4 фактора, влияющие на надежность фланцевого соединения в трубопроводах. База знаний ОНИКС
А. ОСКОЛКОВА – контент-менеджер ООО «ОНИКС»
Трубопроводы используются для транспортировки жидкостей, отвода канализационных и сточных вод, газообразных веществ, кислотосодержащих сред, нефтепродуктов, суспензии, масел или мелких частиц, взвешенных в потоке воздуха или воды. Внешние климатические показатели характеризуют эксплуатацию трубопровода в условиях низких температур Крайнего Севера, при скалистом грунте, сейсмически активных территориях, через болота и обводненные участки, барханные пески или при проверке прочности и устойчивости насыпных (наземных) или подземных трубопроводах. Конструкция трубопровода должна сопротивляться внешним и внутренним воздействиям без разрушения. В этой статье расскажем вам про 4 критически важных фактора, от которых зависит фланцевое соединение в трубопроводах химической, нефтяной и газовой отрасли.
СРЕДА
По типу транспортируемого вещества выделяют три вида: неагрессивные/ малоагрессивные, среднеагрессивные и высокоагрессивные среды. Если среда трубопровода носит агрессивный характер, то это влечет к износу конструкции. Среди опасных факторов – возникновение коррозии. Коррозионные разрушения можно подразделить на разные виды и типы в зависимости от воздействия и характера среды. Например, коррозию разделяют по механизму взаимодействия материала с атмосферными условиями (химическая, электрохимическая), характеру изменения поверхности у объекта коррозии и по виду окружающей среды.
Атмосфера, почва, морская вода, температура, радиоактивное излучение или кислотосодержащие среды имеют сильное влияние на трубопровод. К примеру, в нефтехимической промышленности часто встречается газовая коррозия металлов при условии минимального содержания влаги при получении серной и азотной кислоты, на стадии окисления диоксида серы или в процессе синтеза органических спиртов. В газовом трубопроводе фланцевые соединения используются не так часто. Их применяют только там, где есть фланцевая арматура, например, к ним можно отнести задвижки.
В результате, условия эксплуатации агрессивных сред бывают газовые и жидкие. Первые включают в себя сероуглерод, углекислый, сернистый газ, метан, акролеин и др. Таким образом, способность к растворению в воде, разновидность и концентрация газов, их температурный диапазон и влажность оказывают влияние на силу разрушения конструкции. Ко второму виду жидких агрессивных сред относят: щелочные, кислотные и солевые растворы, нефтепродукты, различные масла, растворители и др. Учитывайте напор и силу движения среды, а также ее концентрацию и температуру.
МАРКА СТАЛИ
Окружающая среда воздействует на металл создавая два типа коррозионных процессов: химическую и электрохимическую коррозию. Если условия работы трубопровода носят неагрессивный характер или линия предназначена для работы в критических температурах Севера, используют сплавы на основе углерода. Для придания специальных свойств (коррозионная-стойкость, жаростойкость, жаропрочность, хладостойкость, криогенность), состав стали легируют дополнительными химическими элементами. Наиболее часто встречаются хром, никель, молибден, ванадий.
Для количественной и качественной оценки коррозионной стойкости металлов к процессу коррозии установлена десятибалльная шкала коррозионной стойкости, отраженная в таблице. 1.
Таблица 1. Шкала коррозионной стойкости металлов и скорость коррозионных процессов по ГОСТ 9.908-85 (устар. ГОСТ 13819-68)
Для изготовления фланцев существует ряд рекомендованных сплавов по ГОСТ 33259-15, пункт 7.9, табл. 11. Фрагмент информации из НД представлен в таблице 2.
Таблица 2. Рекомендуемые материалы для изготовления фланцев по ГОСТ 33259-15 с учетом транспортируемых веществ для бесшовных труб по ГОСТ 32569-13
*Обозначение транспортирующих веществ:
А – Вещества с токсичным действием ГОСТ 12.1.007
а) чрезвычайно и высокоопасные вещества классов 1,2
б) умеренно опасные вещества класса 3;
Б – Взрыво- и пожароопасные вещества ГОСТ 12.1.044
а) горючие газы (ГГ), в том числе сжиженные (СУГ)
б) легковоспламеняющиеся жидкости (ЛВЖ)
в) горючие жидкости (ГЖ);
В – Трудногорючие (ТГ) и негорючие вещества (НГ) по ГОСТ 12.1.044
Стали 12Х18Н10Т и 10Х17Н13М2Т имеют высокую стойкость в средах с кислотным и щелочным характером или первый балл стойкости, согласно таблице 1. Железоникелевый сплав 06ХН28МДТ широко применяют в условиях производства серной кислоты различной концентрации. В северных регионах с холодным климатом высоко ценят механические и физические свойства черной стали 09Г2С.
Кстати, про большинство сталей, сотрудники ОНИКС уже рассказали в формате видео на YouTube-канале в рубрике «Стальные нервы». Переходите по qr-коду, чтобы узнать про разные стали и сплавы подробнее.
ТЕМПЕРАТУРА
Температура окружающей среды определяет климатические зоны работы линии трубопровода. Россия расположена в трех климатических поясах: арктическом, субарктическом и умеренном. В зависимости от установки трубопровода, магистраль взаимодействует с окружающей средой, будь то мерзлый, антропогенный, морской, пресноводный, сыпучий, торфяной или скальный грунт. В таблице 3 представлено соотношение температуры к различным разновидностям грунта.
