Основные характеристики и назначение фланцевых соединений


Назначение фланцев

Итак, разберёмся, что такое фланец, для каких целей его используют? Какие типы фланцев бывают?

Основные характеристики и назначение фланцевых соединений

Фланец – это металлическая деталь различной геометрической формы, используемая в трубопроводных арматурах для герметичного и прочного присоединения элементов трубопроводов друг к другу и к  специальному оборудованию. Равномерно по периметру фланец имеет отверстия для обеспечения прочного соединения деталей с помощью шпилек, болтов и других крепежных элементов. В настоящее время производят 9  вариантов фланцев разной формы и размеров площади стыка.

Фланцы любого типа и назначения в большинстве случаев изготавливают из стали широкого ряда марок. Выбор материала  определяется рабочей средой, для использования в которой предполагается фланец.

В настоящее время наибольшее распространение в производстве фланцев получили марки стали:


  • углеродсодержащая конструкционная сталь 20 (ст.20). Фланцы из данной марки стали в основном используют при монтаже трубопроводов с жидкой и газовой рабочей средой (пар, вода и др.) при температурах носителя и окружающей среды от минус 40 до плюс 475°С;
  • низколегированная конструкционная сталь 09г2с (ст. 09Г2С), широко применяемая для сварных конструкций. Такие фланцы могут выдерживать рабочий диапазон температур от минус 70 до плюс 475°С и предназначены для трубопроводных магистралей нефтеперерабатывающей и газоперерабатывающей промышленности;
  • криогенная конструкционная сталь 12Х18Н10Т для фланцев, применяемых в трубопроводных конструкциях для агрессивных сред в химической промышленности с рабочим диапазоном температур от минус 196 до  плюс 350°С;
  • коррозионно-стойкая сталь 10Х17Н13М2Т работоспособна в рабочих средах повышенной агрессивности, имеет продолжительные сроки эксплуатации. Обладает высокой устойчивостью к воздействию коррозии различной природы (электрохимической, химической, межкристаллической, коррозии под напряжением и др.) в интервале температур от минус 196 до плюс 600°С;
  • жаропрочная легированная сталь марки 15Х5М применяется для изготовления соединяющих элементов трубопроводов с повышенной устойчивостью к окислительным процессам в температурных условиях до
    600-650°С.

Нормативная отраслевая документация

Способы производства фланцев, используемые материалы, технические характеристики, рекомендуемые области их назначения в Российской Федерации регламентированы государственными и межгосударственными отраслевыми стандартами.

Основные характеристики и назначение фланцевых соединений

Таблица 1 — Типы фланцев и соответствующие им ГОСТы

На современном этапе существует 2 подхода к классификации фланцев: по типу соединения и способу изготовления.

Типы фланцев по способу соединения

  • Воротниковый

Основные характеристики и назначение фланцевых соединенийДанный тип фланцев предназначен для эксплуатации в температурном диапазоне от минус 253 до плюс 600°С в конструкциях с чрезвычайно высоким давлением. Он имеет конусообразное исполнение, что позволяет обеспечить работоспособность арматуры в указанных условиях. Сглаженный переход воротникового фланца в корпус трубопровода достигается за счёт внедрения конуса фланца, его наибольший диаметр должен соответствовать диаметру корпуса трубопровода. Конструкция фланца эффективно снижает появление возможных препятствий при прохождении рабочей среды, турбулентности потока и способствует распределению возникающих напряжений в трубопроводе.

  • Свободный (накидной)

Основные характеристики и назначение фланцевых соединенийФланцы данного типа разработаны в таком исполнении, что они свободно вращаются и перемещаются вдоль каркаса трубопровода, что упрощает устройство выемок для крепежных элементов. Их не требуется приваривать или жестко фиксировать. Соединение трубопроводов осуществляется двумя сварными швами по углам на внешней и внутренней поверхностях.  Данные фланцы не имеют выпуклой поверхности. Радиус поверхности стыка обычно стандартный и совпадает с радиусом трубы и остальных используемых фланцев. Часто используются в комплекте с фланцами других типов.

