Разъемные соединения: руководство по фланцам, прокладкам и крепежу

Соединить два участка линии трубопровода можно при помощи разъемного фланцевого соединения. Что из себя представляет фланцевый узел? Соединение состоит из двух фланцев, крепежа и прокладки. Фланцы изготавливают в виде стального диска с центральным проходом и симметрично расположенными крепежными отверстиями. Фланцевые фитинги - это болты, шпильки, гайки и шайбы, которые стягивают фланцы между собой и создают давление на прокладку. Герметичное уплотнение формируется благодаря прокладкам, их устанавливают между уплотнительными поверхностями фланцев. В рамках новой статьи базы знаний ОНИКС рассмотрим три составляющих успешного и надежного соединения: фланцы, крепеж и прокладки.

При правильной сборке фланцевые соединения обеспечивают надежное уплотнение, предотвращают утечку жидкостей и газов. Фланцы относятся к разъемным соединениям, что позволяет легко их разобрать, обслужить и собрать обратно. Широкая вариативность видов фланцевых соединений закрывают максимальное количество требований в работе трубопроводных линий. Стальная труба может быть приварена к фланцу (плоские, воротниковые, глухие, свободные) или ввинчена в него (резьбовой фланец). Рассмотрим каждый пункт отдельно.

Фланцы ГОСТ 33259-15

Виды фланцев

• плоские фланцы - тип 01;
• свободные фланцы: тип 02 на приварном кольце, тип 03 на отбортовке и тип 04 на хомуте под приварку;
• воротниковые фланцы - тип 11;
• фланцы корпуса арматуры - тип 21.

Основная разница между типами фланцев по ГОСТ 33259-15 заключаются в методе их сопряжения с корпусом ответного оборудования или трубопроводом. Плоские и воротниковые называют цельными. Фланцы типов 01 и 11 монтируют с трубопроводом при помощи сварки, за счет чего, нагрузка распределяется равномерно. Если требуется работа в условиях высокого рабочего давления - отдайте предпочтение воротниковым фланцам, они выдерживают до 250 кгс/см2. Благодаря длинной горловине получается плавный переход с распределением нагрузки в сварном шве. Внутренний диаметр плоских фланцев больше, чем диаметр трубы. Благодаря этому, фланец типа 01 спокойно надевают на трубу и закрепляют двумя сварными швами. 

Фланцы типов 02-04 относятся к свободному виду. Все свободные фланцы работают по одному принципу: нагрузку при затяжке болтов воспринимает не сам фланец, а дополнительный элемент (кольцо, отбортовка или хомут). Внутренний диаметр фланцев тип 02 (на приварном кольце) больше, чем диаметр трубы. Это позволяет надеть кольцо на трубу без препятствий и приварить двумя швами. Рабочее давление до 25 кгс/см2. Свободные фланцы типа 03 надеваются на трубу только до отбортовки - она выступает в качестве опоры. Рабочее давление не превышает 16 кгс/см2. Последний тип свободных фланцев - это тип 04 или фланцы на хомуте под приварку. Соответственно, их конструкция состоит из двух элементов: сам фланец и хомут. Сначала на трубу надевают свободный фланец, затем хомут приваривается одним сварным швом. После сварки хомут становится неотъемлемой частью трубы, а свободный фланец свободно перемещается до упора в бурт хомута. Тип 04 подходит для работы при давлении только на 10 кгс/см2, 16 кгс/см2, 25 кгс/см2 и номинальный диаметр до 600 мм.

