Фланцы из углеродистой стали

Фланцы из углеродистой стали: классификация, производство, применение и стандарты

Фланцы из углеродистой стали представляют собой ключевые соединительные элементы трубопроводных систем, арматуры, сосудов давления и оборудования в энергетике, нефтегазовой, химической и других отраслях промышленности. Их основная функция – обеспечение герметичного, разъемного и прочного соединения участков трубопроводов, а также присоединение к ним оборудования. Углеродистая сталь, как материал, обеспечивает оптимальное соотношение прочности, пластичности, технологичности и стоимости, что делает ее наиболее распространенным выбором для широкого спектра рабочих условий.

Материалы: марки углеродистой стали и их свойства

Выбор конкретной марки стали для фланца регламентируется стандартами и зависит от параметров рабочей среды: давления, температуры и агрессивности. Основные марки углеродистой стали, используемые для производства фланцев, можно разделить на несколько групп.

Углеродистые стали общего назначения

Применяются для некритичных соединений при умеренных давлениях и температурах. Пример: Ст3сп по ГОСТ 380. Для фланцев, работающих под давлением, используются качественные конструкционные стали.

Качественные углеродистые конструкционные стали (по ГОСТ 1050, аналог AISI 10xx)

Наиболее распространенная группа. Содержание углерода варьируется, что влияет на прочностные характеристики.

Сталь 20 (AISI 1020): Низкоуглеродистая сталь с хорошей свариваемостью и пластичностью. Применяется для фланцев, работающих при температурах от -40 до +475°C. Основная марка для фланцев по ГОСТ, DIN и других стандартов при умеренных давлениях.
Сталь 35 (AISI 1035): Сталь со средним содержанием углерода, обладает более высокой прочностью и твердостью по сравнению со сталью 20, но свариваемость хуже. Используется для фланцев, требующих повышенной механической прочности.

Легированные стали для повышенных параметров

Для работы при низких температурах или повышенных температурах (свыше 475°C) углеродистые стали не подходят. В этих случаях применяются низколегированные стали (например, 09Г2С для низких температур) или теплоустойчивые стали (например, 15Х5М). Однако в рамках классификации «углеродистых» фланцев по ASTM часто выделяют группу материалов с небольшим содержанием легирующих элементов.

Основные марки по стандартам ASTM A105 / A350

В мировой практике наиболее распространены следующие маркировки материалов для фланцев из углеродистой стали:

ASTM A105: Сталь для поковок, предназначенных для применения в условиях высоких давлений и температур. Аналог стали 25 или 35. Применяется для фланцев, фитингов, клапанов. Не для низких температур.
ASTM A350 LF1/LF2: Углеродистая и низколегированная сталь для поковок, предназначенная для работы при низких температурах (до -46°C для LF2, с ударными испытаниями). Критически важна для арктических условий и криогенных сред.
ASTM A694 F42-F70: Стали высокой прочности для фланцев, свариваемых с трубопроводами из высокопрочных сталей, например, для магистральных газо- и нефтепроводов.

Технологии производства фланцев

Качество и эксплуатационные характеристики фланца напрямую зависят от метода его изготовления. Основные технологии:

Ковка (штамповка): Наиболее предпочтительный и распространенный метод для ответственных применений. Заготовка (обычно круглый прокат) нагревается и деформируется под давлением пресса или молота в закрытых штампах. Это обеспечивает плотную, однородную мелкозернистую структуру металла, высокие механические свойства и отсутствие внутренних дефектов. Фланцы, изготовленные ковкой, имеют лучшие характеристики при циклических нагрузках и в условиях высокого давления.
Горячая объемная штамповка (ГОШ): Разновидность ковки, обеспечивающая высокую точность формы и минимальные припуски на механическую обработку. Считается оптимальной для массового производства.
Резка из проката (центровка): Фланец вырезается плазменной или газовой резкой из толстолистового проката (для плоских фланцев) или из круглого проката (для воротниковых). Метод дешевле ковки, но механические свойства металла остаются такими же, как у исходного проката. Волокна металла перерезаны, что может снижать стойкость к нагрузкам. Применимо для фланцев низких давлений (PN6, PN10) и неответственных систем.
Литье: Используется реже для углеродистой стали. Чугунные фланцы – литые, но стальные литые фланцы уступают кованым по плотности и надежности, хотя и дешевле. Требуют строгого контроля качества на предмет литейных дефектов (раковины, поры).
Гибка из полосы с последующей сваркой (для больших диаметров): Применяется для изготовления фланцев больших диаметров (свыше 1000-1500 мм), где ковка или резка из цельной заготовки экономически нецелесообразны или невозможны. Кольцо гнется из стальной полосы, а стык сваривается. Такой фланец проходит обязательный контроль сварного шва.

