Фланцевое соединение арматуры

При ФЛАНЦЕВОМ СОЕДИНЕНИИ фланец корпуса арматуры и соответствующий фланец трубопровода (его называют ответным), между которыми установлена прокладка, стягиваются друг с другом при помощи крепежа – болтов или шпилек с гайками. Усилие затяжки должно быть достаточным для того, чтобы обжать прокладку и создать на контактных поверхностях фланцев удельные давления, необходимые для обеспечения герметичности соединения по отношению к внешней среде.

Конструкция фланца представляет собой, как правило, круглую пластину, в центре которой имеется отверстие с диаметром, близким к DN для прохода среды, а на периферии – отверстия для болтов или шпилек.

На кольцевой площадке между центральным отверстием и отверстиями для крепежа оформляется уплотнительная поверхность, конструкция и размеры которой зависят от типа применяемой прокладки, а также от PN и DN арматуры.

Фланцы, стягиваемые четырьмя болтами или шпильками, на давление не выше 4 МПа могут выполняться квадратными с такими же размерами уплотнительных поверхностей (и, кстати, с такой же прочностью), как и для круглых фланцев.

Описанная конструкция (при правильном её монтаже) создает на обеих присоединительных концах корпуса арматуры прочное и надёжное соединение её с трубопроводом. Арматуру, присоединяемую к трубопроводу при помощи фланцев, называют ФЛАНЦЕВОЙ АРМАТУРОЙ.

Здесь следует заметить, что существуют некоторые конструктивные исполнения шаровых кранов, обратных и дисковых затворов, которые устанавливаются между фланцами трубопровода, хотя сами фланцев для присоединения не имеют.

На торцах корпуса такой арматуры оформляются уплотнительные поверхности для установки прокладок. Корпус вместе с прокладками зажимается двумя фланцами трубопровода при помощи длинных шпилек с гайками, которые располагаются вокруг корпуса арматуры. Такую арматуру называют БЕСФЛАНЦЕВОЙ, СТЯЖНОЙ ИЛИ «ВАФЕЛЬНОЙ».

Она дает существенную экономию металла при изготовлении корпусов. Но это возможно лишь при малых габаритных размерах вдоль оси трубопровода и соответствующей конструкции корпуса, близкой по форме к телу вращения.

Фланцы арматуры имеют несколько различных конструктивных исполнений уплотнительных поверхностей. Это связано с различными видами применяемых прокладок и с различными конструкциями соединений фланца арматуры с ответным фланцем. Для обеспечения герметичности фланцевого соединения арматура – трубопровод применяются прокладки плоские и фасонного сечения. Плоская прокладка представляет собой кольцо, как правило, вырезанное из листового уплотнительного материала (паронит, фторопласт, картон и др.).

В некоторых случаях применяются также прокладки асбометаллические, в которых мягкая сердцевина помещена в металлическую оболочку.

К прокладкам фасонного сечения относят прокладки из металла ОВАЛЬНЫЕ (сечение в виде овала) и ЛИНЗОВЫЕ (сечение чечевидной формы). Контакт таких прокладок с уплотнительными поверхностями фланцев осуществляется по очень узкому кольцу, что позволяет создать большие удельные давления для обеспечения надежной герметичности соединения. Поэтому такие прокладки при высоких давлениях заслуживают предпочтение по сравнению с прокладками плоскими.

Самые простые по конструкции и изготовлению фланцы – с плоской (без специальной выточки) привалочной поверхностью (её часто называют «зеркало»). Плоская прокладка устанавливается между поверхностями фланцев, образуя так называемое незащищенное соединение. Такое фланцевое соединение применяют обычно при давлениях не более 2,5 МПа.

В арматуре, внутренние поверхности которой имеют защитное покрытие – футеровку из резины, фторопласта, полиэтилена (кроме эмали!), футеровка заходит и на уплотнительные поверхности фланцев, выполняя роль прокладок.

Для арматуры холодильных установок (рабочая среда – аммиак, хладоны с PN 2,5 МПа) и другой арматуры при давлениях от 4 МПа и выше предпочтительнее ФЛАНЦЕВОЕ СОЕДИНЕНИЕ ЗАЩИЩЕННОГО ТИПА.

