Obliczanie połączeń kołnierzowych w świetle norm PN-EN 13445.pdf
(
406 KB
)
Pobierz
ćż
Nr 6/2011
INŻYNIERIA I APARATURA CHEMICZNA
str. 5
Łukasz FELKOWSKI
1
, Jan TALAGA
2
e-mail: lukasz.felkowski@prozach.pl
1
B.P. PROZACH Sp. z o.o. Oświęcim
2
Katedra Aparatury Przemysłowej, Wydział Mechaniczny, Politechnika Krakowska, Kraków
Obliczanie połączeń kołnierzowych w świetle norm PN-EN 13445
i specyfi kacji technicznej WUDT-UC
Norma
PN-EN 13445-3
niesie ze sobą szereg nowych terminów, nie-
znanych dotychczas użytkownikom wytycznych
WUDT-UC
. Jednym
z takich określeń jest kołnierz integralny, który swoją nazwę zawdzię-
cza konstrukcji. Zgodnie z [7] są to kołnierze, których kryza i szyjka
stanowią jednorodną, ciągłą strukturę z tego samego materiału lub są
ze sobą połączone przez spawanie (z dwóch różnych lub tych samych
materiałów). Odpowiednikiem tego terminu w specyfi kacji technicznej
WUDT-UC
są kołnierze stałe, takie jak szyjkowe jednoczęściowe i spa-
wane oraz kryzowe.
Wstęp
Zbiorniki ciśnieniowe oraz inne urządzenia służące do magazyno-
wania czynników pod ciśnieniem, prowadzenia procesów cieplnych,
chemicznych lub innych pokrewnych muszą spełniać szereg wymogów
zapewniających bezpieczeństwo ich pracy. Urządzeń ciśnieniowych
dotyczy
Dyrektywa Parlamentu Europejskiego Rady 97/23/WE z dnia
29 maja 1997 roku w sprawie zbliżenia przepisów prawnych państw
członkowskich dotyczących urządzeń ciśnieniowych
[1]. Dyrektywa
ta tworzona w myśl nowego podejścia, w odróżnieniu od dyrektyw
starego podejścia, nie zawiera przykładów szczegółowych rozwiązań
technicznych. Zostały one natomiast zawarte w normach z nią zharmo-
nizowanych, które nie są obowiązkowe, ale ich stosowanie stwarza do-
mniemanie spełnienia wymagań zasadniczych odpowiednich dyrektyw
[2]. Taką normą jest
PN-EN 13445
, której trzecia część
PN-EN 13445-3
dotyczy obliczeń wytrzymałościowych [3]. W Polsce przez wiele lat
stosowano
Warunki Urzędu Dozoru Technicznego – Urządzenia Ciśnie-
niowe
–
WUDT-UC
[4], które mogą być bezpośrednio wykorzystywane
przy projektowaniu i wytwarzaniu urządzeń ciśnieniowych podlegają-
cych dyrektywie
97/23/WE
, dla których wymagane jest postępowanie
według dobrej praktyki inżynierskiej.
Jak wykazało wieloletnie doświadczenie, wytyczne
Dozoru Tech-
nicznego
w dziedzinie projektowania i wytwarzania urządzeń ciśnie-
niowych oraz praktyka ich stosowania były właściwe i zapewniały
odpowiedni poziom bezpieczeństwa, równorzędny z wymaganiami
dyrektywy
97/23/WE
[2, 5]. Dalsze ich stosowanie w zakresie dopusz-
czonym przez dyrektywę jest uzasadnione, należy jednak pamiętać, że
akceptacja
WUDT-UC
, jako dokumentów odniesienia przez inne jed-
nostki notyfi kowane, jest pozostawiona do uznania tych jednostek. Dla-
tego projekty wykonane zgodnie ze znanymi w Europie normami
PN-
EN 13445
ułatwiają proces oceny zgodności w dowolnej europejskiej
jednostce notyfi kowanej.
Porównanie metod obliczeniowych kołnierzy opartych
na normie
PN-EN 13445-3
i
WUDT-UC
Sposoby podejścia do obliczeń naciągów śrub w połączeniu kołnie-
rzowym w obu przypadkach są podobne, jednak pewne różnice mogą
w ostateczności rzutować na wartości końcowe naciągów, a tym samym
na szczelność połączenia i obciążenie kołnierza. Obie metody stosowa-
ne są od wielu lat z dużym powodzeniem, mimo że mają pewne wady
[11], do których można zaliczyć:
brak uwzględnienia różnej rozszerzalności cieplnej śrub i kołnierza
a)
oraz obciążeń niepochodzących od ciśnienia,
brak szerszych procedur obliczeniowych dotyczących współpracy
b)
kołnierza z uszczelką np. rotacja kołnierza,
brak szerszego uwzględnienia w algorytmach obliczeniowych zjawi-
c)
ska relaksacji i pełzania materiałów uszczelki i kołnierza.
