Главная / Технологии Bete / Муфты Dur O Lok / Технические отчеты / Компактные муфты и крышки высокого давления

Конструкция компактных муфт и крышек высокого давления для аппаратов под давлением и трубопроводов

ЭТОТ ДОКУМЕНТ СОДЕРЖИТ КОРПОРАТИВНУЮ ИНФОРМАЦИЮ, КОТОРАЯ НЕ ДОЛЖНА БЫТЬ ИСПОЛЬЗОВАНА В ЦЕЛЯХ КОНКУРЕНЦИИ ИЛИ КАКИМ-ЛИБО ОБРАЗОМ НАНОСИТЬ УЩЕРБ КОМПАНИИ BETE FOG NOZZLE INC. ©BETE FOG NOZZLE, INC.

Авторы

Дэвид Х. Ван Тассель (David H. Van Tassel, P.E.)

и

Гиффорд Л. Хитц (Gifford L. Hitz)

РЕЗЮМЕ

В статье описывается конструкция и особенности трубного соединения и крышки для использования с разнообразными аппаратами под давлением и трубопроводами для следующих применений: нефтехимия, морские установки, атомная промышленность, электротехника и синтетические топлива, при низком и высоком давлении. Трубное соединение состоит из пары втулок, соединенных вместе с помощью разрезного соединителя с несколькими кольцевыми проточками, соединитель фиксируется конусным кольцом.

 

Выполнено сравнение с болтовым фланцем, которое показало, что кольцевые проточки распределяют усилия в муфте таким образом, что уровень напряжений существенно снижается - эффективно исключаются причины утечки в болтовых фланцах. Этот метод распределения напряжений также обеспечивает компактность муфты, значительно уменьшается вес и размер, что дает несколько преимуществ не только по сравнению с болтовыми соединениями, но и с другими муфтами.

 

1. ВВЕДЕНИЕ

Крышки для аппаратов под давлением и соединения для трубопроводов создавали проблемы с самого начала использования аппаратов и труб. Правила для аппаратов под давлением и стандарты на трубопроводы регулярно пересматриваются и обновляются со временем. Тем не менее, большинство обновлений правил для аппаратов под давлением и стандартов на трубопроводы нацелены на стандартизацию размеров, расчетов и уточнение свойств материалов, но не на концептуальное обновление конструкции соединений.

 

Большинство конструкций учитывает адекватный предшествующий опыт [1], однако традиционные болтовые соединения имеют общепризнанные недостатки. Это подтверждается в процессе обсуждений Приложения S к Секции VIII кода ASME по котлам и сосудам высокого давления, и также в повседневной практике работы в промышленности. В качестве примера укажем, что при пуске опытной установки по производству синтетического топлива возникли проблемы преимущественно с трубными соединениями - проблемы были идентифицированы как утечки, которые не давали возможность поддерживать давление на отдельных участках установки [2].

 

В течение многих лет проблемы с болтовыми фланцами пытались решить путем совершенствования конструкции. Эти усилия в основном направлены на четыре вида соединений:

  1. Хомут

  2. Втулка

  3. Срезное кольцо

  4. Срезной штифт

 

В этих соединениях используются два метода обеспечения герметичности:

  1. Болты или резьбовые штифты

  2. Конусные кольца или штифты

 

Авторы этой статьи предложили конструкцию, которую можно отнести к типу муфты с хомутом, в которой использованы срезные элементы и конусное кольцо.

 

2. ОБСУЖДЕНИЕ КОНСТРУКЦИИ

2.1 Описание проблемы

Признаем, что в некоторых применениях существует проблема с болтовыми соединениями, и рассмотрим эту проблему, в том числе ее причину, чтобы подобрать адекватное решение.

Утечки. В промышленности наиболее широко применяются болтовые фланцы, однако во многих случаях они создают проблемы из-за утечек. Естественно, что в некоторых ситуациях это просто небольшое неудобство, но в любом случае утечки нежелательны.

Причиной проблемы с утечками является сам принцип болтовых фланцев - разделяющие гидростатические силы или концевые нагрузки передаются по обходному пути. Результирующий момент создает напряжения изгиба, которые требуют увеличения толщины фланца и стенок прилегающих втулок.

В свою очередь металлические детали такого большого сечения создают трудности при металлургической и тепловой обработке, а также при работе с такими деталями (вес и габариты), при эксплуатации и в целом с точки зрения экономичности [3]. Момент плеча сил быстро растет с увеличением диаметров и давлений, что ограничивает практичное герметичное использование болтовой конструкции.

