Приложение 5 (рекомендуемое). Расчет типовых узлов деталей и конструкций

ПРИЛОЖЕНИЕ 5
(рекомендуемое)

Расчет типовых узлов деталей и конструкций

1. Основные положения

Настоящее приложение содержит рекомендуемые методы определения напряжений в трубопроводах и разъемных соединениях сосудов.

Выбор основных размеров элементов конструкции (толщин стенок) проводят по формулам разд. 3 Норм.

Расчет выполняют для режимов эксплуатации и на основные расчетные нагрузки, указанные в пп. 5.1.3; 5.1.4 Норм.

Формулы для расчета напряжений, приведенные в настоящем приложении, не исключают возможности использования для расчета конструкций более точных формул и соотношений.

2. Трубопроводы

2.1. Условные обозначения

	-	номинальный наружный диаметр поперечного сечения трубы, мм
D	-	внутренний диаметр , мм
s	-	номинальная толщина стенки трубы, мм
r	-	средний радиус поперечного сечения , мм
R	-	радиус оси криволинейной трубы, мм
a	-	эллиптичность (овальность) поперечного сечения (отношение разности максимального и минимального наружных диаметров сечения к их полусумме), %
	-	площадь поперечного сечения трубы,
W	-	момент сопротивления изгибу поперечного сечения трубы,
	-	безразмерный геометрический параметр
p	-	расчетное внутреннее давление в трубопроводе, МПа
, ,	-	изгибающие и крутящий моменты в сечении трубопровода,
	-	осевая сила в сечении трубопровода от действия массовой нагрузки и самокомпенсации температурных расширений, Н
	-	безразмерный параметр внутреннего давления
E	-	модуль упругости материала, МПа
	-	коэффициент податливости криволинейной трубы, учитывающий влияние внутреннего давления (отношение податливостей на изгиб криволинейной и прямолинейной труб одинакового сечения и из одинакового материала)
	-	коэффициент податливости криволинейной трубы, учитывающий влияние внутреннего давления и сопряжения с прямолинейными трубами
	-	коэффициент интенсификации изгибных поперечных напряжений в криволинейной трубе
	-	коэффициент интенсификации изгибных продольных напряжений в криволинейной трубе
,	-	продольные напряжения, возникающие под действием изгибающего момента и осевой силы, МПа
	-	окружное (тангенциальное) напряжение в стенке трубы, МПа
	-	осевое (продольное) напряжение в стенке трубы, МПа
	-	радиальное напряжение в стенке трубы, МПа
	-	напряжение кручения, МПа
, ,	-	температурные напряжения, МПа
, , ,	-	приведенные напряжения, МПа
	-	номинальное допускаемое напряжение, МПа
	-	коэффициент снижения прочности сварного шва
	-	коэффициент концентрации тангенциальных напряжений
	-	коэффициент местных изгибных напряжений в трубе от воздействия штуцера.

2.2. Общие положения

2.2.1. Данный раздел распространяется на расчет низкотемпературных и высокотемпературных трубопроводов АЭС. К классу низкотемпературных трубопроводов относятся трубопроводы из углеродистых, легированных, кремнемарганцовистых и высокохромистых сталей, из сталей аустенитного класса, жаропрочных хромомолибденованадиевых сталей, железоникелевых сплавов и циркониевых сплавов с расчетной температурой не более . К классу высокотемпературных трубопроводов относятся трубопроводы с более высокой расчетной температурой, превышающей температуру (п. 3.2 Норм).

2.2.2. При определении приведенных напряжений различных категорий следует учитывать нагрузки согласно пп. 5.1.3 Норм.

2.2.3. Внутренние усилия в трубопроводе определяют с учетом всех влияющих факторов, в том числе с учетом сил трения, возникающих в опорах скольжения, а также от отклонения подвесок от вертикального положения.

2.2.4. Наличие двух знаков (плюс, минус) перед слагаемым в приводимых формулах означает, что расчет приведенных напряжений с использованием данной формулы выполняют как при принятии знака плюс, так и при принятии знака минус. Для оценки прочности берется большее значение приведенного напряжения.

2.2.5. Пониженную жесткость криволинейного отрезка на изгиб учитывают в расчете введением для него коэффициента податливости. Последний учитывает деформирование (сплющивание) поперечного сечения и определяется согласно разд. 2.5.

2.2.6. Допускается определять напряжения в криволинейной трубе по методике разд. 2.8.

2.2.7. Допускается определять напряжения в тройниковом соединении по методике разд. 2.9.

2.3. Низкотемпературные трубопроводы

2.3.1. Определение напряжений .

2.3.1.1. Для прямолинейных и криволинейных труб составляющие напряженного состояния определяют по формулам

,

где ;

,

где ;

; .

