Фланец: это что такое, для чего нужно фланцевое соединение трубопроводов

Что такое фланец и какие бывают виды

В большинстве случаев фланцы ― это кольцеобразные пластины из стали, но иногда их делают в виде квадрата или прямоугольника. В центральное большое отверстие вставляют торец трубы, а в равномерно распределенные по внешнему периметру ― болты или шпильки. В перечень разновидностей фланцев включены проходные и заглушки. Первые предназначены для стыковки элементов трубопровода, вторыми закрывают тупики или отсекают ремонтируемые либо заменяемые участки.

Чтобы продукция, сделанная в разных странах, была взаимозаменяемой, разработана унифицированная классификация фланцев. В России это ГОСТ, европейские страны пользуются немецким стандартом DIN, а Америка, Япония и Австралия ANSI/ASME. Однако нередко одинаковые фланцы обозначаются разными символами. Поэтому стандарты переводят с помощью специальных таблиц.

Нормативы по исполнению указаны в ГОСТ 12815-80 цифрами от 1 до 9:

1. С соединительным выступом в виде фаски под наклоном 45⁰.
2. То же, что 1, но выступ под прямым углом.
3. С пазом на внутренней стороне и выступом под углом 45⁰ снаружи.
4. С шипом.
5. С внутренним кольцевым пазом.
6. С фаской под линзовую прокладку (вибровставка) на внутренней стороне.
7. Выборка для овальной прокладки.
8. С шипом для фторопластовой прокладки.
9. То же что 8, но вместо шипа паз.

Виды фланцев

При монтаже трубопроводов применяют несколько типов фланцев:

1. Воротниковые рассчитаны на давление 0,1 — 20 МПа при температуре -200 — +600⁰ Выступ в центральной части (воротник) приваривают к трубе встык одним швом.
2. Плоские держат давление до 2,5 МПа при температуре -70 — +300⁰ Надеваются на торцы, крепятся двумя сварными швами.
3. Аппаратные для присоединения оборудования или приборов;
4. Резьбовые варианты наворачивают на торцы.
5. Свободновращающиеся состоят из пластины и кольца, которое приваривают к торцу, а фланец свободно крутится на нем. Такое фланцевое соединение устанавливают в труднодоступных местах или там, где необходимо частое проведение профилактических мероприятий на трубопроводе. Рассчитано на давление до 2,5 МПа.
6. Кольцевые варианты для заглушек делают без центрального отверстия.

При установке фланцевых соединений на стальных трубопроводах их материал должен быть идентичным или близким по составу металлу труб. Это нужно для предотвращения повреждений при изменениях температуры. Фланцы бывают из серого и ковкого чугуна, легированной, углеродистой и нержавеющей стали. Для трубопроводов из иных материалов выпускаются бронзовые, алюминиевые, латунные разновидности. Безнапорные системы из полиэтиленовых труб часто собирают на полипропиленовых фланцах.

Области применения деталей для соединения

Говоря о таком элементе, необходимо внести ясность, что он не является деталью для крепления. Главная задача этого приспособления заключается в создании опорной конструкции для крепительных болтов и одновременно в обеспечение герметичности соединения.

Как запорную или стыковочную деталь, их ставят в коммуникационных сетях ЖКХ, в промышленности по добыче нефти. Также они обширно монтируются в топливной и газовой сферах. В этих отраслях очень прочные и долго служащие фланцевые крепления используют при монтаже в сеть приборов измерения.

Разные технологические особенности изготовления и виды материалов для этих элементов, дают возможность эффективно эксплуатировать сети, которые проводят агрессивные вещества под высокими показателями давлением.

При прокладке системы их стальных труб, чаще всего, используют диски из аналогичного материала. Это создает одинаковый уровень нагрузочного давления и служит подстраховкой от повреждений составных деталей после воздействий температурных скачков.

Такие повреждения характерны для швов на материалах, которые характеризуются неодинаковой проводимостью тепла. На стальные трубы ставят чугунные, алюминиевые, латунные и бронзовые фланцы. Но, бесспорным лидером среди вариантов для такой работы являются изделия их углеродистой стали. Причин для этого несколько, это:

1. Не большая стоимость.
2. Практичность.
3. Простота в обработке.

Фланцевые соединения можно встретить в любой сфере. Большое разнообразие материалов для производства данных устройств дает возможность эффективно использовать любую магистраль.

Некоторые виды систем предусматривают наличие специального углубления под прокладки. Особенно тщательного контроля требуют фланцевые крепления в сети, транспортирующей газ. Здесь понадобятся фланцы, прошедшие детальную проверку на качество.

Требования к фланцевым соединениям

Государственные, международные стандарты устанавливают требования к фланцевым соединениям технических трубопроводов. В России, СНГ действуют ГОСТы, в Европе, США, ряде других стран – свои документы. Соответствия между элементами разных систем классификации устанавливают с помощью таблиц перевода.

