Фланцы воротниковые Ду 50
Фланцы воротниковые Ду 50: конструкция, стандарты, применение и монтаж
Фланец воротниковый (приварной встык) Ду 50 – это тип соединительной детали трубопроводной арматуры, предназначенный для надежного и герметичного соединения участков труб, запорной, регулирующей аппаратуры, сосудов и аппаратов. Условный проход (Ду) 50 мм соответствует наружному диаметру присоединяемой трубы приблизительно 57 мм (для стальных труб по ГОСТ 10704-91). Ключевая особенность воротникового фланца – наличие конической переходной части (воротника, юбки), которая обеспечивает оптимальное распределение механических напряжений и упрощает монтаж.
Конструктивные особенности и принцип действия
Фланец воротниковый состоит из двух основных элементов: собственно фланцевой пластины (диска) с отверстиями под шпильки или болты и конической горловины (воротника). Конструкция стандартизирована. Воротник имеет небольшой скос под углом, как правило, 30-45°, что позволяет приваривать его к трубе стыковым швом. Это принципиальное отличие от плоских фланцев, которые требуют двух сварных швов (с торца и по окружности). Стыковой шов обеспечивает более высокую прочность и надежность соединения, лучшую сопротивляемость вибрациям, изгибающим моментам и циклическим нагрузкам.
Геометрия воротника позволяет компенсировать разницу в толщине стенки фланца и трубы, обеспечивая плавный переход и снижая концентрацию напряжений в зоне сварки. Торец воротника обрабатывается под углом для формирования V-образной разделки кромки под сварку. На рабочей поверхности фланца выполняются уплотнительные поверхности (чаще всего исполнение «шип-паз», «выступ-впадина», фланец с соединительным выступом).
Область применения в энергетике и промышленности
Фланцы воротниковые Ду 50 широко применяются на критически важных участках трубопроводных систем, работающих в условиях высоких параметров среды. Их использование регламентируется отраслевыми нормами.
- Теплоэнергетика: Трубопроводы насыщенного и перегретого пара среднего и высокого давления (Pу от 2,5 до 24,0 МПа и выше), питательной воды, дренажные и сбросные линии. Соединения пароперегревателей, барабанов котлов, турбинного оборудования.
- Атомная энергетика: Вспомогательные трубопроводные системы первого и второго контура, где предъявляются повышенные требования к свариваемости, радиационной стойкости и контролю качества швов.
- Нефтегазовая и химическая промышленность: Магистрали и технологические трубопроводы, транспортирующие агрессивные, токсичные или взрывоопасные среды при высоких температурах и давлениях.
- Общепромышленное применение: На ответственных участках систем, где недопустимы утечки и где возможно воздействие знакопеременных нагрузок, тепловых расширений.
- Углеродистые стали обыкновенного качества: Ст3сп, Ст3пс – для неагрессивных сред (вода, пар) при температурах от -30 до +425°C, давлениях до 2,5 МПа.
- Качественные углеродистые стали: Сталь 20, 25 – наиболее распространенный выбор для трубопроводов пара и горячей воды в теплоэнергетике (t до 450°C).
- Низколегированные стали: 09Г2С, 13ХФА, 12Х1МФ – для повышенных параметров (высокие давление и температура), обладают улучшенными прочностными характеристиками и жаропрочностью. Например, сталь 12Х1МФ применяется для пара t до 560°C.
- Коррозионно-стойкие (нержавеющие) стали: 12Х18Н10Т, 10Х17Н13М2Т, 08Х18Н10 – для агрессивных сред (кислоты, щелочи, высокочистые среды в пищевой и фармацевтической промышленности).
- Легированные стали: 15Х5М – жаропрочная сталь для сероводородсодержащих сред и высоких температур.
- Подготовка: Проверка геометрии фланца и трубы, зачистка кромок от окалины, ржавчины, загрязнений. Контроль совпадения отверстий у парных фланцев (во избежание перекоса).
- Сборка и центрирование: Фланец надевается на трубу, обеспечивается соосность. Зазор между торцом воротника и торцом трубы должен быть равномерным по всей окружности (обычно 1.5-3 мм). Прихватка в 3-4 точках.
