функции в зависимости от шага нагружения.

В рассматриваемой задаче на внутреннюю полость уплотнителя попадает жидкость под давлением равным 5 МПа, поэтому в качестве стартовой точки выбран узел в левой части уплотнителя. На рисунке 3 показано распределение давления жидкости на уплотнитель, полученное при использовании Fluid Pressure.

Рисунок 3 – Распределение давления жидкости, МПа

По распределению давления видно, что жидкость приложена только с внутренней стороны уплотнителя, то есть протекания не происходит, и герметичность обеспечена.

При анализе работоспособности изделия можно добавить дополнительные расчетные шаги для учета нагрузок, действующих на конструкцию, а также можно модифицировать критерий проникновения для учета постепенно изменяющегося напора среды.