Projektując połączenie kołnierzowe od podstaw należy uwzględnić
szereg czynników wpływających na szczelną pracę połączenia. Na
szczelność wpływają nie tylko właściwości materiału uszczelki, ale
również współpraca poszczególnych elementów złącza. Rozważania
analityczne prowadzą do określenia optymalnego modelu, który cha-
rakteryzuje się następującymi cechami: dużą podatnością uszczelki na
naciski, dużą sztywnością śrub i kołnierza [7]. Taki model powoduje
możliwie mały spadek naprężeń w uszczelce po obciążeniu złącza ci-
śnieniem.
Algorytm obliczeń połączenia śrubowo-kołnierzowego sprowadza się
do ustalenia w oparciu o określone procedury, zawarte w
WUDT-UC
i
PN-EN 13445-3
, sił w śrubach dla zapewnienia szczelności połącze-
nia, a następnie sprawdzenia czy dana konstrukcja kołnierza, wytrzyma
zadane obciążenia. Wytrzymałość połączenia kołnierzowo-śrubowego
sprawdza się dla:
warunków montażu, dla których uwzględnia się pracę bezciśnienio-
Przedmiot i cel pracy
Celem niniejszej pracy jest przedstawienie różnic między algoryt-
mami obliczeń połączeń kołnierzowych zawartych w normie PN-EN
13445-3 i w specyfi kacji technicznej WUDT-UC. Szczególną uwagę
poświęcono w pracy omówieniu różnic związanych z obliczaniem na-
ciągów śrub koniecznych dla zapewniania szczelnej pracy złącza.
Norma europejska zawiera dwie metody obliczeń połączeń kołnie-
rzowych: tradycyjną opartą na dobrze znanej metodzie
Taylora For-
ge’a
[3, 6, 7] oraz bardziej rozbudowany algorytm obliczeń zawarty
w załączniku
G
normy
PN-EN 13445-3
i w normie
PN-EN 1591
[8].
Powszechnie jest stosowana metoda tradycyjna, jako prostsza i dająca
poprawne wyniki dla większości typów kołnierzy. Zasady te są zawarte
między innymi w brytyjskich normach
PD5500
[9] oraz w amerykań-
skich
ASME
[6].
Obliczenia oparte na metodzie
Taylora Forge’a
znajdują się w punk-
cie 11 normy PN-EN 13445-3. Główne zasady obliczeń przedstawione
w normie znane są inżynierom od ponad 70 lat. W późniejszym okresie
pojawiały się alternatywne sposoby obliczeń połączeń kołnierzowych,
które pokazywały jej nieścisłości, ale była ona nadal dostępna w wielu
normach urządzeń ciśnieniowych [10].
a)
wą złącza w temperaturze montażu,
warunków ruchowych, dla których uwzględnia się pracę złącza przy
b)
obciążeniu ciśnieniem w temperaturze roboczej.
Naciąg śrub w warunkach pracy bezciśnieniowej
Zgodnie z wytycznymi
WUDT-UC
jak i normą
PN-EN 13445-3
w pierwszej fazie obliczeń należy określić wymaganą siłę naciągu śrub
dla zapewnienia minimum szczelności złącza podczas bezciśnieniowej
pracy aparatu.
Aby obliczyć wymagany naciąg śrub należy oszacować siłę
N
m1
wg
WUDT-UC
lub obciążenie
W
A
wg
PN-EN 13445-3
. Konstrukcje wzo-
rów na
N
m1
i
W
A
wykazują znaczne podobieństwo do siebie, jednak
wartości obliczeniowe będą się różnić ze względu na inne podejście do
ćż
str. 6
INŻYNIERIA I APARATURA CHEMICZNA
Nr 6/2011
Tab. 2. Sposób obliczenia średnicy
D
u
i
G
WUDT-UC
Jedn.
