Карта сайта
Огнезащита объектов
Герметизация оборудования
Общее
Научные публикации XXI века


Схема проезда

+7 (495) 939-35-92
+7 (495) 939-33-16

Публикации

Методика расчета фланцевого соединения с уплотинтельной прокладкой из терморасширенного графита

В.В. Авдеев, д-р хим. наук,
Е.Л. Ильин, канд. техн. наук,
Г.А. Уланов (НПО УНИХИМТЕК);
В.К. Погодин, д-р техн. наук (ОАО "ИркутскНИИхиммаш");
В.Д. Продан, д-р техн. наук (МГУИЭ).

Терморасширенный графит (ТРГ) какуплотнительный материал находит широкое применение в виде фланцевых прокладок и сальниковых набивок для герметизации разъемных соединений оборудования химической, нефтегазовой, энергетической и других отраслей промышленности. Этот материал не подвержен старению, сохраняет в течение длительного времени (под давлением до 220 МПа и при температуре 1000°С и более) упругие свойства, устойчив против воздействия многих агрессивных сред.


Рис.1 Зависимость плотности ρ
ТРГ типа ГРАФЛЕКС от удельной нагрузки сжатия q

Для ТРГ типа ГРАФЛЕКС экспериментально получена зависимость (рис. 1) плотности рк от удельной нагрузки qк при ограничении поперечной деформации опытных образцов. С достаточной для практического применения точностью

(1)
где b = 8,5 МПа.

Зависимость изменения плотности от нагрузки qк до полной разгрузки можно представить выражением
(2)
где b1 = 3,63 МПа.

Остаточная деформация
(3)
где hн, hо - толщина прокладки начальная и после снятия нагрузки qк.

Из условия постоянства массы прокладки, используя выражение (1) при qк = 0 и ρк = ρо, получим
(4)

С учетом графической зависимости ρ = f(q) и выражений (1)-(4) были получены необходимые расчетные параметры материала фланцевой прокладки: модули упругости прокладки при ее сжатии и восстановлении (E1 и E1p) и условные модули, учитывающие упругую и пластическую деформацию прокладки при ее сжатии (Eп) и остаточную деформацию прокладки после полного сятия нагрузки (Eост):

(5)
(6)
(7)
где pн - начальная плотность (до нагружения).

Как показали расчеты и эксперементальные исследования, прокладки из ТРГ имеют довольно высокую деформируемость. Для ограничения осевой деформации прокладки при затяжке крепежных элементов соединения, а также при наличии циклически изменяющихся нагрузок целесообразно выполнить уплотнительный узел, содержащий прокладку с размещенным параллельно ей более жестким опорным элементом [3].

Рассмотрим особенности расчета и конструирования такого уплотнительного узла. Предполагается, что разъемное соединение содержит стандартные фланцы или фланцы, выполненные на основании их расчетов на прочность и жесткость по существующим методикам.

Зависимость нагрузки Fп на уплотнительный узел от давления p уплотняемой среды [4] имеет вид
(8)
где Pб - усилие затяжки крепежных болтов (исходная нагрузка на уплотнительный узел); α = ΣYб/(ΣYб+ΣYп) - коэффициент жесткости соединения; ΣYб, ΣYп - суммы коэффициентов осевой податливости элементов соединения, нагрузка на которые с увеличением давления уплотняемой среды соответственно увеличивается и уменьшается.

Осевая сила давления уплотняемой среды
(9)

Значение Di - диаметра площади действия давления уплотняемой среды - зависит от вида этой среды (газ или жидкость) и от твердости материала прокладки. Принимается Dср≥Di≥d2 [4-6], где Dср, d2 - средний и внутренний диаметры прокладки.

При использовании опорного элемента нагрузки на прокладку и опорный элемент можно записать согласно выражению (8):
(10)
где W1, W2 - площадь соответственно прокладки и опорного элемента; q1, q2 - удельная нагрузка соответственно на прокладку и опорный элемент. Далее нижние индексы 1 и 2 также относятся соответственно к прокладке и опорному элементу.

Исходная толщина прокладки h1 должна быть больше исходной толщины опорного элемента h2:
(11)

В процессе предварительной затяжки крепежных элементов прокладка деформируется на величину Δh и только после этого опорный элемент начинает воспринимать болтовую нагрузку до завершения затяжки болтов. С увеличением давления уплотняемой среды начинается разгрузка уплотнительного узла согласно выражению (8), но интенсивность изменения нагрузки на прокладку и опорный элемент зависит от их осевой жесткости.

