Типы нержавеющих фланцев по ГОСТ 33259-2015: плоский, воротниковый и свободный

За восемь лет работы с трубопроводной арматурой я почти не встречал заявок, где фланец выбран неверно по диаметру. Зато регулярно вижу другое: взяли плоский там, где по давлению и температуре нужен воротниковый, или заказали крепёж вдвое больше нужного, посчитав отверстия в двух фланцах сразу. Обе ошибки стоят денег и времени, и обе снимаются пятью минутами разбора.

Речь дальше о нержавеющих фланцах из стали 12Х18Н10Т — это основная марка для пара, пищевых линий и химической обвязки. Правила выбора типа, расчёта крепежа и сварки общие для всех фланцев по ГОСТ 33259-2015, а вот требования к материалу крепежа и к сварке у нержавейки свои, и на них спотыкаются чаще всего.

Ниже: чем плоский фланец отличается от приварного встык, какое давление и какие среды каждый держит, сколько шпилек и гаек нужно на соединение, что можно варить, а что нельзя. Все числа взяты из ГОСТ 33259-2015, действующего стандарта на фланцы арматуры и трубопроводов.

Чем плоский фланец отличается от приварного встык

Сталь и точность изготовления тут ни при чём. Всё решает то, как фланец передаёт нагрузку на трубу.

Плоский приварной, тип 01. Кольцо с отверстиями, которое надевается на трубу и приваривается двумя угловыми швами, снаружи и изнутри. Нагрузка от затяжки шпилек идёт на эти швы под углом, поэтому предельное давление ограничено: стандарт предусматривает плоские фланцы до Ру 25. Зато конструкция простая, металла меньше, посадка на трубу не требует точной подгонки торца.

Приварной встык, тип 11. Его часто называют воротниковым: у фланца есть конический переход, воротник, который приваривается к трубе одним стыковым швом. Шов оказывается вынесен из зоны максимальных напряжений, а сам переход работает как плавное сопряжение толщин. Такой фланец держит давление до Ру 160 и переносит вибрацию с температурными циклами.

Есть и третий тип, который встречается реже, — свободный на приварном кольце (тип 02). Он вращается на приварном кольце и позволяет совместить отверстия с ответным фланцем, не проворачивая трубу. На линиях с дорогой сталью это ещё и экономия: контактирует со средой только кольцо.

Строка про заготовку — не формальность. ГОСТ 33259-2015 прямо запрещает изготавливать фланцы типа 11 из листового проката: только поковка, штамповка или точение из сортового. Плоские при этом разрешено делать из листа и даже сварными из частей, но тогда радиальные швы проверяют радиографическим или ультразвуковым методом в объёме 100 %. Воротниковый дороже при одном типоразмере именно из-за технологии изготовления.

Давление, среды и группы контроля

Номинальное давление Ру в обозначении — это давление при 20 °C. С ростом температуры допустимое падает, и для аустенитной стали заметное снижение начинается после 200 °C. Подбирать фланец только по цифре Ру нельзя: расчёт на прочность ведут по ГОСТ 34233.1-2017 для сосудов и аппаратов или по РД 10-249-98 для котельных трубопроводов.

Вторая ось подбора, которую пропускают чаще всего, — группа контроля. Это объём приёмочных испытаний заготовки по таблице 13 стандарта, и он определяет, к каким средам фланец вообще допущен.

К опасным стандарт относит воспламеняющиеся, окисляющиеся, горючие, взрывчатые и токсичные вещества. На линию пара, на трубопровод горючих жидкостей и на аммиачный контур холодильной установки фланец группы III ставить нельзя, даже если давление формально проходит. Для заготовок на Ру выше 100 ультразвуковой контроль обязателен в объёме 100 %.

Для нержавеющих марок добавляется ещё одно испытание — на стойкость к межкристаллитной коррозии, то есть к разрушению по границам зёрен металла. По ГОСТ 6032 его проводят по требованию заказчика. Если линия ответственная, это требование вписывают в заявку отдельной строкой: по умолчанию оно не выполняется.

Самая частая правка, которую мы вносим в присланные спецификации, — это группа контроля. Заказчик берёт цену из прайса, где стоит фланец третьей группы, а по среде ему нужна четвёртая с неразрушающим контролем. Разница в стоимости на популярных диаметрах доходит до половины, и когда она всплывает на этапе счёта, это выглядит как накрутка. Хотя это просто другой товар: другой объём испытаний и другой паспорт.

