Фланцы стальные воротниковые Ду 150: технические характеристики, стандарты и применение

Фланец стальной воротниковый (приварной встык) на условный проход (Ду) 150 мм является одним из наиболее востребованных типов соединительных деталей трубопроводов в энергетике, нефтегазовой и химической промышленности. Его основное назначение – создание разъемного, но при этом высокопрочного и герметичного соединения участков труб, арматуры, аппаратов и резервуаров, работающих под высоким давлением и при повышенных температурах. Конструктивной особенностью является наличие конической втулки (воротника), которая плавно переходит в тарелку фланца. Эта втулка приваривается встык к торцу трубы, что обеспечивает оптимальное распределение механических напряжений и повышенную усталостную прочность соединения по сравнению с плоскими фланцами.

Конструкция и принцип действия

Фланец воротниковый Ду 150 состоит из двух основных элементов: тарелки (диска) с отверстиями под шпильки или болты и конической горловины (воротника). Критически важным параметром является угол сопряжения воротника с тарелкой, который соответствует углу скоса торца трубы при подготовке под сварку. Монтаж осуществляется путем стыковой сварки воротника к трубе, при этом сварной шов выполняется как по торцу воротника, так и по его внутренней кромке у основания. Такая двухсторонняя сварка (или односторонняя с подваркой корня шва) обеспечивает монолитность соединения и высокую стойкость к изгибающим моментам и вибрационным нагрузкам. После монтажа фланцев на соседних участках трубопровода их тарелки стягиваются болтами или шпильками с установкой уплотнительной прокладки в центральное отверстие (проход) для обеспечения герметичности.

Основные технические параметры и стандарты

Ключевые характеристики фланца определяются его условным проходом (Ду/DN), условным давлением (Ру/PN) и исполнением уплотнительной поверхности. Для Ду 150 наиболее распространенными рядами давлений являются Ру 10, 16, 25, 40, 63, 100, 160 кгс/см² (или PN 10, 16, 25, 40, 63, 100, 160 бар). Геометрические размеры, масса и допуски строго регламентируются следующими стандартами:

• ГОСТ 33259-2015 (на замену ГОСТ 12821-80): Основной действующий межгосударственный стандарт на фланцы стальные приварные встык. Определяет типы, конструкцию, размеры, технические требования для условных давлений от Ру 1 до Ру 250.
• ГОСТ 12815-80: Устанавливает типы исполнений уплотнительных поверхностей фланцев (от 1 до 9). Для воротниковых фланцев Ду 150 наиболее характерны Исполнение 1 (выступ-впадина) и Исполнение 2 (шип-паз) для повышенных давлений, а также Исполнение 3 (под линзовую прокладку) и Исполнение 4 (под прокладку овального сечения) для особо ответственных соединений в энергетике.
• ASME/ANSI B16.5: Международный стандарт, распространенный в нефтегазовой отрасли. Соответствующий типоразмер – Class 150, 300, 600 и т.д. (номинальный диаметр NPS 6 дюймов).

Таблица 1. Основные размеры фланцев воротниковых стальных Ду 150 по ГОСТ 33259-2015 (выборочно для Ру 16 и Ру 40)

Параметр	Обозначение	Ру 16	Ру 40	Примечание
Условный проход	Dу	150	150	мм
Наружный диаметр фланца	D	285	310	мм
Диаметр окружности болтов	Dб	240	265	мм
Наружный диаметр трубы	Dн. (d)	159	159	мм (для трубы 159х4,5)
Количество отверстий	n	8	8	шт.
Диаметр отверстий под болты	dб	23	27	мм
Толщина тарелки	b	24	28	мм
Высота воротника	h	56	62	мм
Масса (примерная)	m	~7.5	~10.2	кг

Материалы изготовления и выбор марки стали

Выбор марки стали для фланца Ду 150 определяется параметрами рабочей среды (давление, температура, агрессивность) и регламентируется стандартами. Основные группы материалов:

• Углеродистые стали обыкновенного качества: Ст20, Ст3сп5. Применяются для трубопроводов с неагрессивными средами (вода, пар, воздух, азот) при температурах от -40 до +475 °C.
• Легированные стали: 09Г2С (для низких температур до -70°C), 13ХФА, 15ХМ. Используются в энергетике для паропроводов высокого давления и перегретого пара (до 550-590 °C).
• Коррозионно-стойкие (нержавеющие) стали: 12Х18Н10Т, 10Х17Н13М2Т, 08Х18Н10Т. Применяются в химической, нефтехимической и пищевой промышленности для работы с агрессивными средами (кислоты, щелочи).

