Фланцевые соединения играют ключевую роль в различных отраслях промышленности, включая нефте- и газодобычу, химическую и пищевую промышленность, энергетическую отрасль и другие. Неплоскостность фланцевых соединений представляет собой одно из ключевых качественных требований к металлоконструкциям, так как любые отклонения от плоскостности могут привести к проблемам с герметичностью и долговечностью соединений. В данной статье рассмотрим основные причины неплоскостности, методы её выявления и устранения, а также требования к ним.

Ключевые слова: металлоконструкции, фланцевые соединения, неплотность соединения, зазоры во фланцевом соединении.

Фланцевые соединения состоят из двух фланцев, уплотнительного кольца и крепежных элементов (болты и гайки) [1]. Существуют различные типы фланцев, каждый тип которых предназначен для определенных условий эксплуатации и имеет свои преимущества и недостатки.

– Приварные фланцы

– Фланцы с резьбой

– Свободные фланцы

– Фланцы с плоским торцом

Материалы, используемые для изготовления фланцев, варьируются в зависимости от условий эксплуатации. Основными материалами являются (Рис.1):

– Углеродистые стали широко применяются благодаря своей доступности и достаточной прочности для большинства применений.

– Нержавеющие стали используются в агрессивных средах, где требуется высокая коррозионная стойкость.

– Легированные стали применяются при высоких температурах и давлениях благодаря улучшенным механическим свойствам.

Рис. 1. Микроструктура сталей 08пс; 09Г2С; 10ХСНД (соответственно)

Углеродистые и низколегированные стали широко применяются из-за своей доступности и экономичности, в то время как нержавеющие и высоколегированные стали используются там, где необходима высокая коррозионная стойкость и прочность при экстремальных температурах.

Фланцевые соединения регламентируются различными международными и национальными стандартами, которые определяют размеры, допустимые отклонения, материалы и методы испытаний. Наиболее распространенные стандарты включают:

– ASME B16.5 — стандарты для фланцев и соединительных элементов трубопроводов.

– DIN EN 1092 — европейский стандарт для фланцев из различных материалов.

– ГОСТ 23118–2012 (и его предыдущие редакции) регулирует фланцы стальные для соединений трубопроводов, аппаратов и оборудования [2].

Рис. 2. Типовой фланцевый узел типа «колонна-ригель»

Рассмотрим основные аспекты этого стандарта, включая его структуру, типы фланцев, технические требования и области применения.

ГОСТ 23118 охватывает следующие аспекты:

– Область применения: Стандарт распространяется на стальные фланцы, используемые в трубопроводных системах, а также в соединениях аппаратов и оборудования, работающих при давлении до 20 МПа и температуре до 600°C.

– Типы фланцев: Стандарт включает различные типы фланцев, предназначенных для различных условий эксплуатации.

– Материалы: Основными материалами для изготовления фланцев по ГОСТ 23118 являются углеродистые и легированные стали. Конкретные марки сталей и их химический состав регламентируются стандартом. Также учитываются требования к механическим свойствам, такие как предел текучести, предел прочности и удлинение.

– Конструкция и размеры: стандарт определяет конструктивные размеры фланцев, включая диаметр, толщину, диаметр болтовых отверстий и их расположение. Также устанавливаются допустимые отклонения и допуски.

– Технические требования: включают требования к поверхности фланцев, их механическим свойствам, испытаниям на герметичность и методы контроля качества. В частности, рассматриваются требования к обработке поверхности (чистота обработки, отсутствие дефектов), а также методы неразрушающего контроля, такие как ультразвуковая и радиографическая дефектоскопия.

Основным положением, которое хотелось бы рассмотреть в работе, является неплоскостность фланцевых соединений, регламентируемая таблицей Б1 п.4.2.3 (ГОСТ 23118–2012)

Неплоскостность фланцевых соединений представляет собой одно из ключевых качественных требований к металлоконструкциям, так как любые отклонения от плоскостности могут привести к проблемам с герметичностью и долговечностью соединений. В данной статье рассмотрим основные причины неплоскостности, методы её выявления и устранения, а также требования к ним.

Причины неплоскостности фланцев:

– Производственные дефекты;

– Монтажные ошибки;

– Эксплуатационные факторы;

– Материальные дефекты.

Методы выявления неплоскостности:

– Визуальный осмотр:

• Проводится с помощью линейки, угольника или шаблона.
• Линейка прикладывается к поверхности, и визуально оцениваются зазоры между линейкой и поверхностью.
• Подходит для предварительной оценки.

– Использование щупов:

• Щупы разной толщины применяются для измерения зазоров между поверхностью и контрольной линейкой.
• Позволяет количественно оценить величину неплоскостности.

– Лазерное сканирование:

• Лазерные сканеры или лазерные нивелиры используются для построения 3D-модели поверхности.
• Позволяет точно определить отклонения от плоскости.

– Координатно-измерительные машины (КИМ):

• Используются для высокоточного измерения геометрических параметров.
• Позволяют определить неплоскостность с высокой точностью.