— Зотова Ольга Владимировна, ТД «ИнвестМет»

Что выбирать под конкретную задачу:

• Пар, котельная, теплосеть. Тип 11, группа IV. Цикличный нагрев нагружает угловые швы плоского фланца, поэтому на пар его не ставят.
• Пищевое и молочное производство. Тип 01 или 11 из 12Х18Н10Т. Титан в составе защищает околошовную зону после сварки и многократных моек.
• Водоподготовка, очистные, оборотное водоснабжение. Тип 01 на Ру 6—16. Самое массовое решение.
• Наружные трубопроводы и эстакады. Только тип 11: типы 01 и 02 стандарт ограничивает температурой не ниже минус 40 °C, а для СЗФО это рабочий диапазон, а не экзотика.
• Химическая обвязка. Тип 11, группа IV, испытание на межкристаллитную коррозию в заявке; при хлоридах рассматривают 10Х17Н13М2Т вместо 12Х18Н10Т.

Готовый сортамент по обоим типам с размерами и массами на каждое давление собран в разделе нержавеющих фланцев; ответную часть узла подбираем из деталей трубопровода, а трубу — из нержавеющих труб 12Х18Н10Т.

Марка 12Х18Н10Т и её аналоги

Фланцы под пар, пищевые линии и химию делают из аустенитных хромоникелевых сталей, и рабочая марка здесь — 12Х18Н10Т. Буква Т в конце означает стабилизацию титаном: титан связывает углерод в карбиды и не даёт хрому уйти из твёрдого раствора при нагреве. Околошовная зона после сварки не теряет коррозионную стойкость. Для фланца, который варится по месту, это решающее свойство.

Аналоги указаны как ближайшие, а не как полные двойники: пределы по содержанию титана и углерода в отечественном и зарубежном стандартах различаются. Если поставщик предлагает AISI 321 вместо 12Х18Н10Т, для ответственной линии сверяют сертификат на конкретную партию, а не обозначение марки.

И одно распространённое смешение. Ограничение «не ниже минус 40 °C» относится к типам 01 и 02, а не к марке стали. Сама 12Х18Н10Т сохраняет вязкость при отрицательных температурах — упирается конструкция плоского фланца и его сварное соединение, а не металл.

Сколько шпилек, гаек и шайб нужно на соединение

Начну с ошибки, которая встречается чаще всех остальных вместе взятых. В соединении два фланца, в каждом, скажем, по восемь отверстий. Кажется, что крепежа нужно шестнадцать. Нет: шпилек нужно столько, сколько отверстий в одном фланце. Каждая проходит насквозь через оба и стягивается с двух сторон.

Считается так: шпилек — по числу отверстий, гаек — вдвое больше шпилек, шайб — по числу гаек. На соединение Ду 100 при Ру 16 это 8 шпилек М16, 16 гаек и 16 шайб.

Ниже — присоединительные размеры ряда 1 по ГОСТ 33259-2015. Они одинаковы для плоского и воротникового фланца при одних Ду и Ру: иначе типы не стыковались бы между собой.

В ячейках — число шпилек и их резьба. Прочерк означает, что такого сочетания диаметра и давления стандарт для плоского фланца не предусматривает: например, на Ду 400 и Ду 600 ряд заканчивается на Ру 10, дальше идёт только воротниковое исполнение.

Три правила, которые к этой таблице прилагаются.

Первое: болты вместо шпилек допускаются только до Ру 25 включительно. Выше — исключительно шпильки. Причина в характере нагрузки: шпилька тянется всей длиной и равномернее держит затяжку при термоциклах.

Второе: крепёж берут того же структурного класса, что и фланец. Для аустенитной 12Х18Н10Т это аустенитная группа — шпильки и гайки А4 из раздела метизов. Стандарт требует, чтобы коэффициенты линейного расширения фланца и крепежа отличались не более чем на 10 %: иначе при нагреве соединение теряет затяжку. Плюс углеродистые болты на нержавеющем фланце образуют гальваническую пару, и во влажной среде крепёж корродирует первым. Общие требования к крепежу фланцевых соединений на температуру до 650 °C установлены ГОСТ 20700-75.

Третье: затяжка идёт крест-накрест. Не по кругу — противоположными парами, в два-три прохода с постепенным увеличением усилия. На больших диаметрах — динамометрическим ключом с промежуточным контролем. Затяжка по кругу перекашивает прокладку, и соединение начинает подтекать под нагрузкой, обычно не сразу, а через несколько циклов.

Прокладку подбирают по среде и температуре, а давление тут вторично. Для соединительного выступа берут плоскую: паронит, фторопласт или спирально-навитую с ограничительным кольцом. Толщину выбирают минимальной из достаточных. Чем толще прокладка, тем сильнее она выдавливается и тем быстрее узел теряет затяжку. Если нужна резьба нестандартной длины под конкретный узел, делаем нарезку резьбы под размер.

