Фланцы — что это, виды, ГОСТ

Что такое фланец

Фланец - это плоская деталь, имеющая квадратную, круглую или иную форму, которая оснащена отверстиями для болтов или шпилек. Фланец обеспечивает прочное и герметичное соединение труб и вращающихся элементов в системах транспортировки жидкостей и газов, выступая в качестве соединительного элемента для труб. Крепежные элементы, такие как болты и шпильки, устанавливаются в эти отверстия.

Фланцы незаменимы в трубопроводах для жидкостей и газов, особенно на нефтеперерабатывающих заводах. Они также широко применяются в машиностроении (автомобилестроение, авиация, судостроение) для соединения различных частей механизмов и конструкций, в энергетике (котельные, тепловые сети) для соединения теплообменников, насосов и другого оборудования, а также в химической промышленности для создания герметичных соединений при транспортировке агрессивных сред.

Для чего используются фланцы

Фланцевые соединения обеспечивают надежное и герметичное крепление арматуры к трубопроводам, а также соединение отдельных участков трубопроводов и отводов между собой и с различным оборудованием. Простота сборки, разборки и изготовления делает фланцевые соединения предпочтительным выбором, особенно когда требуется возможность легкого доступа для ремонта или замены компонентов.

Характеристики фланцев

Стандарты, регламентирующие производство фланцев, охватывают следующие ключевые параметры:

Материалы: определяют разрешенные материалы для изготовления фланцев, учитывая предполагаемые условия эксплуатации (например, углеродистая сталь, нержавеющая сталь, различные сплавы).
Размеры и давление: устанавливают габаритные размеры фланцев, диаметр, толщину, характеристики отверстий и их расположение, а также предельно допустимые значения давления и температуры.
Методы испытаний: предусматривают обязательное проведение испытаний для подтверждения прочности, герметичности и качества сварных соединений.
Маркировка и сертификация: требуют нанесения четкой маркировки с указанием информации о производителе, материале, стандарте и рабочих параметрах фланца для его однозначной идентификации и использования в соответствующих условиях.

Виды фланцев

Разнообразие трубопроводных систем, различающихся по назначению и техническим решениям, обуславливает и разнообразие фланцев. Основные категоризации фланцев - по типу соединения и по типу сечения.

По типу соединения

Плоские фланцы. Монтаж таких фланцев осуществляется путем надевания их на трубу внахлест, при этом внутренний диаметр фланца немного превышает диаметр трубы. Соединение обеспечивается посредством выполнения двойного сварного шва. Данный тип фланцев преимущественно используется для работы с жидкими средами, давление которых находится в диапазоне от 0,1 до 2,5 МПа, а температура транспортируемой среды не превышает 300 °C. Типичные области применения плоских фланцев включают трубопроводы, предназначенные для транспортировки воды, сжатого воздуха, масла, газа и нефтепродуктов. Особой популярностью пользуются плоские фланцы для соединения труб из полиэтилена низкого давления (ПНД) с трубами, изготовленными из других материалов, для монтажа запорной и соединительной арматуры с фланцевым соединением, а также для создания разборных соединений ПНД труб между собой.

Воротниковые фланцы, также известные как юбочные, официально называются "стальные приварные встык" в соответствии с ГОСТом. Особенностью этих фланцев является наличие воротника (или юбки) – выступа в форме усеченного конуса, расположенного с внутренней стороны кольца. Воротниковые фланцы обеспечивают повышенную механическую прочность и общую целостность системы. Конструкция выступа способствует равномерному распределению давления в месте перехода от трубы к фланцевому основанию. Благодаря этому, соединение способно выдерживать повышенное давление, достигающее 20 МПа.

Свободные фланцы могут быть на приварном кольце, на отбортовке и на хомуте под приварку. Фланцы на приварном кольце состоят из двух отдельных элементов: основного кольца с крепежными отверстиями и приварного кольца, имеющего меньший диаметр. В процессе монтажа на трубопровод устанавливается диск большего диаметра, после чего приваривается кольцо меньшего размера. Такая конструкция позволяет легко заменять приварной элемент в случае необходимости. Эти фланцы незаменимы при проведении частых ремонтных работ или инспекций соединений трубопровода и применяются при номинальном давлении от 0,1 до 2,5 МПа и температуре внутренней среды до 300 °C. Свободные фланцы на отбортовке применяются на аппаратах, изготовленных из алюминия и других цветных металлов, а также из пластмасс, которые поддаются отбортовке. Кроме того, их используют для экономии конструкционных материалов.

Они предназначены для работы при номинальном давлении до 0,6 МПа. Фланцы на хомуте под приварку аналогичны фланцам на приварном кольце, однако в качестве последнего элемента используется хомут.

