Почему важна длина болта: предотвращение утечек во фланцах при температурных нагрузках

Фланцевые соединения являются важнейшими компонентами, обеспечивающими целостность сосудов высокого давления и трубопроводных систем в различных отраслях промышленности. Среди проблем, с которыми сталкиваются эти соединения, особое место занимают утечки при термических ударах и переходных температурных режимах. В различных статьях и интернет-дискуссиях мы часто встречаем рекомендации увеличить длину болтов для решения проблемы температурных нагрузок. Всегда ли это так? Рассмотрим подробнее, когда это реальность, а когда миф.

Что такое термический удар? Термический удар возникает, когда система подвергается быстрому и резкому изменению температуры. Из-за этого разные элементы соединения нагреваются с разной скоростью. Фланцевые соединения подвержены этому явлению, что приводит к разнице в температурном расширении (DFT) между болтами и фланцем. При неэффективном управлении эти изменения вызывают нагрузку на болты и фланцы, что может привести к утечкам. Иногда происходит пластическая деформация болта. Риск постоянного повреждения приводит к тому, что напряжения становятся слишком высокими, в результате чего болт может растянуться пластически, преднатяг уменьшится и соединение начнет постоянно течь.

Рисунок 1. Фланцевое соединение.

 

Длина болта, деформация и закон Гука

 

Считается, что длина болта является ключевым фактором, определяющим уровень напряжения, испытываемого фланцевым соединением при термическом ударе. Согласно закону Гука, деформация (изменение длины) материала прямо пропорциональна приложенному напряжению (силе) в пределах его предела упругости. Более длинные болты, при правильном выборе, обеспечивают дополнительную гибкость, позволяя лучше поглощать температурное расширение или сжатие. Такое снижение напряжения не только соответствует закону Гука, но и чаще всего сводит к минимуму риск повреждения прокладки, что способствует общей целостности фланцевого соединения.

Получаем, что более длинный болт:

·         работает как более мягкая пружина

·         лучше компенсирует тепловое расширение

·         снижает пиковые нагрузки на прокладку

 

Таким образом, соединение становится более устойчивым к термическим переходным процессам. Но длина болта всегда должна соответствовать размерам шайб, высоте гайки и требуемому выступу резьбы. При сборке, требующей открытого болта, длина болта должна быть такой, чтобы резьбовая часть болта выступала по крайней мере на один диаметр болта за наружную поверхность гайки со стороны открытой резьбы.

            Материал, из которого изготовлены болты, тоже важен, так как имеет другой коэффициент температурного расширения, что может существенно повлиять на гибкость соединения. Было бы полезно выбрать материалы с соответствующим коэффициентом температурного расширения.

 

Как увеличить эффективную длину болта?

 

Можно использовать:

1.      Удлинительные втулки. Они увеличивают расстояние между гайкой и фланцем.

2.      Пакеты пружинных шайб. Они добавляют упругость системе болтового соединения.

Рисунок 2. Использование удлинительной втулки.

Но использовать слишком длинные болты тоже плохо, так как можно столкнуться с проблемами:

·         открытая резьба может корродировать

·         сложнее демонтаж

·         возможен изгиб болта

·         риск механических повреждений.

Поэтому длину болтов нужно оптимизировать.

А теперь мы переходим от общих слов к инженерной реальности. Эта тема обычно сильно упрощается. В реальности фланцевое соединение  - это две пружины:

·         болт (рассматривается жесткость болта отдельно - Kb)

·         пакет «фланец + прокладка» (жесткость соединения - Kj)

Система работает как две пружины последовательно.

Таким образом, изменение нагрузки происходит по формуле ΔFb=Kb⋅ΔF / (Kb+Kj).

Когда длинные болты реально помогают

1.      Высокотемпературные фланцы, где ΔT = 200–400°C

·         пар

·         нефтехимия

·         печи

В этих случаях фланец нагревается быстрее и возникают большие тепловые напряжения.

Длинные болты уменьшают жесткость Kb, что ведет к снижению пиковой нагрузки. Это реально работает.

2.      Соединения с мягкими прокладками, типа спирально навитой прокладки или графитовой прокладки.

Такие прокладки чувствительны к перегрузке, поэтому более мягкий болт стабилизирует нагрузку и уменьшает разрыв.

3.      Температурные циклы, когда оборудование постоянно нагревается и охлаждается.

В таком случае более длинные болты уменьшают амплитуду изменения натяга и увеличивают срок службы.

А когда же это почти миф?

1.      Обычные трубопроводы. Например, вода, нефть с температурой ΔT < 80°C.

В этом случае температурные деформации слишком маленькие, чтобы длина болта что-то существенно изменила.

2.      Толстые фланцы.

У тяжёлых фланцев жесткость соединения очень высокая, намного больше жесткости болта, поэтому изменение длины болта почти не влияет на систему.

Таким образом, основной проблемой во фланцевых соединениях (80% утечек) по старинке все же являются:

·         плохая последовательность затяжки

·         неправильный крутящий момент

·         трение в резьбе

·         несоосность

а не длина болтов.

В этой ситуации сложно сделать самый главный и правильный инженерный вывод.

Лучшее средство против утечек — это:

·         правильный монтаж

·         контроль преднатяга

·         хорошая конструкция прокладки

·         расчет по нормативам

а не просто увеличение длины болтов.

В следующей статье мы применим эти знания на практике и выясним, почему в расчетах на прочность трубопроводов почти никогда не учитывают длину болта и какую ошибку часто делают при расчетах фланцев, из-за которой потом появляются утечки.

Оставайтесь с нами, и вы узнаете много интересного и нового!

Работайте с нами! Работайте с удовольствием!

Материал подготовила

Наталья Гаврилина

Руководитель направления по системам инженерного анализа

АО «Бюро САПР»