Как правильно выбрать фланцевую прокладку?

Как правильно выбрать прокладку для трубопровода? Чтобы выбрать правильную фланцевую прокладку, инженеры по трубопроводам должны принять во внимание следующие 4 ключевых фактора: тип жидкости, температура / давление процесса, неконтролируемые выбросы, другие общие обстоятельства. Несмотря на то, что прокладки являются относительно дешевыми компонентами всей системы трубопроводов, они имеют решающее значение для ее надежности и целостности: экономия нескольких долларов на прокладках может привести к гораздо большим проблемам в среднесрочной перспективе, нужно быть осторожными!

Выбор фланцевых прокладок

Фланцевые прокладки должны выбираться на основе множества технологических факторов, таких как рабочая температура / давление, тип жидкости, транспортируемой по трубопроводу, тип фланца, размер, номинальное давление, класс материала и технические характеристики. Рассмотрим каждый из этих факторов.

Тип жидкости

Первый критерий выбора правильного типа прокладки - это, конечно, тип жидкости, транспортируемой по трубопроводу, а также температура и давление жидкости.

Для разных жидкостей требуются разные материалы прокладок, чтобы гарантировать, что фланцевое соединение работает в течение длительного периода времени.

Таблица химического сопротивления показывает, как различные материалы фланцевых прокладок противостоят определенным температурам, давлениям и жидкостям.

Таблица химической стойкости сжатых прокладок

Материал прокладки	Максимальная температура (F)	Максимальное давление (psi)	Толщина прокладки	Рекомендуемое применение прокладки
Бутил	от -40 до 225	150	от 1/16 до 1/4	Газы, неорганические кислоты и щелочи. Отличная устойчивость к погодным условиям / истиранию.
Этилен-пропиленовый каучук	от -40 до 212	150	от 1/16 до 1/4	Вода, пар, животные / растительные масла, кислородсодержащие растворители. Отличная атмосферостойкость.
Чистая резина	от -20 до 140	100	от 1/32 до 1	Кислоты, органические соли и щелочи. Не токсичен. Износостойкий. Мягкая.
Неопрен	от -20 до 170	150	от 1/32 до 2	Нефть / бензин. Отличная атмосферостойкость.
Неопрен - ткань	от -20 до 170	150	от 1/32 до 1/4	Нефть / бензин. Отличная атмосферостойкость. Высокая прочность на растяжение.
Уплотнительный материал (бутадиен-нитрильный каучук, бутадиен-акрилонитриловый каучук)	от -25 до 170	150	от 1/32 до 2	Масло / Ароматическое топливо, минеральные, животные и растительные масла, растворители и гидравлическая жидкость.
Бутадиен-стирольный каучук (красная резина)	от -20 до 170	150	от 1/16 до 1/4	Воздух, горячая / холодная вода.
Бутадиен-стирольный каучук -ткань	от -20 до 170	150	от 1/16 до 1/4	Воздух, горячая / холодная вода, насыщенный / пар низкого давления. Отлично подходит для высоких нагрузок сжатия.
Силоксан	до 400	150	от 1/32 до 1/4	Высокотемпературный воздух или вода (не масло или пар). Мягкий. Доступный в классе FDA.
Винилопласт	от 20 до 160	150	от 1/16 до 1/4	Вода, окислители. Отличная устойчивость к погодным условиям / истиранию
Фтористый каучук	до 400	150	от 1/32 до 1/4	Масло / Ароматическое топливо, минеральные, животные и растительные масла, растворители и гидравлическая жидкость.

