Какие существуют способы соединения фланцев?

Полное руководство от производителя фланцев

За десятилетия производства фланцев для клиентов на шести континентах один вопрос возникает чаще всего: «Какой способ фланцевого соединения подходит для моего проекта?» Ответ имеет значение. Выбор неправильного типа соединения может привести к утечкам, дорогостоящим простоям или даже катастрофическим отказам в системах высокого давления. В этом руководстве подробно описаны все основные способы фланцевого соединения, объясняется принцип работы каждого из них и точно указано, когда его следует использовать.

1. Введение

Фланцы остаются без должного внимания, пока один из них не выйдет из строя. Эти плоские стальные диски устанавливаются на концах труб, клапанов и насосов, создавая точку соединения, которую можно разобрать при необходимости. Попробуйте построить или обслуживать трубопровод без них. Вы далеко не продвинетесь.

Способ соединения определяет, как фланец крепится к трубе и как это соединение выдерживает давление, температуру и вибрацию. Правильный выбор обеспечит бесперебойную работу системы на протяжении десятилетий. Неправильный выбор приведет к протечкам, незапланированным остановкам или гораздо более дорогостоящим поломкам.

Фланцевые соединения встречаются повсюду: на нефтеперерабатывающих заводах, химических предприятиях, электростанциях, водоочистных сооружениях, морских платформах и линиях пищевой промышленности. Каждая отрасль предъявляет свои требования, и каждое требование предполагает специфический подход к соединению.

2. Что такое фланцевое соединение?

Фланцевое соединение — это простая конструкция: два фланца обращены друг к другу, прокладка заполняет зазор, а болты сжимают все детали вместе. В результате получается герметичное соединение, которое выдерживает давление и остается целым под нагрузкой. Это механический процесс, а не магия.

При затягивании болтов прокладка сжимается и заполняет мельчайшие поверхностные неровности на торцах фланца. Жидкость не может проникнуть внутрь. Болты обеспечивают усилие зажима. Корпус фланца воспринимает механические нагрузки. Фланец, прокладка и болты — это единая команда. Если одна деталь выходит из строя, разрушается и всё соединение.

Каждое фланцевое соединение выполняет две функции: герметизацию жидкости и удержание давления. Герметизацию обеспечивает прокладка. Фланец и болты воспринимают механические нагрузки. Различные типы соединений по-разному распределяют эти функции, поэтому важно выбрать правильный тип.

3. Основные способы соединения фланцев

Шесть способов соединения фланца с трубой. Ни один из них не нов, все они существуют уже десятилетия, и каждый из них появился потому, что кому-то понадобилось то, чего не могли предложить другие. Вот что мы говорим клиентам, когда они спрашивают, какой из них использовать.

3.1 Сваренное соединение (фланец с приварной горловиной)

Фланцы с приварной горловиной имеют длинный конический выступ, который отходит от кольца и соединяется с концом трубы. Соединение осуществляется с помощью стыковой сварки с полным проплавлением. При правильном выполнении труба и фланец образуют единый цельный металлический кусок. Напряжение распределяется по конусу, а не накапливается в месте соединения, и внутренний диаметр остается таким же, как у трубы, поэтому ничто не препятствует потоку.

Преимущества

Ограничения

Где вы их увидите: Нефтегазопроводы, пар высокого давления, линии химической промышленности. Везде, где соединение абсолютно не может выйти из строя.

3.2 Резьбовое соединение (резьбовой фланец)

Резьбовые фланцы, иногда называемые винтовыми фланцами, имеют резьбу NPT, нарезанную в отверстии. Труба ввинчивается напрямую. Никакой сварки, никаких разрешений на проведение огневых работ, никакого пожарного надзора. Именно поэтому их можно увидеть в местах, где использование сварочного аппарата было бы крайне нежелательно.

Преимущества

Ограничения

Где вы их увидите: Распределительные сети, низконапорные инженерные сети, временные сооружения и любые места, где использование сварочной горелки нежелательно.

3.3 Накладное соединение (накладной фланец)

Накладные фланцы имеют отверстие немного большего диаметра, чем наружный диаметр трубы. Труба легко проходит сквозь него. Вы привариваете ступицу снаружи и отверстие внутри, делаете два угловых шва, и фланец крепится. Просто, дешево и компактно.

Преимущества

Где вы их увидите: Охлаждающая вода, воздух и газ низкого давления, противопожарная защита, сантехнические работы. Места с низким давлением и ограниченным бюджетом.