Предназначены для невысоких рабочих давлений и температурного диапазона от минус 30º до плюс +300°С. Имеют небольшие сроки службы и не применяется в трубопроводах с жидкой рабочей средой. Тем не менее, сделанный из качественной углеродистой стали, фланец свободного типа эффективен как бюджетный вариант исполнения для применения в коррозийно-устойчивых трубопроводах.

  • Раструбный

Основные характеристики и назначение фланцевых соединенийИсторически фланцы раструбного типа были предназначены для труб малого диаметра с высоким рабочим давлением. Сроки их службы по сравнению с фланцами свободного типа значительно выше. В настоящее время используются для соединений арматуры, работающей в температурном диапазоне от минус 20 до плюс 70°С. Соединение с каркасом трубы достигается сваркой с одного угла на внешней поверхности фланца. Недостатком фланца данного типа является высокая вероятность разрыва, особенно в коррозионно-неустойчивых трубопроводах, поэтому их использование ограничено.

  • Приварной плоский

Основные характеристики и назначение фланцевых соединенийФланцы данного типа применимы в диапазоне рабочих температур от минус 70º до плюс 450ºС и максимальных давлений до 2,5 МПа. Являются наиболее распространенными, просты в изготовлении и имеют относительно низкую стоимость. Обычно, имеют конструкцию различной геометрической формы с отверстием под заданный диаметр арматуры и отверстиями под крепежные элементы.

При  стягивании фланцев данного типа болтами или шпильками получается косвенное бесконтактное соединение только за счёт уплотнительной прокладки. Могут применяться, в том числе, и в качестве опорных элементов для трубных конструкций различных технических объектов. Приварные плоские фланцы обеспечивают прочное присоединение опор к основанию и хорошо подвергаются демонтажу путем открепления болтов или шпилек.

  • Резьбовой

Основные характеристики и назначение фланцевых соединенийРезьбовые фланцы предназначены для объектов, эксплуатируемых в специфических условиях. Главное преимущество состоит в возможности их фиксирования на трубе без применения сварочных работ, только за счёт резьбового соединения, в редких случаях их совмещением. Резьбовые  фланцы часто используются в трубах небольшого диаметра и не применимы для конструкций, выполненных из труб малой толщины, так как нет возможности нанести на них резьбу.

  • Глухой

Основные характеристики и назначение фланцевых соединенийГлухой фланец (заглушка) представляет собой плоскую деталь без центрального отверстия под трубопровод, но с отверстиями по диаметру под крепежные элементы. Цель его применения – временное или постоянное перекрытие («заглушка») рабочего потока на торцевых концах каркаса трубы.

Широкое распространение заглушки получили в газопроводах,  холодных водопроводных магистралях, системах ливнестоков и др. Температурный диапазон применения достаточно широк: от  минус 70 до плюс 600°С.

Воротниковый фланец


dom120723_2[1]

Воротниковый фланец имеет длинную конусообразную конфигурацию. Такая конструкция формирует требуемые усилия во время применения фланца в устройствах с высочайшим давлением, а также в конструкциях, отличающихся значительными пониженными и повышенными температурными режимами. Незаметный переход воротникового изделия в толщу трубной стены или фитинга выполняется посредством конуса и считается невероятно полезным при многоразовом сгибании, которое образуется из-за прямолинейного расширения или при формировании прочих переменных препятствий.

Диаметр воротникового фланца равен диаметру трубы. В результате не возникает препятствий при прохождении потока какой-либо жидкости. Турбулентность на соединениях также не возникает, что значительно снижает риск возникновения эрозийных процессов. Данный вид фланца способен эффективно распределять напряжение посредством конусообразной ступице и значительно упрощать радиографический контроль, который ведется за дефектоскопией.

