Фланцы стальные воротниковые Ду 100: технические характеристики, стандарты и применение

Фланец стальной воротниковый (приварной встык) на условный проход Ду 100 является одним из наиболее востребованных типов соединительных деталей трубопроводов в энергетике, нефтегазовой и химической промышленности. Его конструкция, состоящая из юбки-воротника конической формы, которая приваривается встык к трубе, и фланцевого диска с отверстиями под шпильки, обеспечивает высокую прочность, надежность и долговечность соединения, особенно в условиях высоких давлений, температур и знакопеременных нагрузок.

Конструктивные особенности и преимущества

Ключевым элементом воротникового фланца является переходная воротниковая часть (шейка), которая обеспечивает плавное перераспределение механических напряжений от фланцевого диска к трубе. Геометрия воротника и место сварного шва, расположенного в зоне, свободной от изгибающих моментов, значительно повышают усталостную прочность соединения по сравнению с плоскими приварными фланцами. Основные преимущества конструкции:

• Высокая прочность и стойкость к механическим воздействиям (вибрация, изгиб, давление).
• Оптимальное распределение напряжений, что снижает риск коррозионного растрескивания.
• Возможность многократного монтажа и демонтажа соединения без потери герметичности.
• Удобство монтажа: фланец свободно вращается на трубе для совмещения отверстий перед окончательной приваркой.
• Широкий диапазон рабочих параметров (давление, температура).

Основные стандарты и технические требования

В Российской Федерации и странах СНГ основным стандартом, регламентирующим параметры стальных фланцев, является ГОСТ 33259-2015 (на замену ГОСТ 12821-80), гармонизированный с европейским стандартом EN 1092-1. Для энергетики, особенно высоких параметров, также применяются отраслевые стандарты, например, ОСТ 108.031.08-85. Воротниковые фланцы изготавливаются в соответствии с несколькими типами исполнений уплотнительных поверхностей.

Типы уплотнительных поверхностей (исполнений) для фланцев Ду 100

• Исполнение 1 (тип A): Гладкая уплотнительная поверхность. Применяется при низких давлениях с мягкими прокладками (резина, паронит).

Исполнение 2 (тип B): Поверхность с выступом (шип-паз). Обеспечивает точную центровку и удержание прокладки, используется в ответственных соединениях.

• Исполнение 3 (тип C): Поверхность с впадиной.
• Исполнение 4 (тип D): Под линзовую прокладку. Характерно для энергетики высоких параметров.
• Исполнение 5 (тип E): Под прокладку овального сечения.
• Исполнение 6 (тип F): Шип-паз под фторопластовую прокладку.
• Исполнение 7 (тип G): Соединение «шип-паз» сталь-по-стали.
• Исполнение 8 (тип H): С канавкой под прокладку типа «кольцо» (RING JOINT). Наиболее надежное для сверхвысоких давлений.

Геометрические и весовые параметры фланцев Ду 100 по ГОСТ 33259-2015 (PN от 6 до 160)

В таблице приведены ключевые размеры для наиболее распространенных рядов давлений. Условный проход Ду 100 соответствует наружному диаметру трубы 108 мм (для ряда 1) или 114 мм (для ряда 2) по ГОСТ 33259.

Условное давление, PN (Ру), бар	Наружный диаметр фланца, D, мм	Диаметр окружности болтов, Dб, мм	Диаметр болтов/шпилек	Количество отверстий, шт	Толщина фланца, C, мм	Высота, H, мм (прибл.)	Масса, кг (прибл.)
PN 6 (6 бар)	215	180	M16	8	20	56	3.5
PN 10 (10 бар)	215	180	M16	8	22	60	4.0
PN 16 (16 бар)	230	190	M16	8	24	62	5.0
PN 25 (25 бар)	230	190	M16	8	26	65	5.5
PN 40 (40 бар)	230	190	M16	8	28	68	6.0
PN 63 (63 бар)	260	220	M20	8	32	78	8.5
PN 100 (100 бар)	300	250	M24	12	38	90	13.5
PN 160 (160 бар)	340	290	M27	12	45	108	20.0

Материалы изготовления и выбор марки стали

Выбор материала фланца определяется рабочими параметрами среды (давление, температура), ее агрессивностью и требованиями стандартов. Основные марки сталей:

• Углеродистые стали обыкновенного качества: Ст3сп, Ст20. Применяются для неагрессивных сред (вода, пар, инертные газы) при температурах от -30 до +425°C.
• Легированные стали: 09Г2С (для низких температур до -70°C), 15Х5М (жаропрочная, для сред до +600°C, устойчива к сероводороду).
• Нержавеющие стали: 12Х18Н10Т (08Х18Н10Т), AISI 304/321 – для коррозионно-активных сред, пищевой и химической промышленности.
• Высоколегированные стали: 10Х17Н13М2Т (AISI 316Ti), 06ХН28МДТ – для особо агрессивных сред (кислоты, хлориды).

