Фланцы воротниковые Ду 100: технические характеристики, стандарты и применение

Фланец воротниковый (приварной встык) Ду 100 представляет собой стальное кольцо с конусной шейкой (воротником), предназначенное для соединения трубопроводной арматуры, оборудования и участков труб. Его ключевая конструктивная особенность – наличие конического переходного участка (шейки), который приваривается к трубе встык. Данный тип фланца является одним из наиболее распространенных и надежных в энергетике, нефтехимической промышленности и на объектах с высокими параметрами рабочей среды.

Конструктивные особенности и преимущества

Конструкция воротникового фланца включает: плоский диск с отверстиями под шпильки/болты; центральное отверстие, соответствующее условному проходу (Ду); и коническую шейку, плавно переходящую в диск. Угол наклона шейки и радиус перехода строго регламентированы стандартами, что обеспечивает оптимальное распределение механических напряжений.

Основные преимущества фланцев воротниковых Ду 100:

• Высокая прочность и надежность: Плавный переход от шейки к диску минимизирует концентрацию напряжений, что делает соединение устойчивым к знакопеременным нагрузкам, вибрациям и изгибающим моментам.
• Снижение турбулентности потока: Конструкция шейки обеспечивает плавное изменение сечения, что уменьшает гидравлическое сопротивление и эрозию внутренней поверхности.
• Удобство монтажа: При монтаже фланец сначала насаживается на трубу, затем производится стыковой сварной шов между торцом шейки и трубой. Это обеспечивает простоту центровки и высокое качество сварного соединения.
• Многоразовость: Фланцевое соединение может быть разобрано и собрано повторно, что удобно для обслуживания и ремонта участка трубопровода.

Основные стандарты и типы исполнения поверхностей

Воротниковые фланцы Ду 100 изготавливаются согласно различным стандартам, выбор которых зависит от проекта, страны и отрасли.

Таблица 1. Основные стандарты на фланцы воротниковые Ду 100

Стандарт	Обозначение	Ключевые параметры	Область применения
ГОСТ 33259-2015 (на замену ГОСТ 12821-80)	Фланец 1-100-16с (1 – исполнение, 100 – Ду, 16 – Ру в кгс/см²)	Условное давление: 1,0; 1,6; 2,5; 4,0; 6,3; 10,0; 16,0; 20,0; 25,0 МПа (кгс/см²). Исполнения 1-9 по типу уплотнительной поверхности.	Страны СНГ, объекты ТЭК, магистральные трубопроводы.
EN 1092-1 (европейский)	PN16 DN100 Type 11	Номинальное давление: PN6, PN10, PN16, PN25, PN40, PN63, PN100, PN160, PN250, PN320, PN400. Тип 11 – фланец с конической шейкой.	Европейские проекты, объекты в РФ, построенные по евростандартам.
ASME/ANSI B16.5 (американский)	Weld Neck Flange 4″ Class 150	Номинальный диаметр в дюймах (4″ ≈ Ду100). Классы давления: 150, 300, 600, 900, 1500, 2500. Материальные группы (ASTM).	Объекты нефтегазовой отрасли, построенные по американским стандартам, импортное оборудование.

Типы уплотнительных поверхностей (исполнений по ГОСТ)

• Исполнение 1: С соединительным выступом. Наиболее распространено для Ру от 1,6 до 20,0 МПа.
• Исполнение 2: С выступом под линзовую прокладку.
• Исполнение 3: С шипом под фторопластовую прокладку.
• Исполнение 4: С пазом под фторопластовую прокладку.
• Исполнение 5: Под прокладку овального сечения. Применяется для высоких давлений (от 6,3 МПа).
• Исполнение 6-9: Под металлические прокладки (шип-паз, паз-шип и др.) для систем с высокими температурами и давлениями.

Материалы изготовления и выбор марки стали

Выбор материала фланца определяется параметрами рабочей среды (давление, температура, агрессивность), а также требованиями стандарта. Основные марки сталей:

Таблица 2. Распространенные марки сталей для фланцев Ду 100

Марка стали (ГОСТ, ASTM)	Категория	Рабочая температура, °C	Основные области применения
Ст20, 20пс (ASTM A105)	Углеродистая сталь общего назначения	От -40 до +475	Водяные, паровые, воздушные трубопроводы низкого и среднего давления.
09Г2С (ASTM A350 LF2)	Низколегированная конструкционная сталь	От -70 до +475	Трубопроводы, работающие при низких температурах (северное исполнение).
12Х18Н10Т (ASTM A182 F321/F304)	Аустенитная коррозионно-стойкая сталь	До +600	Агрессивные среды: кислоты, щелочи, пищевая промышленность.
15Х5М (ASTM A182 F5, F5a)	Жаропрочная легированная сталь	До +650	Трубопроводы перегретого пара, нефтеперерабатывающие установки (печные линии).
10Г2ФБЮ (ASTM A694 F65)	Высокопрочная низколегированная сталь	От -40 до +475	Магистральные газо- и нефтепроводы высокого давления.