- Сварка: Выполняется стыковой сваркой (ручная дуговая, аргонодуговая, полуавтоматическая в среде защитных газов) по всей окружности. Для ответственных швов используется подварка корня шва. Критически важным является выбор сварочных материалов (электроды, проволока), соответствующих марке стали фланца и трубы. Для легированных сталей обязателен предварительный и сопутствующий подогрев, а также последующая термообработка (отпуск) для снятия остаточных напряжений.
- Контроль: Визуальный и измерительный контроль (ВИК), контроль проникающими веществами (ПВК/капиллярный), ультразвуковой (УЗК) или радиографический (РК) контроль сварного шва. Проверка перпендикулярности торца фланца оси трубы.
- Затяжка крепежа: Установка прокладки (паронит, фторопласт, металлическая овального или восьмигранного сечения). Крепеж (шпильки, гайки, болты) должен соответствовать давлению и температуре. Затяжка выполняется динамометрическим ключом крест-накрест по определенной схеме для обеспечения равномерного давления на прокладку.
- Высокая прочность и надежность соединения за счет стыкового сварного шва.
- Лучшее сопротивление усталостным нагрузкам, вибрациям и изгибающим моментам.
- Плавный переход от фланца к трубе снижает концентрацию напряжений.
- Удобство монтажа и центрирования перед сваркой.
- Возможность многократного разбора и сборки соединения (в отличие от приварных внакладку).
- Меньший вес по сравнению с свободными фланцами при тех же параметрах.
- Более высокая стоимость по сравнению с плоскими фланцами.
- Более сложная технология сварки (требуется разделка кромок, для легированных сталей – термообработка).
- Жесткое требование к соосности трубы и фланца при монтаже.
- Исполнение 1: С соединительным выступом. Наиболее универсальное, применяется с плоскими прокладками.
- Исполнение 2: С выступом. Аналог исполнения 1, но с иными размерами.
- Исполнение 3: С впадиной. Используется в паре с исполнением 4.
- Исполнение 4: С шипом. Образует соединение «шип-паз» с исполнением 3, что обеспечивает точную центровку и удержание мягкой прокладки.
Нормативная документация и стандарты
Производство и применение фланцев воротниковых Ду 50 в РФ и странах СНГ регулируется рядом межгосударственных и национальных стандартов. Выбор стандарта определяет геометрию, параметры и материалы.
| Стандарт | Наименование | Диапазон давлений (Ру), МПа (кгс/см²) | Ключевые особенности |
|---|---|---|---|
| ГОСТ 33259-2015 (на замену ГОСТ 12821-80) | Фланцы стальные приварные встык. Технические условия. | 0,1 (1) – 20,0 (200) | Основной действующий стандарт. Определяет типы исполнений уплотнительных поверхностей (плоская, выступ-впадина, шип-паз и др.), геометрические параметры, допуски, материалы. |
| ГОСТ 12821-80 | Фланцы стальные приварные встык на Ру от 0,1 до 20,0 МПа (1-200 кгс/см²). | 0,1 (1) – 20,0 (200) | Устаревший, но широко используемый в проектной документации. Фактически заменен ГОСТ 33259-2015. |
| ГОСТ 28765-90 (СТ СЭВ 4291-83) | Соединения фланцевые для трубопроводов. Давления номинальные. | Устанавливает ряды номинальных давлений. | Определяет понятия номинального давления (PN) и номинального диаметра (DN). |
| ASME B16.5 / ASME B16.47 | Pipe Flanges and Flanged Fittings | До Class 2500 | Международный стандарт (США). Используется на объектах, построенных по зарубежным нормам. Классы давления (Class) отличаются от российских Ру. |
Материалы изготовления
Выбор марки стали для фланца Ду 50 определяется рабочими параметрами среды (давление, температура), ее химическим составом (коррозионная активность) и требованиями по свариваемости. Материалы регламентированы ГОСТ 33259-2015 и отраслевыми стандартами.
