Flanges and their joints Design rules for gasketed circular flange connections Part 1: Calculation method

Transkript

1 SVENSK STANDARD SS-EN Fastställd Utgåva 1 Rörflänsar Flänsförband Konstruktionsregler för cirkulära flänsförband med packning Del 1: Beräkningsmetod Flanges and their joints Design rules for gasketed circular flange connections Part 1: Calculation method ICS Språk: svenska Publicerad: augusti 2003 Copyright SIS. Reproduction in any form without permission is prohibited.

2 Europastandarden gäller som svensk standard. Europastandarden fastställdes som SS-EN och har utgivits i engelsk språkversion. Detta dokument återger i svensk språkversion. De båda språkversionerna gäller parallellt. The European Standard has the status of a Swedish Standard. The European Standard was approved and published as SS-EN in English. This document contains a Swedish language version of. The two versions are valid in parallel. Dokumentet består av 52 sidor. Upplysningar om sakinnehållet i standarden lämnas av SIS, Swedish Standards Institute, tel Standarder kan beställas hos SIS Förlag AB som även lämnar allmänna upplysningar om svensk och utländsk standard. Postadress: SIS Förlag AB, STOCKHOLM Telefon: Telefax: E-post: sis.sales@sis.se. Internet:

3 EUROPASTANDARD EUROPEAN STANDARD NORME EUROPÉENNE EUROPÄISCHE NORM EN April 2001 ICS Svensk version Rörflänsar Flänsförband Konstruktionsregler för cirkulära flänsförband med packning Del 1: Beräkningsmetod Brides et leurs assemblages Règles de calcul des assemblages à brides circulaires avec joint Partie 1: Méthode de calcul Flanges and their joints Design rules for gasketed circular flange connections Part 1: Calculation method Flansche und ihre Verbindungen Regeln für die Auslegung von Flanschverbindungen mit runden Flanschen und Dichtung Teil 1: Berechnungsmethode Denna standard är den officiella svenska versionen av. För översättningen svarar SIS. Denna europastandard antogs av CEN den 8 mars CEN-medlemmarna är förpliktade att följa fordringarna i CEN/CENELECs interna bestämmelser som anger på vilka villkor denna europastandard i oförändrat skick skall ges status som nationell standard. Aktuella förteckningar och bibliografiska referenser rörande sådana nationella standarder kan på begäran erhållas från CENs centralsekretariat eller från någon av CENs medlemmar. Denna europastandard finns i tre officiella versioner (engelsk, fransk och tysk). En version på något annat språk, översatt under ansvar av en CEN-medlem till sitt eget språk och anmäld till CENs centralsekretariat, har samma status som de officiella versionerna. CENs medlemmar är de nationella standardiseringsorganen i Belgien, Danmark, Finland, Frankrike, Grekland, Irland, Island, Italien, Luxemburg, Nederländerna, Norge, Portugal, Schweiz, Spanien, Storbritannien, Sverige, Tjeckien, Tyskland och Österrike. CEN European Committee for Standardization Comité Européen de Normalisation Europäisches Komitee für Normung Central Secretariat: rue de Stassart 36, B-1050 BRUSSELS 2001 CEN All rights of exploitation in any form and by any means reserved worldwide for CEN national Members Ref. Nr. Sv