Накидной фланец

1-1b[1]


Установленная прочность такого типа фланца под воздействием давления, находящегося внутри изделия, равняется двум третьим от показателя прочности изделия, имеющего приварную горловину (воротник). Продолжительность службы накидного продукта также значительно меньше воротникового.

Состыковка труб происходит в двух сварных швах, расположенных по углам на наружной поверхности, а также на внутренней поверхности изделия.

Между концом трубы и внешним концом фланца имеется трехмиллиметровое расстояние. Оно не допускает повреждение поверхности изделия в момент проведения сварочных работ.

Раструбный фланец

172008[1]

Сначала раструбный фланец был адресован малогабаритным трубам, внутри которых имелось высокое давление. Статистическая прочность подобных изделий равна идентичным показателям накидных фланцев. Зато они способны прослужить в два раза дольше, чем накидные изделия.

Раструбный фланец соединяется с трубой посредством шва с одним углом, расположенным на наружной поверхности фланца. Чтобы осуществить сварку, необходимо заранее сформировать пространство, отделяющее фланец от трубы.

Минусом раструбного вида фланца считается высокая степень вероятности разрыва. В изделиях, подверженных коррозийным процессам, например, в трубах, выполненных из нержавейки, зазоры, разделяющие трубу и фланец, способны спровоцировать появление коррозии. При некоторых работах применение данного вида фланца также не разрешается.

Свободно вращающийся фланец


Lap_Joint_Flanges[1]

Фланец, способный свободно вращаться, обладает размерами идентичными с прочими фланцами. Но у него отсутствует выпуклая поверхность. Благодаря этому все другие фланцы принято применять в комплекте с этой моделью.

Они отличаются от накидных фланцев размером радиуса стыка, расположенного на внешней стенке изделия и радиуса отверстий, предназначенных для фиксации элементов фланца, не имеющего буртика.

Их возможности держать требуемый показатель давления не слишком мощные, а срок эксплуатации в десять раз меньше этого показателя воротникового продукта.

Фланцы способны беспрепятственно двигаться вдоль трубы. Их не требуется приваривать или фиксировать каким-либо приемом. Давление, имеющееся в стыках болтов, отправляется на специальную прокладочную систему под давлением изделия.

Такой вид фланца обладает некоторыми достоинствами. Его способность свободно перемещаться вдоль трубы упрощает устройство выемок, предназначенных для болтов.

Невозможность взаимодействия с жидкими веществами в трубопроводе дает возможность применять этот бюджетный фланец, сделанный из качественной стали с добавлением углерода в дуэте с коррозийноустойчивыми трубами.

Фланцевый патрубок


img_8716_copy[1]

Это устройство фиксируется внахлест и играет роль подложного изделия. Подобное соединение фланцев используется при низких показателях давления. В несложных устройствах это также достаточно бюджетный способ отбортовки.

В устройстве, где трубы выполнены из нержавейки, можно установить фланец, сделанный из углеродной стали, поскольку он не взаимодействует с продуктом, расположенным в трубе.

Подобный патрубок годится для труб с любым диаметром.

Глухой фланец

flanec_gluhoy_staljnoy_gost_12820_80[1]

У глухого фланца отсутствует центральное отверстие. Его обычно применяют для перекрытия трубных концов, а также концов клапана либо полости камеры, в которой имеется высокое давление.

Составляющие части фланцевого соединения и стандартизация

Установка фланцевого соединения производится с использованием крепежей и сварки. Соединительный комплект имеет несколько составляющих:

  • Фланец – металлическая деталь плоского профиля с симметрично размещенными отверстиями для проведения монтажа.
  • Крепежные элементы.
  • Прокладки – уплотнения соединения.

Фланцевый крепеж состоит из нескольких элементов – шпилек или болтов, шайб (граверов) и гаек. Крепеж изготавливают из различных материалов и применяются для конкретного типа фланца с учетом диаметра отверстия, выраженного в миллиметрах. Резьбовые соединения имеют нормативные параметры шага резьбы. Метрический тип выражен в миллиметрах, дюймовый определяется в дюймах. Требования к крепежу соединения устанавливаются нормативными документами и государственными стандартами.

