Фланцы воротниковые Ду 50: конструкция, стандарты, применение и монтаж

Фланец воротниковый (приварной встык) Ду 50 – это тип соединительной детали трубопроводной арматуры, предназначенный для надежного и герметичного соединения участков труб, запорной, регулирующей аппаратуры, сосудов и аппаратов. Условный проход (Ду) 50 мм соответствует наружному диаметру присоединяемой трубы приблизительно 57 мм (для стальных труб по ГОСТ 10704-91). Ключевая особенность воротникового фланца – наличие конической переходной части (воротника, юбки), которая обеспечивает оптимальное распределение механических напряжений и упрощает монтаж.

Конструктивные особенности и принцип действия

Фланец воротниковый состоит из двух основных элементов: собственно фланцевой пластины (диска) с отверстиями под шпильки или болты и конической горловины (воротника). Конструкция стандартизирована. Воротник имеет небольшой скос под углом, как правило, 30-45°, что позволяет приваривать его к трубе стыковым швом. Это принципиальное отличие от плоских фланцев, которые требуют двух сварных швов (с торца и по окружности). Стыковой шов обеспечивает более высокую прочность и надежность соединения, лучшую сопротивляемость вибрациям, изгибающим моментам и циклическим нагрузкам.

Геометрия воротника позволяет компенсировать разницу в толщине стенки фланца и трубы, обеспечивая плавный переход и снижая концентрацию напряжений в зоне сварки. Торец воротника обрабатывается под углом для формирования V-образной разделки кромки под сварку. На рабочей поверхности фланца выполняются уплотнительные поверхности (чаще всего исполнение «шип-паз», «выступ-впадина», фланец с соединительным выступом).

Область применения в энергетике и промышленности

Фланцы воротниковые Ду 50 широко применяются на критически важных участках трубопроводных систем, работающих в условиях высоких параметров среды. Их использование регламентируется отраслевыми нормами.

• Теплоэнергетика: Трубопроводы насыщенного и перегретого пара среднего и высокого давления (Pу от 2,5 до 24,0 МПа и выше), питательной воды, дренажные и сбросные линии. Соединения пароперегревателей, барабанов котлов, турбинного оборудования.
• Атомная энергетика: Вспомогательные трубопроводные системы первого и второго контура, где предъявляются повышенные требования к свариваемости, радиационной стойкости и контролю качества швов.
• Нефтегазовая и химическая промышленность: Магистрали и технологические трубопроводы, транспортирующие агрессивные, токсичные или взрывоопасные среды при высоких температурах и давлениях.
• Общепромышленное применение: На ответственных участках систем, где недопустимы утечки и где возможно воздействие знакопеременных нагрузок, тепловых расширений.

Нормативная документация и стандарты

Производство и применение фланцев воротниковых Ду 50 в РФ и странах СНГ регулируется рядом межгосударственных и национальных стандартов. Выбор стандарта определяет геометрию, параметры и материалы.

Основные стандарты на фланцы воротниковые Ду 50

Стандарт	Наименование	Диапазон давлений (Ру), МПа (кгс/см²)	Ключевые особенности
ГОСТ 33259-2015 (на замену ГОСТ 12821-80)	Фланцы стальные приварные встык. Технические условия.	0,1 (1) – 20,0 (200)	Основной действующий стандарт. Определяет типы исполнений уплотнительных поверхностей (плоская, выступ-впадина, шип-паз и др.), геометрические параметры, допуски, материалы.
ГОСТ 12821-80	Фланцы стальные приварные встык на Ру от 0,1 до 20,0 МПа (1-200 кгс/см²).	0,1 (1) – 20,0 (200)	Устаревший, но широко используемый в проектной документации. Фактически заменен ГОСТ 33259-2015.
ГОСТ 28765-90 (СТ СЭВ 4291-83)	Соединения фланцевые для трубопроводов. Давления номинальные.	Устанавливает ряды номинальных давлений.	Определяет понятия номинального давления (PN) и номинального диаметра (DN).
ASME B16.5 / ASME B16.47	Pipe Flanges and Flanged Fittings	До Class 2500	Международный стандарт (США). Используется на объектах, построенных по зарубежным нормам. Классы давления (Class) отличаются от российских Ру.