По типу сечения

По типу сечения фланцы могут быть круглые, квадратные и сложной геометрии – в зависимости от сечения труб и трубопроводной арматуры, на которые фланцы будут ставиться.

Варианты исполнения фланцев

Исполнение фланца определяет геометрию его соединительной поверхности.

По ГОСТ и международным стандартам

Стандарты ANSI / ASME B16.5 и B16.47 охватывают американские стандартные фланцы для трубопроводов, стандарт EN DIN 1092-1 охватывает европейские фланцы труб. В России фланцы описываются и регулируются ГОСТ 33259-2015. (до 2016 года существовала серия ГОСТов группы 12815-12822 и все типы фланцев имели разный ГОСТ).

Согласно ГОСТ выделяют следующие типы:

Исполнение А – плоскость: Простое и распространенное решение, где герметичность обеспечивается прокладкой между плоскими поверхностями фланцев. Универсально, эффективно при низких давлениях и нормальных температурах.
Исполнение В – соединительный выступ: Не требует прокладки, поверхность фланцев проходит дополнительную обработку для снижения шероховатости, обеспечивая герметичность за счет плотного прижатия. Используется в трубопроводах с высоким давлением, требует высокой точности установки.
Исполнение C, L – Шип и D, M – Паз: Шип одной детали входит в паз другой, обеспечивая герметичность. Распространено в системах, работающих при высоких температурах и требующих устойчивости к термическим расширениям.
Исполнение Е – Выступ, F – Впадина: Выступ на одной поверхности входит во впадину на другой, обеспечивая герметичность и стойкость к вибрациям и перепадам давления. Подходит для трубопроводов с агрессивными средами или высоким давлением.
Исполнение К – Под линзовую прокладку: выдерживает высокое давление (для воротниковых фланцев). Сферическая прокладка при затяжке преобразуется в плоскую форму, заполняя пространство между деталями. Применяется в химической и нефтехимической промышленности, где требуются повышенные стандарты безопасности.
Исполнение J – Под прокладку овального сечения: Предназначено для высоких давлений и только для стальных фланцев типа 11. Металлическая прокладка из более мягкого материала устанавливается в выточку на уплотняющей поверхности и сжимается крепежом, обеспечивая герметичность металл-металл соединения.

Производство фланцев

Существует несколько основных методов производства фланцев:

Штамповка в закрытых штампах.
Ковка на подкладном кольце (штамповка).
Центробежное электрошлаковое литье (ЦЭШЛ).
Изготовление из раскатных колец (поковки).
Плазменная, лазерная или газовая резка из листового металла.

Как рассчитываются размеры фланцев?

Размеры фланцев рассчитываются по-разному в зависимости от их назначения:

Трубопроводные фланцы

Обычно имеют номинальный диаметр от 10 до 2000 мм, что обеспечивает широкий выбор. Фланцы до 4000 мм встречаются реже и предназначены для ограниченного диапазона давлений. Они испытывают нагрузки от трубопроводов, ветра, веса, а также осевые и поперечные силы и изгибающие моменты, что требует более прочной конструкции.

Аппаратные фланцы

Стандартные размеры находятся в диапазоне от 400 до 4000 мм. В отличие от трубопроводных, они стандартизованы по внутреннему диаметру. Используются для соединения частей аппаратов, таких как обечайки, крышки, днища или части теплообменников. Поскольку нагрузки от осевых сил и изгибающих моментов минимальны, аппаратные фланцы могут быть менее массивными при сопоставимых размерах, так как работают преимущественно под воздействием внутреннего давления.

Материалы исполнения фланцев

Стальные, чугунные, пластиковые и другие

Последней отличительной конструктивной характеристикой фланца является используемый материал. Фланцы могут изготавливаться из углеродистых и легированных сталей, а также из нержавеющих сталей, чугуна и пластика. Выбор материала фланца прямо обусловлен внутренним расчетным рабочим давлением внутри системы, где будет установлено соединение – чем оно выше, тем более прочный фланец необходим.

Стандарты, ГОСТ и маркировка

При изготовлении фланцев промышленность руководствуется определенными стандартами, которые регламентируют их размеры, используемые материалы, технологические процессы и допустимые нагрузки.

