Как правильно выполнить соединение стальных труб фланцами?

Содержание

Соединение стальных труб фланцами

При монтаже трубопроводов для соединения отдельных элементов, чаще всего, применяется сварка. Но иногда необходимо сделать соединение разборным либо произвести стыковку элементов, изготовленных из разных материалов (например чугунных труб , керамических или полипропиленовый труб для системы канализации ). В этом случае может быть использовано фланцевое соединение труб. Разберемся, как оно выполняется.

Фланцевые соединения применяются при монтаже трубопроводов большого диаметра, так как фланцы, применяемые для стыковки деталей, достаточно громоздкие и тяжелые. Существует несколько разновидностей фланцевых соединений, но все они выполняются в соответствии с требованиями ГОСТ. Разберемся, какие варианты соединений при помощи фланцев используются чаще всего.

Общее описание

Для соединения двух труб используются фланцы (одна из разновидностей фитингов или так назвываемые фасонная часть канализационной трубы ), представляющие собой плоское кольцо (фланец может иметь и другую форму, например, квадратной рамки). В центре детали располагается отверстие, в которое вставляется торец трубы.

По контуру «рамки» расположено четное количество монтажных отверстий, предназначенных для установки крепежных деталей. Для крепления могут применяться болты или шпильки с гайками.

При использовании фланцев места стыков получаются разъемными. Для того чтобы соединение получилось герметичным, устанавливают уплотняющие кольца или прокладки. Используются фланцы для стыковки труб между собой, а также при присоединении трубы к емкости, имеющей вводящий патрубок, к которому приварен фланец.

Материалы изготовления и виды

Для выполнения соединения металлических труб могут быть использованы фланцы, изготовленные из следующих материалов:

Чугун серый. Детали изготавливают методом литья. Использовать эти детали разрешено при интервале рабочего давления до 16 МПа. Температура транспортируемой среды должна быть в пределах от -15 до +300.
Чугун ковкий. Изготавливаются детали методом литья. Разрешено применять для монтажа трубопроводов с рабочим давлением до 4 МПа, а вот рабочий диапазон температур более широкий – от -30 до +400.
Сталь. Литые стальные фланцы могут быть использованы для соединения труб из разных материалов. Максимальное рабочее давление – до 20 МПа, температурный диапазон очень широк – от -250 до +600 градусов.
Сталь. Фланцы приварные используют для сборки трубопроводов, работающих при небольшом давлении — до 2,5 МПа.

Для изготовления фланцев используются разные виды стали – легированная, углеродистая, нержавеющая.

Относительно недавно стали использовать фланцы из полимерного материала. Применяют полипропиленовые детали на пластиковых трубопроводах, работающих без давления (или с незначительным давлением). В зависимости от назначения выделяют два вида фланцев:

Проходные. Их используют для соединения трубы с другими деталями трубопровода.
Глухие. Устанавливают в тупиковых ветках магистрали.

Принцип

Чтобы осуществить соединение труб фланцами, необходимо, чтобы на торцах обоих соединяемых деталей были установлены крепежные детали. Причем эти детали должны быть идентичными, иначе провести герметичное соединение деталей будет невозможно. Фланцы, устанавливаемые на концах свариваемых деталей, называют ответными.

Крепится фланец на торец трубы одним из двух способов:

на резьбу (применимо только для безнапорных трубопроводов);
при помощи сварки.

После того, как оба ответных фланца будут установлены, их соединяют и стягивают при помощи крепежных деталей.

Шпилька, в отличие от болта, не имеет головки. Резьба нарезана на шпильке с двух сторон. Благодаря этому, при выполнении соединения можно затягивать фланцы с двух сторон, накрутив гайки на обе стороны шпильки.

Выбор

Как и любая другая фурнитура, используемая для сборки трубопроводов, фланцы выпускаются разных типоразмеров. Разберемся, на какие характеристики нужно обращать внимание.

Проход условный

Это очень важная характеристика. Условный проход фланца – это, по сути, внутренний диаметр трубы, на которую эта деталь устанавливается. Обозначается этот параметр буквенным обозначением Ду, измеряется в мм. Для приварных фланцев вместе с размером условного прохода указывается латинская буква, буквой обозначается наружный диаметр трубы.

