Фланец и фланцевое соединение в трубопроводной арматуре

Каталог фланцев АРМАТЭК

В соответствии с «ГОСТ 24856-2014. Арматура трубопроводная. Термины и определения» фланцем называют элемент арматуры, служащий для ее соединения с трубопроводом или технологическим оборудованием. В большинстве случаев фланцы изготавливают в виде плоского кольца с уплотнительной поверхностью и отверстиями для крепежных деталей.

В этом же нормативном документе говорится об основных разновидностях фланцев: фланец плоский, фланец приварной встык (воротниковый), фланец резьбовой.

Фланцевая арматура

Снаряженная фланцами трубопроводная арматура носит название фланцевой арматуры, а патрубок, обеспечивающий фланцевое присоединение к трубопроводу, называется фланцевым патрубком.

Несмотря на то, что каждый из способов присоединения трубопроводной арматуры тяготеет к своему наиболее предпочтительному сочетанию условий (номинальные параметры арматуры, материалы, из которых она изготовлена, свойства рабочей среды и др.), «сферы интересов» разных типов присоединений могут пересекаться. В этом случае появляется повод говорить о технологической конкуренции различных присоединений трубопроводной арматуры. Так, например, при проектировании и сооружении трубопроводных систем для транспортировки сжиженного природного газа (СПГ) фланцевой арматуре напрямую «противостоит» приварная арматура.

Как любое другое, фланцевое соединение арматуры, наряду с безусловными преимуществами, имеет не самые сильные стороны. Но в случае фланцевой арматуры баланс между ними все-таки чаще складывается в пользу «плюсов», и именно на фланцевых соединениях останавливают свой выбор проектировщики трубопроводных систем. Это наглядно подтверждается высоким удельным весом фланцевой арматуры среди других разновидностей арматуры по присоединению к трубопроводу.

Герметичность фланцевого соединения

Важнейшее требование к любому соединению трубопроводной арматуры ─ герметичность. Разгерметизация фланцевых соединений происходит не в силу присущих им объективных недостатков, а из-за факторов сугубо субъективных ─ несвоевременного или недостаточного обслуживания. Чтобы гарантированно поддерживать герметичность на высоком уровне, необходимо периодически подтягивать фиксирующий соединение фланцев крепеж. И, конечно, не забывать менять прокладки между фланцами.

Достоинства фланцевого соединения ─ прочность, надежность, возможность многократного монтажа и демонтажа и использования в широком температурном диапазоне. Фланцам подвластны фактически любые диаметры арматуры, что убедительно доказывает опыт ведущих отечественных и зарубежных производителей. Например, компания АРМАТЭК из Санкт-Петербурга поставляет ответные фланцы к трубопроводной арматуре диаметром от10 до 1800 миллиметров.

Фланцы и ГОСТ

Впечатляющее разнообразие фланцев не превращается в хаос, напротив, оно структурировано и упорядоченно. Стандартизованы конструкции, варианты исполнения, типоразмеры фланцев, а также общие технические требования к ним, применяемые для их изготовления материалы, способы закрепления.

В настоящее время действует национальный стандарт РФ «ГОСТ 33259-2015 Фланцы арматуры, соединительных частей и трубопроводов на номинальное давление до PN 250. Конструкция, размеры и общие технические требования», который заменил ранее применяемые ГОСТы:

• ГОСТ 12815-80. Фланцы арматуры, соединительных частей и трубопроводов на Pу от 0,1 до 20,0 МПа (от 1 до 200 кгс/см2). Типы. Присоединительные размеры и размеры уплотнительных поверхностей;
• ГОСТ 12816-80. Фланцы арматуры, соединительных частей и трубопроводов на Pу от 0,1 до 20,0 МПа (от 1 до 200 кгс/см2). Общие технические требования;
• ГОСТ 12817-80. Фланцы литые из серого чугуна на Ру от 0,1 до 1,6 МПа (от 1 до 16 кгс/см2). Конструкция и размеры;
• ГОСТ 12818-80. Фланцы литые из ковкого чугуна на Ру от 1,6 до 4,0 МПа (от 16 до 40 кгс/см2). Конструкция и размеры;
• ГОСТ 12819-80. Фланцы литые стальные на Ру от 1,6 до 20,0 МПа (от 16 до 200 кгс/см2). Конструкция и размеры;
• ГОСТ 12820-80. Фланцы стальные плоские приварные на Pу от 0,1 до 2,5 МПа (от 1 до 25 кгс/см2). Конструкция и размеры;
• ГОСТ 12821-80. Фланцы стальные приварные встык на Pу от 0,1 до 20,0 МПа (от 1 до 200 кгс/см2). Конструкция и размеры;
• ГОСТ 12822-80. Фланцы стальные свободные на приварном кольце на Ру от 0,1 до 2,5 МПа (от 1 до 25 кгс/см2). Конструкция и размеры.