Материалы изготовления

Выбор марки стали для фланца Ду 50 определяется рабочими параметрами среды (давление, температура), ее химическим составом (коррозионная активность) и требованиями по свариваемости. Материалы регламентированы ГОСТ 33259-2015 и отраслевыми стандартами.

• Углеродистые стали обыкновенного качества: Ст3сп, Ст3пс – для неагрессивных сред (вода, пар) при температурах от -30 до +425°C, давлениях до 2,5 МПа.
• Качественные углеродистые стали: Сталь 20, 25 – наиболее распространенный выбор для трубопроводов пара и горячей воды в теплоэнергетике (t до 450°C).
• Низколегированные стали: 09Г2С, 13ХФА, 12Х1МФ – для повышенных параметров (высокие давление и температура), обладают улучшенными прочностными характеристиками и жаропрочностью. Например, сталь 12Х1МФ применяется для пара t до 560°C.
• Коррозионно-стойкие (нержавеющие) стали: 12Х18Н10Т, 10Х17Н13М2Т, 08Х18Н10 – для агрессивных сред (кислоты, щелочи, высокочистые среды в пищевой и фармацевтической промышленности).
• Легированные стали: 15Х5М – жаропрочная сталь для сероводородсодержащих сред и высоких температур.

Геометрические параметры и условные обозначения

Типовые размеры фланца воротникового Ду 50 по ГОСТ 33259-2015 для наиболее распространенных давлений приведены в таблице. Все размеры указаны в миллиметрах.

Основные размеры фланцев воротниковых Ду 50 (выборка)

Ру, МПа (кгс/см²)	D, мм	D1, мм	D2, мм	h, мм	S, мм	d, мм	Кол-во отверстий
1,0 (10)	165	130	110	18	3,5	18	4
2,5 (25)	165	130	110	20	3,5	18	4
6,3 (63)	180	140	121	24	4,0	23	8
10,0 (100)	195	150	133	28	4,0	23	8
16,0 (160)	215	160	149	32	5,0	23	8

Где: D – наружный диаметр фланца; D1 – диаметр окружности расположения отверстий под крепеж; D2 – диаметр уплотнительной поверхности; h – высота (толщина) фланца; S – расчетная толщина стенки воротника (трубы); d – диаметр отверстий под шпильки/болты.

Условное обозначение включает: наименование детали, тип исполнения уплотнительной поверхности (1-9), условный проход, условное давление, марку стали, обозначение стандарта. Пример: Фланец 1-50-16 ст. 09Г2С ГОСТ 33259-2015. Это фланец воротниковый с исполнением 1 (с соединительным выступом), Ду 50, Ру 16 МПа, из стали 09Г2С.

Технология монтажа и сварки

Качество монтажа фланцевого соединения напрямую влияет на его герметичность и долговечность. Монтаж включает подготовку, сборку, сварку и контроль.

• Подготовка: Проверка геометрии фланца и трубы, зачистка кромок от окалины, ржавчины, загрязнений. Контроль совпадения отверстий у парных фланцев (во избежание перекоса).
• Сборка и центрирование: Фланец надевается на трубу, обеспечивается соосность. Зазор между торцом воротника и торцом трубы должен быть равномерным по всей окружности (обычно 1.5-3 мм). Прихватка в 3-4 точках.
• Сварка: Выполняется стыковой сваркой (ручная дуговая, аргонодуговая, полуавтоматическая в среде защитных газов) по всей окружности. Для ответственных швов используется подварка корня шва. Критически важным является выбор сварочных материалов (электроды, проволока), соответствующих марке стали фланца и трубы. Для легированных сталей обязателен предварительный и сопутствующий подогрев, а также последующая термообработка (отпуск) для снятия остаточных напряжений.
• Контроль: Визуальный и измерительный контроль (ВИК), контроль проникающими веществами (ПВК/капиллярный), ультразвуковой (УЗК) или радиографический (РК) контроль сварного шва. Проверка перпендикулярности торца фланца оси трубы.
• Затяжка крепежа: Установка прокладки (паронит, фторопласт, металлическая овального или восьмигранного сечения). Крепеж (шпильки, гайки, болты) должен соответствовать давлению и температуре. Затяжка выполняется динамометрическим ключом крест-накрест по определенной схеме для обеспечения равномерного давления на прокладку.