В ГОСТ 33259-2015 указаны:

• условный проход;
• номинальное давление;
• размер, исполнения уплотнительных поверхностей;
• размеры, расчетная масса всего изделия, болтов, шпилек;
• структура обозначения;
• метод, технологию изготовления.

Кроме того, стандарт определяет:

• вид прокладок (эластичные, металлические, спирально-навитые, графитовые, металлографитовые, волновые и другие), размеры, свойства;
• материал фланцев, крепежных деталей (серый, ковкий чугун; углеродистая, низколегированная, коррозионностойкая сталь и др.);
• объем испытаний на твердость, химический состав, механические свойства, качество сварных швов.

Назначение и особенности фланцевого соединения

Фланец представляет собой плоскую стальную пластину, имеющую форму кольца (реже – квадрата либо прямоугольника).  В средней части пластины расположено отверстие под вставку торцевой части трубы, а по ее контуру – несколько равноудаленных отверстий под установку болтов либо шпилек, которые впоследствии фиксируются гайками.

Фланцевые соединения являются быстроразъемной альтернативой сварной и муфтовой стыковки. При монтаже торец трубы приваривается к пропускному отверстию фланца, после чего пластины стягиваются между собой.  Герметичность соединения достигается за счет использования уплотнительных прокладок из резины либо фторопласта. Также могут использоваться обтюраторы – стальные заглушки, устанавливаемые между двух фланцев. Обтюраторы позволяют перекрыть конкретный участок трубопровода при необходимости его ремонта.

Также фланцевые соединения используются для соединения трубопроводов с устройствами и технологическими емкостями, чаще всего – теплообменниками. В таком случае на концы труб наваривается фланец, к которому подводится заборный патрубок оборудования.

Соединительные фланцы

В зависимости от функционального назначения выделяют следующие типы фланцевых соединений:

• для стыковки труб и установки запорно-регулирующей арматуры, выдерживающее давление от 0.1 до 20 МПа – регулируется положениями ГОСТ №12815;
• для подключения к трубопроводам сосудов и оборудования – регулируется ГОСТ №28759.

Расчет фланцевых соединений любого типа ведется согласно инструкции “Рекомендации по расчет, проектированию и монтажу фланцев стальных строительных конструкций”, выпущенной ВНИПИ “Промстальконструкция” в 1989 году.

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.

Особенности и характеристики

Главной характеристикой фланцевых креплений являются их конструктивные особенности. В России и в странах СНГ наиболее популярные следующие нормы:

• Гост 12820-80. Он определяет конструктивные отличия плоского типа привариваемых фланцев.
• Гост 12821-80. В нем определяется конструкционная характеристика приварных встык фланцев.
• Гост 12822-80. Таким документом определяются конструкционные характеристики стальных свободных на привариваемом диске фланцев.

Приспособления, которые относятся к этим трем основным группам, предназначены для стыка непосредственно для сети и оборудования. Условия установки любого из представленных механизмов разные.

Плоские приварные детали из стали. Во время монтажных мероприятий, такой элемент «насаживают» на трубу, а после этого его наваривают парой швов сварки вокруг нее.

Приварной встык механизм из стали. Монтаж этой стальной детали, если сравнить с первым вариантом, ставит в необходимость наличие только одного сварного шва – соединения.

При таких действиях скрепляется встык торцевая часть трубы и «воротничок» механизма для соединения. Такое в значительной степени упрощает процесс крепежа детали и уменьшает затраченное на монтаж время.

Свободная стальная конструкция на привариваемом кольце. Она включает в себя главную часть и кольцо, а они в свою очередь должны иметь одинаковый показатель условного объема и давления.

Если провести параллель с ранее указанными вариантами, то в этом механизме удобство установки находится на более высоком уровне, потому, что на трубы наваривается сам диск, а фланец оставляют в свободном расположении.

Благодаря этому, соединение болтовых отверстий на свободно расположенных  деталях и на аналогичном механизме на арматуре выполняется без затруднений, даже в месте трудного доступа. Поворачивать трубу при данном соединении также не нужно.

К положительным моментам их использования относится то, что при подборе для трубы из нержавейки, можно поставить кольцо из нержавейки, а фланцевую конструкцию из углеродистой стали.

В мире применяют и другие классификации, например:

• DIN – это немецкие нормы стандарта, они действуют в европейских странах;
• ANSI/ASME – это американские нормы стандарта, они действуют в Японии, США и Австралии.

Переводятся эти стандарты в специальных таблицах, где есть четкое указание, какой стандарт определяет характеристики того или иного изделия.