Геометрические параметры и масса

Для фланца Ду 100 по ГОСТ 33259-2015 на Ру 1,6 МПа (16 кгс/см²) основные размеры следующие:

• Условный проход (Ду): 100 мм
• Наружный диаметр фланца (D): 215 мм
• Диаметр окружности болтов (D1): 180 мм
• Количество и диаметр отверстий под болты: 8 отверстий диаметром 18 мм
• Диаметр болтовой окружности (D6): 148 мм (для исполнения 1)
• Толщина фланца (h): 20 мм
• Высота шейки (H): 56 мм
• Масса (приблизительная): ~3,5 кг (зависит от исполнения и допусков)

Важно: При переходе между стандартами (например, ГОСТ и ASME) необходимо учитывать полное несоответствие геометрических параметров и давлений, даже при схожем условном проходе. Фланец 4″ Class 150 не является полным аналогом фланца Ду 100 Ру 1,6 МПа.

Технология монтажа и сварки

Монтаж воротникового фланца осуществляется стыковой сваркой. Процесс регламентируется документами РД, СНиП и включает:

1. Подготовку: Зачистка торца трубы и внутренней поверхности шейки фланца от загрязнений, окалины, масла.
2. Центровку и прихватку: Фланец надевается на трубу. Обеспечивается соосность. Выполняется 2-3 прихватки.
3. Сварку: Выполняется стыковой шов по всему периметру соединения шейки фланца и трубы. Для ответственных объектов применяется аргонодуговая сварка (TIG) корневого шва с последующей дуговой сваркой (MMA) облицовочных слоев.
4. Контроль качества: Визуальный и измерительный контроль, неразрушающий контроль (НК) – ультразвуковой или радиографический – для выявления внутренних дефектов шва.

Критически важно, чтобы после сварки внутренний диаметр шейки фланца и внутренний диаметр трубы совпадали, не создавая заусенцев, вызывающих турбулентность и эрозию.

Области применения в энергетике и смежных отраслях

• Тепловая энергетика: Соединения на трубопроводах питательной воды, пара высокого и среднего давления, конденсата. Применяются фланцы из сталей 15Х5М, 12Х18Н10Т.
• Атомная энергетика: Вспомогательные трубопроводные системы. Требования к материалам, изготовлению и контролю максимально строгие (нормы НАЭК).
• Нефтегазовая промышленность: Магистральные и промысловые трубопроводы, обвязка насосных и компрессорных станций, технологические установки. Преобладают фланцы по ASME B16.5 и ГОСТ из сталей 09Г2С, 10Г2ФБЮ, A694.
• Химическая промышленность: Трубопроводы агрессивных сред. Используются фланцы из нержавеющих сталей с исполнениями уплотнительных поверхностей под специальные прокладки.

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 высокую концентрацию напряжений и менее надежно при изгибающих нагрузках. Воротниковый фланец, привариваемый встык одним швом, обеспечивает плавный переход напряжений и повышенную усталостную прочность, что критически важно для динамически нагруженных трубопроводов.

Как правильно расшифровать обозначение «Фланец 1-100-16с ст.09Г2С»?

• 1: Исполнение уплотнительной поверхности (с соединительным выступом).
• 100: Условный проход (Ду) в миллиметрах.
• 16: Условное давление (Ру) в кгс/см² (≈1,6 МПа).
• с: Способ изготовления – стальной, цельноштампованный.
• ст.09Г2С: Марка стали – низколегированная конструкционная.

Можно ли стыковать фланцы по ГОСТ и по ASME?

Прямое соединение фланцев разных стандартов, как правило, невозможно из-за различий в геометрии (диаметр и количество отверстий под болты, диаметры расточки, толщина), а также в системах классификации давления. Для такого соединения необходим специальный переходной фланец (адаптер) или применение глухой фланцевой заглушки с разными стандартами на сторонах.

Как выбрать уплотнение для фланцевого соединения Ду 100?

Выбор прокладки зависит от исполнения уплотнительной поверхности фланца и параметров среды:

• Для исполнения 1: Паронитовая прокладка ПОН, ПМБ, металлографитовые спирально-навитые прокладки (СНП).
• Для исполнения 5: Прокладка овального или восьмигранного сечения из мягкой стали, легированной стали.
• Для агрессивных сред: Фторопластовые (FEP, PTFE) прокладки, прокладки из терморасширенного графита.

Каков порядок затяжки болтов фланцевого соединения?

Затяжка должна производиться динамометрическим ключом по определенной схеме (крест-накрест) в несколько этапов (например, 30%, 60%, 100% от расчетного момента затяжки). Это обеспечивает равномерное прилегание прокладки и предотвращает перекос. Момент затяжки рассчитывается исходя из параметров прокладки, давления и типа болтов.

Какие виды контроля обязательны для фланцев на ответственных объектах?

Помимо входного контроля сертификатов и маркировки, проводятся:

• Ультразвуковой контроль (УЗК) для выявления внутренних дефектов в металле фланца.
• Контроль твердости (по Бринеллю или Роквеллу) на соответствие марке стали.
• Контроль макро- и микроструктуры металла.
• Измерение всех геометрических параметров, включая шероховатость уплотнительной поверхности.

Заключение

Фланец воротниковый Ду 100 является критически важным элементом любого трубопровода высокого давления. Его правильный выбор по стандарту, материалу, исполнению и давлению определяет надежность, долговечность и безопасность всей системы. Монтаж и обслуживание таких соединений требуют строгого соблюдения технологических регламентов и норм контроля. Понимание нюансов конструкции, стандартизации и применения позволяет специалистам энергетической и нефтегазовой отраслей принимать обоснованные технические решения и обеспечивать безаварийную работу объектов.