Фланцы стальные: плоские и воротниковые, подбор по давлению

Сварной стык дешевле фланцевого узла, легче его, надёжнее по герметичности и не требует обслуживания.

Без фланца не обойтись там, где узел придётся разбирать. Задвижки, затворы, клапаны, обратники, фильтры, счётчики, насосы, теплообменники меняются и ревизуются, и приваривать такую железку наглухо означает потом резать трубу. Второй случай касается оборудования, у которого ответный фланец уже стоит с завода: у насоса или водоподогревателя патрубок фланцевый, и подходить к нему надо тем же способом. Третий возникает при монтаже без огневых работ: на действующем объекте наряд-допуск на сварку выписывают неохотно, а фланцевый узел собирается ключами.

Разъёмный узел тяжелее и дороже сварного, занимает место, требует крепежа и прокладки и остаётся точкой, за которой надо следить. Каждое фланцевое соединение может потечь, и чем их меньше на трассе, тем спокойнее эксплуатация. Арматуру и оборудование обвязывают фланцами, а прямые участки между ними варят. Всё, что попало в каталог трубопроводной арматуры, обычно требует фланцевой обвязки по обеим сторонам.

Два типа закрывают почти весь рынок. По новому стандарту они называются тип 01 и тип 11, а по старой привычке их зовут плоским и воротниковым.

Плоский приварной (тип 01) устроен просто: диск с отверстиями под болты и расточкой под трубу. Труба входит в расточку, и фланец обваривается двумя угловыми швами: снаружи и изнутри. Он дешевле, легче, прощает небольшую ошибку по длине отрезанной трубы и не требует ровной разделки торца. Для воды, отопления, горячего водоснабжения, воздуха и технологической обвязки на умеренных параметрах этого достаточно.

Воротниковый (тип 11) имеет коническую шейку, воротник, который приваривается к трубе одним стыковым швом торец в торец. Расточка воротника делается под конкретный внутренний диаметр трубы, поэтому при заказе называют не только Ду, но и наружный диаметр со стенкой той трубы, к которой узел пойдёт.

Воротниковый держит больше: стыковой шов проваривается на всю толщину и проверяется просветкой или ультразвуком. У угловых швов плоского фланца такой возможности нет, полного провара там не бывает по конструкции. Дальше работает геометрия: коническая шейка плавно передаёт изгибающий момент от фланца в стенку трубы, соединение работает как продолжение трубопровода. У плоского в месте стыка получается резкая ступенька, а ступенька концентрирует напряжения. Пока давление постоянное, разницы не видно. Как только начинаются пульсации от насоса, вибрация, гидроудары или циклы нагрев-остывание, трещина идёт по угловому шву плоского фланца.

На практике плоский ставят на воду, отопление, ГВС, воздух и спокойные среды на невысоких давлениях, а воротниковый на пар, перегретую воду, нефтепродукты, газ, вибрирующую обвязку насосов, циклический режим и всё, что выше Ру25. Косвенное подтверждение из самих стандартов: плоские приварные нормировались до 2,5 МПа, а приварные встык до 20 МПа. В каталоге фланцев оба типа лежат рядом.

Ру (в новом стандарте PN) означает не то давление, которое реально в трубе, и не предел разрушения. Это классификационная величина: паспортное давление для материала фланца при температуре 20 градусов. По ней подбирают весь узел, поэтому цифра стоит в каждой строке заказа.

Ряд ходовых значений: Ру6, Ру10, Ру16, Ру25, Ру40, дальше идут Ру63 и выше. Ру16 равно 1,6 МПа, они же 16 кгс/см², они же примерно 16 атмосфер.

Часто забывают, что с ростом температуры допускаемое давление падает. Фланец Ру16 на паре держит уже заметно меньше 1,6 МПа, а насколько меньше, смотрят по таблицам стандарта для конкретной марки стали. Обратная ошибка тоже встречается: узел подобрали по рабочему давлению впритык, а про опрессовку забыли. Испытательное давление всегда выше рабочего, для тепловых сетей обычно берут 1,25 рабочего, и соединение обязано его пережить.

Ру6 ставят на низконапорные и почти самотёчные линии, техническую воду, вентиляцию. Ру10 идёт на внутренние сети зданий и водопровод. Ру16 ставят чаще всего: отопление, ГВС, тепловые пункты, водоснабжение, основная масса арматуры. Ру25 берут для тепловых сетей и повышенных параметров, Ру40 для пара, масла, компрессорных и ответственных технологических линий.

