Фланцы и опоры трубопроводов: виды, размеры и изготовление по чертежу

Фланец на чертеже выглядит как шайба с отверстиями, но именно на нём чаще всего заканчивается герметичность трубопровода: соединение либо не собирается, потому что заказали фланец другого стандарта, либо течёт по прокладке, потому что перепутали исполнение уплотнительной поверхности. Разберём, чем отличаются типы фланцев по ГОСТ 33259, какие присоединительные размеры обязаны быть в заказе, как фланец делается из круга, поковки и листа, и почему опоры трубопровода — часть той же задачи: без правильно расставленных неподвижных опор фланцевое соединение рвёт температурным расширением.

Фланцевое или резьбовое соединение: где проходит граница

На трубопроводе есть три способа соединить участки. Сварка даёт неразъёмный стык — дёшево, герметично, но разобрать узел можно только болгаркой. Резьбовое соединение на муфтах, сгонах и штуцерах живёт на малых диаметрах и невысоких давлениях: собирается быстро, но для разборки нужно вращать трубу или ставить сгон с контргайкой, а уплотнение по резьбе стареет. Фланцевое соединение — единственный способ разобрать узел на месте, не трогая соседние участки, и поэтому оно стоит там, где арматура, насос, теплообменник или фильтр должны сниматься на обслуживание.

Фланцевое соединение — это всегда комплект из четырёх элементов: два ответных фланца, прокладка и крепёж. Прочность узла даёт крепёж, а герметичность — прокладка, обжатая до расчётного удельного давления. Металл фланца в уплотнении почти не участвует, он только передаёт усилие. Отсюда практический вывод: подавляющее большинство течей по фланцу — это не «плохая сталь», а неверная пара «прокладка — уплотнительная поверхность», перекос при затяжке или попытка стянуть болтами несоосные трубы.

• Сварной стык — магистральные участки, где разборка не планируется.
• Резьбовое соединение — обвязка малых диаметров, приборы, дренажи, вода и воздух низкого давления.
• Фланцевое соединение — арматура, оборудование, участки под ревизию, переходы между материалами, всё, что снимается.

Типы фланцев по ГОСТ 33259 и когда какой нужен

Действующий стандарт на фланцы арматуры, соединительных частей и трубопроводов — ГОСТ 33259-2015, он заменил привычную связку ГОСТ 12820/12821 и гармонизирован с европейским EN 1092-1. Конструктивных типов, которые реально встречаются в заказах, три плюс заглушка.

• Плоский приварной, тип 01. Диск с отверстиями, надевается на трубу и приваривается двумя угловыми швами — снаружи и изнутри. Самый дешёвый и самый ходовой вариант для воды, отопления, воздуха и низких давлений. Ограничения: угловой шов хуже работает на циклические нагрузки и вибрацию, поэтому на высокие PN и на паровые линии его не ставят.
• Приварной встык, тип 11 (воротниковый). Имеет шейку-воротник с разделкой под стыковой шов. Переход от трубы к фланцу плавный, концентратора напряжений нет, шов контролируется ультразвуком. Это рабочий вариант для пара, высоких давлений, знакопеременных нагрузок и ответственных технологических трубопроводов.
• Свободный на приварном кольце, тип 21. Фланец не приварен, а свободно вращается на кольце или бурте, приваренном к трубе. Два плюса: отверстия при монтаже совмещаются поворотом фланца, а со средой контактирует только кольцо. На нержавеющей или цветной линии это позволяет сделать сам фланец из углеродистой стали и сэкономить на дорогом металле.
• Глухой фланец (заглушка). Тот же диск без внутреннего отверстия — закрывает конец линии, отсекает участок на опрессовке или закрывает резервный отвод.

Отдельно стоит резьбовой фланец, который навинчивается на трубу: применяется редко, в основном на низких давлениях и там, где сварка запрещена. Для агрессивных сред и пара его не используют.

DN, PN и присоединительные размеры: что писать в заказе

Два числа определяют, соберётся соединение или нет. DN — условный проход, безразмерная величина, привязанная к внутреннему диаметру, но не равная ему: у трубы DN 100 наружный диаметр 108 мм, а не 100. PN — номинальное давление в барах при температуре 20 °C. С ростом температуры допустимое рабочее давление для того же фланца падает, и это отдельная таблица стандарта, а не «запас на всякий случай».

