Фланцы соединительные

Фланцы соединительные для кабельной и электротехнической продукции: классификация, конструкция, применение и стандарты

Соединительные фланцы представляют собой критически важные компоненты в конструкциях кабельных вводов, проходных изоляторов, герметичных соединителей и разъемных соединений электротехнического оборудования. Их основное функциональное назначение – обеспечение механически прочного, электрически надежного и, при необходимости, герметичного соединения между кабелем (или группой кабелей) и корпусом электротехнического устройства, а также между отдельными модулями оборудования. Фланец служит базовым элементом, к которому крепятся уплотнительные сальники, изоляционные втулки, контактные стержни или другие детали вводного устройства.

Классификация и типы соединительных фланцев

Классификация фланцев осуществляется по множеству признаков, определяющих их конструкцию, материал и область применения.

1. По основному назначению и конструкции:

• Фланцы для кабельных вводов (проходные фланцы): Предназначены для герметичного ввода одного или нескольких кабелей в корпус электрооборудования (трансформаторы, распределительные устройства, электродвигатели, пускорегулирующая аппаратура). Имеют отверстия для установки сальниковых уплотнений, эпоксидных или полимерных заливочных муфт, механических уплотнителей.
• Фланцы для проходных изоляторов (изоляционные проходки): Используются в качестве несущей конструкции для изоляторов, обеспечивающих электрическую изоляцию и механическое крепление токоведущих частей (шин, стержней) при их проходе через заземленную стенку или перегородку (например, в КРУ, силовых трансформаторах).
• Соединительные фланцы разъемов: Являются частью электрических разъемов высокого напряжения или большой силы тока, обеспечивая соосность, крепление и часто – защиту от внешней среды.
• Глухие (заглушающие) фланцы: Применяются для герметичного закрытия резервных отверстий в оборудовании.

2. По материалу изготовления:

• Стальные (углеродистые, нержавеющие): Наиболее распространены. Обладают высокой механической прочностью. Нержавеющие стали (AISI 304, 316) применяются в агрессивных средах, пищевой и химической промышленности.
• Алюминиевые и алюминиевые сплавы: Легкие, стойкие к коррозии в атмосферных условиях. Широко используются в электротехнических шкафах, корпусах приборов.
• Латунные: Обладают хорошей коррозионной стойкостью и обрабатываемостью. Часто применяются во взрывозащищенном оборудовании и для специальных разъемов.
• Чугунные: Применяются реже, в основном для крупногабаритного стационарного оборудования, где требуется высокая жесткость и масса не критична.

3. По форме и конфигурации:

• Круглые: Самый распространенный тип, используется для ввода одиночных кабелей или групп.
• Прямоугольные и квадратные: Применяются для монтажа на панели распределительных устройств, для организации ввода пучков кабелей или шин.
• Эллиптические: Оптимальны для ввода двух или трех кабелей, позволяют экономить место на корпусе.

4. По способу крепления:

• Приварные (присоединительный фланец): Привариваются к корпусу оборудования, обеспечивая постоянное и герметичное соединение.
• Резьбовые: Вворачиваются в подготовленное отверстие с внутренней резьбой.
• На болтах (многоотверстные): Крепятся к ответному фланцу или корпусу с помощью болтового соединения через ряд равномерно расположенных отверстий. Наиболее распространенный тип для разъемных соединений.
• Закладные (заливаемые): Монтируются в бетонные или полимерные конструкции.

Конструктивные элементы и параметры

Конструкция фланца определяется его назначением. Рассмотрим типовой многоотверстный фланец для кабельного ввода.

• Рабочая поверхность (юбка): Основная плоскость, прилегающая к корпусу оборудования. Может быть гладкой, с выступами (шипами) или канавками (пазами) для установки уплотнительных прокладок (O-rings, плоских прокладок).
• Отверстия под крепеж: Количество, диаметр и расположение (на какой окружности – PCD) этих отверстий стандартизировано. Критически важно для совместимости с ответной частью.
• Центральное отверстие: Определяет максимальный диаметр кабеля или проходного изолятора. Может быть гладким или с резьбой для крепления сальниковых узлов.
• Толщина фланца: Обеспечивает необходимую механическую прочность и жесткость, особенно важно для высокого давления или вакуума.
• Наружный диаметр/габариты: Определяются исходя из условий монтажа и требуемого количества крепежных отверстий.
• Материал и покрытие: Помимо базового материала, для защиты от коррозии часто наносятся покрытия: цинкование (гальваническое или термодиффузионное), кадмирование, никелирование, полимерные порошковые покрытия.