3.4 Соединение под сварку встык (фланцевое соединение под сварку встык)

Фланцы для раструбной сварки имеют зенковку, чтобы конец трубы входил внутрь. Снаружи его фиксирует один угловой сварной шов. Между концом трубы и дном раструба остается зазор примерно в 1/16 дюйма. Этот зазор позволяет трубе расширяться при нагревании, не вызывая растрескивания сварного шва.

Преимущества

Ограничения

Где вы их увидите: Врезки в измерительные приборы, трубопроводы высокого давления малого диаметра, гидравлические системы. Везде, где диаметр трубы менее 2 дюймов и давление реальное.

3.5 Накладное соединение (фланцевое накладное соединение)

Фланцы с накладным соединением состоят из двух частей. Отводная часть приваривается к трубе и имеет закругленный припуск, образующий уплотнительную поверхность. Кольцо фланца представляет собой плоский диск, который надевается на отводную часть и может свободно вращаться. Кольцо обеспечивает отверстия для болтов. Отводная часть обеспечивает уплотнение.

Преимущества

Ограничения

Где вы их увидите: Системы, которые часто разбираются для чистки или осмотра. Трубопроводы, облицованные дорогими сплавами, где требуется, чтобы конец патрубка был из сплава, а кольцо — из углеродистой стали. Любое место, где выравнивание отверстий для болтов вызывает проблемы.

3.6 Соединение с глухим фланцем (Глухой фланец)

Глухие фланцы представляют собой просто цельные стальные диски без отверстия посередине. Прикрепите один к торцу фланца, и конец трубы будет герметично закрыт. Добавьте прокладку, и он будет выдерживать давление. Используйте его постоянно для перекрытия трубопровода или временно, пока ремонтные бригады работают выше по течению.

Преимущества

Где вы их увидите: Конец трубопровода, патрубки резервуаров, временное перекрытие во время технического обслуживания, конечные точки гидроиспытаний. А также в местах будущего расширения, где может потребоваться подключение в дальнейшем.

4. Методы герметизации, используемые в фланцевых соединениях

Идеально ровный фланец с плохой герметизацией будет протекать. Прокладка, нагрузка на болты и качество обработки поверхности фланца — все эти факторы должны работать согласованно. Если допустить ошибку в одном из них, два других не будут иметь значения.

Роль прокладок

Прокладки заполняют мельчайшие зазоры между поверхностями фланцев. При затягивании болтов прокладка сжимается и вдавливается в неровности поверхности, предотвращая утечку жидкости. Выбор правильного материала имеет значение. Спирально-навитая прокладка выдерживает высокие температуры. ПТФЭ выдерживает воздействие химических веществ. Резина выдерживает воздействие воды под низким давлением. Используйте неправильный материал, и вы скоро это поймёте.

Затяжка болтов и распределение нагрузки

Затягивайте по схеме «звезда», а не по часовой стрелке. Несколько проходов, каждый раз немного увеличивая момент затяжки. Минимальный инструмент – динамометрический ключ; гидравлические натяжители лучше подходят для больших фланцев. Перетягивание – и прокладка раздавится. Недостаточное затягивание – и герметичность не будет обеспечена. Большинство поломок, которые мы наблюдаем, происходит из-за недостаточной, а не чрезмерной затяжки.

Типы фланцев

Приподнятая поверхность (RF) уменьшает площадь контакта прокладки с поверхностью, что концентрирует сжатие и обеспечивает лучшую герметизацию. Плоская поверхность (FF) распределяет нагрузку по всей поверхности, что облегчает работу с мягкими прокладками. Кольцевое соединение (RTJ) имеет прецизионную канавку, которая врезается в металлическое кольцо прокладки. Эта герметизация сохраняется при давлениях и температурах, которые разрушили бы все остальное. Подберите тип поверхности в соответствии с прокладкой, а оба параметра — в соответствии с условиями эксплуатации. Если это сделать неправильно, все остальное потеряет смысл.

5. Факторы, влияющие на выбор способа подключения.

Мы видели накладные фланцы, рассчитанные на паропроводы с давлением 600 psi. Мы видели резьбовые фланцы на трубах диаметром 8 дюймов. Оба варианта вышли из строя. Вот на что следует обратить внимание, прежде чем выбирать тип соединения.

6. Преимущества и недостатки каждого метода

Мы тратим много времени на консультирование клиентов по выбору подходящего типа. Вот как шесть методов соотносятся друг с другом, если рассматривать то, что действительно важно на объекте.