– Оптические методы:

• Использование оптических приборов, таких как теодолиты или нивелиры, для измерения отклонений.
• Применяется для крупногабаритных конструкций.

– Гидростатические уровни:

• Используются для определения перепадов высот на больших поверхностях.
• Позволяет оценить неплоскостность в крупных рамных узлах.

Методы контроля неплоскостности

– Нормативная документация:

• Соблюдение требований ГОСТ, СНиП или других стандартов, которые регламентируют допустимые отклонения от плоскостности.
• Например, ГОСТ 19904–90, 23118–2015 для металлоконструкций.

– Использование шаблонов:

• Применение эталонных шаблонов для сравнения с контролируемой поверхностью.
• Позволяет быстро выявить отклонения.

– Контрольные замеры:

• Регулярные замеры с использованием измерительных инструментов (линеек, щупов, лазеров).
• Проводятся на этапах сборки и после завершения работ.

– Автоматизированные системы контроля:

• Использование роботизированных систем с лазерными или ультразвуковыми датчиками.
• Позволяет контролировать неплоскостность в реальном времени.

– Корректировка и выравнивание:

• При обнаружении отклонений применяются методы правки (механическая, термическая или гидравлическая).
• Использование домкратов, прессов или нагрева для устранения деформаций.

– Статистический контроль:

• Анализ данных измерений для выявления тенденций и предотвращения дефектов.
• Применяется в серийном производстве.

Методы устранения неплоскостности

– Механическая обработка:

• Шлифование: Использование шлифовальных станков для достижения необходимой плоскостности фланцев.
• Фрезерование: Применение фрезерных станков для обработки поверхности фланца.

– Исправление монтажа:

• Правильное затягивание болтов: Затягивание болтов по схеме крестообразного или звездообразного порядка, что обеспечивает равномерное распределение напряжений.
• Использование подкладок и выравнивающих элементов: Применение специальных прокладок для компенсации отклонений от плоскостности.

– Термическая обработка:

• Нагрев и охлаждение

– Контроль и корректировка в процессе эксплуатации:

• Регулярный мониторинг
• Использование компенсаторов

Нередко случаются ситуации, когда при монтажных работах контролер ОТК отказывается подписывать документацию, из-за того, что зазор фланцевого соединения составляет более 0,3мм, иначе говоря, фланец имеет «грибовидную» форму (Рис.3).

Рис. 3. Замер грибовидности фрезерованной поверхности фланца с помощью поверочной линейки

Целью исследования было узнать, влияет ли неплостность рабочих поверхностей на несущую способность узла, и, возможно, в будущем регламент приема конструкций по ГОСТ 23118 будет пересмотрен.

Были проанализированы отчеты по численным расчётам в ПО IDEA StatiCa [3] характерных типов узлов с соответствующими физическими и геометрическими характеристиками на различные сочетания нагрузок (Рис.4) и исполнительная документация с перечнем отклонений от требований СП 70.13330.2012 при производстве и приемке работ [4].

Рис. 4. Сконструированный узел фланцевого соединения в IDEA StatiCa

Были сконструированы схемы болтовых фланцевых соединений с пометками о требуемой величине зазора в типовых соединениях (рис. 5).

Рис. 5. Схема напряжений в типовых конструкциях фланцевых соединений

Согласно расчетам, наибольшие напряжения возникают у стенки и полок балки, несущая способность узла обеспечивается. Так, анализируя расчеты узлов, можно прийти к выводу, что зазор 0,3мм обязательно должен соблюдаться в районе балки, это в свою очередь гарантируется конструкцией узла (правильной затяжкой высокопрочных болтов), а вот по краям фланца данное требование излишне и в некоторых зонах может быть увеличено вплоть до 4мм (рис. 6).

Рис. 6. Определение размеров зазора согласно расчетам

Я считаю эту тему весьма актуальной в данный период времени, так как фланцевые соединения все чаще применяются в промышленном строительстве, и в зонах монтажа часто возникают ситуации, по которым не может быть возможным обеспечить плоскостность 0,3мм на фланце, из-за допусков конструкций по длине, ошибок изготовления или приемки, соответственно, нужно рассмотреть увеличения поля допуска по ГОСТ 23118. Аргументирую это тем, что при невыполнении данного пункта ГОСТа- конструкция бракуется, уходит на доработку, повышаются транспортные, денежные и человеческие расходы, начинается простой в зоне монтажа. Расширяя поле допуска, от этих проблем можно уйти.

Литература:

1. НИПИ Промстальконструкция.: Болтовые фланцевые рамные соединения балок с колоннами стальных каркасов зданий и сооружений
2. ГОСТ 23118–2019. Конструкции стальные строительные. Табл. Б1. С. 25–29.
3. ЦНИИСК им. Кучеренко Госстроя СССР. Пособие по проектированию стальных конструкций. П. 27. С. 46.
4. Митин С. В. Ведущий эксперт отдела обследований и экспертиз несущих конструкций. Монтажные соединения на болтах с контролируемым натяжением.