Расчет фланцевых соединений металлических дымовых труб

Расчет фланцевых соединений металлических дымовых труб

 

При расчете фланцевых соединений (ФС) следует произвести расчет на:

• прочность болтового соединения фланца;
• прочность поперечного сечения трубы в месте соединения трубы с фланцем на действие продольных сил и изгиб;
• прочность сварного соединения трубы с фланцем.

Толщину фланца следует принимать не менее диаметра болта [2,3].

Используемые в данном расчете  сила N и изгибающий момент М выбираются по результатам прочностных расчетов в ПК ”Лира”, либо рассчитываются вручную, учитывая все виды нагрузок действующих на дымовую трубу.

1. Прочность болтового соединения

Расчетная нагрузка, приходящаяся на один болт, для наиболее нагруженного болта определяется по формуле

,       (1)

где y₁ – расстояние от оси поворота до наиболее удаленного болта в растянутой зоне стыка, м;

y_i – расстояние от оси поворота до i-го болта, при этом учитываются как растянутые, так и сжатые болты, м;

N – расчетная сила с коэффициентом 0,9 [6], действующая на группу болтов, кН;

М – расчетный изгибающий момент с коэффициентом 1,2 [7], действующий на группу болтов, кН·м;

n – количество болтов во ФС, шт.

Болты должны изготавливаться  из высокопрочных материалов, например, 40Х по ГОСТ 22356-77* (см. таблицу 61* [5]).

Площадь сечения одного болта (по резьбе) из условия прочности

,        (2)

где  = 1,05 – для статических нагрузок, = 1,35 – для динамических нагрузок;

 – расчетное сопротивление  болта, МПа (согласно [1]);

 – максимальное усилие, действующее  на отрыв, кН.

 

2. Прочность поперечного сечения трубы в слабом сечении в месте соединения трубы с фланцем на действие продольных сил и изгиб

Условие прочности поперечного сечения трубы производится в ПК Лира 9.4 автоматически по четвертой теории прочности.

Вручную расчет прочности поперечного сечения трубы проще произвести по третьей теории прочности по формуле:

,      (3)

где – максимальное нормальное напряжение в сечении;

N – расчетная сила с коэффициентом 0,9 [6], действующая на поперечное сечение трубы, кН;

М – расчетный изгибающий момент с коэффициентом 1,2 [7], действующий на поперечное сечение трубы, кН·м;

А – площадь поперечного сечения трубы, м;

W – момент сопротивления поперечного сечения трубы, м³;

 – касательное напряжение;

где – статический момент сечения;

 – поперечная сила с коэффициентом 1,2 [7];

 – момент инерции поперечного сечения трубы;

 – толщина стенки трубы.

Подстрочные индексы в  формуле касательного напряжения выставлены относительно осей х и у поперечного  сечения трубы на рисунке 1.

Рисунок 1 – Поперечное сечение трубы

Расчет устойчивости трубы произвести по [1] п. 11.2.

 

3. Расчет прочности сварных швов ФС

Расчет прочности сварных швов следует выполнять в соответствии с [1] главы 14 с учетом глубины проплавления корня шва на 2 мм по трем сечениям (рисунок 2) [2,3]:

по металлу шва (сечение 1)

;      (4)

по металлу границы сплавления (сечение 2)

;        (5)

по металлу границы сплавления с фланцем (сечение 3)

.     (6)

где N – расчетная сила с коэффициентом 1,2 [7], действующая на сварной шов, кН;

 – коэффициенты, принимаемые по таблице 39 [1];

 – расчетная длина шва, принимаемая меньше его полной длины на 10 мм, мм;

 – катет сварного шва, мм;

 – расчетное сопротивление  срезу по металлу шва, выбираем из таблицы 4 [1], МПа;

 – расчетное сопротивление  срезу по металлу границы сплавления, выбираем из таблицы 4 [1], МПа;

 – расчетное сопротивление  растяжению стали в направлении толщины фланца, выбираем из таблицы 2 [1], МПа;

 – коэффициент условия  работы (таблица 1[1]).