При установке фланцев используются крепежные элементы:

  • Болты — стержень с нарезанной резьбой на одной части детали и многогранной головкой на другой. Нормативным параметром служит длина болта, определяемая в миллиметрах и метрическая резьба.
  • Шпилька – деталь стержневой формы с наличием резьбы с обоих концов. Одно резьбовое соединение устанавливается в основную конструкцию, вторая часть крепится гайкой. В ряде случаев монтаж осуществляется установкой гаек на оба конца шпильки.
  • Гайки – многогранник с отверстием и резьбовой насечкой внутри. Применяется для стягивания посредством болта фланцев. Используются одновременно с установкой шайб.
  • Шайба – плоская круглая деталь с отверстием, устанавливаемая под гайку. Не позволяет гайке портить покрытие фланца или запорной арматуры, обеспечивает стабильное положений крепежа, исключение перекосов в положении и максимальный прижим. Применяются шайбы прижимного, концевого, стопорного типа.
  • Гравер – круглая рассеченная шайба квадратного профиля, изготовленная из закаленной стали. Гравер устанавливается между гайкой и плоской шайбой и предназначен для защиты от раскручивания гайки.

Детали комплекта фланцевого соединения имеют унифицированные параметры, соответствующие государственным и международным стандартам. В нашей стране используется стандартизация ГОСТ, в Европе действует DIN, для ряда стран (Япония, США и другие) применима американская система ANSI/ASME.

Четкая классификация фланцев позволяет использовать элементы соединения в различных странах без дополнительной подгонки параметров. Различия в классификации обозначений в стандартах легко устраняются при использовании таблиц перевода.

Наряду со стандартными изделиями возникает потребность во фланцах, имеющих нестандартные размеры диаметра, мест расположения крепежа. Детали, выполненные по специальным заказам, могут иметь выступы, дополнительные отверстия или пазы. Изделия производятся по индивидуальным заказам и чертежам, позволяющим решать узкие технологические задачи.

Материал изготовления деталей соединений

Основной элемент, фланец, преимущественно производится из стали (углеродистой, низколегированной, нержавеющей) и чугуна (ковкого и серого типа). Менее часто используют полипропилен, титан, алюминий, бронзу, латунь. Использование полипропилена нашло распространение только в последние годы. Установка преимущественно производится для полимерных труб.

Основные характеристики и назначение фланцевых соединенийТребования к материалу изделия (марке) определяются температурным режимом, давлением трубопровода и иными параметрами. Таблицы зависимости марки металла от давления и допустимых температур установлены нормативами в ГОСТах. В стандартном варианте в производстве фланцев используют материал, идентичный составу трубопровода или мест установки изделий.

Особые требования предъявляются не только к материалу для изготовления фланцев, но и к уплотнительным элементам соединения. Прокладки обеспечивают герметичность. Для их изготовления применяют техническую резину с различными характеристиками:  стойкую к кислотам, щелочам, маслам, бензинам, повышенным температурам. Тип прокладки  и материал определяется назначением трубопровода и характеристиками соединения. Менее часто применяются материалы: поранит, фторопласт или асбестовый картон.

Технология производства

При производстве фланцев используют несколько способов:

  • Центробежное литье
  • Штамповка или ковка
  • Резка из листа стального проката с использованием лазерного инструмента.
  • Горячая поковка из заготовок в виде прокатных колец.
  • Полуручной способ с использованием станков ЧПУ или токарно-фрезерных полуавтоматов.

Наиболее производительным способом, часто используемым для выпуска серийной партии, является штамповка, осуществляемая в закрытых формах – штампах. Наименее затратным является способ резки деталей из листовой стали. Способ требует дополнительного ультразвукового контроля на отсутствие каверн.

В процессе изготовления деталей производятся регулярный контроль качества. От качества фланца зависит работоспособность магистралей, при выходе из строя которых или авариях пользователь будет нести существенные потери. Одним из основных тестов является проверка на механическую целостность и ровность поверхности.

