Навигация по таблицам
- Таблица 1: Площади поперечных сечений болтов
- Таблица 2: Моменты затяжки болтов
- Таблица 3: Расчетные усилия для фланцевых соединений
Таблица 1: Площади поперечных сечений болтов
| Диаметр резьбы, мм | Шаг резьбы, мм | Внутренний диаметр d3, мм | Площадь сечения нетто, см² | Площадь сечения брутто, см² |
|---|---|---|---|---|
| М10 | 1,5 | 8,376 | 0,571 | 0,785 |
| М12 | 1,75 | 10,106 | 0,844 | 1,131 |
| М16 | 2,0 | 13,835 | 1,570 | 2,011 |
| М20 | 2,5 | 17,294 | 2,450 | 3,142 |
| М24 | 3,0 | 20,752 | 3,530 | 4,524 |
| М27 | 3,0 | 23,752 | 4,620 | 5,726 |
| М30 | 3,5 | 26,211 | 5,610 | 7,069 |
Таблица 2: Моменты затяжки болтов для фланцевых соединений
| Диаметр болта | Класс прочности 8.8 | Класс прочности 10.9 | Высокопрочные болты | Примечания |
|---|---|---|---|---|
| М10 | 35 Н·м | 50 Н·м | - | Сухая резьба |
| М12 | 60 Н·м | 85 Н·м | - | Сухая резьба |
| М16 | 140 Н·м | 200 Н·м | - | Сухая резьба |
| М20 | 275 Н·м | 390 Н·м | 470 Н·м | Смазанная резьба |
| М24 | 475 Н·м | 675 Н·м | 815 Н·м | Смазанная резьба |
| М27 | 650 Н·м | 925 Н·м | 1115 Н·м | Смазанная резьба |
| М30 | 900 Н·м | 1280 Н·м | 1545 Н·м | Смазанная резьба |
Таблица 3: Расчетные усилия для фланцевых соединений
| Диаметр условного прохода | Давление Ру, МПа | Количество болтов | Диаметр болтов | Усилие на болт, кН |
|---|---|---|---|---|
| 50 | 1,6 | 4 | М12 | 12,5 |
| 80 | 1,6 | 8 | М12 | 15,2 |
| 100 | 1,6 | 8 | М16 | 22,8 |
| 150 | 1,6 | 8 | М20 | 38,5 |
| 200 | 1,6 | 12 | М20 | 42,3 |
| 250 | 1,6 | 12 | М24 | 68,7 |
| 300 | 1,6 | 12 | М27 | 95,2 |
Оглавление статьи
- 1. Основы расчета фланцевых соединений
- 2. Расчет усилий в болтах фланцевых соединений
- 3. Определение площадей поперечных сечений болтов
- 4. Расчет моментов затяжки болтов
- 5. Опасность перетяжки болтов и ее последствия
- 6. Правильная последовательность затяжки болтов
- 7. Контроль качества болтовых соединений
1. Основы расчета фланцевых соединений
Фланцевые соединения представляют собой разъемные соединения трубопроводов, сосудов и аппаратов, широко применяемые в нефтегазовой, химической и энергетической промышленности. Правильный расчет усилий на болтах является критически важным для обеспечения герметичности соединения и безопасности эксплуатации оборудования.
Pб = (Pпр + Pр) / n
где Pб — усилие на один болт, кН;
Pпр — усилие от прокладки, кН;
Pр — усилие от рабочего давления, кН;
n — количество болтов в соединении.
Расчет фланцевых соединений выполняется в соответствии с требованиями ГОСТ 34233.4-2017 и включает проверку прочности болтов, герметичности соединения и прочности элементов фланца. Основными нагрузками, воздействующими на болты, являются усилия от затяжки прокладки и внутреннего давления среды.
2. Расчет усилий в болтах фланцевых соединений
Усилия в болтах фланцевых соединений определяются исходя из необходимости обеспечения герметичности соединения и восприятия нагрузок от внутреннего давления. Расчет проводится для двух состояний: при монтаже (затяжка) и в рабочих условиях.
Для фланца Ду 100, Ру 1,6 МПа с 8 болтами М16:
- Площадь прокладки: Aпр = 0,0084 м²
- Усилие от давления: Pр = 1,6 × 0,0084 = 13,44 кН
- Усилие затяжки прокладки: Pпр = 25 кН
- Общее усилие: Pобщ = 13,44 + 25 = 38,44 кН
- Усилие на один болт: Pб = 38,44 / 8 = 4,8 кН
При расчете необходимо учитывать коэффициент надежности, обычно принимаемый равным 1,2-1,5, и дополнительные нагрузки от температурных деформаций. Для высокотемпературных соединений вводится поправочный коэффициент на ползучесть болтового материала.
3. Определение площадей поперечных сечений болтов
Площадь поперечного сечения болта является основным параметром для определения его несущей способности. Различают площадь сечения нетто (по внутреннему диаметру резьбы) и площадь сечения брутто (по номинальному диаметру).
Aнетто = π × d3² / 4
Aбрутто = π × d² / 4
где d3 — внутренний диаметр резьбы, мм;
d — номинальный диаметр болта, мм.