 

Рисунок 2 – Расчетные сечения сварного соединения (сварка механизированная)

1 – сечение по металлу  шва; 2 – сечение по металлу границы сплавления; 3 – сечение по металлу границы сплавления с фланцем

 

Список литературы

1. СП 16.13330.2011 Стальные конструкции. Актуализированная редакция СНиП II-23-81*
2. «Рекомендации по расчету, проектированию, изготовлению и монтажу фланцевых соединений стальных строительных конструкций». ВНИПИ "Промстальконструкция" 1989 г.
3. Металлические конструкции. Т.1. Общая часть. Справочник проектировщика. Под ред. В.В. Кузнецова (ЦНИИпроектстальконструкция им. Н.П. Мельникова) – М.: изд-во АСВ, 1998. – 576 стр. с илл.
4. Резьбовые и фланцевые соединения. И.А. Биргер, Г.Б. Иосилевич. – М.: Машиностроение, 1990. – 368 с.: ил.
5. СНиП II-23-81* Стальные конструкции.
6. СП 20.13330.2011 Нагрузки и воздействия. Актуализированная редакция СНиП 2.01.07-85*.
7. ГОСТ Р 54257-2010 Надежность строительных конструкций и оснований. Основные положения и требования.

 

Приложение  А

Пояснения к  расчету фланцевых соединений

Рассмотрим два вида фланцевых  соединений:

- с не контактирующими фланцами (рисунок А.1, а) (применяются в трубопроводах, сосудах, аппаратах и т.д.) с уплотнительным кольцом, герметизирующим стык.

- с контактирующими фланцами (рисунок  А.1, б) без уплотнителя.

Рисунок А.1 Фланцевые  соединения

Для дымовых труб производимых в ООО «АА» есть частный случай – стык с не контактирующими фланцами, но с уплотнителем на всю ширину фланца. Т.е. расчет фланцевого соединения можно свести к расчету контактирующих фланцев, т.к. уплотнитель почти не сжимается.

При расчете таких ФС необходимо произвести расчет на прочность:

- болтового соединения;

- поперечного сечения дымовой  трубы;

- сварного соединения трубы  с фланцем.

Допускается не рассчитывать кольцо фланца на прочность, т.к. при действии на ФС нагрузок превышающих допустимые произойдет разрушение болтового соединения, а не кольца фланца. Рассмотрим это на примере расчета ФС с контактирующими фланцами без уплотнителя [4].

Контактирующие фланцы при расчете рассматриваются как стержни длиной равной ширине фланца, т.е. l (рисунок А.2).

Рисунок А.2 – Расчетные схемы болтового соединения с полосовым стыком

Полная нагрузка на болт Fп (рисунок А.2) определяется силой затяжки Fо (совпадает с направлением Fп, не показана на рисунке А.2) и внешней нагрузкой Fе и Ме. По мере увеличения внешней силы появляется зазор между фланцами (происходит раскрытие фланцев) и повышается полная нагрузка на болт. Т.о. протяженность зоны контакта фланцев сокращается, контакт смещается к ненагруженному краю фланцев, вблизи которого контактные напряжения (Ро) возрастают (см. рисунок А.3). Интенсивное увеличение Fп отмечается лишь в том случае, когда раскрытие стыка переходит ось болта (см. рисунок А.2 контактная нагрузка q(x)). Нагрузка Fп принимает наибольшее значение при полном раскрытии стыка и опирании фланцев по внешнему краю.

Рисунок А.3 – Кривые распределения контактных напряжений на стыке соединения при Fо = 30 кН

Учитывая тот факт, что полное раскрытие фланцев невозможно без  серьезного растяжения или разрушения болта, а также что разрушение фланца происходит в месте слабого сечения соединения трубы с фланцем, принимаем, что при проверке ФС не требуется выполнения расчета полосы фланца. Но следует руководствоваться правилом, что толщина фланца д.б. не менее диаметра болта [2,3]