Межгосударственный стандарт ГОСТ 34233.4-2017 "Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность. Расчет на прочность и герметичность фланцевых соединений" (введен в действие приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 14 декабря 2017 г. N 1992-ст)

Межгосударственный стандарт ГОСТ 34233.4-2017
"Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность. Расчет на прочность и герметичность фланцевых соединений"
(введен в действие приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 14 декабря 2017 г. N 1992-ст)

Vessels and apparatus. Norms and methods of strength calculation. Strength and leak-tightness calculation of flange joints

МКС 71.120
75.200
Г02
ОКП 36 0000

Дата введения - 1 августа 2018 г.
Введен впервые

Предисловие

Цели, основные принципы и основной порядок проведения работ по межгосударственной стандартизации установлены в ГОСТ 1.0-2015 "Межгосударственная система стандартизации. Основные положения" и ГОСТ 1.2-2015 "Межгосударственная система стандартизации. Стандарты межгосударственные, правила и рекомендации по межгосударственной стандартизации. Правила разработки, принятия, обновления и отмены"

Сведения о стандарте

1 Разработан Межгосударственным техническим комитетом по стандартизации МТК 523 "Техника и технологии добычи и переработки нефти и газа"; Закрытым акционерным обществом "ПЕТРОХИМ ИНЖИНИРИНГ" (ЗАО "ПХИ"); Акционерным обществом "Всероссийский научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт нефтяного машиностроения" (АО "ВНИИНЕФТЕМАШ"); Обществом с ограниченной ответственностью "Научно-техническое предприятие ЦЕНТРХИММАШ" (ООО "НТП ЦЕНТРХИММАШ"); Акционерным обществом "Научно-исследовательский и конструкторский институт химического машиностроения" (АО "НИИХИММАШ")

2 Внесен Федеральным агентством по техническому регулированию и метрологии

3 Принят Межгосударственным советом по стандартизации, метрологии и сертификации (протокол от 14 июля 2017 г. N 101-П)

За принятие проголосовали:

Краткое наименование страны по МК (ИСО 3166) 004-97	Код страны по МК (ИСО 3166) 004-97	Сокращенное наименование национального органа по стандартизации
Армения	AM	Минэкономики Республики Армения
Беларусь	BY	Госстандарт Республики Беларусь
Казахстан	KZ	Госстандарт Республики Казахстан
Киргизия	KG	Кыргызстандарт
Россия	RU	Росстандарт
Узбекистан	UZ	Узстандарт
Украина	UA	Минэкономразвития Украины

4 Приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 14 декабря 2017 г. N 1992-ст межгосударственный стандарт ГОСТ 34233.4-2017 введен в действие в качестве национального стандарта Российской Федерации с 1 августа 2018 г.

5 В настоящем стандарте учтены основные нормативные положения следующих международных стандартов:

- ISO 16528-1:2007 "Котлы и сосуды, работающие под давлением. Часть 1. Требования к рабочим характеристикам" ("Boilers and pressure vessels - Part 1: Performance requirements", NEQ);

- ISO 16528-2:2007 "Котлы и сосуды, работающие под давлением. Часть 2. Процедуры выполнения требований ISO 16528-1" ("Boilers and pressure vessels - Part 2: Procedures for fulfilling the requirements of ISO 16528-1", NEQ)

6 Подготовлен на основе применения ГОСТ Р 52857.4-2007*

7 Введен впервые

------------------------------

* Приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 14 декабря 2017 г. N 1992-ст ГОСТ Р 52857.4-2007 отменен с 1 августа 2018 г.

1 Область применения

Настоящий стандарт устанавливает нормы и методы расчета на прочность и герметичность фланцевых соединений сосудов и аппаратов из углеродистых и легированных сталей, цветных металлов (алюминия, меди, титана и их сплавов), применяемых в химической, нефтехимической, нефтеперерабатывающей и других отраслях промышленности, работающих под внутренним избыточным давлением или вакуумом, под действием осевых сил и изгибающих моментов в условиях однократных и многократных нагружений. Использование настоящего стандарта также допускается для расчета фланцевых соединений трубопроводов. Нормы и методы расчета на прочность и герметичность фланцевых соединений применимы при условии, что технические требования к конструированию, изготовлению и контролю удовлетворяют требованиям нормативных документов. Если свойства материалов, отклонения от геометрической формы, неточности или качество изготовления отличаются от требований нормативных документов, то при расчете на прочность эти отступления должны быть учтены соответствующей корректировкой расчетных формул.

Настоящий стандарт применяют совместно с ГОСТ 34233.1 - 34233.3, ГОСТ 34233.6, ГОСТ 34233.10, ГОСТ 34233.12 и ГОСТ 34283.

2 Нормативные ссылки

В настоящем стандарте использованы нормативные ссылки на следующие стандарты:

ГОСТ 34233.1-2017 Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность. Общие требования

ГОСТ 34233.2-2017 Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность. Расчет цилиндрических и конических обечаек, выпуклых и плоских днищ и крышек

ГОСТ 34233.3-2017 Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность. Укрепление отверстий в обечайках и днищах при внутреннем и внешнем давлениях. Расчет на прочность обечаек и днищ при внешних статических нагрузках на штуцер

ГОСТ 34233.5-2017 Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность. Расчет обечаек и днищ от воздействия опорных нагрузок

ГОСТ 34233.6-2017 Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность. Расчет на прочность при малоцикловых нагрузках

ГОСТ 34233.7-2017 Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность. Теплообменные аппараты

ГОСТ 34233.8-2017 Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность. Сосуды и аппараты с рубашками

ГОСТ 34233.9-2017 Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность. Аппараты колонного типа

ГОСТ 34233.10-2017 Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность. Сосуды и аппараты, работающие с сероводородными средами