Значение коэффициента снижения прочности принимают согласно п. 4.3 Норм.

Сила считается положительной, если вызывает растяжение трубы.

2.3.1.2. Для криволинейных труб, геометрический параметр которых удовлетворяет условию , дополнительно к определению приведенного напряжения при использовании формул п. 2.3.1.1 вычисляют приведенное напряжение по формуле

.

Величины и определяют по табл. П5.1 и П5.2, применяя способ линейной интерполяции.

Таблица П5.1. Значения коэффициента

	1,0	0,98	0,94	0,88	0,79	0,68	0,50	0,30	0,10
	0	0,2	0,4	0,6	0,8	1,0	1,2	1,4	1,6

Таблица П5.2. Значения коэффициента 

	18	10	6	3	2	1,7	1,0	0,65
	0	0,05	0,1	0,2	0,3	0,4	0,9	1,6

2.3.1.3. Для тройникового узла напряжение вычисляют для трех сечений: А-А, Б-Б, В-В (рис. П5.1). Ниже приведены формулы для подсчета составляющих напряженного состояния:

для сечений А-А и В-В

;

;

для сечения Б-Б

;

.

Напряжения , , , в указанных сечениях определяют по формулам п. 2.3.1.1. Продольное напряжение в трубе определяют по формуле

.

Силовые факторы , , считаются положительными, если направлены так, как показано на рис. П5.2. Угол Ф определяет положение штуцера (рис. П5.1).

Продольное напряжение в штуцере вычисляют по формуле

,

где входящие в формулу величины относятся к сечению штуцера в месте стыковки с трубой.

Коэффициент местных напряжений определяют согласно разд. 2.7.

2.3.2. Определение напряжения .

2.3.2.1. Для прямолинейных и криволинейных труб с определяют составляющие напряженного состояния для наружной поверхности по формулам

;

;

; .

2.3.2.2. Для криволинейных труб с определяют напряжение по следующим четырем формулам:

;

;

;

.

Для оценки прочности берется большее из четырех значений.

Коэффициенты и определяют по разд. 2.6. Напряжения и определяют по формулам п. 2.3.1.1. Коэффициент B вычисляют по формуле

.

2.3.2.3. Для тройникового узла производят расчет напряжений по формулам:

для сечений А-А и В-В (рис. П5.1)

;

;

для сечения Б-Б

;

.

Радиальное напряжение принимают . Величины , , , , подсчитывают по тем же формулам, что и в п. 2.3.1.3, но при . Определение - см. разд. 2.7.

Коэффициент концентрации тангенциальных напряжений на кромке отверстия определяют по формуле

.

2.3.2.4. В местах сопряжения элементов с различными толщинами стенок или с неодинаковыми теплофизическими характеристиками учитывают размахи общих температурных напряжений, обусловленных осевым перепадом температуры (напряжение ).

Напряжение определяют по формуле

,

где y - расстояние от середины стенки до нормали; T(y) - температура стенки; - коэффициент линейного расширения материала стенки; - средний по толщине модуль упругости.

Индексы I и II используются для обозначения сопрягаемых элементов.

Толщину стенки следует принимать максимальной в пределах расстояния от сечения, разделяющего элементы I и II. Значение коэффициента f определяют линейным интерполированием по следующим значениям табл. П5.3.

Таблица П5.3. Значения коэффициентов f

	0	0,2	0,4	0,6	0,8	1,0
f	1,80	1,35	0,71	0,35	0,15	0

2.3.2.5. Размах напряжений определяют суммированием:

,

где - размах приведенного напряжения, вычисленный без учета температурных составляющих от неравномерности температурного поля в стенке.

2.3.3. Определение напряжений .

2.3.3.1. Для прямолинейных и криволинейных труб с определяют составляющие напряженного состояния (амплитудные значения) по формулам

;

;

; .

Формулу для определения - см. п. 2.3.1.1.

2.3.3.2. Для криволинейных труб вычисляют напряжение по формулам

;

;

;

.

Для оценки прочности берут большее из четырех значений. Величину определяют по формуле

,

где - коэффициент, учитывающий отличие действительной формы искажения поперечного сечения от идеально эллиптической. Следует принимать .

Положительное направление изгибающих моментов указано на рис. П5.3.

Коэффициенты и определяют по разд. 2.6. Напряжения , подсчитывают по формулам п. 2.3.1.1. Коэффициент B определяют по п. 2.3.2.2.

2.3.3.3. Для тройникового узла определяют составляющие напряженного состояния (амплитудные значения) по следующим формулам:

для сечений А-А и В-В (см. рис. П5.1)

;

;

для сечений Б-Б

;

.

