Какие типы фланцев используются в трубопроводных системах?

Фланцы являются одними из наиболее фундаментальных компонентов любой трубопроводной системы, обеспечивая механические соединения, которые соединяют трубы, клапаны, насосы и оборудование таким образом, чтобы они были структурно безопасными и, что особенно важно, съемными для проверки, обслуживания или модификации. В различных отраслях промышленности, от нефтегазовой и нефтехимической до водоочистки, фармацевтики и энергетики, правильный выбор типа фланца, класса давления, облицовки и материала так же важен, как и сама спецификация трубы. Неподходящий фланец или фланец с неправильным номиналом является потенциальной точкой утечки, нарушением нормативных требований, а при работе с высоким давлением или высокой температурой представляет собой серьезную угрозу безопасности. В этой статье рассматриваются основные типы фланцев, используемые в трубопроводных системах, их технические характеристики, применимые стандарты и практические критерии, которые определяют правильный выбор фланцев.

Что такое трубопроводный фланец и почему выбор типа имеет значение?

А фланец трубопровода представляет собой диск, кольцо или воротник, выкованный, отлитый или обработанный из металла, который прикреплен к концу трубы, корпусу клапана или патрубку оборудования и прикреплен болтами к ответному фланцу для образования герметичного соединения. Соединение герметизируется прокладкой, зажатой между двумя поверхностями фланца силой зажима болтов. Фланец передает механические нагрузки между соединяемыми элементами, включая внутреннее давление, силы теплового расширения, весовые нагрузки и вибрацию, позволяя при этом разбирать соединение без резки или сварки.

Выбор типа фланца имеет большое значение, поскольку разные типы подходят для принципиально разных способов соединения, условий эксплуатации по давлению и температуре, толщины стенок труб, а также простоты монтажа и демонтажа. Использование накидного фланца в паропроводе высокого давления или фланца под приварку в раструбе на трубе большого диаметра приводит к несоответствию между конструктивными возможностями фланца и предъявляемыми к нему требованиями. Руководящие стандарты — чаще всего ASME B16.5, ASME B16.47, EN 1092-1 и API 6A — определяют требования к размерам, классу давления и материалам для каждого типа фланцев, и соблюдение этих стандартов является обязательным в большинстве регулируемых отраслей.

Основные типы фланцев, используемые в трубопроводах

Каждый тип фланца имеет свой способ крепления к трубе и определенный набор конструктивных характеристик. Семь типов, описанных ниже, охватывают подавляющее большинство фланцевых соединений, встречающихся в промышленных и коммерческих трубопроводных системах.

Приварной фланец с горловиной

Фланец с приварной шейкой является наиболее прочным и широко используемым типом фланцев для эксплуатации в условиях высокого давления, высоких температур и циклических операций. Он имеет длинную коническую ступицу, которая постепенно переходит от корпуса фланца к толщине стенки трубы, равномерно распределяя напряжение и сводя к минимуму концентрацию напряжения в сварном соединении. Фланец крепится к трубе посредством стыковой сварки с полным проплавлением, что обеспечивает максимально возможную целостность соединения и позволяет провести радиографическое исследование сварного шва для проверки качества. Фланцы с приварной шейкой являются стандартной спецификацией критически важных линий обслуживания в нефтегазовой, энергетической и химической промышленности. Их более высокая стоимость и большее время установки по сравнению с другими типами оправданы превосходными механическими характеристиками и долгосрочной надежностью, которые они обеспечивают в сложных условиях эксплуатации.

Съемный фланец

Надеваемый фланец скользит по внешней стороне трубы и крепится двумя угловыми сварными швами — одним на поверхности ступицы и одним сзади отверстия фланца. Его отверстие немного больше наружного диаметра трубы, что позволяет вставить трубу до сварки, что упрощает центровку во время установки. Накидные фланцы дешевле и их легче устанавливать, чем фланцы с приварной шейкой, что делает их популярными в инженерных трубопроводах, системах низкого давления и некритических сервисных линиях. Однако их конструкционная прочность ниже, чем у фланцев приварной шейки — обычно она составляет примерно две трети эквивалента приварной шейки при том же классе давления — поскольку угловые сварные швы не обеспечивают полного провара стенки трубы. Обычно они ограничиваются обслуживанием классов 150 и 300 ASME в некритических приложениях.