ГОСТ 34233.11-2017 Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность. Метод расчета на прочность обечаек и днищ с учетом смещения кромок сварных соединений, угловатости и некруглости обечаек

ГОСТ 34233.12-2017 Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность. Требования к форме представления расчетов на прочность, выполняемых на ЭВМ

ГОСТ 34283-2017 Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность при ветровых, сейсмических и других внешних нагрузках

ГОСТ 481-80 Паронит и прокладки из него. Технические условия

ГОСТ 2208-2007 Фольга, ленты, полосы, листы и плиты латунные. Технические условия

ГОСТ 2850-95 Картон асбестовый. Технические условия

ГОСТ 5632-2014 Легированные нержавеющие стали и сплавы коррозионно-стойкие, жаростойкие и жаропрочные. Марки

ГОСТ 7338-90 Пластины резиновые и резинотканевые. Технические условия

ГОСТ 9045-93 Прокат тонколистовой холоднокатаный из низкоуглеродистой качественной стали для холодной штамповки. Технические условия

ГОСТ 21631-76 Листы из алюминия и алюминиевых сплавов. Технические условия

ГОСТ 28759.5-90 Фланцы сосудов и аппаратов. Технические требования

ГОСТ 33259-2015 Фланцы арматуры, соединительных частей и трубопроводов на номинальное давление до PN 250. Конструкция, размеры и общие технические требования

Примечание - При пользовании настоящим стандартом целесообразно проверить действие ссылочных стандартов в информационной системе общего пользования - на официальном сайте Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии в сети Интернет или по ежегодному информационному указателю "Национальные стандарты", который опубликован по состоянию на 1 января текущего года, и по выпускам ежемесячного информационного указателя "Национальные стандарты" за текущий год. Если ссылочный стандарт заменен (изменен), то при пользовании настоящим стандартом следует руководствоваться заменяющим (измененным) стандартом. Если ссылочный стандарт отменен без замены, то положение, в котором дана ссылка на него, применяется в части, не затрагивающей эту ссылку.

3 Обозначения

В настоящем стандарте применены следующие обозначения:

А_б - суммарная площадь сечения болтов (шпилек) по внутреннему диаметру резьбы или нагруженному сечению наименьшего диаметра, мм²;

а - плечо усилий в болтах (шпильках) свободного фланца, мм;

b - плечо усилий в болтах (шпильках), мм;

b₀ - эффективная ширина прокладки, мм;

b_П - ширина прокладки, мм;

с - прибавка на коррозию, мм;

C_F - коэффициент, учитывающий изгиб тарелки фланца между болтами (шпильками);

D_H - наружный диаметр фланца, мм;

D - внутренний диаметр фланца, мм;

D_б - диаметр окружности расположения болтов (шпилек), мм;

D_СП - расчетный диаметр прокладки, мм;

D_НП - наружный диаметр прокладки, мм;

D_К - внутренний диаметр кольца свободного фланца, мм;

D_Н.К - наружный диаметр кольца свободного фланца, мм;

D_S - наружный диаметр контакта бурта и кольца свободного фланца, мм;

D^* - приведенный диаметр фланца, мм;

d - наружный диаметр болта (шпильки), мм;

Е_П - условный модуль сжатия прокладки, МПа;

- модуль продольной упругости материала болта (шпильки) при температуре 20 °С, МПа;

- модуль продольной упругости материала свободного кольца при температуре 20 °С, МПа;

Е_К - модуль продольной упругости материала свободного кольца при расчетной температуре, МПа;

Е_б - модуль продольной упругости материала болта (шпильки) при расчетной температуре, МПа;

, , - модуль продольной упругости материала фланца при температуре 20 °С, МПа;

Е₁, Е₂, Е - модуль продольной упругости материала фланца при расчетной температуре, МПа;

- модуль продольной упругости материала крышки при температуре 20 °С, МПа;

Е_кр - модуль продольной упругости материала крышки при расчетной температуре, МПа;

е - плечо усилия от действия давления внутри фланца, мм;

F - внешняя осевая сила (растягивающая сила берется со знаком плюс, сжимающая сила - со знаком минус), Н;

f - коэффициент увеличения изгибных напряжений в сечении S₀ приварного встык фланца;

f_б - площадь поперечного сечения болта (шпильки) по внутреннему диаметру резьбы или сечению наименьшего диаметра, мм²;

h, h₁, h₂ - толщина тарелки фланца, мм;

h₀ - расстояние от наружной поверхности обечайки до внутренней окружности контакта бурта и кольца свободного фланца, мм;

h_K - толщина кольца свободного фланца, мм;

h_кр, - толщина крышки и ее фланцевой части в зоне уплотнения соответственно, мм;

h_п - толщина прокладки, мм;

h_р - толщина трубной решетки или закладной детали между прокладками, мм;

h_ш - толщина шайбы, мм;

K_обж - коэффициент обжатия прокладки;

K - отношение наружного диаметра тарелки фланца к внутреннему диаметру;

K_кр - отношение наружного диаметра плоской крышки к среднему диаметру прокладки;

K_Т - коэффициент увеличения допускаемых напряжений при расчете фланцев с учетом стесненности температурных деформаций;

K_у.р - коэффициент условий работы;

K_у.з - коэффициент условий затяжки болтов (шпилек);

K_у.т - коэффициент учета нагрузки от температурных деформаций;

K_s - коэффициент учета размеров тарелки фланца;

- коэффициент увеличения допускаемого угла поворота фланцев при испытании;

L_б - эффективная длина болта (шпильки) при определении податливости, мм;

L_б.о - расстояние между опорными поверхностями гайки и головки болта или опорными поверхностями гаек, мм;

l - длина конической втулки приварного встык фланца, мм;

l₀ - параметр длины втулки, мм;