И правило слабого звена: давление узла определяется по самому слабому элементу цепочки из фланца, прокладки, крепежа и арматуры. Фланец Ру40 перед задвижкой Ру16 добавит только веса и стоимости. При этом одинаковый Ду не гарантирует стыковки. На малых диаметрах присоединительные размеры Ру16 и Ру25 нередко совпадают, а начиная примерно с Ду80 расходятся: окружность болтов и диаметр отверстий уже разные, и два фланца просто не сойдутся отверстиями.

С 1 апреля 2017 года один документ заменил восемь: ГОСТ 12815-80 … ГОСТ 12822-80. В том числе два самых ходовых: ГОСТ 12820-80 на плоские приварные и ГОСТ 12821-80 на приварные встык. Теперь все фланцы собраны в ГОСТ 33259-2015, номинальное давление в нём доведено до PN 250.

Что поменялось по существу:

• обозначения: вместо Ду и Ру в тексте стандарта DN и PN, хотя рынок и проектировщики по-прежнему говорят Ду и Ру;
• исполнения уплотнительной поверхности стали буквенными вместо цифровых, и добавилось исполнение A, ровная плоскость без выступа;
• два прежних размера b и h слились в один параметр b;
• приоритетным стал ряд 1, тогда как раньше основным считался ряд 2;
• появились группы контроля с I по V: чем ответственнее диаметр, давление и среда, тем выше группа и жёстче проверки на заводе;
• литьё для фланцев запрещено, кроме арматурных;
• при рабочей температуре ниже минус 40 градусов крепёж только шпильками, болты не допускаются.

Проекты, написанные до 2017 года, по-прежнему ссылаются на 12820 и 12821, а заводы отгружают по 33259, и это нормально: по ходовым диаметрам присоединительные размеры ряда 1 совпадают с прежними, фланец Ду100 Ру16 сядет на старый ответный без переделок. В спецификации разумно писать актуальный стандарт, а если проект требует старый номер, указывать оба через запятую. Логика тут ровно та же, что с трубными стандартами, которые мы разобрали в карте трубных ГОСТов: номер документа сжато описывает изделие, и подменять его «аналогом» нельзя.

Уплотнительной поверхностью называют то самое зеркало, по которому обжимается прокладка. От её геометрии зависит, какую прокладку класть и с каким ответным фланцем узел вообще стыкуется.

Исполнение A имеет ровную плоскость без выступа. Применяют на низких давлениях и в паре с мягкими прокладками, в том числе при стыковке с чугунной и полимерной арматурой, у которой зеркало плоское.

Исполнение B отличается соединительным выступом высотой около трёх миллиметров. Это ходовое исполнение, на него приходится основная масса поставок: прокладка садится на выступ и обжимается по узкой площадке, что даёт нужное удельное давление без запредельного момента затяжки. Если в проекте исполнение не указано, почти наверняка подразумевается именно оно.

Дальше идут парные исполнения: выступ с впадиной и шип с пазом, плюс поверхности под линзовую и овальную прокладки для высоких давлений. Работают они только в паре: шип садится в паз, выступ во впадину, и два одинаковых фланца такой пары не образуют. Цифровые обозначения старых ГОСТов и буквы нового соответствуют друг другу не по порядку, поэтому букву исполнения переписывают из проекта буква в букву, а не переводят по памяти.

Легко потерять и второй параметр: ряд. Размеры в стандарте даны двумя рядами, приоритетный ряд 1; для части диаметров наружный диаметр фланца и окружность болтов у рядов отличаются. Ряд входит в обозначение, и в заказе его называют наравне с типом и исполнением. Совместимость двух фланцев держится на четырёх совпадениях: Ду, Ру, ряд и исполнение. Тип при этом свободен: плоский спокойно стыкуется с воротниковым, если четыре параметра сошлись.

Ру16 считается самым ходовым давлением, поэтому таблицу приводим по нему. Колонки читаются так: Ду означает условный проход, D обозначает наружный диаметр самого фланца (от него зависит, влезет ли узел в проём или лоток), окружность болтов показывает диаметр, по которому расставлены отверстия, дальше идут число отверстий, их диаметр и резьба крепежа.

Размеры в миллиметрах, ряд 1. До Ду80 включительно хватает четырёх болтов, с Ду100 их восемь, с Ду200 уже двенадцать. Крепёж считают комплектом на соединение: на Ду100 Ру16 нужно восемь шпилек, шестнадцать гаек и шестнадцать шайб, а длину шпильки набирают из толщин двух фланцев, прокладки, гаек и небольшого запаса на выход резьбы.