Приложение S к Секции VIII, Раздел 1 кода содержит обсуждение "некоторых практических аспектов, которые следует принимать во внимание с целью получения обслуживаемой конструкции" для болтовых фланцевых соединений [1]. Эти обсуждения сконцентрированы вокруг болтов, фланцев и прокладок - трех компонентов болтового фланцевого соединения. Чрезмерные напряжения могут возникать в любом из этих трех компонентов при любом сочетании трех нагрузок: первоначальная болтовая нагрузка, гидростатическая нагрузка из-за внутреннего давления и нагрузка из-за разности температур. Каждая из этих нагрузок передается всеми тремя компонентами соединения.

 

Применительно к болтам чрезмерная первоначальная нагрузка создает опасность текучести в самих болтах, которая может возникать при операциях затяжки и привести к повреждению или даже к разрыву болтов. Любая прикладываемая дополнительная нагрузка из-за внутреннего давления может привести к дальнейшей текучести и вероятной утечке. Заметная разница температур фланца и болтов или разный коэффициент температурного расширения может вызвать увеличение болтовой нагрузки, которая добавится к уже существующей нагрузке и может достичь величины текучести болтов. При попытках предотвратить повышенную болтовую нагрузку в описанных ситуациях и при уменьшении затяжки болтов прямым следствием опять будут утечки. В любом случае может быть необходима подтяжка болтов, но не следует забывать об кумулятивности эффекта подтяжки, который в конечном итоге приведет к невозможности дальше обслуживать болтовое соединение.

Чрезмерная болтовая нагрузка независимо от ее причины может привести к текучести фланца, даже если болты еще не достигнут это состояние. Одной из наиболее частых причин нарушения герметичности фланцев является неустранимая деформация фланца из‑за неравномерной по окружности затяжки болтов соединения, при этом поверхность фланца и пятно контакта с прокладкой становятся неплоскими. Эта текучесть обусловлена напряжением изгиба, которое обычно имеет наибольшую величину в фланце.

Прокладка также может быть перегружена за счет приложения полной первоначальной болтовой нагрузки, даже без учета дополнительных болтовых нагрузок. Соответственно следует принять меры для предотвращения полного разрушения прокладки [1].

 

2.2 Цели

Авторы изучили типичные проблемы с крышками для аппаратов под давлением и с трубными соединениями, сформулировали и к настоящему моменту реализовали следующие цели:

  • Разработка муфты малого диаметра для улучшения использования пространства трубных эстакад и упрощения проблем с зазорами между трубопроводами.

  • Разработка легковесного соединения, способного соответствовать полной прочности трубы.

  • Использование самоустанавливающегося уплотнения в виде простого заменяемого элемента при каждой сборке соединения.

  • Исключение затяжки болтов и обеспечение гарантированной правильной сборки, при которой не требуется специальная квалификация работников.

  • Снижение вероятности смятия или повреждения деталей при разборке. Исключение использования резьбовых соединений и поверхностей с высококачественной механической обработкой.

  • Минимизация эффектов неравномерного нагрева, быстрого изменения температуры или колебания давления.

  • Разработка трубного соединения в соответствии со всеми применимыми положениями кода.

 

2.3 Пути решения задачи

Так как были выявлены три компонента, из-за которых возникают проблемы болтовых фланцев, то решение задачи заключается в изменении всех трех компонентов.

Во-первых, вместо болтов предложен разрезной соединитель с несколькими кольцевыми проточками. Использование соединителя исключает вероятность чрезмерной первоначальной затяжки болтов, потому что у него есть заранее заданный уровень напряжений, который зависит от геометрии проточек. Соединитель также сводит к минимуму вероятность тепловых нагрузок благодаря плотному контакту с втулками по поверхности наружного диаметра трубопровода в отличие от болтов, которые находятся в отверстиях большого размера и на существенно большей окружности центровых отверстий. Кроме того, соединитель имеет площадь поперечного сечения почти в два раза больше, чем площадь болтов эквивалентного по номиналу соединения, уровни напряжений в большинстве случаев соответствуют напряжениям в трубе и эффективно уменьшены. Помимо перечисленных усовершенствований наиболее существенным преимуществом является уменьшение расстояния между точками реакции на нагрузку; а именно, длина болтов или соединителя, которые удлиняются и укорачиваются в соответствии с первоначальной болтовой, гидростатической и тепловой нагрузкой. В наиболее жестких условиях эксплуатации эта длина в соединителе составляет доли дюйма, тогда как у крупных болтовых фланцев высокого давления эта длина превышает один фут.

