Соединение фланцев шпильками: правила и особенности

О чем речь? Соединение фланцев шпильками – распространенный способ крепления в трубопроводах. Для этого используются пять видов метизов с различными характеристиками резьбы, формы и требованиями к монтажу.

На что обратить внимание? Выбирая шпильки для фланцев, ориентируются на нормативные акты и параметры крепежа. Важно подобрать подходящий материал изготовления, способный выдержать давление и температуру в рабочих условиях.

Понятие фланцевого соединения

Если требуется состыковать две плоские детали лицевыми сторонами друг к другу с симметричным креплением при помощи резьбы по плоскости периметра равноудаленно от центра, не прибегая к сварке или пайке, прогреву либо развальцовке, это называется сборка на фланцах.

Существует два типа фланцевого соединения:

1. Контактирующее – стыкуемые детали соединяются непосредственно друг к другу.
2. Неконтактирующее – плоскости фланцев герметизируются вставкой прокладки из эластичного материала.

Первый тип сборки используют крайне редко. Связано это с тем, что притянутые силовым способом друг к другу металлические фланцы сцепляются.

Сила адгезии будет такова, что разобрать соединение в случае необходимости будет делом непростым. Для предотвращения подобного эффекта даже там, где нет необходимости в получении герметичного соединения, устанавливают прокладку (например, из картона).

Фланцы имеют разную форму опорных поверхностей:

• в виде кольца, то есть круглые;
• в виде полосы – могут быть прямоугольные или квадратные;
• фасонного вида, иначе говоря, повторяют плоскость разъема литых корпусов.

Естественно, что степень сложности той поверхности, с помощью которой фланец передает усилие на ответный элемент, определяет, сколько крепежа нужно для создания равномерного соединения деталей по периметру.

Традиционно сборка на фланцах предполагает наличие двух элементов, однако технологические процессы, случается, увеличивают сборку до трех или четырех деталей.

В качестве примера можно привести маслоохладители и тому подобные промышленные теплообменные механизмы, где обычным делом будет необходимость собрать в один узел с помощью фланцев корпус, крышку и доску трубного пучка. Причем размер такого своеобразного «бутерброда» может определяться высотой задействованных комплектующих. При этом нужно учитывать, что резьбовой крепеж при росте длины характеризуется меньшей жесткостью соединения.

И хотя торцевые поверхности фланцев различаются вариантами формы в силу технологических задач и характера использованных уплотнительных прокладок, тем не менее устоялась следующая вариативность соединений:

• плоскость к плоскости;
• выступ во впадину;
• шип в паз (если предполагается использование веществ с большой проникающей способностью, пожароопасных или токсичных);

• с конической выборкой по посадочному отверстию (в этом случае предусматривается прокладка линзовидной формы);
• с торцевой канавкой (применяется либо прокладка овального сечения, либо кольцо или шнур).

Из каких материалов могут быть изготовлены прокладки для фланцевых соединений? Набор применяемых компонентов достаточно широк:

• картон;
• паронит;
• резина;
• фторопласт;
• асбест;
• медь;
• латунь;
• нержавеющая сталь.

Прокладку делают как в виде плоского листа, вырубленного по форме опорных плоскостей фланцев, так и в виде шнура либо кольца для закладывания в торцевые канавки.

При фланцевом соединении применяется как центрирование во время стыковки элементов, так и работа «на глазок», когда конструкция собирается простой стяжкой через крепежные отверстия.

Стандарты фланцевого соединения

Сборка деталей на фланцах с течением времени стала широко распространенным делом во всех странах мира. Так уж сложилось, что классификация подобных соединений в разных государствах отличается друг от друга. Существуют такие стандарты фланцев:

• ГОСТ (территория постсоветского пространства, страны СНГ);
• DIN (государства ЕС, Европа);
• ANSI/ASME (США, Япония, Австралия).

Соответственно были разработаны также специальные таблицы, помогающие перевести стандарты одной системы в показатели другой.