Ряд

Детали, имеющие одинаковый условный проход, далеко не всегда одинаковые. Еще одним важным параметром является рядность. Отличия моделей:

в разнице межосевых расстояний крепежных отверстий;
диаметром крепежных отверстий.

Рабочее давление

При выборе арматуры очень важно обращать внимание на такой показатель, как рабочее давление в трубопроводе. Этот показатель определяется максимально возможным давлением, при котором трубопровод может функционировать без образования протечек в местах разборных соединений. Показатели условного давления зависят от следующих параметров:

геометрические размеры деталей;
материал изготовления;
наличия и материала уплотнительной прокладки.

Рабочая температура

Этот показатель не менее важен, так как при превышении максимальных показателей, в местах фланцевых соединений может образоваться течь. Параметры рабочего давления и рабочей температуры зависят друг от друга, поэтому эти показатели указывают в специальных таблицах в сопроводительной документации к изделию.

Выбор прокладки

Для герметизации соединения обязательно используются прокладки. Особенно важно правильно рассчитать степень герметизации при эксплуатации трубопровода под давлением. Выбор материала для изготовления прокладок зависит от условий эксплуатации и свойств транспортируемой среды. Чаще всего применяют:

Резину. В зависимости от свойств среды выбирают материал, устойчивый к действию кислот и щелочей, маслу и нефтепродуктам, температуре.
Паронит. Может быть применен материал общего назначения или маслостойкий.
Фторопласт.
Асбестовый картон.

Прокладку вырезают по форме фланца, её толщина зависит от выбранного материала.

Читать статью Как приварить фланец к трубе: монтаж фланцевых соединений

Как выполняется соединение?

Важнейшим моментом монтажа является затяжка фланцевого соединения. Важно добиться максимальной герметизации стыка.

Подготовительный этап

Прежде всего, нужно осмотреть соединяемые поверхности фланцев, на них не должно быть заметно дефектов в виде выбоин и царапин.

Должны отсутствовать следы коррозии.

Осмотреть на предмет выявления дефектов нужно не только сами фланцы, но и крепеж – болты (шпильки) и гайки.

Рекомендуется предварительно «прогнать» гайки по резьбе болта, чтобы убедиться, что на резьбе нет дефектов. Далее нужно установить новую прокладку, убедившись в том, что она стоит правильно.

При разборке и последующей сборке устанавливать старую прокладку не рекомендуется. В крайнем случае, допустимо установить 2-3 прокладки, бывших в употреблении, при условии, что они не имеют явных повреждений.

Как проводится затяжка?

Для обеспечения равномерной затяжки нужно закручивать болты в определенной последовательности. Рекомендуется выполнять работу так:

слегка накручивается первый болт (любой);
вторым затягивают (тоже слегка) болт, расположенный напротив первого;
третий болт, который следует слегка затянуть, расположен под углом около 90 градусов по отношению к первому и второму;
четвертый болт, с которым нужно работать, находится напротив третьего.

Таким образом, если используется фланец с четырьмя отверстиями, то затяжка болтов ведется по принципу «крест-накрест». Если используется деталь с шестью отверстиями, то первые четыре болта затягиваются так же, затем, работают с пятым болтом, расположенным между первым и третьим, а последним подтягивают болт, находящийся между вторым и четвертым.

Завершив этот этап, начинают постепенно подтягивать болты в той же последовательности. Чтобы обеспечить герметичное соединение, болты должны быть затянуты с определённым усилием.

Если перестараться, то можно сорвать резьбу, а если затяжка будет неравномерной, то добиться герметичности не получится. Чтобы обеспечить равномерное усилие при затяжке, используют специальные приспособления:

динамометрический ключ – ручной или гидравлический;
пневматический гайковерт;
натяжной механизм с гидроприводом.

После запуска трубопровода в течение первых суток эксплуатации возможно ослабление затяжки в пределах 10%. Поэтому на вторые сутки после запуска системы необходимо дополнительно подтянуть соединения.

Итак, для создания разборного соединения трубопровода могут быть использованы фланцы. Несмотря на относительную простоту выполнения фланцевых соединений, монтажные работы должны выполнять только специалисты. Особенно в том случае, если соединения выполняются на трубопроводах для транспортировки опасных сред. Выполнение работ на трубопроводах, работающих под давлением, выполнение фланцевых соединений осуществляется под контролем инженеров.