Фланцы корпуса арматуры кардинально отличаются от рассмотренных видов и являются элементом арматуры, а не отдельной деталью. Тип 21 производят сразу вместе с задвижкой или клапаном. В отличие от воротниковых, плоских или свободных фланцев, здесь нет сварного шва, благодаря чему, нагрузка равномерно распределяется по корпусу. Материал корпуса производят методом литья (этот метод производства запрещен для остальных видов 01-04 и 11 по ГОСТ 33259-15). Фланец отливается или формируется заодно с корпусом - он не приваривается и не надевается отдельно, как свободные или воротниковые. Внешне они похожи на воротниковые фланцы, однако, деталь всегда выступает в качестве цельной части корпуса трубопроводной арматуры. Корпус изготавливают из трех видов: стальной, из серого и ковкого чугуна. Максимальное давление представлено в стальном корпусе - до 250 кгс/см2. Выдержать высокое давление помогает цельная конструкция и отсутствие сварного шва. Фланцы из серого чугуна представлены в невысоком давлении (работают до 16 кгс/см2), тогда как сам корпус может быть отлит до 4000 мм. Последний вариант материала для фланцев корпуса арматуры - ковкий чугун. Он сочетает высокое давление до 40 кгс/см2 и небольшие диаметры - до 300 мм.

ГОСТ 33259-15 допускает квадратные фланцы. Плоские квадратные фланцы менее востребованы. По периметру квадрата равноудалены четыре крепежных отверстия. Такие фланцы применяют для ответных соединений в прямоугольных и квадратных корпусах оборудования. Рабочее давление до 40 кгс/см2, диаметр зависит от исполнения и варьирует от 10 до 100 мм.

Исполнения фланцев

В конструкции фланцев предусмотрена рабочая уплотнительная поверхность или зеркало. Выбор рабочей поверхности зависит от давления, температуры и требований к тех. обслуживанию. В ГОСТ 33259-15 выделяют 10 исполнений зеркал: плоскость, соединительный выступ, выступ, впадина, шип, паз, под линзовую прокладку, выступ-впадина под фторопластовую прокладку. До 1 апреля 2016 года фланцы регламентировались группой ГОСТов 12815-80 - 12822-80, где все исполнения обозначались цифрами. Прошлое стандартное поле разделяло каждый тип фланцев в отдельный нормативный документ (плоские - ГОСТ 12820-80, воротниковые - ГОСТ 12821-80, свободные - ГОСТ 12822-80). Ознакомьтесь подробнее с различиями двух поколений стандартов на фланцы по ссылке.

Читать по теме: 

• Разбор технических особенностей исполнений фланцев A, B, F, E, D, C

• Разбор технических особенностей исполнений фланцев K, J, L, M

• Для чего нужно защищать зеркало фланца?

Глухие, резьбовые, устьевые фланцы и фланцы сосудов и аппаратов

Помимо рассмотренных выше видов существуют резьбовые фланцы по ГОСТ 9399-81, фланцевые заглушки по ГОСТ 34785-21 и АТК 24.200.02-90, фланцы сосудов и аппаратов по ГОСТ 28759.2-4 и устьевые фланцы по ГОСТ 28919. Рассмотрим кратко каждые из них.

Фланцевые заглушки

Фланцевые заглушки в российском стандартизированном поле встречаются двух вариантов: АТК 24.200.02-90 и ГОСТ 34785-21. Внешне похожи на фланцы, за исключением внутреннего отверстия - в заглушках его нет. Задача глухих фланцев - надежно заглушить трубу в концевых отрезках трубопровода для полного перекрытия потока во время ремонта или обслуживания. 

• Глухие фланцы по АТК появились значительно раньше и отрасль пользуется ими до сих пор. Каждый вариант заглушек имеет ответную пару с фланцами. 

• Заглушки по ГОСТ более приближены к ответным соединениям с фланцами по ГОСТ 33259-15. Стандарт ввели в эксплуатацию в 2022 году. Введены единые требования к группам контроля.

В чем главные отличия? Одни заглушки отличаются от других толщиной, поэтому не каждая позиция предполагает замену. Различают также и количество исполнений: альбом типовых конструкций предполагает 5 исполнений, а государственный стандарт - 7 исполнений. Заглушки по ГОСТ 34785-21 допускается изготавливать квадратными с четырьмя отверстиями под болты для номинального давления не более 40 кгс/см2, от 10 до 100 мм.