Во фланце арматуры вокруг проходного отверстия выполняется выточка, а во фланце трубопровода – соответствующий выступ. Такое соединение называется «ВЫСТУП – ВПАДИНА» (или, как говорят монтажники, «папа-мама»). Прокладка помещается в выточке – впадине и после прижатия выступом оказывается защищенной от выдавливания замком по внешней стороне. В таком соединении могут использоваться прокладки не только из листового материала, но и металлические с мягким наполнителем.

Заметим, что иногда выступ делается на фланце арматуры, а впадина на фланце трубопровода. Это допускается стандартом и на характер соединения не влияет.

Для условий эксплуатации с более ответственными требованиями применяют соединения, где на фланце арматуры имеется кольцевой паз, а на ответном фланце – соответствующий кольцевой выступ (шип). Такое соединение называют «ШИП-ПАЗ». Прокладка укладывается в паз, зажимается шипом и оказывается защищенной замком как по внешней, так и по внутренней сторонам. Такой тип соединения позволяет, использовать также прокладки из фторопласта.

Для высоких давлений (начиная от 6,3 МПа) находят применение фланцевые соединения, в которых устанавливаются металлические ПРОКЛАДКИ ЛИНЗОВЫЕ («линзы») или ПРОКЛАДКИ ОВАЛЬНОГО СЕЧЕНИЯ. При этом под линзовую прокладку на кромке выходного отверстия фланца делается конус, а под прокладку овального сечения – кольцевая канавка соответствующего профиля.

Когда мы говорим о фланцах арматуры, то имеется ввиду, что здесь бывают разные конструктивные решения.

В большинстве случаев фланцы делаются заодно с корпусом при помощи литья или сварки. В то же время применяются фланцы, которые изготавливаются как отдельные самостоятельные детали, и соединяются с корпусом арматуры на резьбе или с помощью проволочного кольца.

Первые – резьбовые фланцы используются в стальной арматуре при высоких давлениях и небольших диаметрах проходов. Во втором случае – съемные фланцы с креплением проволочным кольцом применяются при относительно невысоких давлениях. Решения эти технологически и экономически эффективны в производстве, что и определяет их достаточно широкое применение в конструкциях арматуры.

Для всех этих вариантов фланцев остаются в силе описанные ранее исполнения уплотнительных поверхностей и характеристики прокладочных соединений.

Что касается крепежных деталей для фланцевых соединений, то здесь можно ограничиться замечанием о том, что на давление до 2,5 МПа включительно можно применять болты или шпильки с гайками, а на давления 4 МПа и более для обеспечения прочности соединения – только шпильки с гайками.

В связи с тем, что в соединении арматуры с трубопроводом участвуют фланцы, принадлежащие арматуре и фланцы трубопровода, правомерна постановка вопроса: как обеспечивается стыковка всех элементов конструкции и размеров во фланцевых соединениях? Ответ на этот чрезвычайно важный вопрос можно найти в ГОСТ 12815-80.

Этим стандартом устанавливаются присоединительные размеры и размеры уплотнительных поверхностей для фланцев арматуры и трубопроводов в зависимости от PN и DN. Размеры установлены для каждого номинального (условного) давления в пределах от 0,1 до 20 МПа (от 1 до 200 кгс/см²) и условных (номинальных) диаметров от 15 до 3 000.

К присоединительным размерам отнесены размер наружного диаметра фланца, диаметр окружности, на которой расположены центры отверстий под крепеж, их количество и диаметр. Стандартизация этих размеров обеспечивает полное их совпадение на фланцах арматуры и трубопровода и возможность их соединения без каких бы то ни было дополнительных операций по подгонке.

Стандартом предусмотрены девять исполнений уплотнительных поверхностей, приведенных в табл. 1.

Для каждого из приведенных ниже исполнений установлены размеры следующих элементов фланцев, контактирующих с прокладкой:

1 – наружный диаметр «зеркала» и высота соединительного выступа;

2 – наружный диаметр и высота выступа;

3 – наружный диаметр и глубина впадины;

4, 8 – наружный и внутренний диаметры и высота шипа;

5, 9 – наружный и внутренний диаметры и глубина паза;

6 – наружный диаметр и угол (20° 30) конуса под линзовую прокладку;

7 – размеры канавки под прокладку овального сечения.

