Шпилька для фланцев (ASME B16.5)

Шпильки для фланцев состоят из стального стержня с полной резьбой и двух тяжелых шестигранных стальных гаек. Шпильки вставляются в отверстия фланца и затягиваются для уплотнения фланцевого соединения. Количество, длина, диаметр болтов, необходимых для фланцевого соединения, зависят от типа, диаметра и номинальных характеристик фланцев (согласно таблице болтов ASME).

Шпилька и гайка

Шпилька состоит из одного стального стержня с резьбой и двух (соответствующих) шестигранных тяжелых стальных гаек. Шпильки и гайки являются важными компонентами фланцевых соединений, так как они являются ключевыми для правильного уплотнения фланцевых соединений.

Шпильки поставляются в различных комбинациях диаметров и длин, метрических и стандартные, а также в различных материалах от углеродистой стали до легированных, нержавеющих и никелевых сплавов (общие марки: ASTM A193 B7, L7, B8, B8M, B16, Alloy 20 , Монель, Хастеллой, Инконель, 17-4PH, титан и др.). Эти марки обсуждаются ниже в этой статье.

Материал шестигранных стальных гаек должен соответствовать материалу резьбового стержня (обычно материалы шпилек ASTM A193 совпадают с материалами гаек ASTM A194).

Спецификация ASME B16.5 охватывает шпильки и гайки шпильки для фланцев ASME (количество, диаметр и длина требуемых шпилек, то есть «таблица болтов фланцев») по диаметру фланца, классу давления и отделке поверхности (RF, FF, RTJ).

Шпилька (резьбовой стержень)

Шпилька - это резьбовой стержень, который вставляется в отверстия соединяемых фланцев, а затем затягивается с обоих концов, прикладывая удельный момент к стальным гайкам.

Длина шпильки (OAL / FTF)

Длина шпильки может быть измерена либо как общая длина (то есть, «OAL»), либо как «первая пригодная для использования резьба к первой используемой резьбе» (то есть, «FTF»).

Длина FTF может быть рассчитана путем вычитания четверти дюйма до длины OAL, и это стандартное измерение длины шпильки для трубопроводов.

Для фланцев разного диаметра и величины требуется шпилька разной длины и диаметра.

Шаг и класс резьбы шпильки

Шпилька имеет резьбу в соответствии со спецификациями, установленными ASME B1.1.

Термин «шаг резьбы» относится к крутизне угла резьбы, который измеряется в количестве ниток резьбы на дюйм.

Наиболее используемой резьбой является симметричный тип шага резьбы с V-образным профилем (угол 60 градусов), поскольку изготовителю легче проводить проверку по сравнению с несимметричными типами.

Серия резьб относится к комбинации диаметров и шага, измеряемой количеством нитей на дюйм («TPI»), применяемых к одному диаметру:

• Серия с крупной резьбой (унифицированная крупная резьба (UNC / UNRC): UNC является наиболее распространенным типом винтов, болтов и гаек. Крупная резьба используется для резьбы в материалах с низкой прочностью, таких как железо, мягкая сталь, медь и более мягкий сплав, алюминий и т. д. Крупная резьба также более терпима к неблагоприятным условиям и способствует быстрой сборке.

• Серия тонкой резьбы (унифицированная мелкая резьба (UNF / UNRF): UNF широко используется для точной нагрузки и когда требуется более высокая прочность на растяжение (по сравнению с серией крупной резьбы)

• Серия 8-Thread (8UN) - это метод выборочной нарезки резьбы для нескольких стандартов ASTM, включая A193 B7, A193 B8 / B8M и A320. Эта серия широко используется для диаметров от одного дюйма и выше.

Шпильки, на которые распространяются спецификации ASTM A193 или A320, используют 8UN для всех диаметров от 1 ”и выше, что означает, что для этих размеров имеется 8 витков резьбы на дюйм. Для любой другой марки материала покупатель должен указывать шаг резьбы, если он не предусмотрен действующей нормой ASTM.

Гайки для шпилек

Чтобы закрепить шпильку, на противоположных концах стержня необходимо прикрутить две тяжелые шестигранные стальные гайки.

Шпилька и стальные гайки идеально соединяются благодаря трению, существующему между их соответствующими резьбами, небольшим растяжением болта и сжатием двух соединяемых частей.