Основные ГОСТы, DIN, ANSI и другие стандарты

Основными стандартами, используемыми в производстве фланцев, являются:

ГОСТ (Россия и СНГ): В России и странах СНГ применяются стандарты ГОСТ, такие как ГОСТ 12820-80 для плоских приварных фланцев, используемых при умеренном давлении, ГОСТ 12821-80 для воротниковых фланцев, предназначенных для высокого давления, и ГОСТ 12822-80 для резьбовых фланцев, обеспечивающих соединение труб без сварки. ГОСТ 12815-80 определяет общие размеры, конструкцию и требования к различным типам фланцевых соединений, включая технические условия, допустимые отклонения, требования к маркировке и контролю качества.
ASME (США): Американский стандарт ASME B16.5 регулирует производство фланцев, фитингов и других элементов трубопроводов, работающих в условиях высокого давления и температуры. Этот стандарт широко применяется в США и других странах, а также в международных проектах.
ANSI (США): Американский национальный институт стандартов ANSI также разрабатывает нормы для производства фланцев, используемых в промышленных системах.
EN (Европа): Европейские нормы, в частности, EN 1092-1, стандартизируют производство стальных фланцев для стран Евросоюза. Этот стандарт охватывает фланцы, предназначенные для различных давлений и температур, используемые в большинстве промышленных систем на территории Европы.
DIN (Германия): Немецкий институт стандартизации DIN разрабатывает стандарты, широко используемые при производстве фланцев. Примерами являются DIN 2633 для фланцев, рассчитанных на среднее давление, и DIN 2576 для плоских приварных фланцев. Стандарты DIN применяются в Европе и часто упоминаются в международных проектах.
JIS (Япония): В Японии действует стандарт JIS B2220, который определяет требования к производству фланцев, предназначенных для японского рынка. Этот стандарт учитывает особенности работы фланцев в условиях высокого давления и агрессивных сред, а также определяет допустимые материалы и параметры соединений.
ISO (Международная организация по стандартизации): Стандарт ISO 7005 регламентирует фланцы, используемые для соединений в трубопроводах, и определяет общие требования к их производству. Этот стандарт используется для согласования размеров и характеристик фланцев в международных проектах.

В последнее время, в связи с переходом многих российских предприятий на оборудование, изготовленное по американским и немецким стандартам, возникла потребность в "переходных" фланцах. Такие фланцы имеют присоединительную поверхность, выполненную по импортному стандарту, а "воротниковую" часть - по ГОСТ, что позволяет использовать их для соединения с трубопроводами российского производства.

Преимущества и недостатки фланцев

Фланцевые соединения, в отличие от сварных, позволяют осуществлять многократную сборку и разборку, что является их ключевым преимуществом. Благодаря своей надежности и простоте монтажа, фланцевые соединения широко востребованы в различных отраслях промышленности.

К основным недостаткам фланцевых соединений можно отнести увеличенные габариты, особенно при больших значениях условного прохода и давления, трудоемкий процесс сборки и разборки, особенно в условиях ограниченного пространства, и возможность потери герметичности из-за ослабления затяжки крепежа, что часто наблюдается в трубопроводах, подверженных вибрациям и перепадам температур.

Частые ошибки при выборе фланцев

Из-за большого разнообразия фланцев при их выборе легко допустить ошибки. Неправильно выбранный и установленный фланец подвергает опасности всю систему, поскольку не гарантирует ее герметичность и правильную работу.

Неправильный расчет размеров

При выборе подходящего типа фланца необходимо учитывать следующие факторы:

Характеристики рабочей среды (внутренней и внешней).
Диаметр трубопровода и диаметр ответного фланца.
Материал труб и сопрягаемого оборудования.
Исполнение (тип уплотнительной поверхности) ответного фланца.
Требования к химической стойкости и коррозионной устойчивости фланцев для определения подходящего сплава.

Плоские фланцы подходят для систем с давлением до 25 кгс/см². В отличие от воротниковых фланцев, они имеют меньший диаметр и габариты. Воротниковые фланцы обеспечивают равномерное распределение нагрузки по трубе благодаря сварке "встык" воротника, что повышает прочность и надежность соединения. Такой метод позволяет использовать фланцы в системах с более высоким давлением. Однако, стандарт ГОСТ 33259-15 допускает использование воротникового фланца в качестве ответного к плоскому, так как их поверхности совместимы. При этом необходимо учитывать условное давление и диаметр.

Выбор неподходящего материала

В современном производстве фланцев применяется широкий спектр марок стали, среди которых наиболее востребованы ст.20, СТ.09Г2С, ст.15Х5М и CT.12Х18Н10Т. Выбор конкретной марки определяется условиями эксплуатации стальных фланцев, включая рабочую температуру, номинальное давление и состав транспортируемой среды в трубопроводе. Требования к маркам стали для фланцев в зависимости от давления и температуры рабочей среды регламентируются ГОСТ 12816-80.