Для расчетов на прочность используется площадь сечения нетто, так как именно в этом сечении возникают максимальные напряжения. Площадь сечения брутто применяется при расчетах на срез и смятие. В таблице 1 приведены стандартные значения площадей для наиболее распространенных диаметров болтов.
4. Расчет моментов затяжки болтов
Момент затяжки болтов определяется исходя из требуемого усилия предварительной затяжки и характеристик резьбового соединения. Правильный расчет момента затяжки обеспечивает достижение необходимого усилия в болте без превышения предела текучести материала.
M = k × F × d
где M — момент затяжки, Н·м;
k — коэффициент затяжки (0,15-0,25);
F — требуемое усилие затяжки, Н;
d — номинальный диаметр болта, м.
Коэффициент затяжки k зависит от состояния резьбовых поверхностей, наличия смазки и материала болта. Для сухих неоцинкованных болтов k = 0,20-0,25, для смазанных болтов k = 0,12-0,18. Использование смазки значительно снижает требуемый момент затяжки и повышает точность контроля усилия предварительной затяжки.
5. Опасность перетяжки болтов и ее последствия
Перетяжка болтов является одной из наиболее распространенных причин преждевременного выхода из строя фланцевых соединений. Чрезмерное усилие затяжки приводит к превышению предела упругости материала болта и его переходу в область пластических деформаций.
• Необратимая пластическая деформация болта
• Снижение усталостной прочности крепежа
• Повреждение резьбы болта или гайки
• Деформация фланцевых поверхностей
• Повреждение прокладки и потеря герметичности
Перетянутый болт теряет способность работать как упругий элемент и не может компенсировать температурные деформации и вибрационные нагрузки. Это приводит к ослаблению соединения в процессе эксплуатации и возможной разгерметизации фланцевого соединения.
При превышении момента затяжки болта М20 класса 8.8 более чем на 30% (свыше 360 Н·м) происходит пластическая деформация. Болт удлиняется на 0,8-1,2 мм, что приводит к снижению усилия затяжки на 25-40% уже через несколько часов после монтажа.
6. Правильная последовательность затяжки болтов
Последовательность затяжки болтов имеет критическое значение для равномерного распределения нагрузки по периметру фланца и предотвращения деформации прокладки. Затяжка выполняется в несколько проходов с постепенным увеличением момента.
1-й проход: 30% от номинального момента
2-й проход: 60% от номинального момента
3-й проход: 100% от номинального момента
Контрольный проход: проверка достижения момента
Для фланцев с четным количеством болтов применяется схема "крест-накрест", для фланцев с нечетным количеством болтов — схема "звезда". Начинать затяжку следует с болта, расположенного в наиболее доступном месте, затем переходить к диаметрально противоположному болту.
После выполнения основной затяжки необходимо провести контрольную проверку всех болтов, так как затяжка одного болта влияет на напряженное состояние соседних болтов. Особое внимание следует уделить равномерности зазора между фланцами по всему периметру.
7. Контроль качества болтовых соединений
Контроль качества болтовых соединений включает проверку момента затяжки, визуальный осмотр и периодический контроль в процессе эксплуатации. Правильно выполненное соединение должно обеспечивать герметичность при всех режимах работы оборудования.
• Динамометрический контроль момента затяжки
• Измерение удлинения болтов
• Контроль параллельности фланцевых поверхностей
• Визуальный осмотр состояния резьбы
• Проверка герметичности под рабочим давлением
Периодический контроль болтовых соединений должен проводиться согласно регламенту технического обслуживания оборудования. Особое внимание следует уделять соединениям, работающим при высоких температурах и давлениях, где возможна релаксация напряжений в болтах.
При обнаружении ослабления болтов необходимо выяснить причину и устранить ее перед повторной затяжкой. Многократная перетяжка без устранения причин ослабления приводит к ускоренному износу резьбы и снижению надежности соединения.
Часто задаваемые вопросы
Заявление об ответственности: Данная статья носит исключительно ознакомительный характер и предназначена для общего понимания принципов расчета усилий на болтах при соединении фланцев. Все расчеты и технические решения должны выполняться квалифицированными специалистами в соответствии с действующими нормативными документами и стандартами.
Источники:
1. ГОСТ 34233.4-2017 "Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность. Расчет на прочность и герметичность фланцевых соединений"
2. СП 16.13330.2017 "Стальные конструкции" (с изменениями №1-6)
3. ГОСТ ISO 898-1-2014 "Механические свойства крепежных изделий из углеродистых и легированных сталей. Часть 1. Болты, винты и шпильки установленных классов прочности"
4. ГОСТ ISO 898-2-2015 "Механические свойства крепежных изделий из углеродистых и легированных сталей. Часть 2. Гайки установленных классов прочности"
5. ГОСТ Р ИСО 8992-2011 "Изделия крепежные. Общие требования к болтам, винтам, шпилькам и гайкам"
Отказ от ответственности: Автор не несет ответственности за любые прямые или косвенные убытки, возникшие в результате использования информации, содержащейся в данной статье, без дополнительной проверки и консультации с квалифицированными специалистами.