Фланец подбирают по условному проходу, но труба к нему должна физически подойти: при одном и том же Ду наружные диаметры водогазопроводной и электросварной трубы разные. Перед оформлением сверьтесь с таблицами диаметров труб и назовите менеджеру фактический размер трубы, а не только Ду по проекту.

Сталь 20 идёт на основную массу углеродистых фланцев. Вода, пар, отопление, нефтепродукты, обычный климат средней полосы: если в проекте не сказано иное, приедет именно она. Ст3 на фланцах встречается на низких параметрах, но под давление и мороз конструкторы её не закладывают.

09Г2С берут там, где нужна ударная вязкость на холоде: наружные сети, эстакады, северные площадки, узлы с вибрацией и толстостенные ответственные соединения. Разница между марками не только в прочности, но и в поведении металла при минусе. Мы подробно разобрали её в статье про Ст3 и 09Г2С.

Нержавеющие исполнения нужны для агрессивных сред, пищевых производств, деминерализованной воды, химии и пара высокой чистоты. Чаще всего идут 12Х18Н10Т и её аналоги, для хлоридов берут молибденовые. Позиции собраны в разделе нержавеющих фланцев. Нержавеющий фланец ставят на нержавеющую трубу. Сварка разнородных сталей требует отдельной технологии с переходными материалами, и на монтаже её обычно не тянут, так что менять надо весь узел, а не одну деталь.

Оцинковка оправдана на наружных сетях, пожарных водопроводах и там, где вся линия собрана из оцинкованных труб: покрытие защищает узел от атмосферной коррозии и от ржавых потёков по резьбе. Ассортимент собран в разделе оцинкованных фланцев. Цинк в зоне сварки выгорает, поэтому покрытие в месте шва снимают заранее, а после сварки восстанавливают холодным цинкованием. И крепёж подбирают по той же логике: на улице оцинкованные шпильки, к нержавеющим фланцам нержавеющие, иначе через пару зим соединение придётся срезать болгаркой.

Прокладка стоит копейки на фоне узла и отвечает за его герметичность целиком. Подбирают её по трём вещам сразу: среда, температура и исполнение зеркала.

Паронит остаётся самым ходовым вариантом. Вода, пар, отопление, нефтепродукты; хорошо прощает неровности и мелкие риски на зеркале, ходовая толщина от полутора до трёх миллиметров. Но он стареет, прикипает к металлу и плохо переносит частые циклы нагрев-остывание.

Резина идёт на холодную воду, воздух и низкие давления. Тепло- и щёлочестойкая резина не годится для нефтепродуктов, для них нужна маслобензостойкая.

Спирально-навитые делают из металлической ленты, навитой с наполнителем из графита или фторопласта. Они пружинят, поэтому держат перепады температуры и циклическую работу, где паронит выдавливается. Их берут на пар, горячее масло и ответственные линии от Ру25 и выше. Требуют более высокого момента затяжки и ровного зеркала, зато переживают десятки циклов.

Фторопласт химически стоек почти ко всему, поэтому живёт на кислотах, щелочах и в пищевых линиях. Слабое место у него одно: хладотекучесть. Под постоянной нагрузкой материал ползёт, натяг падает, соединение начинает потеть. Лечится наполненными и вспененными сортами плюс контрольной подтяжкой после выхода на режим.

Для высоких температур остаётся армированный терморасширенный графит: он держит пар там, где паронит уже сгорает. Прокладку берут по размеру уплотнительной поверхности, а не по наружному диаметру фланца. Прокладка, вылезающая за выступ, не добавляет герметичности, а вот перекрывшая проход душит расход и рвётся потоком.

Соосность. Фланцы должны сойтись сами: отверстия совпадают без монтировки, зазор по периметру одинаковый, проверяется щупом. Если узел не сходится, болтами его не стягивают. Стянутый перекос создаёт постоянный изгибающий момент, который рано или поздно выдавит прокладку или порвёт шов.

Чистое зеркало. Окалину, остатки старой прокладки и грязь убирают полностью. Продольные риски и забоины поперёк зеркала опаснее вмятин: по такой канавке среда пойдёт наружу при любом моменте затяжки.

Прокладка одна и новая. Две прокладки «для верности» считаются классическим источником течи. На втором месте среди причин разборки стоит повторное использование: обжатый паронит потерял толщину и упругость и уже не компенсирует неровности.

Затяжка. Только крест-накрест и в несколько проходов: от руки, затем примерно на треть момента, на две трети и на полный, а в конце контрольный проход по кругу. Момент берут из таблицы производителя прокладки под конкретный размер и класс крепежа и тянут динамометрическим ключом. Равномерность важнее абсолютной величины: перекос усилий по кругу гарантирует течь даже при правильном суммарном моменте. Резьбу и торцы гаек смазывают, иначе большая часть момента уходит в трение, а не в натяг прокладки.

