Предварительная затяжка шпилек для фланцевых соединений
Неправильная затяжка шпилек фланцевых соединений на трубопроводах высокого давления приводит к осевому смещению уплотняемой поверхности фланца. Применение методов последовательной затяжки фланцевого крепежа обеспечивает равномерность обжима стальной уплотнительной прокладки, а следовательно, надёжность и герметичность всего фланцевого соединения.
Дата публикации: 8 февраля 2011
Автор: Дроздов М.В., ООО «Инженерный Союз»
Содержание
Требования к предварительному нагружению крепежных изделий для фланцев
Предварительное нагружение (затяжка) крепёжных деталей необходимо для обеспечения герметичности уплотнительного фланцевого соединения в рабочих условиях.
Для герметизации узлов трубопроводов высокого давления, в основном применяют шпильки для фланцевых соединений, изготавливаемые по ГОСТ 9066-75.
Широкому использованию затворов с этими крепежными деталями способствовало следующее: простота и технологичность в изготовлении; надёжные методы расчета и проектирования; многолетние традиции проектирования и изготовления СВД. Недостатки этих затворов —высокая трудоемкость переборок, связанная с длительностью завинчивания соединяемых резьбовых деталей, а также трудность механизации и автоматизации процесса сборки и разборки затвора из-за большого числа шпилек. Стремление к снижению трудоёмкости процесса переборок и его механизации привело к созданию большого многообразия конструкций специальных устройств для предварительного нагружения (затяжки) шпилек или болтов и гаек.
В процессе затяжки все стальные крепежные детали (шпильки, болты, гайки, шайбы) должны быть нагружены заданным усилием затяжки. При этом усилие должно быть равномерно распределено на все крепежные изделия. При соблюдении данных условий обеспечивается равномерное распределение контактного давления по всей уплотнительной поверхности соединения и шпильки гарантированно защищены от перегрузки.
Применяемые в настоящее время, способы предварительного нагружения крепежных деталей подразделяют на три типа:
- затяжка приложением ударно-вращательных импульсов к гайке;
- затяжка приложением крутящего момента к гайке;
- затяжка приложением осевых усилий к стержню шпильки.
Наиболее широко распространены два последних способа.
Затяжка крепежа приложением крутящего момента
Основные преимущества способа затяжки крепежных деталей приложением крутящего момента заключаются в его универсальности, простоте и высокой производительности. Недостатки — довольно низкий КПД (лишь 10% всей затрачиваемой на затяжку резьбового соединения работы приходится на создание осевой силы) и возникновение в процессе затяжки в шпильке напряжений кручения, снижающих несущую способность резьбовых соединений.
При затяжке соединения момент Мкр, прикладываемый к гайке, расходуется на преодоление трения торца гайки о неподвижную опорную поверхность соединительных деталей трубопровода и трения контактирующих поверхностей витко врезьбы гайки и шпильки:
где Мт — момент трения торца гайки о неподвижную опорную поверхность соединяемых деталей; Мр — крутящий момент в резьбе;
где fТ — коэффициент трения на торце гайки; Q3 — усилие затяжки; RT — условный радиус трения гайки;
где DT — диаметр наружной опорной поверхности гайки; dшб — внутренний диаметр шайбы. Крутящий момент в резьбе
где Р — шаг резьбы; fр — коэффициент трения в резьбе; d2 — средний диаметр резьбы. Для резьбовых соединений при смазывании контактирующих поверхностей индустриальным маслом и отсутствии на них электролитических покрытий fТ = 0,12, fp = 0,20.
Затяжка крепежных деталей приложением осевых усилий к стержню болта или шпильки
От недостатков рассмотренного способа свободен способ затяжки резьбовых соединений приложением осевых усилий к стержню шпильки. Метод заключается в растяжении стержня шпильки специальным устройством (гидродомкратом)с последующим свободным завинчиванием гайки для фиксации стержня шпильки в растянутом состоянии.
Особенность метода состоит в том, что после довертывания гайки без приложения крутящего момента ненагруженными остаются элементы соединения: резьба соединения шпилька — гайка и микронеровности сопряжений гайка — шайба и шайба — фланец. Вследствие этого после снятия растягивающей шпильку нагрузки происходит нагружение этих элементов и их деформация, в результате которой уменьшается остаточное усилие затяжки.
