Соединение фланцев шпильками: способы и технические требования

О чем речь? Соединение фланцев шпильками – проверенный временем метод, который обеспечивает надежное крепление труб. Он широко используется в различных сферах промышленности, где требуется высокая степень герметичности и прочности.

В чем особенность? Применение шпилек позволяет равномерно распределить нагрузку между деталями конструкции, обеспечивая тем самым долговечность и безопасность эксплуатации системы. Поэтому важно выбрать крепежный элемент, который отвечает всем требованиям монтажа, и использовать соответствующий способ затяжки.

Особенности фланцевых соединений

Фланцевым соединением называется крепление двух плоских деталей, расположенных лицевыми поверхностями друг к другу. При этом обеспечивается симметричное крепление при помощи резьбовых соединений, равномерно распределенных по периметру на одинаковом расстоянии от центра. В таком случае исключается использование сварки, пайки, нагрева или развальцовки.

Соединение фланцев шпильками подразделяется на два основных вида:

• Контактное соединение – детали стыкуются напрямую, без дополнительных уплотнителей.
• Неконтактное соединение – между сопрягаемыми поверхностями размещается прокладка из эластичного материала, обеспечивающая герметичность.

Первый вариант используется крайне редко, поскольку силовое притяжение металлических фланцев приводит к их плотному сцеплению. В результате сила адгезии оказывается настолько высокой, что последующий разбор конструкции становится затруднительным. Чтобы избежать подобного эффекта, даже в случаях, когда не требуется герметизации соединения, устанавливают прокладки, например, из паронита.

Форма опорных поверхностей фланцев может различаться:

• Кольцевые – представляют собой круглые элементы.
• Полосовые – могут быть квадратными или прямоугольными.
• Фасонные – повторяют геометрию стыковочных поверхностей литых корпусов.

Фото: noomcpk / Freepik

Чем сложнее конструкция опорной поверхности фланца, тем больше точек крепления требуется для равномерного распределения нагрузки по периметру.

Хотя классическое фланцевое соединение предполагает стыковку двух деталей, в ряде случаев технологии допускают сборку из трех и даже четырех элементов.

Особые требования к надежности уплотнительных соединений предъявляются при эксплуатации трубопроводной арматуры и фитингов, предназначенных для транспортировки химически активных веществ. Уплотнение должно сохранять свои свойства независимо от изменений давления и температуры рабочей среды. Однако не все типы крепежных элементов могут гарантировать необходимый уровень герметичности. В эту категорию входят болты, гайки, шпильки и шайбы.

Характеристики шпилек для соединения фланцев

Шпильки представляют собой продолговатые крепежные элементы, лишенные головки и оснащенные резьбой с обеих сторон. Их ключевая особенность – наличие гладкого участка в средней части, диаметр которого может совпадать с диаметром резьбы, быть меньше или больше него.

Плавный переход между гладкой и резьбовой зонами обеспечивается специальными радиусами скругления, рассчитанными так, чтобы минимизировать концентрацию напряжений внутри крепежа.

Для производства шпильки для фланцевых соединений используют стальной пруток или проволоку, соответствующую ГОСТ 10702-2016. Основным сырьем служит калиброванный прокат, изготовленный из углеродистой или легированной стали с заданными допусками по диаметру и строго контролируемым качеством поверхности. Это необходимо для обеспечения высокой точности при холодной объемной штамповке, выполняемой на автоматических прессах.

Гораздо реже шпильки получают методом механической обработки, так как этот способ требует большего расхода материала и не позволяет добиться равномерной прочности по всей длине изделия, особенно в продольном направлении.

В зависимости от размеров крепежного элемента используются разные технологии производства. Так, шпильки диаметром до 30 мм изготавливают методом холодной высадки из проволоки, а для деталей с диаметром более 30 мм применяется метод холодного выдавливания из стального прутка.

В нефтехимической и газовой промышленности для изготовления шпилек применяется сталь, соответствующая ГОСТ 1050-80, с марками от 10 до 30. Конкретный выбор материала определяется на основе испытаний, направленных на оценку максимально возможных растягивающих нагрузок, которые могут возникнуть в трубопроводе.

Стальные шпильки отлично сочетаются с различными металлами, применяемыми в производстве трубопроводной арматуры и фитингов, включая чугун, латунь и бронзу.

