Фланцы воротниковые Ду 15
Фланцы воротниковые Ду 15: конструкция, стандарты, применение и монтаж
Фланец воротниковый (приварной встык) на условный проход (Ду) 15 мм представляет собой один из наиболее распространенных и критически важных элементов трубопроводной арматуры и соединений в энергетике, нефтегазовой и химической промышленности. Его основное назначение – создание разъемного, герметичного и прочного соединения участков труб, запорной, регулирующей арматуры, аппаратов и сосудов, работающих под давлением и при высоких температурах. Отличительной чертой воротникового фланца является наличие конической горловины (воротника), которая обеспечивает плавный переход от фланца к трубе, снижая концентрацию напряжений и повышая усталостную прочность соединения.
Конструктивные особенности и геометрия
Фланец воротниковый Ду 15 состоит из двух основных частей: собственно фланцевого диска и приварной шейки (воротника). Диск имеет стандартизированную геометрию с отверстиями под шпильки или болты. Воротник представляет собой участок с коническим переходом, который приваривается к трубе встык (стыковым швом). Это ключевое отличие от плоских фланцев, которые насаживаются на трубу и привариваются двумя угловыми швами. Конструкция воротника обеспечивает:
- Равномерное распределение механических напряжений от фланца к трубе.
- Повышенную стойкость к переменным нагрузкам, вибрациям и изгибающим моментам.
- Снижение турбулентности потока среды внутри трубопровода по сравнению с плоским фланцем.
- Возможность применения в трубопроводах высокого давления (Ру от 1,0 МПа до 20,0 МПа и выше).
- ГОСТ 33259-2015 (EN 1092-1): Современный межгосударственный стандарт, гармонизированный с европейскими нормами. Определяет фланцы стальные для трубопроводов и арматуры.
- ГОСТ 12821-80: Устаревший, но еще широко применяемый стандарт на фланцы стальные приварные встык на Ру от 0,1 до 20,0 МПа. Является базовым для понимания типоразмеров.
- ASME B16.5 / ASME B16.47: Американские стандарты, используемые на объектах, построенных по нормам ASME или для импортного оборудования (классы давления 150, 300, 600 и т.д.).
- Тип 1 (выступ-впадина): Один фланец имеет кольцевой выступ, второй – соответствующую впадину. Прокладка размещается во впадине, что защищает ее от сдвига и воздействием среды. Применяется для опасных сред.
- Тип 2 (шип-паз): Аналогичен типу 1, но с более выраженными элементами фиксации. Обеспечивает высокую герметичность.
- Тип 3 (под линзовую прокладку): Используется в высокоэнергетических трубопроводах ТЭС и АЭС (свыше 10 МПа, температура >450°C).
- Тип 4 (под прокладку овального сечения): Применяется в условиях сверхвысоких давлений.
- Тип 5 (гладкая): Самая простая поверхность. Используется с мягкими прокладками (паронит, фторопласт) при низких и средних давлениях.
- Тип 6 (под прокладку на металлической основе): Имеет фрезерованную канавку (спиральную или концентрическую) для установки металлических или металлографитовых прокладок. Наиболее распространенный тип для нефтегазовой и химической промышленности.
- Контрольно-измерительные трубопроводы (КИПиА): Подключение манометров, датчиков давления, расходомеров, импульсных линий к основному технологическому трубопроводу.
- Обвязка энергетических котлов и турбин: Соединения на линиях подачи топлива, маслосистемах, системах регулирования.
- Трубопроводы высокого давления: Гидравлические системы, линии продувки, импульсные линии в котельных установках.
- Химическая и нефтехимическая промышленность: Соединения на магистралях с агрессивными средами, где критически важна герметичность.
- Системы теплоснабжения: Узлы подключения оборудования на тепловых сетях.
- Подготовка кромок: Торец трубы и кромка воротника фланца должны быть подготовлены в соответствии с технологической картой (скошены под определенным углом, зачищены).
- Центровка и прихватка: Фланец и труба выставляются соосно. Важно обеспечить перпендикулярность плоскости фланца оси трубы. Допустимое отклонение регламентируется нормами. После центровки выполняется прихватка в 2-3 точках.
- Сварка корневого шва: Выполняется первый слой шва, обеспечивающий провар по всей толщине. Часто используется аргонодуговая сварка (TIG) для корня шва.
- Заполнение разделки и облицовочный шов: Последующие слои наносятся до полного заполнения разделки. Завершающий слой (облицовочный) должен иметь плавный переход к основному металлу.
- Контроль качества: Визуальный и измерительный контроль (ВИК), контроль проникающими веществами (ПВК), ультразвуковой контроль (УЗК) или радиографический контроль (РК) в соответствии с требованиями технического регламента на объекте.
Технические стандарты и основные параметры
Производство и поставка фланцев воротниковых Ду 15 регламентируется рядом межгосударственных и отраслевых стандартов. Выбор стандарта определяет геометрические размеры, типы уплотнительных поверхностей, материалы и рабочие параметры.