Что можно варить, а что нельзя: нержавейка 12Х18Н10Т

Сварка — то место, где ошибка обходится дороже всего: переделка узла на смонтированной линии стоит кратно больше самой детали.

Нержавеющий фланец к нержавеющей трубе — можно. Это штатный случай. Для 12Х18Н10Т берут электроды ОЗЛ-8, ОЗЛ-9А или ЦЛ-11 либо соответствующую проволоку. Титан в составе марки связывает углерод и защищает околошовную зону от межкристаллитной коррозии — ради этого марку и выбирают на линии, которые варятся по месту. Подходящие электроды есть в разделе метизов.

Нержавеющий фланец к углеродистой трубе напрямую варить нельзя. Точнее, физически сварить можно, и шов даже будет держать какое-то время. Проблемы две. На стыке аустенитной и углеродистой стали образуется переходная зона с изменённой структурой, склонная к растрескиванию при термоциклах. И во влажной среде разнородная пара работает как гальванический элемент: углеродистая сторона корродирует ускоренно, шов «съедается» со стороны чёрного металла. Разнородное соединение выполняют через переходник или на аустенитно-ферритном присадочном материале — и то и другое закладывают в проект сварки, а не решают на месте.

На месте это не решается.

Тип 11 к трубе другой толщины — с оговоркой. Воротник рассчитан на определённую толщину стенки, и при несовпадении внутренних диаметров фланца и трубы стандарт разрешает выполнять плавный переход под углом 15 ± 5 градусов. Уступ без такого перехода даёт концентратор напряжений и завихрение потока.

Плоский фланец из листа — можно, сварной из частей — тоже, но с контролем. ГОСТ допускает изготовление типов 01 и 02 из листового проката и даже сварными из частей, если швы выполнены с полным проваром по всему сечению, а радиальные швы проверены радиографическим или ультразвуковым методом в объёме 100 %. А вот воротниковый из листа делать нельзя — стандарт это запрещает прямо.

И отдельно про подгонку. Для типов 01 и 02 стандарт разрешает по требованию заказчика подогнать внутренний диаметр под фактический наружный диаметр трубы — чтобы зазор под сварку остался в пределах от 0,5 до 2 мм. Если труба нестандартная, этот размер указывают в заявке отдельно, иначе фланец придёт по табличному диаметру.

Как подобрать фланец: пять шагов

1. Определите тип по давлению и температуре. До Ру 25 на статичной линии внутри помещения — плоский тип 01. Выше Ру 25, на пару, на вибрации или на улице — воротниковый тип 11.
2. Возьмите Ду и Ру из проекта. Ду — условный проход, он же задаёт присоединительные размеры; Ру — номинальное давление при 20 °C, при рабочей температуре допустимое будет ниже.
3. Проверьте ряд присоединительных размеров. Ряд 1 — основной, его размеры совпадают с прежними ГОСТ 12820-80 и 12821-80. Фланцы разных рядов между собой не стыкуются.
4. Выберите группу контроля по среде. Опасные вещества, пар, горючие жидкости — только группа IV. Вода и неопасные среды до Ру 25 — достаточно III.
5. Посчитайте крепёж и прокладку. Шпилек — по числу отверстий в одном фланце, гаек вдвое больше, шайб по числу гаек; материал крепежа того же структурного класса, что и фланец.

Из ходовых позиций на складе чаще всего уходят плоский фланец Ду 100 на водоподготовку и воротниковый Ду 100 на паровые линии; на приборной обвязке — плоский Ду 50. Комплектуем узел целиком, вместе с запорной арматурой и остальными деталями инженерных систем, с доставкой по СПб, Ленинградской области и СЗФО.

Что делать, если в проекте ГОСТ 12820-80

Это частый вопрос при ремонте и реконструкции. Короткий ответ: заказывать по ГОСТ 33259-2015 с тем же Ду, Ру и рядом 1 — фланец встанет на место старого.

Развёрнуто: ГОСТ 33259-2015 введён взамен группы прежних стандартов ГОСТ 12815-80 — ГОСТ 12822-80, в которую входили самые ходовые ГОСТ 12820-80 на плоские приварные и ГОСТ 12821-80 на воротниковые. С 1 апреля 2017 года на территории России действует только новый стандарт, старые утратили силу. Присоединительные размеры ряда 1 при этом сохранены — именно поэтому замена не требует переделки узла. Таблицы перевода обозначений приведены в приложении Г нового стандарта.