Фото: sergey_pakulin / Freepik

Если брать Российскую Федерацию, то здесь имеется несколько стандартов фланцевых соединений, главным из которых будет ГОСТ 33259-2015. С учетом его требований выпускают фланцы, имеющие показатели номинального давления до PN 250. ГОСТ регламентирует характеристики опорной поверхности, исполнения, материала, а кроме того, еще ряд показателей:

• условный проход (внутренний диаметр фитинга);
• давление (исходя из геометрических размеров);
• наибольшие геометрические размеры уплотнительных прокладок;
• масса;

• температурный диапазон использования;
• технические требования;
• стандартные размеры фланцев из стали и чугуна.

Этот ГОСТ был утвержден с целью объединения и замены ряда государственных стандартов: 12815-80, 12816-80, 12817-80, 12818-80, 12819-80, 12820-80, 12821-80, 12822-80.

Иногда, если дело касается вопросов регламентирования фланцев специального предназначения, таких как резьбовые, могут использоваться другие стандарты.

Виды шпилек для соединения фланцев

Выделяют пять видов метизов – А, Б, В, Г и Д. Наиболее распространены именно для фланцевых соединений шпильки типа А. Типы Г и Д применяются для соединения в разогретом состоянии, а крепеж типа А–В используют в холодном виде.

Характеристики разных типов шпилек:

• Тип А. Шпилька сплошная с ном. D резьбы равным ном. D гладкой части.
• Тип Б. Шпилька сплошная с ном. D резьбы больше ном. D гладкой части, используемая для соединений на фланцах, температура металла более 300 °С.
• Тип В. Шпилька имеет осевое отверстие на всю длину метиза с ном. D резьбы больше ном. D гладкой части и выступом четырехгранной формы для соединения с нагревом с применением ключа.
• Тип Г. Шпилька имеет осевое отверстие на всю длину, ном. D резьбы больше ном. D гладкой части и выступом цилиндрического вида для затягивания с использованием нагрева на ввинчиваемом конце.
• Тип Д. Шпилька с осевым отверстием на всю длину металлоизделия, ном. D резьбы больше ном. D гладкой части, соединяющаяся с нагревом.

Фото: vitalii_petrushenko / Freepik

Дополнительные характеристики:

• Диаметр используемого резьбового соединения d: М 16, М 24 б М 36 и так далее.
• Длина шпильки либо протяженность между концами резьбовой штанги – вся длина метиза. Если у шпильки имеется ввинчивающийся конец, то он короче другого конца, который называется гаечный и также содержит резьбу.
• Длина резьбового конца (иными словами – длинный резьбовой конец).
• Длина ввинчиваемого конца (иначе говоря – короткий резьбовой конец).
• Шаг резьбы: крупный и мелкий.
• Поле допуска резьбы: 6 g.

Маркировка шпилек (примеры расшифровки обозначений):

Шпилька АМ 48 – 6 g x 200. 90. ЭП 182. IV. 2 ГОСТ 9066–75:

• Тип А.
• Исполнение 1.
• Диаметр резьбы – 48 мм.
• Шаг резьбы – крупная, 5 мм.
• Поле допуска – 6 g.
• Длина шпильки – 200 мм.
• Длина резьбового конца – 90 мм.
• Марка стали ЭП 182, категория IV, группа качества 2.
• Не имеет покрытия.

Фото: reflex-ajans / Freepik

Шпилька 2 АМ 16 х 1,5 – х 120. 109. 40Х. 026 ГОСТ 9066–75:

• Тип А.
• Исполнение 2.
• Диаметр резьбы – 16 мм.
• Шаг резьбы – мелкая, 1,5 мм.
• Поле допуска – 6 g.
• Длина шпильки – 120 мм.
• Класс прочности – 10.9.
• Марка стали – 40Х.
• Имеет покрытие 02, толщина – 6мкм.

Выбор шпилек для соединения фланцев

Для надежного соединения фланцев шпильками с базовой конструкцией требуется их выбрать и закрепить в соответствии с технологическими требованиями.

Следует соблюдать ряд условий:

• Выбор места производства. Российские детали имеют высокое качество, но и цена тоже немалая. Ориентация на ГОСТ. Производители из Китая предлагают стоимость изделия ниже, при этом требования к качеству иные, с опорой на стандарт DIN, что нужно учитывать.
• Диаметр отверстий на опорных плоскостях фланцев должен соответствовать диаметру крепежных соединений, чтобы затяжки были нужного размера.
• Выбор материала, из которого изготовлены шпильки, осуществляется исходя из условий будущей эксплуатации. Например, если среда агрессивная, тогда разумнее применить метизы из легированной стали.

• При сборке элементов трубопровода лучше всего использовать металлоизделия, имеющие покрытие с антикоррозийными свойствами.
• Шпильки реализуются как поштучно, так и упаковками. Если ориентироваться на финансовые затраты, то выгоднее всего брать оптом или на вес. Средняя цена – около 80 руб. за кг. Однако на стоимость конкретного изделия будут влиять еще размер, вид покрытия, тип стали и тому подобное.

Затяжка фланцевого соединения шпильками

При сборке на фланцах главный момент – это стяжка элементов конструкции. Только точный подбор всех деталей позволит добиться максимальной герметичности соединения.

Подготовительные операции должны включать очистку и обезжиривание опорных плоскостей фланцев. Далее – проверка на отсутствие механических повреждений (царапин, вмятин и т. д.). Шпильки, гайки и фланец проверяются на наличие ржавчины. С целью профилактики заусениц по резьбовому соединению предварительно прокручивают крепеж. На резьбу шпильки наносят смазку. После чего готовится и устанавливается строго по центру прокладка.

Надежное соединение фланцев болтами и шпильками получается при соблюдении порядка фиксации. Делается это так:

• затяжка болтами (на 4 болта) – применяется способ «крест-накрест»;
• соединение на шпильки – слегка затягивается первая шпилька, также фиксируется в отверстие метиз напротив, третья закручивается слабее первой на четверть оборота (90 градусов), четвертая напротив третьего, после чего последовательно затянуть все шпильки.

Еще одним условием герметичности полученного соединения будет приложение оптимального затягивающего усилия на шпильки. Когда шпилька фиксируется, на нее влияют разнонаправленные затягивающие и растягивающие векторы силы. Поэтому излишнее усилие может привести к разрыву шпильки либо срыву резьбы на ней.

Во избежание подобных проблем применяют следующие приспособления:

• гидравлический натяжной механизм;
• динамометрический ключ с гидравлическим приводом;
• пневматический гайковерт;
• ручной динамометрический ключ.

Разумеется, можно использовать затяжку от руки, но эту операцию предпочтительнее доверить специалисту.

По окончании сборочных работ важно помнить, что в течение первых суток может ослабнуть затяжка в интервале до 10 %. Такой эффект происходит из-за вибрации, усадки прокладки, колебаний температурного режима. Спустя 48 часов требуется дополнительно осуществить затяжку резьбовых соединений согласно нормативным требованиям.

Часто задаваемые вопросы о соединении фланцев шпильками

Какая наиболее распространенная марка стали для изготовления шпилек?

Чаще всего используется сталь 20х13. Происходит это потому, что комплектующие фланцевых соединений, произведенные из этой стали, соответствуют достаточно широкому списку требований по давлению и температуре.

Какие особые нюансы требуется иметь в виду во время монтажа трубопровода?

Если применяется шпилька ГОСТ 22032, проконтролируйте установку прокладки, после чего фиксируйте крепеж.

Фото: claudiodiv / Freepik

Важно не перетянуть гайки, иначе появится риск нарушения герметичности конструкции.

Как рассчитывается минимальная необходимая длина шпильки?

Формула имеет следующий вид:

Лшп = Ф + тп + 2(m + тш + a),

где:

• Лшп – длина шпильки, мм;
• Ф – толщина фланцев, мм;
• тп – толщина прокладок между фланцами, мм;
• m – высота гайки, мм;
• тш – толщина шайбы, мм;
• a – сумма выступа резьбы и фаски шпильки.

Рассчитав нужные параметры, выбирают самое ближнее значение размера шпильки для соединения фланцев исходя из норм ГОСТ.

Представляется разумным приобретать метизы и фланцы у официальных производителей, которые имеют паспорта и сертификаты качества на свои изделия. Поскольку сборка на фланцах чаще всего осуществляется в конструкциях с серьезной нагрузкой под давлением, требования к качеству элементов высокие, как и цена ошибки.

Изображение на шапке статьи: SasithaGamage / Freepik