Ряд номинальных давлений: PN 6, 10, 16, 25, 40, 63, 100, 160, 250. Главное правило: фланцы одного DN, но разных PN не стыкуются между собой — у них разный наружный диаметр, разный диаметр окружности болтов и часто разное число отверстий. Так же не стыкуются метрический фланец PN 16 и американский ASME B16.5 class 150: диаметры близкие, но окружность болтов и крепёж дюймовые.

Ещё одна деталь, которую забывают в самодельных чертежах: болтовые отверстия располагают симметрично относительно главных осей фланца, но не на самих осях. Это нужно, чтобы верхняя и нижняя точки соединения оставались свободными и фланец можно было развернуть на 180 градусов без совпадения крепежа с осью арматуры.

Уплотнительная поверхность, прокладка и затяжка

ГОСТ 33259 задаёт несколько исполнений уплотнительной поверхности, и их путаница — вторая по частоте причина течи после перепутанного PN. Плоская поверхность (исполнение A) работает с мягкой прокладкой на всю ширину и годится для умеренных давлений. Пара «выступ — впадина» (исполнения B и C) фиксирует прокладку от выдавливания и держит более высокое давление. Пара «шип — паз» (D и E) полностью запирает прокладку в замкнутом объёме и применяется на ответственных и токсичных средах. Есть исполнения под линзовую и овальную металлическую прокладку — это уже область высоких давлений.

Стыковать между собой можно только парные исполнения: выступ идёт во впадину, шип — в паз. Два плоских фланца собираются друг с другом, два фланца с выступом — уже нет.

Шероховатость уплотнительной поверхности назначается не «почище», а под тип прокладки. Под мягкую прокладку из паронита, графита или фторопласта поверхность делают с концентрической или спиральной риской в диапазоне примерно Ra 3,2–6,3 мкм: такая насечка удерживает прокладку от выдавливания и увеличивает площадь сцепления. Под спирально-навитую и металлическую прокладку поверхность обрабатывают чище. Абсолютно недопустима радиальная риска — след инструмента поперёк канавок становится готовым каналом утечки, и никакой затяжкой он не закрывается.

• Паронит — вода, пар умеренных параметров, нефтепродукты. Дёшево, но стареет и течёт после нескольких циклов нагрева.
• Терморасширенный графит — пар и высокие температуры, хорошо переносит цикличность.
• Фторопласт — химия и пищевые среды, ограничен по температуре и склонен к холодной текучести.
• Спирально-навитая — ответственные технологические линии, ударные и вибрационные нагрузки, широкий рабочий диапазон.

Затягивают фланец крест-накрест в несколько проходов: сначала примерно на четверть усилия, затем на половину, затем на полное, и только после этого делают контрольный обход по кругу. После первого прогрева линии соединение подтягивают повторно — прокладка обжимается. И главное: болтами нельзя стягивать несоосные трубы. Если фланцы разошлись по параллельности или по оси, монтажник, дотянувший их крепежом, переносит эти напряжения на сварные швы и на саму трубу, и авария случится не на прокладке, а рядом с ней.

Изготовление фланцев: круг, поковка или лист

Изготовление фланцев в цехе идёт по трём маршрутам, и выбор между ними определяет и цену, и сроки, и качество металла в готовой детали.

Из листа. Заготовка вырезается лазером или плазмой сразу с внутренним отверстием и наружным контуром, дальше идёт токарная операция: подрезка торцов, расточка внутреннего диаметра, обработка уплотнительной поверхности с нужной риской. Отверстия сверлятся по кондуктору или на обрабатывающем центре. Это самый экономный маршрут для плоских фланцев среднего и большого диаметра: из круга такую деталь точить означает срезать в стружку больше половины дорогой заготовки. Раскрой мы делаем лазерной резкой, толстые заготовки — плазмой.

Из круга. Прутковый прокат режется на заготовки и полностью проходит токарную обработку: наружный диаметр, обе плоскости, расточка, уплотнительная поверхность, фаски. Маршрут оправдан на малых диаметрах, на единичных деталях и на любом нестандарте — когда нужен фланец с чужим болтовым кругом, под нестандартную трубу или ответная деталь к импортному оборудованию, размеры которой снимают с образца.

