Определение расчетного усилия и проверка на прочность резьбовых элементов
На рис. 5.7 [32] демонстрируется схема определения нагрузок, действующих на фланцевое соединение при затяжке болтов (шпилек).
Суммарное расчетное усилие А[расдля типа уплотнений по рис. 5.7, б равно [32]:
где Д/дав — нагрузка от внутреннего давления, разжимающая фланцы; Nrep — усилие, необходимое для поддержания герметичности соединения в условиях эксплуатации; Nt — усилие, сформированное при тепловом расширении деталей арматуры (подача в скважину теплоносителей или отбор пластовой продукции с высокой температурой и т. д.; детали арматуры и прокладки расширяются обычно больше, чем шпильки); iVMaH — усилие от веса боковых отводов, запорной арматуры, отводящих манифольдов и др., воспринимаемое обычно 1/3 всех шпилек фланцевого соединения; А/щП — расчетное усилие, действующее на каждую шпильку (болт); z — количество шпилек в фланцевом соединении.
Сумму (Д[дав + iVrep) называют эксплуатационной нагрузкой.
Нагрузку от действия внутреннего давления определяют по формуле:
где Рраб — рабочее давление, Па; Dcp — средний диаметр уплотнения, т. е. диаметр окружности, по которому фланцы взаимодействуют с уплотнением, м.
При проверочных расчетах величина Dcp (см. рис. 5.7) определяется из предварительной конструкции фланцевого соединения, а после прочностного расчета принимается окончательное решение по величине Dcp. Для предварительного выбора величину Dcp можно определить из зависимости:
где dB — внутренний (проходной) диаметр фланцевого соединения, м; В — параметр, учитывающий конструктивное выполнение уплотнительного соединения, определяемый из зависимости: В ~ ~ (3 -г- 4)-10-2 м; ЬЭф — эффективная ширина прокладки (ширина уплотняющего пояска), м, определяемая для плоских и овальных прокладок следующим образом [32]:
- — если плоская прокладка имеет ширину Ьпр < 10 мм, то Ъэф - Ьпр;
- — если плоская прокладка имеет ширину Ьпр > 10 мм, то Ъэф равно:
— для уплотнительного кольца, имеющего форму овала, Ъэф = = 0,125-Ьпр [19].
Усилие Nrep затяжки болтов для сохранения герметичности фланцевого соединения определяют по формуле [32]:
где т — коэффициент герметичности, зависящий от материала прокладки. Величина коэффициента т назначается в соответствии с рекомендациями табл. 5.7.
Если фланцевое соединение предназначено для работы с газовой средой или со средой «жидкость + газ», то коэффициент герметичности назначается 2т [32].
Фланцевые соединения, работающие при высоких давлениях, должны обеспечить усилие iVrep, превышающее усилие от внутреннего давления. Для этих условий значение коэффициента т, зависящее от упругих свойств материала прокладки, назначается для мягких сталей т = 5,5, а для более твердых сталей т = 6,5.
Фланцы, цилиндрическая часть соединений, а также уплотнительные элементы нагреваются от рабочей среды (пластовой продукции или закачиваемых технологических сред), проходящей по внутреннему диаметру. Температура болтов (шпилек) будет ниже, так как условия теплоотвода от них лучше, температурное расширение их будет меньше, и шпильки будут нагружаться дополнительными растягивающими усилиями.
Нагрузка Nt, сформированная температурными удлинениями (расширениями), может достигать значительных величин и определяется по формуле [32]:
где At — разность температур фланца и болтов (шпилек), °С, принимаемая обычно At ~ 7 % от температуры рабочей среды; h6 — длина болтов, подверженная растяжению, м; hnp — высота прокладки, м; Е6 и Епр — модули упругости материала болтов и прокладки, Па; 2/б — сумма площадей поперечного сечения болтов фланцевого соединения, м2; /пр — площадь прокладки, взаимодействующая с фланцем, м2; а — коэффициент теплового расширения фланца, °С—1, (а * 1,2 -ь 1,5-10-5 °С-1).
Длину растягиваемой части болтов (шпилек) можно определить из зависимости [18]:
где Н0 — толщина фланцев.
Манифольды, запорная и регулировочная арматура, входящая в состав устьевого оборудования, имеют значительную массу. В ряде случаев указанное оборудование не имеет своей надежной опоры, и часть его массы формирует изгибающие моменты, отрицательно влияющие на надежность фланцевого соединения.
Усилие NMaH от изгибающего момента рассчитывается по формуле [32]:
где Мизг — изгибающим момент, равный произведению массы ма- нифольда (задвижек, отводов и т. д.) на плечо (расстояние от оси фланцевого соединения до центра тяжести манифольда), Н-м; Дб — диаметр окружности центров болтовых отверстий, м.
Таким образом, действующее напряжение ашп в наиболее нагруженной шпильке (болте) равно:
где z — количество шпилек (болтов) ;/шп — площадь поперечного сечения одной шпильки, м2, равная:
где dBp — внутренний диаметр резьбы, м.
Наружный диаметр dHp метрических резьб, определяется из стандартов на резьбы при выбранном шаге резьбы. Для метрических резьб с профилем угла 60° при известном dBp можно приближенно определить <Знр по формуле:
где S — шаг резьбы, назначаемый из стандартного ряда метрических резьб.
Внутренний диаметр резьбы болта (шпильки) равен:
где Npac — расчетное усилие, определяемое по формуле (5.32), Н; ат — предел текучести материала, из которого изготовлен болт, Па; z — количество шпилек, назначаемое конструктором; п — коэффициент запаса прочности, принимаемый п = 3 -ь 5 [10].
Условие прочности резьбовых элементов имеет вид:
где ашп — действующее напряжение, определяемое по (5.40), МПа; [о] — допускаемое напряжение, МПа.
При невыполнении условий (5.40) и (5.44) следует или изменять количество шпилек, или применять материал с более высокими значениями ат.