Типы фланцев и их конструктивные особенности

Конструкция фланца определяется его функцией, давлением в системе и стандартом.

Основные типы по конструкции

Плоский фланец (ПФ, Slip-on): Надевается на трубу и приваривается двумя швами: снаружи и изнутри. Проще в монтаже, но обладает меньшей прочностью по сравнению с воротниковым при одинаковых параметрах. Рекомендуется для систем низкого и среднего давления.
Воротниковый фланец (ВФ, Weld Neck): Имеет коническую горловину (воротник), которая приваривается встык к трубе. Плавный переход от воротника к тарелке фланца обеспечивает оптимальное распределение механических напряжений, высокую прочность и стойкость к вибрациям. Применяется в системах высокого давления, при переменных нагрузках и высоких/низких температурах.
Фланец под приварку встык (Butt-Weld): Аналогичен воротниковому, но имеет прямую, а не коническую горловину. Часто используется в американском стандарте ASME B16.5.
Резьбовой фланец (Threaded): Имеет внутреннюю резьбу для навинчивания на трубу без сварки. Применяется в системах низкого давления, на взрывоопасных объектах, где сварка нежелательна, а также для соединения с оборудованием, имеющим резьбовые патрубки. Не подходит для систем с высокой температурой и вибрацией.
Фланец внахлест (Lap Joint): Состоит из двух частей: собственно фланца (stub end), который приваривается к трубе, и свободного фланца (loose flange), который надевается на него. Свободный фланец может вращаться, что облегчает монтаж и совмещение отверстий под болты. Позволяет использовать фланец из более дорогого материала (например, нержавеющей стали) только для stub end, а свободный фланец делать из углеродистой стали, что экономит средства.

Типы уплотнительных поверхностей

Поверхность фланца, контактирующая с прокладкой, определяет тип и степень герметичности соединения.

Гладкая (Flat Face, FF): Применяется с мягкими прокладками (паронит, резина) для низких давлений (обычно до PN16). Часто используется для соединения с чугунным оборудованием, чтобы избежать точечных нагрузок и сколов.

Выступ-впадина (Raised Face, RF): Наиболее распространенный тип. На поверхности фланца имеется кольцевой выступ высотой около 1.5-2 мм. Прокладка (чаще металлическая спирально-навитая или овального сечения) располагается внутри этого выступа, что предотвращает ее выдавливание и повышает герметичность. Применяется для широкого диапазона давлений.

Шип-паз (Tongue and Groove, T/G): На одном фланце выполнен кольцевой выступ (шип), на другом – соответствующая канавка (паз). Прокладка (как правило, плоская) размещается в пазу. Обеспечивает очень высокую герметичность, точную центровку, но сложна в изготовлении и монтаже. Используется в системах с опасными средами, высокими давлениями и температурами.
Под линзовую прокладку (Lens Gasket): Имеет конические поверхности для установки линзовой прокладки. Применяется в системах сверхвысокого давления (в энергетике, химии).
Под прокладку овального или восьмигранного сечения (Ring Joint, RJ): На поверхности фланца проточены канавки под металлическую прокладку овального или восьмигранного сечения. При затяжке болтов прокладка деформируется, плотно заполняя канавки, что создает металл-металл контакт и исключительную герметичность. Стандарт для нефтегазовой промышленности, скважинного оборудования, систем высокого давления (ASME B16.5, API 6A).

Стандарты и условные проходы

Фланцы изготавливаются в соответствии с национальными и международными стандартами, которые определяют их геометрию, размеры, допуски и материалы.