Во-вторых, вместо фланцев предложены втулки с несколькими кольцевыми проточками. Проблема большого изгибающего момента в фланцах устраняется за счет организации несущей нагрузку поверхности в форме нескольких уровней, по аналогии с орудийным затвором. Такая форма не требует отдельной или специальной кузнечной обработки, канавки можно прорезать непосредственно в цилиндрической стенке, а операции разборки и повторной сборки упрощаются [4]. Большие изгибающие моменты в болтовых фланцах снижаются до несущественного уровня, и конструкция позволяет легче рассчитать напряжения среза и нагрузки в нескольких проточках.

В заключение отметим, что вместо требующей высоких усилий сжатия прокладки используется самоустанавливающая прокладка. Предлагаются две прокладки, которые самостоятельно устанавливаются под действием давления: одна прокладка металлическая собственной конструкции типа "overcenter" для высоких температур, критических или долговременных условий работы; вторая круглая прокладка кольцевого сечения "O-ring" для низкотемпературного применения. Эти прокладки легко заменить, и для них не требуется точная механическая обработка посадочных мест. Отсутствует опасность полного разрушения или кратковременного ослабления этих прокладок - исходное положение посадки предопределено геометрией проточек, а герметичность поддерживается за счет внутреннего давления. Это становится возможным благодаря точно заданной и постоянной геометрии полости для прокладок.

 

3. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ КОНСТРУКЦИИ

При расчете усилий в болтовых фланцах, действующий на фланец момент равен произведению силы на рычаг силы. Рычаг силы зависит от относительного положения окружности центров болтов и создающей момент нагрузки [1].

Как отмечалось выше, обсуждаемая в статье конструкция призвана существенно уменьшить эти моменты за счет минимизации рычагов силы. Это достигается путем расположения несущих нагрузку поверхностей как можно ближе к нагрузке. Соответственно, диаметр проточки соединителя гораздо меньше, чем диаметр центров болтов эквивалентного болтового фланца.

Расчеты этих моментов позволяют наглядно сравнить болтовой фланец и предложенную муфту. Были выполнены расчеты моментов для приварного воротникового фланца 2-9/16" по API тип 6BX на давление 150000 фунт/кв. дюйм и для сравнимой муфты 3 дюйма XXS Dur O Lok (Приложение). Эти расчеты показали, что большой изгибающий момент, основной источник утечек в болтовых фланцах, удалось значительно уменьшить благодаря конструкции муфты; уменьшенная доля в суммарном моменте составляет всего 7% по сравнению с болтовым фланцем, табл. 1.

ТАБЛИЦА 1. Сравнение моментов в фланце API тип 6BX и в муфте DUR O LOK

Главной особенностью конструкции описанной в статье муфты является уменьшение уровней напряжений и предотвращение их концентрации. Помимо уменьшенных напряжений за счет уменьшения моментов, напряжения распределяются более равномерно. В болтовых фланцах существует повышение уровней напряжений в каждом месте установки болтов, а в описанной в статье муфте уровень напряжений поддерживается равномерным по окружности, и не зависит от неравномерности механической затяжки болтов и гаек.

С практической точки зрения в конструкции муфты необходимо учитывать осевые срезающие усилия и усилия нагрузки. Дополнительную стойкость к нагрузке можно обеспечить за счет увеличения количества кольцевых проточек. Соответственно втулка и зажимающие соединители могут быть консервативно спроектированы для несения высоких внешних нагрузок в дополнение к нагрузкам от давления.

Как отмечено в Приложении S кода ASME, Секция VII, Раздел 1 основной причиной утечек в болтовых фланцах является удлинение болтов вследствие первоначальной затяжки болтов, повышения давления или циклов изменения температуры при эксплуатации. Удлинение вследствие гидростатической силы (давление) было рассчитано (Приложение) согласно общепринятой теории прочности материалов, табл. 2.

ТАБЛИЦА 2. Сравнение удлинения болтов в фланце API тип 6BX и соединителей в муфте DUR O LOK

Расчетное удлинение покажется небольшим, однако вспомним, что молекула газа может иметь размер 0,001 микрон. Поэтому, если форма прокладки нарушается, то газ может вытекать через зазор величиной 0,002 дюйм. В описанной в статье муфте используется самоустанавливающаяся под действием давления прокладка, и с учетом удлинения величиной всего на 1/50 от эквивалентного болтового фланца, такая прокладка обеспечивает герметичность.

 

4. ЭМПИРИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА

В течение нескольких предыдущих лет проведены разнообразные испытания муфт Dur O Lok размером от 3 до 12 дюймов. Эти серии испытаний проведены преимущественно на 3‑дюймовых муфтах из углеродистой стали, приваренных к трубе 3" типоразмера Schedule 80 ASTM A106 марки B. Сначала проводилось испытание высоким давлением. Давление поднималось до величины 6370 фунт/кв. дюйм циклически 50 раз, утечки не было, соответственно не было текучести вследствие изменения напряжений и внутреннего давления.