Предельные (расчетные) значения нагрузок на элементы уплотнительного узла в рабочем состоянии:
(12)
где m - прокладочный коэффициент, определяющий степень герметичности соединения.


Рис.2 Эксперементальная модель соединения

Условия (12) обеспечиваются только при определенном соотношении исходных значений h1 и h2 (рис.2) и конкетном значении Pб.

Под действием усилия затяжки крепежных болтов
(13)
опорный элемент сжимается на величину
(14)
прокладка на величину
(15)
где E - модуль упругости материала опорного элемента при сжатии.

После преобразования с использований выражений (14) и (15) получим
(16)

Снижение нагрузки на прокладочный узел при увеличении давления уплотняемой среды составляет
(17)

Поскольку интерсивность восстановления прокладки и опорного элемента при увеличении давления уплотняемой среды одинакова, то
(18)

Из формул (17) и (18) следует
(19)
где e = Y1(Y1+Y2)

Учитывая равенство деформаций опорного элемента и прокладки в процессе их восстановления (при q2 > 0), можно записать e = W2E/(W2E + W1E1p).

При q2 = 0 с использованием выражения (19) получим
(20)

Снижение нагрузки на прокладку ΔF1, учитывая выражения (17)-(19), определяется по формуле
(21)

Нагрузка на прокладку в рабочих условиях

Удельная нагрузка на прокладку после затяжки крепежных болтов
(22)

Требуемое усилие затяжки крепежных элементов находим согласно выражениям (13), (20) и (22)

Необходимую разность исходных толщин прокладки и опорного элемента получим, используя выражения (11), (16), (20) и (22):

Площадь опорного элемента определяется из условия его прочности при максимальной нагрузке q (20):

где [σ]2 — допускаемое напряжение для материала опорного элемента.

Для проверки полученных аналитических выражений были проведены экспериментальные исследования уплотнительных узлов с прокладками из ТРГ типа ГРАФЛЕКС на стендах ОАО "ИркутскНИИ-химмаш", оснащенных гидропрессом. В программу исследований входила, в частности, оценка деформации прокладки и опорного элемента в процессе их предварительного нагружения и при увеличении во внутренней полости соединения давления уплотняемой среды. В качестве объекта исследования выбрано фланцевое соединение Dy = 250 мм по ГОСТ 12815-88.

Опорный элемент — стальное кольцо, размещенное внутри прокладки. Геометрические параметры уплотнительного узла (см. рис. 2): d1 = 264 мм, d2 = 291 мм, d3 = 313 мм, h1 = 2,45 мм, h2 = 2,035 мм (средние значения четырех измерений); Δh = 0,415 мм.

Максимальное усилие предварительного нагружения уплотнительного узла Рб = 306 кН, максимальное давление уплотняемой среды (азот) р = 3,8 МПа.

Согласно экспериментальной зависимости Рб = f(Δh) опорный элемент вступает в контакт с фланцами при Рб 98,1 кН (наблюдается резкий перелом графической зависимости). При этом прокладка сжата на Δh = 0,35 мм при q 9,4 МПа.

При Рб < 98,1 кН вся нагрузка воспринимается прокладкой, при Рб ≥ 98,1 кН — опорным элементом и прокладкой. При максимальном значении Рб = 306 кН удельная нагрузка на опорный элемент q = 17,6 МПа.

Удельная нагрузка на прокладку, при которой она сожмется на Δh = 0,415 мм, q = ΔhEп/h1.

При Еп = 65,9 МПа (экспериментальное значение) и h1 = 2,45 мм q = 11,6 МПа. Согласно выражению (6) при qк = 11,6 МПа Еп = 66,06 МПа.

Усилие предварительного нагружения прокладки [с учетом выражения (13) при q = 0]

При W1 = 0,01043 м² Pб = 120,9 кН. При дальнейшем увеличении Pб начинается нагружение опорного элемента. При этом деформации прокладки и опорного элемента одинаковы. Увеличение нагрузки на прокладку согласно уравнению (17)

При W2 = 0,01176 м², Eп = 66,06 МПа ΔF = 3×10-4ΔF. Следовательно, нагрузка на прокладку практически не увеличивается, и всю дополнительную нагрузку (сверх 120,9 кН) воспринимает опорный элемент.

Удельная нагрузка на опорный элемент

В процессе эксперимента при максимальном значении Рб = 306 кН во внутренней полости соединения ступенчато увеличивали давление газообразного азота до 3,8 МПа.