М - внешний изгибающий момент, ;

М^М - расчетный изгибающий момент, действующий на фланец при затяжке, ;

М^Р - расчетный изгибающий момент, действующий на фланец в рабочих условиях, ;

- расчетный изгибающий момент, действующий на кольцо свободного фланца при затяжке, ;

- расчетный изгибающий момент, действующий на кольцо свободного фланца в рабочих условиях, ;

М_кр - крутящий момент на ключе при затяжке для болтов (шпилек), ;

m - прокладочный коэффициент;

N_Р - число циклов изменения режимов эксплуатации;

N_С - число циклов сборок-разборок;

[N]_Р - допускаемое число циклов изменения режимов эксплуатации;

[N]_С - допускаемое число циклов сборок-разборок;

n - количество болтов (шпилек);

n_Т - коэффициент запаса прочности по пределу текучести;

n_д - коэффициент запаса прочности по пределу длительной прочности;

n_П - коэффициент запаса прочности по пределу ползучести;

Р_обж - усилие, необходимое для смятия прокладки при затяжке, Н;

Р_б1 - расчетная нагрузка на болты (шпильки) при затяжке, необходимая для обеспечения в рабочих условиях давления на прокладку, достаточного для герметизации фланцевого соединения, Н;

Р_б2 - расчетная нагрузка на болты (шпильки) при затяжке, необходимая для обеспечения обжатия прокладки и минимального начального натяжения болтов (шпилек), Н;

- расчетная нагрузка на болты (шпильки) при затяжке фланцевого соединения, Н;

- расчетная нагрузка на болты (шпильки) фланцевых соединений в рабочих условиях, Н;

р - расчетное давление (внутреннее - положительное, наружное - отрицательное), МПа;

р_пр - приведенное давление, МПа;

О_Д - равнодействующая нагрузка от давления, Н;

Q_FM - приведенная нагрузка, вызванная воздействием внешней силы и изгибающего момента, Н;

Q_t - нагрузка, вызванная стесненностью температурных деформаций, Н;

[q] - допускаемое удельное давление, МПа;

q - расчетное удельное давление, МПа;

q_обж - удельное давление обжатия прокладки, МПа;

R_C - радиус кривизны сферической части неотбортованной крышки, мм;

R_П - усилие на прокладке в рабочих условиях, необходимое для обеспечения герметичности фланцевого соединения, Н;

S_э - эквивалентная толщина втулки фланца, мм;

S₀ - толщина втулки приварного встык фланца в месте приварки к обечайке (трубе), толщина обечайки (трубы) плоского фланца или бурта свободного фланца, мм;

S₁ - толщина втулки приварного встык фланца в месте присоединения к тарелке, мм;

t - расчетная температура стенки корпуса (штуцера) в месте расположения фланцевого соединения, °С;

t_ф1, t_ф2, t_ф - расчетная температура фланца, °С;

t_б - расчетная температура болта (шпильки), °С;

t_к - расчетная температура свободного кольца, °С;

t_кр - расчетная температура крышки, °С;

t_p - расчетная температура трубной решетки или иной закладной детали, зажатой между фланцами,°С;

Х_кр - параметр плоской крышки;

X - относительная длина втулки фланца;

y_П - податливость прокладки, мм/Н;

y_б - податливость болтов (шпилек), мм/Н;

y_ф1, y_ф2, y_ф - угловая податливость фланца при затяжке, ;

y_К - угловая податливость свободного кольца при затяжке, ;

y_ф.н - угловая податливость фланца, нагруженного внешним изгибающим моментом, ;

y_ф.с - угловая податливость кольца свободного фланца, нагруженного внешним изгибающим моментом, ;

y_кр - угловая податливость плоской крышки или угловая податливость фланца со сферической неотбортованной крышкой, ;

- коэффициент жесткости фланцевого соединения, нагруженного внутренним давлением или внешней осевой силой;

- коэффициент жесткости фланцевого соединения, нагруженного внешним изгибающим моментом;

, , - температурный коэффициент линейного расширения материала фланца, 1/°С;

- температурный коэффициент линейного расширения материала болта (шпильки), 1/°С;

- температурный коэффициент линейного расширения материала кольца свободного фланца, 1/°С;

- температурный коэффициент линейного расширения материала крышки, 1/°С;

- температурный коэффициент линейного расширения материала трубной решетки или иной закладной детали, зажатой между фланцами, 1/°С;

- температурный коэффициент линейного расширения материала шайбы, 1/°С;

- коэффициент концентрации напряжений;

, , , - расчетные коэффициенты, зависящие от соотношения размеров тарелки фланца;

, - расчетные коэффициенты, зависящие от соотношения размеров втулки фланца;

- отношение толщины втулки в сечении S₁ к толщине в сечении S₀;

y - жесткость фланцевого соединения, Н/мм;

- коэффициент увеличения допускаемых напряжений при затяжке для фланцевых соединений;

- коэффициент, учитывающий концентрацию напряжений в резьбе;

- угол поворота кольца свободного фланца в рабочих условиях, рад;

[] - допускаемый угол поворота приварного встык фланца, плоского фланца или бурта свободного фланца в рабочих условиях, рад;

[]_K - допускаемый угол поворота кольца свободного фланца в рабочих условиях, рад;

- коэффициент;

- параметр сферической неотбортованной крышки;

- коэффициент, зависящий от соотношения размеров втулки фланца;

- расчетная амплитуда приведенных упругих напряжений, МПа;

- расчетная амплитуда приведенных упругих напряжений для рабочих условий, МПа;

- временное сопротивление материала болтов (шпилек) при температуре 20 °С, МПа;

- временное сопротивление материала болтов (шпилек) при расчетной температуре, МПа;

