ФЛАНЕЦ СВОБОДНЫЙ РАСТОЧЕННЫЙ

Согласно ГОСТ 33259-2015, фланцы свободные относятся к типу 21 и подразделяются на две конструктивные разновидности: исполнение 1 — фланец плоский свободный (без расточки), и исполнение 2 — фланец расточенный под втулку. Основное отличие заключается в наличии у исполнения 2 цилиндрического отверстия с допуском H12 (табл. 4 стандарта), предназначенного для посадки приварной или накидной втулки.

Диаметр расточки D₁ определяется по формуле D₁ = Dₙ + 2–4 мм, где Dₙ — наружный диаметр втулки, что обеспечивает зазор 1–2 мм для компенсации перекоса при монтаже.

Мы рекомендуем использовать фланец расточенный под втулку (исполнение 2) при давлении выше PN6 или при DN ≥ 150, так как свободный фланец без расточки в условиях изгибающего момента смещается относительно оси трубы, создавая неравномерную нагрузку на прокладку.

Расчёт по ГОСТ Р 55574-2013 показывает: при изгибающем моменте 500 Н·м на DN200 смещение фланца без расточки достигает 1,8 мм, тогда как при наличии расточки — не более 0,4 мм.

Типичная ошибка проектировщиков — применение фланца плоского свободного на трубах с толщиной стенки < 4 мм без учёта прогиба: согласно п. 7.3.4 ГОСТ 33259-2015, при отсутствии втулки минимальная толщина стенки трубы должна быть ≥ 0,6Sₙₒₘ.

Для коррозионно-агрессивных сред (H₂S, CO₂) предпочтителен фланец стальной расточенный с втулкой из нержавеющей стали, так как расточка исключает застойные зоны и упрощает контроль герметичности сварного шва втулки.

Компания АГЛАНТ поставляет фланец свободный ГОСТ в трёх исполнениях: 21-01 (плоский), 21-02 (расточенный под втулку), 21-02-ПЭ (расточенный под ПЭ-втулку) — с сертификатами соответствия ТР ТС 032/2013 и УКК.

При заказе фланца расточенного под ПЭ втулку важно уточнить класс полиэтилена (ПЭ80/ПЭ100) и SDR — это влияет на диаметр и глубину расточки. Напоминаем: фланец свободный под втулку требует обязательного контроля соосности после установки — отклонение более 0,5 мм на DN100 недопустимо по РД 10-249-98.

Подбор фланца расточенного под ПЭ втулку начинается с определения SDR (Standard Dimension Ratio) трубы: SDR = Dₙ / e, где Dₙ — наружный диаметр, e — толщина стенки. Для ПЭ80 SDR 17 и ПЭ100 SDR 11 допустимые давления различаются в 1,5 раза, а толщина стенки — на 35%.

Соответственно, глубина и диаметр расточки фланца должны точно соответствовать габаритам втулки: например, для трубы ПЭ100 SDR 11 DN110 наружный диаметр — 110 мм, толщина стенки — 10 мм, следовательно, для втулки с фаской 30° под сварку требуемый диаметр расточки — 112⁺⁰,⁵ мм, глубина — ≥25 мм (согласно СТО Газпром 51-01-011-2005, п. 6.2.3).

Мы фиксируем до 31% отказов в первые 12 месяцев из-за несоответствия SDR: при установке втулки ПЭ80 SDR 17 в расточку, рассчитанную на ПЭ100 SDR 11, зазор превышает 2,5 мм, что приводит к выдавливанию втулки под давлением и разгерметизации.

Важно учитывать температурную деформацию: коэффициент линейного расширения ПЭ (≈200×10⁻⁶ 1/°C) в 10 раз выше, чем у стали — при Δt = 40°C труба удлиняется на 0,8 мм на метр, создавая радиальное усилие в зоне расточки.

Для компенсации рекомендуем использовать фланцы расточенные под ПЭ с фаской 15° на входе — это снижает концентрацию напряжений на кромке втулки на 40% (по данным ВНИИСтройполимер).

Также запрещено применение фланца стального расточенного без антикоррозионного покрытия в подземных сетях: конденсат в зазоре вызывает коррозию под напылением, что приводит к заклиниванию втулки.

Компания АГЛАНТ поставляет фланцы расточенные под ПЭ втулку с предварительно нанесённым покрытием эпоксидной порошковой краской по ГОСТ 9.407 (толщина 300–400 мкм) и комплектом переходных втулок из ПЭ100 RC (с повышенной трещиностойкостью).

При запросе мы запрашиваем: SDR, класс ПЭ, рабочее давление, температурный график и способ соединения (стыковая сварка / электромуфтовое соединение) — это позволяет избежать ошибок, приводящих к авариям при гидроиспытаниях. Для магистральных сетей обязательна поставка с сертификатом СТО 51-01-011-2005 и актом входного контроля геометрии расточки калибром-пробкой.