PN-EN 13445-3
średnia średnica
uszczelnienia
D
u
[mm]
G
średnica reakcji uszczelki
[mm]
b
0
#
6,3
G
0,5(
d
d
1
)
=
+
D
0,5(
D
D
)
=
+
u
wk
2
[mm]
b
>
0
6,3
Gd b
1
=
-
2
Rys. 1. Konstrukcja kołnierza szyjkowego z przylgą typu B; oznaczenia wg
PN-EN 13445
(lewa połowa rysunku) i wg
WUDT-UC
(prawa połowa)
wymiarów geometrycznych powierzchni uszczelnienia oraz naprężeń
w uszczelce.
Dla lepszego zobrazowania różnicy w algorytmach obliczeń połączeń
kołnierzowych, porównanie wzorów będzie odbywać się na przykładzie
kołnierza szyjkowego z przylgą płaską typu B (zgodnie z
PN-EN 1092-
1
) i uszczelką niemetalową (Rys. 1).
Oznaczenia lewej części kołnierza na rys. 1 są zgodne z
PN-EN
13445-3
, oznaczenia prawej części z
WUDT-UC
. Symbole
W
i
N
okre-
ślają siły w śrubach niezależnie od warunków obciążenia (stan pracy
lub stan montażu).
Rys. 2. Współpraca złącza kołnierzowego z uszczelką
Tab. 1. Naciąg śrub dla pracy bezciśnieniowej złącza
obrotu kołnierza względem uszczelki, który zależy od sztywności koł-
nierza i uszczelki.
Specyfi kacja techniczna
WUDT-UC
i norma
PN-EN 13445-3
w róż-
ny sposób defi niują czynne szerokości uszczelnienia, co ma znaczący
wpływ na wartości sił
N
m1
i
W
A
. Zgodnie z
WUDT-UC
wartość szerokoś-
ci czynnej
U
cz
zależna jest od wartości rzeczywistej uszczelnienia
U
,
która z kolei zależy od rodzaju konstrukcji uszczelnienia. Ograniczając
się wyłącznie do uszczelek płaskich (Rys. 1) można zauważyć, że szero-
kość
U =
0,5
(D
2
– D
wk
)
jest wartością rzeczywistego styku powierzchni
przylgi do uszczelki. Natomiast szerokość czynna wg
WUDT-UC
wy-
nosi:
dla
WUDT-UC
Jedn.
PN-EN 13445-3
[N]
ND
u zm
m
1
=
r
v
W
=
r
bGy
minimalny naciąg śrub dla
warunków bezciśnieniowej
pracy złącza
minimalny wymagany naciąg
śrub dla stanu montażowego
N
m
1
[N]
W
A
średnica, na której działa
reakcja uszczelki (średnica
reakcji uszczelki)
średnia średnica
uszczelnienia
D
u
[mm]
G
czynna szerokość
uszczelnienia
efektywna szerokość osadze-
nia uszczelki lub połączenia
U
cz
[mm]
b
naprężenia ściskające w
uszczelce wywołane siłą
N
m
1
minimalny nacisk powierzch-
niowy na uszczelkę
[MPa]
y
v
U
≤
12 mm
szerokość czynna
U
cz
= U
a)
b)
U
>
12 mm szerokość czynna
U
cz
=
3,47
U
Wartością odpowiadającą rzeczywistej szerokości uszczelnienia
U
jest wg normy
PN-EN 13445-3
szerokość stykowa
w
. Szerokość styko-
wa uszczelki
w
nie decyduje jeszcze o wartości efektywnej szerokości
osadzenia uszczelki
b
. Dopiero po obliczeniu podstawowej szerokości
osadzenia uszczelki
b
0
można określić szerokość
b
. Ograniczając się
wyłącznie do uszczelek płaskich (Rys. 1)
b
0
= w/
2. Wartość
b
wg
PN-
EN 13445-3
wynosi:
gdy
dla
W tab. 1 przedstawione są poszczególne składowe wzoru na naciąg
N
m1
i odpowiadające im w normie
PN-EN 13445-3
składowe naciągu
W
A
.
Sposób określenia średniej średnicy uszczelnienia
D
u
i średnicy reakcji
uszczelki
G
różnią się od siebie. Rozważając przylgę jak na rys. 1 można
odczytać z tab. 3 w
WUDT-UC/WO-O/19
, że średnica
D
u
=
0,5
(D
wk
+
D
2
)
jest średnią średnicą powierzchni kontaktowych przylgi z uszczelką,
zależną ściśle od konstrukcji uszczelnienia. Średnica
G
jest natomiast
zależna od podstawowej szerokości osadzenia uszczelki
b
0
, którą obli-
cza się jako:
b
0
=
0,5
w
(gdzie
w
to szerokość stykowa uszczelki, ogra-
niczona przez średnice uszczelki i powierzchnię przylgową kołnierza).
