Число болтов или шпилек на фланце задаёт таблица размеров ГОСТ 33259-2015, а длину — толщина собранного пакета. Тип крепежа определяют давление и температура. Ниже разобраны все три вопроса: сколько деталей нужно, когда болт заменяют шпилькой и как посчитать длину без примерки на месте.
Коротко:
- На одно отверстие фланца приходится одна шпилька или один болт. Количество и резьбу берут из таблиц 3–9 ГОСТ 33259-2015 по DN, PN и ряду.
- Болты допускаются до PN 25 (2,5 МПа) включительно и при температуре от −40 до +300 °C (п. 7.9.5 ГОСТ 33259-2015).
- Выше +300 °C и ниже −40 °C ставят только шпильки при любом давлении (п. 7.6.1 ГОСТ 32569-2013).
- Над гайкой должен выступать минимум один шаг резьбы, фаска в этот шаг не входит (п. 6.2.12 ГОСТ 32569-2013).
- Крепёж делают из стали того же структурного класса, что и фланец. Коэффициенты линейного расширения могут различаться не более чем на 10 % (п. 7.9.3 ГОСТ 33259-2015).
- Шпилька или болт должны быть твёрже гайки минимум на 12 HB (п. 7.9.4 ГОСТ 33259-2015).
- Момент затяжки фланцевые стандарты не нормируют. Его получают из расчёта по ГОСТ 34233.4-2017; при смазанной резьбе момент снижают на 25 % (приложение Л).
Фланцевая пара собирается из шпилек или болтов, гаек и, если требует проект, шайб. ГОСТ 33259 задаёт число отверстий и номинальную резьбу, но длину не нормирует. Она зависит от толщины двух фланцев, прокладки, гаек и шайб, поэтому её рассчитывают для каждого соединения.
Сколько болтов или шпилек нужно на фланец
На фланец ставят столько шпилек или болтов, сколько в нём отверстий. Значение n и номинальный диаметр резьбы приведены в таблицах размеров ГОСТ 33259-2015: для плоского фланца типа 01 — в таблице 3, для воротникового типа 11 — в таблице 6.
| DN | PN 10 | PN 16 | PN 25 | PN 40 | PN 63 |
|---|---|---|---|---|---|
| 15 | 4 × М12 | 4 × М12 | 4 × М12 | 4 × М12 | 4 × М12 |
| 20 | 4 × М12 | 4 × М12 | 4 × М12 | 4 × М12 | 4 × М16 |
| 25 | 4 × М12 | 4 × М12 | 4 × М12 | 4 × М12 | 4 × М16 |
| 32 | 4 × М16 | 4 × М16 | 4 × М16 | 4 × М16 | 4 × М20 |
| 40 | 4 × М16 | 4 × М16 | 4 × М16 | 4 × М16 | 4 × М20 |
| 50 | 4 × М16 | 4 × М16 | 4 × М16 | 4 × М16 | 4 × М20 |
| 65 | 4 × М16 | 4 × М16 | 8 × М16 | 8 × М16 | 8 × М20 |
| 80 | 4 × М16 | 4 × М16 | 8 × М16 | 8 × М16 | 8 × М20 |
| 100 | 8 × М16 | 8 × М16 | 8 × М20 | 8 × М20 | 8 × М24 |
| 125 | 8 × М16 | 8 × М16 | 8 × М24 | 8 × М24 | 8 × М27 |
| 150 | 8 × М20 | 8 × М20 | 8 × М24 | 8 × М24 | 8 × М30 |
| 200 | 8 × М20 | 12 × М20 | 12 × М24 | 12 × М27 | 12 × М30 |
| 250 | 12 × М20 | 12 × М24 | 12 × М27 | 12 × М30 | 12 × М36 |
| 300 | 12 × М20 | 12 × М24 | 16 × М27 | 16 × М30 | 16 × М36 |
| 350 | 16 × М20 | 16 × М24 | 16 × М30 | 16 × М30 | 16 × М36 |
| 400 | 16 × М24 | 16 × М27 | 16 × М30 | 16 × М36 | 16 × М42 |
| 500 | 20 × М24 | 20 × М30 | 20 × М36 | 20 × М42 | 20 × М48 |
Из таблицы видны две закономерности. При одном DN число отверстий может меняться с ростом давления: у DN 200 на PN 10 их 8, на PN 16 уже 12. Растёт и резьба: DN 100 на PN 16 собирают на М16, на PN 25 — на М20.