- предел текучести при остаточном удлинении 0,2 % материала болтов (шпилек) при температуре 20 °С, МПа;

- предел текучести при остаточном удлинении 0,2 % материала болтов (шпилек) при расчетной температуре, МПа;

- среднее значение предела длительной прочности материала болтов (шпилек) за 10⁵ ч при расчетной температуре, МПа;

- средний 1 % предел ползучести материала болтов (шпилек) за 10⁵ ч при расчетной температуре, МПа;

, - меридиональное изгибное напряжение во втулке фланца в сечении S₁ и S₀ соответственно, МПа;

, - расчетные меридиональные напряжения в обечайке (втулке) фланца при затяжке на наружной и внутренней поверхности соответственно (сечение S₁), МПа;

, - расчетные меридиональные напряжения фланца при затяжке на наружной и внутренней поверхности соответственно (сечение S₀), МПа;

, - окружные напряжения при затяжке на наружной и внутренней поверхности соответственно (сечение S₁), МПа;

, - радиальные напряжения при затяжке (сечение S₁), МПа;

, - окружные напряжения при затяжке на наружной и внутренней поверхности соответственно (сечение S₀), МПа;

, - радиальные напряжения при затяжке (сечение S₀), МПа;

, - расчетные меридиональные изгибные напряжения в рабочих условиях (в сечении S₁ и S₀ соответственно), МПа;

, - меридиональные мембранные напряжения в рабочих условиях во втулке фланца (в сечении S₁ и S₀ соответственно), МПа;

- окружные мембранные напряжения в рабочих условиях в сечении S₀, МПа;

, - меридиональные напряжения в обечайке (втулке) в рабочих условиях на наружной и внутренней поверхности соответственно (сечение S₁), МПа;

, - меридиональные напряжения в обечайке (втулке) в рабочих условиях на наружной и внутренней поверхности соответственно (сечение S₀), МПа;

, - окружные напряжения в обечайке (втулке) в рабочих условиях на наружной и внутренней поверхности соответственно (сечение S₀), МПа;

, - радиальные напряжения в рабочих условиях (сечение S₀), МПа;

, - окружные напряжения в обечайке (втулке) в рабочих условиях на наружной и внутренней поверхности соответственно (сечение S₁), МПа;

, - радиальные напряжения в рабочих условиях (сечение S₁), МПа;

- расчетное напряжение в болтах (шпильках) при затяжке, МПа;

- расчетное напряжение в болтах (шпильках) в рабочих условиях, МПа;

- расчетное напряжение в кольце свободного фланца при затяжке, МПа;

- расчетное напряжение в кольце свободного фланца в рабочих условиях, МПа;

- радиальное напряжение в тарелке приварного встык фланца, плоского фланца и бурте свободного фланца в условиях затяжки, МПа;

- окружное напряжение в тарелке приварного встык фланца, плоского фланца и бурте свободного фланца в условиях затяжки, МПа;

- радиальное напряжение в тарелке приварного встык фланца, плоского фланца и бурте свободного фланца в рабочих условиях, МПа;

- окружное напряжение в тарелке приварного встык фланца, плоского фланца и бурте свободного фланца в рабочих условиях, МПа;

[]₀ - допускаемое значение условных упругих напряжений в сечении S₀, МПа;

- номинальное допускаемое напряжение для болтов (шпилек) в рабочих условиях, МПа;

- допускаемое напряжение для болтов (шпилек) при затяжке, МПа;

- допускаемое напряжение для болтов (шпилек) в рабочих условиях и при расчете на условия испытания, МПа;

[]²⁰ - допускаемое напряжение для материала фланца или бурта свободного фланца при температуре 20 °С, МПа;

[] - допускаемое напряжение для материала фланца или бурта свободного фланца при расчетной температуре, МПа;

- допускаемое напряжение для материала кольца свободного фланца при температуре 20 °С, МПа;

[]_к - допускаемое напряжение для материала кольца свободного фланца при расчетной температуре, МПа;

[]_М - допускаемое значение общих мембранных и изгибных напряжений в соответствии с ГОСТ 34233.1 (пункт 8.10), МПа;

[]_R - допускаемое значение суммарных условных упругих напряжений в соответствии с ГОСТ 34233.1 (пункт 8.10), МПа;

, , , , , , - максимальные разности значений напряжений при различных эксплуатационных нагрузках, имеющих место в течение одного цикла нагружения, МПа;

- коэффициент;

- коэффициент сферической неотбортованной крышки.

4 Общие положения

4.1 Основные типы фланцевых соединений, рассматриваемых в настоящем стандарте, приведены на рисунках 1-3. На рисунке 1 приведены примеры фланцевых соединений с приварными встык фланцами, на рисунке 2 - с плоскими приварными фланцами, на рисунке 3 - со свободными фланцами.

Настоящий стандарт позволяет также рассчитывать фланцевые соединения смешанных типов: приварные встык - с плоскими, плоские - со свободными фланцами и т.д., соединения фланца с плоской или неотбортованной сферической крышкой, а также фланцевые соединения с зажатыми между фланцами трубными решетками или другими закладными деталями.

а - фланцевое соединение с гладкой уплотнительной поверхностью типа соединительный выступ	б - фланцевое соединение с уплотнительной поверхностью типа выступ - впадина
в - фланцевое соединение с уплотнительной поверхностью типа шип - паз	г - фланцевое соединение с канавкой под восьмигранную или овальную прокладку

Рисунок 1 - Фланцевые соединения с приварными встык фланцами

а - фланцевое соединение с гладкой уплотнительной поверхностью типа соединительный выступ	б - фланцевое соединение с уплотнительной поверхностью типа выступ - впадина
в - фланцевое соединение с уплотнительной поверхностью типа шип - паз

Рисунок 2 - Фланцевые соединения с плоскими фланцами

а - фланцевое соединение с уплотнительной поверхностью типа выступ - впадина	б - фланцевое соединение с уплотнительной поверхностью типа шип - паз

Рисунок 3 - Фланцевые соединения со свободными кольцами

Примечание - Рисунки 1-3 не определяют всех деталей конструкции фланцевых соединений.