**Сравнительная таблица основных стандартов на фланцы**
Стандарт	Регион	Типы фланцев	Ряд давлений (PN) / Класс давления (Class)	Ключевые особенности
ГОСТ 33259-2015 (ранее ГОСТ 12820, 12821)	Россия, СНГ	Плоские, Воротниковые, Свободные на приварном кольце	PN6, PN10, PN16, PN25, PN40, PN63, PN100, PN160	Метрические размеры. PN – номинальное давление в барах. Два исполнения уплотнительных поверхностей (с соединительным выступом и с выступом-впадиной).
DIN EN 1092-1 (ранее DIN 2630-2638)	Европа	Плоские, Воротниковые, Резьбовые, Глухие и др.	PN6, PN10, PN16, PN25, PN40, PN63, PN100, PN160, PN250, PN320, PN400	Европейский стандарт. Типы уплотнительных поверхностей: A (гладкая), B (выступ-впадина), C/D (шип-паз), E/F (под прокладку овального сечения), и др.
ASME B16.5 / ASME B16.47	США, международный	Weld Neck, Slip-On, Socket Weld, Threaded, Lap Joint, Blind	Class 150, 300, 400, 600, 900, 1500, 2500	Дюймовая система. Class – условный класс давления, зависящий от температуры. ASME B16.47 для больших диаметров (свыше 24″). Типы поверхностей: RF, FF, RTJ, T/G.
ГОСТ Р 54432-2011 (аналог ASME B16.5)	Россия	Аналоги ASME B16.5	Class 150, 300, 400, 600, 900, 1500, 2500	Национальный российский стандарт, гармонизированный с ASME. Применяется на объектах, спроектированных по американским нормам.

Контроль качества и испытания

Для обеспечения надежности фланцев, особенно работающих в условиях высокого давления и опасных сред, проводится обязательный контроль качества, который может включать:

Визуальный и измерительный контроль (ВИК): Проверка геометрических размеров, состояния поверхности, наличия маркировки.
Ультразвуковой контроль (УЗК): Выявление внутренних дефектов (раковины, трещины, расслоения) в теле фланца, особенно в зоне перехода от воротника к тарелке.
Контроль твердости (по Бринеллю, Роквеллу): Проверка соответствия механических свойств материала требованиям стандарта.
Рентгенографический контроль (РК): Применяется для контроля сварных швов при изготовлении фланцев гибкой из полосы или для проверки зоны сварного соединения воротникового фланца с трубой (не самого фланца).
Магнитопорошковый или капиллярный контроль (МПК/ПВК): Обнаружение поверхностных и подповерхностных дефектов.
Испытания на герметичность (пневмо- или гидроиспытания): Проводятся, как правило, на собранном узле (фланец + арматура) в составе оборудования.

Объем контроля регламентируется техническими условиями (ТУ) на изделие, стандартами (например, ГОСТ 33259) или требованиями заказчика (например, по спецификациям NACE MR0175 для сероводородосодержащих сред).

Области применения в энергетике и смежных отраслях

Тепловая энергетика (ТЭС, ТЭЦ): Фланцевые соединения на трубопроводах пара и горячей воды (до 475°C для стали 20), системах питательной воды, топливоподачи. Применяются воротниковые фланцы по ГОСТ или ASME из сталей 20, A105, а для более высоких параметров – из легированных сталей.
Атомная энергетика (АЭС): Используются фланцы специальных исполнений из высококачественных углеродистых и легированных сталей с повышенными требованиями к контролю качества (рентген, УЗК), часто по стандарту ASME. Рабочие среды: пар, вода, химводоочистка.
Нефтегазовая промышленность: Основной потребитель. Фланцы на магистральных и промысловых трубопроводах, технологических установках, емкостях. Широко применяются фланцы с уплотнением Ring Joint (RJ) по API/ASME из сталей A105, A350 LF2 (для низких температур), A694 высокой прочности.
Химическая и нефтехимическая промышленность: Фланцевые соединения аппаратов, колонн, трубопроводов с агрессивными и неагрессивными средами. Критически важна правильная пара «материал фланца – материал прокладки – материал крепежа» для предотвращения коррозии.
Общее машиностроение и строительство: Фланцы для систем вентиляции, водоснабжения, сжатого воздуха низкого давления, где применяются плоские или резьбовые фланцы из стали Ст3.

Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)

Чем отличается фланец PN16 от фланца Class 150? Можно ли их соединить?