Для энергоблоков сверхкритических параметров пара применяются фланцы из жаропрочных сталей перлитного и мартенситного классов (например, 15Х1М1Ф).

Технология монтажа и сварки

Качество соединения напрямую зависит от соблюдения технологии монтажа. Сварка воротникового фланца к трубе выполняется стыковым швом. Основные этапы:

1. Подготовка: Проверка геометрии фланца и трубы, зачистка кромок от окалины, ржавчины и загрязнений. Торец трубы должен быть обрезан строго перпендикулярно оси.
2. Прихватка: Фланец надевается на трубу (воротником к торцу трубы) и центрируется. Выполняется 2-3 прихватки для фиксации.
3. Сварка: Выполняется корневой шов и облицовочный шов. Для ответственных трубопроводов применяется аргонодуговая сварка (TIG) для корневого шва и дуговая сварка покрытым электродом (MMA) или в среде защитных газов (MIG/MAG) для последующих слоев. Важно обеспечить полный провар по всей толщине соединения.
4. Контроль: Обязателен визуальный и измерительный контроль, а для ответственных объектов – неразрушающий контроль (ультразвуковой, радиографический).

Области применения в энергетике и промышленности

Фланцы Ду 100 используются на трубопроводах среднего диаметра, выполняющих различные функции:

• Тепловая и атомная энергетика: Питательные трубопроводы, линии конденсата, трубопроводы среднего давления пара, вспомогательные системы.
• Нефтегазовая отрасль: Промысловые коллекторы, технологические линии на УКПГ и КС, трубопроводы товарного транспорта.
• Химическая промышленность: Технологические линии с агрессивными и неагрессивными средами.
• Коммунальное хозяйство: Магистральные тепловые сети (в качестве приварных деталей).

Критерии выбора и контроль качества

При выборе фланца стального воротникового Ду 100 необходимо учитывать:

• Рабочее и условное давление (PN/Py) системы.
• Температуру транспортируемой среды.
• Химический состав среды (коррозионная активность).
• Требуемый тип уплотнительной поверхности (исполнение).
• Стандарт (ГОСТ, ОСТ, ASME), на который должен быть изготовлен фланец.
• Материал, соответствующий техническим условиям проекта.

Контроль качества включает проверку сертификатов, маркировки, геометрических размеров, твердости материала, а также ультразвуковой контроль тела фланца на отсутствие расслоений и трещин.

Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)

Чем воротниковый фланец отличается от плоского приварного?

Плоский фланец приваривается двумя угловыми швами (с внутренней и внешней стороны), что создает концентрацию напряжений в зоне сварки и менее устойчиво к изгибу. Воротниковый фланец имеет коническую шейку и приваривается одним стыковым швом, что обеспечивает более равномерное распределение нагрузок и повышенную усталостную прочность. Он предназначен для более высоких давлений и температур.

Как расшифровать маркировку фланца 100-16 ст. 09Г2С?

Ду 100 – условный проход 100 мм. PN 16 (Ру 16) – условное давление 16 бар (1,6 МПа). ст. 09Г2С – марка стали (низколегированная конструкционная сталь для работы при низких температурах).

Какое количество болтов и их размер необходимы для фланца Ду 100 на Ру 40?

Для фланца Ду 100 на Ру 40 (PN 40) согласно ГОСТ 33259-2015 требуется 8 шпилек (болтов) с резьбой М16. Диаметр окружности их расположения (D_б) составляет 190 мм.

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

Нет, это недопустимо. Сталь 20 имеет ограничение по применению при температурах до +425-450°C. При +500°C происходит интенсивное обезуглероживание и ползучесть, что ведет к потере прочности. Для таких параметров следует применять легированные стали, например, 15Х5М.

Какие прокладки используются для разных исполнений уплотнительных поверхностей?

• Исполнение 1: Мягкие прокладки (паронит, резина, ПТФЭ).
• Исполнение 2 и 3 (шип-паз): Прокладки из того же материала, что и фланцы, или мягкие прокладки соответствующей формы.
• Исполнение 8 (RING JOINT): Металлические прокладочные кольца овального или восьмигранного сечения (из мягкой стали, нержавеющей стали или никелевых сплавов).

Как правильно хранить и транспортировать фланцы?

Фланцы должны храниться в закрытых складских помещениях, защищенных от атмосферных осадков. Запрещается сбрасывание изделий, складирование в штабеля высотой более 2 метров. Резьбу на шпильках и поверхности под прокладки необходимо защищать от механических повреждений и коррозии. При транспортировке должна быть исключена возможность ударов и смещения груза.