4 Sida 2 Innehåll Förord Omfattning Allmänt Krav för användning av denna beräkningsmetod Giltighet Normativa hänvisningar Beteckningssystem Användning av figurer Index och specialtecken Symboler Terminologi Beräkningsparametrar Flänsparametrar Skruvparametrar Packningsparametrar Inre krafter (i förbandet) Applicerade laster Förbandets vekhet Minsta erforderliga packningskrafter Inre krafter vid åtdragning (I = 0) Inre krafter i efterföljande lastfall (I = 1, 2, ) Kontroll av godkänd lastnivå Allmänt Skruvar Packning Integrerande fläns och krage Blindfläns Lösa flänsar med krage Bilaga A (informativ) Krav på begränsning av ojämnt packningstryck Bilaga B (informativ) Dimensioner för metriska standardskruvar Bilaga C (informativ) Spridning på grund av olika åtdragningsmetoder Bilaga D (informativ) Åtdragning med momentnyckel Bilaga E (informativ) Flänsvrängning Bilaga F (informativ) Beräkningsschema Bilaga G (informativ) Förband med stödringsförsedd packning Bilaga ZA (informativ) Avsnitt i denna europastandard som riktar sig mot väsentliga krav eller andra bestämmelser i EU direktiv PED Litteraturförteckning Sida

5 Sida 3 Förord Denna europastandard är utarbetad av tekniska kommittén CEN/TC 74 Rörflänsar och deras förband, vars sekretariat upprätthålls av DIN. Denna europastandard skall ges status av nationell standard antingen genom publicering av en identisk text eller genom ikraftsättning, senast i oktober 2001 och motstridande nationella standarder skall dras in senast i oktober Detta dokument har utarbetats under ett mandat som givits till CEN av Europakommissionen och Europeiska frihandelssammanslutningen (EFTA). Denna europastandard är avsedd som en stödjande standard till de applikations- och produktstandarder som stödjer ett grundläggande säkerhetskrav i en ny ansats av direktiv (New Approach Directive) och kommer att ingå som en normativ referens i dessa. För kopplingar till EU-direktiv, se informativ bilaga ZA, som är en integrerad del av denna standard. EN 1591 består av två delar: EN : Rörflänsar Flänsförband Konstruktionsregler för cirkulära flänsförband med packning Del 1: Beräkningsmetod; ENV : Flanges and their joints Design rules for gasketed circular flange connections Part 2: Gasket parameters. (Rörflänsar Flänsförband Konstruktionsregler för cirkulära flänsförband med packning Del 2: Packningsparametrar). Beräkningsmetoden tar hänsyn till såväl läcktäthet som hållfasthetskriterier. Funktionen för det kompletta systemet av flänsar, skruvar och packning behandlas. Parametrar som tagits i betraktande omfattar inte enbart de grundläggande, så som: vätsketryck; hållfasthetsvärden för materialet i flänsar, skruvar och packningar; packningens kompressionsfaktorer; nominell skruvpåkänning; utan även: möjlig spridning beroende på åtdragningsmetoden; variationer i packningskraft orsakad av deformation av alla komponenter i förbandet; påverkan från anslutande mantel eller rör; inverkan av yttre axiella krafter och böjmoment; inverkan av temperaturskillnad mellan skruvar och flänsring. Beräkningar för tätningsprestanda baseras på elastisk analys av belastnings/deformationsförhållandena mellan alla delar av flänsförbandet, korrigerad för en eventuell plastisk sättning i packningsmaterialet. Beräkning av förbandets kapacitet baseras på (plastisk) gränsanalys för fläns/mantelkombinationen. Såväl inre som yttre belastningar behandlas. Lastfall som behandlas omfattar åtdragning, tryckprovning och alla signifikanta lastfall.