Фланец под приварку враструб

Фланцы под приварку враструб используются исключительно на трубах малого диаметра, обычно с номинальным диаметром 2 дюйма (50 мм) и ниже. Труба вставляется в раструб, проточенный во фланцевом отверстии, и на ступице наносится угловой сварной шов. Перед сваркой между концом трубы и буртиком намеренно оставляют небольшой зазор примерно 1,6 мм, чтобы обеспечить тепловое расширение и предотвратить растрескивание сварного шва. Фланцы под приварку враструб обеспечивают более чистое внутреннее отверстие, чем надвижные фланцы для труб небольших размеров, что снижает турбулентность и эрозию при работе на высоких скоростях. Они используются в гидравлических линиях высокого давления, соединениях приборов и трубопроводах для впрыска химикатов, где целостность малого диаметра имеет решающее значение. Они не подходят для работы со шламами или агрессивными жидкостями, где щель в зазоре между раструбом и трубой может задерживать материал.

Резьбовой фланец

Фланцы с резьбой соединяются с трубой с помощью конической или параллельной внутренней резьбы, а не сварки, что делает их единственным распространенным типом фланцев, для крепления которых не требуется сварка. Они используются в инженерных системах низкого давления, соединениях приборов и в неопасных средах, где присутствие горючих или взрывоопасных газов делает сварочные операции непрактичными. Резьбовые фланцы механически слабее, чем сварные, и подвержены утечкам при термоциклировании или вибрации, что постепенно ослабляет резьбовое соединение. По этой причине многие спецификации запрещают их использование при температуре выше 300°F (150°C) или при работе с горючими газами и жидкостями. В средах, где действуют ограничения на сварку, но требуется более высокая целостность, конструкция с резьбой и уплотнением, то есть нанесение герметизирующего сварного шва поверх резьбового соединения, обеспечивает повышенную надежность.

Глухой фланец

А blind flange is a solid disc with no bore that is used to close off the end of a pipe, nozzle, or vessel opening. It is bolted against a mating flange face with a gasket, creating a fully pressure-rated closure that can be removed when access to the line is required. Blind flanges are used at pipe ends for future expansion connections, at vessel inspection openings, at pressure test points, and as permanent end closures on redundant branch connections. They must be rated to the full system pressure class and are subject to significant bending stress from internal pressure acting on their unsupported face area, which is why blind flange wall thickness increases substantially with larger bore sizes and higher pressure classes.

Фланец внахлестку

Фланец с нахлесточным соединением используется в сочетании с заглушкой — коротким отрезком трубы с обработанным радиусом на одном конце, образующим уплотнительную поверхность. Фланец нахлесточного соединения свободно скользит по заглушке и не приваривается к трубе; вместо этого заглушка приваривается к трубе встык, а свободный фланец прижимается к радиусу заглушки. Такое расположение позволяет фланцу свободно вращаться вокруг трубы, что значительно упрощает выравнивание болтовых отверстий во время установки, особенно в перегруженных местах или там, где соединения оборудования расположены неточно. Фланцы с соединением внахлест также экономически выгодны в дорогих системах трубопроводов из сплавов, поскольку только патрубок — компонент, контактирующий с жидкостью — должен быть изготовлен из материала сплава, а опорный фланец может быть изготовлен из стандартной углеродистой стали.

Отверстие Фланец

Фланцы с диафрагмой представляют собой специализированный вариант конструкции приварной шейки или надвижного фланца, в котором имеются резьбовые отверстия для отбора давления, выточенные в корпусе фланца по обе стороны от диафрагмы. Диафрагма — диск с прецизионным отверстием — зажимается между парой фланцев диафрагмы и создает калиброванный перепад давления, когда жидкость проходит через ограниченное отверстие. Этот перепад давления измеряется через сливные отверстия и используется для расчета объемного или массового расхода. Фланцевые диафрагмы в сборе являются стандартной технологией измерения расхода в нефтегазовой, химической и водоочистной сферах, а требования к их размерам и механической обработке указаны в ASME MFC-3M и ISO 5167.

Сравнение типов фланцев по ключевым критериям

В следующей таблице представлено практическое сравнение основных типов фланцев по критериям, наиболее важным для принятия решений при проектировании промышленных трубопроводов.

Типы поверхностей фланцев и их роль в герметизации соединений

Поверхность фланца — это обработанная поверхность, которая контактирует с прокладкой и создает герметичное уплотнение. Выбор неправильного типа поверхности для конкретных условий эксплуатации или материала прокладки является распространенной причиной утечек в соединениях. Каждый из четырех наиболее широко используемых типов поверхностей в промышленных трубопроводах имеет различные механизмы уплотнения и области применения.