Сравнение прочности

Сварная горловина является самым прочным. Коническая ступица позволяет распределять нагрузку от трубы к фланцу, как если бы они были единым целым. сварка внахлест Далее следует следующий этап, но только для труб малого диаметра. Надевать и соединение внахлест Они хорошо выдерживают умеренное давление; просто не следует подвергать их воздействию высоких нагрузок. С резьбой Качество соединений напрямую зависит от качества нарезанной в них резьбы. глухие фланцы Они не участвуют в одном и том же разговоре, они блокируют поток информации, они его не поддерживают.

Сравнение стоимости

Надевать выигрывает по стоимости материалов, поскольку использует меньше стали. С резьбой Это позволяет сэкономить на сварочных работах, что особенно важно при выполнении работ с десятками мелких соединений. Коленный сустав Это позволяет купить дешевое кольцо из углеродистой стали, даже если его конец изготовлен из инконеля. Сварная горловина Это самый дорогой вариант как в покупке, так и в установке, но за десять лет бесперебойной работы мы ни разу не слышали от клиентов жалоб на цену. сварка внахлест и слепой занимать промежуточное положение.

Простота установки

С резьбой Это самый быстрый способ. Прикрутить, затянуть, и всё. Надевать Далее следует: надеть на трубу, сварить изнутри и снаружи. Коленный сустав Облегчает выравнивание болтов, поскольку кольцо свободно вращается на конце паза. Слепой Фланцы — это просто болтовое крепление диска к торцу фланца, ничего сложного. сварка внахлест Необходимо вставить трубу точно на нужную глубину, с учетом компенсационного зазора в 1/16 дюйма. Сварная горловина Это требует больше всего времени и лучшего сварщика: снять фаску с трубы, идеально выровнять ее, нанести сварной шов с полным проплавлением, а затем проверить результат.

Рекомендации по техническому обслуживанию

Коленный сустав и нарезной Они ваши друзья, если вы часто разбираете вещи. Слепой Фланцы постоянно устанавливаются и снимаются по замыслу конструкции. Надевать В крайнем случае его можно отрезать, хотя вы покупаете новый фланец. сварка внахлест и сварная шейка Они должны оставаться на месте. Для их удаления потребуется шлифовальная машина и повторная сварка.

7. Типичные области применения методов фланцевого соединения

Каждая отрасль развивает производство фланцев в своем собственном направлении. Вот что мы видим на практике.

Нефть и газ

В нефтегазовой отрасли решающим фактором является давление. В трубопроводах высокого давления для углеводородов преобладают приварные соединения, поскольку ничто другое не обеспечивает такой же надежности. Глухие фланцы герметизируют участки для проведения технического обслуживания. Нахлесточные соединения встречаются на больших трубопроводах низкого давления, где совмещение отверстий для болтов — это уже половина дела.

Химическая обработка

На химических заводах фланцы подвергаются сильным нагрузкам. Горячие кислоты, щелочные струи, термические циклы — всё это накапливается. Приварные швы и раструбные швы справляются с большей частью этих нагрузок. Нахлёстное соединение имеет смысл, когда труба изготовлена ​​из хастеллоя или титана, и вы не хотите переплачивать за сплав для всего фланца. Одна утечка на химическом заводе может остановить работу установки на несколько дней, поэтому на герметичность нельзя экономить.

Очистка воды

Водоочистные и канализационные сооружения работают при умеренном давлении, а бюджеты всегда ограничены. По умолчанию используются накладные фланцы. Приподнятая поверхность с резиновой прокладкой стоит почти ничего и обеспечивает хорошую герметизацию при давлении 150 psi. Никто не пропускает пар высокого давления через линию отстойника.

Энергоснабжение

На электростанциях фланцы подвергаются сильному воздействию. Пар при температуре 600°F (около 260°C) постоянно поступает и выходит в течение всего дня. Каждый термический цикл создает нагрузку на соединение. Приварной шов является стандартом для основных паропроводов, поскольку он лучше всего выдерживает такие циклы. Раструбная сварка подходит для контрольно-измерительных отводов и небольших вспомогательных линий. Сварка должна быть качественной; некачественный сварной шов на электростанции не просто протекает, он подвергает людей опасности.

Морские и оффшорные системы

Работа на шельфе — суровая среда. Соленые брызги, ограниченное пространство и стоимость доставки запасных частей вертолетом. Приварные патрубки обеспечивают функционирование технологических линий. Глухие фланцы изолируют оборудование во время работы. Дуплексная нержавеющая сталь популярна, потому что обычная углеродистая сталь быстро ржавеет в таких условиях. Вес тоже имеет значение: каждый килограмм веса платформы обходится дорого.

