3. Изготовление фланцев

Параметры и размеры. Фланцы (рис. 2.40) трубопроводов и соединительных частей, а также входные и выходные фланцы арматуры машин, приборов, аппаратов и резервуаров, применяемых в химической, нефтеперерабатывающей и нефтехимической отраслях промышленности, изготовляют в соответствии с ОСТ 26-830 – 73 – ОСТ 26-842 – 73. В табл. 40 приведены области применения различных типов фланцев.

При изготовлении теплообменных аппаратов фланцы корпуса, распределительных камер и крышек для аппаратов диаметром 400 мм и выше, рассчитанных на условное давление 15,7 МПа, должны соответствовать действующим отраслевым стандартам, а для аппаратов с рабочей температурой одной или обеих сред 300 °С и более выполняют приварными встык с уплотнительной поверхностью выступ-впадина, для p_у-6,4 МПа – с уплотнительной поверхностью под металлическую прокладку восьмигранного сечения. Уплотнительную поверхность шип-паз можно применять только с прокладками, которые необходимо помещать в замкнутый объем, например, с прокладками из фторопласта. У теплообменных аппаратов, работающих под вакуумом, на корпуса, распределительные камеры и крышки к ним устанавливают корпусные фланцы не менее чем на р_у = 1 МПа.

Технические требования на изготовление фланцев должны соответствовать ОСТ 26-843—73 и ОСТ 26-291—71. Материал для изготовления фланцев выбирают в зависимости от температуры и среды, в которой они должны работать. Это в основном стали ВСтЗспЗ, 20К, 16ГС, 12Х18Н9Т, 10Х17Н13М2Т.

Предельные отклонения размеров фланцев (см. рис. 2.40) следующие.

1. D – для стальных фланцев, получаемых штамповкой, – по второй группе ГОСТ 7505–74 с максимальным радиусом закругления внешних углов 3 мм; для фланцев получаемых другими методами, – по В₉.

2. d – по А₈; d_B – по А₇; D₂ – по 7-му классу со знаком; b – по 8-му классу со знаком ±; h₁, h₂, h₃ – не более + 0,5 мм; D₁ и D₅ – по С₅; D₃ и D₀ – по А₅.

3. Смещение осей отверстий d от номинального расположения должно быть не более: 1 мм – для отверстий d = 12 ÷ 18 мм; 1,6 мм – для отверстий d = 23 ÷ 33 мм; 2 мм – для отверстий d = 40 ÷ 52 мм.

4. Торцовое биение поверхности Б – по XII степени точности ГОСТ 10356–63. Непараллельность поверхностей А и Б – 0,1 мм в пределах наружного диаметра гайки.

Таблица 2.9 – Области применения различных типов фланцев

Тип фланцев (стальных)	Условный диаметр Dy, мм	Условное давление ру, МПа	ОСТ
Плоские приварные	10–1600	0,1–2,45	26-830–73 26-831–73 26-832–73
Свободные на приварном кольце	100–500	0,1–2,45	26-833–73 26-834–73 26-835–73
Литые	15-600	1,57—15,7	26-836–73 26-837–73 26-438–73
Приварные встык	10—800	0,59—15,7	26-839–73 26-840–73 26-841–73 26-842–73

Допускается изготовление фланцев сварными из нескольких частей полосового проката с последующей сваркой мест стыка при условии выполнения швов с полным проваром по всему сечению фланца и 100%-ного контроля качества швов. В этом случае допускается располагать отверстия на сварных швах.

Для сосудов и аппаратов из двухслойной стали фланцы изготовляют из стали основного слоя двухслойной стали (или из стали этого же класса) с защитой уплотнительной и внутренней поверхностей фланца от коррозии наплавкой. Толщина наплавленного слоя после механической обработки должна быть не менее 4⁺²_-1 мм, а при наличии требований по межкристаллитной коррозии – не менее 6⁺²_-1 мм. Допускается защита уплотнительной и внутренней поверхностей фланцев облицовкой из хромоникелевой аустенитной стали. Толщина облицовки должна быть не менее 3 мм.

