Усилие от веса отводящих манифольдов определяется по формуле

Рман = 2 × Мизг / (Dср + Dб), (1.4)

где Мизг –изгибающий момент, равный произведению расстояния от центра

тяжести отвода до оси арматуры устья на силу тяжести отвода;

Dб – диаметр окружности, проведенный через оси болтов.

Рисунок 5 – Расчетная схема тарелки фланца

Изгибающий момент увеличивает нагрузку на часть шпилек, наиболее удаленных от манифольда. Получается рычаг, к которому приложен вес отводов. Рычаг имеет опору о прокладку фланца и растягивает часть шпилек. Так как расстояние до центра тяжести отвода от оси арматуры измеряется метрами, а от опоры фланца до шпилек – сантиметрами, то существенный вес манифольда создает большие дополнительные нагрузки на шпильки. Поскольку это усилие воспринимается только частью шпилек, условно принимают, что нагрузка Рман передается 1/3 всех шпилек соединения. Например, при шести шпильках две, расположенные ближе к отводу, будут разгружены, на двух средних нагрузка не изменится, а у двух шпилек нагрузка увеличится.

Таким образом, в формуле (1.1) для расчета суммарного эксплуатационного усилия Рэ, воспринимаемое шпильками, вес манифольда необходимо утроить.

При подаче в скважину теплоносителя (например, пара) или отборе пластовой жидкости с высокой температурой металл арматуры около проходного сечения и прокладка нагреваются. Температура шпилек будет ниже, т.к. условия их охлаждения лучше. В результате температурное расширение деталей арматуры и прокладки становится больше, чем шпилек, и они нагружаются дополнительным усилием Рт. Считая для упрощения фланцевые окончания жесткими, а шпильку и прокладку упругими, усилие от перепада температур Рт определяют по формуле

Рт = , (1.5)

где Dt – разность температур фланца и шпилек. Dt составляет примерно 7%

от температуры рабочей среды;

h – длина растягиваемой части шпильки, h = 2×Hфл + (4¸5) мм,

где Hфл –толщина фланца;

a – коэффициент теплового расширения материала фланца

(a»1,2×10 1/°С);

hраб –высота прокладки между поверхностями ее опоры о соседние

фланцы;

Е, Епр – модули упругости шпилек и прокладки соответственно;

f, fпр – площади горизонтального сечения шпильки и прокладки соот-

ветственно.

Рабочая высота прокладки hраб находится из выражения

hраб = H – (1 – cos a) × R0, (1.6)

где H – высота прокладки;

a – угол наклона канавки фланца;

R0 – радиус закругления углов прокладки(R0 = 1,6 мм).

2) Расчет усилий при уплотнении с односторонним контактом прокладки [4, 5]

При затяжке соединения с овальным кольцом (см. рисунок 4, б) последнее сжимается по оси соединения и по радиусу. Если условно принять силу, действующую по радиусу, равномерно распределенной по внешней поверхности кольца, то кольцо можно рассматривать как толстостенный цилиндр (отношение толщины цилиндра к его диаметру близко или более 1/10), сжимаемый внешним условным давлением.

Усилие предварительной затяжки Рзат в этом случае определяется по следующей формуле

Рзат = 0,25 × p × Dп × hраб × (1 - к ) × sт × сtg a1 (1.7)

где Dп – диаметр окружности, проведенный через место касания прокладки

и фланцев;

hраб – рабочая высота прокладки, hраб = H – 0,22 × R0;

к – коэффициент, определяемый отношением внутреннего к наружному

диаметру прокладки;

sт – предел текучести материала прокладки;

a1 – угол наклона внешней поверхности канавки фланца к его торцу;

Dп = 2 × rн – 2 × R0 × (1 – sin a1), (1.8)

где rн – наружный радиус прокладки.

Усилие Рэ, действующее на шпильки фланцевого соединения во время работы арматуры, определяется по формулам

Рэ = Рд + Рзат; (1.9)

Рд = p/4 × D × Рр. (1.10)

Усилие для поддержания герметичности DРзат определяется по формуле

DРзат = А0 × Рр; (1.11)

А0 = 0,5 × p × Dп × hраб × f(k) × sт × сtg a1; (1.12)

f(k) = 2 × k / (1 + m × k ), (1.13)

где m - коэффициент трения.

Выражение для определения эксплуатационного усилия Рэ получено для случая, когда прокладка при затяжке доводится до двухстороннего касания с канавкой фланца. За расчетное усилие принимается большая из двух величин Рзат или Рэ.