Фланец для самых крепких соединений

Наряду с резьбовыми, фланцевые соединения — одни из наиболее распространенных во всех сферах промышленности, начиная от прокладки технологического трубопровода и заканчивая сборкой ракетных двигателей.

Стяжка по двум плоскостям позволяет получить прочное и герметичное сопряжение, где все элементы нагружены равномерно и способны выдержать значительные нагрузки без деформации, смещения или разрушения.

Рассмотрим подробнее, как проектируют и подбирают фланцевые соединения, и от чего зависит их долговечность и надежность.

Особенности фланцевых соединений

Сборка на фланцах — это стыковка двух плоских деталей «лицом» друг к другу и симметричная затяжка на резьбовом крепеже по периметру, на равном удалении от центра узла. Таким соединениям не нужно высокой точности размеров и дополнительных операций (сварки, пайки, прогрева, развальцовки).

Различают два типа фланцев: контактирующие и неконтактирующие. В первом случае детали сопряжены напрямую, а во втором — между фланцами ставят прокладку из более мягкого материала, который за счет собственной деформации надежно герметизирует сборку.

На практике контактирующие фланцы используют очень редко, поскольку силовая стяжка металлических изделий плоскостями друг к другу приводит к схватыванию и адгезии, что изрядно затрудняет последующий демонтаж. Поэтому даже в механизмах, где совершенно не нужна герметичность, закладывают тонкие картонные прокладки.

По форме опорных поверхностей фланцевые соединения бывают:

• кольцевые (круглые);
• полосовые (прямоугольные и квадратные);
• фасонные (плоскость разъема литых корпусов).

Чем сложнее контур поверхности, которой фланец переносит нагрузку на ответную деталь, тем большее количество крепежа понадобится, чтобы обеспечить равномерный прижим по всему периметру.

Классическая схема фланцевого соединения предусматривает две стянутые детали, но в реальных условиях это правило часто нарушают, расширяя сборку до трех или даже четырех компонентов. Яркий пример —промышленные теплообменные аппараты (маслоохладители, пароподогреватели, рекуператоры), где в одном узле стягивают фланец корпуса, доску трубного пучка и фланец крышки. Величина «бутерброда» ограничена лишь высотой всех элементов, поскольку вместе с ней растет длина резьбового крепежа и ухудшается суммарная жесткость конструкции.

Рабочие (фронтальные) торцы фланцев могут иметь различную форму в зависимости от того, какого рода уплотнение заложено между ними. В общей практике предусмотрено несколько вариантов:

• плоскость по плоскости;
• выступ / впадина;
• шип / паз (для сред с высокой проникающей способностью, пожароопасных или ядовитых);
• с конической выборкой по посадочному отверстию (под линзовую прокладку);
• с торцовой канавкой (под прокладку овального сечения, кольцо или шнур).

В качестве уплотнений, которые закладывают между сопряженными фланцами, принято использовать:

• картон;
• паронит;
• резину;
• фторопласт;
• асбест;
• медь;
• латунь;
• нержавейку.

Это может быть как плоская прокладка, повторяющая форму контактирующих фронтальных плоскостей, так и шнур или кольцо, заложенные в торцовую канавку. При силовой стяжке податливый материал деформируется и уплотняет стык, герметизируя соединение и исключая прямой контакт между торцами.

Сборка на фланцах может быть выполнена как исключительно «на глаз» — простой стыковкой и установкой крепежа в сквозные отверстия, так и с предварительным центрированием. Это реализуют двумя путями:

• на одной детали оставляют выступающий буртик, а на ответной — кольцевую выточку. Обе поверхности обрабатывают с точностью по 9..10 квалитету, добиваясь аккуратной посадки с зазором. Бурт входит в выточку, и пара приобретает нужное пространственное положение. Этот вариант подходит для круглых фланцев;
• детали с полосовым или фасонным типом контакта собирают на двух штифтах, расположенных по диагонали относительно центра узла. Их загоняют по посадке с натягом в нижнюю деталь, а верхнюю ставят с минимальным зазором. Использование двух штифтов исключает перекос или смещение элементов.

Фланцы могут быть приварными (такие обычно монтируют на концы труб) или представлять собой непосредственную рабочую часть детали (корпус редуктора).

Различают два типа приварных фланцев:

• плоские — выполненные в виде диска или квадратной пластины. В центре присутствует отверстие для посадки. Изделие надевают на трубу и приваривают двумя тавровыми швами — с тыльной стороны снаружи и с фронтальной изнутри;
• воротниковые — деталь наподобие полого стакана, на котором присутствует круглая или квадратная ступень под размещение крепежных отверстий. Изделие устанавливают встык к торцу трубы и обваривают кольцевым швом.