Из поковки. Обязательный вариант для приварных встык фланцев с воротником и для высоких давлений. Воротник, выточенный из круга, означает перерезанные волокна металла и гору стружки, а кованая заготовка даёт нужное направление волокна и плотную структуру. Для ответственных линий поковка идёт с сертификатом и, при необходимости, с ультразвуковым контролем.

Что реально контролируется в готовом фланце: перпендикулярность уплотнительной поверхности к оси расточки, плоскостность этой поверхности, соосность внутреннего отверстия и окружности болтов, направление риски и отсутствие забоин. Нержавеющие фланцы проходят токарную обработку нержавейки отдельным инструментом — попадание частиц углеродистой стали на нержавеющую поверхность даёт очаги ржавчины уже через несколько недель на улице.

Опоры трубопроводов: неподвижные, скользящие, направляющие

Опора решает три задачи одновременно: держит вес трубы с продуктом и изоляцией, задаёт проектное положение линии и управляет тем, куда уйдёт температурное расширение. Последнее и есть причина, по которой опоры для трубопровода нельзя ставить «как удобно монтажнику».

Удлинение участка 50 м при нагреве на 80 °C

50 000

длина, мм

×

12·10⁻⁶

сталь 20, 1/°C

×

80

нагрев, °C

=

48 мм

удлинение

50 000

длина, мм

×

16,5·10⁻⁶

12Х18Н10Т, 1/°C

×

80

нагрев, °C

=

66 мм

удлинение

Опоры делятся на две большие группы по тому, разрешают они трубе двигаться или нет.

• Неподвижные опоры трубопроводов жёстко связывают трубу с несущей конструкцией и делят линию на температурные участки. Они воспринимают усилия от расширения, от внутреннего давления и от трения в подвижных опорах, поэтому конструктивно это не «уголок под трубой», а сварной узел с упорами, рёбрами и приваркой к раме или к закладной детали. Ошибка в расчёте неподвижной опоры выносит либо саму опору, либо ближайший фланец.
• Скользящая опора для трубопроводов позволяет трубе перемещаться вдоль оси по опорной поверхности. Труба лежит на приварной или хомутовой опорной подушке, подушка скользит по опорной пластине балки. Между сталью и сталью иногда ставят фторопластовую или графитовую прокладку, чтобы уменьшить трение и снизить нагрузку на неподвижную опору.
• Направляющая опора — та же скользящая, но с боковыми упорами: перемещение разрешено только по оси трубы, поперёк запрещено. Ставится по обе стороны от компенсаторов, иначе труба уходит в сторону.
• Катковые и роликовые — большие перемещения и большие диаметры, где трение скольжения давало бы недопустимые усилия.
• Пружинные опоры и подвески — участки с вертикальным перемещением: они держат нагрузку, но следуют за трубой, когда та поднимается или опускается при прогреве.
• Хомутовые опоры и кронштейны — крепление к стене, колонне или эстакаде. Изготовление кронштейнов обычно идёт в комплекте с самими опорами и по тем же чертежам.

Опоры технологических трубопроводов на производстве чаще делают по чертежам проекта, а в тепловых сетях проектировщик обычно ссылается на серию — например, 4.903-10, где подвижные и неподвижные опоры разнесены по отдельным выпускам. Промышленные подвижные опоры распространены по ОСТ 36-146-88. В заказ в любом случае идёт не только шифр, но и чертёж: производитель обязан видеть диаметр трубы, нагрузку, высоту опоры и материал.

Про изоляцию опор трубопроводов забывают чаще всего. Если линия изолирована, высота опоры должна учитывать толщину изоляции, иначе кожух упрётся в балку. На холодных линиях опора без теплоизоляционного вкладыша работает как тепловой мост: на металле выпадает конденсат, зимой намерзает лёд, изоляция намокает и перестаёт работать. И отдельное правило для нержавеющей трубы: прямой контакт с углеродистой опорой даёт контактную коррозию, поэтому между ними ставят проставку из нержавейки, фторопласта или резины.

Сами стальные опоры для трубопровода — это изготовление металлоконструкций в чистом виде: раскрой листа, гибка, сварка, зачистка, окраска. Сварные узлы опор мы собираем на участке сварочных работ, а токарные детали — втулки, проставки, шайбы скольжения — делаются на том же участке, что и фланцы.

Расстояние между опорами: от чего оно зависит

Расстояние между опорами трубопроводов считает проектировщик, исходя из допустимого прогиба, напряжений в стенке и условия, что уклон линии сохранится и продукт будет стекать. Ниже — ориентиры, к которым сводится практика монтажа стальных трубопроводов, заполненных водой.

