Арматура фланцевого соединения

Арматура фланцевого соединения: конструкция, стандарты, применение и монтаж

Фланцевая арматура представляет собой класс трубопроводной арматуры, присоединительные патрубки которой оснащены фланцами. Это обеспечивает ее установку в разрыв трубопровода посредством болтового соединения с ответными фланцами труб, аппаратов или другого оборудования. Данный тип присоединения является одним из наиболее распространенных в промышленных трубопроводах, особенно в энергетике, нефтегазовой и химической отраслях, благодаря своей надежности, разъемности и пригодности для широкого диапазона рабочих параметров.

Конструктивные особенности и основные элементы

Конструктивно фланцевая арматура включает в себя корпус с присоединительными фланцами, запорный или регулирующий орган (затвор, клапан, диск), шток, сальниковое уплотнение и привод (ручной, электрический, пневматический). Ключевым элементом является именно фланец – плоский диск или кольцо с равномерно расположенными отверстиями для болтов или шпилек. Герметичность соединения достигается за счет установки уплотнительной прокладки между ответными фланцами.

• Корпус с фланцами: Изготавливается методом литья, ковки или сварки. Фланцы являются неотъемлемой частью корпуса (приваренный бурт) или привариваются к нему.
• Уплотнительная прокладка: Размещается в канавке (пазе) на поверхности фланца или между гладкими поверхностями. Материал прокладки выбирается в зависимости от среды и параметров: паронит, фторопласт, металлические (оцинкованная сталь, нержавеющая сталь, сплавы), графитовые композиции.
• Крепежные элементы: Болты, шпильки, гайки и шайбы. Их класс прочности должен соответствовать давлению и температуре рабочей среды.

Классификация фланцевой арматуры

Классификация осуществляется по нескольким ключевым признакам.

По типу арматуры:

• Фланцевые задвижки (шиберные, клиновые).
• Фланцевые шаровые краны.
• Фланцевые поворотные затворы (дисковые заслонки).
• Фланцевые обратные клапаны (поворотные, подъемные).
• Фланцевые регулирующие клапаны.
• Фланцевые предохранительные клапаны.

По типу уплотнения:

• С сальниковым уплотнением (набивка из графита, асбеста, PTFE).
• Сильфонного типа (для агрессивных и опасных сред).

По конструкции присоединительных фланцев (по ГОСТ, ASME, EN):

• Плоские приварные (ГОСТ 12820-80): Надеваются на трубу и привариваются двумя сварными швами по окружности.
• Приварные встык (воротниковые) (ГОСТ 12821-80): Привариваются встык одним сварным швом, что обеспечивает повышенную прочность соединения.
• Свободные на приварном кольце (ГОСТ 12822-80): Состоят из фланца и кольца одного условного давления. Кольцо приваривается к трубе, а фланец остается свободным, что удобно для монтажа.

Стандарты и условные проходы

Выбор фланцевой арматуры строго регламентирован национальными и международными стандартами, определяющими геометрию, давление, материалы и условия применения.

Основные стандарты фланцевых соединений

Стандарт	Регион	Ключевые параметры
ГОСТ 33259-2015 (на замену ГОСТ 12815-80)	Россия, СНГ	Условное давление (Py): 0.1, 0.25, 0.6, 1.0, 1.6, 2.5, 4.0, 6.3, 10.0, 12.5, 16.0, 20.0, 25.0 МПа. Условный проход (Dy/DN) от 10 до 1600 мм.
ASME B16.5 / B16.47	США, международный	Номинальное давление (Class): 150, 300, 400, 600, 900, 1500, 2500. Номинальный диаметр (NPS) от 1/2″ до 24″ и более.
EN 1092-1	Европа	Номинальное давление (PN): 2.5, 6, 10, 16, 25, 40, 63, 100, 160, 250, 320, 400. Номинальный диаметр (DN) от 10 до 4000 мм.

Соответствие давлений между стандартами является приблизительным и требует консультации таблиц сопоставления. Например, Class 150 примерно соответствует PN 20, но не идентичен.

Материалы изготовления

Выбор материала корпуса и фланцев определяется агрессивностью среды, рабочими давлением и температурой.

• Углеродистая сталь (ст.20, 25Л): Для воды, пара, нефтепродуктов при температурах до +425°C.
• Легированная сталь (09Г2С, 12Х18Н9Т, 15Х5М): Для сред с повышенной температурой (+550…+600°C) или низкоагрессивных химических сред.
• Коррозионностойкая (нержавеющая) сталь (12Х18Н10Т, 10Х17Н13М2Т, AISI 304/316): Для агрессивных сред (кислоты, щелочи, морская вода).
• Чугун (СЧ20, ВЧ50): Для воды, пара, газа при низких давлениях (до PN 16) и не для ударных нагрузок.

Преимущества и недостатки фланцевого соединения арматуры

Преимущества:

• Разъемность и удобство монтажа/демонтажа: Позволяет легко устанавливать и снимать арматуру для ремонта или замены.
• Высокая надежность и герметичность: При правильном подборе прокладки и затяжке обеспечивает долговременную герметичность для высоких давлений и температур.
• Широкий диапазон применения: Подходит для трубопроводов от малых до очень больших диаметров (свыше 2000 мм).
• Стандартизация: Наличие единых стандартов гарантирует взаимозаменяемость изделий от разных производителей.
• Возможность многократной установки: При аккуратном демонтаже фланцы и крепеж могут быть использованы повторно.