Ключевые стандарты и нормативы

Применение фланцев строго регламентируется национальными и международными стандартами, что обеспечивает взаимозаменяемость и безопасность.

Таблица 1. Основные стандарты на соединительные фланцы

Область применения	Стандарт	Краткое описание
Общее машиностроение, давление	ГОСТ 12820, ГОСТ 12821 (РФ), DIN 2501 (Германия), EN 1092-1 (Европа), ASME B16.5 (США)	Определяют типы, присоединительные размеры, ряды давлений (PN) для стальных фланцев. Являются базой для многих электротехнических решений.
Взрывозащищенное оборудование (Ex-d)	ГОСТ Р МЭК 60079-1, IEC/EN 60079-1	Жестко регламентируют конструкцию, ширину и качество поверхности фланцевого соединения (зазоры, шероховатость), длину пути взрывопередачи (L) для оборудования с видом взрывозащиты «взрывонепроницаемая оболочка».
Кабельные вводы	ГОСТ Р МЭК 62444, IEC/EN 62444	Стандарт на кабельные сальники. Определяет требования к резьбе фланцев (метрическая, трубная), размерам, совместимости с уплотнителями.
Высоковольтное оборудование	ГОСТ 13926, IEC 60137	Стандарты на изолированные проходные изоляторы. Определяют требования к фланцам, используемым в качестве крепления для изоляторов.
Электродвигатели	IEC 60072, IEC 60034	Определяют установочные и присоединительные размеры, включая фланцы для крепления двигателей (типы B14, B5 и др.).

Расчет и выбор фланца: ключевые критерии

Выбор соединительного фланца – инженерная задача, требующая учета множества факторов.

• Условия эксплуатации:
  • Давление/вакуум: Определяет требуемый класс давления (PN), толщину и материал фланца, тип уплотнения.
  • Температура: Влияет на выбор материала (коэффициент теплового расширения, прочность при температуре) и материала уплотнения.
  • Внешняя среда: Наличие влаги, химически активных веществ, УФ-излучения, морской атмосферы диктует необходимость применения нержавеющих сталей, специальных покрытий или цветных металлов.
  • Взрывозащита: Для зон с взрывоопасной атмосферой обязательны фланцы, соответствующие стандартам Ex-d с сертификацией.
• Электрические параметры:
  • Напряжение: Определяет необходимую длину пути утечки и расстояние через изоляцию, что влияет на габариты изоляционной части проходки.
  • Ток: При больших токах необходимо учитывать нагрев фланца и контактов, возможно применение материалов с высокой теплопроводностью (алюминий, медь).
• Механические нагрузки: Вес кабеля, вибрация, ветровые нагрузки, возможные удары. Требуют расчета на прочность и выбор соответствующего крепежа.
• Совместимость: Габаритные и присоединительные размеры (PCD, диаметр отверстий, тип резьбы) должны точно соответствовать ответной части оборудования или стандарту.
• Количество и тип кабелей: Определяет форму фланца (круглый, эллиптический) и количество монтажных отверстий под сальники.

Монтаж, уплотнение и обслуживание

Надежность фланцевого соединения на 70% зависит от правильности монтажа.

Технология монтажа:

• Подготовка поверхностей: Поверхности фланца и ответной части должны быть чистыми, без забоин, коррозии и старых уплотнений. Допускается указанная стандартом шероховатость.
• Установка уплотнения: Прокладка (резиновая, паронитовая, PTFE, металлическая) устанавливается строго по центру. Для O-rings канавка должна быть чистой и смазанной (если это допускается).
• Стягивание болтов: Критически важный этап. Применяется метод крест-накрест (диагональной затяжки) для равномерного прилегания. Затяжка производится динамометрическим ключом с моментом, указанным в технической документации. Недостаточный момент ведет к потере герметичности, чрезмерный – к деформации фланца и разрушению прокладки.
• Контроль: После монтажа под давлением проводится контроль на герметичность (например, опрессовка).

Типы уплотнений:

Таблица 2. Типы уплотнений для фланцевых соединений

Тип уплотнения	Материалы	Область применения	Примечания
Плоская прокладка	Резина NBR, EPDM, Silicone; Паронит; PTFE (тефлон); Композитные	Низкое и среднее давление, общепромышленное применение.	Простота, дешевизна. Требует правильной затяжки.
Кольцо круглого сечения (O-ring)	NBR, FKM (витон), EPDM, FFKM	Широкий диапазон давлений и вакуум, взрывозащищенные оболочки.	Уплотнение в радиальном направлении. Требует точной канавки.
Металлическое (линзовая, овальная прокладка)	Мягкая сталь, нержавеющая сталь, алюминий, медь	Высокие температуры и давления, агрессивные среды (в паре с графитом).	Высокая надежность, многократное использование. Сложный монтаж.

Тенденции и инновации

• Унификация и модульность: Развитие систем модульных кабельных вводов, где на один универсальный фланец можно установить различные уплотнительные блоки под разные диаметры кабелей.
• Материалы: Применение высокопрочных алюминиевых сплавов с покрытиями, композитных материалов для снижения веса и коррозионной стойкости.
• Герметизация: Развитие бессальниковых технологий герметизации с использованием термоусаживаемых или холодноусаживаемых элементов, заливных компаундов, монтируемых непосредственно на фланец.
• Цифровизация: Маркировка QR-кодами на фланцах, содержащими полные данные о материале, стандарте, моменте затяжки для обслуживающего персонала.

Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)

В чем принципиальная разница между фланцем по ГОСТ 12820 и фланцем для взрывозащищенного оборудования?

Фланец по ГОСТ 12820 – это стандартное соединение для трубопроводов и сосудов под давлением. Его геометрия оптимизирована под механические нагрузки от давления среды. Фланец для взрывозащиты (по IEC 60079-1) спроектирован специально для гашения взрывной волны внутри оболочки. Его ключевые отличия: строго регламентированная и гарантированная ширина привалочной поверхности (от 6 до 25 мм в зависимости от объема), минимальная длина пути взрывопередачи (L), определенная шероховатость поверхности (не более 6.3 мкм Ra для металлов, 3.2 мкм для пластмасс) и обязательная сертификация в аккредитованных органах. Использование стандартного трубопроводного фланца во взрывозащищенном оборудовании недопустимо.

Как правильно выбрать момент затяжки болтов фланцевого соединения?

Момент затяжки не выбирается произвольно, а рассчитывается или берется из нормативной документации на конкретное изделие. Он зависит от: размера и класса прочности болтов, материала фланца, типа и материала прокладки, рабочих параметров (давления, температуры). Общая рекомендация – использовать значение, указанное производителем оборудования или фланца. При его отсутствии можно руководствоваться стандартами, например, ASME PCC-1 или EN 1591, но расчет лучше доверить инженеру. Перетяжка – самая частая причина отказа фланцевых соединений.

Можно ли использовать алюминиевый фланец со стальными болтами?

Да, такая комбинация распространена. Однако необходимо учитывать разницу в коэффициентах теплового расширения (алюминий расширяется больше, чем сталь) и риск гальванической коррозии. Для компенсации теплового расширения может потребоваться более высокая начальная затяжка или специальные конструкции. Для борьбы с гальванической коррозией в агрессивных средах болты должны иметь защитное покрытие (цинкование), а также возможно использование изолирующих втулок и шайб, исключающих контакт разнородных металлов.

Что такое «фланец с шипом-пазом» (Tongue and Groove, T/G) и где он применяется?

Это тип фланцевого соединения, где на одном фланце выполнен выступающий кольцевой шип (tongue), а на другом – соответствующая канавка (groove). В канавку укладывается прокладка (чаще плоская). Такая конструкция обеспечивает очень точную центровку фланцев, эффективное удержание мягкой прокладки от выдавливания и применяется для высоких давлений, вакуумных систем, а также в качестве дополнительной меры безопасности во взрывозащищенных оболочках (дополнительный барьер на пути пламени).

Как быть, если необходимо ввести в корпус кабель нестандартного или очень большого диаметра?

Для нестандартных кабелей существуют несколько решений: 1) Изготовление фланца по индивидуальному чертежу. 2) Использование модульной системы вводов, где набор резиновых сегментов собирается вокруг кабеля в стандартной металлической обойме, которая затем крепится к фланцу. 3) Применение заливочных вводов, где фланец представляет собой коробку или горловину, в которую после монтажа кабеля заливается эпоксидный или полиуретановый компаунд, формирующий индивидуальное уплотнение. 4) Использование сальников с регулируемым зажимным диапазоном.

Требуется ли техническое обслуживание фланцевых соединений?

Да, фланцевые соединения требуют периодического контроля в рамках планово-предупредительного ремонта (ППР). Обслуживание включает: визуальный осмотр на предмет коррозии, механических повреждений; проверку состояния окрасочного покрытия; контроль момента затяжки болтов (при длительной работе, особенно при циклических температурах, возможна релаксация напряжений – ослабление затяжки); проверку герметичности (отсутствие подтеканий, следов среды). Для критичных соединений составляются графики контроля и подтяжки.