Ответ: Это фланцы разных стандартных рядов (европейский DIN/ГОСТ и американский ASME). PN16 указывает на номинальное давление 16 бар при температуре 20°C. Class 150 – это класс давления, который допускает разное рабочее давление в зависимости от температуры (например, при 38°C это около 19.6 бар, а при 200°C – около 13.1 бар для материала A105). Геометрически они несовместимы: у них разные диаметры окружности болтов (БОЛТ), количество и диаметр отверстий под болты, часто разная толщина и форма уплотнительной поверхности. Соединить их напрямую невозможно без переходной прокладки-адаптера, что не рекомендуется для ответственных систем.

Как правильно подобрать марку стали для фланца?

Ответ: Подбор осуществляется на основе проекта или расчетов по следующим параметрам:

Рабочее давление и температура: Основные параметры. Для t ≤ 475°C и умеренных давлений подходит сталь 20 / A105. Для t ниже -29°C требуется сталь с гарантированной ударной вязкостью (A350 LF2). Для t > 475°C – теплоустойчивые легированные стали.
Характеристики рабочей среды: Наличие сероводорода (H2S), углекислого газа (CO2), щелочей, кислот требует выбора марок стали с ограничением по твердости (например, по NACE MR0175/ISO 15156) или применения защитных покрытий.
Стандарт трубопроводной системы: Материал фланца должен соответствовать материалу трубы и арматуры (равнопрочность, свариваемость).

Всегда следует руководствоваться требованиями технической документации (проекта, ТУ, стандартов).

Что такое «фланец глухой» и где он применяется?

Ответ: Глухой фланец (Blind Flange) – это сплошной диск без центрального отверстия. Его функции:

Герметичное заглушение конца трубопровода, отвода или отверстия в сосуде.
Организация точки для будущего расширения системы («заглушка на развитие»).
Создание люка для осмотра или очистки в сосудах (временная заглушка).
Испытание трубопровода на прочность и герметичность (устанавливается в конце участка).

Глухие фланцы испытывают наибольшие изгибающие нагрузки от давления среды, поэтому их толщина, как правило, больше, чем у соответствующих присоединительных фланцев.

Почему для фланцевых соединений важен правильный подбор крепежа?

Ответ: Болты (шпильки) и гайки создают необходимое усилие сжатия для обеспечения герметичности. Неправильный подбор может привести к:

Недостаточная затяжка: Протечка среды через прокладку.
Чрезмерная затяжка: Деформация фланца, повреждение прокладки, поломка болтов (хрупкое разрушение), возникновение остаточных напряжений.
Несоответствие материала: Использование болтов из обычной углеродистой стали в высокотемпературных или коррозионных средах приведет к их ползучести, коррозии и потере натяжения. Материал крепежа должен быть совместим с материалом фланца по коэффициенту теплового расширения и коррозионной стойкости, а его класс прочности – соответствовать расчетному усилию затяжки.

Затяжку следует проводить по определенной схеме (крест-накрест) динамометрическим ключом для обеспечения равномерного давления на прокладку.

Каковы основные причины разрушения фланцевых соединений?

Ответ:

Усталостное разрушение от циклических нагрузок (вибрация, пульсация давления): Чаще возникает в зоне перехода воротника в тарелку или в месте сварного шва. Снижает риск применение воротниковых фланцев вместо плоских.
Коррозия: Как общая, так и местная (щелевая, под прокладкой), а также коррозионное растрескивание под напряжением (КРН).
Неправильный монтаж: Перекос фланцев, несоосность труб, загрязнение уплотнительной поверхности, некачественная сварка, неправильная затяжка болтов.
Ползучесть материала: При длительной работе в условиях высоких температур, приводящая к постепенной релаксации напряжений в болтах и потере герметичности.
Использование фланца, не соответствующего параметрам среды: Применение фланца PN10 в системе с давлением PN25.

Заключение

Фланцы из углеродистой стали, несмотря на кажущуюся простоту, являются высокотехнологичными изделиями, от правильного выбора, изготовления и монтажа которых зависит безопасность и бесперебойность работы всего трубопроводного комплекса. Понимание различий в материалах (сталь 20, A105, A350), технологиях производства (ковка vs. резка), типах конструкций (воротниковый, плоский) и стандартах (ГОСТ, DIN, ASME) является обязательным для специалистов, занимающихся проектированием, закупкой и эксплуатацией оборудования в энергетике и промышленности. Строгое соблюдение нормативных требований к контролю качества и монтажу – ключевое условие для создания надежных и долговечных фланцевых соединений.

Фланцы из углеродистой стали