Недостатки:

• Большие габариты и масса: Значительно тяжелее и больше, чем муфтовая или приварная арматура того же диаметра.
• Повышенная металлоемкость.
• Вероятность ослабления затяжки: При циклических нагрузках или вибрации требуется периодическая подтяжка болтов.
• Повышенные требования к соосности фланцев: Перекос при монтаже приводит к неравномерной затяжке и потере герметичности.

Процедура монтажа и затяжки фланцевого соединения

Правильный монтаж критически важен для обеспечения герметичности и долговечности соединения.

1. Подготовка поверхностей: Поверхности фланцев должны быть очищены от старой прокладки, грязи, ржавчины и повреждений. Проверяется отсутствие забоин и царапин.
2. Установка прокладки: Прокладка устанавливается строго по центру, без перекосов. Для фланцев с выступом/впадиной (RF) прокладка должна располагаться внутри контура.
3. Совмещение фланцев: Фланцы сводятся, обеспечивая соосность отверстий под шпильки. Шпильки/болты должны свободно входить в отверстия.
4. Нанесение смазки: Резьбовая часть и опорная поверхность под гайкой смазываются специальной высокотемпературной антифрикционной смазкой.
5. Затяжка крепежа: Затяжка производится крест-накрест (по диагонали) в несколько этапов с использованием калиброванного динамометрического ключа. Это обеспечивает равномерное прилегание прокладки.

Пример этапов затяжки болтов (общая схема)

Этап	Усилие затяжки	Примечание
Первоначальная затяжка	30% от конечного	Выравнивание прокладки
Вторая затяжка	60% от конечного	Предварительное обжатие
Конечная затяжка	100%	Достижение расчетного усилия
Контрольная затяжка (опционально)	100%	После 24 часов или цикла нагрева-охлаждения

Области применения в энергетике

В энергетической отрасли фланцевая арматура применяется на критически важных участках:

• Тепловые электростанции (ТЭС): На трубопроводах питательной воды, пара высокого и среднего давления, конденсата, мазутопроводах. Используются задвижки и обратные клапаны на Py до 25 МПа и температуре до +560°C.
• Атомные электростанции (АЭС): В первом и втором контурах, системах технического водоснабжения. К материалам и качеству изготовления предъявляются наивысшие требования (нормы НАКС, атомные стандарты).
• Котельные и тепловые сети: На выходах котлов, в узлах ввода/вывода теплосетей. Применяются задвижки, регулирующие клапаны, обратные клапаны.
• Газотурбинные и парогазовые установки: На топливных газопроводах и вспомогательных системах.

Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)

Чем отличается фланец ГОСТ от фланца ASME?

Основные отличия заключаются в геометрических размерах (наружный диаметр, диаметр расположения отверстий, количество отверстий), системе обозначения давления (Py/PN vs Class) и допусках. Арматура с фланцами ГОСТ и ASME, как правило, не взаимозаменяема без переходных элементов. Например, фланец DN 100 PN 16 (ГОСТ) и фланец NPS 4″ Class 150 (ASME) имеют близкие, но не идентичные размеры.

Как правильно подобрать прокладку для фланцевого соединения?

Выбор зависит от пяти факторов: 1) Тип поверхности фланца (гладкая, с выступом/впадиной, шип-паз); 2) Рабочая среда (химическая стойкость); 3) Температура; 4) Давление; 5) Требования к пожарной безопасности. Для пара и воды высоких параметров часто используют металлические или паронитовые прокладки, для агрессивных сред – фторопластовые (PTFE), для повышенных температур и давлений – спирально-навитые (SPW) с графитовым или PTFE наполнителем.

Почему происходит разгерметизация фланцевого соединения?

Основные причины: 1) Неравномерная или недостаточная затяжка болтов; 2) Неправильный подбор или разрушение прокладки (старение, химическая коррозия, выдавливание); 3) Механические напряжения в трубопроводе (изгибающие моменты, вибрация); 4) Перегрев сверх расчетной температуры, ведущий к «отпуску» болтов и потере натяжения; 5) Коррозия или повреждение уплотнительных поверхностей фланцев.

Как часто нужно проводить подтяжку болтов фланцевых соединений?

График подтяжки регламентируется инструкциями по эксплуатации и зависит от условий. После первого запуска на горячую среду обязательна контрольная подтяжка после 24-48 часов работы. В дальнейшем подтяжка проводится во время плановых остановок оборудования, а также при обнаружении следов течи. Для ответственных соединений на энергоблоках применяется мониторинг напряжений в шпильках с помощью ультразвуковых методов.

Что такое «длина под приварку» у фланцевой арматуры и почему она важна?

Длина под приварку (или строительная длина) – это габаритный размер между торцами присоединительных фланцев арматуры. Ее стандартизация (по ГОСТ или ASME) критически важна для проектировщиков и монтажников, так как гарантирует, что арматура станет в разрыв трубопровода без необходимости подгонки или переделки труб. Несоответствие этого размера приводит к невозможности монтажа или возникновению дополнительных напряжений.

Можно ли использовать фланцевую арматуру из чугуна на паровых линиях?

Использование чугунной арматуры на паропроводах строго ограничено нормами безопасности (ПБ 10-573-03 в РФ). Чугун хрупок и чувствителен к тепловым ударам и гидроударам. Как правило, чугунная фланцевая арматура (задвижки, клапаны) допускается для насыщенного пара с рабочим давлением не выше 0.8 МПа (8 бар) и температурой до +175°C, и только при отсутствии риска гидроударов. Для пара высокого давления и температуры применяется исключительно стальная арматура.