Геометрические параметры и условные обозначения
Типовые размеры фланца воротникового Ду 50 по ГОСТ 33259-2015 для наиболее распространенных давлений приведены в таблице. Все размеры указаны в миллиметрах.
| Ру, МПа (кгс/см²) | D, мм | D1, мм | D2, мм | h, мм | S, мм | d, мм | Кол-во отверстий |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1,0 (10) | 165 | 130 | 110 | 18 | 3,5 | 18 | 4 |
| 2,5 (25) | 165 | 130 | 110 | 20 | 3,5 | 18 | 4 |
| 6,3 (63) | 180 | 140 | 121 | 24 | 4,0 | 23 | 8 |
| 10,0 (100) | 195 | 150 | 133 | 28 | 4,0 | 23 | 8 |
| 16,0 (160) | 215 | 160 | 149 | 32 | 5,0 | 23 | 8 |
Где: D – наружный диаметр фланца; D1 – диаметр окружности расположения отверстий под крепеж; D2 – диаметр уплотнительной поверхности; h – высота (толщина) фланца; S – расчетная толщина стенки воротника (трубы); d – диаметр отверстий под шпильки/болты.
Условное обозначение включает: наименование детали, тип исполнения уплотнительной поверхности (1-9), условный проход, условное давление, марку стали, обозначение стандарта. Пример: Фланец 1-50-16 ст. 09Г2С ГОСТ 33259-2015. Это фланец воротниковый с исполнением 1 (с соединительным выступом), Ду 50, Ру 16 МПа, из стали 09Г2С.
Технология монтажа и сварки
Качество монтажа фланцевого соединения напрямую влияет на его герметичность и долговечность. Монтаж включает подготовку, сборку, сварку и контроль.
Преимущества и недостатки по сравнению с другими типами фланцев
Преимущества:
Недостатки:
Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)
Чем фланец воротниковый Ду 50 отличается от плоского приварного фланца?
Плоский фланец насаживается на трубу и приваривается двумя угловыми швами: с внутренней стороны по окружности трубы и с торца. Это создает высокую концентрацию напряжений и менее надежно при изгибе и вибрации. Воротниковый фланец приваривается одним стыковым швом, что обеспечивает более прочное и долговечное соединение, эквивалентное по прочности самой трубе. Поэтому воротниковые фланцы применяют при давлениях выше 2.5 МПа и на ответственных участках.
Как перевести российское условное давление Ру (МПа) в американский Class (ASME B16.5)?
Прямого пересчета не существует, так как системы стандартов основаны на разных принципах. Однако для ориентира можно использовать примерное соответствие: Ру 1.0 МПа ≈ Class 150; Ру 2.5 МПа ≈ Class 300; Ру 6.3 МПа ≈ Class 400; Ру 10.0 МПа ≈ Class 600; Ру 16.0 МПа ≈ Class 900. Для точного подбора аналога необходимо учитывать материалы и рабочую температуру.
Какая прокладка рекомендуется для фланцевого соединения Ду 50 на паре с давлением 4.0 МПа и температурой 440°C?
Для таких параметров рекомендуется использовать прокладки спирально-навитые (СНП) с наполнителем из графита или асбеста и уплотнительными кольцами из нержавеющей стали (например, 08Х18Н10). Также могут применяться металлические прокладки овального или восьмигранного сечения из мягких сталей (например, Ст20 или 08Х18Н10). Прокладки из паронита в данном случае не подходят из-за ограничения по температуре (для паронита обычно до 400-450°C с резким падением характеристик).
Обязательна ли термообработка сварного соединения фланца из стали 09Г2С?
Для стали 09Г2С (низколегированная) при толщине стенки свариваемых деталей до 20 мм и для неответственных узлов, работающих при температурах выше точки росы, термообработка (отпуск) может не требоваться. Однако для трубопроводов высокого давления (от 10 МПа и выше), а также при работе в условиях возможного возникновения хладноломкости, отпуск для снятия остаточных сварочных напряжений является обязательным. Требования должны быть четко прописаны в технологической карте на сварку (ТК).
Как правильно маркируется фланец, и что должно быть нанесено на его поверхность?
На наружной цилиндрической поверхности или на торце фланца должны быть нанесены клейма (маркировка) методом клеймения, электрогравировки или несмываемой краской. Маркировка включает: товарный знак или наименование изготовителя, условный проход (Ду 50), условное давление (Ру, МПа), марку стали, номер партии или плавки. Отсутствие маркировки или ее нечитаемость – повод для отбраковки детали.
Что такое «исполнение» уплотнительной поверхности фланца и какое выбрать для Ду 50?
Исполнение – это геометрия рабочей поверхности фланца, контактирующей с прокладкой. По ГОСТ 33259-2015 основных исполнений девять. Для Ду 50 наиболее распространены:
Выбор исполнения строго регламентируется проектной документацией и должен быть одинаков для обоих фланцев в паре.