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阀门井堵漏

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法兰夹具结构及计算


石油化工行业中,法兰处的泄漏是最为常见的。而法兰夹具的设计合理与否是带压堵漏成功与否的关键。


1、夹具结构


法兰夹具的基本结构见下图1。该夹具是由两个半圆形的构件组成,夹具本体经机械加工而成,耳板与夹具采用焊接形式连接,两个构件是用螺栓连接在一起,形成一个整体,最终作为法兰泄漏处的新的密封空腔。


2、相关尺寸说明


1)夹具的内径D内:原则上等于泄漏的法兰外径,但该尺寸需要通过实际测量确定。因为各生产装置所用的法兰标准种类比较多,又由于法兰制造时的偏差及长期运行造成的金属材料表面氧化等,都影响法兰外径的实际尺寸。所以,夹具的内径D内必须经现场测量法兰外径后确定。


夹具内径D内与法兰外径之间的允许间隙尺寸:包括测量法兰外径误差、夹具制造偏差及其热膨胀量在内,总的间隙量应控制在0.1~0.5mm范围内。允许间隙量的大小与系统压力高低成反比。即系统压力越高,间隙量应越小。


2)夹具的外径D外,先要计算出夹具的厚度a(后面详细介绍a的计算公式),D外=D内+2a。


3)夹具凸台内径d:为了减少空腔的容积和密封剂的消耗量,同时便于安装夹具,法兰夹具设计成带有凸台的结构。凸台内径以不接触原法兰螺栓为原则,按实际尺寸确定。具体方法是:测量泄漏法兰的外边缘与紧固螺栓之间的最小净距,然后用法兰外径减去该距离的二倍即得到凸台内径d的数值。为了得到较准确的数值,需要在泄漏法兰圆周内测量4~5点,取其中的最大计算尺寸作为凸台内径d的最终数值。


4)夹具凸台宽度b:通过对两片法兰之间的间隙进行测量后确定。最少在法兰圆周内测量4~5点,取其中的最小尺寸。


5)夹具宽度B:以两片法兰的间隙尺寸b为基础,向两侧分别延伸10~20mm。法兰公称直径大,系统压力高,夹具宽度需要相应的加大。


6)密封剂注入孔:孔数与孔位的配置应尽量减少密封剂在注入区段内的流动距离、减少挤压力对夹具的负荷。孔数等于泄漏法兰的紧固螺栓数。泄漏法兰有多少个螺栓就配多少个注入孔。一般设M12内螺纹与标准注射阀连接,配钻φ4mm密封剂通道。夹具上的注入孔在安装时要放在两个螺栓之间的位置。


7)耳板定位:夹具耳板焊接在剖分面上5~10mm处,用来连接两片法兰夹具。


8)夹具厚度a:由后面的强度计算确定。


3、夹具计算


1)受力分析


密封剂在空腔内以最大挤压力p注作用在夹具的内壁,经多点分别注入后,由局部挤压力过渡到均匀分布。另外,还有系统压力以均布载荷同时作用在夹具内壁。由系统压力和单点挤压到均布挤压的合力F可以用以下公式推导。见图2。


∵ 合力F=dF?sinθ


dF=ds?p=dl?B?p=R中?dθ?B?p


∴ 合力F=R中?dθ?B?p?sinθ=2R中?B?p


=D中?B?p(1)


式中ds:单位角度所对应的面积,单位mm2;


p:单位面积上夹具所承受的压力(即压强),单位MPa;


dl:单位角度所对应的弧长,单位mm;


B:夹具宽度,单位mm;


a:夹具厚度,单位mm;


R中:夹具半中径,单位mm;


D中:夹具中径,单位mm;


D内:夹具内径,单位mm。


2)夹具的紧固螺栓截面计算


夹具是由两个半圆构件组成的,通过螺栓将两侧耳板连接在一起。假设连接螺栓数目为n条,每条螺栓所承受的拉力为T,则两侧紧固螺栓所承受的总拉力nT应与夹具均布内压合力F相平衡。


即 nT=F


T=


螺栓截面积A==(2)


式中,[σ]t――螺栓在t℃时的许用应力,单位MPa。


3)夹具的厚度计算


为了保证夹具具有足够的强度,应使夹具截面上的应力不高于所用金属材料的许用应力。


即=≤[σ] (3)


式中,S――夹具的截面积,单位mm2。


把(1)式代入(3)式得≤[σ](4)


式中,[σ]――金属材料的许用应力,单位MPa。


如果夹具的各部分不是整体制造,而是由几块焊接组成,则许用应力要乘以一个与焊缝结构等有关的焊缝系数?。


(4)式变成≤[σ]??(5)


把D中=D内+a带入(5)式,整理可得夹具的厚度a


a=(6)


由于带温带压封堵泄漏,夹具必然受泄漏介质的温度影响,因此,应把改成金属材料在实际工作温度下的许用应力[σ]t。


最终公式应为a=+C (7)


式中,P――系统压力或密封剂挤压力,MPa,按照《中国石油化工总公司带压堵漏技术暂行规定》及经验,P的选取应按照以下原则确定:系统压力低于7 MPa时,以挤压力为主,P取7 MPa;系统压力大于7 MPa时,按系统压力选取。


D内――夹具内径,单位mm


[σ]t――t℃夹具材料的许用应力,单位MPa


?――焊缝系数,无单位


C――厚度附加量,单位mm

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