Рекомендации по пределам применения фланцев и прокладок различных типов приведены в приложении А.

4.2 Настоящий метод расчета распространяется на фланцевые соединения, отвечающие условиям, приведенным в 4.2.1 и 4.2.2.

4.2.1 Уклон втулки приварного встык фланца не должен превышать 1:1 (1,0):

.

(1)

Если уклон втулки приварного встык фланца превышает 1:3 (0,33), втулка фланца в месте приварки должна иметь цилиндрическую часть толщиной S₀. При этом рекомендуется, чтобы длина цилиндрической части втулки была не менее 1,5S₀.

4.2.2 Соотношения геометрических параметров фланцев должны лежать в пределах графиков, приведенных на рисунках К.1-К.4 приложения К.

Если соотношения геометрических параметров фланцев выходят за пределы графиков, приведенных на рисунках К.1-К.4 приложения К, следует использовать для расчета фланцев и/или для определения соответствующих коэффициентов численное моделирование или иные специальные методы расчета.

4.3 При расчете фланцевых соединений учитывают следующие виды нагрузок:

- усилие затяжки болтов (шпилек);

- внутреннее или наружное давление;

- внешняя осевая сила;

- внешний изгибающий момент;

- усилия, вызванные стесненностью температурных деформаций элементов фланцевых соединений, включая фланцы, болты (шпильки) и зажатую между фланцами трубную решетку или закладную деталь.

Если между фланцами зажата трубная решетка или закладная деталь, давления по обе стороны которой отличаются друг от друга, в расчете фланцевого соединения следует учитывать давление, действующее на каждый из фланцев в отдельности, и общее для двух фланцев усилие в болтах (шпильках).

Если в качестве ответного фланца используют краевую часть трубной решетки кожухотрубчатого теплообменного аппарата, то при определении нагрузок, действующих на элементы фланцевого соединения, и углов поворотов фланцев следует учитывать деформации кожуха, трубного пучка и решетки в соответствии с ГОСТ 34233.7.

4.4 Если внешняя осевая сила F включает составляющую от давления, то в расчетные формулы следует вместо F подставлять (F - Q_Д).

Фланцевые соединения должны отвечать условиям прочности и плотности как в случае учета внешней осевой силы и изгибающего момента, так и при расчете только на действие давления.

Рекомендации по выбору нормализованных фланцевых соединений, нагруженных давлением, осевой силой и изгибающим моментом, приведены в приложении Б.

4.5 Если аппарат работает при нескольких различных режимах, расчет должен быть выполнен на условия, обеспечивающие прочность и герметичность фланцевых соединений при всех режимах.

4.6 Расчетные температуры элементов фланцевого соединения, необходимые для определения физико-механических характеристик материалов и допускаемых напряжений, а также при расчете на прочность с учетом стесненности температурных деформаций, определяют на основании теплотехнических расчетов или результатов испытаний в соответствии с ГОСТ 34233.1 (раздел 5).

Рекомендации по назначению температур элементов фланцевого соединения при отсутствии результатов специальных теплотехнических расчетов или результатов испытаний приведены в приложении В. Рекомендации, приведенные в приложении В, не распространяются на фланцы с прорезями и фланцы, между которыми зажата трубная решетка или закладная деталь.

4.7 Если свободное температурное расширение в осевом направлении элементов фланцевого соединения, находящихся между опорными поверхностями гаек (головки болта и гайки), превышает свободное температурное перемещение болтов (шпилек), расчет фланцев и болтов (шпилек) с учетом усилий, вызванных стесненностью температурных деформаций элементов фланцевых соединений, допускается не проводить в следующих случаях:

- если расчетная температура элементов фланцевого соединения не превышает 120 °С;

- если свободное температурное расширение в осевом направлении элементов фланцевого соединения, находящихся между опорными поверхностями гаек (головки болта и гайки), включая фланцы, шайбы и зажатую между фланцами трубную решетку или закладную деталь, превышает свободное температурное перемещение болтов (шпилек) не более чем на 10 %.

4.8 Если необходимо учесть усилия, вызванные стесненностью температурных деформаций элементов фланцевого соединения, следует выполнить два расчета: расчет без учета усилий, вызванных стесненностью температурных деформаций элементов фланцевых соединений, и с их учетом, используя в каждом случае соответствующие значения допускаемых напряжений. При этом в каждом случае должна быть обеспечена прочность и герметичность всех элементов фланцевого соединения.

4.9 Необходимость выполнения расчета фланцевого соединения на малоцикловую усталость определяется в соответствии с ГОСТ 34233.6 в зависимости от расчетного числа сборок-разборок и циклов нагружения давлением или теплосмен.

4.10 Расчет фланцевого соединения для условий испытаний проводят так же, как для рабочих условий. При этом допускаемые напряжения для условий испытания принимаются в соответствии с ГОСТ 34233.1 и приложением Г. Расчет фланцевого соединения для условий испытания проводить не требуется, если выполняется соответствующее условие, приведенное в ГОСТ 34233.1 (пункт 8.4).