В настоящее время закупается большое число импортного оборудования, адаптированного под международные стандарты. На предприятиях налажен выпуск фланцев «переходного типа», сочетающего параметры разных систем стандартизации.

Для защиты фланцевых соединений от воздействия агрессивных сред, фланцы покрывают специальными материалами, которые увеличивают срока эксплуатации. Поверхностный слой стали обрабатывается никелем, хромом, цинком и иными материалами, препятствующими преждевременному разрушению. Вид покрытия определяется заказчиком.

Конструктивные особенности фланцев

В России применяются 3 вида соединительных фланцев трубопроводов, различающихся конструктивно. Параметры установлены ГОСТами. Используемая типовая классификация стальных фланцев внесена в несколько стандартов:

  • ГОСТ 12820-80 применяется для плоских приварных деталей. Элемент «одевается» на трубу с последующим крепежом сваркой. Соединение осуществляется двумя швами по месту стыка. Монтаж отличается трудоемкостью, но обеспечивает особо надежную стыковку.
  • ГОСТ 12821-80 используется для стандартизации приварных деталей встык (другое название – воротниковый фланец). При монтаже соединения производится стыковка торца трубы и воротника основной детали. Для прочного положения деталей проводится сварка однократным швом.
  • ГОСТ 12822-80 применяется для свободных частей на кольце. В комплектацию входит дополнительный элемент – кольцо, имеющее равный фланцу диаметр. Конструкция отличается удобством монтажа, эффективно используемого в труднодоступных местах. Тип соединения используется при необходимости в проведении частых ремонтов. Особенность монтажа состоит в приварке кольца при свободном размещении фланца, легко вращаемого на трубе.

Менее часто используют стандартизацию ГОСТов, принятую в отношении фланцев резьбовых типов, изолирующих видов для подводных трубопроводов и прочих. Данные формы соединений труб имеют специальное назначение и встречаются редко.

В составе требований ГОСТов определяются особенности и параметры для каждого типа фланцев:

  • Условный проход.

Измеряется в миллиметрах и указывает на разницу в диаметрах соединительной детали и трубы. Параметры не совпадают и имеют значение для стальных плоских фланцев и элементов со сварным кольцом. Для воротниковых типов деталей соединений параметр значения не имеет. Для условного прохода применяется условное обозначение ДУ с использованием индексов А и Б, где под буквой А подразумевается диаметр детали, а под Б – трубы, выраженные в миллиметрах.

  • Рядность отверстий.

Параметр устанавливает отличия в размерах межу соединительными отверстиями. В ряде случаев для отверстий применяются различные параметры диаметров, выраженные в миллиметрах. При изготовлении деталей используются стандартный вариант, применяемый по умолчанию по ряду 2.

  • Условное давление.

Показатель выражает предельно допустимое давление, способное выдерживать соединение без возникновения протечек и разрушений. На параметр влияет тип детали, материал изготовления, диаметр, ширина стыковочной поверхности. Физические параметры и влияние их на максимальный показатель давления установлены ГОСТом. При использовании данных учитываются отличия в размерности обозначения давления.

  • Рабочая температура.

Параметр необходим для определения предельного значения давления. Физическая взаимозависимость показателей давления и температуры транспортируемой жидкости должна учитываться при проходе по трубам высокотемпературных сред. Возникающая расчетным путем линейная интерполяция влияет на соединительные возможности фланцев, снижаемые при повышении рабочих температур. В ГОСТах установлены соотношения между температурами и давлением для каждого типа фланцев.

Основные виды фланцев

Существуют следующие виды стальных трубодеталей:

  • 01 – плоский;
  • свободный:
    • 02 – на приварном кольце;
    • 03 – на отбортовке;
    • 04 – на хомуте под приварку;
  • 11 – воротниковый;
  • 21 – литой стальной (часть корпуса металлоконструкции).