Dla rozważanego przykładu
w =
0,5
(d
1
– d)
. Na tej podstawie zgodnie
z
PN-EN 13445-3
można określić średnicę
G
:
gdy
a)
b
0
≤
6,3 mm to
b = b
0
b)
gdy
b
0
>
6,3 mm
to
b =
2,52
b
0
Tab. 3. Porównanie czynnych szerokości uszczelnienia
WUDT-UC
PN-EN 13445-3
w
=
U
,
b
0
= 0,5 = 0,5
U
a)
b
0
≤
6,3 mm to średnica
G
jest średnią średnicą powierzchni
stykowej uszczelki z przylgą (czyli podobnie jak dla
WUDT-UC
śred-
nica
D
u
),
gdy
U
cz
[mm]
b
[m
m]
b
= 0,5
w
U
#
12
U
cz
=
U
w
#
12,6
b)
b
0
>
6,3 mm to średnica
G
jest średnicą zewnętrzną powierzchni
stykowej uszczelki pomniejszoną o 2
b
(gdzie
b
to efektywna szero-
kość osadzenia uszczelki).
Wartość naciągu śrub jest zależna od czynnej szerokości uszczel-
nienia
U
cz
(wg
WUDT-UC
) oraz od efektywnej szerokości osadzenia
uszczelki
b
(wg
PN-EN 13445-3
). Obie te wartości wyznacza się przy
założeniu, że kołnierz pracuje podobnie jak belka, której obrót (wywo-
łany naciągiem śrub) względem punktu podparcia (uszczelki) powoduje
spadek nacisków w wewnętrznej części uszczelki i wzrost w części ze-
wnętrznej. Uproszczoną współpracę kołnierza z uszczelką obrazuje rys.
2, na którym oznaczenia są zgodne z
PN-EN 13445-3
, a
Θ
jest kątem
[mm]
U
>
12
w>
12,6
U
3,47
U
b
2,52
0,5
w
cz
=
=
W tablicy 3 zestawiono wzory na czynne szerokości uszczelniania wg
WUDT-UC
i
PN-EN 13445-3
. Można zauważyć, że zakresy rzeczywi-
stych szerokości uszczelnienia (
w
i
U
), dla których czynne szerokości
(
U
cz
i
b
) ulegają zmianie, są porównywalne. Wartości
b
i
U
cz
mogą róż-
nić się od siebie nawet dwukrotnie, przy czym
b
<
U
cz
. Ograniczając się
tylko do analizy szerokości uszczelnienia można założyć, że ze względu
na mniejsze wartości szerokości uszczelnienia
b
, z obliczeń wg
PN-EN
13445
wynikać będą mniejsze siły naciągu śrub w celu zapewnienia
szczelności połączenia. Takie rozważania mają sens tylko wtedy, gdy
ćż
Nr 6/2011
INŻYNIERIA I APARATURA CHEMICZNA
str. 7
naprężenia
y i σ
m
w uszczelce dla zapewnienia szczelności są sobie rów-
ne (
y = σ
m
).
Wartości
σ
m
i
y
są naprężeniami wstępnymi w uszczelce zapewniają-
cymi szczelność połączenia w warunkach pracy bezciśnieniowej (zwa-
nych również stanem montażu). Aby osiągnąć wymaganą szczelność
konieczne jest, aby wszystkie nieregularności powierzchni przylgi zo-
stały wypełnione materiałem uszczelki. Wartości naprężeń uszczelki dla
stanu montażu (dla odpowiednich materiałów) można odczytać z tablic
zawartych w wytycznych
WUDT-UC
i
PN-EN 13445-3
(w zależności
od wyboru normy obliczeniowej). Ze względu na różnorodność mate-
riałów stosowanych na uszczelki, pożądane jest, aby producent w da-
nych katalogowych umieszczał wartości
σ
m
i
y
dla swoich produktów
(zapewniając tym samym gwarancję szczelności złącza – co ma już
miejsce wśród znaczących producentów uszczelnienia w Polsce).