В прошлом стальные гайки имели квадратную головку. В настоящее время гайки с шестигранной головкой (с 6 сторонами вместо 4) полностью заменили старую форму, поскольку они обеспечивают более быстрое и эффективное навинчивание на шпильку.

Гайки для нефтехимических применений затягиваются до определенного крутящего момента с помощью специальных динамометрических ключей. Механическая прочность материала стальной гайки должна соответствовать прочности сопряженного болта.

Размеры и вес тяжелых стальных гаек для шпилек соответствуют спецификации ASME B18.2.2.

Разница между шпилькой и болтом

Вопрос - в чем разница между шпилькой и болтом? Ответ заключается в том, что шпилька представляет собой металлический стержень или штифт, который имеет резьбу с обеих сторон (как показано на рисунке выше) и требует наличия двух тяжелых шестигранных гаек с зубцами; болт - это крепежный элемент со «встроенной» накидной гайкой с одной стороны, для которого требуется зазубрить одну гайку.

Шпилька и болт(шпилька на левом изображении, болт на правом изображении)

Материалы для шпилек

Наиболее распространенными материалами для шпилек (для фланцев) являются ASTM A193 (класс B7, B8, B8M, B8T), ASTM A453 (класс 660), ASTM A320 (класс L7, L7M) и ASTM A182 (дуплексный и супердуплексный болт). Для агрессивных растворов и сред, шпильки могут быть покрыты ксиланом, ксиланом и другими материалами.

Шпильки по ASTM A193 (высокая температура)

Стандарт ASTM A193 охватывает материалы из шпилек из легированной стали и нержавеющей стали для работы при высоких температурах или под высоким давлением.

Шпильки по ASTM A193 доступны с унифицированной крупной резьбой (UNC), обычно используемыми в стандартных применениях, что означает, что для диаметров стержня выше 1 дюйма имеется 8 резьб на дюйм («число витков резьбы на один дюйм»). B7 - наиболее распространенный класс стандарта для шпилек.

Наиболее распространенными материалами по  ASTM A193 для шпилек являются:

• ASTM A193 B5
• ASTM A193 B6
• ASTM A193 B7: Легированная сталь, AISI 4140/4142, закаленная и отпущенная
• ASTM A193 B7M
• ASTM A193 B16
• ASTM A193 B8: Класс 1 Нержавеющая сталь, AISI 304, обработанная раствором карбида.
• ASTM A193 B8A
• ASTM A193 B8M: Класс 1 Нержавеющая сталь, AISI 316, обработанная раствором карбида.
• ASTM A193 B8MA
• ASTM A193 B8T (SS 321)
• ASTM A193 B8cl2: класс 2 Нержавеющая сталь, AISI 304, твердосплавная обработка, деформационная закалка
• ASTM A193 B8Tcl2
• ASTM A193 B8Mcl2: класс 2 Нержавеющая сталь, AISI 316, обработанный твердосплавным раствором, деформированный

ASTM A193 Шпильки: химический состав

Физический элемент	ASTM A193 grade B7 (AISI 4140)	ASTM A193 grade B8 (AISI 304)	ASTM A193 grade B8M (AISI 316)
Углерод	0,38-0,48%	0,08% макс.	0,08% макс.
Марганец	0,75-1,00%	2,00% макс.	2,00% макс.
Фосфор, не более	0,035%	0,045%	0,045%
Сера, не более	0,040%	0,030%	0,030%
Кремний	0,15-0,35%	1,00% макс.	1,00% макс.
Хром	0,80-1,10%	18,0-20,0%	16,0-18,0%
Никель	нет на месте	8,0-11,0%	10,0-14,0%
Молибден	0,15-0,25%	нет на месте	2,00-3,00%

ASTM A193 Шпильки: механические свойства

ASTM A193	Размер	Минимальный предел прочности на разрыв, KSI	Минимальный предел текучести,KSI	Минимальное удлинение, %
ASTM A193 grade B7	до 2-1/2	125	105	16
	2-5/8 - 4	115	95	16
	4-1/8 - 7	100	75	18
ASTM A193 grade B8 Class 1	Все	75	30	30
ASTM A193 grade B8M Class 1	Все	75	30	30
ASTM A193 grade B8 Class 2	до 3/4	125	100	12
	7/8 - 1	115	80	15
	1-1/8 - 1-1/4	105	65	20
	1-3/8 - 1-1/2	100	50	28
ASTM A193 grade B8M Class 2	до 3/4	110	95	15
	7/8 -1	100	80	20
	1-1/8 - 1-1/4	95	65	25
	1-3/8 - 1-1/2	90	50	30

