Фланец с выступающей поверхностью и фланец с плоской поверхностью: каковы основные различия и как выбрать правильный?

Почему тип поверхности фланца имеет значение при проектировании трубопроводной системы

В любой системе трубопроводов — будь то нефте- и газопереработка, химические заводы, водоочистные сооружения или энергетика — фланцы представляют собой механические соединители, которые соединяют секции труб, клапаны, насосы и оборудование вместе, образуя целостный, герметичный путь прохождения жидкости. Хотя при выборе соединений инженеры часто уделяют внимание материалу фланца, классу давления и размеру отверстия, тип поверхности фланца не менее важен и часто неправильно понимается. Лицевая поверхность — это контактная поверхность фланца — область, которая прижимается к прокладке, создавая уплотнение. Двумя наиболее распространенными типами лицевых поверхностей в промышленном использовании являются выступающая поверхность (RF) и плоская поверхность (FF), и, хотя они могут показаться неопытному глазу похожими, их различия в геометрии, механизме уплотнения, выдержке давления и пригодности для применения достаточно значительны, поэтому использование неправильного типа в данной системе может привести к выходу из строя прокладки, утечке соединения, повреждению оборудования или серьезным нарушениям безопасности.

Понимание того, чем именно отличаются фланцы с выступающей и плоской поверхностью — и при каких условиях каждый из них должен быть указан — является практическим знанием, которое инженерам по трубопроводам, специалистам по закупкам и техническим специалистам необходимо принимать правильные решения как на этапе проектирования, так и во время работ по установке и замене на месте.

Что такое приподнятый торцевой фланец

Фланец с выступающей поверхностью имеет круглую приподнятую уплотнительную поверхность, которая выступает над поверхностью окружности болта корпуса фланца. Эта приподнятая часть — обычно приподнятая на 1,6 мм (1/16 дюйма) для фланцев класса 150 и 300 и на 6,4 мм (1/4 дюйма) для классов давления 400 и выше согласно ASME B16.5 — концентрирует нагрузку болта на меньшую площадь контакта. Поскольку сила зажима болтов прикладывается к уменьшенной площади поверхности, а не ко всей поверхности фланца, контактное напряжение на прокладке существенно выше при заданном крутящем моменте болта. Именно повышенное напряжение прокладки создает герметичное и надежное уплотнение даже в условиях эксплуатации под высоким давлением.

Выступающая лицевая поверхность обычно имеет специальную отделку - обычно 125–250 AARH (средняя арифметическая высота шероховатости) со спиральными зубцами или концентрическими зубцами - которая механически сцепляется с материалом прокладки во время сжатия, еще больше улучшая характеристики уплотнения и предотвращая выброс прокладки при скачках давления. Фланцы с выступающей поверхностью — это тип поверхности по умолчанию, указанный в стандарте ASME B16.5 для стальных фланцев в большинстве промышленных применений, и они совместимы с широким спектром материалов прокладок, включая спирально-навитые прокладки, кольцевые соединения и различные прокладки из листового мягкого материала.

Что такое плоский фланец

Фланец с плоской поверхностью имеет уплотняющую поверхность, которая находится заподлицо и непрерывна по всей поверхности фланца, от отверстия до внешнего края отверстий для болтов. Приподнятая посадочная поверхность отсутствует — прокладка прилегает ко всей поверхности фланца, включая область вокруг отверстий для болтов. Такая конструкция контакта с полной поверхностью распределяет нагрузку на болт по гораздо большей площади, что приводит к снижению контактного напряжения прокладки по сравнению с фланцем с выступающей поверхностью, затянутым с тем же моментом затяжки болта.

Фланцы с плоской поверхностью необходимы в определенных случаях — особенно при соединении с фланцевым оборудованием, изготовленным из чугуна, ковкого чугуна или других хрупких материалов. Чугунные фланцы в стандартной комплектации изготавливаются с плоской поверхностью, и это не просто условность. Если стальной фланец с выступающей поверхностью прикрепляется болтами к чугунному фланцу с плоской поверхностью, нагрузка на болт концентрируется только на выступающей части стального фланца, создавая неравномерный изгибающий момент поперек поверхности чугунного фланца. Это изгибающее напряжение может привести к растрескиванию чугунного фланца — вид отказа, который особенно опасен в системах, перекачивающих горячие жидкости или опасные химические вещества. Использование полнолицевых прокладок и плоских фланцев равномерно распределяет нагрузку, защищая хрупкий компонент от изгибающего напряжения.