Sposób wyznaczania wartości
σ
m
i
y
opiera się na metodach doświad-
czalnych, bazujących na odpowiednich standardach i normach, które
określają klasę szczelności uszczelnienia. Dla przykładu w tab. 4 zosta-
ły przedstawione wartości
σ
m
i
y
dla różnych materiałów (tego samego
producenta [12]):
Tab. 4. Parametry
σ
m
i
y
dla wybranych uszczelek
zastosowanie mniejszych naciągów śrub w połączeniu w przypadku
bezciśnieniowej pracy złącza.
Ruchowy naciąg śrub
Oszacowanie naciągów
N
r
i
W
op
dla warunków ruchowych jest ko-
lejnym krokiem w celu wyznaczenia rzeczywistej siły montażowego
naciągu śrub, dla zapewnienia szczelności połączenia po obciążeniu go
ciśnieniem. Wzory na
N
r
i
W
op
– przedstawione w tab. 6 – są zbliżone
do siebie, przy czym wartości obliczeniowe będą różnić się ze wzglę-
du na inne podejście do określenia szerokości uszczelnienia, średnicy
uszczelnienia oraz inne wartości współczynnika
m
wprowadzonego
w normie
PN-EN 13445
i wielokrotności ciśnienia obliczeniowego
p
o
wg
WUDT-UC
(Tab. 7). Wartość
m
i wielokrotność ciśnienia
p
o
zależą
– podobnie jak
σ
m
i
y
– od materiału uszczelki oraz od klasy szczelności
uszczelniania [12].
Tab. 6. Naciąg śrub dla stanu roboczego (obciążenie ciśnieniem)
WUDT-UC
Jedn.
PN-EN 13445-3
N
r
=
P
+
bS
[N]
W
op
=
H
+
H
G
=
r
=
r
2
2
[N]
PD
uo
4
(
)
HGP
4
(
)
σ
m
[MPa]
y
[MPa]
SD
u zr
=
r
v
[N]
HGb
r
2(
P
)
Materiał uszczelki
=
$
minimalne wymagane
obciążenie śrub dla stanu
roboczego
siła ruchowego naciągu
śrub
Uszczelka na bazie włókien aramidowych oraz
nieorganicznych napełniaczy z elastomerem jako
środkiem wiążącym
N
r
[N]
W
op
26,5
30,34
siła naporu płynu
na połączenie
całkowita siła
hydrostatyczna
PTFE z wypełnieniem z włókna szklanego
26,5
26,20
[N]
P
H
Uszczelka z grafi tu o czystości przemysłowej
i gęstości 1,0 g/cm
3
, nie zawierająca jakichkolwiek
innych komponentów metalowych
18,3
17,93
siła nacisku na uszczelkę
wywołująca w niej
naprężenia
σ
r
obciążenie ściskające
uszczelkę dla zapewnienia
szczelności
[N]
H
G
S
Przykład obliczeniowy 1
Dane:
Konstrukcja uszczelnienia jak na rys. 1.
współczynnik zabezpiecza-
jący przed spadkiem siły
S
na skutek pełzania
materiału uszczelki
współczynnik potrzebny
dla zapewnienia szczelności
przy obciążeniu złącza
ciśnieniem
[-]
m
b
a)
b)
Kołnierz szyjkowy typ 11, przylga B, DN200PN10 wg
PN-EN
nacisk na uszczelkę gwaran-
tujący szczelność połącze-
nia w warunkach roboczych
naprężenie w uszczelce
wywołane siłą
S
[MPa]
1092-1
.
Uszczelka na bazie włókien aramidowych oraz nieorganicznych na-
v
mP
c)
p
o
ciśnienie obliczeniowe
[MPa]
P
ciśnienie obliczeniowe
pełniaczy z elastomerem jako środkiem wiążącym [12], wymiary
zgodne z
PN-EN 1514-1
(typ IBC).
Pierwsze człony (
P
i
H
) obu wzorów na
N
r
i
W
op
(Tab. 6) określają
hydrostatyczne obciążenie ciśnieniem, które działa na efektywną śred-
nicę uszczelnienia
D
u
i
G
. Drugie człony (
bS
i
H
G
) obu wzorów okreś-
lają reakcję uszczelki na pierścieniowej powierzchni o szerokości
U
cz
(wg
WUDT-UC
) i szerokości 2
b
(wg
PN-EN 13445-3
). W przypadku
WUDT-UC
wartość siły
S
(która ma zapewnić naprężenia
σ
r
w uszczel-
ce) jest obliczana przy założeniu, że szerokość uszczelnienia zapewnia-
jąca szczelność wynosi
U
cz
. Dla normy
PN-EN 13445-3
wartość tej sze-
rokości jest podwojona, stąd wielkość 2
b
we worze na wartość siły
H
G
.