Стандартизация этих размеров позволяет осуществить качественный монтаж фланцев любого из исполнений с обеспечением надежной герметичности прокладочного соединения.

Таблица 1

Исполнения уплотнительных фланцев по ГОСТ 12815-80

Исполнение 1 – наиболее часто встречаемое у фланцевой арматуры. Его наименование – с соединительным выступом – отражает, что плоская поверхность (зеркало), на которую кладётся прокладка, несколько выступает над поверхностью, где расположены отверстия под крепеж. Такая конструкция технологически обеспечивает четкое оформление в заданных размерах уплотнительной поверхности фланца.

Стандартом допускается изготавливать фланцы с уплотнительными канавками на соединительном выступе. Поэтому такие фланцы не являются дефектными, как это иногда понимается при комплектовании арматуры ответными фланцами.

В отдельных случаях фланцы трубопровода крепятся к арматуре на шпильках, ввернутых непосредственно в корпус (этим достигается минимальный габарит вдоль оси трубопровода). При этом присоединительные размеры и уплотнительные поверхности на корпусе выполняются по ГОСТ 12815-80.

Для арматуры, которая устанавливается в системах на кораблях, судах и других плавсредствах (её называют судовой арматурой) фланцы выполняются по ГОСТ 1536-76. Этот стандарт устанавливает присоединительные размеры и размеры уплотнительных поверхностей фланцев судовой арматуры на давления от 0,25 до 6,3 МПа для диаметров до 500 мм.

Принципиальное конструктивное отличие от фланцев по ГОСТ 12815-80 состоит в том, что на плоских уплотнительных поверхностях фланцев на давление до 2,5 МПа обязательно выполняются две или три концентрические угловые канавки для более надежной герметизации соединения. На давления 4,0 и 6,3 МПа предусмотрено только исполнение типа шип-паз.

При заказе арматуры часто возникает необходимость комплектовать её ответными фланцами. В связи с этим рассмотрим некоторые характеристики ответных фланцев и пределы их применения.

Фланцы трубопроводов изготавливаются двух видов. Плоские приварные (фланцы по ГОСТ 12820-80 применяются на давления номинальные (условные) от 0,1 до 2,5 МПа и температуру рабочей среды от -70 до +450 °С. Фланец одевается на конец трубы и приваривается к ней двумя угловыми швами: одним – изнутри, другим – снаружи. Изготавливаются фланцы, как правило, с уплотнительными поверхностями 1, 2, 3 и присоединительными размерами по ГОСТ 12815-80. Допускается также изготовление с исполнениями 4, 5, 8 и 9. Изготавливают фланцы различными способами, в том числе из полосы гибкой на ребро с последующей сваркой стыка. На этот момент следует обратить внимание, т. к. сварной шов в этом случае не является признаком дефекта фланца (как иногда неправильно полагают), а лишь свидетельствует о методе его изготовления, предусмотренном стандартом.

Фланцы приварные встык по ГОСТ 12821-80 практически всегда называют «воротниковыми». В отличие от плоских фланцев они со стороны, обратной уплотнению, имеют вытянутый переход (как бы воротник) от тела фланца к концу, на котором выполнена разделка для сварки встык с трубопроводом. Фланцы изготавливают с уплотнительными поверхностями всех девяти исполнений (исполнение 1 – только для PN до 6 МПа) и присоединительными размерами по ГОСТ 12815-80. Эти фланцы применяются на давления от 0,1 до 20 МПа, но отметим, что на давления 4 МПа и выше применяются фланцы только воротниковые, что связано с более высокой прочностью стыкового сварного шва.

Здесь следует заметить, что исполнение 1 нередко называют плоским (действительно, на нем отсутствуют впадины, выступы и т. п.), в связи с чем возникает путаница между понятиями плоский фланец и фланец с плоской уплотнительной поверхностью. Еще раз подчеркнем, что исполнение 1 применяется как на фланцах плоских, так и на воротниковых.

Кроме отмеченных выше ГОСТов на фланцы имеется ещё ряд стандартов, устанавливающих пределы применения литых фланцев из различных материалов по PN и DN, а также требования к их размерам. К числу таких стандартов относятся:

• ГОСТ 12817-80. Фланцы литые из серого чугуна;
• ГОСТ 12818-80. Фланцы литые из ковкого чугуна;
• ГОСТ 12819-80. Фланцы литые стальные.