4.11 Расчет фланцевых соединений на прочность и герметичность состоит из следующих этапов:

- определение усилия, действующего на прокладку в рабочих условиях, необходимого для обеспечения герметичности фланцевого соединения, и усилия, необходимого для первоначального сжатия прокладки;

- определение усилия в болтах (шпильках) в рабочих условиях и усилия при затяжке, необходимого для обеспечения герметичности фланцевого соединения в рабочих условиях;

- проверка прочности болтов (шпилек) и прокладки;

- расчет на прочность элементов фланцевого соединения при затяжке и в рабочих условиях при действии давления, усилий в болтах (шпильках), необходимых для обеспечения герметичности фланцевого соединения, и других нагрузок;

- проверка углов поворота фланцев;

- расчет элементов фланцевого соединения на малоцикловую усталость в случае, если нагружение носит циклический характер.

4.12 Если для учета воздействия на фланец коррозионно-активной среды назначается прибавка к расчетной толщине для компенсации коррозии, следует при определении податливости фланцев и усилий, действующих на элементы фланцевого соединения, использовать номинальные размеры фланца без вычета прибавки на коррозию.

При определении напряжений во фланцах следует во всех случаях использовать расчетные толщины за вычетом прибавки на коррозию в соответствии с ГОСТ 34233.1 (пункт 12.1).

Если для защиты фланца от воздействия коррозионно-активной среды используется наплавка коррозионно-стойкой сталью, следует при определении податливости фланцев и усилий, действующих на элементы фланцевого соединения, использовать номинальные размеры фланца с учетом толщины наплавки. При определении напряжений во фланце и проверке его прочности учет наплавки проводят в соответствии с ГОСТ 34233.1 (пункт 8.8).

Если для защиты от воздействия коррозионно-активной среды используется облицовка листом из коррозионно-стойкой стали, следует при определении податливости фланцев, усилий, действующих на элементы фланцевого соединения, и напряжений во фланце использовать номинальные размеры фланца без учета толщины облицовки.

5 Усилия, необходимые для смятия прокладки и обеспечения герметичности фланцевого соединения

5.1 Эффективную ширину прокладки вычисляют по формулам:

- для плоских прокладок:

,

(2)

;

(3)

- для прокладок овального или восьмигранного сечения

.

(4)

Расчетный диаметр плоских прокладок вычисляют по формуле

.

(5)

Расчетный диаметр прокладок овального или восьмигранного сечения равен среднему диаметру прокладки.

5.2 Усилие, необходимое для смятия прокладки при затяжке, вычисляют по формуле

.

(6)

5.3 Усилие на прокладке в рабочих условиях, необходимое для обеспечения герметичности фланцевого соединения, вычисляют по формуле

,

(7)

где прокладочный коэффициент m определяют по таблице И.1 приложения И.

В случае расчета на действие наружного давления принимают R_П = 0.

6 Усилия в болтах (шпильках) фланцевого соединения при затяжке и в рабочих условиях

6.1 Суммарную площадь сечения болтов (шпилек) по внутреннему диаметру резьбы или нагруженному сечению наименьшего диаметра вычисляют по формуле

.

(8)

Площади поперечных сечений болтов (шпилек) приведены в приложении Д.

6.2 Равнодействующую нагрузку от давления вычисляют по формуле

.

(9)

6.3 Приведенную нагрузку, вызванную воздействием внешней силы и изгибающего момента, вычисляют по формуле

.

(10)

6.4 Нагрузку, вызванную стесненностью температурных деформаций, вычисляют по формулам:

- в соединениях с приварными встык (см. рисунок 1) и плоскими (см. рисунок 2) фланцами

;

(11)

- в соединениях со свободными фланцами (см. рисунок 3)

;

(12)

- в соединении с крышкой

;

(13)

- в случае, если между фланцами зажата трубная решетка или иная закладная деталь

.

(14)

Коэффициент жесткости фланцевого соединения определяют в соответствии с приложением Е.

Физические и механические свойства крепежных деталей приведены в приложении Ж.

6.5 Расчетную нагрузку на болты (шпильки) фланцевых соединений при затяжке вычисляют по формуле

,

(15)

где Р_б1 - расчетная нагрузка на болты (шпильки) при затяжке, необходимая для обеспечения в рабочих условиях давления на прокладку, достаточного для герметизации фланцевого соединения

.

(16)

Коэффициенты и определяют по приложению Е.

Р_б2 - расчетная нагрузка на болты (шпильки) при затяжке, необходимая для обеспечения обжатия прокладки и минимального начального натяжения болтов (шпилек)

.

(17)

Если определенная по формуле (15) расчетная нагрузка на болты (шпильки) фланцевого соединения, необходимая для обеспечения минимального начального натяжения болтов (шпилек), приводит к увеличению толщин фланцев, допускается при использовании затяжки с контролем по крутящему моменту или затяжки с помощью одномоментной контролируемой вытяжки шпилек принимать пониженное значение номинального допускаемого напряжения для болтов (шпилек) при затяжке и испытании при температуре 20 °С, но не менее 2,5 (Р_обж/А_б). При этом должны быть выполнены все требования по прочности и герметичности в соответствии с настоящим стандартом. Необходимое значение крутящего момента или предварительной вытяжки шпилек, определенное с учетом принятого пониженного значения номинального допускаемого напряжения для болтов (шпилек), должно быть указано на чертеже и в руководстве по монтажу и эксплуатации.

6.6 Расчетную нагрузку на болты (шпильки) фланцевых соединений в рабочих условиях вычисляют по формуле

.

(18)

7 Проверка прочности болтов (шпилек) и прокладки

7.1 Расчетные напряжения в болтах (шпильках) фланцевых соединений

Расчетные напряжения в болтах (шпильках) вычисляют по формулам:

- при затяжке

;

(19)

- в рабочих условиях

.

(20)

7.2 Условия прочности болтов (шпилек) фланцевых соединений

Условия прочности болтов (шпилек) определяют по формулам:

- при затяжке

;

(21)

- в рабочих условиях

.

(22)

Допускаемые напряжения для болтов (шпилек) при затяжке и в рабочих условиях определяют по приложению Г.