Ряд тоже влияет на результат. У DN 65 и DN 80 при PN 10 и PN 16 фланец ряда 1 имеет 4 отверстия, а ряда 2 — 8. Детали разных рядов в этом диапазоне друг к другу не подходят.
Сколько деталей входит в одно соединение
| Вариант сборки | Шпильки или болты | Гайки | Шайбы |
|---|---|---|---|
| На шпильках | n шпилек | 2n | по проекту, обычно 2n |
| На болтах | n болтов | n | по проекту, обычно n |
Пример: соединение двух фланцев DN 100 PN 16 на шпильках включает 8 шпилек М16 и 16 гаек.
Болт или шпилька: что выбрать
Болты разрешены только при PN не выше 25 и температуре от −40 до +300 °C. Во всех остальных случаях соединение собирают на шпильках. Ограничение по давлению установлено п. 7.9.5 ГОСТ 33259-2015, по температуре — п. 7.6.1 ГОСТ 32569-2013.
| Условия работы | Болт | Шпилька |
|---|---|---|
| PN ≤ 25 и t от −40 до +300 °C | допускается | допускается |
| PN > 25 при любой температуре | нельзя | обязательна |
| t > +300 °C при любом давлении | нельзя | обязательна |
| t < −40 °C при любом давлении | нельзя | обязательна |
У шпильки усилие передаётся через резьбу с обеих сторон, а у болта часть нагрузки приходится на переход от стержня к головке. На высоком давлении, при нагреве и на морозе этот участок становится слабым местом соединения.
ГОСТ 32569 добавляет два правила сборки. Гайки болтов размещают с одной стороны соединения. Если температура выше +300 °C, болты и шпильки перед сборкой покрывают графитовой смазкой, чтобы резьба не прикипала (п. 6.2.12).
Как рассчитать длину шпильки и болта
Длина шпильки равна сумме толщин двух фланцев и прокладки, высоты двух гаек, толщины шайб и запаса не меньше одного шага резьбы с каждой стороны. Болту нужен такой же пакет, но с одной гайкой и одним запасом.
Для шпильки:
\[ L \ge b_1 + b_2 + s_{пр} + 2m + 2s_ш + 2p \]
Для болта:
\[ L \ge b_1 + b_2 + s_{пр} + m + s_ш + p \]
Здесь b₁ и b₂ — толщины фланцев по таблице ГОСТ 33259, sпр — толщина прокладки в сжатом состоянии, m — высота гайки, sш — толщина шайбы, p — шаг резьбы. Результат округляют вверх до ближайшей длины из ряда стандарта на шпильку или болт.
Пример: шпилька для DN 100 PN 16
Исходные данные: два плоских фланца типа 01, ряд 1, исполнение B, паронитовая прокладка 2 мм, гайки по ГОСТ 5915, шайбы по ГОСТ 11371.
| Слагаемое | Откуда берётся | Значение, мм |
|---|---|---|
| Два фланца, 2 × b | таблица 3 ГОСТ 33259, b = 26 мм | 52 |
| Прокладка | паронит 2 мм | 2 |
| Две гайки М16, 2 × m | ГОСТ 5915, m = 13 мм | 26 |
| Две шайбы, 2 × sш | ГОСТ 11371, s = 3 мм | 6 |
| Запас резьбы, 2 × p | шаг М16 — 2 мм | 4 |
| Итого | 90 |
Получается шпилька М16 × 90. Без шайб нужно 84 мм, ближайшая стандартная длина — 85 мм. Болт для того же соединения: 52 + 2 + 13 + 3 + 2 = 72 мм, ближайшая стандартная длина — 75 мм.