6 Sida 4 Den huvudsakliga beräkningsgången är: a) Först beräknas den minsta erforderliga skruvkraft (vid åtdragning), för att packningstrycket, i något efterföljande specificerat lastfall, aldrig skall underskrida det minimala fordrade medelvärdet för packningen (värdet kan t ex hämtas från packningsdata i ENV ). Bestämningen av denna last är iterativ eftersom den är beroende av effektiv packningsbredd, som i sig beror på erforderlig skruvkraft. b) Därefter härleds de inre krafterna för alla lastfall som härrör från det valda värdet för den erforderliga skruvkraften. Huruvida kombinerade yttre och inre påkänningar kan tillåtas kontrolleras enligt följande: åtdragningstillstånd: kontrollen görs emot den maximala möjliga skruvkraften som kan åstadkommas vid åtdragningen; provtryck och drift: kontroller görs mot minsta erforderliga krafter, för att säkerställa att förbandet inte plasticerar, utom i mycket lokala områden. Större verklig initial skruvkraft leder till (begränsad) plastisk deformation i efterföljande skeden (provtryck, drift). De beskrivna kontrollerna säkerställer att dessa deformationer inte kommer att minska skruvkraften under det fordrade minkravet. Om nödvändigt kan flänsvrängningarna beräknas för alla lastfall med hjälp av bilaga E, och de erhållna värdena jämföras med de packningsbegränsningar som är tillämpliga. Kontroll av påkänningar förutsätter att säkerhetsfaktorer mot sträck- och brottgräns använts vid angivandet av nominell tillåten spänning. ANM. Denna beräkningsmetod anger inte värden för nominell tillåten spänning när flänsar används för konstruktion efter andra normer. Trots det kan, eftersom alla betydande konstruktionsvariabler har täckts upp, låga säkerhetsfaktorer användas genom speciell användning av nominell tillåten spänning: vid åtdragning har de nominella tillåtna spänningarna samma värden som vid tryck-provningen (vanligtvis högre än för driftsförhållanden); de nominella tillåtna spänningarna för skruvarna bestäms av samma regler som gäller för fläns- och mantelmaterialet dvs. samma säkerhetsfaktor för sträck- och brottgräns. Den minsta kraft som krävs på packningen för läcktäthet kan fastställas på två olika sätt: 1) Användande av tabeller med packningsfaktorer, t ex de som anges i ENV , som baserar sig på industrierfarenhet och motsvarar i huvudsak läckageflöden för gas och ånga. 2) Härledning från uppmätta data för läckflöde ställd mot spänningar i packning, om sådana finns för den aktuella packningen, som t ex enligt ENV Detta medger att beräkningarna baseras på vilket som helst angivet max läckflöde. Användandet av denna beräkningsmetod är speciellt användbar för förband där skruvbelastningen styrs under åtdragningen. Ju bättre åtdragningen är styrd, ju mera fördelaktig är det att använda beräknings-metoden. I dagens utvecklingsstadium är beräkningsmetoden inte användbar för förband med smal metall-metallkontakt (med undantag för flänsförband med stödringsförsedd packning (se bilaga G)), eller för förband vars styvhet varierar väsentligt över packningsbredden. I bilaga F har sammanställts ett schema över beräkningsgången. Enligt CEN/CENELECs interna regler skall de nationella standardiseringsorganisationerna i följande länder implementera denna europastandard: Belgien, Danmark, Finland, Frankrike, Grekland, Irland, Island, Italien, Luxemburg, Nederländerna, Norge, Portugal, Schweiz, Spanien, Storbritannien, Sverige, Tjeckien, Tyskland och Österrike.

