Kraków 02.06.2014

Projekt połączenia kołnierzowego

Ø100 o ciśnieniu roboczym 100atmosfer

Projekt nr 74

Michał Biały

WWNiG GiG N Rok II

1. Wstęp

Temat opracowania: Połączenie kołnierzowe rurociągu gazowego o średnicy D_z=100mm przenoszącego ciśnienie 100atmosfer

Projekt obejmuje obliczenia sił działających w takim połączeniu w szczególności sił działających na uszczelkę, poszczególne śruby jak i siłę z jaką należy zamontować nakrętki śrub. Szczegółowe wytyczne dotyczące zasad projektowania połączeń kołnierzowych i zbiorników ciśnieniowych znajdują się w normie PN-EN 13445-3 która jest stosunkowo nową normą z 2002 roku.

1. Opis zagadnienia

Połączenie śrubowo-kołnierzowe składa się z dwóch osiowo-symetrycznych kołnierzy, uszczelki oraz śrub łączących oba elementy. Przy doborze materiału z jakiego wykonana jest uszczelka uwzględnia się własności mechaniczne termiczne i chemiczne. W szczególności ciśnienie robocze i warunki pracy. Stosuje się uszczelki miękkie (guma, kauczuk), średnio twarde(tworzywa sztuczne, teflon, papier, warstwowe wielomateriałowe), twarde(metale miękkie jak miedź). W zależności od warunków pracy skali połączenia i jakości wykonania elementów kołnierza należy dobrać odpowiedni materiał tak aby zapewniał szczelność. Pomimo doby obróbki materiałów technologią CNC pozwalającą na dokładność w zakresach tolerancji 0,001mm (stosowanej w przemyśle lotniczym) nadal stosuję się uszczelnienia połączeń kołnierzowych ze względu na istniejącą falistość powierzchni po obróbce i nierównomierny rozkład sił łączących kołnierze. Wykonanie w tak wysokich tolerancjach generuje dodatkowe zbędne koszty ponieważ połączenie kołnierzowe z uszczelką jest rozwiązaniem trwałym i bezpiecznym oraz prostym w utrzymaniu. Podstawowe rodzaje uszczelek reguluje norma PN-86/H-74374, natomiast norma PN-85/H-74306 reguluje wymiaru kołnierzy oraz ilości i rozmiar śrub połączeniowych. Zasady obliczeń wytrzymałości połączeń kołnierzowych śrubowych opisali np. Magnacki i Sekulski (1999) oraz Malinowski i innych (2005).

Zasadniczym problemem poruszanym w wielu pracach naukowych na temat połączenia kołnierzowego śrubowego jest szczelność takiego połączenia. Szczelność połączenia kołnierzowego śrubowego zapewnia zarówno uszczelka znajdująca się między kołnierzami, jak również śruba łącząca kołnierze. W projektowaniu połączeń tego typu wyróżnia się dwa stany: początkowy oraz eksploatacyjny. Stan montażowy (początkowy) charakteryzuje się ciśnieniem początkowym , natomiast w stanie roboczym (eksploatacyjnym) .

W niniejszym pracy zaprojektowane zostanie połączenie charakteryzujące się następującymi warunkami pracy:

• Ciśnienie robocze: p₀=10MPa,

• Średnica wewnętrzna rury: d₀=88mm dla średnicy zewnętrznej rury=100mm,

• Materiał użyty na uszczelkę: miedź.

Matematyczny model obliczeniowy

Warunek szczelności połączenia:

gdzie:

- ciśnienie medium przepływającego,

- ciśnienie na powierzchniach bocznych uszczelki.

Równane równowagi sił:

gdzie:

- liczba śrub,

- siła działająca na pojedynczą śrubę,

- siła działająca w uszczelce,

,

- średnica zewnętrzna uszczelki,

- średnica wewnętrzna uszczelki.

Równanie zgodności przemieszczeń:

gdzie:

- osiowe przesunięcie nakrętek – dokręcanie,

- wydłużenie śrub,

- ugięcie uszczelki,

- długość śruby,

- moduł Younga dla materiału śruby,

- pole powierzchni przekroju śruby,

,

- średnica śruby,

- grubość uszczelki,

- moduł Younga dla materiału uszczelki,

- współczynnik uszczelki,

,

.

Stan eksploatacyjny ():

• Równanie równowagi sił:

gdzie:

• Równanie zgodności przemieszczeń – zgodność przyrostów przemieszczeń:

gdzie:

- przyrost wydłużenia śruby,

- zmniejszenie ugięcia uszczelki.

Warunek szczelności połączenia:

gdzie:

- współczynnik bezpieczeństwa ()

Minimalny nacisk na powierzchnię boczną uszczelki:

gdzie:

,

.

Osiowe przesunięcie nakrętek – dokręcanie:

.

1. Założenia projektowe:

d₀=88mm

E_s=2,05*10⁵ MPa

E_u=1,1*10² MPa

n_s=8 liczba śrub

Ds=16 (M16)

L_s=70mm (długość gwintu 20mm, długość zaciskowa 40mm, grubość łba i nakrętki po 10mm)

t_u=6mm

D_w=89mm

D_z=154mm

C_s=1,3

Rozwiązanie:

A_s=201mm²

A_u=12399mm²

P_u=18MPa

F_u=221400 N

F_s=27675 N dla śruby M16 w klasie wytrzymałości 8.8

σ_N=0,000285m= 0,285mm

Wnioski:

Założenia projektowe w tym dobór ilości i grubości śrub oraz rodzaj i rozmiar uszczelki są odpowiednio dobrane do badanego złącza kołnierzowego. Obliczenia potwierdzają że spełniony jest warunek szczelności dla złącza ponieważ ciśnienie jakie będzie wywierane po zewnętrznej stronie uszczelki wyniesie 18MPa czyli o 80% większe niż ciśnienie przepływającego medium. Obliczenia potwierdziły również że w warunkach stałego działania siły śruby M16 będą poddane jednostkowemu obciążeniu rzędu 2,7kN co również jest wartością bezpieczną ponieważ śruby metryczne w tym rozmiarze wartość graniczną zaczynają przy sile 3,7kN. W tym połączeniu zaleca się zastosowanie śrub o jakości materiału co najmniej 8.8. Przesunięcie osiowe nakrętki wynosić ma 0,285mm.