Как правильно выполнить соединение стальных труб фланцами?

Болт в соединении – это не болт – это пружина! Затяжка фланцев – это вы натягиваете или ослабляете пружину. На рисунках № 1 показано, как можно рассматривать пружину для восприятия болта, стягивающего фланцы.

Рисунок № 1. Силы, действующие на «болт-пружину»

Болт называется «болт-пружина».

Усилие «болт-пружина» должно сближать фланцы больше, чем силы, действующие, чтобы раздвинуть их. Если пружина болта слишком ослаблена, давление растягивает болт, фланец открывается и протекает. Для предотвращения разделения фланцев болты предварительно нагружены (растянуты). Показатели крутящего момента болта рассчитываются для получения болта, растянутого как минимум до 65% от его предела текучести.

Читайте также: Объем канализационного колодца и расчет. Расчет объема кольца в м3

Предел текучести – это напряжение, при котором хвостовик болта начинает растягиваться (предел – это момент при котором он сломается).

Выбор

Проход условный

Ряд

в разнице межосевых расстояний крепежных отверстий;
диаметром крепежных отверстий.

Рабочее давление

геометрические размеры деталей;
материал изготовления;
наличия и материала уплотнительной прокладки.

Рабочая температура

Прокладка это не прокладка

Когда прокладка зажата между фланцами, она ведет себя как уплотнение и как пружина. Рисунок № 2 показывает, что прокладка ведет себя как пружинящий материал, оказывающий свою собственную реактивную силу. В этой статье это будет упоминаться как «прокладка-пружина».

Рисунок № 2. Силы, действующие на «прокладку-пружину»

«Прокладка-пружина» будет ползти (сквош) со временем или температурой.

Ползучесть прокладки – это постепенная потеря ее упругости. Натяжение пружины в прокладке ослабевает. Ползучесть прокладки может потребовать периодического повторного натяжения фланцев. Часто необходимо проверять таблицы болтов и крутящего момента изготовителя прокладки, чтобы выбрать максимально допустимый крутящий момент, который будет использоваться.

Когда используются резиновые, пробковые или аналогичные мягкие прокладки, болты больше нельзя растягивать, чтобы закрепить прокладку на месте. Если болты затянуты, мягкая прокладка выдавливается. При использовании мягких прокладок уплотнение обеспечивают только свойства пружины материала прокладки. Мягкие прокладки разрешается использовать только в условиях низкого давления.

Обычно клей наносится на поверхности прокладки, чтобы механически связать их с поверхностями фланца и уменьшить вероятность утечки.

Чтобы предотвратить утечку фланца, необходимо проверить несколько вещей. В следующей таблице приведены некоторые рекомендации.

Общее описание

Для соединения двух труб используются фланцы, представляющие собой плоское кольцо (фланец может иметь и другую форму, например, квадратной рамки). В центре детали располагается отверстие, в которое вставляется торец трубы.

Читать статью Как приварить фланец к трубе ровно

Читайте также: Обустройство скважины на воду своими руками

При использовании фланцев места стыков получаются разъемными. Для того чтобы соединение получилось герметичным, устанавливают уплотняющие прокладки. Используются фланцы для стыковки труб между собой, а также при присоединении трубы к емкости, имеющей вводящий патрубок, к которому приварен фланец.

Что требуется

Вал болт-пружины должен быть растянут до 75% – 80% от выхода материала и превышать максимальную нагрузку болта.
Использовать болты с достаточной прочностью на растяжение, чтобы воспринимать процесс и усилия затяжки фланцев.
Натяжение болта должно учитывать циклические нагрузки, ударные нагрузки, сдвиговые нагрузки и вибрации.
При подтягивании болтов старайтесь прикладывать крутящий момент равномерно и непрерывно.
Чистые плоские поверхности фланцев.
Затяжка фланцев. Используйте шайбы под головку болта и гайку.
Прокладка должна быть подходящей для удержания содержимого трубы и иметь незначительное проскальзывание прокладки.
Отрежьте аккуратную прокладку с жестким допуском, чтобы полностью закрыть прижимную поверхность фланца.

Что можно сделать

Спросите производителя болта о максимальном крутящем моменте болта и количестве витков от плотного прилегания для достижения этого или используйте шайбы, указывающие нагрузку.