Области применения в энергетике и смежных отраслях

Воротниковые фланцы Ду 150 находят применение на критически важных участках:

• Теплоэнергетика: Соединения паропроводов среднего и высокого давления, питательных трубопроводов котлов, линий редуцирования и охлаждения пара. Рабочие параметры: давление до 160 кгс/см², температура до 570°C.
• Атомная энергетика: Вспомогательные трубопроводные системы, не относящиеся к первому контуру, где требования к герметичности и надежности крайне высоки.
• Нефтегазовая промышленность: Магистральные и промысловые трубопроводы для транспортировки нефти, газа, продуктов переработки. Широко используются фланцы по стандарту ASME B16.5 Class 300, 600.
• Химическая промышленность: Технологические линии с агрессивными средами, где применяются фланцы из нержавеющих сталей с исполнением уплотнительной поверхности под фторопластовые или графитовые прокладки.

Монтаж, эксплуатация и контроль качества

Качество монтажа напрямую влияет на надежность фланцевого соединения. Основные этапы:

1. Подготовка: Проверка геометрии фланца и состояния уплотнительных поверхностей (отсутствие задиров, раковин). Подготовка торца трубы (скос под сварку).
2. Сборка и прихватка: Центрирование фланца на трубе с обеспечением перпендикулярности. Прихватка в нескольких точках.
3. Сварка: Выполнение основного стыкового шва квалифицированным сварщиком по утвержденной технологии (РД, СП). Для ответственных объектов обязателен визуальный и измерительный контроль (ВИК), ультразвуковой (УЗК) или радиографический контроль (РК) сварного шва.
4. Сборка соединения: Установка прокладки (паронит, фторопласт, спирально-навитая, металлическая овального сечения). Затяжка болтов/шпилек динамометрическим ключом в определенной последовательности (крест-накрест) для обеспечения равномерного давления на прокладку.

В процессе эксплуатации обязателен периодический контроль затяжки болтовых соединений, особенно после циклов прогрева-остывания.

Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)

Чем воротниковый фланец принципиально отличается от плоского приварного?

Плоский фланец насаживается на трубу и приваривается двумя угловыми швами (со стороны прохода и по периметру ступицы). Такое соединение хуже сопротивляется изгибу и вибрации. Воротниковый фланец, привариваемый встык одним стыковым швом, создает плавный переход напряжений от трубы к фланцу, что значительно повышает усталостную прочность и делает соединение равнопрочным с трубой. Он предназначен для более высоких давлений и температур.

Как правильно расшифровать маркировку «Фланец 150-16 ст. 09Г2С ГОСТ 33259-80»?

• 150: Условный проход (Ду) 150 мм.
• 16: Условное давление (Ру) 16 кгс/см².
• ст. 09Г2С: Марка стали – низколегированная конструкционная сталь для работы при низких температурах.
• ГОСТ 33259-80: Стандарт на изготовление (ныне заменен на ГОСТ 33259-2015, но изделия по старому стандарту находятся в эксплуатации).

Какое уплотнение (прокладку) следует выбирать для фланца Ду 150 Ру 40 на паропроводе с температурой 450°C?

Для таких параметров рекомендованы металлические прокладки овального или восьмигранного сечения (исполнение 4 по ГОСТ 12815-80) из мягких сталей (например, 08кп) или спирально-навитые прокладки (СНП) с наполнителем из графита и упрочняющими вставками из нержавеющей стали. Прокладки из паронита в данном случае не подходят из-за ограничения по температуре (до 450°C для ПОН-Б, но с запасом обычно не применяют выше 400-420°C).

Как перевести Ду 150 в дюймы и стандарт ASME?

Условный проход Ду 150 приблизительно соответствует наружному диаметру трубы 6 дюймов (NPS 6). Точное соответствие: NPS 6 (Nominal Pipe Size) = DN 150. Фланец по ASME B16.5 NPS 6 Class 300 будет иметь близкие, но не идентичные геометрические размеры (диаметр окружности болтов, количество отверстий) к фланцу Ру 40 по ГОСТ. Прямая взаимозаменяемость без проверки по таблицам размеров недопустима.

Каковы основные дефекты фланцевых соединений и как их избежать?

• Течь через прокладку: Причина – неравномерная или недостаточная затяжка болтов, повреждение уплотнительной поверхности, неправильный выбор типа прокладки. Мера предотвращения – использование динамометрического инструмента и контроль по технологии.
• Трещины в зоне сварного шва: Причина – нарушение технологии сварки, остаточные напряжения, неправильная подготовка кромок. Мера – строгий контроль качества сварки (НК).
• Расслоение материала фланца (ламинары): Внутренний дефект литья или проката. Мера – входной контроль заготовок, ультразвуковой контроль (УЗК) тела фланца перед монтажом для ответственных объектов.

Заключение

Фланец стальной воротниковый Ду 150 представляет собой высоконадежный тип соединения для ответственных трубопроводных систем. Его правильный выбор, основанный на анализе рабочих параметров (P, T, среда), стандартов (ГОСТ, ASME), материалов и качества изготовления, является критически важной задачей для инженеров-проектировщиков и монтажников. Соблюдение технологий монтажа, сварки и затяжки, а также проведение планового контроля в процессе эксплуатации гарантируют долговечность и безопасность всего трубопровода в условиях постоянных термических и механических нагрузок, характерных для энергетического комплекса.