Что сокращает пролёт по сравнению с таблицей:

1. Сосредоточенные массы. Задвижка, фильтр, фланцевое соединение или узел учёта — это локальный вес и момент. Опору ставят рядом с ними, а не «в среднем по участку».
2. Изоляция. Она добавляет массу и не даёт трубе работать как балке привычным образом.
3. Материал. Аустенитная нержавейка при том же диаметре и стенке прогибается больше углеродистой стали, потому что её модуль упругости ниже.
4. Тонкая стенка и большой диаметр. Тут ограничением становится не прочность, а прогиб и овализация в месте опоры — иногда под опору ставят усиливающую накладку.
5. Уклон. Если линия должна опорожняться самотёком, прогиб между опорами не может съедать проектный уклон.

От чего зависят цена и срок

Ставка нормо-часа механообработки начинается от 950 ₽, точная стоимость фланца или партии опор считается по чертежу. На цифру в смете влияет вот что:

• Тип фланца. Плоский из листа заметно дешевле воротникового: у второго дороже заготовка и больше объём токарной обработки.
• Заготовка. Круг и лист есть на складе почти всегда, поковку нужного типоразмера иногда приходится заказывать, и это основной вклад в срок.
• Материал. Нержавейка идёт медленнее углеродистой стали и требует отдельного инструмента, дублирующего оснастку.
• Диаметр и масса. Крупный фланец переходит на тяжёлый станок с другой ставкой и другим временем на установку.
• Серийность. Один фланец несёт на себе всю подготовку производства, партия из полусотни — уже нет.
• Контроль. Сертификат на металл, ультразвуковой контроль шва, протокол замеров, гидроиспытание сварного узла — каждая позиция добавляет и время, и стоимость, поэтому её пишут в заказе, а не подразумевают.
• Покрытие. Опоры и кронштейны почти всегда идут с антикоррозионной защитой: грунт, порошковая окраска или цинк. Окраска выполняется после всей механической обработки и сварки.

Частые ошибки заказчика и как передать чертёж

Заявки, из-за которых технолог возвращает документацию на уточнение и заказ теряет пару дней:

• Указан только DN. «Нужен фланец DN 100» — вопрос без ответа: без PN, типа и исполнения уплотнительной поверхности деталь не определена.
• Смешаны стандарты. Фланец по ГОСТ 33259 и ответная часть импортного насоса по ASME B16.5 не сойдутся по окружности болтов. Если оборудование импортное, стандарт ответного фланца берут из его паспорта.
• Не указано исполнение под прокладку. Заказали плоское исполнение, а на оборудовании выступ — прокладка не запирается и соединение течёт под давлением.
• Нет марки стали и требований по температуре. Для наружных сетей в холодном климате углеродистая сталь общего назначения — риск хрупкого разрушения, нужна хладостойкая марка.
• В опорах не заданы нагрузка и перемещение. Без вертикальной нагрузки, расчётного перемещения и температуры невозможно выбрать между скользящей, направляющей и пружинной опорой.
• Забыта изоляция. Высота опоры считается по трубе, а на объекте на трубе оказывается 80 мм изоляции с кожухом.
• Разнородные металлы без проставки. Нержавеющая труба на углеродистой опоре начинает ржаветь в месте контакта.

Как заказать по-человечески. Для фланца достаточно четырёх строк: стандарт, DN, PN, исполнение уплотнительной поверхности, плюс марка стали и количество. Для нестандарта или ответной детали к импортному оборудованию нужен эскиз с наружным диаметром, диаметром окружности болтов, числом и диаметром отверстий, толщиной и внутренним диаметром — либо сам образец, с которого мы снимем размеры. Для опор нужны чертёж или шифр по серии, диаметр трубы, нагрузка, перемещение, температура, наличие и толщина изоляции, материал трубы и требуемое покрытие.

Дальше присылайте пакет на изготовление деталей по чертежам: технолог подберёт маршрут — лист или поковка, токарная обработка или сварной узел, — посчитает стоимость и срок. Если по типу фланца или по схеме расстановки опор есть сомнения, отправьте чертёж на расчёт с пометкой, что нужен совет по технологии. Разобраться с исполнением уплотнительной поверхности до запуска дешевле, чем переваривать узел на объекте.