7 Sida 5 1 Omfattning 1.1 Allmänt Denna europastandard beskriver en beräkningsmetod för skruvförsedda, cirkulära flänsförband med packning. Syftet är att garantera integritet och täthet. ENV anger värden för packningsegenskaper som kan användas i denna beräkningsmetod. 1.2 Krav för användning av denna beräkningsmetod Där så är tillåtet är denna beräkningsmetod ett alternativ till konstruktionsvärdering med andra metoder, t ex: speciell provning; etablerad praxis; användning av standardflänsar inom tillåtna villkor. 1.3 Giltighet Geometri Beräkningsmetoden får användas för konstruktioner med: flänsar vars tvärsnitt finns angivna i eller kan jämföras med de som anges i figurerna 4 till 12; fyra eller flera identiska skruvar jämnt fördelade; packning vars tvärsnitt och konfiguration efter belastning kan jämföras med någon av de som anges i figur 3; flänsdimension som uppfyller följande villkor: a) 0,2 b F /e F 5,0; 0,2 b L /e L 5,0 b) e max { e ; d ; p 3 (0,01...0,10) p b } F 2 B0 B B/ F c) cosϕ s 1/(1 + 0,01 d s /e s ) ANM. 1 Förklaringar till symbolerna finns i avsnitt 3. ANM. 2 Villkoret b F/e F 5,0 krävs ej för krage i kombination med lösfläns. ANM. 3 Villkoret e 3 F pb (0,01...0, 10) pb / bf är satt för att begränsa ojämn fördelning av packningstryck p g a avstånd mellan skruvarna. Värdena 0,01 och 0,10 skall användas för mjuka (icke-metalliska) respektive hårda (metalliska) packningar. Ett mera exakt kriterium anges i bilaga A. ANM. 4 Effekten på dimensionen av toleranser och korrosion kan behöva uppmärksammas; referenser bör ges till andra normer efter vilka beräkningarna görs, t ex finns värden angivna i EN och EN Följande konfigurationer ligger utanför beräkningsmetodens ram: flänsar med huvudsakligen icke-axelsymmetrisk geometri, dvs slitsade lösflänsar, fjäderförstärkta flänsar; flänsförband med direkt eller indirekt metall mot metall kontakt mellan flänsarna innanför och/eller utanför packningen, innanför eller utanför skruvcirkeln, utom i det speciella fallet med flänsförband med stödringsförsedd packning som behandlas i bilaga G.

8 Sida Material Värden för nominella tillåtna spänningar anges inte i denna beräkningsmetod. De beror av andra normer som används, t ex anges dessa värden i EN och EN Beräkningsspänningar för skruvar skall bestämmas som för flänsar och mantlar. Packningsmodellen grundas på elastiskt beteende med en plastisk korrektion. För packningar i inkompressibla material som tillåter stora deformationer (t ex plana packningar med gummi som huvudkomponent) kan resultaten som erhålls med denna beräkningsmetod vara överdrivet försiktiga (dvs för hög fordrad skruvkraft, för lågt tillåtet vätsketryck, för stor fordrad flänstjocklek, etc.) eftersom den inte tar hänsyn till dylika egenskaper Belastningar Denna beräkningsmetod avser följande lastfall: vätsketryck: invändigt eller utvändigt; yttre belastningar: axialkrafter och böjmoment; axiell expansion av flänsar, skruvar och packning, i synnerhet orsakade av temperaturvariationer Mekanisk modell Denna beräkningsmetod är baserad på följande mekaniska modell: a) Geometrin för både fläns och packning är axelsymmetrisk. Mindre avvikelser som de som orsakas av ett begränsat antal skruvar är tillåtna. Modellen får inte användas för slitsade lösflänsar eller ovala flänsar. b) Flänsringens tvärsnitt (radiellt) förblir odeformerat. Endast periferiska spänningar och töjningar i ringen behandlas; radiella och axiella spänningar och töjning bortses ifrån. Denna förutsättning kräver överensstämmelse med villkoret a). c) Flänsringen är förbunden med en cylindrisk mantel. En konisk krage behandlas som om det vore en motsvarande cylindrisk mantel med beräknad väggtjocklek, vilken är olika för elastiskt och plastiskt beteende, men alltid mellan verklig min och max tjocklek. Koniska och sfäriska mantlar behandlas som motsvarande cylindriska mantlar med samma väggtjocklek; avvikelser från cylindriska mantlar tas uttryckligen i betraktande i beräkningsformeln. Denna förutsättning kräver överensstämmelse med c). Vid skarven mellan flänsringen och manteln har den kontinuerliga radiella förskjutningen och vridningen beaktats i beräkningen. d) Packningen är i kontakt med flänsytan över en (beräknat) ringformig yta. Packningens effektiva bredd (radiellt) b Ge kan vara mindre än dess verkliga bredd. Denna effektiva bredd b Ge beräknas för förbandet efter åtdragning (l=0) och förutsätts att vara oförändrad för alla efterföljande lastfall (l=1,2 ). Beräkningen för b Ge innefattar den elastiska vridningsrörelsen för båda flänsarna och de elastiska och plastiska deformationerna för packningen (approximativt) i åtdraget förband. e) Packningens elasticitetsmodul kan öka med tryckpåkänningen Q på packningen. Beräkningsmetoden använder en linjär modell: E G = E 0 + K 1 Q. Detta är den elasto-plastiska sekantmodulen vid avlastning mätt mellan 100 % och 33 % av den högsta påkänningen (Q) i åtdraget tillstånd. f) Materialkrypning för packningen under tryck approximeras med en krypfaktor g c (se ENV ). g) Beräkningen tar hänsyn till termiska och mekaniska axiella deformationer av flänsar, skruvar och packning.