Измерение степени уменьшения усилия в шпильке при помощи коэффициента разгрузки
Степень уменьшения усилия в шпильке оценивают коэффициентом разгрузки. Коэффициент разгрузки шпилек учитывает уменьшение усилия в шпильках при переносе нагрузки на основную гайку после снятия нагрузки нагружающего устройства и равен отношению усилия, растягивающего шпильку, к остаточному усилию в ней.
Последовательность затяжки крепежных изделий в фланцевом соединении
В связи с тем, что при затяжке фланцевого соединения практически нагружается одновременно лишь одна или несколько шпилек (группа шпилек) то необходимо соблюдать определенную последовательность при затяжке каждой шпильки или отдельных групп одновременно затягиваемых шпилек. Соблюдение определенной последовательности при затяжке шпилек обусловлено особенностями затяжки группового резьбового соединения, которые состоят в следующем. Затяжка шпилек фланцевых соединений на трубопроводах высокого давления приводит к осевому смещению уплотняемой поверхности фланца или заглушки вследствие уменьшения линейных размеров уплотнительного кольца в осевомирадиальном направлениях, деформации микронеровностей контактирующих поверхностей, к сжатию материалов фланца корпуса сосуда и крышки в зоне уплотнительных поверхностей и к другим деформациям. В результате этих деформаций происходит осевое перемещение плоскости крышки, на которую опираются гайки основного крепежа.
Последовательное уменьшение силы затяжки фланцевого крепежа
Плоскость фланца или заглушки фланцевой перемещается при затяжке каждой отдельной шпильки или группы шпилек вследствие дополнительной деформации кольцевой уплотнительной фланцевой прокладки при появлении дополнительной нагрузки от вновь нагруженных шпилек. Вследствие этого при затяжке последующих шпилек происходит разгрузка шпилек, затянутых ранее, так как степень их осевой деформации уменьшается на величину очередного осевого перемещения крышки. Величина разгрузки, т.е. уменьшение осевого усилия в стержне шпильки, зависит от соотношения осевых податливостей стягиваемых деталей (уплотнительного кольца, крышки) и шпилек(стержень шпильки, резьба).
Таким образом, текущее усилие нагружения каждой шпильки или группы шпилек должно быть больше усилия, которое данная шпилька или группа шпилек воспринимает в конце процесса затяжки. Текущее значение усилия нагружения следует выбирать так, чтобы после затяжки последней шпильки или группы шпилек расчетным усилием затяжки все остальные шпильки, затянутые ранее соответствующим усилием, превышающим расчетное, разгрузились до расчетного усилия затяжки. В результате должна быть обеспечена заданная равномерная нагрузка на всех шпильках.
Следовательно, понятие «силовой режим затяжки» предусматривает выбор текущих значений усилий нагружения, которые в определенной последовательности прикладывают к каждой нагружаемой группе шпилек за один или несколько следующих один за другим циклов нагружения (обходов)с целью обеспечения равномерного нагружения всех шпилек соединения расчетным усилием затяжки.
Режимы нагружения шпилек фланцевого соединения
Режимы нагружения шпилек фланцевого соединения подразделяют на
- единовременный и
- групповой.
Единовременный режим затяжки фланцевого крепежа
Наиболее быстрым, надежным и идеальным с точки зрения обеспечения точности и равномерности нагружения является метод единовременной затяжки всех шпилек соединения. При этом все шпильки соединения нагружаются одновременно усилиями равных текущих значений.
Групповые методы затяжки шпилек или болтов фланцевых соединений
При невозможности создания единовременного режима нагружения используют групповые режимы. При групповом режиме затяжки все шпильки затворов делят на группы одновременно затягиваемых шпилек . Группы шпилек должны быть равномерно распределены по периметру болтовой окружности. Число шпилек в группе должно быть кратно общему числу шпилек фланцевого соединения.
Групповой режим затяжки может быть
- однообходным и
- многообходным.