Основные стандарты:
Ключевые параметры для фланца Ду 15:
Согласно ГОСТ 12821-80 и ГОСТ 33259-2015, основные параметры для фланца Ду 15 (номинальный диаметр DN 15) в зависимости от условного давления (PN) приведены в таблице.
| Условное давление, Ру (МПа) | Наружный диаметр фланца, D (мм) | Диаметр болтовой окружности, Dб (мм) | Количество и диаметр отверстий под болты/шпильки | Диаметр уплотнения, Dу (мм) | Толщина фланца, h (мм) |
|---|---|---|---|---|---|
| 1.0 (10 кгс/см²) | 95 | 65 | 4 x M12 | 44 | 12 |
| 1.6 (16 кгс/см²) | 95 | 65 | 4 x M12 | 44 | 14 |
| 2.5 (25 кгс/см²) | 95 | 65 | 4 x M12 | 44 | 16 |
| 4.0 (40 кгс/см²) | 95 | 65 | 4 x M12 | 44 | 18 |
| 6.3 (63 кгс/см²) | 105 | 75 | 4 x M16 | 44 | 20 |
| 10.0 (100 кгс/см²) | 115 | 85 | 4 x M16 | 51 | 22 |
| 16.0 (160 кгс/см²) | 135 | 100 | 4 x M20 | 51 | 28 |
| 20.0 (200 кгс/см²) | 145 | 110 | 4 x M20 | 51 | 32 |
Типы уплотнительных поверхностей
Для обеспечения герметичности стыка между двумя фланцами используются прокладки, форма и материал которых должны соответствовать типу уплотнительной поверхности фланца. Для Ду 15 актуальны все основные типы:
Материалы изготовления
Выбор марки стали для фланца Ду 15 определяется параметрами рабочей среды (давление, температура, агрессивность) и регламентируется стандартами.
| Материал (марка стали) | Обозначение по ГОСТ 33259 | Пределы рабочих температур, °C | Основные области применения |
|---|---|---|---|
| Углеродистая сталь обыкновенного качества (Ст3сп) | 1.0038 / RSt37-2 | -40 до +300 | Водопровод, пар низкого давления, нейтральные среды. |
| Качественная углеродистая сталь (20, 25) | 1.0402 / C22.8 | -40 до +400 | Трубопроводы общего назначения, пар средних параметров. |
| Легированная сталь (09Г2С) | 1.0481 / P355GH | -70 до +450 | Трубопроводы в северном исполнении, ответственные конструкции. |
| Жаропрочная легированная сталь (15Х5М, 12Х18Н9Т) | 1.7357 / 13CrMo4-5; 1.4541 / X6CrNiTi18-10 | до +600 (для 15Х5М); до +600 (для 12Х18Н9Т) | Трубопроводы высоких параметров (перегретый пар), агрессивные среды (кислоты, щелочи). |
Области применения в энергетике и промышленности
Фланцы воротниковые Ду 15 находят применение в системах с малым условным проходом, но высокими требованиями к надежности:
Монтаж и контроль качества сварных соединений
Монтаж фланца воротникового Ду 15 осуществляется стыковой сваркой. Это ответственная операция, требующая квалификации сварщика и соблюдения технологии.
Основные этапы монтажа:
После сварки необходимо проверить параллельность устанавливаемых фланцевых пар и отсутствие перекоса.
Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)
В чем принципиальное отличие воротникового фланца от плоского?
Плоский фланец насаживается на трубу и приваривается двумя угловыми швами (с внутренней и внешней стороны). Воротниковый фланец приваривается встык одним стыковым швом. Это обеспечивает более высокую механическую прочность, стойкость к изгибу и вибрации, а также лучшие гидродинамические характеристики соединения.
Как правильно обозначить фланец воротниковый Ду 15 в технической документации?
Согласно ГОСТ, обозначение должно включать: тип фланца, условный проход, условное давление, тип уплотнительной поверхности, марку материала и стандарт. Пример: Фланец 1-15-100 ст. 20 ГОСТ 33259-2015, где: 1 – исполнение (тип поверхности «шип-паз»), 15 – Ду, 100 – Ру (10 МПа), ст.20 – марка стали.
Какая прокладка рекомендуется для фланцевого соединения Ду 15 на паре с давлением 2.5 МПа и температурой 225°C?
Для данных параметров оптимальным выбором будет паронитовая прокладка общего назначения (ПОН) или усиленная (ПУ). Для типа поверхности «шип-паз» или «выступ-впадина» прокладка должна соответствовать их геометрии. При температуре выше 450°C применяются металлические (стальные) или металлографитовые прокладки.
Можно ли использовать фланец, рассчитанный на Ру 2.5 МПа, для работы при давлении 6.0 МПа?
Категорически нет. Рабочее давление фланцевого соединения определяется не только прочностью самого фланца, но и характеристиками болтов, прокладки, а также качеством сварного шва. Использование фланца с меньшим, чем требуется, номинальным давлением приведет к разгерметизации или разрушению соединения.
Как правильно подобрать крепеж (шпильки, гайки) для фланцевого соединения Ду 15 PN 16?
Крепеж должен соответствовать давлению, температуре и материалу фланцев. Для PN 16 (16 МПа) по ГОСТ 12821-80 для фланца Ду 15 требуется 4 шпильки М20. Материал крепежа (например, сталь 35Х или 25Х1МФ) должен иметь прочностные характеристики, обеспечивающие создание необходимого усилия обтяжки без саморазрушения. Гайки обычно подбираются в пару к шпилькам.
Каковы основные дефекты, выявляемые при контроле сварного шва фланца?
Основные дефекты: непровар корня шва, поры и шлаковые включения, подрезы, смещение кромок (несоосность), трещины (горячие и холодные). Все эти дефекты снижают прочность соединения и недопустимы в ответственных трубопроводах.
Заключение
Фланец воротниковый Ду 15, несмотря на малый размер, является высокоответственным элементом трубопроводных систем в энергетике. Его правильный выбор по стандарту, материалу, типу уплотнения и давлению, а также качественный монтаж и контроль сварного соединения являются обязательными условиями для обеспечения надежности и безопасности всего технологического комплекса. Профессиональный подход к проектированию, закупке и монтажу фланцевых соединений позволяет минимизировать риски аварийных ситуаций и продлить срок безаварийной эксплуатации оборудования.