Материал, выбранный для резьбовой шпильки и шестигранных гаек, должен быть совместимым. Материалы для комплектов болтов выбираются исходя из рабочих температур процесса, как показано в таблице ниже:

	Температура °C ( °F )
Материалы шпилек	Мин	Макс
углеродистая сталь	-29 (-20)	300 (572)
A193 B7, L7	-73 (-100)	400 (752)
A193 B6	0 (32)	500 (932)
A193 B8	-200 (-325)	575 (1067)
A193 B16	0 (32)	520 (968)
A193 B17B	-29 (20)	650 (1202)
A913 Inconel 718	0 (32)	750 (1382)
A453 Gr. 660	-29 (-20)	538 (1000)

Шпильки также могут быть изготовлены с «двойной сертификацией», то есть они соответствуют множеству наборов стандартов ASTM (шпильки A193 B7 могут соответствовать требованиям A320 L7; шпильки B8 и B8m также обычно соответствуют A193 и A320).

Шпильки по ASTM A453(высокая температура)

Спецификация ASTM A453 охватывает стандарты для болтов 660 (класс A, B, C и D), 651 (класс A и B), 662 (класс A и B) и 665 (класс A и B) для болтов. материалы с десятью классами текучести в диапазоне от 50 до 120 KSI [345 до 827 МПа] для использования в условиях высоких температур, таких как крепежные детали, сосуды под давлением и фланцы.

Материалы для болтов в ASTM A453 - это покрытые катаные, кованые или горячештампованные прутки, а также болты, гайки, винты, шайбы, шпильки и шпильки.

Материалы должны соответствовать указанному содержанию углерода, марганца, фосфора, серы, кремния, никеля, хрома, молибдена, вольфрама, титана, колумбия, алюминия, ванадия, бора и меди.

В соответствии с ASTM A453 материалы должны быть подвергнуты испытаниям на растяжение, механическое разрушение и прочность. Материалы должны соответствовать пределу текучести, прочности на растяжение, удлинению, уменьшению площади, твердости по Бринеллю и твердости по Роквеллу.

Также приведены требования к закалке и обработке растворов для каждого класса материалов. Наиболее распространенные оценки по ASTM A453:

• ASTM A453 660A
• ASTM A453 660B
ASTM A453 660C
• ASTM A453 660D

ASTM A453 Химический состав

Элемент	ASTM A453 Grade 660	ASTM A453 Grade 651	ASTM A453 Grade 662	ASTM A453 Grade 665	ASTM A453 Grade 668
%	%	%	%	%
Углерод	0,08 макс.	0,28-0,35	0,08 макс.	0,08 макс.	0,08 макс.
Марганец	2,00 макс.	0,75-1,5	0,40-1,00	1,25-2,00	2,00 макс.
Фосфор, не более	0,040 макс.	0,040 макс.	0,040 макс.	0,040 макс.	0,040 макс.
Сера, не более	0,030 макс.	0,030 макс.	0,030 макс.	0,030 макс.	0,030 макс.
Кремний	1,00 макс.	0,30-0,80	0,40-1,00	0,1-0,80	1,00 макс.
Никель	24,0-27,0	8,0-11,0	24,0-28,0	24,0-28,0	17,5-21,5
Хром	13,5-16,0	18,0-21,0	12,0-15,0	12,0-15,0	13,5-16,0
Молибден	1,00-1,50	1,00-1,75	2,0-3,50	1,25-2,25	1,50
Вольфрам	...	1,00-1,75	...	...	...
Титан	1,9-2,35	0,1-0,35	1,80-2,10	2,70-3,30	2,20-2,80
Колумбий	...	0,25-0,6	...	...	...
Алюминий	не более 0,35		не более 0,35	не более 0,25	0,50 макс.
Ванадий	0,10-0,50		...	...	0,50 макс.
Бор	0,001-0,010		0,001-0,010	0,01-0,07	0,001-0,010
Медь		0,50 макс.	0,50 макс.	не более 0,25	...

