Соосность фланцев и ее влияние на герметичность трубопроводов

Промышленные рынки предъявляют высокие требования к герметичности трубопроводных систем. Нефтегазовая и химическая промышленность работает при высоких давлениях, температурах и циклических нагрузках. В таких условиях даже незначительные отклонения геометрии фланцевого соединения могут напрямую влиять на ресурс прокладки, срок службы крепежа и стабильность работы оборудования. Стабильность работы разъемного соединения определяется не только качеством самих деталей, но и точностью монтажа, корректностью распределения нагрузки и общим состоянием трубопровода.

В новой статье базы знаний ОНИКС разберем требования к соосности фланцев, как перекос узла влияет на прокладку и крепеж, а также, какие существуют способы предотвращения негативных последствий.

Это стальная круглая деталь с равномерно удаленными отверстиями под крепеж. Фланец обеспечивает механический способ соединения или сборки таких деталей, как трубы, фитинги и клапаны. Основная функция фланца - создать герметичное соединение трубопроводных систем для транспортировки или преобразования среды.

Это симбиоз работы сразу несколько компонентов: фланцев, прокладок и крепежа. Они находятся под прямым влиянием от температурных и динамических нагрузок трубопровода. При грамотной сборке усилие затяжки шпилек/болтов преобразуется в равномерное обжатие уплотнительного материала. Нарушение любого параметра запускает цепочку перераспределения напряжений и ускоренного износа трубопроводного участка.

Если нарушить равномерность, то появляются локальные точки перекоса, которые влияют на соосность фланцев и отклонение геометрии трубопровода. В зонах повышенного давления прокладка начинает ускоренно разрушаться или терять упругие свойства, тогда как в зонах пониженного давления формируются микроканалы утечки. Одновременно крепеж начинает работать в нерасчетных режимах и, помимо осевого растяжения, появляются изгибающие и срезающие нагрузки.

Соосность фланцев отвечает за формирование расчетного напряженно-деформированного состояния всего фланцевого узла. Иными словами, соосностью называют положение, когда совпадают оси трубопровода, плоскости фланцев сохраняют параллельность относительно друг друга и корректно расположены крепежные отверстия без перекоса. При правильной соосности усилие затяжки шпилек равномерно распределяется по прокладке, формируя стабильное контактное давление по всей площади уплотнения. В расчетных условиях шпильки работают на растяжение. Любое отклонение приводит к неравномерной нагрузке на прокладку и крепеж, что ускоряет износ узла и повышает риск утечек.

Если на одну из сторон уплотнительного материала будет действовать разная сила, то часть прокладки испытывает повышенное давление, а часть - недостаточное. Таким образом, появляются излишние изгибающие и сдвиговые нагрузки. В зоне с повышенным зажатием прокладочный материал быстрее теряет упругость, что влечет к разрушению и выдавливанию прокладки наружу. В зоне с недостаточной силой зажатия появляется свободное место, через которое может сформироваться утечка. При этом, внешне соединение может выглядеть исправным, но запас герметичности уже снижен.

На основе расчетов напряжений и экспериментальных испытаний заданы допустимые отклонения соосности. Технические параметры указаны в ГОСТ 55430-2013. Область применения стандарта - разъемные соединения стальных технологических трубопроводов с номинальными диаметрами от 3 до 4000 мм и номинальным давлением от 1 до 2500 кгс/см². Температура среды варьируется от -196°С до 700°С. Пока отклонения находятся в допустимых пределах, прокладка и крепеж способны компенсировать монтажные неточности. При превышении допусков соединение начинает работать в нерасчетном режиме, а ресурс становится трудно прогнозируемым.

Таблица 1. Допуски параллельности и соосности фланцев разъемных соединений трубопровода по ГОСТ 55430-2013

Таблица 2. Допуски параллельности торца фланца трубопровода по отношению к торцу крышки, торцу корпуса или плоскости на цилиндрической поверхности корпуса по ГОСТ 55430-2013

После определения допустимых отклонений важно понимать практические последствия выхода за пределы нормативных значений. Что может произойти?

• На прокладках появятся локальные зоны перенапряжения по контактной зоне. Это особенно критично при циклических нагрузках, когда разъемное соединение подвергается многократным температурным изменениям. Влияние перекосов на прокладки различно. Металлические и комбинированные уплотнители обладают меньшей способностью компенсировать монтажные отклонения. Неметаллические прокладки хоть и могут частично компенсировать перекос, но при этом быстрее теряют упругие свойства.


• Крепежные соединения получают повышенную концентрацию напряжения в зоне первых витков резьбы и переходных сечений. В результате снижается усталостная прочность крепежа и возрастает вероятность его разрушения.