Преимущества и недостатки по сравнению с другими типами фланцев

Преимущества:

• Высокая прочность и надежность соединения за счет стыкового сварного шва.
• Лучшее сопротивление усталостным нагрузкам, вибрациям и изгибающим моментам.
• Плавный переход от фланца к трубе снижает концентрацию напряжений.
• Удобство монтажа и центрирования перед сваркой.
• Возможность многократного разбора и сборки соединения (в отличие от приварных внакладку).
• Меньший вес по сравнению с свободными фланцами при тех же параметрах.

Недостатки:

• Более высокая стоимость по сравнению с плоскими фланцами.
• Более сложная технология сварки (требуется разделка кромок, для легированных сталей – термообработка).
• Жесткое требование к соосности трубы и фланца при монтаже.

Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)

Чем фланец воротниковый Ду 50 отличается от плоского приварного фланца?

Плоский фланец насаживается на трубу и приваривается двумя угловыми швами: с внутренней стороны по окружности трубы и с торца. Это создает высокую концентрацию напряжений и менее надежно при изгибе и вибрации. Воротниковый фланец приваривается одним стыковым швом, что обеспечивает более прочное и долговечное соединение, эквивалентное по прочности самой трубе. Поэтому воротниковые фланцы применяют при давлениях выше 2.5 МПа и на ответственных участках.

Как перевести российское условное давление Ру (МПа) в американский Class (ASME B16.5)?

Прямого пересчета не существует, так как системы стандартов основаны на разных принципах. Однако для ориентира можно использовать примерное соответствие: Ру 1.0 МПа ≈ Class 150; Ру 2.5 МПа ≈ Class 300; Ру 6.3 МПа ≈ Class 400; Ру 10.0 МПа ≈ Class 600; Ру 16.0 МПа ≈ Class 900. Для точного подбора аналога необходимо учитывать материалы и рабочую температуру.

Какая прокладка рекомендуется для фланцевого соединения Ду 50 на паре с давлением 4.0 МПа и температурой 440°C?

Для таких параметров рекомендуется использовать прокладки спирально-навитые (СНП) с наполнителем из графита или асбеста и уплотнительными кольцами из нержавеющей стали (например, 08Х18Н10). Также могут применяться металлические прокладки овального или восьмигранного сечения из мягких сталей (например, Ст20 или 08Х18Н10). Прокладки из паронита в данном случае не подходят из-за ограничения по температуре (для паронита обычно до 400-450°C с резким падением характеристик).

Обязательна ли термообработка сварного соединения фланца из стали 09Г2С?

Для стали 09Г2С (низколегированная) при толщине стенки свариваемых деталей до 20 мм и для неответственных узлов, работающих при температурах выше точки росы, термообработка (отпуск) может не требоваться. Однако для трубопроводов высокого давления (от 10 МПа и выше), а также при работе в условиях возможного возникновения хладноломкости, отпуск для снятия остаточных сварочных напряжений является обязательным. Требования должны быть четко прописаны в технологической карте на сварку (ТК).

Как правильно маркируется фланец, и что должно быть нанесено на его поверхность?

На наружной цилиндрической поверхности или на торце фланца должны быть нанесены клейма (маркировка) методом клеймения, электрогравировки или несмываемой краской. Маркировка включает: товарный знак или наименование изготовителя, условный проход (Ду 50), условное давление (Ру, МПа), марку стали, номер партии или плавки. Отсутствие маркировки или ее нечитаемость – повод для отбраковки детали.

Что такое «исполнение» уплотнительной поверхности фланца и какое выбрать для Ду 50?

Исполнение – это геометрия рабочей поверхности фланца, контактирующей с прокладкой. По ГОСТ 33259-2015 основных исполнений девять. Для Ду 50 наиболее распространены:

• Исполнение 1: С соединительным выступом. Наиболее универсальное, применяется с плоскими прокладками.
• Исполнение 2: С выступом. Аналог исполнения 1, но с иными размерами.
• Исполнение 3: С впадиной. Используется в паре с исполнением 4.
• Исполнение 4: С шипом. Образует соединение «шип-паз» с исполнением 3, что обеспечивает точную центровку и удержание мягкой прокладки.

Выбор исполнения строго регламентируется проектной документацией и должен быть одинаков для обоих фланцев в паре.