Особенности технологии изготовления. В качестве заготовок для изготовления фланцев используют поковки, штамповки, профильный прокат, бандажные и сварные заготовки. При выборе способа получения заготовки для фланца необходимо учитывать материал и габаритные размеры фланца, размеры сечения обода, коэффициент использования металла, трудоемкость изготовления и другие факторы. В табл. 2.10 приведены рекомендации по областям применения каждого из указанных способов.

О целесообразности применения заготовок каждого из указанных видов решают исходя из конкретных условий производства.

При штамповке фланцев на молотах обеспечиваются высокая производительность, точность размеров заготовок, в результате чего значительно уменьшается отход металла в стружку и снижается трудоемкость обработки. Штамповка на кривошипных горячештамповочных прессах имеет ряд преимуществ перед штамповкой намолотах: повышается производительность труда и точность исполнения размеров поковки, увеличивается коэффициент использования металла в результате уменьшения штамповочных уклонов, уменьшается расход электроэнергии и улучшаются условия труда. Гибку с последующей сваркой выгодно применять в том случае, когда сечение обода фланца относительно небольшое и когда материал фланца обладает хорошей свариваемостью. В табл. 2.11 приведены сравнительные технико-экономические показатели изготовления заготовок фланцев ковкой в подкладном кольце и гибкой из профильного проката с последующей сваркой встык.

Таблица 2.10 – Области применения различных способов получения заготовок для фланцев

Наименование способа	Условный диаметр Dу, мм	Характер производства
Штамповка на молотах свободной ковки	10 – 250	Серийный
Штамповка на кривошипных горячештамповочных прессах	10 – 150	Серийный, массовый
Гибка профильного проката	>250	Серийный
Из бандажных заготовок	400 – 2400	Массовый
Из сваренных секторов	>400	Индивидуальный

Таблица 2.11 – Сравнительные технико-экономические показатели изготовления заготовок фланцев ковкой и гибкой из профильного проката

Показатели	Способ изготовления фланца
	Гибка профиля с последующей сваркой	Ковка в подкладочном кольце
Масса, кг:
заготовки	18,8	69,0
поковки	–	41,0
фланца	13,5	15,4
Коэффициент использования металла	0,8	0,2 – 0,25
Трудозатраты, чел.-ч:
на поковку	0,2	1,2
на токарную обработку	0,25	3,25
Выпуск фланцев на единицу производственного оборудования за одну смену, шт	70	12

При получении заготовок ковкой с последующей прокаткой на кольцепрокатном стане большая степень проработки материала фланца во всех направлениях, отсутствие сварного шва, сравнительно высокий коэффициент использования металла позволяют рекомендовать этот способ при серийном изготовлении крупногабаритных фланцев. Получение заготовок, сваренных из отдельных секторов, применяют, как правило, для фланцев больших размеров, изготовляемых из проката большой толщины (более 40 мм) или из марок сталей, на которые отсутствует стандартный профильный прокат.

Штамповка на молотах. Типовой технологический процесс изготовления заготовок приваренных встык фланцев (Dy = 150 ÷ 250 мм) приведен в технологических документах ЕСТД (см. стр. 109—110) -

Операция 3. Штамповочная. Фланцы чаще всего штампуют в открытых штампах, на зеркале которых размещают площадку для осадки заготовок площадью более 30% всей площади зеркала штампа.

Заготовки крупных фланцев (до 200 – 250 мм) осаживают на ковочном молоте, а остальные операции выполняют на штамповочном молоте. Выбирая размеры формы штампа, необходимо учитывать усадку при остывании (15%). Для предотвращения застревания фланца в штампе боковые стенки ручьев изготовляют с уклоном 3 – 10°.

За один ход пресса прошивают отверстия и обрезают заусенцы на кривошипных прессах в комбинированных штампах (рис. 2.41). Во время прошивки отверстия и обрезки заусенцев во фланцах (D_y = 100 мм) одновременно правят их по плоскости. Фланцы большего диаметра правят на молоте в чистовом ручье штампа.

