Фланцы стальные плоские: конструкция, стандартизация и применение в энергетике
Фланец стальной плоский – это деталь трубопроводной арматуры, представляющая собой кольцо или диск с равномерно расположенными отверстиями для болтов или шпилек, предназначенная для герметичного и прочного соединения участков труб, присоединения к ним оборудования (насосов, теплообменников, сосудов), а также для монтажа запорной и регулирующей арматуры. Ключевая особенность плоского фланца заключается в отсутствии выступающей юбки (воротника). Он насаживается на торец трубы и приваривается двумя сварными швами: по периметру трубы (наружный) и по внутреннему диаметру фланца (внутренний). Данный тип фланцев широко применяется в системах с умеренными давлениями и температурами, характерными для многих энергетических объектов, включая тепловые сети, системы водоснабжения и вентиляции, а также на вспомогательных трубопроводах электростанций.
Конструктивные особенности и технология монтажа
Плоский фланец состоит из следующих основных элементов: уплотнительная поверхность, контактирующая с прокладкой; отверстия под крепеж; ступица (центральная часть), которая надевается на трубу. В отличие от фланца стального приварного встык, плоский фланец не имеет конического перехода и длинной юбки, что определяет его более простую и, следовательно, более экономичную конструкцию. Монтаж осуществляется путем насадки фланца на подготовленный торец трубы с последующей приваркой. Первый шов выполняется с внутренней стороны соединения, что обеспечивает первичную фиксацию. Второй, более ответственный шов, выполняется по окружности в месте сопряжения торца фланца с наружной поверхностью трубы. Качество этого сварного соединения критически важно для прочности и герметичности узла. После сварки фланцы обоих соединяемых элементов стягиваются болтами или шпильками с гайками через уплотнительную прокладку (паронит, фторопласт, металлическая и др.), выбор которой зависит от параметров рабочей среды.
Стандартизация и основные параметры
В Российской Федерации и странах СНГ основным стандартом, регламентирующим конструкцию, размеры и технические требования к плоским фланцам, является ГОСТ 33259-2015 (ранее использовался ГОСТ 12820-80). Данный стандарт гармонизирован с европейскими нормами и устанавливает типы исполнений уплотнительных поверхностей, ряд условных давлений (PN) и условных проходов (DN).
Исполнения уплотнительных поверхностей по ГОСТ 33259-2015:
- Исполнение 1: С соединительным выступом. Наиболее распространенный тип, обеспечивающий хорошее сжатие прокладки.
- Исполнение 2: С выступом или впадиной под линзовую прокладку. Применяется для высоких давлений.
- Исполнение 3: С шипом или пазом. Обеспечивает точную фиксацию прокладки, предотвращая ее выдувание.
- Исполнение 4: С шипом или пазом под фторопластовую прокладку.
- Исполнение 5: Под прокладку овального сечения. Для особо ответственных соединений.
- Исполнение 6, 8, 9: С фаской под приварку (для фланцев встык, но важно не путать с плоскими).
- Ст20, Ст3сп: Углеродистые стали общего назначения. Применяются для трубопроводов с неагрессивными средами (вода, пар, воздух, азот) при температурах от -30°C до +425°C.
- 09Г2С: Низколегированная сталь. Обладает повышенной прочностью и стойкостью к низким температурам (до -70°C). Широко используется в магистральных трубопроводах и системах северного исполнения.
- 12Х18Н10Т, 10Х17Н13М2Т: Коррозионно-стойкие (нержавеющие) аустенитные стали. Применяются в трубопроводах для агрессивных сред (кислоты, щелочи, высокотемпературный пар), а также в системах с высокими требованиями к чистоте среды (пищевая, фармацевтическая промышленность, особо чистые контуры на АЭС).
- 15Х5М: Жаростойкая легированная сталь. Предназначена для работы в средах с высокой температурой (до +600°C), например, в трубопроводах перегретого пара.
- Тепловые сети (теплоснабжение): Соединение участков труб магистральных и квартальных теплотрасс, присоединение оборудования тепловых пунктов (ИТП, ЦТП). Рабочие параметры: температура до 150°C, давление до 2.5 МПа (PN 25).
- Вспомогательные системы ТЭС и АЭС: Техническое водоснабжение, системы вентиляции и кондиционирования, дренажные и канализационные сети, трубопроводы сжатого воздуха. Здесь часто применяются фланцы из углеродистых сталей.
- Промышленные трубопроводы: Внутризаводские сети на объектах энергетики и нефтехимии для транспортировки воды, пара, топлива.
- Системы газоснабжения: На трубопроводах низкого и среднего давления, в узлах учета и регулирования газа.
- Экономичность: Меньший расход металла и более простая технология изготовления по сравнению с фланцами встык.
- Удобство монтажа: Возможность свободного поворота фланца для совмещения отверстий под болты перед окончательной приваркой.
- Универсальность: Широкий диапазон стандартных размеров и исполнений.
- Ремонтопригодность: Относительная простота замены при повреждении.
- Меньшая прочность соединения: Концентрация напряжений в зоне углового сварного шва.
- Ограничение по параметрам: Неприменимость для высоких давлений и температур, а также для труб с малой толщиной стенки.
- Требовательность к качеству сварки: Некачественно выполненный шов является слабым местом соединения.
- Большая строительная длина: По сравнению с фланцевым соединением встык, требует большего расстояния между осями труб для монтажа и демонтажа.
- 1: Исполнение уплотнительной поверхности (с соединительным выступом).
- 100: Условный проход DN 100 мм.
