Расчет фланцевых соединений − всё ли так прозрачно? Продолжение

Учет фланцев в прочностном анализе − одна из самых недооценённых проблем при расчёте трубопроводов. Многие инженеры уверены, что если фланец проходит расчёт в программе по прочностному анализу, то утечек не будет. На практике это часто не так.

В таких программах, как СТАРТ, AutoPIPE, CAESAR II, фланцевый контроль делается обычно через модуль проверки фланцев или через проверку на эквивалентное давление во фланцевой паре. Но при этом модель фланца там сильно упрощена. В расчете учитывается осевая сила, изгибающий момент и давление. Результирующее значение от этих измерений сравнивается с допустимыми значениями из нормативного документа!

Что именно не учитывают программы? Они не моделирует систему пружин, т.е. жесткость болтов, жесткость фланцев, жесткость прокладки. Поэтому программы не рассчитывает реальную нагрузку на прокладку. А ведь всё это в комплексе определяет утечку.

Что на самом деле вызывает утечки?

В реальности утечки вызывают:

1. Потеря натяга болтов из-за

     · температурных циклов

     · ползучести прокладки

     · релаксации болтов

2. Поворот фланца. Когда появляется изгибающий момент, фланец начинает раскрываться. В результате нагрузка на внутренний край прокладки падает и появляется утечка.

3. Неравномерная нагрузка болтов − очень частая проблема. Даже при правильном торцевом моменте 30–50% болтов могут быть недотянуты.

Теперь самое интересное. Где длина болта реально начинает играть роль? Если болт очень короткий, его жесткость высокая.

Жесткость болта:

где

E — модуль упругости

A — площадь

L — длина болта.

Если L увеличивается, жесткость падает. Болт становится более «пружинным». В свою очередь это уменьшает изменение натяга, стабилизирует нагрузку на прокладку.

Но нужно понимать, что влияние это ограничено.

Если сравнить для примера болты на фланце для Dn300, где изначальная длина болта 150 мм → увеличена до 200 мм. Жесткость уменьшится только примерно на 25%. Это не революция.

Но есть области, где болты делают специально длинными. Обычно такое происходит в теплообменниках, реакторах и т.п., особенно при 400–500°C и больших температурных циклах.

Что реально помогает против утечек − гораздо лучше, чем длина болтов:

· Разгрузка болтов

· Пакеты пружин

· Контроль натяга

· Расчет герметичности в спец программах

Очень важно помнить, что при проектировании фланцев важна не только прочность, но и гибкость системы. Поэтому стандарты обычно делают акцент на правильном натяге болтов, характеристиках прокладки и процедуре затяжки.

Вы можете возразить − как же так! Говорите, что программы проверяют прочность фланца, а не герметичность соединения. Но ведь осевая сила и изгибающий момент как раз влияют на эквивалентное давление внутри фланцевой пары − другими словами, на раскрытие фланцевой пары и, как следствие, герметичность…

Да! Вы будете рассуждать абсолютно логично — и именно на этом месте чаще всего возникает путаница. Связь есть, но она непрямая и недостаточная, чтобы гарантировать герметичность.

Коллеги, вы абсолютно правы: силы и моменты влияют на герметичность. Упрощенно:

Это действительно отражает тенденцию к раскрытию фланца и снижение прижима прокладки. То есть связь с герметичностью есть.

НО проблема в том, что дальше программа проверяет это по нормативному документу (например по ASME Section VIII Division 1 Appendix 2). А этот стандарт вообще не про утечки! Он про прочность фланца, прочность болтов и предотвращение разрушения.

Даже если вы правильно учли Fa и M, то в формуле не учитывается начальный натяг болтов. А это основа герметичности: без него нельзя понять, сколько реально осталось давления на прокладке. Так же не учитывается модель болтов при которой они рассматриваются более податливыми («пружинными») при уменьшении жесткости.А если нет учета жесткости болтов, жесткости фланца, жесткости и поведения прокладки, значит программа не знает, как перераспределяется нагрузка. Такое можно учесть только в специальных модулях или программах по расчету фланцевых соединений.

Самая важная разница заключается в том, что в ПО логика такая:

«Нагрузка от трубопровода не должна превышать допустимую для фланца».

В реальности логика такая:

«Минимальное давление на прокладке не должно упасть ниже порога герметичности». Это вообще другая задача.

Иногда эквивалентное давление во фланцевой паре даёт ложное чувство безопасности. Очень типичный случай:

· маленькое давление

· небольшой момент

Программа говорит: всё ок.

Но:

· низкая преднагрузка

· мягкая прокладка

· небольшой поворот фланца

Напряжение в прокладке падает ниже минимума, получаем утечку.

И здесь связь нелинейная. Почему?

Мы думаем так: больше момент → больше раскрытие → хуже герметичность

Это верно, но:

Важнее не сам момент, а Δ𝐹𝑔𝑎𝑠𝑘𝑒𝑡, который зависит от:

· жесткости болта

· жесткости фланца

· прокладки

Очень наглядная аналогия описана ниже.

Случай A (жёсткая система)

· короткие болты

· жёсткий фланец

Как следствие, маленький момент → резкое падение нагрузки на прокладку.

Случай B (гибкая система)

· длинные болты

· более «мягкая» система

Как следствие, тот же момент → меньшее падение нагрузки на прокладку.

Программы в обоих случаях покажут одинаковое эквивалентное давление, но герметичность будет разная.

Не расстраивайтесь! Когда программы по расчету на прочность трубопроводов всё-таки полезны?

Они хорошо работают как:

· фильтр грубых ошибок

· контроль нагрузок от трубопровода

· сравнение вариантов трассировки

Но НЕ как инструмент для гарантии герметичности!

Как же делают правильно – идеальный вариант?

Проводим расчет в программе, получаем нагрузки (Fa, M).

Передаём их в расчёт в специализированное ПО. Проверяем минимальное напряжение в прокладке и класс утечек.

В итоге можно сделать вывод, что в базовой идее силы и моменты влияют на раскрытие и, как следствие, влияют на герметичность.

Но это только приближённый индикатор, а не реальный критерий утечки!

❗ Эквивалентное давление ≠ состояние утечек в прокладке.

В реальности необходимо проводить два расчета фланцевых соединений: на прочность и на герметичность

Пользуйтесь дополнительно специальными программами по расчету герметичности фланцевой пары (например, TEMES fl.cal). В крайнем случае, используйте методики расчета нормативных документов.

Сейчас передовым нормативом в мире по расчету именно утечек считается  EN 1591-1.  Лучшее, что разработано в РФ, −  ГОСТ 34233.4-2017:  он больше направлен на расчет прочности фланцев, болтов и усилий. В нем герметичность считается косвенно из-за того, что нет полноценной модели прокладки и отсутствует классификация уровня утечек. Но норматив очень достойный.

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».