Фланцы стальные: плоские и воротниковые, подбор по давлению

Сварной стык дешевле фланцевого узла, легче его и надёжнее по герметичности: варить нечего обслуживать. Поэтому вопрос ставится наоборот – не «где поставить фланец», а «где без него не обойтись».

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

Плата за разъёмность понятная: узел тяжелее и дороже сварного, занимает место, требует крепежа и прокладки и остаётся точкой, за которой надо следить. Каждое фланцевое соединение – потенциальная течь, и чем их меньше на трассе, тем спокойнее эксплуатация. Рабочее правило простое: обвязка арматуры и оборудования – фланцы, прямые участки между ними – сварка. 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, по старой привычке – плоский и воротниковый.

Плоский приварной (тип 01) – 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) – с конической шейкой, воротником, 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.

Почему 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 – концентратор напряжений. 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.

Отсюда развилка на практике: плоский – вода, отопление, ГВС, воздух, спокойные среды на невысоких давлениях; воротниковый – пар, перегретая вода, нефтепродукты, газ, вибрирующая обвязка 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, и разница в цене между ними меньше, чем стоимость одной аварийной остановки.

Ру (в новом стандарте PN) – 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. Соответствие простое: Ру16 – это 1,6 МПа, они же 16 кгс/см², они же примерно 16 атмосфер.

Главная поправка, о которой забывают: с ростом температуры допускаемое давление падает. Фланец Ру16 на паре держит уже заметно меньше 1,6 МПа, и 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.

Ориентиры по задачам: Ру6 – низконапорные и почти самотёчные линии, техническая вода, вентиляция; Ру10 – внутренние сети зданий и водопровод; Ру16 – рабочая лошадка рынка, отопление, ГВС, тепловые пункты, водоснабжение, основная масса арматуры; Ру25 – тепловые сети и повышенные параметры; Ру40 – пар, масло, компрессорные и ответственные технологические линии.

И правило слабого звена: давление узла определяется по самому слабому элементу цепочки фланец – прокладка – крепёж – арматура. Фланец Ру40 перед задвижкой Ру16 не добавляет прочности, он добавляет веса и стоимости. Ещё нюанс: 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.

Для снабженца практический вывод такой. 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 – это сжатое описание изделия, и подменять его «аналогом» нельзя.

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

Исполнение A – ровная 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 – соединительный выступ 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. Их особенность в том, что они работают только в паре: шип садится в паз, выступ во впадину, и два одинаковых фланца такой пары не образуют. Здесь есть ловушка: 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.

Второй параметр, который легко потерять, – 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. Итого 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 – самое ходовое давление, поэтому таблицу приводим по нему. Колонки читаются так: Ду – условный проход, D – наружный диаметр самого фланца (от него зависит, влезет ли узел в проём или лоток), окружность болтов – диаметр, по которому расставлены отверстия, дальше число отверстий, их диаметр и резьба крепежа.

Размеры в миллиметрах, ряд 1. Обратите внимание на скачки: до Ду80 включительно хватает четырёх болтов, с Ду100 их восемь, с Ду200 – 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.

Ещё одна проверка перед заказом. 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 – основной материал 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 в прочности как таковой, а 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. Ходовая марка – 12Х18Н10Т и её аналоги, для хлоридов берут молибденовые. Позиции собраны в разделе нержавеющих фланцев. Важная оговорка: нержавеющий фланец ставят на нержавеющую трубу. Сварка разнородных сталей – отдельная технология 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 – в разделе оцинкованных фланцев. Нюанс монтажа: 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 – самый ходовой вариант. Вода, пар, отопление, нефтепродукты; хорошо прощает неровности и мелкие риски на зеркале, ходовая толщина от полутора до трёх миллиметров. Минусы у него тоже понятные: стареет, прикипает к металлу и плохо переносит частые циклы нагрев-остывание.

Резина идёт на холодную воду, воздух и низкие давления. Тут важно не перепутать сорт: тепло- и щёлочестойкая резина не годится для нефтепродуктов, для них нужна маслобензостойкая.

Спирально-навитые – металлическая лента, навитая 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 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. И общее правило по размеру: прокладку берут по уплотнительной поверхности, а не по наружному диаметру фланца. Прокладка, вылезающая за выступ, не добавляет герметичности, а вот перекрывшая проход – душит расход и рвётся потоком.

Хороший фланец и правильная прокладка не спасут узел, собранный кое-как. Порядок сборки короткий, но нарушают его регулярно.

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 – это постоянный изгибающий момент, который выдавит прокладку или порвёт шов, вопрос только в сроке.

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» – классический источник течи. Повторное использование – вторая по частоте причина разборки: 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, ключ – динамометрический. 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.

Мелочи, которые решают. 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 – 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. Отдельная роль – 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, соседние группы – в общем каталоге трубопроводной арматуры.

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, при ссылке проекта на старый – 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.