ASTM A453 Шпильки: механические свойства

ASTM A453 Grade	Класс	Предел прочности при растяжении, Mpa	Текучесть, Mpa	Удлинение, % мин	RA %, мин
ASTM A453 Grade 660	A,B & C	895 мин.	585 мин.	15	18
	D	895 мин.	725 мин.	15	18
ASTM A453 Grade 651	A	690 мин.	485 мин.	18	35
			415 мин.
	B	655 мин.	415 мин.	18	35
			385 мин.
ASTM A453 Grade 662	A	895 мин.	585 мин.	15	18
	B	860 мин.	550 мин.	15	18
ASTM A453 Grade 665	A	1170 мин.	830 мин.	12	15
	B	1070 мин.	830 мин.	12	15
ASTM A453 Grade 665	A&B	895 мин.	858 мин.	15	18

ASTM A453 Шпильки: требования к термообработке

ASTM A453	Класс	обработка	Обработка для придания твердости
660	A	1650 +/- 25 °F [900 +/-14 °C], выдержка 2 часа, мин и охлаждение жидкостью	1325 +/- 25 °F [720 +/-14 °C], 16 часов, охлаждение на воздухе
	B	1800 +/- 25 °F [980 +/-14 °C], выдержка 1 час, мин и охлаждение жидкостью	1325 +/- 25 °F [720 +/-14 °C], 16 часов охлаждение на воздухе
	C	1800 +/- 25 °F [980 +/-14 °C], выдержка 1 час, мин и охлаждение маслом	1425 +/- 25 °F [775 +/-14 °C], выдержка 16 часов, охлаждение на воздухе, затем 1200 +/- 25 °F [650 +/-14 °C], выдержка 16 часов, охлаждение на воздухе
	D	1650 +/- 25 °F [900 +/-14 °C], выдержка 2 часа, мин и охлаждение жидкостью ИЛИ	1325 +/- 25 °F [720 +/-14 °C], выдержка 16 часов, охлаждение на воздухе с последующим 1200 +/- 25 °F [650 +/-14 °C], выдержка 16 часов, охлаждение на воздухе, если необходимо для достижения свойств второй возраст: 1200 +/- 25 °F [650 +/-14 °C], выдержка 16 часов, охлаждение на воздухе
		1800 +/- 25 °F [900 +/-14 °C], выдержка 1 час, мин и охлаждение жидкостью
651	A		горячая и холодная обработка при 1200 °F [650°C] мин с 15%-ным уменьшением площади поперечного сечения, отжиг для снятия напряжений при 1200 °F [650°C] мин или 4 часа, мин
	B		горячая и холодная обработка при 1200 °F [650°C] мин с 15%-ным уменьшением площади поперечного сечения, отжиг для снятия напряжений при 1200 °F [650°C] мин или 4 часа, мин
662	A	1800 +/- 25 °F [980 +/-14 °C], выдержка 1 час, мин и охлаждение жидкостью	1350-1400 °F [730-760 °C], выдержка 20 часов,печь остынет до 1200 +/- 25 °F [650 +/-14 °C], выдержка 20 часов, охлаждение на воздухе
	B	1950 +/- 25 °F [1065 +/-14 °C], выдержка 2 часа, мин и охлаждение жидкостью	1350-1400 °F [730-760 °C], выдержка 20 часов,печь остынет до 1200 +/- 25 °F [650 +/-14 °C], выдержка 20 часов, охлаждение на воздухе
665	A	1800 +/- 25 °F [980 +/-14 °C], выдержка 3 часа, мин и охлаждение жидкостью	1350-1400 °F [730-760 °C], выдержка 20 часов,печь остынет до 1200 +/- 25 °F [650 +/-14 °C], выдержка 20 часов, охлаждение на воздухе
	B	2000 +/- 25 °F [1095 +/-14 °C], выдержка 3 часа, мин и охлаждение жидкостью	1350-1400 °F [730-760 °C], выдержка 20 часов,печь остынет до 1200 +/- 25 °F [650 +/-14 °C], выдержка 20 часов, охлаждение на воздухе
668	A	1650 +/- 25 °F [900 +/-14 °C], выдержка 2 часа, мин и охлаждение жидкостью	1325 +/- 25 °F [720 +/-14 °C], 16 часов, охлаждение на воздухе
	B	1800 +/- 25 °F [980 +/-14 °C], выдержка 1 часа, мин и охлаждение жидкостью	1325 +/- 25 °F [720 +/-14 °C], 16 часов, охлаждение на воздухе