Фланцы тип 01

Представляют собой приварные плоские детали. Они устанавливаются на трубопроводы условным проходом до 2400 мм, выдерживают нагрузки в системе не более 25 кгс/см2. Трубодеталь типа 1 надевается на трубу, закрепляется по ее окружности с помощью двух сварных швов. Используется в нефтяной, химической, нефтегазовой, пищевой, металлургической и прочих отраслях промышленности.

Фланец тип 02

Состоит из двух частей: диска, кольца со сквозными отверстиями в центре. Элемент типа 2 изготавливается из стали по чертежам, размерам отраслевого стандарта. Эксплуатируется при давлении до 2,5 МПа, монтируется на трубы номинальным диаметром до 600 мм.

Сначала насаживается пластина, затем – звено, которое приваривается к трубопрокату. Фланец остается подвижным, позволяя стыковать трубные участки без поворота. Такие детали используются:

  • для соединения арматуры в труднодоступных местах;
  • при частых проверках оборудования или его ремонте.

Фланец тип 11

Характеризуется наличием выступа в виде усеченного конуса («воротника» или «шеи»). Трубодеталь монтируется методом сварки встык, исключает течь рабочей среды. Создает герметичное соединение трубопроводных участков, подводит трубопроводы к резервуарам, сосудам и аппаратам, работающим под давлением до 250 кгс/см2.

Воротник минимизирует напряжение у основания детали, передавая усилия на трубу. Устройство используется для оборудования номинальным сечением до 4000 мм.

Фланец тип 21

Стальная литая деталь является частью самой арматуры. Она производится из стали, серого или ковкого чугуна согласно требованиям технической документации. Выдерживает постоянные нагрузки до 25 МПа.

Чугунные устройства обладают большим весом, чем стальные аналоги, меньше подвержены деформации, лучше сохраняют свою форму.

Фланцы других типов

В зависимости от регламентирующего стандарта (российского, американского, немецкого/европейского) устройства отличаются размерами, материалами, допусками, наличием/отсутствием резьбы, маркировкой, массой, механическими свойствами. Конструкция остается неизменной. Различия в классификации обозначений в нормативной документации устраняются посредством таблиц перевода.

Помимо представленной выше продукции существуют следующие типы фланцев по ГОСТ 12815, ASME, DIN: e (rf), f, e-f, д, б, 7. Буквами и цифрами обозначается исполнение детали: выступ, впадина, выступ-впадина, паз, соединительный выступ, под прокладку овального сечения, соответственно. От формы поверхности изделия зависит место расположения уплотнительного кольца.

Допускается ли использовать разные типы фланцев

Металлический элемент в форме диска (реже – квадрат или прямоугольник) стыкует трубы, сальники и прочие пустотелые цилиндрические объекты. Он обеспечивает плотное прижатие предметов, не дает возможности рабочим жидкостям вытекать наружу. Фланцевое соединение подразумевает использование надлежащих уплотнений, которые вставляются между двух деталей, зажимаются ими, исключая просветы.

Каждое изделие имеет уникальную конструкцию: углубления, выемки, проушины, выступы, резьбовые отверстия и т.д., под которую подбирается уплотнительный материал. Ввиду этого фланцы устанавливаются попарно.

При стягивании конструкционно различающихся трубодеталей произойдет разгерметизация контакта. Она приведет к деформации системы и нарушению ее работы.

Разрешается применение нескольких видов продукции на одном трубопроводном участке. При этом запрещается соединять объекты, которые не подходят друг к другу по исполнению.


Использованные источники

  1. pkfdetal.ru/info/10-naznachenie-i-klassifikatsiya-flantsev
  2. pechky.ru/pechy/materialyi/vidyi-i-tipyi-flantsev/
  3. jafar-rus.ru/news/articles/osnovnye-kharakteristiki-i-naznachenie-flantsevykh-soedineniy/
  4. chelarm.ru/articles/tipy-flantsev-i-ih-naznachenie/

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте, как обрабатываются ваши данные комментариев.