Рекомендуемые материалы для прокладок

Материал прокладки	Максимальная температура (F)	Максимальное давление (psi)	Толщина прокладки	Рекомендуемое применение прокладки
Неасбестовые прокладки
Неасбестовые/ этилен-пропилен-диен-каучук	800	1200	15	Пар / насыщенные кислородом растворители / слабые органические кислоты / щелочи. Отличные свойства старения.
Неасбестовые/ кайпалон	400	900	40	Сильные органические и неорганические кислоты / масла / ароматические углеводороды, мощные окислители.
Неасбестовые/ неопрен	800	1200	15	Топливо / масла. Хороший материал общего назначения.
Неасбестовые/ нитрил	800	1500	15	Пар / масло / топливо / растворитель. Отличный материал общего назначения с широкой химической стойкостью.
Неасбестовые/ нитрил (с металлической вставкой)	850	2500	15	Горячие газы. Высокая нагрузка / стрессовые условия. Доступен с оцинкованной низкоуглеродистой стальной фольгой или сетчатой вставкой.
Неасбестовые/бутадиен-стирольный каучук	800	1500	15	Паровые / промышленные газы, Низкое давление / температура.
Чистый фторопласт	500	800	35-55	Отличная химическая стойкость.
Заполненный фторопласт	500	1200	11-40	Отличная химическая стойкость.
Заполненный фторопласт - металлическая вставка	500	2500	20	Отличная химическая стойкость. Перфорированный сердечник из нержавеющей стали 316
Расширенный фторопласт	600	3000	30	Отличная химическая стойкость. Сильно сжимаемый.
Углерод или графит / нитрил	840	1900	20	Отлично подходит для пара. Отличная химическая стойкость, за исключением мощных окислителей.
Углерод или графит / бутадиен-стирольный каучук	900	2000	14	Отлично подходит для пара. Отличная химическая стойкость, за исключением мощных окислителей.
Чистый гибкий графит	950	2100	5	Отличная химическая стойкость, за исключением мощных окислителей. Доступны ламинированные или однородные.
Чистый гибкий графит - с металлической вставкой	950	2800	7	Отличная химическая стойкость, за исключением мощных окислителей. Доступны ламинированные или однородные.
Металлические прокладки
Медь	600			Отлично подходит для пара. Отличная химическая стойкость, за исключением мощных окислителей.
Латунь	500			Отлично подходит для пара. Отличная химическая стойкость, за исключением мощных окислителей.
GHL	212			Отличная химическая стойкость, за исключением мощных окислителей. Доступны ламинированные или однородные.
Графойл	800			Отличная химическая стойкость, за исключением мощных окислителей. Доступны ламинированные или однородные.
Титан	1000			По прочности аналогична нержавеющей серии 300, но более жесткая и гораздо менее плотная. Отличная стойкость к хлоридным растворам (морской воде) и отбеливающим растворам.
Мягкое железо, Низкоуглеродистая сталь	1000			Мягкий. Разъедает в воде. В основном используется там, где погружены в жидкие углеводороды.
Нержавеющая сталь 304	1000			Универсальная, мягкая, устойчивая к коррозии немагнитная нержавеющая сталь, которая не затвердевает при нагревании
Нержавеющая сталь 316	1000			Не такой сильный, как 304, но более устойчивый к коррозии в химических растворах (за исключением ограниченного диапазона окисляющих кислот)
Нержавеющая сталь 321	1600			Сильнее 304. Используется, когда требуется производительность, аналогичная 304, при более высоких температурах.
Нержавеющая сталь 347	1600			Более устойчивый к коррозии и твердее, чем 321.
Нержавеющая сталь 410	1200			Обычно упоминается как «Хром». Эта нержавеющая сталь затвердевает при термообработке. Он очень магнитный, твердый и прочный, но не очень устойчивый к коррозии.
Нержавеющая сталь 430	1400			Более устойчивый к коррозии, чем 410, но не будет затвердевать при термообработке. Эта нержавеющая сталь мягкая и не прочнее нержавеющей серии 300.
Никель	1400			Обладает хорошей коррозионной и эрозионной стойкостью при умеренных температурах.
Монель	1500			Вид сплавов никель / медь, которые обеспечивают большую устойчивость к коррозии и эрозии, чем один никель. Особенно полезно в применениях с морской водой.
Инконель	2000			Вид никель-хромовых сплавов, которые являются немагнитными и обладают коррозионной стойкостью к повышенным температурам.
Хастеллой	2000			Вид сплавов никель / хром / молибден для использования в высокоагрессивных химических средах при повышенных температурах

Процесс, температура и давление

Вторым фактором, который следует учитывать при выборе правильного материала прокладки, является рабочая температура и давление в системе трубопроводов.

В частности, материал прокладки должен выдерживать самые высокие температуры и давления, ожидаемые для процесса (самое высокое ожидаемое давление-температура для высокотемпературных применений и самые низкие температуры для низкотемпературных применений).

Значения температуры и давления для обычных материалов прокладок показаны на рисунке ниже в качестве общего справочного материала.

Прокладка не должна ползти при самой высокой температуре и давлении, ожидаемых для процесса, в противном случае фланцевое соединение станет неэффективным, что приведет к утечкам.