В качестве последнего средства используйте натяжной гаечный ключ высокого качества в соответствии со спецификацией крутящего момента производителя болта. Проверьте метки штамповки головки болта на соответствие стандартам изготовителя головки болта, чтобы убедиться, что болты и гайки соответствуют требованиям нагрузки для обслуживания.

Поменяйте болт на более высокий предел прочности на разрыв и подтяните его сильнее. Убедитесь, что все болты имеют одинаковую мощность и диаметр. Слегка смажьте резьбу болта и следуйте рекомендуемой последовательности затяжки болтов.

Проверьте, чтобы оба фланца были чистыми и плоскими. Положите стальной прямой край на каждую сторону и убедитесь, что они плоские. Поверхности фланцев машины не являются плоскими и имеют достаточную толщину, чтобы соответствовать требованиям кодов давления.

Шайба служит для равномерного распределения нагрузки и устранения эффекта высоких пятен под головкой или гайкой, вызывающих неравномерную опору.

Выберите самую тонкую прокладку из-за высоких требований к посадке.

Используйте новые прокладки, поскольку старые прокладки потеряли свою «пружину». Прокладка должна полностью покрывать нажимные поверхности, чтобы нагрузка на фланец равномерно сдавливала прокладку.

Материал фланцев

Наряду с другими характеристиками государственный стандарт предписывает материал для производства арматуры. Как правило, состав последних подбирают под состав труб. К другим критериям подбора относят:

температурный режим;
стойкость к коррозийным процессам;
давление;
химическую агрессивность рабочих сред;
пластичность.

Обычно материалом для арматуры служат сталь, чугун. Среди стальных сплавов чаще берут конструкционный углеродистый ст.20; конструкционный низколегированный 09г2с; нержавеющий 12х18н10т. Реже используют алюминий, латунь, бронзу, титан, полипропилен.

Требования предъявляются и к герметичным прокладкам. Выбор их материала зависит от назначения магистрали, характеристик соединения, рабочей среды. Они бывают:

неметаллические, самый распространенный тип (резина, фибра, паронит, фторопласт, асбокартон);
металлические (медные, стальные). При этом твердость металла должна быть меньше, чем у фланцевого состава.
комбинированные, изготовленные из двух и более материалов (например, металл-полимер/графит, резина-полимер).

Таблицы зависимости материала от условий эксплуатации представлены в ГОСТах.

Затягивание болта и гайки

Затяжка фланцев «на ощупь» – самый неточный метод.

Поскольку у всех разные «чувства», вероятность ошибки составляет 35%. Использование динамометрического ключа имеет ошибку 25%. Количество поворотов от аккуратной ошибки 15%. Нагрузочные шайбы имеют погрешность 10%. Изменение измерения длины болта имеет погрешность 5%. Измерение напряжения болта является наиболее точным методом с погрешностью 1%.

Читайте также: Правила сварки полиэтиленовых труб

Рисунок № 3 дает представление о том, как измерить крутящий момент. Крутящий момент – это мера кручения, создаваемого силой, приложенной на перпендикулярном расстоянии от точки кручения. Эскиз показывает человека весом 80 кг, стоящего на горизонтальном гаечном ключе длиной один метр.

Этот человек применяет крутящий момент около 800 Ньютон-метров (Нм) (80 кг х 10 м / с2 = 800 Нм). Но это на уровне моря в условиях полной гравитации, в космосе, где человек не будет иметь веса, он не сможет применить крутящий момент этим методом. Если бы длина ключа составляла 500 мм (половина предыдущей длины), крутящий момент составлял бы 400 Нм, а если бы он был длиной 300 мм, то крутящий момент составлял бы около 250 Нм.

Рисунок № 3. Крутящий момент на гайке

Момент затяжки фланцев, который рекомендуется для высокопрочных 20-мм болтов, чтобы обеспечить предел текучести 75%, составляет около 550 Нм. Человек, затягивающий фланцевый болт диаметром 20 мм с помощью длинного гаечного ключа длиной 300 мм или даже 450 мм, вероятно, не будет генерировать достаточное усилие для натяжения болтов.