Особая категория продукции — фланцы на свободных кольцах. Они выглядят как кольцо с внутренней выборкой, которое упирается своим буртом в базовую деталь и при силовой стяжке тянет ее за собой.

В более чем половине всех случаев предпочтение отдают плоским приварным фланцам — они проще в изготовлении и монтаже. Воротниковые используют для нагруженных условий. Изделия на свободных кольцах распространены в конструкциях силовых гидравлических цилиндров — они позволяют реализовать значительное стяжное усилие при сравнительно малом увеличении габарита.

Москва не сразу строилась, а утверждению любого фланцевого соединения предшествует точный расчет: на прочность, выносливость и герметичность (если это необходимо). Для работы с сосудами и аппаратами под давлением следует руководствоваться методикой по ГОСТ Р 52857.4-2007. Для решения нестандартных задач ее можно брать за основу.

Расчет учитывает:

• тип фланца (плоский, воротниковый, на свободных кольцах);
• вид поверхности под уплотнение;
• предельно допустимое давление в системе;
• действующие силовые нагрузки — внешние и внутренние;
• воздействие рабочей среды;
• температурный режим.

Отправной точкой проектирования становится проходной диаметр. Именно от этого размера начинают конструктивный отчет всех остальных геометрических составляющих.

Прочностная характеристика соединения будет напрямую зависеть от толщины стяжной части — именно ширина бурта под установку крепежа отличает фланцы, рассчитанные на один проходной диаметр и разные давления в системе.

Одно из ключевых преимуществ фланцевых соединений — условная простота монтажа. Условная — поскольку ее простая по механике реализация таит за собой целый перечень условий, только строгое выполнение которых гарантирует прочность и герметичность сборки.

Устанавливая на концы труб, собирая и стягивая фланцы, следует выдержать:

• строгую перпендикулярность опорных плоскостей к оси трубы;
• качество сварных швов;
• определенное угловое положение отверстий под крепеж;
• установку уплотнений без повреждений мягкого материала острыми кромками или инструментом;
• установку крепежа без перекосов в сквозных отверстиях;
• равномерную и последовательную затяжку.

Если в процессе эксплуатации соединение будет подвергаться воздействию высоких температур и значительных силовых нагрузок, то назначают дополнительную обтяжку гаек при повышении давления в системе.

Необходимое усилие затяжки крепежа — еще один обязательный элемент расчета. Ответственные узлы собирают исключительно с применением динамометрических ключей, тщательно контролируя момент и занося фактические показатели в тетрадь учета.

Сферы применения

Область использования фланцевых соединений поделена неравномерно: на долю контактирующих фланцев (без прокладок) приходится не более 15% от всего объема конструкций, где инженера закладывают этот принцип сопряжения деталей. Яркий пример — сборка шатунов и корпусных коробчатых изделий.

Куда шире представлены неконтактирующие фланцы, разграниченные прокладками из уплотняющих материалов. Их применяют везде, где присутствует хотя бы намек на трубопроводные системы или работу с закрытыми емкостями под давлением, а также там, где следует исключить залипание плоскостей разъема.

Сюда входят:

• коммунальное хозяйство и инженерные сети;
• трубопроводный транспорт;
• судовые трубопроводы;
• технологический трубопровод в топливно-энергетическом комплексе;
• теплообменное оборудование;
• оборудование в химической, фармацевтической и пищевой промышленности;
• смазочные и охлаждающие трубопроводы промышленного оборудования;
• оборудование для нефте/газодобычи и переработки;
• технологический трубопровод транспорта;
• гидравлические и пневматические сети;
• доменные воздухонагреватели;
• редуктора, компрессора, насосы.

Именно с помощью фланцевых соединений крепится запорная, регулирующая и запорно-регулирующая арматура — дроссельные, перепускные, уравнительные клапаны. Стяжка на фланцах позволяет собирать модульные структуры с возможностью оперативной замены в случае выхода из строя какого-то конкретного элемента.

Интересным примером также становятся фланцевые муфты. Иногда их называют поперечно-свертными. Стандартные устройства выпускают по ГОСТ 20761-96, и они предназначены для передачи крутящего момента от 8 до 40 000 Нм.

Это один из наиболее универсальных видов механических муфт. Конструкция включает две полумуфты, стянутые болтами. Посадочное отверстие каждой имеет шпоночный паз для установки на выходной конец вала. Вращение в осевом направлении передают за счет жесткой установки болтов от М8 до М24, причем в одной полумуфте болт посажен с минимальным зазором, а вторую проходит насквозь и стягивает гайкой.