Поднятое лицо (RF)

Выступающая поверхность является наиболее распространенным типом поверхности фланца в технологических трубопроводах и типом поверхности по умолчанию для фланцев ASME B16.5 классов от 150 до класса 2500. Посадочная поверхность представляет собой выступающее кольцо — обычно высотой 1,6 мм для классов 150 и 300 и высотой 6,4 мм для класса 600 и выше — которое концентрирует силу зажима болта на области прокладки. Стандартная обработка поверхности фланцев с выступом представляет собой концентрическую или спирально-зубчатую поверхность с шероховатостью от 3,2 до 6,3 мкм Ra, которая обеспечивает механическую блокировку с мягкими и полуметаллическими прокладками. Фланцы с выступающей поверхностью совместимы со всем спектром плоских, спирально-навитых и кольцевых прокладок, используемых в общих технологических процессах.

Плоская поверхность (FF)

Фланец с плоской поверхностью имеет посадочную поверхность на одном уровне с поверхностью корпуса фланца без выступов. Он используется при соединении с фланцевым оборудованием, таким как чугунные клапаны, насосы и неметаллическое оборудование, где выступающая поверхность может создавать неравномерные изгибающие нагрузки на сопрягаемый компонент и может привести к его растрескиванию. Во фланцах с плоской поверхностью используются прокладки по всей поверхности, которые доходят до окружности болта и за ее пределами, распределяя нагрузку на болт по всей поверхности фланца и предотвращая краевую нагрузку, которую кольцевая прокладка могла бы создать на хрупком ответном фланце.

Соединение кольцевого типа (RTJ)

Соединительные фланцы кольцевого типа имеют прецизионно обработанную трапециевидную или овальную канавку, выточенную на поверхности фланца, в которую устанавливается сплошная металлическая кольцевая прокладка — обычно мягкое железо, низкоуглеродистая сталь, нержавеющая сталь 316 или инконель. При затяжке болтов кольцевая прокладка пластически деформируется в канавку, создавая чрезвычайно прочное уплотнение металл-металл. Соединения RTJ предназначены для работы в условиях высокого давления, высоких температур и высокосернистых газов, где требования к надежности превышают возможности мягких или полуметаллических прокладок. Они являются стандартными для устьевых, подводных и высоконадежных технологических трубопроводов и требуют точной обработки как канавки, так и кольца для достижения номинальных характеристик.

Язык и паз (T&G)

Фланцы с выступом и пазом представляют собой сопряженные пары, в которых одна поверхность фланца имеет выступающий выступ, а другая имеет соответствующую канавку, выточенную на поверхности. Прокладка полностью сидит в канавке, где она ограничена со всех сторон, предотвращая выброс прокладки в условиях скачка давления. T&G-соединения обеспечивают превосходное удержание прокладок и используются в крышках теплообменников, крышках клапанов и высоконадежных технологических соединениях, где риск выброса прокладки должен быть сведен к минимуму. Поскольку две половины должны быть подобраны попарно, фланцы с выступом и пазом не являются взаимозаменяемыми со стандартными фланцами с выступом того же размера и класса давления.

Классы давления фланцев и что они означают

В соответствии с ASME B16.5 — доминирующим стандартом для трубных фланцев в Северной Америке и широко используемым во всем мире — фланцы обозначаются по классам давления: 150, 300, 600, 900, 1500 и 2500. Эти номера классов не представляют собой фиксированное номинальное давление; скорее, они определяют номинальное давление-температуру фланца, которое уменьшается с увеличением температуры из-за снижения предела текучести материала при повышенных температурах.

Например, фланец класса 300 из углеродистой стали ASTM A105 рассчитан на давление примерно 51,1 бар (740 фунтов на квадратный дюйм) при температуре окружающей среды, но только 14,4 бар (210 фунтов на квадратный дюйм) при 450 °C (850 °F). Поэтому правильный класс давления для конкретного применения следует выбирать на основе максимального рабочего давления и максимальной рабочей температуры, используя таблицы номинальных значений давления и температуры в ASME B16.5 или эквивалентные таблицы EN 1092-1 для фланцев европейского стандарта. Занижение класса давления для фактической рабочей температуры является одной из наиболее серьезных ошибок в спецификации фланца.

