Фланец – типы уплотнительной поверхности и отделки. Современные программные системы для корректного подбора фланцевых соединений

     Слово «фланец» пришло в русский язык из немецкого языка, как и само фланцевое соединение. По-немецки существительное Flansch обозначает ровно то же самое, что и производное от него русское слово «фланец», ─ плоскую металлическую пластину на конце трубы с отверстиями для резьбового крепежа (болтов или шпилек с гайками).

     Фланцы – одни из самых распространенных разъемных соединений, которые используются в промышленности. Фланцы служат для соединения отдельных частей аппаратов, а еще для присоединения к аппарату трубопроводов, трубопроводной арматуры, датчиков КИП, других элементов коммуникаций.  

     Фланцевые соединения отличаются прочностью и надежностью, что позволяет использовать их для комплектации трубопроводных систем, работающих под высоким давлением. При соблюдении ряда условий фланцевые соединения обеспечивают требуемую герметичность. Соединительная поверхность фланца - это площадь поверхности (зеркало), на которую устанавливается прокладка. Материал прокладки прилегает к поверхностям фланцев для создания эффективного уплотнения под давлением. Поверхности фланцев спроектированы в соответствии с нормативами. Чтобы предотвратить проблемы с утечкой, существуют различные типы уплотнительной поверхности фланцев.
При подборе ответных фланцев трубопроводной арматуры инженеру необходимо указывать, в дополнение к условному проходу и давлению, исполнение уплотнительной поверхности.

Типы и поверхности фланцев

     Не так давно вступил в силу новый фланцевый ГОСТ 33259 "Фланцы арматуры, соединительных частей и трубопроводов на номинальное давление до PN 250. Конструкция, размеры и общие технические требования". Он пришел на смену серии ГОСТов группы 12815-12822.  
Одно из ключевых изменений - замена цифрового обозначения исполнений зеркала (от 1 до 9) на буквенные (от А до М) и введение нового вида A -  плоскость.

В ранних нормативах было 9 обозначений исполнений зеркала.

1 - соединительный выступ; 2 - выступ; 3 – впадина; 4 – шип; 5 – паз; 6 – под линзовую подкладку; 7 – под прокладку овального сечения; 8 – с шипом под фторопластовую прокладку; 9 – с пазом под фторопластовую прокладку

     В соответствии с нормативами ГОСТ у поверхности фланца имеется 10 исполнений. Универсальным считается исполнение B с соединительным выступом - из него можно переточить фланец в любое другое исполнение. Исполнения уплотнительной поверхности зеркала должны соответствовать друг другу в составе фланцевого соединения: форма контактной поверхности одного фланца должна соответствовать зеркалу другого.

     Существует схемы соединения фланцев, которые образуют своеобразный замок для наилучшей герметичности: с соединительным выступом B-B, выступ-впадина E-F, шип-паз C-D.

     Выбор типа уплотнительной поверхности зависит от условий эксплуатации соединения. Выше показаны исполнения A-D, ниже показаны фланцы под линзовую прокладку K, под прокладку овального сечения J и соединение шип-паз L-M.

     Форма и характеристики поверхности уплотнительной поверхности фланца влияют на эффект уплотнения. Плоскостность уплотнительной поверхности фланца и перпендикулярность уплотнительной поверхности и осевой линии фланца влияют на равномерность напряжений прокладки и хороший контакт между прокладкой и фланцем. Существует несколько видов прокладок: неметаллические, металлические и комбинированные. Для зеркал L-M используют фторопластовую прокладку, а между J-J и K-K металлические -  прокладки овального сечения и линзовые. Более мягкая прокладка может лучше уплотняться на шероховатой поверхности, чем твердая прокладка. Это логично, потому что более жесткие прокладки требуют большей энергии сжатия для деформации и уплотнения по сравнению с мягкими прокладками.
Чтобы гарантировать идеальное сопряжение фланца с прокладкой и ответным фланцем, ГОСТ требует определенной шероховатости на поверхности фланца.

     Тип шероховатости определяет тип обработки поверхности фланца. Распространенными типами являются матовая, концентрическая зубчатая, спиральная зубчатая и гладкая поверхность фланца. Общая цель любого типа обработки поверхности фланца состоит в том, чтобы создать желаемую шероховатость.  Она обеспечивает прочное соединение между фланцем, прокладкой и ответным фланцем для высококачественного уплотнения.

     Минимальная шероховатость уплотнительных поверхностей для исполнений А, В, С, D, Е, F составляет Ra 3,2; исполнений L, М - Ra 0,8. Чтобы инженеру было проще перейти от старого норматива к новому, разработана таблица сравнения исполнения уплотнительных поверхностей.

     При выполнении инженерных расчетов и проверке фланцевых соединений на герметичность и прочность можно использовать различные программные комплексы, частично или полностью отвечающие за проверку работоспособности соединения.

     Чаще всего специалисты используют программные системы расчета, разработанные ООО «НТП Трубопровод»:

• СТАРТ - основной модуль и инструмент конструктора Элементы - для трубопроводов

• ПАССАТ - для аппаратов.

     Инструмент «СТАРТ-Элементы» позволяет получить условное давление фланца, на которое следует выбирать фланцевое соединение из расчетных данных изгибающего момента и осевой силы. Значения силы и момента, действующих на фланец, можно определить из расчета трубопровода в модуле «СТАРТ-Базовый» (основной модуль программы СТАРТ).

     В модуле «СТАРТ-Базовый» инженер может не только получить значения силы и момента, но и сразу провести проверку на герметичность и прочитать выводы. При этом важно, чтобы фланцевое соединение было выбрано заранее.

     Такой расчет позволит понять, выдерживает ли фланцевое соединение усилия и внутреннее давление в трубопроводе, не нарушится ли герметичность соединения. Если же расчетное давление фланца меньше расчетного давления в трубе, следует принимать меры по уменьшению сил и моментов в соединении или использовать другое фланцевое соединение, которое рассчитано на большее давление.

     Расчет фланцевого соединения можно провести в программе ПАССАТ, отвечающей за расчет сосудов и аппаратов и их деталей под давлением.

     Такой расчет предлагает более подробный анализ каждой детали фланцевого соединения на прочность и жесткость с указанием размеров и типа фланцев, крепежа и прокладок. При необходимости программа позволяет задавать и внешние нагрузки, действующие на фланец, или получать значения допустимых нагрузок по результатам расчета.

     Таким образом, современный инженер может использовать полный функционал расчетных программ для подбора и анализа корректных фланцевых соединений, которые пройдут проверку на герметичность и внутреннее давление.

      Если у вас остались вопросы по использованию программных продуктов или подбору фланцевых соединений, требуется обучение или помощь в проектировании, пожалуйста, свяжитесь с нами. Инженеры группы компаний «Русский САПР» с радостью помогут решить ваши задачи и ответят на вопросы. 

Работайте с нами, работайте с удовольствием!

Материал подготовила Наталья Гаврилина,
руководитель направления по системам инженерного анализа АО «Бюро САПР»