В связи с тем, что стойкость штампов, имеющих сравнительно малые размеры выступов, низкая, воротниковые фланцы (D_y = 30 мм) штампуют без прошивки отверстия. В некоторых случаях для увеличения срока службы штампов выступы выполняют сменными и по мере износа их заменяют.

Конструкция штампов для безоблойной штамповки предусматривает возможность заполнения формы штампа металлом прежде, чем он достигнет выхода в облойную канавку. Значительное влияние на заполнение формы штампа в процессе безоблойной штамповки оказывает форма исходной заготовки, которая должна приближаться к окончательной форме поковки. Указанное достигается предварительной штамповкой в черновых ручьях. Штампы для безоблойной штамповки фланцев схематически изображены на рис. 2.42.

Объем исходной заготовки должен соответствовать объему ручья:

V_заг = V_пок + V_угар,

где V_пок – объем поковки, определяемый по чертежу;

V_угар – объем потери металла на угар (1,5—2,0% объема заготовки).

Припуски, допуски и штамповочные уклоны для поковок, изготовляемых безоблойным методом, назначаются по ГОСТ 7505–74.

Для лучшего извлечения поковок из ручьев штампа, уменьшения усилия, необходимого для штамповки на молотах, а также повышения стойкости штампов в качестве смазок применяют графитовые суспензии, коллоидный графит на водной или масляной основе.

Штамповка на кривошипных горячештамповочных прессах. Наиболее производительным оборудованием для резки заготовок являются сортовые ножницы. Однако резка заготовок из легированных сталей на ножницах вызывает образование торцовых трещин. Для предотвращения этого явления сортовой прокат перед резкой нагревают в специальных печах до температуры 450 – 650 °С.

Расчетный диаметр исходной заготовки для штамповки фланцев на кривошипных горячештамповочных прессах

где V₃ — объем заготовки, мм3; m – отношение высоты заготовки к ее диаметру, которое рекомендуется брать в пределах от 1,6 до 2,2.

Заготовки перед штамповкой нагревают в пламенных печах камерного или методического типа или в индукционных нагревателях. Существенным недостатком нагрева в пламенных печах является обезуглероживание заготовок и образование окалины, что ухудшает качество поверхности поковки и снижает стойкость штампов. Эти недостатки устраняют применением защитной атмосферы или заменой пламенного нагрева электрическим.

Наиболее рационален нагрев заготовок в индукционных нагревателях, при этом слой окалины уменьшается в 4 – 5 раз, а обезуглероживание практически не происходит. На кривошипных горячештамповочных прессах фланцы штампуют за три перехода: осадка заготовки, штамповка, обрезка заусенцев и прошивка отверстия. Осадка исходной заготовки, выполняемая на осадочной площадке штампа, позволяет очистить поверхность заготовки от окалины и способствует лучшему заполнению металлом формовочного ручья штампа.

В чистовом формовочном ручье штампа поковка формуется за один ход пресса. В отличие от штамповки на молотах заполнение полости ручья верхней и нижней частей штампа в этом случае происходит с одинаковой скоростью. Минимальный уклон при штамповке на кривошипных прессах может быть доведен до 1,5 – 2°, а в отдельных случаях до 30'.

В ряде случаев при изготовлении фланцев на кривошипных горячештамповочных прессах применяют совмещенную штамповку двух фланцев различных размеров (рис. 2.43), что позволяет сократить расход металла и увеличить выпуск готовой продукции с единицы кузнечного оборудования.

При штамповке фланцев на кривошипных прессах особо важное значение имеет правильный выбор пресса по номинальному усилию. Если усилие пресса недостаточно, то возникает опасность его заклинивания или поломки. Расчетное усилие пресса, необходимое для штамповки фланцев можно определить по формуле

где D_п – максимальный диаметр поковки в плане, м; F_п – площадь проекции поковки (без заусенцев) на плоскость разъема штампа, м²; σ_сж – предел прочности при сжатии штампуемого металла при температуре окончания штамповки, МПа.