Разновидности фланцев

Установленные стандарты предусматривают много разновидностей фланцев. Чаще всего типы фланцевых соединений подразделяют по следующим критериям:

• материал;
• тип контактной поверхности;
• конструктивное исполнение;
• высота выступа.

Соединительные детали изготавливают из серого и ковкого чугуна, углеродистой, нержавеющей, легированной стали, полипропилена.

Типы уплотнительной поверхности обозначают латинскими буквами и различают следующие:

• A – плоскость;
• B – соединительный выступ;
• F – впадина;
• E – выступ;
• D, M – паз;
• C, L – шип;
• K – под линзовую прокладку;
• J – под прокладку с овальным сечением.

Изделия с типом поверхности «шип» и «выступ» не являются широко распространенными. Их изготавливают только по специальным заказам.

По конструктивному исполнению фланцевые диски разделяют на:

• плоские;
• воротниковые;
• свободные на приварном кольце;
• для сосудов и аппаратов;
• заглушки.

Последними глушат концевые отверстия тупиковых труб или отсекают участки трубопровода, подлежащего ремонту. Кроме этого, выпускают четырехугольные соединители с четырьмя отверстиями под крепеж.

Высота выступа определяет давление, при котором гарантируется работа фланцевого соединения без повреждений. Для работы при давлении, находящемся в диапазоне от 1,03 до 2,07 МПа, достаточно высоты выступа 1,6 мм. Если максимальное давление составляет 2,76 – 20,68 МПа, то высота выступа должна быть 6,4 мм.

Крепятся фланцы одинаково, независимо от разновидностей соединителей.

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.

Фланцы	Обозначение согласно ГОСТ 12820-80-ГОСТ 12822-80	Обозначение согласно ГОСТ 33259-2015
Фланцы стальные плоские приварные	Фланец X1-X2-X3-X4 ГОСТ 12820-80, где: X1 ─ исполнение уплотнительной поверхности по ГОСТ 1285-80; X2 ─ номинальный диаметр; X3 ─ номинальное давление; X4 ─ марка материала.	Фланец X1-X2-X3-X4-X5-X6-X7 ГОСТ 33259 X1 ─ номинальный диаметр X2 ─ номинальное давление X3 ─ номер типа фланца X4 ─ номер размерного ряда (1 или 2) X5 ─ исполнение уплотнительной поверхности X6 ─ марка материала X7─ группа контроля
Фланцы стальные приварные встык	Фланец X1-X2-X3-X4 ГОСТ 12821-80 X1 ─ исполнение уплотнительной поверхности по ГОСТ 1285-80 X2 ─ номинальный диаметр X3 ─ номинальное давление X4 ─ марка материала
Фланцы стальные плоские свободные на приварном кольце	Фланец X1-X2-X3 ГОСТ 12822-80 X1 ─ номинальный диаметр X2 ─ номинальное давление X3 ─ марка материала Кольцо X1-X2-X3-X4 ГОСТ 12822-80 X1 ─ исполнение уплотнительной поверхности по ГОСТ 1285-80 X2 ─ номинальный диаметр X3 ─ номинальное давление X4 ─ марка материала	Фланец X1-X2-X3-X4-X5-X6 ГОСТ 33259 X1 ─ номинальный диаметр X2 ─ номинальное давление X3 ─ номер типа фланца X4 ─ номер размерного ряда (1 или 2) X5 ─ марка материала X6 ─ группа контроля Кольцо X1-X2-X3-X4-X5-X6-X7 ГОСТ 33259 X1 ─ номинальный диаметр X2 ─ номинальное давление X3 ─ номер типа фланца X4 ─ номер размерного ряда (1 или 2) X5 ─ исполнение уплотнительной поверхности X6 ─ марка материала X7─ группа контроля

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 для фланцевых соединений

Герметичность соединения обеспечивается прокладкой, которую вставляют между фланцами. В зависимости от характеристик среды, температуры и давления ее делают из соответствующих материалов:

• резины, стойкой к продуктам нефтепереработки:
• паронита общего назначения;
• теплостойкой резины;
• асбестового картона;
• паронита, стойкого к маслу и бензину;
• кислото и щелочеустойчивой резины;
• графита;
• фторопласта;
• металла (алюминия, меди);
• металлографита.

Из чего производят деталь?