На болтах диаметром 20 мм и более, в зависимости от давления в трубе и типа прокладки, может потребоваться использование удлинительного рычага на гаечном ключе или гидравлического натяжителя гайки для получения необходимого крутящего момента.

Поверхность резьбы болта

Поверхностная обработка резьбы болта и гайки также влияет на величину крутящего момента, необходимого для предварительной нагрузки (растяжения) болта.

Сухая оцинкованная резьба болта создает большее трение между болтом и гайкой, чем та, которая хорошо обработана и смазана. При одинаковом прилагаемом крутящем моменте затягивание сухой оцинкованной резьбы дало бы меньшее растяжение болта, чем натяжение обработанной и смазанной резьбы. Имеются таблицы, в которых указаны факторы, с помощью которых можно увеличить или уменьшить рекомендованный производителем момент затяжки болтов.

Они варьируются от 2,1 для сухой оцинкованной резьбы до 0,7 для хорошо обработанной и смазанной резьбы.

Разновидности фланцевых соединений для труб

Системы трубопроводов должны иметь повышенную надёжность и долговечность, поэтому соединение элементов производят сваркой. Но иногда встречаются случаи, когда применение сварных соединений оказывается нереальным. Например, требуется монтаж фитингов и агрегатов, обеспечение разборных узлов и соединение труб из различных материалов (чугун со сталью, сталь с асбестоцементом, чугун с пластиком, пластик со сталью и т.п.), а также множество других технологических процессов. Для этих целей самым подходящим является фланцевое соединение, ведь конструктивно такой монтаж очень прост и предусматривает два фланца с прокладкой между ними и стяжку при помощи шпилек или болтов.

Читать статью Что такое фланцевые соединения? Типы фланцевых соединений. Фланцевые соединения в промышленности

Действующие стандарты качества

Для стандартизации продукции существует несколько классификаций, которые работают во всем мире.

ГОСТ – стандарт качества, действующий в странах СНГ;
DIN – европейский стандарт;
ASME/ANSI – стандарт, действующий на территории Японии, США и Австралии.

Согласно приведённым классификациям, созданы таблицы с переводами по указанным значениям.

Материалы изготовления

Материалом для изготовления фланцев может служить:

сталь углеродистая;
легированная сталь;
ковкий и обычный чугун;
нержавеющая сталь;
полипропилен.

Важно знать! Фланцы из полипропилена появились недавно и нашли свое применение в системах, не имеющих большого давления, а также для стыковки пластиковых труб с металлическими.

Типы

Согласно ГОСТу, все фланцы имеют обозначение и разделяются на такие виды:

ГОСТ 12821-81 (воротниковые);
ГОСТ 12820-81 (плоские фланцы);
ГОСТ 28759-90 (аппаратные фланцы и для сосудов);
ГОСТ 12822-80 (фланцы на резьбовом соединении и приварном кольце);
ГОСТ 12836-80 (заглушки кольцевые).

В соответствии со стандартом фланцы имеют круглую форму, но допускаются и квадратные как минимум с четырьмя отверстиями под крепежные элементы. Также для таких фланцевых соединений трубопроводов действуют ограничения по максимально допустимому давлению в размере 4 МПа.

Применение фланцев и способ монтажа

Установка фланцевых соединений производится на трубопроводах, диаметр которых начинается от 32 мм. Монтаж стальных трубопроводов, применяемых для сточных вод или перекачки воздушных масс, осуществляют на овальных фланцах. На других, более ответственных, системах используются только круглые фланцевые соединения.

По способу монтажа все виды трубопроводов делятся на свободные и жесткие. Первые монтируются на резьбовых соединениях, и для повышения их надежности осуществляется уплотнение специальными материалами (фум-лента, пакля, локтит и т.п.), а также развальцовываются края. Жесткие же соединения крепятся при помощи сварки.

Рекомендуем к прочтению:

Обозначения, которые следует знать при выборе фланцев

Так как для труб и фланцев существуют свои конструктивные особенности, на них следует обратить внимание при выборе арматуры. Для правильной расшифровки обозначений на фланцах нужно знать следующие термины:

Ду (условный проход) – это обозначение указывает на внутренний диаметр, например, труб, фланцев, запорной арматуры и т.п.

Важно знать! Если внутренний диаметр плоских фланцев имеет размер 100, 125, 150, то к размеру добавляется аббревиатура А, Б, В, что указывает на разность внешнего диаметра.