Особо следует отметить ГОСТ 12816-80, устанавливающий общие технические требования к фланцам арматуры и соединительных частей трубопроводов. Этим стандартом, наряду с требованиями к производству фланцев, регламентируется также применение марок сталей для изготовления фланцев и крепежа в зависимости от размеров и условий эксплуатации подавлениям и температурам.

В связи с тем, что все упомянутые стандарты на фланцы введены с 1983 года, в технической, справочной и каталожной литературе, изданной до этого времени, имеются ссылки на соответствующие ГОСТЫ, действовавшие ранее. Для справки приводится таблица 2, в которой показано, какие из этих ГОСТов соответствовали ГОСТам, действующим в настоящее время.

Таблица 2

Государственные стандарты на фланцы

При комплектовании арматуры ответными фланцами следует принимать во внимание ряд важных моментов.

Фланцы ответные должны соответствовать фланцам комплектуемой арматуры по номинальным (условным) диаметрам и давлениям, а также по исполнению уплотнительных поверхностей. При этом иногда возникает вопрос: можно ли применить ответный фланец на давление большее, чем требуется для фланца арматуры?

Стандарт отвечает на такой вопрос положительно. Допускается фланцы, имеющие одинаковые присоединительные размеры для нескольких PN, изготавливать с толщиной для максимального давления, а также применять фланцы на большие PN, по сравнению с PN изделия.

Таблица 3

Давления и проходы, для которых совпадают
присоединительные размеры фланцев по ГОСТ 12815-80

Из таблицы 3 следует, что, например, для каждого из фланцев PN от 15 до 50 включительно фланец на PN 40 можно использовать вместо фланцев PN 10,16 или 25, для DN от 65 до 150 – фланец PN 16 вместо PN 10 или фланец PN 40 вместо PN 25.

Разумеется, применяя ответные фланцы на давления, большие чем фланцы арматуры, необходимо обеспечить их точное соответствие фланцам арматуры по размерам уплотнительных поверхностей и исполнениям.

Таблица 4

Размеры уплотнительных поверхностей и исполнений

В связи с тем, что ответный фланец на большее давление имеет большую толщину, необходимо при его применении соответственно скорректировать в большую сторону длину болтов или шпилек для такого не совсем стандартного фланцевого соединения.

И наконец, не должен возникать вопрос о замене ответного фланца на меньшее давление, т. к. в этом случае снижается прочность соединения арматуры с трубопроводом, что недопустимо ни при каких обстоятельствах.

Обычно для комплектования арматуры требуется по два ответных фланца на каждое изделие. Но это справедливо для проходной или угловой арматуры. Не следует упускать из вида, что трехходовая арматура требует по три ответных фланца на изделие.

Как правило, ответные фланцы для запорной и других видов арматуры бывают одинаковыми по PN, DN и исполнению на входном и выходном патрубках арматуры. В тоже время, на предохранительных клапанах часто выходной фланец для присоединения к сбросной линии по PN – меньше, а по DN – больше, чем фланец на входе, при помощи которого клапан присоединяется к трубопроводу (именно этим фланцем определяется DN клапана). Соответственно может быть разница и в исполнениях уплотнительных поверхностей. Так, например, предохранительный клапан Благовещенского арматурного завода DN 80, PN 40 имеет фланец на входе DN 80, PN 40, исполнение 4, а на выходе PN 100, PN 16, исполнение 1. Это обстоятельство также не следует упускать из вида при комплектовании арматуры ответными фланцами.

 И наконец, при заказе арматуры часто оговаривается: «в комплекте с ответными фланцами». При этом иногда возникает неоднозначное понимание – что же такое «Комплект». Здесь возможны два варианта. Завод-изготовитель арматуры поставляет изделие в исполнении «с ответными фланцами». В этом случае в комплект входят ответные фланцы, прокладки и крепеж, которые, как правило, соединены с фланцами корпуса арматуры. Если комплектацию осуществляет поставщик – посредник, то состав комплекта во избежание последующих недоразумений следует четко согласовать с заказчиком: только ответные фланцы или вместе с прокладками и крепежом. При этом под «комплектом» удобнее понимать комплект деталей для одного фланца корпуса арматуры.

Более подробная информация представлена в следующих видеороликах: