Фланцевые соединения и уплотнения: фланцы, прокладки, сборка

• PN 250наибольшее номинальное давление фланцев по ГОСТ 33259-2015 — около 25 МПа
• кратно 4число шпилек или болтов у стандартного фланца трубопровода
• в сотни разувеличивается в объёме графит, из которого делают фольгу для прокладок
• 1 сборкакак правило, столько служит прокладка: обжатую повторно не ставят

Зачем станции разъёмы

Самое надёжное соединение трубопровода — сварное. Шов не ослабнет со временем, не потечёт от вибрации и не потребует подтяжки, зато разобрать его можно только вырезкой. Поэтому ответственные трубопроводы атомной станции и арматуру на них по возможности сваривают, а каждый лишний разъём считают ещё одним местом возможной протечки.

Но там, где оборудование вскрывают, осматривают и меняют, без разъёмов не обойтись. На фланцах держатся крышки сосудов, теплообменников и арматуры, люки, фланцевая арматура на трубопроводах невысоких параметров, расходомерные диафрагмы и заглушки, которые ставят на время испытаний и ремонта. Самый ответственный разъём станции — главный разъём реактора; как он уплотнён, рассказано в статье «Корпус реактора».

Фланцевое соединение — это два фланца, прокладка между ними и крепёж, который стягивает фланцы и обжимает прокладку. Течь может дать любой из трёх элементов, поэтому их выбирают вместе, под одни давление, температуру и среду.

Это неподвижное уплотнение: после сборки детали не движутся друг относительно друга. Уплотнения подвижных деталей — сальник шпинделя арматуры, торцевое уплотнение вала насоса — устроены иначе; о торцевом уплотнении рассказано в статье «Главный циркуляционный насос АЭС».

Какие бывают фланцы

Фланец — кольцо с отверстиями под шпильки или болты, которое приваривают к трубе или патрубку либо делают заодно с корпусом. Число отверстий у стандартных фланцев кратно четырём, чтобы они стояли симметрично относительно осей. Конструкцию и размеры фланцев арматуры, соединительных частей и трубопроводов на номинальное давление до PN 250 устанавливает ГОСТ 33259-2015, а фланцы атомного оборудования задаёт конструкторская документация — ссылкой на стандарт или собственным чертежом.

Размер фланца определяют номинальный диаметр DN и номинальное давление PN — округлённое давление в барах, на которое фланец рассчитан при 20 °C: PN 16 — это около 1,6 МПа. С ростом температуры допустимое давление снижается, поэтому фланец подбирают по давлению и температуре вместе.

• Плоский приварной. Кольцо надевают на трубу и приваривают двумя угловыми швами — снаружи и изнутри. Он прост и дёшев, но угловые швы хуже переносят изгиб и циклические нагрузки и плохо поддаются объёмному контролю, поэтому такие фланцы ставят на невысокие давления и температуры.
• Воротниковый. Его называют ещё приварным встык: коническая втулка — воротник — плавно переходит от толщины фланца к толщине трубы и приваривается к ней стыковым швом. Нагрузки распределяются плавнее, а шов можно проверить радиографией или ультразвуком. Это основной фланец для высоких давлений и температур.
• Свободный. Фланец не приварен, а сидит на трубе, упираясь в приварное кольцо или отбортовку. Его легко повернуть, совмещая отверстия, а со средой соприкасается только кольцо, так что сам фланец можно сделать из более дешёвой стали.

Исполнения уплотнительной поверхности

Для герметичности не менее важна форма уплотнительной поверхности фланца, на которую ложится прокладка. Чаще всего встречается исполнение с соединительным выступом: на торце выточен невысокий кольцевой поясок, и вся сила затяжки приходится на него. Прокладка при этом открыта снаружи, а центрируют её по шпилькам.

В исполнениях «выступ — впадина» и «шип — паз» у одного фланца выступ или кольцевой шип, у ответного — впадина или паз. Прокладка оказывается в замкнутом объёме: давление её не выдавит, и она точно центрирована. Плата за это — фланцы идут только парами, а чтобы вынуть арматуру между ними, трубопровод приходится раздвигать.

Под металлические прокладки протачивают кольцевые канавки трапециевидного сечения — для колец овального или восьмиугольного сечения — или конические гнёзда для линзовой прокладки. Такие соединения держат самые высокие давления, но требуют точной обработки и аккуратной сборки.

Прокладки: от паронита до металла

Прокладка заполняет неровности между уплотнительными поверхностями: под нагрузкой её материал затекает во впадины и риски и перекрывает путь среде. Чем мягче прокладка, тем легче её обжать, но тем хуже она держит высокие давление и температуру.

Паронит — листовой материал из волокна, каучука и наполнителей, из которого вырубают плоские прокладки для воды, пара и масел умеренных параметров. Классический паронит делали на асбесте, сейчас всё шире применяют безасбестовые материалы.

Терморасширенный графит (ТРГ) получают из природного графита: его обрабатывают кислотами и резко нагревают, и частицы вспучиваются, увеличиваясь в объёме в сотни раз. Из вспученного графита без связующего прокатывают гибкую фольгу. Она хорошо затекает в неровности, не стареет, выдерживает высокую температуру и большинство сред, но непрочна, поэтому прокладки из неё часто армируют металлической фольгой или просечным листом.

Для фланцев из нержавеющей стали в прокладочных материалах ограничивают содержание хлора и серы: хлориды и сернистые примеси на горячей поверхности под прокладкой могут вызвать коррозию аустенитной стали.

Спирально-навитая прокладка — комбинированная: стальную ленту V-образного профиля навивают спиралью вместе с лентой наполнителя, обычно графита. Металл даёт упругость, наполнитель — плотность. Наружное ограничительное кольцо центрирует прокладку по шпилькам и не даёт пережать навивку, а внутреннее защищает её от потока и не даёт выгнуться внутрь трубы.

Металлические прокладки ставят там, где мягким материалам не хватает прочности. Кольцо овального или восьмиугольного сечения при затяжке вдавливается в стенки канавок, и его металл пластически подстраивается под них. Кольцо делают мягче фланца, чтобы мялось оно, а не канавка. Линзовая прокладка — кольцо со сферическими поясками, прилегающими к коническим гнёздам фланцев, — служит на высоких давлениях.

Три исполнения фланцевого соединения (схема). Плоские фланцы с мягкой прокладкой — для невысоких давлений. В соединении «шип — паз» прокладка зажата в замкнутом объёме, давлением её не выдавить. Металлическое кольцо овального сечения в канавках держит высокие давления и температуры. Оранжевые стрелки — усилие затяжки, синие — давление среды.

Как соединение держит давление

Фланцевое соединение работает в два этапа. При сборке шпильки затягивают, и прокладка сжимается. Чтобы её материал затёк в неровности, на прокладке нужно создать достаточное удельное давление — силу затяжки, делённую на площадь прокладки. Мягким прокладкам хватает сравнительно небольшого, металлическим нужно во много раз больше.

Когда в систему подают давление, среда давит на фланцы изнутри и стремится их раздвинуть. Шпильки немного удлиняются, а прокладка частично разгружается. Соединение остаётся плотным, пока на прокладке сохраняется остаточное давление, как правило в несколько раз большее давления среды; это отношение называют прокладочным коэффициентом и учитывают в расчёте соединения на прочность и плотность.

Отсюда главное правило затяжки: усилия должно хватить, чтобы обжать прокладку при сборке и не дать ей разгрузиться под давлением, но и перетягивать нельзя. Пережатая прокладка разрушается или выдавливается, а перетянутые шпильки получают остаточное удлинение и перестают держать усилие.

Есть и третий фактор — время. Под нагрузкой и при нагреве материалы медленно ползут: прокладка «садится», шпильки чуть вытягиваются, и усилие затяжки падает. Это релаксация. У паронита и особенно у фторопласта она заметна, у графита и спирально-навитых прокладок — заметно меньше.

Ещё одна причина разгрузки — перепады температуры. При пуске фланцы, шпильки и прокладка прогреваются неодинаково, а если шпильки и фланцы из сталей с разным тепловым расширением, разница сохраняется и в нагретом состоянии. Поэтому затяжку ответственных соединений после первого разогрева проверяют и при необходимости подтягивают — в том порядке и в тех условиях, которые предписывает инструкция.

Как прокладка держит давление — от сборки до эксплуатации

1. Затяжкашпильки стягивают фланцы, прокладка сжимается
2. Обжатиеудельное давление заставляет материал затечь в неровности
3. Рабочее давлениесреда раздвигает фланцы, шпильки удлиняются, прокладка разгружается
4. Остаточное давлениекак правило, в несколько раз больше давления среды — соединение плотно
5. Релаксацияпод нагрузкой и при нагреве усилие затяжки постепенно падает

Зеркало фланца

Прокладка уплотняет только то, к чему прижата. Поэтому уплотнительную поверхность — в цехе её называют зеркалом фланца — обрабатывают и проверяют как одну из самых ответственных поверхностей детали: по шероховатости, плоскостности и отсутствию дефектов. Шероховатость проверяют профилометром или по образцам шероховатости, плоскостность — индикатором.

Кажется, что чем глаже поверхность, тем лучше, но для мягких прокладок это не так: на зеркальной поверхности прокладке не за что зацепиться, и давление легче её выдавливает. Поэтому под мягкие и спирально-навитые прокладки поверхность оставляют со следами резца — мелкими концентрическими или спиральными бороздками, шероховатостью порядка Ra 3,2–6,3 мкм.

Канавки под металлические кольца, наоборот, обрабатывают чище — порядка Ra 1,6 мкм и меньше: металл кольца должен прилечь к стенке без зазоров.

Шероховатость зеркала фланца

• ≈ Ra 3,2–6,3 мкмпод мягкие и спирально-навитые прокладки — с бороздками от резца
• ≈ Ra 1,6 и меньшеканавки под металлические кольца: металл должен прилечь без зазоров

Зеркальная поверхность мягкой прокладке не помогает: зацепиться не за что, и давление легче её выдавливает.

Главный враг уплотнения — радиальная риска, царапина поперёк уплотнительного пояска, от внутреннего края к наружному. Даже неглубокая, она становится готовым каналом для протечки, и прокладка её не перекроет. Окружные следы обработки идут вдоль уплотнения и не опасны, а радиальные риски, забоины и вмятины на зеркале, как правило, не допускаются — что можно оставить, а что исправить, задают чертёж и нормы.

Испортить зеркало проще всего уже после обработки — при перевозке, хранении и монтаже. Его покрывают консервационной смазкой, закрывают защитной накладкой и снимают защиту только перед сборкой. Зеркало не красят, не клеймят и не кладут фланец уплотнением на бетон или стеллаж.

Сборка и испытания

Перед сборкой зеркала очищают от консервационной смазки, грязи и остатков старой прокладки — инструментом, который не оставит рисок, — и осматривают. Прокладку берут новую: обжатая прокладка уже затекла в неровности прошлой сборки и повторно не уплотнит. Её тип, размер и материал сверяют с документацией.

Фланцы должны сойтись соосно и параллельно, без натяга. Стягивать шпильками перекос или лишний зазор нельзя: прокладка обожмётся неравномерно, а трубопровод получит напряжения, которых нет в расчёте. Прокладку центрируют так, чтобы она не выступала внутрь трубы: торчащий в поток край размывается, а его обрывки уходят по системе.

Шпильки затягивают не по кругу, а крест-накрест, в несколько проходов с постепенным увеличением усилия, а в конце проверяют все по кругу. Так прокладка обжимается равномерно, и фланцы не перекашиваются. Момент затяжки или вытяжку шпилек задаёт документация; как затягивают и контролируют ответственный крепёж, рассказано в статье «Крепёж для АЭС».

Собранное соединение проверяют вместе с системой — гидравлическими испытаниями на прочность и плотность, а где это требуется, ещё и на герметичность. Течь ищут осмотром под давлением, при испытании воздухом — пузырьковым методом с пенообразующим составом, а где нужна высокая чувствительность — гелиевым течеискателем.

Найденную течь не устраняют подтяжкой под давлением. Давление сбрасывают и ищут причину: чаще всего это повреждённое зеркало, перекос фланцев или не та прокладка. Подтянутое на ходу соединение может перестать течь, но перекос и пережатая прокладка останутся.

Сборка фланцевого соединения: как надо и как нельзя

Что указать в заказе

Многие течи закладываются ещё на бумаге — в заказе, где не хватило одной-двух строк. Для фланцев и прокладок стоит указать:

• Тип и размеры. Тип фланца, DN, PN, исполнение уплотнительной поверхности, стандарт или чертёж; для воротникового фланца — толщину стенки и разделку кромки под приварку к конкретной трубе.
• Материал. Марку стали и документ на заготовку — для ответственных фланцев это обычно поковка, — требуемые испытания и неразрушающий контроль.
• Прокладку. Тип и размеры, материал ленты и наполнителя, наличие колец, для нержавеющих фланцев — ограничения по хлору и сере.
• Поверхность. Шероховатость и плоскостность зеркала, его контроль, консервацию и защиту при отгрузке.
• Документы. Класс безопасности, сертификаты на металл и прокладки, маркировку, по которой фланец и прокладку прослеживают до плавки и партии.

Типичные ошибки повторяются из заказа в заказ. Пару фланцев «шип — паз» заказывают, не указав, какой из них с шипом, и получают два одинаковых. Смешивают стандарты: фланцы по ГОСТ и по зарубежному стандарту одного номинального диаметра могут не совпасть по расположению отверстий. Воротниковый фланец заказывают без толщины стенки трубы, и его внутренний диаметр не совпадает с трубой, что мешает сварке и контролю шва.

Соединение — это система: фланцы, прокладку и крепёж выбирают вместе, под одни параметры, и поставляют с документами. Прокладка, подобранная «по месту» из того, что нашлось на складе, сводит на нет и точную обработку зеркала, и выверенную затяжку.

Термины

• Фланцевое соединениеРазъёмное соединение из двух фланцев, прокладки и крепежа, который стягивает фланцы и обжимает прокладку.
• Воротниковый фланецФланец с конической втулкой, которую приваривают к трубе стыковым швом; его называют ещё приварным встык.
• Соединительный выступКольцевой поясок на торце фланца, на который ложится прокладка и приходится сила затяжки.
• Спирально-навитая прокладкаПрокладка из стальной ленты V-образного профиля, навитой спиралью вместе с лентой мягкого наполнителя.
• Терморасширенный графитГрафит, вспученный химической и тепловой обработкой и прокатанный в гибкую фольгу без связующего.
• Удельное давление на прокладкеСила затяжки, приходящаяся на единицу площади прокладки; от него зависит, затечёт ли прокладка в неровности.
• Прокладочный коэффициентВо сколько раз остаточное давление на прокладке должно превышать давление среды, чтобы соединение оставалось плотным.
• РелаксацияПостепенное падение усилия затяжки из-за ползучести прокладки и крепежа под нагрузкой и при нагреве.

Частые вопросы

Чем воротниковый фланец лучше плоского?

Воротниковый фланец приваривают к трубе стыковым швом через коническую втулку: нагрузки распределяются плавнее, а шов можно проверить радиографией или ультразвуком. Плоский фланец проще и дешевле, но его угловые швы хуже переносят изгиб и циклические нагрузки, поэтому его ставят на невысокие параметры.

Можно ли повторно использовать прокладку фланца?

Как правило, нет. Обжатая прокладка уже затекла в неровности прошлой сборки, поэтому при каждой сборке ставят новую — того типа, размера и материала, которые указаны в документации.

Почему уплотнительную поверхность фланца не делают зеркальной?

Мягкой и спирально-навитой прокладке нужна поверхность с мелкими бороздками от резца: прокладка вдавливается в них, и давление её не выдавливает. Чище обрабатывают канавки под металлические кольца — там металл кольца должен прилечь к стенке без зазоров.

Что такое «шип — паз» во фланцевом соединении?

Исполнение уплотнительных поверхностей, при котором кольцевой шип одного фланца входит в паз другого, а прокладка лежит в пазу. Она точно центрирована и не может быть выдавлена давлением, но такие фланцы идут только парами.

Почему фланцевое соединение начинает течь?

Чаще всего из-за повреждённой уплотнительной поверхности, неподходящей или повторно использованной прокладки, перекоса фланцев или неравномерной затяжки. Со временем к этому добавляется релаксация — постепенное падение усилия затяжки.