Типы фланцев

В ГОСТ 33259-2015 выделено шесть типов фланцев. Наименования первых четырех начинаются одинаково ─ со слов «фланец стальной плоский». Это тип 01 ─ фланец стальной плоский приварной, тип 02 ─ фланец стальной плоский свободный на приварном кольце, тип 03 ─ фланец стальной плоский свободный на отбортовке, тип 04 ─ фланец стальной плоский свободный на хомуте под приварку. Остальные ─ тип 11 ─ фланец стальной приварной встык и тип 21 ─ фланец корпуса арматуры, т. е. когда фланец является частью корпуса арматуры. Фланцы корпуса арматуры могут быть литыми стальными и литыми из чугуна ─ серого или ковкого.

Фланцы стальные плоские приварные «нанизываются» на трубу и привариваются непосредственно к ней.

Особенность свободных фланцев ─ диаметр их внутреннего отверстия больше, чем наружный диаметр трубы, и они легко проворачиваются на трубе, что существенно облегчает проведение монтажа.

Фланец стальной плоский свободный на приварном кольце помимо самого фланца включает кольцо, совпадающее с фланцем по величине условного диаметра. С помощью сварки фиксируется только кольцо, тогда как сам фланец остается свободным. Это полезно при монтаже фланцевых соединений в неудобных или труднодоступных местах, а также при необходимости их частого демонтажа и ремонтов.

Для использования фланцев стальных плоских свободных на отбортовке необходима подготовка конца трубы. Его видоизменяют для образования плоской упорной поверхности. Такие фланцы оптимальны на трубопроводах, выполненных из цветных металлов.

При монтаже фланцев стальных плоских свободных на хомуте под приварку вместо замкнутого кольца используют хомут.

Фланец стальной приварной встык присоединяется одним сварным швом, соединяющим встык торец трубы и «воротник» фланца (поэтому такие фланцы называют воротниковыми). Внутренний диаметр воротникового фланца равен диаметру трубы.

В соответствии с ГОСТ 33259-2015 для типов 01, 02, 11 и 21 существуют два ряда размеров. Ряд 1 является предпочтительным.

Исполнение уплотнительной поверхности

Важнейшим конструктивным параметром любого фланца является исполнение уплотнительной поверхности. В соответствии с вступающим в действие с 01.04.2016 г. ГОСТ 33259-2015 приняты десять исполнений с детальным указанием их размеров:

• исполнение A ─ плоскость;
• исполнение B ─ соединительный выступ (соответствует исполнению 1 здесь и далее ─ в соответствии с ГОСТ 12815-80);
• исполнение C, L ─ шип (соответствует исполнениям 4 и 8);
• исполнение D, M ─ паз (соответствует исполнениям 5 и 9);
• исполнение E ─ выступ (соответствует исполнению 2);
• исполнение F ─ впадина (соответствует исполнению 3);
• исполнение J ─ под прокладку овального сечения (соответствует исполнению 7);
• исполнение K ─ под линзовую прокладку (соответствует исполнениям 6 и 8).

Исполнения C, L и E допускается применять только по требованию заказчика.

Из всех форм фланцев…

…оптимальной является круглая. Фланцы другой формы встречаются гораздо реже.

Хотя нормативы допускают изготовление квадратных фланцев всех исполнений за исключением фланцев размерного ряда 2, имеющих четыре отверстия под шпильки (болты) на номинальное давление не более PN 40.

Кстати, в отверстиях фланцев под крепежные детали допускается нарезка резьбы.

Материалы и технология изготовления фланцев

Для изготовления стальных и чугунных фланцев используются:

• сталь ─ углеродистая, низколегированная, теплоустойчивая, коррозионно-стойкая;
• литье ─ из легированной, высоколегированной и нелегированной стали;
• серый чугун ─ СЧ 15, СЧ 20;
• ковкий чугун ─ КЧ 30-6;
• высокопрочный чугун ─ ВЧ 40, ВЧ 45.

Технология изготовления фланцев должна обеспечивать неукоснительное соблюдение их геометрических размеров и механических свойств.

Фланцы типов 01, 02, 03, 04 допустимо изготавливать из листового проката. При условии выполнения сварных швов с полным проваром по всему сечению фланцы этих типов можно выполнять сварными. Фланцы типа 11 (стальные приварные встык) изготавливать из листового проката не допускается. Их производят из поковок или штампованных заготовок.