Шпильки A453: время разрыва и удлинения

Grade	Class	Температура испытания	Нагрузка, мин		Время до разрыва	Относительное удлинение при разрыве
		Deg F [ Deg C ]	Ksi	Mpa	Мин, h*	Мин %
660	A,B & C	1200 [650]	56	385	100	5
651	A & B	1200 [650]	40	275	100	5
662	A & B	1200 [650]	55	380	100	5
665	A	1200 [650]	75	515	100	3
	B	1200 [650]	70	485	100	5

Шпильки по ASTM A320 (низкотемпературные)

Спецификация ASTM A320 охватывает материалы для шпилек из легированной стали и нержавеющей стали для работы при низких температурах.

Каждый сплав согласно ASTM A320 должен соответствовать предписанным химическим требованиям. Материал, представленный образцами на растяжение, должен соответствовать особым требованиям в отношении прочности на растяжение, предела текучести, относительного удлинения и твердости. Материал шпильки должен соответствовать предписанным требованиям по поглощению энергии удара и целевой температуре испытания.

В соответствии со спецификацией ASTM A320 производители должны выполнить, по крайней мере, следующие механические испытания материала: испытание на удар, испытание на растяжение и испытание на твердость.

Наиболее распространенные материалы для шпилек согласно ASTM A320 перечислены ниже (при низких температурах):

• ASTM A320 L7: легированная сталь, AISI 4140/4142 Закаленная и отпущенная
• ASTM A320 L7M
• ASTM A320 L43: Легированная сталь, AISI 4340 Закаленная и отпущенная
• ASTM A320 B8 Класс 1: нержавеющая сталь, AISI 304, обработанная раствором карбида
• ASTM A320 B8A
• ASTM A320 B8T
• ASTM A320 B8TA
• ASTM A320 B8C
• ASTM A320 B8M: Класс 1 Нержавеющая сталь, AISI 316, обработанная раствором карбида
• ASTM A320 B8MA
• ASTM A320 B8cl2: нержавеющая сталь, AISI 304, твердосплавная обработка, деформационная закалка
• ASTM A320 B8Mcl2: нержавеющая сталь, AISI 316, твердосплавная обработка, деформационная закалка

Шпильки ASTM A320: механические свойства

ASTM A320 Grade	Диаметр	Предел прочности при растяжении, KSI мин	Текучесть, KSI мин	Ударная вязкость по Шарпи 20-ft-LBF @ temp	Удлинение %, мин	RA, %, мин
ASTM 320 Grade L7	до 2 1/2	125	105	-150°F	16	50
ASTM A320 Grade L43	до 4	125	105	-150°F	16	50
ASTM A320 Grade B8 Class 1	все	75	30	N/A	30	50
ASTM A320 Grade B8M Class 1	все	75	30	N/A	30	50
ASTM A320 Grade B8 Class 2	до 3/4	125	100	N/A	12	35
	7/8 - 1	115	80	N/A	15	35
	1 1/8 - 1 1/4	105	65	N/A	20	35
	1 3/8 - 1 1/2	100	95	N/A	28	45
ASTM A320 Grade B8M Class 2	до 3/4	110	95	N/A	15	45
	7/8 - 1	100	80	N/A	20	45
	1 1/8 - 1 1/4	95	65	N/A	25	45
	1 3/8 - 1 1/2	90	50	N/A	30	45

ШПИЛЬКИ ПО ASTM A182 (дуплекс и супер дуплекс)

Дуплексные стальные болты

Дуплексные стальные Болты

Химический состав:

C	Mn	Si	P	S	Cr	Mo	Ni	N
Duplex 2205 (S31803)	0,03 макс.	2,0 макс.	1,0 макс.	0,03 макс.	0,02 макс.	21,0-23,0	2,5-3,5	4,5-6,5	0,08-0,20
Duplex 2205 (S32205)	0,03 макс.	2,0 макс.	1,0 макс.	0,03 макс.	0,02 макс.	22,0-23,0	3,0-3,5	4,5-6,5	0,14-0,20

