Фланцы воротниковые Ду 40: конструкция, стандарты, применение и монтаж

Фланец воротниковый (приварной встык) Ду 40 – это тип соединительной детали трубопроводной арматуры, предназначенный для надежного и герметичного соединения участков труб, запорной, регулирующей аппаратуры, аппаратов и резервуаров в системах, работающих под широким диапазоном давлений и температур. Условный проход (Ду, DN) 40 мм соответствует внутреннему диаметру присоединяемого трубопровода и является одним из наиболее востребованных типоразмеров в энергетике, нефтегазовой, химической промышленности и коммунальном хозяйстве. Ключевая особенность воротникового фланца – наличие конической переходной части (воротника, юбки), которая приваривается встык к торцу трубы, что обеспечивает высокую прочность соединения, стойкость к вибрациям и изгибающим нагрузкам.

Конструктивные особенности и преимущества

Конструкция фланца воротникового Ду 40 строго регламентирована. Основными элементами являются:

• Диск: Основная несущая часть с отверстиями под шпильки или болты. Толщина диска и диаметр окружности расположения отверстий (PCD) определяются давлением.

Воротник (юбка): Коническая или цилиндрическая переходная часть, которая приваривается к трубе. Воротник обеспечивает плавный переход напряжений от фланца к трубе, снижая концентрацию напряжений в зоне сварного шва.

Стыковой сварной шов: Выполняется двумя сварными швами – одним по торцу воротника (встык к трубе), а вторым по периметру соединения воротника с наружной поверхностью трубы. Это создает прочное, равнопрочное соединение.

Рабочая поверхность: Поверхность на диске для установки уплотнения. Для Ду 40 наиболее распространены типы исполнений: исполнение 1 (с соединительным выступом), исполнение 2 (с выступом), исполнение 3 (с впадиной), исполнение 4 (с шипом), исполнение 5 (с пазом) и другие по ГОСТ 33259-2015 (ранее ГОСТ 12815-80).

Уплотнительная поверхность: Должна иметь определенную шероховатость для обеспечения герметичности с прокладкой (спирально-навитая, плоская, линзовая, овального сечения).

Преимущества воротниковых фланцев Ду 40 перед плоскими приварными:

• Высокая прочность и надежность соединения, особенно при переменных нагрузках, вибрациях и тепловых расширениях.
• Возможность применения в системах высокого (до 20 МПа и более) и сверхвысокого давления.
• Лучшее распределение механических напряжений в зоне соединения с трубой.
• Удобство монтажа и центровки при сборке.
• Длительный срок службы в ответственных технологических линиях.

Основные стандарты и технические характеристики

Производство и параметры фланцев воротниковых Ду 40 регулируются рядом национальных и международных стандартов. Выбор стандарта определяет геометрию, размеры и допустимые давления.

Таблица 1. Основные стандарты на фланцы воротниковые Ду 40

Стандарт	Обозначение	Класс давления (Py)	Материал изготовления	Область применения
ГОСТ 33259-2015	Фланец 40— ГОСТ 33259	6, 10, 16, 25, 40, 63, 100, 160, 250	Стали 20, 09Г2С, 12Х18Н10Т, 10Х17Н13М2Т, 15Х5М и др.	Трубопроводы и оборудование на территории РФ и ТС.
ГОСТ 33259-2015 (аналог DIN)	Фланец DN 40 PN 16/25/40	PN 6, 10, 16, 25, 40, 63, 100, 160, 250	Стали 20, 09Г2С, 12Х18Н10Т и др.	Для замены импортного оборудования.
ASME B16.5 / ASME B16.47	Weld Neck Flange 1.5″ Class 150, 300, 600, 900, 1500, 2500	Class 150, 300, 600, 900, 1500, 2500	A105, A350 LF2, F304, F316, F321 и др.	Объекты, построенные по американским нормам (нефтегаз, энергетика).
EN 1092-1	Flange PN 40 DN 40 Type 11	PN 6, 10, 16, 25, 40, 63, 100, 160, 250, 320, 400	P235GH, P265GH, 16Mo3, 13CrMo4-5, X6CrNiTi18-10 и др.	Европейские проекты, объекты энергетики и химии.