Читать по теме:

• Фланцевые заглушки по ГОСТ 34785-21

• Разница между глухим фланцем и фланцевой заглушкой

• Как выбрать фланцевую заглушку?

Резьбовые фланцы

Еще одна разновидность плоских фланцев - это фланцы с резьбой. Конструкция напоминает обычные фланцы: стальной диск с центральным отверстием и равноудаленными отверстиями для крепежа. В центральном проходе выполнена резьба. Технические параметры указаны в ГОСТ 9399-81: давление до 1000 кгс/см2, диаметр до 295 мм. Для уплотнения используют линзовые прокладки. 

Фланцы сосудов и аппаратов

Фланцы сосудов и аппаратов имеют широкий диапазон рабочих диаметров от 400 до 4000 мм. Предел давления - 160 кгс/см2. Работают с емкостями, насосами и аппаратами. ГОСТ 28759 выделяет три варианта фланцев: плоские, воротниковые и воротниковые под прокладку восьмиугольного сечения. Для плоских фланцев ГОСТ 28759.2 предусмотрено 15 исполнений: от стандартных зеркал до облицованных и наплавленных коррозионно-стойкой сталью. Приварные встык ГОСТ 28759.3 предполагают 8 исполнений, которые также могут быть облицованы нержавеющей сталью. Воротниковые фланцы под прокладку восьмиугольного сечения включают два исполнения: монометаллические и с наплавкой коррозионно-стойкой стали. 

→ Узнать больше про фланцы сосудов и аппаратов

Устьевые фланцы

С инженерной точки зрения устьевые фланцы занимают отдельное место среди всех типов соединений. В отличие от плоских и воротниковых фланцев ГОСТ 33259-15, они проектируются не столько для универсальных трубопроводов, сколько для конкретных узлов нефтегазового оборудования. Устьевые фланцы по ГОСТ 28919-91 применяются в арматуре нефтегазовых скважин и отличаются повышенной надежностью конструкции. Они работают в связке с превентивным оборудованием, обеспечивая герметичность устья скважины. Это делает их критически важным элементом для безопасной добычи углеводородов. Рассчитаны на значительно более высокое давление от 140 до 1400 кгс/см2. Их диаметр, форма уплотнительных поверхностей и крепеж жестко регламентированы стандартом.

Прокладки для фланцевых соединений

Для того, чтобы обеспечить герметичность во фланцевом соединении используют уплотнительные элементы - прокладки. Сила сжатия, возникающая при соединении фланцев, за счет крутящего момента болтов, удерживает прокладку между двумя сопрягаемыми поверхностями зеркала. Имеют круглую форму, соответствующую форме зеркала фланцев. Выделяют три крупных группы прокладок: неметаллические, металлические и комбинированные. 

• К неметаллическим прокладкам относятся: резина, паронит, фторопласт, картон.

• Металлические прокладки бывают: линзовые, овального и восьмиугольного сечения.

• Комбинированные прокладки: графитофторопластовые, спирально-навитые/СНП и т.д.

Неметаллические прокладки

Самый распространенный вид неметаллических прокладок - паронитовые прокладки. Их применяют с рабочим давлением до 6,4 МПа, от -40 до +450 °C. По ГОСТ 481-80 выделяют 9 марок паронита: ПОН (общего назначения), ПМБ (маслобензостойкие), ПМБ-1, ПК (кислотостойкие), ПА (армированные), ПОН-А, ПОН-Б, ПОН-В и ПЭ (электролизерный). Второе место по популярности неметаллических уплотнителей занимает фторопласт (Ф-4, ПТФЭ, PTFE), выдерживает от -200 до +180 °C. 

Металлические прокладки

Металлические прокладки выполнены из стали и подходят для фланцев по ГОСТ 33259-15 в исполнении J и K. Выделяют линзовые прокладки, прокладки овального (кольца АРМКО), восьмиугольного и треугольного сечения. Предназначены для систем с высоким рабочим давлением до 1000 кгс/см2. В зависимости от сечения, отличается внешний вид. Например, прокладки восьмиугольного сечения имеют форму круглой детали с восемью гранями, а прокладки овального сечения напоминают форму прямоугольника с полукруглыми углами. 