Таблица 3. Соотношение температуры и разновидности грунтов по ГОСТ 25100-20
Фланцевый ГОСТ 33259-15 регламентирует допустимую температуру рабочей среды для грамотной работы фланцевых соединений. К примеру, плоские приварные фланцы применяют при температуре среды до 300°С. А воротниковые фланцы приварные встык используют при температуре более 300°С. Плоские фланцы (тип 01, 02) нельзя использовать в холодных условиях окружающей среды ниже -40°С, тогда как фланцы типов 03 (плоские свободные на отбортовке), 04 (плоские свободные на хомуте под приварку) и тип 11 (воротниковые) допускаются к использованию в условиях северного климата.
Температура тесно связана с номинальным давлением. Чем выше коэффициент температуры, тем ниже номинальное давление. Поэтому фланцы с одинаковым диаметром при разных температурах будут выдерживать разные пределы давления.
ГЕРМЕТИЧНОСТЬ
Критичным фактором, оказывающим влияние на окружающую среду, является утечка рабочей среды, которая может возникнуть на различных разъемных соединениях. Поэтому к соединениям предъявляются высокие требования – они должны обладать достаточной прочностью для поддержания давления и других нагрузок, а также быть достаточно герметичным, чтобы избежать нежелательных утечек. Для большей части таких соединений используются фланцы, изготовленные в соответствии со стандартами: ГОСТ 33259-15, ГОСТ 34785-21, АТК 24.200.02-90, ASME B 16.47, ASME B 16.5, DIN/EN.
За герметичность в разъемных соединениях отвечают прокладки. Их устанавливают между двумя фланцами и надежно затягивают крепежными деталями. Для фланцевых соединений применяют три типа материалов прокладок: неметаллические (резина, паронит, фторопласт, картон), металлические (линзовые, овального и восьмиугольного сечения), комбинированные (графитофторлопластовые, спирально-навитые СНП и т. д.).
Торцевая поверхность фланца – это место для установки уплотнительного элемента (прокладки). Соединительная поверхность может быть выполнена в виде 10 исполнений, где зеркало, или зона контакта с прокладкой, встречается как с шероховатостью, так и полностью гладким. Глубина углубления шероховатости на поверхности зеркала служит для наиболее точного заполнения пространства уплотнительным материалом. ГОСТ 33259-15 допускает минимальную шероховатость уплотнительных поверхностей для исполнений А, В, С, D, Е, F, где Ra=3,2 мкм. Для исполнений L, М, где Ra=0,8 мкм. Контактный уплотнительный материал должен полностью заполнять неровности на лицевой части детали и наличие шероховатости на зеркале способствует более плотному прилеганию прокладки к фланцу. Для систем с высокими температурами и высоким давлением используют зубчатую уплотнительную поверхность или металлическую прокладку. Для низкотемпературных систем и систем низкого давления могут использовать гладкую поверхность фланца и мягкие прокладки.
Таблица 4. Соотношение видов прокладок для фланцев, требуемой шероховатости и рабочих сред
Зная условия внешней среды, номинальное давление и диаметр, подбирают фланцы.
Промышленные фланцы включают в себя четыре типа и их можно классифицировать по способу монтажа к трубе:
- Плоские приварные крепятся к трубе за счет двух сварных швов;
- Плоские свободные состоят из двух частей, одна из которых надевается на трубу, а вторая – монтируется при помощи затяжки крепежа;
- Воротниковые или приварные встык имеют в своей конструкции горловину, ее приваривают к трубе, что позволяет плавно распределить нагрузку на узел;
- Резьбовые фланцы используются на трубопроводах, где сварка невозможна.
Фланцевое соединение может быть с проходным отверстием, так и без. Фланцы предназначены для соединения двух участков линии трубопровода. Фланцевые заглушки устанавливают с целью надежно заглушить поток среды. С 2022 года вступил в силу ГОСТ 34785-21 на фланцевые заглушки, которые хорошо сочетаются с фланцами по ГОСТ 33259-15. Для формирования ответного фланцевого соединения, заглушки по ГОСТ образовывают фланцевую пару ко всем исполнениям фланцев по ГОСТ, кроме: А (плоскость), D (паз) и K (под линзовую прокладку). В общей сложности возможно 7 пар соединений фланец + заглушка по ГОСТ. Подробнее в таблице 5.
Таблица 5. Ответное фланцевое соединение: фланец ГОСТ 33259 и заглушка ГОСТ 34785-21
Осенью 2022 года, компания «ОНИКС» запустила на производстве Санкт-Петербурга новое направление: изготовление фланцев и фланцевых заглушек по импортному стандарту ASME B 16.5. В англоязычных документах «глухой фланец» относится к основному фланцевому стандарту, тогда как в российских нормативных документах, эти типы фланцевого соединения разделены.
ИТОГ
Компания «ОНИКС», занимаясь производством и поставкой широкой номенклатуры соединительных деталей трубопроводов, реализует полный ассортимент товара из высоколегированной и легированной нержавеющей стали. Наша продукция проходит строгий контроль качества по геометрии, химическому составу и механическим свойствам.
Высококачественные фланцы, заглушки, изготавливаемые на производстве ООО «ОНИКС», работают на предприятиях России и стран СНГ, подтверждая свое качество, износостойкость и длительный срок эксплуатации.
Статья опубликована в журнале «СФЕРА. Нефть и Газ» №4/2022
Статья в формате pdf →
- 199004, Санкт-Петербург,
- Средний пр. В. О., д. 4, корпус Б
- ☎ 8 800 555-38-83
- info@onyxspb.ru
- onyxspb.ru