9 Sida 7 h) Belastningen på flänsförbandet är axelsymmetrisk. Varje icke-axelsymmetriska böjmoment har ersatts av en motsvarande axiell påkänning som är axelsymmetrisk enligt ekvation (44). i) Belastningsväxlingar mellan olika lastfall orsakar inre ändringar i skruv- och packningskrafter. Dessa beräknas med hänsyn tagen till elastiska deformationer av alla komponenter. För att säkra läcktäthet beräknas den erforderliga ursprungliga åtdragningskraften (se 5.4) för att säkra att de nödvändiga krafterna på packningen uppnås för alla lastfall (se 5.3 och 5.5). j) Prov för belastningsgränser har baserats på gränsbelastningar för varje komponent. Detta angreppssätt motverkar överdrivna deformationer. Gränserna för packningarna, som beror av Q max, är endast approximativa. Modellen tar inte hänsyn till följande: k) Skruvarnas böjstyvhet och böjhållfasthet. Detta är en försiktig förenkling. Men skruvarnas dragstyvhet inkluderar (approximativt) deformationen inom den gängade delen i kontakt med muttern eller det gängade hålet (se ekvation (34). l) Materialkrypning för flänsar och skruvar. m) Olika radiella deformationer vid packningen (denna förenkling har ingen effekt för identiska flänsar). n) Utmattningsprov (tas vanligtvis inte i betraktning vid denna typ av normer). o) Externa vridmoment och externa skjuvbelastningar, dvs. sådana som härstammar från rörsystemet. 2 Normativa hänvisningar Denna europastandard inkorporerar genom daterade eller odaterade hänvisningar bestämmelser från andra nedan förtecknade publikationer. Dessa normativa hänvisningar anges på de platser i texten där bestämmelserna skall tillämpas. För daterade hänvisningar gäller senare publicerade tillägg, ändringar eller reviderade utgåvor vid användning av denna europastandard endast när de har inkorporerats i denna genom tilllägg, ändring eller reviderad utgåva. För odaterade hänvisningar gäller senaste utgåvan (inklusive tillägg). pren :1997 EN Rörflänsar och packningar Runda flänsar för rör, ventiler, rördelar och tillbehör, PNbetecknade Del 1:Stålflänsar Rörflänsar och packningar Runda flänsar för rör, ventiler, rördelar och tillbehör, PNbetecknade Del 2:Gjutjärnsflänsar pren :1994 Flanges and their joints Circular flanges for pipes, valves, fittings and accessories Part 3: Copper alloy and composite flanges, PN designated pren :1995 Flanges and their joints Circular flanges for pipes, valves, fittings and accessories, PN designated Part 4: Aluminium alloy flanges ENV Flanges and their joints Design rules for gasketed circular flange connections Part 2: Gasket parameters 3 Beteckningssystem 3.1 Användning av figurer Figurerna 1 till 12 illustrerar beteckningar som motsvarar geometriska parametrar. De visar endast principer och är inte avsedda att vara praktiska ritningar. De visar inte alla tänkbara flänstyper för vilka beräkningsmetoden kan användas.