Фланцевая прокладка должна выдерживать максимальное давление, ожидаемое в трубопроводе; часто это испытательное давление, которое может быть как минимум в 2 раза больше номинального значения фланца при температуре окружающей среды.

Прокладка не должна оползать при самой высокой температуре и давлении, ожидаемых для процесса, в противном случае фланцевое соединение станет неэффективным, что приведет к утечкам.

Фланцевая прокладка должна выдерживать максимальное давление, ожидаемое в трубопроводе; часто это испытательное давление, которое может быть как минимум в 2 раза больше номинального значения фланца при температуре окружающей среды.

Законы о неконтролируемых выбросах

Законы о неорганизованных выбросах в стране установки также должны приниматься во внимание при выборе правильного типа прокладки для процесса.

Действительно, более строгие законы о неорганизованных выбросах могут принимать конкретные решения относительно фланцев и прокладок, которые должны использоваться для фланцевых соединений.

Другие общие аспекты

Другие ключевые факторы, которые следует учитывать при выборе типа прокладки для использования:

а) Вибрация и колебания трубопровода: прокладка должна выдерживать колебания и вибрации, которые могут влиять на трубопровод

б) Риск загрязнения жидкостью. Для некоторых применений важно использовать прокладки, которые не загрязняют жидкость, транспортируемую по трубопроводу (например, фармацевтические и пищевые применения или газопроводы).

в) Коррозия фланцев. Некоторые материалы фланцев, такие как аустенитная нержавеющая сталь, подвержены коррозионному растрескиванию под напряжением. Этот факт следует учитывать при выборе типа и материала прокладки.

г) Целостность: токсичные жидкости требуют полностью герметичных уплотнений для предотвращения загрязнения почвы или угрозы жизни человека. Как следствие, более плотные и прочные прокладки могут быть естественным выбором для этих типов применений (например, спирально-навитая прокладка с наружным кольцом или неасбестовая прокладка)

д) Финансовый риск, возникающий в случае отказа прокладки: хотя прокладки оказывают относительно дешевое влияние на общую стоимость материалов трубопровода, выбор неправильных прокладок может привести к огромным финансовым последствиям, и экономия в этом отношении может быть опасной как для подрядчика, что может быть наложен штраф, и для конечного пользователя.

В качестве общей справочной информации в следующей таблице приведены рекомендуемые типы прокладок по типу обслуживания, температуре и номинальному давлению в трубопроводе и типам облицовки фланцев.

Условия применения	Расчетные условия фланца
	Класс давления	Температура	Поверхность фланца	Выбор прокладки
Общий углеводород	150 300	+196/500*	RF	Целевой графитовый лист или спиральная намотка с гибким графитом или спиральная намотка с негибким графитом
Пар/конденсат, питательная вода для котла	150 300	-196/+500 -196/350	RF
Бытовые коммуникации	150 300	-40/+250	RF	Бутадиен-акрилонитриловый каучук на основе армированного листа
Общий углеводород, пар, питательная вода для котла	600 900	-196/+500	RF	Спиральная намотка с гибким графитом
Общий углеводород, пар, более питательная вода	1500 2500	Согласно материалу фланца	RTJ	Металлическое уплотнительное кольцо
Водород	150 300 600	-196/+500	RF	Спиральная намотка с гибким графитом
	900 1500 2500	Согласно материалу фланца	RTJ	Металлическое уплотнительное кольцо
Химические окислители/ фтористоводородная кислота	150	-40/+200	RF	Фторопласт (армированный или в оболочке)
	150 300 600	-40/+200	RF	Спиральный наполнитель из фторопласта

Какие факторы влияют на эффективность прокладки?

На производительность прокладки влияет ряд факторов. Все эти факторы должны быть приняты во внимание при выборе прокладки:

Нагрузка на фланец

Все материалы прокладок должны иметь достаточное давление на фланце, чтобы сжимать прокладку, достаточную для обеспечения плотного неразрывного уплотнения. Давление на фланец или минимальное посадочное напряжение, необходимое для достижения этого, называется коэффициентом "у". Это фланцевое давление должно быть равномерно приложено по всей посадочной площади для достижения идеального уплотнения. Однако при реальном обслуживании распределение вокруг прокладки не является равномерным. Наибольшее усилие прикладывается к области, непосредственно окружающей болты. Наименьшее усилие происходит на полпути между двумя болтами. Этот фактор должен быть принят во внимание разработчиком фланца.