Рис. 3. Сравнение результатов расчета (7) и эксперимента(2):
——— - прокладка; - - - - - опорный элемент

Опорный элемент полностью разгрузился при давлении 2,94 МПа. После этого началась разгрузка прокладки.

Как следует из уравнения (21), падение нагрузки на прокладку

Так как торцовое уплотнение нагружается гидравлическим прессом, то α = 1,0. По выражению (9) при Di = d2 = 0,291 м Fг = 0,0665р. По выражению (5) при qк = 11,6 МПа E = 71,1 МПа. При Е= 2×105 МПа (сталь) выражения (10) e = 0,999. Окончательно Δq = 0,00 18p МПа.

Падение нагрузки на опорный элемент с учетом выражения (19)
(23)

Опорный элемент разгрузится полностью при Δq = 17,6 МПа, при этом р = 3,1 МПа (см. выражение (23)). Прокладка при р = 3,1 МПа разгрузится всего на 0,0056 МПа.

При дальнейшем увеличении давления уплотняемой среды падение нагрузки на прокладку составит
(24)

Прокладка полностью разгрузится при Δq = 11,6 МПа и р = 4,9 МПа (согласно выражению (24)). Расчетная и экспериментальная графические зависимости изменения удельных нагрузок на прокладку и опорный элемент от усилия предварительного нагружения Рб и давления уплотняемой среды р представлена на рис. 3.

Остаточная деформация прокладки после завершения эксперимента была определена по выражению Δhп=qкh1/Eост и равна 0, 14 мм.

Значение Eост существенно зависит от первоначальной плотности рн материала прокладки. Так, при qк = 11,6 МПа и рн = 1,0 г/см&sub3; Eост = 60 МПа и Δhп = 0,47 мм; при рн = 1,22 г/см&sub3; Eост = 71,9 МПа и Δhп = 0,039 мм. Следовательно, можно предположить, что действительная начальная плотность материала прокладки составляет 1,17 г/см&sub3;.

При отсутствии опорного элемента для создания требуемой нагрузки на прокладку q = 11,6 МПа при давлении уплотняемой среды р = 3,1 МПа потребовалась бы первоначальная нагрузка q = 30,7 МПа. При этом деформация прокладки Δh = 0,82 мм, а остаточная деформация Δhп = 0,49 мм. Усилие предварительной нагрузки Рб = 320 кН (против 306 кН при наличии опорного элемента).

Выводы:

  • сравнение результатов эксперимента и расчета показало их удовлетворительную сходимость, что дает основание использовать аналитические зависимости при расчете и проектировании разъемных фланцевых соединений с прокладкой из ТРГ типа ГРАФЛЕКС с размещенным параллельно ей опорным элементом;
  • представленный аналитический материал может быть применен и при расчете подобных фланцевых соединений с прокладками, выполненными из других материалов (при известных физико-механических характеристиках);
  • учитывая высокую эффективность разъемных соединений с опорным элементом, размещенным параллельно уплотнительной прокладке, для обеспечения условий их широкого применения необходима разработка нормативных документов по расчету и проектированию этих разъемных соединений. 

Список литературы

  1. РД 153-34. 1-39.605-02. Общие требования и указания по применению уплотнений из терморасширенного графита в арматуре ТЭС. М.: НПО УНИХИМТЕК, 2002. 32 с.
  2. РД 0154-06-01. Уплотнительные прокладки из терморасширенного графита (ПУТГ) до 20 МПа и 600°С. Типы и размеры. Общие технические требования. Иркутск: ИркутскНИИхим-маш, 2001. 28 с.
  3. Калабеков И.Г., Божко Г.В., Продан В.Д. Герметичное фланцевое соединение с параллельным включением уплотнительного элемента// Химическое и нефтяное машиностроение. 1991. № 6. С. 22-23.
  4. Продан В.Д. Техника герметизации разъемных неподвижных соединений. М.: Машиностроение, 1991. 160 с.
  5. Панкратов В.В., Продан В.Д., Румянцев О.В. Определение площади действия давления в плоском упругом стыке// Машиноведение. 1972. № 2. С. 100-104.
  6. Карасев Л.П., Ротнищая Л.Г. Экспериментальное исследование изменений усилий во фланцевом соединении под действием внешних нагрузок//Химическое машиностроение. 1964. № 1. С. 21-28.
Copyright 2006 Унихимтек
Все права защищены
Контактная информация
Политика конфиденциальности

Создание сайта
H3 Creative Group