Крепёж и подтяжка. Шайбы под гайки обязательны, крепёж одного класса прочности и одной длины, гайки удобнее ставить на одну сторону. На горячих трубопроводах после выхода на режим и остывания делают контрольную подтяжку. При рабочей температуре ниже минус 40 градусов стандарт разрешает только шпильки. И последняя частая ошибка: перетяг. Раздавленная прокладка выдавливается внутрь трубы, режется потоком, и течь возвращается туда же, где её пытались задавить лишним усилием.

Фланцевая заглушка выглядит как тот же диск с болтовыми отверстиями, но глухой, без прохода. Подбирается по тем же четырём параметрам: Ду, Ру, ряд и исполнение. На рынке ходит по АТК 24.200.02-90 и ГОСТ 12836-67, собрана в разделе фланцевых заглушек.

Когда она нужна: опрессовка смонтированного участка до подключения; отсечение оборудования на ремонт, когда насос снят, а система должна работать; консервация отвода, оставленного на будущее расширение; глухой конец трубопровода. Ещё заглушка отвечает за безопасность: закрытая задвижка может пропускать, поэтому на время огневых и ремонтных работ участок отсекают именно заглушкой. Там, где переключать приходится регулярно, ставят поворотную, очковую конструкцию: её не надо снимать целиком.

Что назвать менеджеру. Полная строка снимает почти все поводы для пересорта: условный проход, условное давление, тип, стандарт, ряд, исполнение, материал и количество. Для воротникового добавляют наружный диаметр и стенку трубы, иначе расточка не совпадёт. Примеры:

• «Фланец плоский Ду100 Ру16, ГОСТ 33259-2015, тип 01, ряд 1, исполнение B, сталь 20, 8 шт»;
• «Фланец воротниковый Ду150 Ру25, ГОСТ 33259-2015, тип 11, ряд 1, исполнение B, 09Г2С, под трубу 159х6, 4 шт»;
• «Заглушка фланцевая Ду80 Ру16, сталь 20, 2 шт»;
• «Крепёж на соединение Ду100 Ру16: шпилька М16 (8 шт), гайка (16 шт), шайба (16 шт)».

Крепёж и прокладки просите считать сразу: узел без них не собирается, а докупать по одной позиции дороже и дольше, чем взять комплектом. Если под рукой есть только маркировка старого фланца или фотография ответной поверхности, пришлите её: по числу отверстий и окружности болтов тип и давление восстанавливаются однозначно. Позиции лежат в разделе фланцев, а соседние группы в общем каталоге трубопроводной арматуры. Как выбирать соседние детали того же узла, разобрано отдельно: отводы и переходы.

Чем плоский фланец отличается от воротникового?

Плоский приварной надевается на трубу и обваривается двумя угловыми швами, воротниковый приваривается встык одним стыковым швом и имеет коническую шейку. Стыковой шов проваривается на всю толщину и контролируется просветкой, а шейка плавно передаёт нагрузку в трубу, поэтому воротниковый держит большее давление, вибрацию и циклы нагрева. Плоский дешевле и проще в сборке, его ставят на воду, отопление и спокойные среды.

Что означает Ру16 на фланце?

Условное давление 1,6 МПа, они же 16 кгс/см², при температуре 20 градусов для материала фланца. С ростом температуры допускаемое давление снижается, поэтому на паре запас берут больше, а на опрессовку закладывают отдельно: испытательное давление выше рабочего. Одинаковый Ду при разных Ру не гарантирует стыковки: начиная примерно с Ду80 окружности болтов у Ру16 и Ру25 разные.

Какой ГОСТ на фланцы действует сейчас?

ГОСТ 33259-2015, он введён с 1 апреля 2017 года взамен восьми стандартов серии ГОСТ 12815-80 … ГОСТ 12822-80, включая ГОСТ 12820-80 на плоские и ГОСТ 12821-80 на приварные встык. Присоединительные размеры ряда 1 по ходовым диаметрам совпадают с прежними, поэтому новый фланец садится на старый ответный. В спецификации указывают актуальный номер, а если проект ссылается на старый, то оба.

Как правильно затягивать фланцевое соединение?

Крест-накрест в несколько проходов: от руки, затем примерно на треть, на две трети и на полный момент, в конце контрольный круг. Момент берут из таблицы производителя прокладки, ключ динамометрический, резьбу смазывают. Прокладка ставится одна и новая, перекос стягивать болтами нельзя, а на горячих линиях после первого прогрева и остывания делают подтяжку.