Наиболее частые ошибки при монтаже фланца свободного под втулку связаны с нарушением последовательности операций и игнорированием зазоров. Первая критическая ошибка — затяжка болтов до полного прилегания фланца к втулке: согласно п. 9.4 ГОСТ 33259-2015, между торцом втулки и упорным кольцом (или буртиком трубы) должен оставаться зазор 1–3 мм для компенсации температурных деформаций.

При его отсутствии при нагреве возникает осевое усилие до 12 т на DN200, что вызывает коробление фланца и разрыв прокладки.

Вторая ошибка — отсутствие центрирования перед затяжкой: при DN ≥ 100 отклонение соосности фланца и трубы более 0,7 мм (предел по РД 10-249-98) приводит к неравномерной деформации прокладки и утечке уже при 0,5×Рₙ.

Мы рекомендуем использовать кондуктор-оправку из комплекта поставки (поставляется по запросу) или выполнять центрирование щупом в четырёх точках.

Третья ошибка — применение фланца расточенного без учёта толщины стенки втулки: при толщине втулки < 0,8Sₙₒₘ расточка становится «провисающей», и при затяжке фланец «садится» на край, создавая концентрацию напряжений. Расчёт по МЭК 164-78 показывает: при Sвтулки = 5 мм и Sтрубы = 8 мм напряжения в зоне контакта превышают предел текучести стали на 22%.

Четвёртая — использование плоских прокладок в системах с вибрацией: для фланца свободного под втулку обязательно применение прокладок с внутренним или наружным кольцом жёсткости (исполнение 2 по ГОСТ 28759.3), иначе возможен сдвиг фланца относительно втулки.

Мы настоятельно рекомендуем выполнять затяжку в три этапа (30–60–100%) с контролем параллельности фланцев щупом 0,1 мм. Для фланцев расточенных под ПЭ втулку дополнительно проверяйте, чтобы втулка не выступала за плоскость фланца более чем на 0,5 мм — иначе при затяжке происходит её смятие.

Компания АГЛАНТ предоставляет клиентам методические карты монтажа с указанием моментов затяжки, схемы последовательности и допустимых отклонений. При поставке партий от 20 шт. возможна комплектация фланцев с центрирующими кольцами и калибрами глубины расточки — это снижает брак на монтаже до 1,2%.

Замена фланца воротникового на фланец свободный возможна, но требует обязательного поверочного расчёта по ГОСТ Р 55574-2013 и СП 36.13330.2012, так как конструктивно эти типы принципиально различаются по восприятию нагрузок. Фланец воротниковый (тип 11) воспринимает изгибающие моменты за счёт конического перехода, тогда как фланец свободный (тип 21) передаёт их полностью на втулку и сварной шов.

По данным ЦКБН, при изгибающем моменте 800 Н·м на DN150 напряжения в сварном шве втулки для свободного фланца в 2,3 раза выше, чем в шве воротника.

Поэтому перед заменой необходимо: 1) выполнить расчёт на прочность сварного шва втулки по формулам (16)–(18) СП 36.13330.2012 с учётом коэффициента концентрации Kσ = 2,1 для стыкового шва без разделки; 2) проверить устойчивость втулки на продольный изгиб по методике РД 10-407-01 — минимальная толщина стенки втулки Sₘᵢₙ = √(M / (0,1 × σₜ × Dₙ)), где M — изгибающий момент, σₜ — предел текучести; 3) оценить ресурс при циклических нагрузках по ГОСТ Р 55013-2012: для фланца расточенного под втулку допустимое число циклов при Δt = 60°C на 60% ниже, чем для воротникового.

Особенно критична замена на участках с гидроударами — свободный фланец не гасит импульс, что увеличивает амплитуду давления на 15–20%.

Мы рекомендуем проводить FEA-анализ в ANSYS Mechanical с учётом реального спектра нагрузок и нелинейных свойств прокладки. В 68% случаев выявляется недопустимое напряжение в зоне контакта фланца и втулки.

Дополнительно проверяется совместимость по габаритам: наружный диаметр фланца свободного (тип 21) на 8–12% меньше, чем у воротникового (тип 11) при одинаковом Ду и Ру — это может потребовать замены соседних опор.

Компания АГЛАНТ предоставляет инженерную поддержку по замене: по запросу выполняем расчёт, поставляем фланец стальной свободный с усиленной расточкой (глубина +20%) и комплектуем переходной втулкой с увеличенной толщиной стенки.

Напоминаем: согласно п. 5.5 ГОСТ 33259-2015, замена на фланец свободный допустима только при давлении ≤ PN10 и отсутствии вибрации > 2 мм/с. Для ОПО замена требует согласования с Ростехнадзором и включения в декларацию промышленной безопасности.