Напряжение кручения определяют по формуле п. 2.3.1.1, но с уменьшением в 2 раза. Радиальное напряжение . Величины , , , , , определяют таким же образом, как требуется согласно п. 2.3.2.3.

2.3.3.4. Определяют размах полного максимального температурного напряжения от перепада температуры по толщине стенки [напряжение ] и напряжение от осевого перепада температуры. Вычисление производят по аналитической или численной методике, а вычисление - по формуле п. 2.3.2.4.

2.3.3.5. Напряжение для цикла нагружения каждого вида допускается определять суммированием по формуле

,

где - амплитуда приведенного напряжения, вычисленная без учета температурных составляющих от неравномерности температурного поля в стенке.

2.3.4. Критерии прочности.

Проверку прочности по категориям напряжений , проводят по разд. 5.4 Норм. Проверку прочности по категориям напряжений производят по разд. 5.6 Норм.

2.4. Высокотемпературные трубопроводы

2.4.1. Определение напряжений , , .

2.4.1.1. При определении приведенного напряжения осевое напряжение вычисляют с учетом коэффициента снижения прочности поперечного сварного шва по формуле

,

где коэффициент снижения прочности определяют согласно указаниям п. 4.3.3 Норм.

В остальном приведенные напряжения , определяют по тем же формулам, которые используют в расчете низкотемпературного трубопровода (см. пп. 2.3.1, 2.3.2, 2.3.3).

2.4.2. Определение напряжения .

2.4.2.1. Дополнительно к указанным приведенным напряжениям определяют приведенное напряжение , служащее для оценки длительной статической прочности с учетом местных напряжений и действия всех нагрузок (давление, массовая нагрузка, компенсация) на стационарном рабочем режиме. При этом составляющие напряженного состояния от компенсации температурных расширений разрешается определять с учетом постепенного уменьшения (релаксации) во времени вследствие ползучести.

2.4.2.2. Составляющие напряженного состояния для прямолинейных труб и криволинейных труб с определяют по формулам п. 2.3.1.1.

2.4.2.3. Для криволинейных труб (при любом значении ) вычисляют напряжение по следующим формулам:

;

;

;

,

где .

Значение определяют линейным интерполированием по данным табл. П5.4.

Таблица П5.4. Значения коэффициента

Сталь	Температура, °C
	360	450	500	550	600	650	700
Углеродистая и кремнемарганцовистая	0,4	0,35	-	-	-	-	-
Хромомолибденовая и хромомолибденованадиевая	0,5	0,45	0,4	0,35	0,2	-	-
Аустенитного класса	-	0,55	0,5	0,4	0,35	0,3	0,2

Напряжения и определяют по формуле п. 2.3.1.1, коэффициенты , - по разд. 2.6.

2.4.2.4. Для тройникового узла определяют составляющие напряженного состояния по формулам:

для сечений А-А и В-В (рис. П5.1)

;

,

для сечения Б-Б

;

.

Величины , , , , определяют таким же образом, как требуется согласно п. 2.3.2.1. Величину вычисляют согласно разд. 2.7.

2.4.3. Критерии прочности.

2.4.3.1. Проверку прочности по категориям напряжений и проводят по разд. 5.4 Норм, а по категории - по разд. 5.6 Норм.

2.5. Определение коэффициента податливости криволинейной трубы

2.5.1. Коэффициент податливости криволинейной трубы (рис. П5.4) вычисляют как произведение коэффициента податливости , определяемого без учета стесненности деформации ее концов от влияния примыкающих труб, на коэффициент , учитывающий эту стесненность деформации, т.е.

.

2.5.2. Коэффициент податливости определяют по формуле

.

Величину b вычисляют по следующим формулам:

;

;

;

;

.

Параметры и вычисляют по формулам

; .

2.5.3. Коэффициент определяют способом линейной интерполяции по данным табл. П5.5.