Фланцы, изготовленные горячей обработкой металлов давлением ─ ковкой, прокаткой, штамповкой, ─ в максимально полной степени соответствуют современным требованиям эксплуатации. Особенно хорошие результаты приносит изготовление фланцев с использованием горячей штамповки и последующей термической обработкой. Горячештампованные поковки на сегодняшний день являются основным видом заготовок для фланцев трубопроводной арматуры. Особенно эта технология актуальна при изготовлении фланцев стальных приварных встык.

Будучи в меньшей степени подверженными деформациям, чугунные фланцы лучше стальных фланцев сохраняют форму, но требуют более бережного обращения, учитывая относительную хрупкость. Так, затяжку фланцевых соединений чугунной арматуры необходимо выполнять с осторожностью, чтобы излишнее рвение не привело к излому фланца.

Крепежные детали

Роль крепежа во фланцевых соединениях нельзя недооценивать. Болтам или шпилькам приходится «держать удар» механических нагрузок, стремящихся разорвать соединение. Крепежные детали (болты, шпильки, гайки) обычно изготавливают из того же или близкого по свойствам материала, что и сами фланцы. Избегая значительной разницы коэффициентов линейного расширения, удается обеспечить важную в процессе эксплуатации синхронность реакции фланца и крепежных деталей на изменения температуры.

Отверстия под крепежные детали во фланцах трубопроводной арматуры должны быть расположены симметрично по отношению к обеим ─ вертикальной и горизонтальной ─ главным осям. Но только не на них самих.

Чтобы сберечь время, затрачиваемое на подбор, и сократить расходы на доставку необходимого крепежа, его удобно заказать в комплекте с фланцами в одной компании. Это, кроме того, послужит гарантией их полной совместимости. Такую возможность получают заказчики, обратившиеся в компанию АРМАТЭК. Здесь также помогут укомплектовать фланцы межфланцевыми прокладками из различных материалов. Ведь от их свойств и качеств в значительной степени зависит герметичность фланцевого соединения.

Прокладки фланцевых соединений

Материал прокладки должен соответствовать условиям ее эксплуатации с учетом параметров (давление, состав, температура) рабочей и окружающей среды.

Подвижное или неподвижное уплотнение фланцевых разъемов обеспечивают различными материалами: резиной, паронитом, легкоплавким уплотнителем и др. Фланцы плоские герметизируют, применяя мягкие металлические или гофрированные прокладки с мягкой набивкой.

Для исполнений фланцев A, B, C, D, E и F допустимо использование широкого перечня прокладок: металлических (в т. ч. зубчатых), металлографитовых на основе терморасширяющегося графита (ТРГ), спирально-навитых (СНП), эластичных (они особенно востребованы для чугунных фланцев). Если речь идет о вредных веществах 1, 2 или 3 классов опасности или пожаро-взрывоопасных веществах, для фланцев с исполнением уплотнительных поверхностей A и B следует использовать волновые прокладки ТРГ с упругим вторичным уплотнением, а прокладки СНП снаряжать двумя ограничительными кольцами.

Фланцы с уплотнительными поверхностями исполнений K и J применяют с линзовыми прокладками, а также прокладками овального и восьмиугольного сечения. А фланцы с уплотнительными поверхностями исполнений L и M ─ с прокладками на основе фторопласта-4.

Важный параметр фланцевого соединения трубопроводной арматуры ─ усилие сжатия прокладки, величина которого измеряется в сотнях кН.

Размеры прокладки должны обеспечивать собираемость фланцевого соединения с учетом размеров исполнений уплотнительных поверхностей фланцев, а конструкция ─ центрирование прокладки при сборке, предотвращая возможность выдавливания. Лучшую фиксацию прокладки могут обеспечить отдельные элементы конструкции фланца. Например, паз под прокладку и шип в ответном фланце образуют своего рода замок, защищающий прокладку и тем самым повышающий надежность соединения.

Обозначение фланцев

Рекомендуемая новым ГОСТ 33259-2015 маркировка фланцев несколько отлична от установленной в ГОСТ 12820-80, ГОСТ 12821-80, ГОСТ 12822-80.

Для удобства и возможности сравнения «старый» и «новый» порядок маркировки сведен в небольшую таблицу.

Изменения можно сравнить на нескольких конкретных примерах:

Фланцевая арматура занимает важное место среди других разновидностей арматуры по присоединению к трубопроводу, а фланцы различных типов и размеров продолжают оставаться чрезвычайно распространенным элементом огромного числа технологических систем, одним из наиболее распространенных способов монтажа трубопроводной арматуры.