Давление в системе трубопроводов

В процессе эксплуатации, как только на сосуд подается давление, начальное сжатие прокладки уменьшается за счет внутреннего давления, действующего на прокладку (давление выброса) и фланцы (гидростатическое торцевое усилие). Для этого на материал прокладки должна быть помещена дополнительная предварительная нагрузка. Коэффициент обслуживания или "м" был установлен ASME для учета этой предварительной нагрузки. Коэффициент "м" определяет, во сколько раз остаточная нагрузка (исходная нагрузка минус внутреннее давление) должна превышать внутреннее давление. В этом расчете следует учитывать нормальное давление и испытательное давление.

Температура в системе трубопроводов

Необходимо учитывать влияние как температуры окружающей среды, так и температуры процесса на материал прокладки, фланцы и болты. Эти эффекты включают удлинение болтов, ослабление ползучести материала прокладки или термическое разрушение. Это может привести к снижению нагрузки на фланец. Чем выше его рабочая температура, тем больше внимания следует уделять выбору материала прокладки. Когда система находится под давлением и нагревается, соединение деформируется. Различные коэффициенты расширения между болтами, фланцами и трубой могут привести к силам, которые могут повлиять на прокладку. Относительная жесткость болтового соединения определяет, есть ли чистый выигрыш или потеря в нагрузке болта. Как правило, гибкие соединения теряют нагрузку от болта.

Тип жидкости

Среда герметизируется, обычно это жидкость или газ, причем газ труднее герметизировать, чем жидкость. Влияние температуры на многие жидкости приводит к тому, что они становятся более агрессивными. Следовательно, жидкость, которая может быть герметизирована при температуре окружающей среды, может отрицательно повлиять на прокладку при более высокой температуре. Материал прокладки должен быть устойчивым к коррозийному воздействию жидкости. Он должен химически противостоять системной жидкости, чтобы предотвратить серьезное ухудшение ее физических свойств.

Наружный диаметр прокладки

Для двух прокладок, изготовленных из одного и того же материала и имеющих одинаковую ширину, та, которая имеет больший наружный диаметр, выдержит более высокое давление. Поэтому целесообразно использовать прокладку с максимально большим наружным диаметром.

Толщина прокладки

Для данного материала общим правилом является то, что более тонкая прокладка способна выдерживать более высокие сжимающие напряжения, чем более толстая. Однако более тонкие материалы требуют более высокого качества поверхности. Как правило, прокладка должна быть как минимум в четыре раза толще, чем максимальная шероховатость поверхности фланцевых поверхностей. Прокладка должна быть достаточно толстой, чтобы принимать форму поверхностей фланца, и при этом все еще сжиматься под нагрузкой болта. В ситуациях, когда вибрация неизбежна, следует использовать более толстую прокладку, чем необходимый минимум.

Ширина прокладки

Чтобы уменьшить нагрузку на болт, необходимую для создания определенного давления в прокладке, желательно не иметь прокладку шире, чем необходимо. При заданном напряжении в прокладке выступающий фланец с узкой прокладкой потребует меньшей предварительной нагрузки и, следовательно, меньшей прочности фланца, чем прокладка с полной поверхностью. В общем, прокладки высокого давления имеют тенденцию быть узкими.

Отделка поверхности прокладки

Отделка поверхности прокладки, которая состоит из канавок или каналов, спрессованных или обработанных на наружной поверхности, определяет толщину и сжимаемость, необходимые материалу прокладки для образования физического барьера в зазоре между фланцами. Слишком мелкая или мелкая отделка нежелательна, особенно на твердых прокладочных материалах, потому что гладкой поверхности может не хватать необходимого сцепления, что может привести к экструзии. С другой стороны, слишком глубокая отделка приведет к прокладке, которая требует более высокой нагрузки на болт, что может затруднить формирование плотного уплотнения, особенно когда используются большие поверхности фланца. Также могут быть полезны метки точной обработки, нанесенные на поверхность фланца, касающиеся направления давления жидкости. Фланцевые поверхности с нескользкими канавками глубиной примерно 0,125 мм рекомендуются для прокладок толщиной более 0,5 мм; а для более тонких прокладок рекомендуются канавки глубиной 0,065 мм. Ни при каких обстоятельствах поверхность фланцевого уплотнения не должна обрабатываться так, чтобы метки инструмента проходили в радиальном направлении через прокладку-море.