В спецификации указывают: тип, Ду, Ру, ряд, исполнение уплотнительной поверхности, марку стали и группу контроля. Например, обозначение 100-16-11-1-В-Ст.12Х18Н10Т-IV ГОСТ 33259 читается как воротниковый фланец Ду 100 на Ру 16, ряд 1, уплотнительная поверхность исполнения В (соединительный выступ), сталь 12Х18Н10Т, группа контроля IV.

Частые вопросы

Чем плоский фланец отличается от воротникового?
Плоский фланец надевается на трубу и держится двумя угловыми швами, воротниковый приваривается встык одним стыковым швом через конический переход. Из-за этого воротниковый равномернее передаёт нагрузку на трубу и держит давление до Ру 160, тогда как плоский по ГОСТ 33259-2015 применяют до Ру 25. Второе отличие — температура: типы 01 и 02 разрешены только при температуре не ниже минус 40 градусов Цельсия, у типа 11 такого ограничения нет.

Сколько шпилек нужно на фланцевое соединение?
Столько же, сколько отверстий в одном фланце, а не в двух. Каждая шпилька проходит насквозь через оба фланца и стягивается двумя гайками. На Ду 50 при Ру 16 это 4 шпильки М16, на Ду 100 — 8 шпилек М16, на Ду 200 — 12 шпилек М20. Гаек берут вдвое больше числа шпилек, шайб — столько же, сколько гаек. Болты вместо шпилек стандарт допускает только до Ру 25.

Можно ли приварить нержавеющий фланец к чёрной трубе?
Напрямую обычным электродом — нельзя. На стыке аустенитной и углеродистой стали образуется хрупкая переходная зона, а во влажной среде возникает гальваническая пара, и углеродистая сторона корродирует ускоренно. Разнородное соединение выполняют через переходник или на аустенитно-ферритном присадочном материале по проекту сварки. На однородных нержавеющих линиях берут электроды ОЗЛ-8, ОЗЛ-9А или ЦЛ-11.

Что означает буква В в обозначении фланца?
Буква В — исполнение уплотнительной поверхности, соединительный выступ: плоскость с приподнятым пояском под прокладку. Это самое распространённое исполнение. По таблице А.1 ГОСТ 33259-2015 оно рекомендовано для неопасных сред до Ру 25, а для пожаровзрывоопасных и вредных веществ — до Ру 40. Выше переходят на шип-паз, выступ-впадину или исполнение J под прокладку овального сечения. Стыкуются между собой не любые исполнения: шип идёт в паз, выступ во впадину.

Действует ли ГОСТ 12820-80 на плоские фланцы?
Нет, он утратил силу: с 1 апреля 2017 года на территории России действует только ГОСТ 33259-2015, который объединил прежние ГОСТ 12815-80 — ГОСТ 12822-80. При этом присоединительные размеры ряда 1 сохранены, поэтому фланец по новому стандарту встаёт на место старого без переделки узла. Если в проекте указан ГОСТ 12820-80, заказывайте тот же Ду и Ру по ГОСТ 33259-2015, ряд 1 — таблицы перевода обозначений приведены в приложении Г.

Что такое группа контроля и зачем она в обозначении?
Группа контроля задаёт объём приёмочных испытаний заготовки по таблице 13 ГОСТ 33259-2015. Для группы IV проводят химический анализ каждой плавки, измерение твёрдости каждой заготовки, испытания механических свойств и неразрушающий контроль каждой заготовки. Только такие фланцы допускаются до Ру 160 для всех сред, включая опасные вещества. Группы ниже разрешены до Ру 25 и только для сред, не отнесённых к опасным, — поэтому два одинаковых на вид фланца могут заметно отличаться по цене.

Какую прокладку ставить между фланцами?
Для соединительного выступа берут плоскую прокладку — паронит, фторопласт или спирально-навитую с ограничительным кольцом. Выбор зависит от среды и температуры, а не только от давления: для пара нужна термостойкая, для пищевых линий — с допуском на контакт с продуктом, для щелочей и кислот — химически стойкая. Толщину подбирают минимальной из достаточных: чем толще прокладка, тем сильнее она выдавливается под нагрузкой и тем быстрее соединение теряет затяжку.

Почему нельзя смешивать фланцы ряда 1 и ряда 2?
Потому что при одних и тех же Ду и Ру у этих рядов отличаются наружный диаметр, диаметр окружности болтов, а часто и число отверстий. Совместить такие фланцы в одном соединении невозможно: отверстия не совпадут. Ряд указывают в обозначении отдельной цифрой после типа. Основным считается ряд 1 — именно его размеры совпадают с прежними ГОСТ 12820-80 и 12821-80, поэтому при ремонте старых линий берут его.