Прямое сравнение: фланцы с выступающей поверхностью и фланцы с плоской поверхностью

В таблице ниже приведены наиболее важные различия между фланцами с выступающей и плоской поверхностью по ключевым техническим параметрам и параметрам применения:

Выбор прокладки: как тип поверхности влияет на конструкцию прокладки

Взаимосвязь между типом поверхности фланца и выбором прокладки не является обязательной — это прямая инженерная зависимость. Использование неправильного типа прокладки с заданной конфигурацией поверхности фланца приведет либо к недостаточному уплотняющему напряжению, выдавливанию прокладки, либо к механическому повреждению фланца или сопряженного оборудования.

Прокладки для фланцев с выступом

Во фланцах с выступающей торцевой поверхностью используются прокладки кольцевого типа, которые располагаются внутри приподнятой посадочной зоны, между отверстием и внутренним краем окружности болта. Обычные типы прокладок для применений с выступающей поверхностью включают спирально навитые прокладки с наружным центрирующим кольцом (которое предотвращает смещение прокладки во время крепления болтами), цельнометаллические кольцевые прокладки для применений при очень высоком давлении и листовые прокладки из сжатого безасбестового волокна (CNAF), обрезанные по размерам кольца для работы при более низком давлении и более низкой температуре. Центрирующее кольцо спирально навитых прокладок специально разработано для прилегания к наружному диаметру выступающей поверхности, обеспечивая точное позиционирование прокладки и предотвращая чрезмерное сжатие обмотки.

Прокладки для плоских фланцев

Для фланцев с плоской поверхностью требуются полнолицевые прокладки, которые проходят по всей поверхности фланца, с отверстиями для болтов, пробитыми в материале прокладки так, чтобы они соответствовали окружности болтов фланца. Такая полнолицевая конструкция имеет важное значение — она обеспечивает равномерное распределение нагрузки на болт по всей поверхности, предотвращая изгибающие моменты, которые могли бы возникнуть, если бы использовалась только кольцевая прокладка. Полнолицевые прокладки обычно изготавливаются из более мягких и более сжимаемых материалов, таких как резина (EPDM, неопрен, нитрил), ПТФЭ или лист из сжатого волокна, которые могут обеспечить адекватное уплотняющее усилие при более низких контактных давлениях, доступных в соединениях с плоской поверхностью. Материал должен быть достаточно мягким, чтобы обеспечить герметизацию при низких нагрузках на болты, но достаточно прочным, чтобы противостоять технологической жидкости, температуре и механической релаксации с течением времени.

Среды приложений, в которых указан каждый тип лица

Выбор между фланцами с выступающей и плоской поверхностью во многом определяется средой применения — условиями эксплуатации, давлением и температурой, а также материалами соединительного оборудования. Понимание этих контекстов приложений в большинстве случаев упрощает принятие решений по выбору.

• Пар высокого давления и технологические трубопроводы: Фланцы с выступающей торцевой поверхностью со спирально-навитыми прокладками являются стандартной спецификацией для паропроводов, технологических трубопроводов для углеводородов и высокотемпературных систем на нефтеперерабатывающих и химических заводах. Концентрированное уплотняющее напряжение конструкции RF важно для поддержания целостности соединения при термоциклировании и колебаниях давления.
• Соединения с чугунными насосами и клапанами: Плоские фланцы с полнолицевыми прокладками обязательны при соединении стальных труб с чугунными корпусами насосов, корпусами клапанов или другим хрупким оборудованием. Это одно из наиболее часто нарушаемых правил при монтаже на местах, когда рабочие по ошибке прикручивают стандартные стальные фланцы RF непосредственно к чугунному оборудованию, не переходя на плоские и полнолицевые прокладки.
• Водоснабжение и коммунальные услуги низкого давления: Фланцы с плоской поверхностью широко распространены в системах водоснабжения, отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха и коммунальных системах низкого давления, где подключенное оборудование изготовлено из чугуна или ковкого чугуна, а рабочее давление остается ниже пределов класса 150. В этих системах обычно используются резиновые полнолицевые прокладки, которые обеспечивают надежную герметизацию при умеренных нагрузках на болты.
• Системы трубопроводов из армированного стекловолокном пластика (FRP): Фланцы из стеклопластика изготавливаются с плоской поверхностью и требуют ответных фланцев с плоской поверхностью и сплошных прокладок по той же причине, что и чугун: материал хрупкий и не может выдержать изгибающее напряжение, создаваемое соединением с выступающей поверхностью, без риска растрескивания или расслоения.
• Подводные и высокоинтегральные приложения: Фланцы с выступающей торцевой поверхностью и, в наиболее сложных случаях, фланцы кольцевого типа (RTJ) предназначены для подводных трубопроводов и других критически важных высоконадежных систем, находящихся под давлением, где последствия утечек являются серьезными и частый доступ для технического обслуживания невозможен.