- 16: Условное давление PN 16.
- ст. 09Г2С: Марка стали.
- ГОСТ 33259-2015: Нормативный документ.
Основные ряды условных давлений и проходов:
Условное давление (PN) – это наибольшее избыточное давление при температуре 20°C, при котором обеспечивается длительная и безопасная работа соединения. Для плоских фланцев стандартизирован ряд: PN 6, PN 10, PN 16, PN 25, PN 40, PN 63, PN 100, PN 160. Условный проход (DN) – номинальный внутренний диаметр присоединяемого трубопровода, выраженный в миллиметрах. Стандартный ряд DN: от DN 10 до DN 3000, однако для плоских фланцев применение сверхбольших диаметров (свыше DN 1200) ограничено из-за снижения механической прочности соединения.
| Условный проход (DN), мм | Наружный диаметр фланца (D), мм | Диаметр окружности болтов (Dб), мм | Количество отверстий под болты | Диаметр болтов (шпилек) | Толщина фланца (b), мм | Масса (прибл.), кг |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 50 | 165 | 125 | 4 | M16 | 18 | 1.9 |
| 100 | 220 | 180 | 8 | M16 | 20 | 3.7 |
| 200 | 335 | 295 | 8 | M20 | 22 | 8.7 |
| 300 | 440 | 400 | 12 | M20 | 24 | 14.5 |
| 500 | 670 | 610 | 20 | M24 | 30 | 41.0 |
Материалы изготовления и марки стали
Выбор марки стали для изготовления плоских фланцев определяется параметрами рабочей среды (давление, температура, агрессивность) и регламентируется стандартами. Основные применяемые марки:
Область применения в энергетике и смежных отраслях
В энергетическом комплексе плоские фланцы находят применение в следующих системах:
Ограничения: Плоские фланцы не рекомендуется применять в системах с высоким циклическим (пульсирующим) давлением, в зонах с высокими изгибающими моментами и вибрацией, а также на трубопроводах с температурой среды выше +450°C и давлением выше PN 40 ввиду меньшей, по сравнению с фланцами встык, механической прочности сварного соединения.
Преимущества и недостатки по сравнению с другими типами фланцев
Преимущества:
Недостатки:
Контроль качества, монтаж и эксплуатация
Качество поставляемых фланцев должно подтверждаться сертификатами соответствия и паспортами, где указаны марка стали, результаты механических испытаний, данные ультразвукового или рентгенографического контроля (для ответственных изделий). Перед монтажом необходимо провести визуальный и измерительный контроль: отсутствие трещин, раковин, задиров на уплотнительной поверхности; соответствие геометрических размеров; чистота обработки отверстий под крепеж. Монтаж должен выполняться по проектной документации с соблюдением технологии сварки (выбор электродов, режимы сварки, квалификация сварщика). Затяжка болтового соединения производится динамометрическим ключом по определенной схеме (крест-накрест) для обеспечения равномерного прижатия прокладки. В процессе эксплуатации требуется периодический контроль затяжки болтовых соединений, особенно в циклически нагруженных системах.
Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)
В чем принципиальная разница между плоским фланцем и фланцем приварным встык?
Плоский фланец насаживается на трубу и приваривается угловым швом по окружности. Фланец приварной встык имеет коническую юбку, которая приваривается встык к торцу трубы, что обеспечивает лучшую распределение нагрузок и применяется для высоких давлений (PN 63-160) и температур, а также в условиях вибрации.
Можно ли использовать плоский фланец на трубопроводе с давлением 100 атм (PN 100)?
Нет, это не рекомендуется и противоречит практике. Для давления PN 100 и выше стандартом предусмотрено применение фланцев приварных встык (ГОСТ 33259-2015, тип 11). Плоские фланцы рассчитаны на давление, как правило, до PN 40.
Как правильно выбрать материал фланца для трубопровода горячей воды (t=130°C) на ТЭЦ?
Для таких параметров (вода до 150°C, давление до 25 атм) наиболее распространенным и экономичным выбором является фланец из стали Ст20 или Ст3сп. При наличии требований к повышенной прочности, особенно для больших диаметров (DN > 300), может применяться сталь 09Г2С.
Что означает обозначение «Фланец 1-100-16 ст. 09Г2С ГОСТ 33259-2015»?
Требуется ли термообработка фланцев после сварки?
Для фланцев из углеродистых и низколегированных сталей, как правило, термообработка (отпуск для снятия сварочных напряжений) не требуется при соблюдении технологии сварки. Для фланцев из легированных сталей (например, 15Х5М) и в особо ответственных случаях термообработка регламентируется проектной документацией и технологическими картами.
Какой крепеж применяется для фланцевых соединений?
Для стягивания фланцев используются болты, шпильки с гайками и шайбами. Класс прочности крепежа должен соответствовать рабочему давлению и материалу фланца. Для PN 16-40 обычно применяется крепеж класса прочности 5.6, 8.8. В агрессивных средах используется крепеж из нержавеющей стали (например, А2-70, А4-80).
Заключение
Фланцы стальные плоские остаются востребованным и экономичным типом соединительных деталей для монтажа трубопроводных систем в энергетике и смежных отраслях. Их корректное применение, строго соответствующее пределам рабочих параметров (давление, температура, среда), выбор в соответствии с актуальными стандартами и качественный монтаж являются залогом надежной и долговечной работы трубопроводной арматуры. Понимание конструктивных особенностей, материалов и нормативной базы позволяет специалистам принимать обоснованные технические решения при проектировании и ремонте инженерных сетей.