Для пар E-F и C-D расчёт ведут по фактической высоте пакета: выступ входит во впадину, а шип — в паз, поэтому простое сложение толщин даёт завышенную длину. Для арматуры с глухими резьбовыми отверстиями в корпусе применяют шпильку с ввинчиваемым концом, её длину считают от глубины резьбы.
Какой момент затяжки нужен для шпилек фланца
Единой таблицы моментов затяжки для фланцев ГОСТ 33259 нет. Ни ГОСТ 33259, ни ГОСТ 32569 момент не задают. Усилие в шпильках определяют расчётом на прочность и герметичность по ГОСТ 34233.4-2017, который допускается применять и для трубопроводов. Момент на ключе для этого усилия берут по справочному приложению Л того же стандарта.
Приложение Л связывает момент с напряжением в шпильке и задаёт его графиком для крепежа без смазки. Если резьбу смазывают, момент снижают на 25 %. Затяжку с контролем по моменту стандарт учитывает коэффициентом 1,1 к допускаемому напряжению в шпильках, обычную неконтролируемую — коэффициентом 1,0 (приложение Г).
Для оценки порядка величин используют инженерное соотношение \( M \approx K \cdot F \cdot d \), где F — усилие в шпильке, d — номинальный диаметр резьбы, K — коэффициент трения в резьбе и под гайкой. Для сухой резьбы K около 0,2, со смазкой меньше.
| Пример для шпильки М16 | Значение |
|---|---|
| Требуемое усилие в одной шпильке, задано расчётом | 30 кН |
| Момент без смазки, K = 0,2: 0,2 · 30 000 · 0,016 | 96 Н·м |
| Момент со смазкой, на 25 % меньше | 72 Н·м |
Пример показывает, почему таблицы моментов в разных справочниках расходятся в полтора-два раза. Одна и та же шпилька М16 даёт разное усилие в зависимости от смазки, класса прочности и типа прокладки. СНП и металлические прокладки требуют большего обжатия, чем паронит. Поэтому момент для конкретного узла берут из расчёта или из документации изготовителя прокладки, а не из общей таблицы.
Какие ГОСТ действуют на фланцевый крепёж
Технические требования к шпилькам, болтам и гайкам для фланцев задают ГОСТ 20700-75, ГОСТ 23304 или иные НД. В России для арматуры рекомендован СТ ЦКБА 012-2005 (п. 7.9.4 ГОСТ 33259-2015). Размеры отдельных деталей установлены своими стандартами.
| Изделие | Стандарт | Область применения |
|---|---|---|
| Шпильки | ГОСТ 9066-75 | фланцевые соединения с температурой среды от 0 до 650 °C |
| Гайки | ГОСТ 9064-75 | к шпилькам ГОСТ 9066 |
| Шайбы | ГОСТ 9065-75 | к шпилькам ГОСТ 9066 |
| Шпильки | ГОСТ 22042-76, ГОСТ 22043-76 | для деталей с гладкими отверстиями |
| Болты | ГОСТ 7798-70 | болты нормальной точности |
| Гайки | ГОСТ 5915-70 | шестигранные гайки нормальной точности |
| Шайбы | ГОСТ 11371-78 | плоские шайбы |
ГОСТ 9066 не распространяется на объекты, подконтрольные надзору, при давлении ниже 4 МПа. На таких объектах шпильки берут по другим стандартам, например по ГОСТ 22042, поэтому в одной спецификации встречаются оба обозначения.
Из какой стали должен быть крепёж
Материал крепежа выбирают по структурному классу фланца и по таблице 12 ГОСТ 33259-2015, где для каждой марки указаны температура и предельное давление. Углеродистая сталь подходит к углеродистому фланцу, аустенитная — к аустенитному.
| Марка крепежа | Температура, °C | Болты и шпильки, PN не более | Гайки, PN не более |
|---|---|---|---|
| 20, 25 | от −40 до +425 | 25 | 100 |
| 35 | от −40 до +425 | 100 | 200 |
| 30Х, 35Х, 40Х | от −40 до +425 | 200 | |
| 09Г2С | от −70 до +425 | 160 | |
| 10Г2 | от −70 до +425 | 200 | |
| 08Х18Н10Т, 12Х18Н9Т, 12Х18Н10Т | от −196 до +600 | 250 | |
Из таблицы следует практический вывод: шпильки из стали 20 и 25 подходят только для соединений до PN 25. Для PN 40 и выше нужна сталь 35 или легированная. При морозе ниже −40 °C углеродистый крепёж не применяют: нужны 09Г2С, 10Г2 или легированные стали.