Распространенные материалы фланцев и их применение

Выбор материала фланца должен быть совместим как с технологической жидкостью, так и с внешней средой, и должен сохранять адекватные механические свойства во всем диапазоне рабочих температур.

• АSTM A105 (Carbon Steel): Стандартный материал для фланцев из углеродистой стали, используемый в общих технологических процессах при температуре примерно до 425°C. Используется в нефтегазовой, водной, паровой и неагрессивной химической промышленности. Низкая стоимость и широкое распространение во всех классах и типах давления.
• АSTM A182 F316/F316L (Stainless Steel): Используется в агрессивных химических средах, пищевой и фармацевтической промышленности, а также в морской среде. Марка 316 обеспечивает хорошую общую устойчивость к коррозии; 316L (низкоуглеродистый) используется там, где необходимо предотвратить сенсибилизацию от сварочного тепла.
• АSTM A182 F11 / F22 (Alloy Steel): Стали из хромомолибденовых сплавов, используемые при высоких температурах выше 425°C в парогенераторах, установках риформинга и трубопроводах нагревателей, где углеродистая сталь теряет механическую прочность.
• АSTM A350 LF2 (Low Temperature Carbon Steel): Углеродистая сталь, проверенная на удар, для криогенной и низкотемпературной эксплуатации до -46°C, используемая в установках СПГ, холодильных системах и наружных трубопроводах для холодного климата.
• Дуплексная и супердуплексная нержавеющая сталь (F51, F53): Используется в высокоагрессивных средах, включая морскую воду, подводные трубопроводы и химические потоки с высоким содержанием хлоридов, где стандартные аустенитные нержавеющие стали подвергаются коррозионному растрескиванию под напряжением или точечной коррозии.

Как правильно выбрать фланец для вашей трубопроводной системы

Правильный выбор фланца требует систематической оценки нескольких параметров в сочетании, а не оптимизации по какому-то одному критерию, например стоимости или доступности.

• Точно определите условия эксплуатации: Прежде чем выбирать какой-либо фланцевый компонент, определите максимальное рабочее давление, максимальную рабочую температуру, состав жидкости, включая любые коррозионные компоненты, а также циклический или динамический характер нагрузки.
• Выберите тип фланца в зависимости от конструктивных требований: Используйте фланцы с приварной шейкой для всех линий высокого давления, высоких температур, циклических или опасных линий. Используйте надвижные фланцы только в коммунальных службах или в условиях низкой критичности, где оправдано снижение затрат и более низкая структурная целостность приемлема в рамках применимых норм.
• Определите класс давления по таблицам номинальных значений P-T: Найдите номинальное давление и температуру для выбранного материала в ASME B16.5 или EN 1092-1 при фактической рабочей температуре, а не при температуре окружающей среды. Примените соответствующий коэффициент безопасности, требуемый применимыми нормами проектирования.
• Сопоставьте тип поверхности с выбором прокладки и сопрягаемого оборудования: Используйте выступающую поверхность со спирально-навитыми или кольцевыми прокладками для общего технологического обслуживания. Используйте плоскую поверхность при сопряжении с чугунным или неметаллическим фланцевым оборудованием. Используйте RTJ для работы в условиях высокого давления или кислой среды, где требуется уплотнение металла по металлу.
• Проверьте совместимость материалов: Убедитесь, что материал фланца совместим как с технологической жидкостью (с учетом коррозии, эрозии и коррозионного растрескивания под напряжением), так и с внешней средой, включая риск коррозии изоляции под оболочкой и совместимость катодной защиты для подземной или погружной эксплуатации.

Заключение

Фланцы для трубопроводных систем охватывают гораздо более широкий спектр инженерных решений, чем можно было бы предположить из их, казалось бы, простой роли в качестве соединителей труб. Выбор между приварной шейкой, насадкой, раструбным приварным, резьбовым, глухим, нахлесточным соединением или фланцем с отверстием определяет структурную целостность соединения, простоту установки и обслуживания, а также пригодность соединения для конкретной среды эксплуатации. В сочетании с правильным типом поверхности прокладки и сопряженного оборудования, соответствующим классом давления для рабочей температуры и спецификациями материала, соответствующими технологической жидкости и условиям окружающей среды, правильный выбор фланца обеспечивает безопасную и надежную работу трубопроводной системы в течение всего расчетного срока службы без ненужных затрат на техническое обслуживание или риска отказа.