Пищевая и фармацевтическая промышленность

В пищевой и фармацевтической промышленности проблема иная: бактерии любят щели. Любая зазорная зона, которую невозможно очистить, представляет собой риск загрязнения. По этой причине в большинстве санитарных систем используются фитинги зажимного типа вместо фланцев. Если же фланцы все-таки встречаются, то они почти всегда изготавливаются из нержавеющей стали 316L с полированной поверхностью. Обычные фланцы с выступающей поверхностью слишком шероховаты для этого мира.

8. Рекомендации по установке и обслуживанию

Даже высококачественный фланец будет протекать, если его неправильно установить. Мы видели, как патрубки сварных швов класса 600 выходили из строя из-за спешки при затяжке болтов. Вот что действительно важно на практике.

Правильное выравнивание

Поверхности должны быть параллельны, а отверстия для болтов должны совпадать без приложения силы. Если вы стягиваете фланцы вместе с помощью лебедки, остановитесь и выясните, в чем проблема. Несоосность создает изгибающее напряжение на прокладку, а ни одна прокладка не рассчитана на это. Используйте центрирующие штифты или временные болты, чтобы зафиксировать все на месте, прежде чем начинать окончательную затяжку.

Последовательность затяжки болтов

Затягивайте болты по схеме «звезда», никогда не по часовой стрелке вокруг фланца. Делайте несколько проходов, увеличивая крутящий момент каждый раз, а не затягивайте каждый болт до полного момента за один раз. Это позволит сохранить параллельность поверхностей, пока прокладка сжимается. Пропустите этот шаг, и вам почти наверняка придется вернуться, чтобы устранить утечку.

Выбор прокладки

Выбирайте прокладку в зависимости от конкретного применения, а не от наличия на складе. Спирально-навитые прокладки с внутренним и внешним кольцами подходят для большинства трубопроводов, работающих с углеводородами и паром. Втулки из ПТФЭ защищают волоконные прокладки от химического воздействия. И не используйте прокладку повторно. После сжатия она теряет свои свойства и не обеспечит герметичность во второй раз.

Проверка на наличие утечек

После затяжки болтов проверьте соединение с помощью жидкости для обнаружения утечек или ультразвукового контроля. Повторите проверку после первого термического цикла. Большинство прокладок выходят из строя во время первого нагрева и охлаждения. Запишите значения момента затяжки, тип прокладки и дату. Через шесть месяцев, когда кто-то спросит, почему протекает, этот листок бумаги сэкономит вам часы догадок.

Лучшие практики обслуживания

После первого термического цикла повторно затяните болты, затем проверяйте еще раз в соответствии с графиком, подходящим для данного типа трубопровода. Горячие, циклически затягивающиеся трубопроводы требуют более частых проверок, чем трубопроводы с холодной водой. Заменяйте прокладку каждый раз, когда разбираете соединение, и точка. Держите запасные фланцевые узлы на складе для критически важных трубопроводов; вы же не хотите ждать шесть недель доставки, если уплотнение насоса выйдет из строя в 2 часа ночи. И осмотрите поверхность фланца перед тем, как закрепить его обратно. Незначительная царапина или скол, которые вам кажутся незначительными, могут указывать на место протечки прокладки.

9. Заключение

Шесть способов, одна задача: соединить трубу так, чтобы она не протекала. Приварить горловину, когда нужна прочность. Сделать резьбу, когда сварка невозможна. Надеть, когда стоимость имеет первостепенное значение. Раструбная сварка для небольших линий высокого давления. Накладное соединение, когда вы регулярно разбираете детали. Глухое соединение, когда нужно перекрыть конец трубы.

Единого оптимального варианта не существует. То, что работает на нефтеперерабатывающем заводе при давлении 1500 psi, будет избыточным на водоочистной станции при давлении 150 psi. Оцените фактические условия эксплуатации, бюджет и частоту разборки соединения. Затем выберите подходящий метод.

Поговорите с поставщиком фланцев, пока вы еще на стадии проектирования, а не после того, как трубы уже проложены. Мы заменили достаточное количество вышедших из строя накладных фланцев, которые были предназначены для применений, где следовало использовать приварные фланцы. Задавайте вопросы заранее. Это сэкономит всем время и деньги.

Другие типы фланцев