Mimo, że szerokość uszczelnienia nie została podwojona w przypadku
obliczania siły
S
(co mogłoby zapewnić większe prawdopodobieństwo
szczelności złącza), to jednak jej wartość jest mnożona o współczyn-
nik
b
zabezpieczający przed jej spadkiem na skutek pełzania materiału
uszczelki. Wartość współczynnika
b
w zależności od materiału i tempe-
ratury roboczej mieści się na ogół w zakresie 1–3 [12].
Wielkości
N
r
i
W
op
są siłami w śrubach (dla stanu pracy – przy ob-
ciążeniu kołnierza ciśnieniem wewnętrznym), które mają zapewnić, że
siły ściskające uszczelkę
bS
i
H
G
nie spadną poniżej ustalonych warto-
ści gwarantujących szczelność połączenia. Decydujący wpływ na siły
S
i
H
G
mają: wielokrotność ciśnienia
p
o
wg
WUDT-UC
oraz współczynnik
m
wg
PN-EN 13445-3
. Przeciek (nieszczelność) powstanie, gdy naciski
na powierzchni uszczelki spadną poniżej pewnego minimalnego pozio-
mu. Poziom ten jest zmienny i można założyć, że rośnie liniowo wraz
ze wzrostem ciśnienia wewnętrznego. Teoretycznie połączenie będzie
szczelne, gdy naciski na powierzchni uszczelki będą równe ciśnieniu
wewnętrznemu, ale w praktyce (dla zapewnienia szczelności w każdych
warunkach) przyjmuje się, że naciski muszą być większe od ciśnienia
Tab. 5. Wyniki obliczeń naciągów śrub dla stanu pracy bezciśnieniowej
WUDT-UC
Jedn.
PN-EN 13445-3
[N]
ND
u zm
m
1
=
r
v
W
A
=
r
Gby
D
2
268
d
1
268
[mm]
D
wk
220
[mm]
d
220
w
= 0,5(268 – 220)
w
= 24
0,5
U
= 0,5(268 – 220)
U
= 24
U
b
0
[mm]
b
0
=
24
12
$
=
U
> 12
3,47
b
0
>
6
U
cz
b
U
cz
=
U
cz
= 17,00
24
[mm]
b
=
b
= 8,73
2,52
12
D
=
0
268
+
220
)
G
= - $
G
= 250,54
268
2
8,73
D
u
G
[mm]
D
u
= 244
σ
m
26,5
[MPa]
y
30,34
N
m1
N
m
1
= 345155
[N]
W
A
W
A
= 208371
Wyniki naciągu śrub wyznaczonego zgodnie z oboma porównywany-
mi algorytmami obliczeń przedstawiono w tab. 5. Wartości naciągów
N
m1
i
W
A
różnią się od siebie, przy czym
N
m1
> W
A
. Dla tego samego
materiału uszczelki można założyć, że wartości naprężeń
σ
m
i
y
będą
podobne dla tej samej klasy szczelności, stąd wpływ na wartości nacią-
gów
N
m1
i
W
A
mają przede wszystkim szerokości uszczelnienia:
b
i
U
cz
.
Ponieważ z reguły
b < U
cz
, dlatego norma
PN-EN 13445-3
umożliwia
ćż
str. 8
INŻYNIERIA I APARATURA CHEMICZNA
Nr 6/2011
działającego na złącze (Tab. 7). Wielokrotność ciśnienia
p
o
oraz współ-
czynnik
m
można odczytać z katalogów producentów uszczelnienia, jak
również można opierać się na wartościach podanych w
WUDT-UC
(dla
wielokrotności ciśnienia
p
o
) i normie
ASME
(dla współczynnika
m
).
Korzystanie z tabeli zawartej w
ASME
(przywołanej również w normie
PN-EN 13445-3
) wiążę się z pewnym ryzykiem, ponieważ prawidłowe
wartości współczynnika
m
powinno wyznaczać się dla konkretnych ma-
teriałów uszczelek w sposób doświadczalny, przewidziany stosownymi
norm, aby zagwarantować odpowiednią klasę szczelności połączenia.
Tab. 7. Parametry
σ
r
i
m
dla wybranych uszczelek
nierza), trudno jest oszacować wstępny naciąg śrub. Opierając się na
uznanej praktyce inżynierskiej zakłada się, że naciąg wstępny (monta-
żowy) jest równy maksymalnej wartości z obliczonych powyżej nacią-
gów (Tab. 9).