Механические свойства:

Марка	Предел прочности, ksi мин	Предел текучести 0.2% ksi (мин)	Удлинение %	Твердость (HB) MAX
2205	90	65	25	217

Физические свойства:

	Удельное электросопротивление mW•in	Теплопроводящая способность (BTU/hr•ft•°F)	Теплоёмкость BTU/lbm•°F	Удельное электросопротивление (in x 10-6)
при 68 °F	0,278	27,6	8,7	0,112
при 212 °F	26,1	9,2	0,119	35,4
при 392 °F	+25,4	9,8	0,127	37,4
при 572 °F	24,9	10,4	0,134	39,4

Супер дуплексные болты

Химический состав:

C	Cr	Ni	Mo	N	Другие
0,02	25	7	4	0,27	S=0,001

Механические свойства:

предельная прочность при растяжении, KSI	116 мин
0.2% условный предел текучести 0.2%, ksi	80 мин
0.1% условный предел текучести 0.2%, ksi	91 мин
удлинение в 2 дюйма %	15 мин
твердость по Роквеллу C	32 макс
энергия удара, фут-фунт.	74 макс

Физические свойства:

Плотность	lb/in3	0,28
Модуль упругости	psi x 106	29
Коэффициент термического расширения	x10-6/°F	7,2
68-212°F/°F
Теплопроводящая способность	Btu/h ft °F	8,7
Теплотворная способность	Btu/lb/°F	0,12
Удельное электросопротивление	W-in x 10-6	+31,5

Шпилька с покрытием

Шпильки могут быть покрыты, чтобы повысить устойчивость к коррозии. Наиболее распространенные типы покрытий для шпилек приведены ниже:

• Электро цинкование
• Электро кадмирование
• Горячее цинкование
• Фторполимерное покрытие
• Фосфатное покрытие
• Никелирование без электролита
• Цинк-никелевое покрытие
• Алюминиевое покрытие
• Серебряное покрытие
• Цинк / Никель электроосаждением
• Дакромет
• GEOMET

Кроме того, доступны покрытия XYLAN и Xylar:

• XYLAN 1070
• XYLAN 1024
• Xylar 1

Покрытия Xylan и Xylar для шпилек имеют множество преимуществ:

• Меньшее трение по сравнению с болтами без покрытия (CoF составляет всего 0,02)
• Повышенная износостойкость болта даже при экстремальных давлениях.
• Сильная коррозия и химическая стойкость в самых сложных условиях
• Повышенная устойчивость к неблагоприятным погодным условиям (таким как сильный солнечный свет, воздействие химических веществ в соленой воде)
• Более широкий рабочий диапазон по температуре (от -420 ° до + 550 ° F, то есть от -250 ° до 285 ° C).
• Цветовое кодирование для удобства отслеживания
• Податливость: ксилановые покрытия легко и многократно сгибаются и не ломаются
• Обрабатываемость: на шпильки можно нанести несколько ксилановых покрытий
• Сильное сцепление с материалами болтов

Выбор между болтом и гайкой (эксплуатация и марки) 

Материал, который следует использовать для болтов, зависит от множества факторов, основными из которых являются материал фланцев и расчетная температура трубопровода:

Расчетная температура	Материал фланца	Шпилька	Тяжелый шестигранный стальной болт
от -195° до 102°C	ASTM A 182 Gr. F304, F304L, F316, F316L, F321, F347	A 320 Gr. B8 Class 2	A 194 Gr. 8A
от -101° до -47°C	ASTM A 350 Gr. LF1	A 320 Gr. L7	A 194 Gr. 7
от -46° до 30°C	ASTM A 350 Gr. LF2	A 320 Gr. L7	A 194 Gr. 7
от -29° до 427°C	ASTM A 105	A 193 Gr. B7	A 194 Gr. 2H
от 428° до 537°C	ASTM A 182 Gr. F11, F22	A 193 Gr. B16	A 194 Gr. 2H
от 538° до 648°C	ASTM A182 Gr. F11, F22	A 193 Gr. B8 Class 1	A 194 Gr. 8A
от 649° до 815°C	ASTM A182 Gr. F304 H, F316 H	A 193 Gr. B8M Class 1	A 194 Gr. 8A