Комбинированные прокладки

Комбинированные прокладки изготавливают на основе нескольких материалов. Например: металл+резина, металл+графит. Самые распространенные комбинированные прокладки - это спирально-навитые или СНП. Выделяют четыре основных вида: А - без ограничительных колец, В - с внутренним ограничительным кольцом, Г - с наружным ограничительным кольцом и Д - с внутренним и наружным ограничительными кольцами. 

Подбор прокладок для разных видов фланцев

Разберем, с какими видами прокладок можно встретиться работая с плоскими, воротниковыми, свободными, резьбовыми, устьевыми фланцами, фланцевыми заглушками и фланцами сосудов и аппаратов.

ГОСТ 33259-15

ГОСТ 34785-21 и АТК 24.200.02-90

При изготовлении заглушек по ГОСТ 34785-21 из поковок, шероховатость поверхностей различается в зависимости от исполнения. Таким образом, средняя шероховатость для исп. В с соединительным выступом, исп. E с выступом, исп. F с шипом - Ra 12,5 мкм. Для глухих фланцев с шипом L для фторопластовых прокладок Ra 3,2 мкм. Шероховатость заглушек под овальную прокладку (исп. J), для заглушек с впадиной (исп. F) - 12,5 мкм. Заглушки уплотняют эластичными, спирально-навитыми, графитовыми прокладками и прокладками овального сечения. Фланцевые заглушки по АТК 24.200.02-90 аналогичны с заглушками по ГОСТ: исп. 1, 2, 5 предполагает шероховатость уплотнительной поверхности зеркала Ra 12,5 мкм. Шероховатость заглушек исполнения 3 - Ra 12,5 мкм, но если применяют фторопластовые прокладки - Ra 6,3 мкм. Исполнение 4 под прокладку овального сечения - Ra 3,2 мкм. 

ГОСТ 9399-81

ГОСТ 28759-22

• Неметаллические прокладки (ГОСТ 28759.6) подходят для плоских и приварных встык фланцев. В зависимости от величины внутреннего диаметра неметаллической прокладки, выделяют 1 и 2 исполнение. Более подробный выбор прокладок для разных типов фланцев вы можете увидеть ниже. Материал неметаллических прокладок по ГОСТ 28759.6 может быть различным: резина (тип 1), паронит (тип 2), асбестовый картон (тип 3), армированный терморасширенный графит (тип 4), фторопласт (тип 5-6). Исходя из условий эксплуатации, допускается изготавливать прокладки из других материалов, например фторкаучук или бутадиеновый каучук и др. Нередко, для фланцев изготавливают комбинированные прокладки с фторопластовым чехлом (плоские фланцы - исп. 4-5, 9-10, 14-15; воротниковые фланцы - исп. 1-2, 5-6). 
  
  

• Асбометаллические или прокладки в металлической оболочке по ГОСТ 28759.7 рассчитаны только на воротниковые фланцы. 
  
  

• Прокладки металлические восьмиугольные по ГОСТ 28759.8 рассчитаны специально только для третьего типа стальных фланцев - фланцы воротниковые под прокладку восьмиугольного сечения (ГОСТ 28759.4). 
  
  
• Следующий тип уплотнительного материала для фланцев сосудов и аппаратов - спирально-навитые прокладки по ГОСТ 28759.9. Выделяют два типа: А (NF) и В (VRI). Тип А предназначен для герметизации соединений “шип-паз” воротниковых фланцев, тип В подходит для воротниковых фланцев “выступ-впадина”. Более подробно технические особенности рассмотрены ниже. 
  