Распространенные ошибки при установке и как их избежать

Неправильное применение типов поверхностей фланцев является одной из наиболее частых причин протечек фланцевых соединений и повреждения оборудования на промышленных объектах. Многие из этих ошибок происходят во время работ по техническому обслуживанию и расширению, когда новые стальные трубы подключаются к существующему чугунному оборудованию без должного внимания к совместимости типов поверхностей. Ниже приведены наиболее часто встречающиеся ошибки и правильные методы их предотвращения.

• Крепление болтами стальных фланцев RF к чугунному оборудованию FF: Это самое опасное заблуждение. Правильным решением будет либо указать соединительный стальной фланец как плоский, либо — если стальной фланец уже поставлен с выступом — обработать выступ до плоской поверхности перед установкой. Никогда не используйте кольцевую прокладку в этой конфигурации, поскольку она не будет правильно распределять нагрузку по чугунной поверхности.
• Использование кольцевых прокладок на фланцах с плоской поверхностью: Установка кольцевой прокладки между двумя фланцами с плоской поверхностью оставляет внешнюю область болтовых отверстий без поддержки, позволяя фланцам прогибаться внутрь под нагрузкой на болты. Это деформирует уплотнительную поверхность, концентрирует напряжение на внутреннем крае и почти всегда приводит к утечке. Всегда используйте полнолицевые прокладки с плоскими фланцами.
• Неправильный момент затяжки болтов для типа лица: Поскольку фланцы с выступающей и плоской поверхностью имеют разные эффективные площади посадки прокладки, крутящий момент болта, необходимый для достижения адекватного напряжения прокладки, различается между двумя конфигурациями даже при одном и том же классе давления и размере фланца. Всегда используйте значения крутящего момента, рассчитанные для конкретного типа поверхности, материала прокладки и размеров прокладки, а не общие таблицы крутящих моментов болтов, которые не учитывают эти переменные.
• Пренебрежение проверкой качества поверхности: Перед установкой прокладки необходимо проверить посадочную поверхность с выступающей поверхностью на предмет радиальных царапин, точечной коррозии или коррозионных повреждений, которые могут привести к утечкам через прокладку. Повреждения, проходящие радиально поперек посадочной поверхности (перпендикулярно направлению уплотнения), являются особенно серьезными и обычно требуют механической обработки торцов фланца или замены фланца перед повторной сборкой.

Правильный выбор вашей трубопроводной системы

Решение между поднятым лицом и плоские фланцы Это не вопрос предпочтений — это инженерное требование, определяемое материалами, классом давления, условиями эксплуатации и оборудованием, используемым в каждом конкретном соединении. В большинстве систем промышленных стальных трубопроводов, работающих при давлениях выше низкого давления, фланцы с выступающей торцевой поверхностью со спирально-навитыми прокладками представляют собой правильную и проверенную стандартную спецификацию. Для любого соединения, в котором используется чугун, ковкий чугун, стеклопластик или другие хрупкие фланцевые компоненты, плоские фланцы с полнолицевыми прокладками не подлежат обсуждению как с точки зрения механической целостности, так и с точки зрения безопасности.

В случае сомнений на этапе проектирования или поставки обратитесь к спецификациям фланцев производителя оборудования и применимому стандарту на трубопроводы — ASME B16.5 для стальных фланцев, ASME B16.1 или B16.42 для фланцев из чугуна и ковкого чугуна и ASME B16.21 для размеров прокладок. Эти стандарты предоставляют исчерпывающие рекомендации по совместимости типов поверхностей и выбору прокладок для каждой комбинации класса и материала фланцев, а их соблюдение — наиболее надежный способ обеспечить долговременную целостность соединений во всем диапазоне условий эксплуатации, с которыми может столкнуться ваша система.