7.3 Условие прочности прокладки

Условие прочности прокладки проверяют для мягких прокладок и определяют по формуле

.

(23)

Допускаемое удельное давление [q] определяют по приложению И.

8 Расчет фланцев на статическую прочность

8.1 Расчетный изгибающий момент, действующий на фланец при затяжке

Расчетный изгибающий момент, действующий на фланец при затяжке, вычисляют по формулам:

- для приварного встык фланца, плоского фланца и бурта свободного фланца

;

(24)

- для кольца свободного фланца

.

(25)

8.2 Расчетный изгибающий момент, действующий на фланец в рабочих условиях

Расчетный изгибающий момент, действующий на фланец в рабочих условиях, вычисляют по формулам:

- для приварного встык фланца, плоского фланца и бурта свободного фланца

;

(26)

- для кольца свободного фланца

.

(27)

Коэффициент C_F определяют по приложению К.

8.3 Расчетные напряжения во фланце при затяжке

8.3.1 Меридиональное изгибное напряжение во втулке приварного встык фланца, обечайке (трубе) плоского фланца или обечайке бурта свободного фланца вычисляют по формулам:

- для приварных встык фланцев с конической втулкой в сечении S₁

;

(28)

- для приварных встык фланцев с конической втулкой в сечении S₀

;

(29)

- для приварных встык фланцев с прямой втулкой, плоских фланцев и свободных фланцев

.

(30)

, D^* и f определяют по приложению К.

8.3.2 Напряжения в тарелке приварного встык фланца, плоского фланца и бурте свободного фланца в условиях затяжки вычисляют по формулам:

- радиальное напряжение

;

(31)

- окружное напряжение

.

(32)

, l₀, , и определяют по приложению К.

8.3.3 Окружное напряжение в кольце свободного фланца в условиях затяжки вычисляют по формуле

.

(33)

Коэффициент определяют по приложению К.

8.4 Расчетные напряжения во фланце в рабочих условиях

8.4.1 Меридиональные изгибные напряжения во втулке приварного встык фланца, обечайке (трубе) плоского фланца или обечайке (трубе) бурта свободного фланца в рабочих условиях вычисляют по формулам:

- для приварных встык фланцев с конической втулкой в сечении S₁

;

(34)

- для приварных встык фланцев с конической втулкой в сечении S₀

;

(35)

- для приварных встык фланцев с прямой втулкой, плоских фланцев и фланцев со свободными кольцами

.

(36)

, D^* и f определяют по приложению К.

8.4.2 Меридиональные мембранные напряжения во втулке приварного встык фланца, обечайке (трубе) плоского фланца или обечайке (трубе) бурта свободного фланца в рабочих условиях вычисляют по формулам:

- для приварных встык фланцев с конической втулкой в сечении S₁

;

(37)

- для приварных встык фланцев с конической втулкой в сечении S₀, приварных встык фланцев с прямой втулкой, плоских фланцев и свободных фланцев

.

(38)

8.4.3 Окружные мембранные напряжения от действия давления во втулке приварного встык фланца, обечайке (трубе) плоского фланца или обечайке (трубе) бурта свободного фланца в сечении S₀ вычисляют по формуле

.

(39)

8.4.4 Напряжения в тарелке приварного встык фланца, плоского фланца и бурте свободного фланца в рабочих условиях вычисляют по формулам:

- радиальное напряжение

;

(40)

- окружное напряжение

.

(41)

, l₀, , , определяют по приложению К.

8.4.5 Окружное напряжение в кольце свободного фланца в рабочих условиях вычисляют по формуле

.

(42)

Коэффициент определяют по приложению К.

8.5 Условия статической прочности фланцев

8.5.1 Для приварных встык фланцев с конической втулкой в сечении S₁ условия статической прочности вычисляют по формулам:

- при затяжке

;

(43)

- в рабочих условиях

,

(44)

где K_Т = 1,3 при расчете с учетом стесненности температурных деформаций. При расчете без учета стесненности температурных деформаций K_Т = 1.

K_S = 1 при K  1,4, K_S = 1,2 при K  2, для промежуточных значений при 1,4 < K < 2 значение K_S определяют с помощью линейной интерполяции.

8.5.2 Для приварных встык фланцев с конической втулкой в сечении S₀ условия статической прочности определяют по формулам:

- при затяжке

;

(45)

- в рабочих условиях

.

(46)

8.5.3 Для приварных встык фланцев с прямой втулкой, плоских фланцев и буртов свободных фланцев в сечении S₀ условия статической прочности вычисляют по формулам:

- при затяжке

;

(47)

- в рабочих условиях

,

(48)

где []₀ = []_м - допускаемое значение условных упругих напряжений в сечении S₀.

Для плоских фланцев при D  400 мм допускается принимать .

Значения коэффициентов K_Т и K_S определяют по 8.5.1.

8.5.4 Проверку приварных встык фланцев с прямой втулкой, плоских фланцев и буртов свободных фланцев в сечении S₀ по 8.5.3 допускается не проводить, если выполняются следующие условия:

;

(49)

;

(50)

;

(51)

.

(52)

8.5.5 Для фланцев всех типов в сечении S₀ должно выполняться следующее условие

.

(53)

8.5.6 Для тарелок приварных встык фланцев, плоских фланцев и буртов свободных фланцев должны выполняться следующие условия:

- при затяжке

;

(54)

- в рабочих условиях

.

(55)

K_Т определяют по 8.5.1.

8.5.7 Для колец свободных фланцев условия статической прочности определяют по формулам:

- при затяжке

;

(56)

- в рабочих условиях

.

(57)

K_Т определяют по 8.5.1.