В промышленности используются стальные фланцы, однако сталь, из которой изготавливают деталь, также бывает разной. Маркировка стальных фланцев будет определять, в каких условиях лучше использовать данную деталь:

1. Сталь 20 – самое применяемое сырье. Это углеродистая сталь, детали из нее применяются для сборки арматуры на магистралях, где внешняя температура не ниже –40 градусов, а внутренние показатели не выше +475 градусов.
2. Сталь 09г2с – сталь из сплавов никеля, хрома и молибдена, предназначенная для осуществления сварки. Изделия из данного материала могут эксплуатироваться при внешней температуре от –70 градусов.
3. 12Х18Н10Т – криогенная сталь. Детали из данного материала могут использоваться в агрессивной среде, например со щелочами и кислотами. Допустимая температура от – 196 градусов до +350 градусов.
4. 10Х17Н13М2Т – коррозийно-стойкая обыкновенная сталь. Крепления из нее эксплуатируются в особо экстремальных условиях, ведь она сохраняет стойкость к коррозии под напряжением. Рабочие температуры от -196 до +600 градусов.
5. 15Х5М – низколегированная жаропрочная сталь. Такие изделия имеют высокое сопротивление к окислению при показателях +600-650 градусов.

Данные марки являются самыми используемыми, однако кроме них производители применяют другое сырье. Существуют полипропиленовые модели – они предназначены для стыковки полипропиленовых труб с металлической запорной арматурой. Рабочая температура у такого материала значительно ниже — +80 градусов. К ним в комплекте могут продавать бурт под фланец – специальную деталь для создания фланцевого соединения из полипропилена.

Полипропиленовый фланец

Кроме стали и пропилена используют чугун двух видов – ковкий и серый. Детали из ковкого чугуна используются при рабочих температурах от -30 до +400 градусов, а из серого чугуна – при температуре от -15 до +300 градусов.

Классы давления фланцев

Детали, изготавливаемые согласно стандартам Asme (Asni) всегда характеризуются рядом параметров. Одним из таких параметров является номинальное давление. При этом диаметр изделия должен соответствовать его давлению согласно установленным образцам. Условный диаметр обозначается комбинацией букв «ДУ» или «DN», после чего стоит цифра, характеризующая сам диаметр. Условное давление измеряется в «РУ» или «PN».

Чертеж фланца с различными обозначениями

Классы давления американской системы соответствуют переводу в МПа:

• 150 psi — 1,03 МПа;
• 300 psi — 2,07 МПа;
• 400 psi — 2,76 МПа;
• 600 psi — 4,14 МПа;
• 900 psi — 6,21 МПа;
• 1500 psi — 10,34 МПа;
• 2000 psi — 13,79 МПа;
• 3000 psi — 20,68 МПа.

В переводе с МПа каждый класс будет указывать на давление фланца в кгс/см². От класса давления зависит, где будет использоваться выбранная деталь.

Стальные плоские приварные фланцы

Основные параметры:

– рабочая температура от -70 С до 450 С;

– рабочее давление от 0,1 МПа до 2,5 МПа;

– диаметр труб от 10 мм до 1600 мм.

Бывают в различных исполнениях, например, с выступом, с впадиной, с пазом, с шипом и т.д. В процессе монтажа фланец надевают на конец трубы и дважды приваривают по контуру стыка.

Стальные воротниковые фланцы

Основные параметры:

– рабочая температура от -253 С до 600 С;

– рабочее давление от 0,1 МПа до 20 МПа;

– диаметр труб от 10 мм до 1600 мм.

У такого фланца есть выступ в виде усеченного конуса, в который вставляется труба. Здесь нужно сделать лишь один сварной шов, что при большом объеме работ значительно экономит время. При использовании такого типа изделия впоследствии удастся довольно легко провести модернизацию отдельной части трубопровода или полный демонтаж системы. Для этого не понадобится разрезать трубу, нужно лишь снять воротниковый фланец, который можно назвать многоразовым соединительным элементом. Благодаря наличию воротника и тому, что по высоте его конус имеет разную толщину стенок, изделие способно выдержать большее давление, чем обычный плоский приварной фланец.

Теперь вы знаете, что такое фланцы, для чего они нужны и сможете отличить стальные воротниковые фланцы от плоских приварных. Эти знания пригодятся даже в повседневной жизни, ведь такие соединительные элементы есть и на небольших трубопроводах, которые несут в ваш дома природный газ или воду.

[spoiler title=”Источники”]

• https://svarkaprosto.ru/tehnologii/flantsevoe-soedinenie
• https://TrubaNet.ru/stalnye-truby/flancevoe-soedinenie-stalnykh-trub-ikh-plyusy-i-oblast-primeneniya.html
• https://www.chelarm.ru/articles/flancevye-soedineniya/
• https://trubypro.ru/dopolnitelnye-elementy/flancy/flantsevoe-soedinenie.html
• http://armatek.ru/about/truboprovodnaya_armatura/flanec_i_flancevoe_soedinenie_v_truboprovodnoj_armature/
• https://trubametr.ru/vidy-rabot/montazh/flantsevoe-soedinenie
• https://www.otvetimpochemy.ru/kak-pravilno-flanec-ili-fljanec/
• https://artizba.info/chto-takoe-flancy-vidy-flancev-i-oblast-ispolzovaniya/

[/spoiler]