Ряд – это межосевое расстояние между крепёжными отверстиями. Существует два типоразмера для любого приварного фланца – ряд «1» и ряд «2» (является типоразмером по умолчанию, в случае отсутствия обозначений).
Условное давление – это давление в системе, при котором обеспечивается полноценная работоспособность трубопроводов, без протечек и разрывов. В зависимости от типоразмера и материала фланцев показатели по номинальному давлению будут разниться.

Совет! При выборе следует учитывать не только диаметр труб, но и допустимое давление в системе. Также нужно учитывать, что размерности по давлению могут указываться в МПа (Па), Бар, Атм или кгс/см 2 (м 2 ).

Из чего состоит и как монтируется фланцевое соединение?

В комплект одного соединения входит два фланца одного типоразмера в соответствии с размером стальных труб, прокладка, а также комплект болтов или же шпилек с шайбами и гайками. Иногда под болты устанавливаются изолирующие втулки, чтобы предотвратить попадания блуждающих токов на аппаратуру, ведь они могут привести к их поломке.

Для соединения могут использоваться:

Болты с шестигранными головками и соответствующие им гайки. Такой вид соединений применяется на трубопроводах с давлением не более 2,5 МПа и рабочей температурой до 3000 градусов Цельсия.
Шпильки с шестигранными гайками и шайбы. Следует применять для трубопроводов с рабочим давлением 4 МПа и выше, а также температурой более 3000°C и менее 400°C. Преимуществом такого крепления является более равномерная затяжка элементов конструкции и монтаж в труднодоступных местах.

Герметизация фланцевого соединения

Чтобы фланцевое соединение было герметичным и надёжным, обязательно должна присутствовать прокладка, соответствующая типоразмеру фланцев.

В соответствии с применяемой средой, давлением и температурой труб для прокладки могут использоваться следующие материалы:

Масло- или бензостойкая резина – МБ (7338-77);
Теплоустойчивая резина – Т(7338-77);
Мало- и бензостойкий паронит – ПМБ(481-80);
Щелоче- и кислотостойкая резина – КЩ (7338-77);
Асбестокартон;
Паронит для общего использования – ПОН(481-80);
Фторопласт.

Подготовка фланцев для монтажа и стяжки

Монтаж стальных фланцев на трубопроводы начинается с подготовки всех элементов конструкции, а именно с удаления:

Рекомендуем к прочтению:

старого лакокрасочного покрытия;
масляных загрязнений;
любого вида ржавчины;
окалин или заусенец с резьбы.

Еще одним важным моментом является вырезание и подгонка прокладки по размеру фланцев.

Процесс затяжки и последовательность действий

После того как фланцы приварены, и между ними установлена прокладка, следует убедиться, что она не мешает установке стяжных болтов или шпилек.

Чтобы обеспечить равномерную стяжку труб, все болты закручиваются до небольшого усилия. Затем затягивается первый болт, а вторым после него будет противоположный к нему и т.д. Метод затяжки называется «крест-накрест» – это обеспечит максимальную равномерность уплотнения прокладки и предотвратит чрезмерное напряжений труб.

Инструмент, требуемый для монтажа фланцев и их соединения

Монтаж фланцев для стальных трубопроводов осуществляют следующим набором инструментов:

Болгарка с кругом для зачистки и отрезания;
Сварочный аппарат требуемой мощности;
Перфоратор;
Набор накидных ключей для затяжки труб. Лучшим вариантом станет динамометрический ключ или пневмогайковерт.

Важно! Помимо инструмента требуются расходники: сверла, щетки, смазочные и лакокрасочные материалы, коронки и т.п. Все зависит от условий монтажа, сложности конструкции и опасности при работах.

Практического применения фланцевого типа соединения трубопроводов в быту нет, данная технология используется на предприятиях и заводах. В связи с этим все узлы конструкций проходят жесткую проверку согласно всем нормативным актам.

Несмотря на всю простоту установки фланцевых соединений на системы трубопроводов, работу по монтажу должны осуществлять только специально обученные бригады слесарей. А в системах с повышенной опасностью (газопроводах, водопроводах и для других трубопроводов с высоким давлением) весь процесс установки или ремонта обязательно происходит под контролем инженера.