Виды шпилек для соединения фланцев

Ключевой нормативный документ – ГОСТ 9066-75, регулирующий производство шпильки для фланцевых соединений. В соответствии с ним различают пять основных типов таких крепежей, используемых в трубопроводных и энергетических системах:

• Тип А – цельная шпилька, у которой диаметр гладкой части совпадает с сечением резьбы. Применяется в соединениях фланцев паровых котлов, газовых и паровых турбин, арматуры, приборов и резервуаров, работающих при температуре металла не выше +300 °С.
• Тип Б – цельная шпилька, где резьбовая часть имеет больший диаметр, чем гладкая. Подобные крепежи используют для фланцевых соединений турбин, трубопроводов, паровых котлов, арматуры и оборудования, рассчитанных на температуру свыше +300 °С.
• Тип В – шпилька с внутренним осевым отверстием по всей длине, увеличенным диаметром резьбы относительно гладкой части и четырехгранным выступом для ключа. Такой крепеж требует предварительного нагрева при затяжке и применяется в цилиндрических корпусах паровых и газовых турбин, регулирующих и стопорных клапанах, где важно контролировать силу затяжки при температуре до +650 °С.

• Тип Г – аналогична шпильке типа В, но отличается цилиндрическим выступом на конце, который вкручивается в соединение. Используется в тех же узлах – корпусах турбинных цилиндров, регулирующих и стопорных клапанах, а также в арматуре с контролируемой затяжкой, рассчитанной на температурный режим до +650 °С.
• Тип Д – шпилька с внутренним осевым отверстием, у которой диаметр резьбы превышает диаметр гладкой части. Для ее установки требуется нагрев. Применяется в соединениях цилиндров паровых и газовых турбин, трубопроводных элементов, арматуры, а также стопорных и регулирующих клапанов с контролируемым моментом затяжки, выдерживающих температуру до +650 °С.

Типы А и Б не предназначены для соединения фланцев шпильками, где требуется контролируемая затяжка, и используются в стандартных фланцевых креплениях.

Размеры и технические характеристики шпилек для фланцевых соединений

ГОСТ 9066-75 (производство шпильки для фланцевых соединений) предусматривает определенные параметры:

• Диаметр резьбы (номинальный), мм – от 10 до 160 (с выбором крупного или мелкого шага).
• Диаметр гладкой части, мм – от 7,8 до 154.

Фото: sergey_pakulin / Freepik

• Внутренний диаметр отверстия (для типов В, Г, Д), мм – от 13 до 54.
• Длина резьбовой части, мм – от 30 до 220.
• Полная длина шпильки, мм – от 45 до 750.

Для более длинных крепежей параметры устанавливаются по ГОСТ 6639-69.

Стандарт также определяет такие конструктивные особенности, как параметры фасок, радиусные переходы, участки для контролируемой затяжки и геометрию шпильки.

Резьбовая часть изготавливается двумя методами: накаткой (пластическая деформация); механической нарезкой. После обработки диаметр средней части шпильки может быть немного больше, чем резьбовой.

Классификация шпилек по ОСТ-26-2040-96

Стандарт ОСТ-26-2040-96 не фиксирует конкретный материал для изготовления шпилек, но устанавливает их основные виды:

• С одинаковыми диаметрами резьбы и гладкой части.
• С уменьшенным диаметром средней части (варианты с одинаковыми или разными резьбовыми концами).

Диапазон размеров:

• диаметр резьбы, мм – от 10 до 80 (для первой категории – от 10 до 56);
• диаметр гладкой части, мм – от 7,8 до 72;
• длина шпильки, мм – от 50 до 900;
• длина резьбы, мм – от 22 до 135.

Все шпильки имеют метрическую нарезку (крупный или мелкий шаг). Регламентируются шероховатость поверхности, плавность радиусных переходов и форма торцевой фаски. Резьба выполняется двумя способами: накаткой на полуавтоматах – повышает прочность резьбового соединения; нарезкой на металлорежущих станках – обеспечивает точность резьбы.

Выбор шпилек для соединения фланцев

При выборе шпилек важно учитывать размеры крепежных отверстий и толщину фланцев. Также немаловажен материал, из которого изготовлены как шпильки, так и сами фланцы. Оптимально, если коэффициенты термического расширения металлов совпадают – это предотвращает деформации при нагреве.

Ключевые факторы выбора:

• Стандарты и страна производства. Российские шпильки соответствуют ГОСТ, но их стоимость выше. Китайские аналоги дешевле, но соответствуют стандарту DIN, который отличается от отечественных норм.
• Размеры отверстий во фланцах. Диаметр шпильки должен точно совпадать с отверстиями, чтобы обеспечить равномерное распределение нагрузки.
• Материал шпилек. Для работы в агрессивных средах лучше использовать крепеж из коррозионностойкой или легированной стали.