Обрезают заусенцы и прошивают отверстия,на обрезных прессах в простых, последовательных или комбинированных штампах. В простых штампах используют два пресса (на одном обрезают заусенцы, на другом прошивают отверстие). Если размеры стола пресса достаточны для установки последовательного штампа, то обрезают заусенцы и прошивают отверстие на одном прессе в двух ручьях —.обрезном и прошивном. Чаще всего эти две операции выполняют в комбинированном штампе, позволяющем за один ход пресса обрезать заусенцы и прошить отверстие.

На рис. 2.44 показан штамп для вырубки заготовок фланцев на кривошипном прессе. Обычно заготовки рассчитаны на три-четыре фланца, которые можно вырубить после одного нагрева. Заготовки нагревают в газовой печи до температуры штамповки. Отходы с пуансона снимаются выталкивающим устройством пресса н системой выталкивателей штампа, а заготовки фланца — верхним выталкивателем. После вырубки по наружному контуру заготовку фланца нагревают вторично и пробивают внутреннее отверстие.

Гибка заготовок из проката. Технологический процесс изготовления заготовок по этому методу заключается в разрезке полосы или профиля на мерные заготовки, гибке в кольцо и стыковой сварке.

На рис. 2.45 показана фланцегибочная машина, предназначенная для гибки в горячем состоянии колец и полуколец для фланцев больших диаметров и толщин.

Конец полосы 3 заводят между эксцентриком 15 и шаблоном 17. При вращении стола по часовой стрелке происходит самозатягивание эксцентрика и изгибание полосы по шаблону. Для получения полного кольца необходимо эксцентрик отвести от изогнутой полосы, что становится возможным при вращении стола против часовой стрелки. Отжимают эксцентрик упором 2. При гибке полосы ручка эксцентрика доходит до упора, а эксцентрик поворачивается и полоса освобождается от зажима. Стол 18 поворачивается, полоса и эксцентрик зажимают полосу в положении, показанном на рисунке штриховой линией. Зажав полосу эксцентриком, ее окончательно обкатывают гибочным роликом и снимают заготовку.

Эллипсные фланцы можно изготовлять также гибкой полосы на профилегибочном станке, например, модели ПГ-5А. Полосу заготовки, соответствующую длине развертки эллипса, вставляют в направляющие пазы гибочных роликов станка (рис. 2.46) и изгибают в кольцо, после чего сваривают стык электросваркой. Соответствующей установкой расстояния между роликами из кольцевой заготовки симметричной раскаткой противоположных сторон получают эллипс необходимых размеров. Оснастка станка представляет собой универсальные съемные ролики с направляющими пазами (рис. 2.47). Вы соту и ширину паза регулируют в зависимости от толщины и высоты полос.

Раскатка на кольцепрокатных станах. В качестве исходного материала при изготовлении цельнокатаных фланцев могут служить слитки или кованые цилиндрические заготовки, которые разрезают чаще всего на мощных многорезцовых станках, оставляя по оси разрезаемых заготовок шейку диаметром 50 –60 мм. Надрезанные таким образом слитки поступают на специальный пресс (слитколоматель), на котором мерные заготовки отделяются друг от друга. При производстве фланцев из высоколегированных сталей экономически выгоден анодноискровой способ разрезки кованых заготовок.

Наиболее ответственными технологическими операциями при производстве цельнокатаных фланцев являются осадка, прошивка, раскатка на оправке и прокатка на стане. При этом на поверхности заготовок, в особенности из малопластичных высоколегированных сталей, часто появляются дефекты в виде разрывов и трещин, которые при последующей обработке давлением приводят к неисправимому браку фланцев. Промежуточные заготовки с подобными дефектами перед их дальнейшей обработкой передают на зачистку или обдирку.