Игнорирование требований ГОСТ

Важной характеристикой фланцевого соединения является условное давление, которое оно способно выдержать. Этот показатель зависит от габаритов фланца и типа уплотнительной поверхности. Например, стальные плоские приварные фланцы (ГОСТ 12820-80) и стальные свободные фланцы на приварном кольце (ГОСТ 12822-80) рассчитаны на давление до 25 кгс/см², в то время как стальные приварные встык фланцы (ГОСТ 12821-80) могут выдерживать давление до 200 кгс/см².

Стоит отметить, что давление может измеряться в различных единицах. При производстве и маркировке фланцев используется единица кгс/см². Чтобы избежать путаницы при заказе продукции, всегда уточняйте единицу измерения давления.

Уход и обслуживание фланцевых соединений

Рано или поздно любой трубопровод и его элементы, особенно такие высоконагруженные как фланцы, будут подлежать ремонту и замене. Однако продлить срок их службы возможно при правильном и своевременном обслуживании.

Как продлить срок службы?

Для обеспечения высокой прочности и надежности фланцевого соединения необходимо регулярно подтягивать крепеж, особенно в условиях вибрации или перепадов температуры и влажности. При большом диаметре труб рекомендуется проводить подтяжку чаще, так как нагрузка на фланцы значительно возрастает. Для достижения герметичности соединения следует использовать прокладки с высокими уплотнительными свойствами между фланцами.

Методы предотвращения коррозии

Для производства нержавеющих фланцев применяются различные методы:

Специальные покрытия. Широкое распространение получили полимерные покрытия, наносимые на поверхность фланца как в заводских, так и в полевых условиях. Полимеры обладают устойчивостью к ударам, механическим нагрузкам и деформациям. Часто используется горячее цинкование, благодаря природной устойчивости цинка к коррозии.

Катодная защита. Основана на создании отрицательного потенциала на трубопроводных деталях, формируя непроницаемый барьер между арматурой и окружающей средой. Эффективна в подземных и подводных условиях благодаря наличию электролита. Часто применяется в сочетании с изолирующими покрытиями.

Ингибиторы. Вещества (например, азотсодержащие гетероциклические соединения, амины, альдегиды, сульфиды) замедляют процесс коррозии, проникая в металл и образуя защитную пленку. Оптимальны для изделий из нержавеющей стали, работающих в агрессивных средах.

Нержавеющая сталь. Материал с высокими механическими свойствами и устойчивостью к химическому растрескиванию. Важно, чтобы все элементы трубопроводной системы были изготовлены из нержавеющей стали, иначе в зоне сварки может возникнуть электрохимическая коррозия, особенно при контакте с углеродистой сталью.

Защитная облицовка и покрытие часто используются совместно с катодной защитой для предотвращения коррозии в местах соединения фланцев и труб. Выбор метода защиты зависит от материалов, используемых при строительстве трубопровода.

Дополнительных рекомендаций для защиты фланцев от коррозии кроме правильного его выбора и регулярного обслуживания и замены нет.

Как подобрать подходящие фланцы

Для крупных трубопроводов фланцевое соединение является оптимальным решением, обеспечивая устойчивость к высокому давлению и резким температурным колебаниям. Фланцы позволяют надежно соединять трубы, даже если используются специальные материалы или эксплуатация происходит в агрессивной среде. Кроме того, они позволяют перераспределять нагрузку в области соединений, что особенно важно для паропроводов и предприятий химической промышленности.

Однако для трубопроводов малого диаметра применение фланцевых соединений нецелесообразно. В таких случаях резьбовые (муфтовые) соединения обладают достаточной надежностью и являются более экономичным вариантом.

После выбора фланцев необходимо подобрать соответствующие крепежные элементы и правильно затянуть болты или шпильки в соответствии со схемой. Важно обеспечить защиту поверхности фланцев при транспортировке и учитывать вес фланцев при монтаже.

Заключение

Выбор соединительного элемента трубопровода целиком и полностью зависит от самого трубопровода, от условий его эксплуатации, а также от его назначения. Важнейший параметр при выборе соединительного элемента – внутреннее рабочее давление системы и ее температура. Фланцы, используемые на открытом воздухе, должны иметь антикоррозийное покрытие, а выбор способа крепления зависит от самого трубопровода и от решения монтажников, которые будут устанавливать крепежный элемент.

Для правильного выбора оборудования, соответствующего вашим требованиям, поставщик должен предоставить исчерпывающую информацию о необходимых размерах фланцев, рабочем давлении, расходе, диапазоне рабочих температур и т.д. Наши специалисты, опираясь на богатый практический опыт и экспертную поддержку, помогут вам найти оптимальное решение, полностью отвечающее вашим потребностям.