Стали 30Х, 35Х, 40Х, 30ХМА и ряд других можно применять до −60 °C, если ударная вязкость образцов типа 11 при −60 °C не ниже 300 кДж/м² (п. 7.9.4). Сочетать аустенитный фланец с углеродистыми шпильками допускается, только если это обосновано расчётом на прочность, данными эксплуатации или экспериментом, либо при расчётной температуре не выше 50 °C (п. 7.9.3). Как сама марка фланца ограничивает температуру, разобрано в статье «Сталь для фланцев: 20, 09Г2С и 12Х18Н10Т».
Вопросы и ответы
Сколько шпилек нужно на фланец Ду 100 Ру 16?
Восемь шпилек М16 на фланец по ряду 1 и ряду 2. На соединение из двух фланцев идут те же 8 шпилек и 16 гаек.
Можно ли собрать фланцы PN 40 на болтах?
Нет. Выше PN 25 ГОСТ 33259 допускает только шпильки, независимо от температуры.
Какой длины нужна шпилька для фланца Ду 50 Ру 16?
Для двух плоских фланцев толщиной 22 мм, паронита 2 мм, гаек М16 и шайб выходит 2 × 22 + 2 + 26 + 6 + 4 = 82 мм. Берут ближайшую большую стандартную длину — 85 мм.
Обязательны ли шайбы во фланцевом соединении?
ГОСТ 33259 их не требует, решение принимает проект. Шайба распределяет усилие гайки и защищает поверхность фланца при затяжке.
Какой крепёж ставят на фланцы из 12Х18Н10Т?
Аустенитный: 08Х18Н10Т, 12Х18Н9Т или 12Х18Н10Т. Углеродистые шпильки на нержавеющих фланцах допустимы только по расчёту или при температуре до 50 °C.
Чем шпилька ГОСТ 9066 отличается от ГОСТ 22042?
ГОСТ 9066 разработан для фланцевых соединений котлов, турбин и арматуры с температурой среды до 650 °C. ГОСТ 22042 — общий стандарт на шпильки для деталей со сквозными гладкими отверстиями.
Какой момент затяжки у шпилек М16 на фланце?
Фиксированного значения нет. Момент зависит от требуемого усилия, смазки и прокладки. При усилии 30 кН и сухой резьбе он около 96 Н·м, со смазкой — около 72 Н·м. Точное значение даёт расчёт по ГОСТ 34233.4-2017.
Вывод
Количество шпилек или болтов равно числу отверстий фланца, а резьба указана в той же строке таблицы ГОСТ 33259. Болты применяют только до PN 25 и в диапазоне от −40 до +300 °C, в остальных случаях соединение собирают на шпильках. Длину считают по сумме толщин пакета с запасом в один шаг резьбы над гайкой, а момент затяжки — по расчёту усилия в шпильках по ГОСТ 34233.4-2017. Материал выбирают того же структурного класса, что и фланец, и проверяют по таблице 12: сталь 20 и 25 для шпилек ограничена давлением PN 25.
Нормативные документы
- ГОСТ 33259-2015. Фланцы арматуры, соединительных частей и трубопроводов на номинальное давление до PN 250
- ГОСТ 32569-2013. Трубопроводы технологические стальные. Требования к устройству и эксплуатации на взрывопожароопасных и химически опасных производствах
- ГОСТ 9066-75. Шпильки для фланцевых соединений с температурой среды от 0 до 650 °C
- ГОСТ 34233.4-2017. Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчёта на прочность. Расчёт на прочность и герметичность фланцевых соединений