Затем проводилось испытание паром. Давление пара составляло 2300 фунт/кв. дюйм, пар вырабатывался с помощью внешней кислородно-пропановой горелки, пламя направлялось непосредственно на одну сторону муфты, также циклически пять раз. Ни в одном из циклов испытаний утечки не наблюдалось, что свидетельствует о стойкости к текучести при тепловых воздействиях.

Третьим испытанием муфты 3" SCH 80 из углеродистой стали было испытание на изгиб. Внутреннее давление поддерживалось на уровне 1500 фунт/кв. дюйм, устройство в сборе имело длину восемь футов, гидравлический домкрат воздействовал на муфту в середине, а концы устройства были закреплены; отклонение в точке приложения силы составляло 0,45 дюйма, утечки и деформации муфты не наблюдалось, что свидетельствует о стойкости к внешним нагрузкам.

В дополнение проведено испытание в циклическом режиме трубной муфты DUR O LOK 3" IPS XXS A105 из углеродистой стали с уплотнительным кольцом O-ring из эластомера Viton с алюминиевым опорным кольцом, с трубой из углеродистой стали 3" IPS XXS A106 марка B длиной один фут и с приварными заглушками из углеродистой стали 3" IPS XXS A105, приваренными к каждому концу муфты, а в заключение испытание для проверки конструкции согласно стандарту ANSI B16.9-1978. Это испытание было повторено пять раз с доведением давления до 15000 фунт/кв. дюйм и с выдержкой. Затем давление поднималось до 20000 фунт/кв. дюйм и выдерживалось, затем поднималось до 22500 фунт/кв. дюйм (гидростатическое испытательное давление для рабочего давления 15000 фунт/кв. дюйм) и выдерживалось; затем давление было поднято до 24500 фунт/кв. дюйм, после чего уплотнение отказало. В муфту было поставлено новое уплотнение, и такая же процедура испытания была повторена, во втором испытании конечное давление составило 25000 фунт/кв. дюйм.

 

Эти испытания ясно показывают хорошую пригодность муфты для использования при высоком давлении - отличные от авторской конструкции уплотнения позволяют использовать эти 3-дюймовые муфты при более экстремальных давлениях.

 

5. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Представленные в статье муфта и крышка имеют важные конструктивные преимущества по сравнению с болтовыми фланцевыми соединениями и заглушками. Эта муфта и крышка не только исключают утечки, которые являются основной слабой стороной болтовых соединений; они также компактнее и легче, для сборки и разборки требуется гораздо меньше времени, причем в любом положении без учета ориентации болтовых отверстий.

Наиболее важной характеристикой этой конструкции является то, что все преимущества достигаются в результате применения одного из наиболее базовых принципов проектирования - улучшение конструкции за счет минимизации напряжений и исключения концентрации напряжений.

 

ССЫЛКИ

  1. ASME BOILER AN DPRESSURE VESSEL CODE, Section VIII, Division 1, 1980.

  2. Pechacek, R., “High Pressure, Quick Acting Closure for Large Diameter, Full Opening, Nuclear and Petro-Chem Pressure Vessels," ASME 78-PVP-74.

  3. SYNFUELS, McGraw-Hill, August 21, 1981.

  4. Jorgensen, S. M., “Designs for Closures and Shell Joints," MECHANICAL ENGINEERING, Vol. 91, No. 6.

 

ПРИЛОЖЕНИЕ

Для удобства сравнения, в левом столбце показаны вычисления моментов в приварном воротниковом фланце 2-9/16" API тип 6BX на максимальное рабочее давление 15000 фунт/кв. дюйм, а в правом столбце показаны вычисления моментов в муфте 3" XXS DUR O LOK при давлении 15000 фунт/кв. дюйм.

ЭТОТ ДОКУМЕНТ СОДЕРЖИТ КОРПОРАТИВНУЮ ИНФОРМАЦИЮ, КОТОРАЯ НЕ ДОЛЖНА БЫТЬ ИСПОЛЬЗОВАНА В ЦЕЛЯХ КОНКУРЕНЦИИ ИЛИ КАКИМ-ЛИБО ОБРАЗОМ НАНОСИТЬ УЩЕРБ КОМПАНИИ BETE FOG NOZZLE INC. ©BETE FOG NOZZLE, INC.

© 2012-2020 Spray Expert, LLC "Expert Engineering" - the exclusive distributor of Bete Fog Nozzle INC. in the Russian Federation and the CIS countries