Раскатку на оправке (рис. 2.48, а, б) применяют для увеличения внутреннего и наружного диаметров прошитой заготовки в результате уменьшения начальной толщины кольца. При раскатке на роговой оправке можно получать профиль поперечного сечения обода кольцевой заготовки, приближенный к конечному профилю фланца. Внутренний диаметр кольцевой заготовки после раскатки должен быть наименьшим, но достаточным для надевания ее на нажимной валок кольцепрокатного стана.

Заготовки диаметрами 120 – 420 мм раскатывают на специализированных машинах типа РМЗОО и РМ500.

Прокатку фланцев (рис. 2.49) осуществляют также на специальном кольцепрокатном стане. Кольцепрокатный стан имеет два консольных валка 1, 2 и два упорных ролика 5. Валок 1 внешнего касания (нажимной) является приводным и передает усилие от гидравлического плунжера на прокатываемую кольцевую заготовку. Валок 2 внутреннего касания (ведомый) получает вращение от гидропривода 4. Под действием усилия валка 1 заготовка 3 входит в профильный калибр ведущего валка и за счет сил трения начинает вращаться вместе с нажимным валком. Фланец на стане прокатывают до окончательных размеров за несколько оборотов кольцевой заготовки. С каждым оборотом кольца диаметр фланца увеличивается, поэтому число оборотов ограничивается заданным конечным диаметром фланца.

Типовой технологический процесс изготовления стальных фланцев, приваренных встык (D_y = 400 ÷ 600 мм, Р_у = 2,5 МПа).

Рассмотрит применяемый в операции 3 (сверлильная) универсальный кондуктор с пневматическим зажимом (рис. 2.50). Работу на кондукторе выполняют следующим образом. Деталь ставится на установочный диск 9. Для базирования детали по внутреннему диаметру на установочном диске предусмотрены кольцевые выточки. Деталь крепится к установочному диску гайкой 13 и быстросъемным болтом 10 с помощью планки 11 с откидной шайбой 12. Такое крепление детали выполняется в верхнем (открепленном) положении поршня пневмоцилиндра 6 для того, что бы при повороте кондуктора не происходило проворачивания детали относительно диска. В этом положении установочный диск вместе с деталью и прикрепленным к нему делительным диском 5 подняты над крышкой 4 корпуса 22 настолько, чтобы между диском 5 и постоянным фиксатором 1 был зазор величиной 1 – 2 мм для обеспечения вращения диска 5 вместе с накидной гайкой 3 и пятой 2, опирающейся на упорный подшипник.

При повороте дисков два шарика 7 (на рисунке показан один шарик), расположенные диаметрально противоположно относительно вертикальной оси и опирающиеся на пружины (сила пружинения которых регулируется гайкой), попадают в отверстия делительного диска. При зажатии детали пневмоцилиндром шток поршня идет вниз, и через гайку 3, пяту 2, быстросъемный болт 10, гайку 13, откидную шайбу 12, планку 11 и обрабатываемую деталь вся поворотная система прижимается к крышке 4, обеспечивая надежное крепление детали при сверлении. Постоянный фиксатор 1 повышает точность деления шариками. Кольцо 8 предотвращает попадание стружки под делительный диск, обеспечивая тем самым надежность работы кондуктора.

К корпусу крепится сварной кронштейн 21 с запрессованной в него втулкой 20, в которой вертикально передвигается шток 17 с планкой 15 и втулкой 14; шток стопорится двумя винтами 19, вследствие чего можно обрабатывать детали различной высоты. Шпонка 18 и штырь 16 предотвращают поворот штока и кондукторной планки относительно корпуса.

Описанная конструкция обеспечивает точность сверления без втулки 14, поэтому сменные планки 15 применяют только для настройки на необходимый диаметр болтовых отверстий.

Набор делительных дисков 5 с различным количеством отверстий, установочных дисков 9 с различными базовыми поверхностями, кондукторных планок 15 со сменными втулками 14 и крепящих планок делает кондуктор универсальным.