Такая жесткая схема исключает гибкую компенсацию перемещений, перекосов и вибраций в монтаже и работе, но обеспечивает высокую нагрузочную способность. Фланцевым муфтам нашлось место в конструкциях тяжелых промышленных машин, энергетических турбин и мельниц. Их даже можно использовать в качестве тормозных барабанов и шкивов ременных передач.

Требуемый крепеж

Сопряженные фланцы имеют одинаковое число сквозных отверстий, расположенных по единой траектории относительно центра узла. В конструкции могут быть заложены различные типы крепежа:

• болты — для простых и слабонагруженных сборок, работающих в условиях до +200°С;
• винты — для уникальных случаев, когда габаритные размеры устройства строго ограничены и негде разместить обычные гайки (гидравлика и пневматика);
• шпильки — оптимальный и универсальный вариант, подходящий для всех отраслей и сфер применения;
• откидные болты — для быстроразборных соединений, когда крышку аппарата приходится часто снимать;
• гладкие штифты — для центрирования сложных сборок;
• шестигранные и барашковые гайки;
• пружинные шайбы (гровера).

Шпильки обладают ключевым преимуществом перед болтами и винтами — одноступенчатой формой профиля. При повышенном нагреве растягивающие напряжения нагружают крепеж в меньшей мере, чем изделия с головками.

ГОСТ 20700-75 предусматривает специальный набор крепежа именно для фланцевых соединений, работающих в условиях вплоть до +650°С. Сюда входят шпильки (ГОСТ 9066), шайбы (ГОСТ 9065) и гайки (ГОСТ 9064). Такой комплект резьбовых деталей подходит для сборки различных трубопроводов, арматуры, приборов и аппаратов, котлов, паровых и газовых турбин.

Для фланцевых соединений с линзовыми уплотнениями закладывают шпильки по ГОСТ 10494. Они способны выдержать давления до 100 МПа и нагрев на +510°С. А технологический трубопровод на атомных электростанциях комплектуют шпильками по ГОСТ Р 54786-2011.

При расчете размеров и необходимого количества крепежных элементов учитывают:

• силовую нагрузку (система оценивается параметром внутреннего давления или максимального крутящего момента);
• влияние температуры;
• схему распределения крепежа (прямоугольник, круг, сложная фигура);
• запас прочности (400..450%, не менее 280%);
• предел прочности материала, из которого будет изготовлен крепеж.

Как правило, ассортимента стандартных метизов хватает, чтобы решить любую техническую проблему. Унификация также помогает избежать трудностей в дальнейшем — когда при ремонте резьбовые детали придется полностью менять. Но в отдельных случаях, когда следует обеспечить какие-то особенные свойства или функции, придется заказать нестандартный крепеж.

ГОСТы

Во всех областях промышленности инженера стараются подобрать фланцевое соединение из унифицированного ряда. Это упрощает процедуру проектирования и изготовления конструкций, а в перспективе — ремонт и восстановление.

При подборе фланцев ориентируются на следующие документы:

• ГОСТ 12820 — плоские фланцы, рассчитанные на давления от 0,1 до 2,5 МПа;
• ГОСТ 12821 — воротниковые фланцы, рассчитанные на давления от 0,1 до 20 МПа;
• ГОСТ 12822 — свободные фланцы на приварном кольце, рассчитанные на давления от 0,1 до 2,5 МПа;
• ГОСТ 9399 — фланцы с резьбовым установочным отверстием, выдерживающие давления от 20 до 100 МПа;
• ГОСТ 28759.2 — плоские фланцы, рассчитанные на давления от 0,3 до 1,6 МПа, в диапазоне температур от −70 до +300°С;
• ГОСТ 28759.3 — воротниковые фланцы, рассчитанные на давления от 0,6 до 6,3 МПа, в диапазоне температур от −70 до +540°С;
• ГОСТ 28759.4 — воротниковые фланцы, рассчитанные на давления от 6,3 до 16 МПа, в диапазоне температур от −70 до +540°С.

В общем случае инженеры-проектировщики и конструктора руководствуются нормативными данными ГОСТа 12815, который определяет типы, конструкцию и размеры типовых фланцев. Этот стандарт рассчитан на параметры:

• давления в системе — от 0,1 до 20 МПа;
• условный диаметр прохода трубопровода — от 10 до 3000 мм;
• температуру среды — от −253 до +600°С;
• крепежные элементы (болты и шпильки) — от М10 до М72.