Таблица 2. Основные размеры фланца воротникового Ду 40 PN 16 (ГОСТ 33259-2015, исполнение 1)

Параметр	Обозначение	Значение, мм	Примечание
Условный проход	DN	40	Соответствует наружному диаметру трубы 48 мм (57 мм при бесшовном ряде).
Наружный диаметр фланца	D	150
Диаметр окружности болтов	D1	110
Наружный диаметр воротника	D2	66	Под приварку к трубе.
Количество отверстий	n	4
Диаметр отверстий под болты	d	18	Под болт М16.
Толщина диска	h	18
Высота воротника	H	~55 (зависит от ряда)	Длина воротника зависит от давления и толщины стенки трубы.

Материалы изготовления и выбор марки стали

Выбор материала фланца Ду 40 определяется параметрами рабочей среды: давлением, температурой, агрессивностью, а также требованиями по коррозионной стойкости и ударной вязкости.

• Углеродистые и низколегированные стали (Ст20, 09Г2С, A105, P235GH): Применяются для неагрессивных сред (вода, пар, воздух, нефть, природный газ) при температурах от -40 до +425°С. Сталь 09Г2С используется для низких температур (до -70°С).
• Легированные теплоустойчивые стали (15Х5М, 12Х1МФ, 13CrMo4-5): Для сред с высокой температурой (до +600°С) – паропроводы, линии перегрева в энергетике.
• Коррозионно-стойкие (нержавеющие) стали (12Х18Н10Т, 10Х17Н13М2Т, AISI 304/321/316): Для агрессивных сред (кислоты, щелочи, растворы), пищевой и фармацевтической промышленности, объектов с высокими требованиями к чистоте среды.
• Дуплексные и супердуплексные стали (AISI 31803, 32750): Для высокоагрессивных сред, в том числе содержащих хлориды, в нефтегазодобыче и морской среде.

Области применения в энергетике и промышленности

Фланцы воротниковые Ду 40 находят применение в следующих критически важных системах:

• Тепловая энергетика: Вспомогательные трубопроводы питательной воды, дренажные линии, линии продувки, маслосистемы турбин, трубопроводы низкого и среднего давления пара.
• Атомная энергетика: Системы технического водоснабжения, вентиляции, не относящиеся к первому контуру безопасности, но требующие высокой надежности.
• Нефтегазовая отрасль: Обвязка насосных агрегатов, замерных установок, линии импульсные и контрольные (КИПиА), трубопроводы технологические малого диаметра на установках подготовки и переработки.
• Химическая промышленность: Соединения реакторов, теплообменников, насосов для транспортировки химических реагентов под давлением.
• Коммунальное хозяйство: Сети теплоснабжения (в качестве присоединительных патрубков к задвижкам, регуляторам давления, тепловым пунктам), водопровод высокого давления.

Технология монтажа и контроль качества

Правильный монтаж – залог герметичности и долговечности фланцевого соединения Ду 40.

1. Подготовка: Проверка маркировки фланца (Ду, Ру, материал, стандарт). Контроль состояния уплотнительных поверхностей – отсутствие забоин, рисок, коррозии. Подготовка торца трубы (очистка, снятие фаски).
2. Приварка: Фланец надевается на трубу воротником к торцу. Выполняется точная центровка (соосность отверстий под болты). Прихватка в 2-3 точках. Сварка выполняется квалифицированным сварщиком по технологической карте (ТК). Первый шов – стыковой (корневой), второй – нахлесточный по наружной поверхности воротника. Для ответственных объектов применяется аргонодуговая сварка (TIG) корневого шва. Обязателен визуальный и неразрушающий контроль (НК) швов (чаще всего капиллярный или ультразвуковой).
3. Сборка соединения: Установка прокладки (тип и материал прокладки должны соответствовать РТД). Прокладка должна быть чистой и лежать ровно, без перекосов. Установка болтов/шпилек. Затяжка производится динамометрическим ключом крест-накрест (по диагонали) в несколько приемов до достижения усилия, указанного в документации. Запрещено использование ударных инструментов.
4. Испытания: Собранный узел подвергается гидравлическим или пневматическим испытаниям на герметичность пробным давлением, превышающим рабочее (как правило, в 1.25-1.5 раза).

Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)

Чем отличается фланец воротниковый Ду 40 от плоского приварного того же давления?

Воротниковый фланец приваривается встык, имеет конический переход (воротник), что делает соединение прочнее и устойчивее к изгибу. Плоский фланец насаживается на трубу и приваривается двумя угловыми швами снаружи и изнутри, что создает большую концентрацию напряжений. Воротниковые применяются для более высоких давлений, температур и в условиях вибрации.

Как правильно расшифровать маркировку «Фланец 1-40-16 ст. 20 ГОСТ 33259-2015»?

• 1 – Исполнение уплотнительной поверхности (с соединительным выступом).
• 40 – Условный проход (Ду) 40 мм.
• 16 – Условное давление (Ру) 16 кгс/см² (1.6 МПа).
• ст. 20 – Материал – сталь марки 20.
• ГОСТ 33259-2015 – Стандарт изготовления.

Как подобрать прокладку для фланцевого соединения Ду 40 PN 40?

Для PN 40 (4 МПа) и высоких температур, как правило, применяются спирально-навитые прокладки (СНП) с наполнителем из графита или PTFE и армированием из нержавеющей стали. Размер определяется по стандарту на фланцы: наружный диаметр прокладки равен среднему диаметру уплотнения на фланце, внутренний – чуть больше внутреннего диаметра трубы. Для менее ответственных соединений PN 16 могут использоваться плоские неметаллические прокладки из паронита или терморасширенного графита.

Можно ли использовать фланец из стали 20 для трубопровода с температурой +500°С?

Нет, категорически запрещено. Сталь 20 имеет ограничение по применению при температурах выше +425°С из-за явления ползучести (крипа) и снижения прочностных характеристик. Для температуры +500°С необходимо применять легированные теплоустойчивые стали, например, 15Х5М или 12Х1МФ, которые сохраняют прочность при высоких температурах.

Как перевести российское условное давление Ру 16 в PN по EN или Class по ASME?

Ру 16 кгс/см² приблизительно соответствует PN 16 по EN (1.6 МПа) и Class 150 по ASME для большинства диапазонов температур. Однако прямое соответствие условно. При подборе аналога необходимо сверяться с таблицами допустимых давлений при конкретной рабочей температуре по соответствующим стандартам, так как зависимости давления от температуры в разных стандартах отличаются.

Каковы основные дефекты при монтаже и как их избежать?

• Перекос фланцев: Приводит к неравномерной затяжке и течи. Избежать: тщательная центровка перед сваркой, затяжка крест-накрест.

Затяжка не динамометрическим ключом: Недотяг или перетяг. Перетяг может привести к ползучести болтов и потере герметичности. Использовать только калиброванный инструмент.

Повреждение уплотнительной поверхности: Сколы, царапины от инструмента. Требуется бережное обращение и контроль перед сборкой.

Несоответствие сварных материалов: Использование электродов, не соответствующих марке стали фланца и трубы. Строго соблюдать ТК на сварку.

Заключение

Фланец воротниковый Ду 40 представляет собой высоконадежный, стандартизированный элемент для создания разъемных соединений в ответственных трубопроводных системах энергетики и промышленности. Его правильный выбор по стандарту, материалу и давлению, а также строгое соблюдение технологий монтажа и контроля являются обязательным условием обеспечения безопасности, герметичности и долговечности всего технологического контура. Профессиональный подход к работе с данными изделиями минимизирует риски аварийных ситуаций и простоев оборудования.