Для продления срока службы рекомендуется применять шпильки для фланцевых соединений с антикоррозийным покрытием, которое снижает риск разрушения крепежа и продлевает его эксплуатационный ресурс.

Затяжка фланцевого соединения шпильками

Перед затягиванием шпилек важно правильно разместить уплотнительную прокладку. Затем крепеж фиксируют равномерно по всему периметру, избегая чрезмерного натяжения.

Фото: claudiodiv / Freepik

Фланцевые соединения требуют регулярного осмотра – не реже одного раза в год необходимо проверять их состояние и при необходимости подтягивать гайки. Перепады давления и температуры со временем ослабляют крепеж. В промышленных системах этим занимаются специалисты, а в частных хозяйствах ответственность ложится на владельца.

Поскольку фланцевые соединения часто подвергаются значительным нагрузкам, перед монтажом следует внимательно осмотреть шпильки, гайки и сам фланец. Не допускается использование крепежа с трещинами, сколами или признаками коррозии. Желательно выбирать изделия от проверенных производителей, которые зарекомендовали себя на рынке.

Перед установкой соединение очищают от загрязнений, жира и ржавчины, проверяют на повреждения и заусенцы. Метизы прокручивают по резьбе, а шпильки смазывают. После подготовки прокладку фиксируют строго по центру.

Прочность и герметичность соединения напрямую зависят от правильного порядка фиксации крепежных элементов:

• При использовании болтов (если их четыре штуки) затяжка выполняется в последовательности крест-накрест.
• Затяжка фланцевых соединений шпильками начинается с легкой фиксации первой, после чего аналогично затягивается противоположная. Третью закручивают слабее первой на четверть оборота (90°), после чего аналогично фиксируется четвертая. Только после этого все стержни затягиваются окончательно.
• Для обеспечения герметичности важно приложить оптимальное усилие при затягивании крепежа. При неправильном распределении нагрузки на шпильку действуют разнонаправленные силы – затягивающее и растягивающее напряжение. Если усилие окажется чрезмерным, это может привести к разрыву стержня или повреждению резьбы.

Чтобы избежать таких последствий, применяют специальные инструменты:

• гидравлические натяжители шпилек;
• динамометрические ключи с гидроприводом;
• пневматические гайковерты;
• ручные динамометрические ключи.

Хотя можно выполнить затяжку самому, эту процедуру лучше доверить специалисту, обладающему необходимыми навыками.

Независимо от метода фиксации, необходимо контролировать прикладываемое усилие, сверяясь со спецификацией на конкретное изделие.

В течение суток после монтажа натяжение может ослабнуть на 10 % из-за усадки прокладки и вибраций. Спустя 48 часов требуется повторная затяжка для надежности и герметичности.

Почему следует обращаться именно к нам

Мы с уважением относимся ко всем клиентам и одинаково скрупулезно выполняем задания любого объема.

Наши производственные мощности позволяют обрабатывать различные материалы:

• цветные металлы;
• чугун;
• нержавеющую сталь.

При выполнении заказа наши специалисты применяют все известные способы механической обработки металла. Современное оборудование последнего поколения дает возможность добиваться максимального соответствия изначальным чертежам.

Для того чтобы приблизить заготовку к предъявленному заказчиком эскизу, наши специалисты используют универсальное оборудование, предназначенное для ювелирной заточки инструмента для особо сложных операций. В наших производственных цехах металл становится пластичным материалом, из которого можно выполнить любую заготовку.

Преимуществом обращения к нашим специалистам является соблюдение ими ГОСТа и всех технологических нормативов. На каждом этапе работы ведется жесткий контроль качества, поэтому мы гарантируем клиентам добросовестно выполненный продукт.

Благодаря опыту наших мастеров на выходе получается образцовое изделие, отвечающее самым взыскательным требованиям. При этом мы отталкиваемся от мощной материальной базы и ориентируемся на инновационные технологические наработки.

Мы работаем с заказчиками со всех регионов России. Если вы хотите сделать заказ на металлообработку, наши менеджеры готовы выслушать все условия. В случае необходимости клиенту предоставляется бесплатная профильная консультация.

Изображение в шапке статьи: Jens Freudenau / Unsplash