W tab. 9 został porównany sposób oceny sił naciągu montażowego
śrub w połączeniu kołnierzowym wg
PN-EN 13445-3
i
WUDT-UC
.
Tab. 9. Naciągi montażowe śrub
N
m
i
Fb
nom
WUDT-UC
Jedn.
PN-EN 13445-3
N
m
= max(
N
m
1
;
N
m
2
=
CN
r
)
[N]
m
(wg [12])
Fb
max(
W
;
W
)
C
= 1,2
=
D
u
#
500
mm
Materiał uszczelki
σ
r
[MPa]
onom
A
op
C
= 1,4
D
>
u
500
mm
Uszczelka na bazie włókien aramidowych
4
p
0
2
Przy wysokich wartościach ciśnienia można spodziewać się, że nacią-
gi dla warunków ruchowych
W
op
i
N
r
będą większe niż
W
A
i
N
m
1
. W przy-
padku wytycznych
WUDT-UC
przy określaniu naciągu montażowego,
siła
N
r
zostaje dodatkowo zwiększona w wyniku przemnożenia jej przez
współczynnik
C
zależny od średniej średnicy uszczelnienia
D
u
.
W przypadku pracy bezciśnieniowej złącza, siły
W
op
i
N
r
osiągają
wartość zerową, przez co nie mogą decydować o szczelności połącze-
nia, a tym samym nie mogą stanowić wartości naciągów montażowych.
Wówczas siłami gwarantującymi szczelną pracę złącza są
N
m
1
i
W
A
, za-
pewniające wymaganą, minimalną wartość naprężenia w uszczelce.
Ocena siły montażowej przyjętej jak w tab. 9, zapewnia prawidłową
pracę złącza. Dla sytuacji, gdy
CN
r
> N
m
1
lub
W
op
> W
A
wartość siły
naciągu montażowego jest większa niż wymagana dla rzeczywistych
warunków. Wpływa to w pewnym stopniu na zabezpieczenie złączą
przed utratą szczelności na skutek takich zjawisk jak: relaksacja naprę-
żeń (w śrubach i uszczelce), pełzanie materiałów złącza podczas pracy
w wysokich temperaturach [13], ale zarazem budzi zastrzeżenia co do
obliczenia przekroju śruby, ze względu na brak możliwości oceny siły
w śrubach po obciążeniu złącza ciśnieniem.
Przykład obliczeniowy 3
(dane jak dla przykładu 1 i 2)
Materiał z PTFE napełniany włóknem szklanym
5,5
p
0
2,75
Uszczelka z grafi tu o czystości przemysłowej
o gęstości 1,0 g/cm
3
, nie zawierająca jakichkolwiek
innych komponentów metalowych
4
p
0
2
Przykład obliczeniowy 2
(dane jak dla przykładu 1)
Tab. 8. Wyniki obliczeń naciągów śrub dla stanu roboczego (obciążenie ciśnieniem)
WUDT-UC
Jedn.
PN-EN 13445-3
N
r
=
P
+
bS
[N]
W
op
=
H
+
H
G
D
u
244,00
[mm]
G
250,54
p
0
2
[MPa]
P
2
Dla
t
0
= 100
o
C
wartość
b =
1,4
b
[–]
–
-
σ
r
[MPa]
mP
v
4,0
$
2
8
mP
==
22 4
$
r
=
=
U
cz
17,00
[mm]
b
8,73
r
2
r
2
P
=
4
(244
$
2)
H
4
(250,54
2)
=
$
[N]
P
= 93472
H
= 98549
S
= $
r
S
= 104198
244
$
17,00
$
8
H
G
=
2
r
H
G
= 54943
$
250,54
$
8,73
$
4
Tab. 10. Wyniki obliczeń naciągów montażowych śrub
N
m
i
Fb
nom
[N]
WUDT-UC
Jedn.
PN-EN 13445-3
W
op
= 98549 +54943
W
op
= 153492
N
r
=
93472
1,4
104198
+ $
N
r
= 239349
N
m
=
N
m
1
= 345155
[N]
Fb
onom
=
W
A
= 208371
[N]
Podsumowanie
Algorytm obliczeń połączeń kołnierzowych wg
WUDT-UC
i
PN-EN
13445-3
jest słuszny dla większości przypadków. Niezależnie od przed-
stawionych różnic obliczeniowych obie metody są stosowane od wielu
lat z powodzeniem. Należy jednak zaznaczyć, że rosnące wymagania
dotyczące poziomu szczelności połączeń sprawiają, że opisane algo-
rytmy zastępowane są coraz częściej bardziej złożonymi i dokładnymi
metodami obliczeniowymi [8, 10, 11].