Групповой однообходный режим затяжки крепежных изделий фланцевого соединения
При однообходном режиме нагрузку прикладывают последовательно к каждой группе одновременно затягиваемых шпилек только один раз. При этом нагрузка на шпильки каждой группы изменяется от максимальной (для первой группы) до расчетного усилия затяжки (для последней группы). Преимущество такого режима затяжки: сравнительно малая продолжительность процесса затяжки шпилек, а так же более высокая точность нагружения (по сравнению с многообходным режимом), вследствие большого числа обходов и связанных с этим погрешностей нагружения. Основной недостаток — относительно большое усилие нагружения шпилек первой группы по сравнению с усилием нагружения последней группы (нередко различаются в 8-10 раз ).
В связи с указанными недостатками препятствием для использования однообходного режима затяжки могут являться:
- недостаточная мощность нагружающего устройства ;
- недостаточная прочность монтажного хвостовика шпильки , которая должна соответствовать усилию нагружения шпилек первой группы.
Групповой многообходный режим затяжки фланцевых шпилек с гайками
В таком случае применяют многообходный режим групповой затяжки. Этот режим заключается в проведении нескольких, следующих последовательно один за другим обходов нагружения шпилек всех групп соединения. Усилие нагружения шпилек при этих обходах зависит от принятого варианта многообходного режима затяжки. Наиболее распространенный вариант многообходного режима затяжки — пообходно-уравнительный.
Расчет режимов затяжки фланцевых шпилек и гаек
Расчет режимов затяжки шпилек. Единовременный режим затяжки шпилек представляет собой частный случай однообходного группового режима затяжки, при котором число групп шпилек n=1, т.е. все шпильки фланца нагружают одновременно. При однообходном режиме затяжки шпилек текущее усилие нагружения очередной группы шпилек (РД26-01-122-89)
![Q_z = K_z1 Q_n ~ <n alpha + l></p> <p>/»/>, (5)</p> <p>где <em>K</em><sub>z 1</sub> — коэффициент разгрузки шпилек соответствующей группы; <em>Q</em><sub>n</sub> — окончательная сила затяжки шпилек последней группы; <em>n</em> = <em>m</em>/<em>i</em> —число групп шпилек в затворе; <em>m</em> — число шпилек в затворе; <em>i</em> — число одновременно действующих нагружающих устройств (гидродомкратов); <em>z</em> —порядковый номер нагружаемой группыш пилек затвора. Окончательная сила <em>Q</em><sub>n</sub>, приходящаяся на одну группу шпилек в конце процесса затяжки,</p> <p>где <em>Q</em><sub>3</sub> — суммарная сила затяжки всех шпилек затвора.</p> <p>Коэффициент относительной податливости уплотнительной прокладки</p> <p><em>λ</em><sub>0</sub> и <em>λ</em><sub>Ш</sub>(<em>Q</em>) — осевые податливости уплотнительной прокладки и группы шпилек. Текущее значение силы нагружения одной шпильки соответствующей группы</p> <p>Текущее значение силы нагружения одной шпильки первой группы <em>Q’</em><sub>z=1</sub> сравнивают с допускаемой нагрузкой на одну шпильку [<em>Q</em>‘]; при этом должно соблюдаться условие</p> <p>Допускаемую нагрузку на одну шпильку [<em>Q</em>‘] принимают равной меньшему из двух значений:</p> <p>1. из условия обеспечения прочности монтажного участка резьбы шпильки</p> <p>где <em>σ</em> 20 <sub>ТШ</sub> — предел текучести материала шпильки при температуре 20°С; <em>F</em><sub>Ш</sub> -площадь поперечного сечения монтажного участка шпильки;</p> <p>2. или по рабочему усилию нагружающего устройства (гидродомкрата)</p> <div style=](https://www.12821-80.ru/images/tech/85/math_983_272ccb9e50f041963a0dc43b4cff237a.png)
![Q_<z(N)></p> <p> = delim<[> delim < 1 ~ - ~ alpha^N>/ <(1 + (n-1)alpha)^<N-1>(1 + n alpha)> >»/>, (12)</p> <p>где [<em>Q</em>] — допустимая нагрузка на группу шпилек; <em>N</em> — порядковый номер обхода;</p> <p>Необходимое число обходов</p> <p><img decoding=](https://www.12821-80.ru/images/tech/85/math_963.5_091138e27d9a8626a48beb6764b352ec.png)
Коэффициент разгрузки шпилек для фланцевых соединений 
