Фланцевые соединения

Фланцевые соединения служат для соединения отдельных частей аппарата, для присоединения к реактору трубопроводов, датчиков КИП и других устройств. Они являются наиболее распространенными разъемными соединениями аппаратов и трубопроводов.

Основными типами фланцев являются: цельные, свободные и резьбовые.

По конструкции и способу соединения со штуцером или корпусом реактора различают следующие типы фланцев (рис.2.4.6): плоские приварные, приварные с шейкой, отлитые заодно с аппаратом, свободные (накидные) на отбортовке или на бурте и фланцы на резьбе.

Рис.2.4.6. Основные типы фланцев

а – плоский приварной фланец; б – фланец с шейкой, приваренной встык;

в – фланец свободный с отбортовкой; г – фланец свободный на бурте

Наиболее просты по конструкции плоские приварные фланцы. Их широко применяют на стальных аппаратах и трубопроводах при давлениях до 2,5 МПа. Более высокой жесткостью и прочностью обладают фланцы с шейкой – утолщением у основания фланца. Они применяются для давлений до 20 МПа.

Фланцы с шейкой имеют несколько конструктивных разновидностей. Наиболее распространены фланцы кованые и приварные встык, широко применяемые на сварных аппаратах. На чугунных и стальных литых реакторах делают фланцы с шейкой, отлитые заодно с корпусом аппарата.

Стальные свободные фланцы на отбортовке применяют на аппаратах из мягких цветных металлов (алюминий, медь), а также из некоторых пластмасс, поддающихся отбортовке. Их применяют также при необходимости максимально экономить дефицитные конструкционные материалы, например, титан или высоколегированную сталь.

Фланцы на отбортовке применяют для условного давления до 0,6 МПа. Фланцы на резьбе (рис.2.4.7 а) применяют на трубопроводах и аппаратах высокого давления, когда применение сварки нежелательно. Такую конструкцию можно применять также при необходимости снятия фланца для разборки узла аппарата.

При конструировании стараются по возможности уменьшить ширину фланца, чтобы снизить изгибающие моменты у его основания и сделать его более жестким.

Рис.2.4.7. Фланец на резьбе (а) и фланец с разъемным кольцом (б)

Для соединения трубопроводов и аппаратов из стекла, керамики и других хрупких материалов применяют свободные разборные фланцы. Они выполняются в двух разновидностях: разъемные из двух частей и с разъемным кольцом.

Фланцы из двух частей изготавливают из ковкого чугуна. Обе половины стягиваются болтами. На рис.2.4.7 б показана конструкция с разъемным кольцом.

Наиболее ответственной частью фланцевого соединения является узел уплотнения. Герметичность прокладочного фланцевого соединения обеспечивается за счет пластической деформации прокладки, происходящей при затягивании фланцев. Прокладка деформируется и заполняет все неровности на привалочной поверхности. Герметичность соединения возрастает с увеличением удельного давления, действующего на прокладку. Чем меньше ширина прокладки, тем больше удельное давление при одной и той же силе сжатия, поэтому прокладки для соединений высокого давления стараются делать возможно более узкими.

Фланцы с плоской уплотнительной поверхностью (рис.2.4.8 а) являются конструктивно наиболее простыми, однако они не всегда обеспечивают необходимую герметичность соединения. Некоторое применение находят фланцы с выступом-впадиной (рис.2.4.8 б). Это соединение не имеет перед фланцами с плоской уплотнительной поверхностью существенных преимуществ и применяется в основном, когда необходимо обеспечить соосность соединения. Более надежным является соединение «шип-паз» (рис.2.4.8 в), которое используют при повышенных давлениях, работе с ядовитыми веществами и глубоком вакууме, т. е. в самых ответственных соединениях. В соединении «шип-паз» прокладка укладывается в кольцевую канавку и уплотняется сверху кольцевым выступом другого фланца. Она не имеет возможности деформироваться и выдерживает значительные удельные давления.

Соединение «в замок» (рис.2.4.8 г) можно рассматривать как вариант соединения «шип-паз». Его применяют обычно при высоких давлениях. Преимуществом этого соединения является большее удобство для смены прокладки. Извлекать прокладку из канавки соединения «шип–паз» довольно трудно, поэтому не рекомендуется использовать это соединение в полимеризаторах.

Рис.2.4.8. Типы уплотнительных поверхностей фланцевых соединений:

а – с плоской уплотнительной поверхностью; б – с выступом-впадиной;

в – соединение "шип-паз"; г – соединение "в замок"; д – с линзовой прокладкой; е – с овальной прокладкой

Из соединений с жесткими металлическими прокладками наиболее широко распространены линзовые с прокладкой из качественной углеродистой или легированной стали (рис.2.4.7 д). Соприкосновение шаровой поверхности линзы с коническими поверхностями уплотняемых деталей происходит по кольцевой линии. Под действием осевых сил в месте касания возникает узкий поясок деформации материала, который обеспечивает уплотнение. Уплотнения с упругой деформацией обеспечивают, многократную сборку и разборку. Линзы и соприкасающиеся с ней поверхности тщательно обрабатывают и пришлифовывают. Такие соединения применяют для оборудования с диаметрами до 300 мм и давлением до 80 МПа. Они широко используются в технике высоких давлений.

Для неядовитых, малоагрессивных сред при давлениях не более 0,1 МПа используют соединения с прокладкой в пазу (рис.2.4.8 е). Это уплотнение применяют в основном в узлах, подвергающихся частой разборке, например в люках. Паз фиксирует прокладку и не дает ей выпасть.

Форма фланцев (Рис. 1.4.9.) по преимуществу круглая. Она удобна для изготовления заготовки и механической обработки. Фланцы труб небольшого диаметра иногда делают квадратными. Число болтов фланцев должно быть кратно четырем. Исключением являются овальные фланцы трубопроводов высокого давления. По весу они получаются не менее тяжелыми, чем круглые при тех же Dу и ру. Болты для овальных фланцев делаются в 1,4 раза большего диаметра, чем болты круглых фланцев с четырьмя отверстиями для того, чтобы сохранить необходимую площадь сечения болтов.

Фланцы всегда работают в паре или с другим фланцем, или с заглушкой, имеющей те же присоединительные размеры.

Для крепления фланцевого соединения при давлении до 1,6 МПа и температуре до 200 °С применяют болты, при более высоких температурах и давлениях – шпильки, снабженные гайками с обеих сторон, т.к. у головки болтов возникают очень значительные местные напряжения. Шаг по болтовой окружности обычно принимают равным (2,54)d (d – наружный диаметр резьбы).

Рис. 1.4.9. Форма фланцев: а – круглая; б – квадратная; в – овальная