Wielokrotność ciśnienia
p
o
i współczynnik
m
różnią się od siebie
(Tab. 7). W zależności od materiału uszczelki (a także od producen-
ta) dla większości przypadków współczynnik
m
jest dwa razy mniej-
szy niż wielokrotność ciśnienia
p
o
. Różnica ta wynika z podwojonej
wartości szerokości uszczelnienia 2
b
dla algorytmu obliczeń wg
PN-EN
13445-3
. Siła ściskająca uszczelkę po obciążeniu złącza ciśnieniem jest
mniejsza dla
PN-EN 13445-3
, co wynika z innej interpretacji czynnej
szerokości uszczelnienia (
b
!
U
cz
) oraz uwzględnienia w algorytmie
obliczeń wg
WUDT-UC
współczynnika
b
zabezpieczającego przed
spadkiem siły
S
w wyniku pełzania uszczelki. Dla przedstawionego
przykładu
bS/H
G
= 2,66. Wynika stąd, że siła ściskająca uszczelkę jest
wg
WUDT-UC
prawie trzykrotnie większa od tej, jaka wymagana jest
wg
PN-EN 13445-3
dla zapewnienia szczelności przy obciążeniu złącza
ciśnieniem. Siła naciągu roboczego w śrubach
N
r
obliczona wg
WUDT-
UC
jest 1,6 razy większa od siły
W
op
wyznaczonej wg
PN-EN 13445-3
(Tab. 8).
Montażowy naciąg śrub
Przedstawione powyżej wartości naciągów śrub (wywołujące odpo-
wiednie naprężenia w uszczelce) mają zapewnić szczelność połączenia
dla dwóch stanów: przy braku obciążenia ciśnieniem i przy obciążeniu
ciśnieniem. Jak wynika z przedstawionych wzorów, siły te nie są jesz-
cze wystarczające do oceny ostatecznego naciągu montażowego śrub.
Przy braku kompletnych danych materiałowych złącza oraz gruntow-
nej analizy współpracy poszczególnych elementów (z uwzględnieniem
zjawisk takich jak: wysoka temperatura, duże ciśnienie, wielkość koł-
LITERATURA
[1]
Dyrektywa
97/23/WE
Parlamentu Europejskiego i Rady z dnia 29 maja
1997.
Strona internetowa UDT (8.02.2011):
[2]
http://www.udt.gov.pl
[3]
Norma
PN-EN 13445-3: 2009
.
Warunki Urzędu Dozoru Technicznego, Urządzenia Ciśnieniowe, 2003.
[4]
[5]
Materiały Centrum Bezp. Techn. (8.02.2011):
http://www.cbt.edu.pl
Norma ASME Boiler and Pressure Vessel Code. Section VIII, Division 1,
[6]
2001.
Modern Flange Design. Bulettin 502. G+W Taylor-Bonney Division. P.O.
[7]
Box 999. Southfi eld, Michigan 48037.
Norma
[8]
PN-EN 1591-1: 2001
.
[9]
Norma
PD 5500: 2009
.
Union de Normalisation de la Mécanique.
[10]
EN 13445
Unfi red pressure ves-
sels. Background to the rules in Part 3 Design. Issue 2 – 20, August 2004.
K. Magnucki, M. Malinowski, T. Belica, D. Dębowski
[11]
: Zagad. Eksploatacji
Maszyn,
40
, nr 4, 105 (2005).
Materiały fi rmy Spetech (8.02.2011):
[12]
http://www.spetech.com.pl
[13]
J. Rządkowski, R. Stęczniak
: Rurociągi,
37
, nr 4, 15 (2004).
Plik z chomika:
torog
Inne pliki z tego folderu:
do ADR cz.1.pdf
(7339 KB)
do ADR cz.2.pdf
(5958 KB)
skrypt_SKRAWANIE.rar
(10966 KB)
wlasciwosci_termofizyczne_zywnosci_cz2.pdf
(3444 KB)
multim_1.4_TDT_Prezentacja_K.Bulinski.pdf
(2286 KB)
Inne foldery tego chomika:
Ansys Workbench tutorial
CFX nauka
Galeria
Książka UDT
N0rmY
Zgłoś jeśli
naruszono regulamin