9 Проверка углов поворота фланцев

9.1 Угол поворота приварного встык фланца, плоского фланца и бурта свободного фланца в рабочих условиях вычисляют по формуле

.

(58)

Допустимый угол поворота приварного встык фланца:

[] = 0,006 при D  400 мм,

[] = 0,013 при D > 2000 мм.

При значениях 400 мм < D  2000 мм допустимый угол поворота [] определяют с помощью линейной интерполяции.

Допустимый угол поворота плоского фланца или бурта свободного фланца [] = 0,013.

Коэффициент  = 1 - в рабочих условиях;  = 1,3 - в условиях испытания.

9.2 Угол поворота кольца свободного фланца в рабочих условиях вычисляют по формуле

.

(59)

Допустимый угол поворота кольца свободного фланца [] = 0,02.

10 Расчет элементов фланцевого соединения на малоцикловую усталость

10.1 Размах условных упругих напряжений в элементах фланцевого соединения

10.1.1 Размах условных упругих напряжений на наружной и внутренней поверхностях конической втулки приварного встык фланца в сечении S₁ в условиях затяжки вычисляют по формулам:

- меридиональное напряжение:

,

(60)

;

(61)

- окружное напряжение

;

(62)

- радиальное напряжение

.

(63)

10.1.2 Размах условных упругих напряжений в меридиональном направлении на наружной и внутренней поверхностях конической втулки приварного встык фланца в сечении S₀ в условиях затяжки вычисляют по формулам:

;

(64)

.

(65)

10.1.3 Размах условных упругих напряжений на наружной и внутренней поверхностях втулки приварных встык фланцев с прямой втулкой, плоских фланцев и бурта свободных фланцев в сечении S₀ в условиях затяжки вычисляют по формулам:

- меридиональное напряжение:

,

(66)

;

(67)

- окружное напряжение

;

(68)

- радиальное напряжение

.

(69)

10.1.4 Размах условных упругих напряжений на наружной и внутренней поверхностях конической втулки приварного встык фланца в сечении S₁ в рабочих условиях вычисляют по формулам:

- меридиональное напряжение:

,

(70)

;

(71)

- окружное напряжение

;

(72)

- радиальное напряжение

.

(73)

10.1.5 Размах условных упругих напряжений на наружной и внутренней поверхностях конической втулки приварного встык фланца в сечении S₀ в рабочих условиях вычисляют по формулам:

- меридиональное напряжение:

,

(74)

;

(75)

- окружное напряжение:

,

(76)

.

(77)

10.1.6 Размах условных упругих напряжений на наружной и внутренней поверхностях втулки приварных встык фланцев с прямой втулкой, плоских фланцев и бурта свободных фланцев в сечении S₀ в рабочих условиях вычисляют по формулам:

- меридиональное напряжение:

,

(78)

;

(79)

- окружное напряжение

;

(80)

- радиальное напряжение

.

(81)

10.2 Расчетные амплитуды приведенных условных упругих напряжений при затяжке

10.2.1 Для приварных встык фланцев с конической втулкой амплитуду приведенных условных упругих напряжений при затяжке вычисляют по формуле

.

(82)

определяют по графику, приведенному на рисунке 4, в зависимости от отношения r/S₁.

Рисунок 4 - График

10.2.2 Для приварных встык фланцев с прямой втулкой и бурта свободных фланцев амплитуду приведенных условных упругих напряжений при затяжке вычисляют по формуле

.

(83)

определяют по графику, приведенному на рисунке 4, при S₁ = S₀.

10.2.3 Для плоских фланцев амплитуду приведенных условных упругих напряжений при затяжке вычисляют по формуле

.

(84)

10.2.4 Для колец свободных фланцев амплитуду приведенных условных упругих напряжений при затяжке вычисляют по формуле

.

(85)

10.2.5 Для шпилек (болтов) амплитуду приведенных условных упругих напряжений при затяжке вычисляют по формуле

.

(86)

10.3 Расчетные амплитуды приведенных упругих напряжений в рабочих условиях

10.3.1 Для приварных встык фланцев с конической втулкой амплитуду приведенных условных упругих напряжений в рабочих условиях вычисляют по формуле

.

(87)

определяют по графику, приведенному на рисунке 4.

10.3.2 Для приварных встык фланцев с прямой втулкой и буртов свободных фланцев амплитуду приведенных условных упругих напряжений в рабочих условиях вычисляют по формуле

.

(88)

определяют по графику, приведенному на рисунке 4.

10.3.3 Для плоских фланцев амплитуду приведенных условных упругих напряжений в рабочих условиях вычисляют по формуле

.

(89)

10.3.4 Для колец свободных фланцев амплитуду приведенных условных упругих напряжений в рабочих условиях вычисляют по формуле

.

(90)

10.3.5 Для шпилек (болтов) амплитуду приведенных условных упругих напряжений в рабочих условиях вычисляют по формуле

.

(91)

, , , , , , в формулах (87)-(91) определяют как максимальные разности значений напряжений, определенных в соответствии с 10.1.4-10.1.6, 8.4.5 и 7.1; , , , , , , - соответственно при различных эксплуатационных нагрузках, имеющих место в течение одного цикла нагружения.

Коэффициент определяется по ГОСТ 34233.6.

10.4 Проверка малоцикловой прочности элементов фланцевого соединения

Проверку малоцикловой прочности элементов фланцевого соединения проводят по ГОСТ 34233.6. Для этого по амплитуде напряжений, определенной из условия затяжки () по 10.2, определяют допустимое число сборок - разборок [N]_С. По амплитуде напряжений, определенной для рабочих условий () по 10.3, определяют допустимое число циклов изменения режима эксплуатации [N]_Р.

Условие прочности для заданного числа циклов сборок-разборок N_С и изменений режима эксплуатации N_Р будет выполняться, если

.

(92)