Таблица П5.5. Значения коэффициента 

	Угол между концевыми сечениями трубы, град.
	0				30				60				90
	R/r				R/r				R/r				R/r
	2	4	6	8	2	4	6	8	2	4	6	8	2	4	6	8
0	0,0	0,0	0,0	0,0	0,12	0,18	0,24	0,28	0,25	0,37	0,47	0,55	0,42	0,58	0,65	0,70
0,2	0,12	0,12	0,12	0,12	0,27	0,34	0,39	0,42	0,43	0,56	0,66	0,73	0,60	0,78	0,84	0,88
0,4	0,24	0,24	0,24	0,24	0,43	0,48	0,52	0,54	0,62	0,73	0,80	0,84	0,77	0,88	0,91	0,93
0,6	0,37	0,37	0,37	0,37	0,55	0,59	0,61	0,62	0,73	0,81	0,85	0,88	0,82	0,90	0,94	0,95
0,8	0,49	0,49	0,49	0,49	0,63	0,66	0,68	0,69	0,77	0,84	0,88	0,90	0,85	0,92	0,93	0,94
1,0	0,60	0,60	0,60	0,60	0,72	0,74	0,75	0,76	0,83	0,88	0,91	0,93	0,89	0,94	0,96	0,96
1,2	0,73	0,73	0,73	0,73	0,80	0,82	0,83	0,84	0,88	0,91	0,94	0,95	0,92	0,95	0,97	0,97
1,4	0,85	0,85	0,85	0,85	0,89	0,90	0,91	0,91	0,93	0,95	0,96	0,96	0,96	0,97	0,98	0,98
1,65	1,00	1,00	1,00	1,00	1,00	1,00	1,00	1,00	1,00	1,00	1,00	1,00	1,00	1,00	1,00	1,00

2.6. Определение коэффициентов интенсификации напряжений для криволинейной трубы

2.6.1. Коэффициенты интенсификации напряжений и определяют по формулам

;

,

где ; ; ; ; .

Величины , , , , , b определяют формулами разд. 2.5.

2.7. Определение коэффициента местных напряжений изгиба для тройникового узла

2.7.1. При (рис. П5.5) коэффициент местных напряжений вычисляют по формуле

.

Размер определяют по рис. П5.5.

2.7.2. При 

.

2.7.3. Если значение , подсчитанное по формуле п. 2.7.1 или 2.7.2, меньше 2, то следует принимать .

2.8. Расчет напряжений в криволинейной трубе по уточненной методике

2.8.1. Труба кругового сечения.

2.8.1.1. Вычисляют нормальные напряжения от изгиба трубы без учета деформирования поперечного сечения:

; ;

; ,

где . Здесь и далее индекс a обозначает наружную поверхность. (Направление моментов см. на рис. П5.3).

2.8.1.2. Вычисляют напряжения, вызываемые крутящим моментом, внутренним давлением и осевой силой:

; ;

;

;

;

,

где s - минимальная толщина стенки вследствие технологических операций; - см. п. 2.3.1.1; - см. рис. П5.3.

2.8.1.3. Вычисляют изгибные напряжения с учетом деформирования поперечного сечения:

;

;

;

,

где

;

;

;

;

;

;

;

,

причем (заменяем для краткости i и j одной буквой v)

;

;

;

,

где верхний знак соответствует внутренней поверхности, а нижний - наружной.

Значения и определяют согласно пп. 2.5.2 и 2.6.1.

2.8.1.4. Вычисляют тангенциальные мембранные напряжения от изгиба трубы:

,

где ;

,

причем

.

2.8.1.5. Вычисляют суммарные нормальные напряжения на взаимно перпендикулярных площадках:

; ;

; .

2.8.1.6. Определяют приведенные напряжения на внутренней и наружной поверхностях трубы для следующей последовательности значений угла : , n = 0, 1, 2, ..., 35, где шаг изменения угла .

Радиальное нормальное напряжение для внутренней поверхности , а для наружной поверхности .

2.8.2. Труба овального сечения.

2.8.2.1. Предполагается, что поперечное сечение трубы имеет эллиптическую (овальную) форму, причем большая ось сечения расположена перпендикулярно плоскости оси трубы. Радиальные отклонения контура такого сечения от окружности радиуса r выражаются уравнением (рис. П5.3)

,

где a - овальность сечения .

2.8.2.2. Вычисляют нормальные напряжения, обусловленные начальной овальностью сечения для внутренней и наружной поверхностей:

;

,

где ; ; .

Определение , для внутренней и наружной поверхностей - см. п. 2.8.1.3, а определение - см. п. 2.8.1.4.

2.8.2.3. Для учета напряжений, определяемых согласно п. 2.8.2.2, проводят суммирование их с напряжениями п. 2.8.1.5, а затем определяют приведенные напряжения в точках, указанных в п. 2.8.1.6.

2.8.3. Особенности расчета напряжений различных категорий.

2.8.3.1. При определении напряжений категорий и для низкотемпературных трубопроводов принимают . При вычислении приведенных напряжений категории напряжения изгиба, определяемые согласно п. 2.8.1.3, умножают на коэффициент 0,7. При подсчете напряжений категории для высокотемпературных трубопроводов значение коэффициента принимают по разд. 4.3 Норм, изгибные напряжения п. 2.8.1.3 умножают на коэффициент 0,6, а изгибные напряжения п. 2.8.2.2 - на коэффициент , где значение принимают по п. 2.4.2.3.