К постоянным нагрузкам и воздействиям на трубопровод относят те, которые действуют в течение всего срока строительства и эксплуатации. Несоосность и перекос переводят работу фланцевого узла из расчетного режима в комбинированный, ускоряя усталость фланца, прокладки и крепежа. Среди самых распространенных видов напряженно-деформированных состояний выделяют: угловое, осевое и радиальное (или его еще называют сдвиговым).

Угловой перекос влияет на деформацию свободных и приварных фланцев. Угловое смещение - это состояние при котором осевые линии двух фланцев сходятся под углом, а не образуют единую прямую линию. Поэтому, критически важно выравнивать оборудование во время монтажных работ. К чему может привести перекос фланцев? Например, к локальному переобжатию прокладки и потере герметичности на противоположной стороне.

Осевое сжатие - это механическая нагрузка, определяемая силой, которая давит на материал внутрь, стремясь укоротить или сжать его по всей длине. Оно возникает при затяжке шпилек и передается от крепежа через фланцы на прокладку. Усилие затяжки преобразуется в равномерное контактное давление по всей площади уплотнения.

Для понимания сжатия полезно сравнить его с его механической противоположностью: растяжением. Сжатие - это сила, толкающая материал прокладки и укорачивающая его, тогда как растяжение - это сила, тянущая и удлиняющая. В расчетных условиях эта деформация обратима и компенсируется упругими свойствами материалов. Однако, при превышении допустимых перекосов часть осевой деформации преобразуется в остаточную - прокладка теряет упругость, а фланцы испытывают локальное пластическое деформирование. К чему может привести избыточное осевое сжатие? К снижению эффективности крепежа и уменьшению герметичности соединения.

Радиальное расширение вызывается внутренним давлением рабочей среды и температурным воздействием. Под давлением фланец стремится увеличиться в диаметре, что дополнительно нагружает разъемное соединение. Такое "расползание" фланца в стороны влияет на прижим прокладки, работу шпилек и герметичность соединения.

Расширение происходит в тех ситуациях, когда внутренняя среда работает при повышенной температуре и металл стремится расшириться не вдоль трубы, а в стороны, увеличивая свой диаметр. В разъемном фланцевом соединении радиальному расширению подвергаются сразу несколько элементов: труба, кольцо фланца и в меньшей степени - прокладка. Все они расширяются по-разному, потому что имеют разную форму, толщину, жесткость и температуру. Именно эта разница и становится источником дополнительных напряжений.

Чтобы избежать критического влияния этого эффекта, стоит грамотно подбирать материал для фланца, который без проблем выдерживает условия работы в заданной среде. Если фланцы изначально установлены с перекосом, радиальное расширение начинает работать неравномерно. Радиальное расширение становится опасным, когда его не учитывают при инженерных расчетах: при плохой соосности, неверном выборе прокладки, недостаточной жесткости фланца или неправильной затяжке крепежа.

Типы фланцев по ГОСТ 33259-15 по-разному реагируют на несоосность. Свободные фланцы могут свободно вращаться вокруг оси, опираясь на отбортовку или втулку. Такая особенность нивелирует перекос за счет подвижности. Основная нагрузка в таком соединении переходит на опорный бурт. Во время затяжки болтов при несоосности, фланцы типов 02-04 подстраиваются под перекос.

Плоские фланцы изначально более чувствительны к любым отклонениям геометрии трубопровода. Если во время монтажа усилия затяжки шпилек прикладываются неравномерно, то отсутствует параллельность прижима прокладки. С одной стороны прокладка будет прижата сильнее, а с другой - слабее. Этот изгиб приводит к угловому повороту плоскости фланца.

Воротниковые фланцы переносят несоосность лучше, чем плоские благодаря горловине. При перекосе фланцы тип 11 перераспределяют нагрузку через воротник и трубу, из-за чего возрастает напряжение в зоне сварного шва, тогда как прокладка также нагружается неравномерно.

Особенно чувствительной система трубопровода становится в условиях переменных температур и циклических нагрузок. При нагреве и охлаждении трубопровод и фланцы могут расширяться или сужаться, что приводит к изменению натяжения крепежа и контактного давления на уплотнительный материал прокладки. Если фланцевый узел изначально собран с геометрическими отклонениями, то температурные деформации усиливают неравномерность нагрузки. В результате этого развивается ползучесть уплотнительных материалов, снижается остаточное натяжение шпилек, ускоряется накопление усталостных повреждений в металле крепежа и фланцев.

В ГОСТ 55430-2013 представлен порядок затяжки крепежа. Сохраняя определенную последовательность, достигается равномерное распределение нагрузки.