  
• Прокладки из терморасширенного графита на металлическом зубчатом основании по ГОСТ 28759.10 разработаны для фланцев приварных встык (ГОСТ 28759.3). Металлическое зубчатое основание таких прокладок различается тремя шагами: прокладка ТРГ на обычном зубчатом основании, зубчатое основание с шагом 1,0 мкм и зубчатое основание с шагом 1,5 мкм. Также, существует два исполнения. Более подробно технические особенности представлены ниже.
  
  
• Последний вид прокладок для фланцев сосудов и аппаратов - из терморасширенного графита на волновом металлическом основании по ГОСТ 28759.11. Подходят для плоского и воротникового типа и включают в себя сразу 5 исполнений. Подробнее исполнения прокладок и соотношение с фланцами рассмотрены ниже.

Шероховатость уплотнительных поверхностей плоских и воротниковых фланцев (ГОСТ 28759.2, ГОСТ 28759.3) сосудов и аппаратов для всех исполнений (плоские исп. 1-15; воротниковые исп. 1-8) - Ra 12,5 мкм. Шероховатость уплотнительной поверхности фланцев стальных приварных встык под прокладку восьмиугольного сечения - Ra 12,5 мкм.

ГОСТ 28919-80

Монтаж фланцев для устьевого оборудования предполагает два варианта: с зазором между торцами фланцев и без зазора. Оба варианта могут быть соединены “фланец-фланец” и “фланец-корпус”. Средняя шероховатость двух исполнений - Ra 6,3 мкм. Применяют стальные кольцевые прокладки восьмиугольного сечения. Фланцевые соединения с зазором между торцами фланцев или тип 1 предусматривается использование прокладок “П”. Соединение тип 2 без зазора между торцами рассчитано на прокладки “БХ”.

Подведем итог. Помимо того, что каждый стандарт на фланцы, четко регламентирует требования к прокладкам, важно учитывать состав материала, форму и размер. Различные материалы и конструкции прокладок выдерживают разные уровни давления и температуры. Крайне важно выбрать правильный тип прокладки на этапе проектирования.

Крепеж для фланцевого соединения

К фланцевому крепежу относятся: болты, шпильки, гайки, шайбы. Болты и гайки - одни из самых распространенных видов крепежных изделий для разъемных фланцевых соединений в трубопроводах. Болты состоят из резьбового стержня и гайки. Их используют для стяжки фланцев трубопроводных систем. Болты бывают разных размеров и изготовлены из разных материалов. Шпильки похожи на болты, но у них нет головки. Вместо этого, они имеют резьбу на обоих концах и используются с двумя гайками для более надежного соединения. Благодаря шпилькам происходит равномерное распределение прижимной силы. Шайбы представляют собой плоские круглые диски с отверстием в центре, которые надеваются на болт или гайку. Они распределяют нагрузку на большую площадь, предотвращая повреждение соединяемых материалов и снижая риск ослабления соединения с течением времени. 

Как определить нужное количество болтов или шпилек? Необходимое количество крепежа всегда будет кратным четырем. Например, 4, 8, 12, 16 и т.д. По мере увеличения диаметра фланца увеличивается и количество необходимых болтов, а также из толщина. Процедура закрепления крепежа при низком давлении и низкой температуре производится вручную с помощью гаечного ключа. При более высоком давлении и температуре применяют динамометрические ключи. Это позволяет затягивать шпильки с определенным усилием, что обеспечивает необходимое давление для создания герметичного соединения. Фланцы всегда следует затягивать крест-накрест во время сборки. Перекрестная затяжка удобна и равномерно распределяет нагрузку на прокладки. Если нарушить очередность затяжки крепежа, есть риск перекоса фланца или смятия прокладки. Любая из этих проблем нарушает герметичность фланца.

Полезные материалы про фланцевый крепеж

• Все, что нужно знать про болты и шпильки

• Все, что нужно знать про шайбы и гайки

Офис в Москве (499) 673-3838

Офис в Екатеринбурге (343) 384-3838

Офис в Санкт-Петербурге (812) 328-3838

Бесплатно по РФ 8 (800) 555-3883

Сайт onyxspb.ru

E-mail: info@onyxspb.ru