10 Sida 8 För standard-flänstyper enligt EN 1092 är följande figurer relevanta: Typ 01 Figur 8 Typ 02 Figur 10 Typ 04 Figur 10 Typ 05 Figur 9 Typ 07 Figur 10 Typ 11 Figur 4 Typ 12 Figur 11 Typ 13 Figur 12 Typ 21 Figur 4 till Index och specialtecken Index A Tillkommande (F A, M A ) B Skruv C Kryp för packning (g c ) D Ekvivalent cylinder (konad krage + ansluten mantel) för beräkning av påkänningsgränser E Ekvivalent cylinder (konad krage + ansluten mantel) för flexibilitetsberäkning F Fläns G Packning H Förstärkning I Lastfallsnummer (för värden 0, 1, 2 ) L Lösfläns M Moment P Tryck Q Netto axialkraft från tryck R Netto axialkraft från extern påkänning S Mantel (eller rör), skjuvkraft T Modifierad mantel X Svagt tvärsnitt Symbol för ändring eller mellanskillnad av medelvärde c beräknat d konstruktion e effektiv max maximum min minimum nom nominell opt optimal req fordrat s ogängad del av skruv t teoretisk, vridmoment, gänga 0 ursprungligt åtdragningstillstånd (l = 0, se index I)

11 Sida Specialtecken ~ Accent som placerad över symbolerna för flänsparametrar refererar till den andra flänsen i förbandet, som kan var olika den första. 3.3 Symboler Där enheter är aktuella, visas de inom parentes. Om det inte är aktuellt med enheter, finns ingen angivelse. A B Den effektiva samlade tvärsnittsarean för alla skruvar (B) [mm 2 ], ekvation (33) A F, A L Brutto radiell tvärsnittsarea (inklusive skruvhål) av flänsringen (F), lösfläns (L) [mm 2 ], ekvationerna (5), (7), (8) A Ge, A Gt Effektiv (Ge) eller teoretisk (Gt) packningsarea [mm 2 ], ekvationerna (39), (36) C Koefficient som tar upp vridmomentet i skruvutnyttjandet, ekvation (71) E 0 E B, E F, E G, E L Elasticitetsmodul i tryck för packningen (MPa) vid nolltryckspänning Q = 0 [MPa] (se ENV ) Elasticitetsmodulen vid detaljens temperatur för den detalj som anges av indexet [MPa] (för E G se ENV ) F A Tillkommande yttre axiell kraft [N], dragpåkänning > 0, tryckpåkänning < 0, se figur 1 F B F G F G Skruvpåkänning (summerad över alla skruvar) [N] Packningspåkänning [N] Minsta packningspåkänning i åtdraget tillstånd [N] som säkerställer den fordrade packningspåkänningen efter alla belastningsväxlingar, ekvation (51) F Q Axiell vätsketryckkraft [N], ekvation (43) F R Påkänning som härstammar från F A och M A [N], ekvation (44) I Lastfallsnummer, i ursprungligt åtdragningstillstånd I = 0, i följande tillstånd I = 1, 2, 3, π = 12 min d I B Plastiskt vridmotstånd [mm 3 3 ] för skruvkärnor ( ) K 1 Be ; d Bs, ekvation (71) Förändringshastighet med tryckspänning för packningens elasticitetsmodul i tryck, ENV K S Systematiskt fel orsakad av bristande noggrannhet i skruvdragningsmetoden M A Yttre tilläggsmoment [N x mm], figur 1 M t M t,b Vridmoment vid skruvdragning [N x mm], bilaga D Vridmoment [N x mm] pålagd skruvkärnor till följd av pålagt vridmoment vid skruvdragning M t, ekvationerna (71) och (D.8) till (D.11) N R Antal ommonteringar och omdragningar under förbandets livslängd, ekvation (67) P Vätsketryck [Mpa], inre tryck > 0, yttre tryck < 0 (1 bar = 0,1 MPa) ANM. P är i denna standard lika med det maximala tillåtna trycket PS enligt PED.