ГОСТ 12815 можно назвать универсальным — он применим практически ко всем областям промышленности. Исключение составляют лишь фланцевые соединения для технологического трубопровода транспорта и спецтехники. А на узлы судовых трубопроводов распространяются ГОСТ 1536 и ГОСТ 4433.

Существует также комплект документации на европейские конструкции:

• DIN EN 1092-1 — для стальных изделий;
• DIN EN 1092-2 — для изделий из серого и ковкого чугуна;
• DIN EN 1092-3 — для изделий из медных сплавов (латунь и бронза);
• DIN EN 1092-4 — для фланцев из алюминия и алюминиевых сплавов.

С трубопроводом и аппаратами, изготовленными за рубежом, можно столкнуться и в Москве, и в самой дальней провинции, поэтому следует пользоваться и европейскими нормативами.

Вопреки широкому ассортименту унифицированных изделий, широко распространены и фланцевые соединения нестандартного типа. В первую очередь это плоскости разъема на корпусах редукторов, а также насосного и компрессорного оборудования. Есть общие рекомендации по проектированию подобных деталей, но на 70% схему стыка, центрирования и стяжки крепежом определяет собственное видение инженера-конструктора.

Угроза низкого качества

Фланцевое соединение способно выдержать значительные нагрузки за счет собственной жесткости и максимальной простоты. Но всё это будет возможным лишь при правильном подборе качественных комплектующих.

Прежде, чем заказать фланцы, следует уделить время пристальному анализу условий работы и расчету всех действующих нагрузок. Опытные проектанты могут пренебречь подробным силовым расчетом каждого узла, используя базу стандартных ГОСТовских изделий и опираясь лишь на два показателя: предельное давление в системе и проходной диаметр трубопровода. Также нужно учесть материал и технологию изготовления — от них напрямую зависит качество изделий.

В простых случаях будет достаточно сталей наподобие Ст3сп, 09Г2С или 10Г2, а для высоких нагрузок и температур придется подобрать стальной продукт из более серьезных марок — 20Х3МВФ, 25Х1МФ, 30ХМА, 38ХА, 45. Трубопроводы, работающие с агрессивными средами, оснащают деталями из нержавейки 12Х18Н9Т, 10Х17Н13М3Т и 06ХН28МДТ. Иногда воротниковые фланцы льют из чугунов марок СЧ20 и КЧ33-8.

Стандартные изделия получают преимущественно штамповкой. Литье используют очень редко — риск получить скрытые дефекты в сравнительно тонкой стенке слишком велик. Для мелкосерийного и единичного производства фланцы можно точить из проката. Иногда, ради экономии заготовок, изделия делают сварными из двух компонентов: втулки (стакана) и опорного кольца.

Фланцы низкого качества таят за собой целый ряд опасностей:

• неточность в размерах сделает сложной или вовсе невозможной сборку с уже имеющимся оборудованием;
• невыдержанная плоскостность опорных торцов станет причиной неравномерного распределения напряжений при стяжке. В свою очередь концентрация нагрузок приведет к преждевременному разрушению металла;
• небрежно обработанные уплотнительные поверхности могут повредить гибкие прокладки еще при сборке, что сократит ресурс работы до замены уплотнений;
• материал с недостаточным пределом прочности не выдержит нагрузок и начнет деформироваться, что приведет сначала к заклиниванию (вместо разборки весь узел придется срезать), а затем — к аварийному выходу из строя.

Отдельные нечистоплотные производители могут с целью уменьшения затрат менять материал изготовления, не уведомляя об этом потребителя. Они ориентируются лишь на поверхностную твердость металла как единственную механическую характеристику, которую можно проверить в ходе приемки готовой продукции.

Но твердость и прочность — далеко не тождественные понятия, хотя и взаимосвязанные. Неграмотная замена материала приведет к тому, что фланец будет работать совершенно иначе.

Особенно это касается высоколегированных нержавеек, которые по-разному реагируют на различные окислительные среды при сравнительно схожих показателях прочности. Если фланцевое соединение планируют для химического производства, то переход от 06ХН28МДТ к более дешевой 12Х18Н9Т может стать фатальным, хоть оба сплава демонстрируют высокую стойкость к коррозии.

Приобретайте унифицированные серийные фланцы исключительно у крупных и ответственных производителей, готовых предоставить подробные паспорта и сертификаты к своей продукции. Цена ошибки при работе с давлением — а фланцевое соединение чаще всего ставят именно там — может быть слишком высока.