2.9. Расчет напряжений в тройниковом соединении по уточненной методике

2.9.1. Для тройниковых соединений низкотемпературных трубопроводов, образованных пересечением двух круглоцилиндрических оболочек постоянной толщины (штуцера и трубы с диаметрами срединной поверхности , и толщинами , s), оси которых пересекаются под прямым углом, уточненный расчет напряженного состояния проводят на совместное действие внутреннего давления и значимых нагрузок в торцевых сечениях тройника: осевых сил, изгибающих и крутящих моментов (рис. П5.6, П5.7). Методика применима и к соединениям, близким к упомянутым по геометрической форме, охватывает диапазон тройников от тонкостенных (, ) до толстостенных (, ), от равнопроходных до существенно неравнопроходных , от равностенных до весьма неравностенных , включая "равнопрочные" . Реальная геометрия сварного шва при расчете сварного тройника не учитывается (в запас прочности).

2.9.2. Исходными данными для проведения расчета напряжений в тройнике являются значения следующих величин (в согласованных единицах измерения, рис. П5.6, П5.7): - толщина стенки отвода (штуцера); s - толщина стенки трубы (корпуса); - диаметр срединной поверхности отвода ; - диаметр срединной поверхности трубы ; p - внутреннее давление; , , , - нагрузки в сечении отвода 3-3: осевая сила, изгибающий момент в плоскости тройника, изгибающий момент из плоскости тройника, крутящий момент; , , , - осевая сила, момент в плоскости тройника, момент из плоскости тройника и крутящий момент в сечениях трубы 1-1 и 2-2 .

Силовые факторы , , , (i = 1, 2, 3), положительные направления которых показаны на рис. П5.6, определяют для соответствующих сечений (рис. П5.7) из расчета трубопроводной системы и удовлетворяют условиям равновесия:

;

;

.

Самоуравновешенные нагрузки в торцевых сечениях трубы (1-1 и 2-2), фигурирующие в формулах п. 2.9.3 методики, вычисляют следующим образом:

;

;

;

.

2.9.3. Ниже приводятся формулы и номограммы для вычисления компонентов напряженного состояния , , и (их ориентация показана на рис. П5.6) в трех сечениях тройника, определяющих его прочность. Для равнопроходных и близких к ним тройников расчет проводят, кроме того, по дополнительным формулам, учитывающим особенности распределения напряжений у этого класса тройников. Для оценки прочности берут большее из полученных значений приведенных напряжений.

2.9.3.1. Компоненты напряженного состояния и для группы напряжений определяют по следующим формулам:

При соотношении дополнительно вычисляют следующие напряжения:

Радиальные напряжения принимают

;

касательные напряжения определяют по формуле

;

и вычисляют по формуле п. 2.3.1.1 ; и - площади поперечного сечения трубы и штуцера; W и W3 - соответствующие моменты сопротивления. Коэффициенты местных напряжений и (i = 1, 2, ..., 8) определяют согласно п. 2.9.3.4, силовые факторы в трубе , , , - по формулам п. 2.9.2 от массовых и других механических нагрузок.

2.9.3.2. Составляющие группы напряжений вычисляют по следующим формулам (от давления, механических и температурных воздействий):

При дополнительно определяют напряжения:

Радиальные напряжения ; напряжения кручения определяют по формуле

.

Коэффициенты местных напряжений , , (i = 1, 2, ..., 8) находят согласно п. 2.9.3.4, коэффициент вычисляют по формуле п. 2.3.2.3:

;

- по формуле п. 2.3.2.1.

Параметр

.

Смысл остальных величин пояснен в п. 2.9.3.1.

2.9.3.3. Составляющие приведенных напряжений (амплитудные значения) определяют по формулам (от давления, механических и температурных воздействий)

При дополнительно вычисляют следующие напряжения:

Входящие в формулы величины имеют тот же смысл, что и в п. 2.9.3.2, напряжения кручения уменьшают в 2 раза, .

2.9.3.4. Коэффициенты местных напряжений , , (i = p, 1, 4, 5, 7) определяют по формуле

,

коэффициенты , , , , , и (j = 2, 3, 6, 8) - по номограммам, приведенным на рис. П5.8 - П5.14. Для равнопрочных и близких к ним тройников следует принимать . Коэффициенты для "промежуточных" значений определяются линейной интерполяцией по коэффициентам и :

.

Для всех тройников должны выполняться условия

, , ; .

Для существенно неравнопроходных тройников допускается принимать при любых соотношениях и ;

;

;

;

, ;

,

при (v - коэффициент Пуассона).

2.10. Специальные расчеты трубопроводов

2.10.1. Для режима нарушения нормальных условий эксплуатации должны быть выполнены требования пп. 2.3.1 и 2.3.4 при условии, что в расчет вводится максимальное давление для рассматриваемого режима, а допускаемое напряжение берется по п. 5.4 Норм.

2.10.2. При рассмотрении случаев нагружения, включающих действие сейсмических нагрузок, расчет напряжений проводят по формулам пп. 2.3.1 и 2.3.4. Допускаемые напряжения принимают в соответствии с п. 5.11 Норм.

2.10.3. Требуется проверка прочности трубопровода по напряжениям категории для условий гидроиспытания. Расчет выполняют на совместное действие давления и массовой нагрузки. Условие прочности принимают по п. 5.4 Норм.

3. Разъемные соединения сосудов

3.1. Условные обозначения

	-	усилие, необходимое для обжатия прокладки, Н (кгс)
	-	усилие на прокладку, обеспечивающее герметичность в рабочих условиях, Н (кгс)
	-	гидростатическое усилие в рабочих режимах, Н (кгс)
	-	гидростатическое усилие при гидроиспытании, Н (кгс)
p	-	расчетное давление, Па
	-	давление гидроиспытания, Па
	-	усилие начальной затяжки шпилек, Н (кгс)
	-	усилие на шпильках, Н (кгс)
	-	осевое усилие на прокладке, Н (кгс)
	-	радиальное усилие на клиновой прокладке, Н (кгс)
	-	усилие на шпильках, называемое температурными перепадами, Н (кгс)
	-	коэффициент нагрузки
	-	коэффициент податливости прокладки, мм/Н (мм/кгс)
	-	коэффициент податливости рубашки корпуса, мм/Н (мм/кгс)
	-	коэффициент податливости шпильки, мм/Н (мм/кгс)
	-	коэффициент податливости втулки (шайбы), мм/Н (мм/кгс)
	-	модуль продольной упругости материала рубашки, Па
	-	модуль продольной упругости материала шпильки, Па
	-	модуль продольной упругости материала прокладки, Па
	-	усилие на прокладку, обеспечивающее герметичность при гидроиспытании, Н (кгс)
	-	коэффициент податливости нажимного фланца, мм/Н (мм/кгс)
	-	модуль продольной упругости материала нажимного фланца, Па
	-	модуль продольной упругости материала втулки (шайбы), Па
	-	расчетная высота прокладки, мм
	-	высота втулки (шайбы), мм
	-	площадь поперечного сечения втулки (шайбы),
	-	суммарное вертикальное температурное расширение корпуса и шпильки на отрезке между опорным буртом корпуса и нижним торцом гайки, мм
	-	суммарное вертикальное температурное расширение крышки, прокладки, нажимного фланца, втулки и бурта (для случая выполнения бурта на антикоррозионной рубашке) на отрезке между опорным буртом корпуса и нижним торцом гайки, мм
	-	средний диаметр прокладки, мм
z	-	число шпилек
	-	расчетная ширина прокладки, мм
	-	условная ширина прокладки, мм
b	-	эффективная ширина прокладки, мм
	-	высота клиновой прокладки, мм
	-	ширина конуса клиновой прокладки, мм
	-	суммарная ширина проточек на прокладке или контактирующей поверхности на ширине , мм
	-	суммарная ширина проточек на конусе клиновой прокладки, мм
	-	суммарная ширина проточек на цилиндрической поверхности клиновой прокладки, мм
	-	угол конуса клиновой прокладки, град.
m	-	прокладочный коэффициент
	-	удельное давление на прокладке при обжатии, Па
l	-	свободная длина шпильки - длина стержня шпильки между нижним торцом гайки и верхним концом корпуса, мм
	-	диаметр стержня шпильки, мм
	-	наружный диаметр резьбы шпильки, мм
	-	внутренний диаметр резьбы шпильки, мм
	-	площадь поперечного сечения стержня шпильки,
W	-	момент сопротивления сечения стержня шпильки при изгибе,
	-	момент сопротивления сечения стержня шпильки при кручении,
J	-	момент инерции сечения стержня шпильки при изгибе,
	-	крутящий момент, действующий на шпильку, (кгс/мм)
,	-	изгибающие моменты на шпильке,
	-	радиальное перемещение торца фланца корпуса, мм
	-	радиальное перемещение нижнего торца гайки, мм
	-	угловое перемещение торца фланца корпуса, рад
	-	угловое перемещение нижнего торца гайки, рад
	-	напряжение растяжения в шпильках, Па
	-	напряжение изгиба в шпильках, Па
	-	напряжение кручения в шпильках, Па
h'	-	высота рабочей части резьбы (резьбового соединения), мм
	-	момент инерции сечения нажимного фланца относительно горизонтальной оси, проходящей через центр тяжести,
R	-	радиус центра масс сечения нажимного фланца, мм

3.2. Общие положения

3.2.1. Методика распространяется на разъемные соединения сосудов и аппаратов, работающих под внутренним давлением при температурах ниже .

Типовые конструкции соединения показаны на рис. П5.15.

3.3. Расчет разъемного соединения

Рассчитывают усилия начальной затяжки шпилек, усилия в шпильках и на прокладке в условиях эксплуатации, а также напряжения в шпильках.

3.4. Расчет коэффициента нагрузки

3.4.1. Коэффициент нагрузки учитывает влияние внутреннего давления на усилия в шпильках и на прокладке предварительно затянутого соединения.

Коэффициент нагрузки определяют по формуле

.

3.4.2. Коэффициент податливости прокладки для случая, когда прокладку устанавливают между крышкой и опорным буртом корпуса, вычисляют по формуле

,

где - площадь поперечного сечения прокладки.

Для клинового уплотнения и беспрокладочного соединения с гибким герметизирующим элементом принимают .

3.4.3. Коэффициент податливости бурта корпуса с антикоррозионной рубашкой (рис. П5.16) вычисляют по формуле

,

где , - высота элемента рубашки; , - площадь поперечного сечения элемента рубашки. Если бурт выполнен на корпусе, не имеющем рубашки, то принимают .

3.4.4. Коэффициент податливости шпильки , учитывающий податливость стержня шпильки и резьбового соединения шпилька-корпус и шпилька-гайка, вычисляют по формуле

.

3.4.5. Коэффициент податливости втулки (шайбы) вычисляют по формуле

.

3.4.6. Коэффициент податливости нажимного фланца

,

где a - размер, указанный на рис. П5.16.

3.5. Расчет усилий в шпильках, вызванных температурными перепадами

Усилия в шпильках, вызванные температурными перепадами в деталях соединения или различием коэффициентов линейного расширения материалов деталей соединения, определяют по формуле

.

Пример разбивки соединения по участкам для вычисления температурных расширений показан на рис. П5.16.

Для данного примера ; , где , , - коэффициент линейного расширения материала, длины участков и средние температуры на участке.

Коэффициенты податливости , , , и вычисляют в соответствии с пп. 3.4.2-3.4.6.

3.6. Расчет усилий начальной затяжки шпилек

3.6.1. Начальную затяжку соединения производят для устранения неплотности прилегания прокладки к контактирующим поверхностям и создания условий, обеспечивающих нераскрытие стыка и герметичность соединения во время гидроиспытаний, действия рабочего давления и температурных перепадов.

3.6.2. Усилие, необходимое для обжатия прокладки,

.

3.6.3. Усилие на прокладку (кроме клиновой самоуплотняющейся), обеспечивающее герметичность при рабочем давлении и гидроиспытании,

;

.

Для клиновой самоуплотняющейся прокладки

.

3.6.4. Значения b, m, выбирают из табл. П5.6.

Таблица П5.6. Значения b, m и для различных типов прокладок

Тип прокладки	Конструкция прокладки	Материал	Эффективная ширина b, мм	Жидкие среды		Воздух, пар, пароводяная смесь		Газы с высокой проникающей способностью (водород, гелий и т.д.)
				m	, МПа	m	, МПа	m	, МПа
Мягкая	Плоская	Резина твердая		1,2	5	2,2	9	3,0	13
		Фторопласт		1,4	10	2,5	18	3,1	26
		Паронит	при при	1,6		2,9		4
Комбинированная	Спиральная	Перлитная сталь		1,5	27	2,5	50	4	70
	Гофрированная лента	Алюминий, его сплавы		1,75	20	3,0	30	4,25	42
		Медь, ее сплавы		1,9	20	3,25	35	4,5	50
		Перлитная сталь		2,0	22	3,5	40	5	55
	С наружной металлической обработкой	Алюминий, его сплавы		1,9	27	3,25	50	4,5	70
		Медь, ее сплавы		2,0	32	3,5	60	5	80
		Перлитная сталь		2,25	38	3,75	70	5,5	100
Металлическая	Профильная (круг, овал, восьмигранник)	Медь, ее сплавы; никель, его сплавы		2,5		4,5		6
		Перлитная сталь		3,0		5,0		7
		Аустенитная сталь		3,5		6,0		8
	Плоская Клиновая	Алюминий, его сплавы	при	2,0		3,5		5
		Медь, ее сплавы; никель, его сплавы	при	2,5		4,5		6
		Перлитная сталь		3,0		5,0		7
		Аустенитная сталь		3,5		6,0		8
	Зубчатые с числом зубцов	Медь, ее сплавы; никель, его сплавы		1,8		3,3		4,6
		Перлитная сталь		2,25		3,75		5,5
		Аустенитная сталь		2,5		4,25		6
Примечание. Для клиновой прокладки при наличии проточек на прокладке или контактирующих поверхностях вместо значений , , используются соответственно , и ; при определении принимают .

3.6.5. Гиростатические усилия от рабочего давления и давления гидроиспытания

;

.

3.6.6. Усилие начальной затяжки шпилек должно быть выбрано из условий

,

.

3.6.7. Для сохранения герметичности должно быть выдержано условие

.

Если это условие не удовлетворяется, то следует выполнить конструктивные изменения соединения или изменить температурные режимы работы соединения.

При необходимости допускают увеличение усилия начальной затяжки в соответствии с приведенным условием.

3.7. Расчет усилий на прокладке

3.7.1. Усилие на прокладке при затяжке

.

3.7.2. Усилие на прокладке при гидроиспытании:

- для клиновой прокладки;

- для остальных видов прокладок.

3.7.3. Усилие на прокладке в рабочих условиях:

- для клиновой прокладки;

- для остальных видов прокладки.

3.7.4. Для клиновой прокладки кроме осевых усилий определяют радиальные силы:

радиальное усилие при начальной затяжке

;

радиальное усилие при гидроиспытании

;

радиальное усилие в рабочих условиях

.

3.7.5. Плоские и клиновые прокладки проверяют по удельному давлению на контактирующие поверхности при затяжке, гидроиспытании и рабочих режимах.

Удельное давление на плоской прокладке

.

Удельное давление на клиновой прокладке

- для плоской контактной поверхности;

- для конусной контактной поверхности;

- для цилиндрической контактной поверхности.

Необходимо выполнять следующие два условия:

1) , где - минимальное допустимое удельное давление на прокладку из условия герметичности разъемного соединения; K - коэффициент, зависящий от проникающей способности уплотняемой среды;

2) , где - максимальное допускаемое удельное давление на прокладку из условия ее работоспособности (табл. П5.7).

Таблица П5.7. Значения и

Материал прокладки	, МПа	, МПа
Резина твердая	3,5	20,0
Фторопласт	4,0	40,0
Паронит	10,0	110,0
Алюминий и его сплавы	50,0	140,0
Медь и ее сплавы	70,0	200,0
Перлитная сталь	80,0	350,0
Аустенитная сталь	100,0	600,0

Рекомендуются следующие значения коэффициента K:

K = 1 - для жидкой среды;

K = 1,8 - для воздуха с высокой проникающей способностью (водород, гелий и т.п.).

Для клиновой прокладки удельное давление для плоской контактной поверхности проверяют только по условию 2.

В случае если проверка по удельному давлению на контактирующие поверхности дает отрицательные результаты, следует выполнить конструктивные изменения соединения или изменить температурные режимы соединения. При необходимости допускают увеличение усилия начальной затяжки .

После выполнения хотя бы одного из этих мероприятий необходимо повторное проведение расчета.

3.8. Расчет усилий в шпильках

3.8.1. Усилие на шпильках при затяжке

.

3.8.2. Усилие на шпильках при гидроиспытании

.

3.8.3. Усилие на шпильках в рабочих условиях

.

3.9. Расчет напряжений в шпильках

3.9.1. Расчет стержня шпильки

3.9.1.1. Крутящий момент, действующий на шпильку при затяжке гаек ключом,

,

где выбирается по табл. П5.8.

Таблица П5.8. Значения коэффициентов и

Наличие смазки
Есть	0,13	0,26
Отсутствует	0,18	0,37

Момент на ключе при затяжке гаек

,

где выбирается по табл. П5.8.

При затяжке шпилек с предварительным разогревом или предварительной вытяжкой .

3.9.1.2. Изгибающие моменты в шпильке вычисляют по формулам

;

,

где ;

для ;

; ; для ;

; ; для .

, , , определяются из условия совместности деформаций соединения.

Принятые в формулах положительные направления перемещений и углов поворота указаны на рис. П5.17.

3.9.1.3. Напряжение растяжения

,

где .

3.9.1.4. Напряжение кручения

,

где .

3.9.1.5. Напряжение изгиба

,

где .

3.9.2. Расчет резьбы шпильки

3.9.2.1. Напряжение среза резьбы

,

где - коэффициент полноты резьбы; - для метрической резьбы (гайки); - для метрической резьбы (болты, шпильки); - для прямоугольной резьбы; - для трапецеидальной резьбы; - коэффициент, учитывающий изменение деформации витков по высоте гайки (табл. П5.9).

Таблица П5.9. Значения коэффициента

	Шаг резьбы
Свыше 1,3	Крупный и первый мелкий	0,7-0,75
	Второй и более мелкий	0,65-0,7
Менее 1,3	Для всех шагов	0,55-0,6
Примечание. , - пределы прочности болта и гайки.