Люки и штуцеры аппаратов: типы и требования к уплотнениям

1.1. Назначение и классификация люков

Согласно ГОСТ 34347-2017 (пункт 3.3.1), сосуды и аппараты должны быть оснащены люками или смотровыми лючками, обеспечивающими возможность осмотра, очистки, выполнения работ по защите от коррозии, монтажа и демонтажа разборных внутренних устройств, ремонта и контроля состояния оборудования.

Люки классифицируются по следующим признакам:

• По форме проходного сечения: круглые, овальные
• По размеру: люки (диаметр от 400 мм), смотровые лючки (от 80 мм)
• По типу крышки: плоские, сферические, эллиптические
• По способу крепления: на болтах, на шпильках, с быстросъемными устройствами
• По конструкции фланца: с плоским приварным фланцем, с фланцем встык

Стандарт допускает проектирование сосудов без люков в следующих случаях: для веществ первого и второго классов опасности по ГОСТ 12.1.007, не вызывающих коррозии и накипи; для кожухотрубчатых теплообменников; для сосудов со съемными днищами или крышками, обеспечивающими возможность внутреннего осмотра без демонтажа технологических трубопроводов.

1.2. Конструктивные особенности

Конструкция люка состоит из следующих основных элементов: обечайка люка, фланец, крышка, уплотнительная прокладка, крепежные элементы (болты или шпильки с гайками), подъемно-поворотное устройство (при необходимости).

Обечайки люков изготавливаются из листового проката методом вальцовки и сварки или из труб соответствующего диаметра. Для сосудов из двухслойных сталей патрубки люков могут быть выполнены из двухслойной стали той же марки, с коррозионно-стойкой наплавкой внутренней поверхности (толщина наплавленного слоя не менее 3 мм после механической обработки) или с применением облицовочных гильз толщиной не менее 3 мм.

Крышки люков выполняются плоскими для низких и средних давлений либо сферическими для повышенных давлений. Толщина крышки определяется расчетом на прочность согласно ГОСТ 34233 серии. Для крышек массой более 20 кг должны быть предусмотрены приспособления для облегчения их открывания и закрывания (ГОСТ 34347-2017, п. 3.3.5).

Люки-лазы резервуаров изготавливаются в исполнениях ЛЛ-500, ЛЛ-600, ЛЛ-800 (круглые) и ЛЛ-600×900 (овальные) в соответствии с ТУ 3689-007-72549097-2004. Они устанавливаются в первом поясе вертикальных стальных резервуаров и оснащаются усиливающими накладками, которые привариваются к стенке резервуара для распределения нагрузок.

1.3. Требования ГОСТ 34347-2017

Стандарт устанавливает следующие обязательные требования к люкам:

• Внутренний диаметр круглого люка для сосудов, располагаемых в помещении, должен быть не менее 400 мм, а для сосудов на открытом воздухе — не менее 450 мм
• Размер овального люка по наименьшей и наибольшей осям должен быть не менее 325×400 мм
• Для сосудов, не имеющих корпусных фланцевых разъемов и подлежащих внутренней антикоррозионной защите неметаллическими материалами, внутренний диаметр люка должен быть не менее 800 мм
• Отверстия для люков в сосудах первой, второй, третьей и четвертой групп должны быть расположены, как правило, вне сварных швов
• Заготовки для люков должны быть в термически обработанном состоянии и подвергаться радиографическому или ультразвуковому контролю по всему объему

Позиционное отклонение осей люков на днищах допускается не более ±10 мм в радиусном измерении. Отклонение по высоте (вылету) люков допускается не более ±5 мм.

2.1. Типы штуцеров по конструкции

Штуцера технологических аппаратов представляют собой патрубки для подсоединения трубопроводов, измерительных приборов, арматуры и другого оборудования. Альбом типовых конструкций АТК 24.218.06-90 устанавливает пять основных типов штуцеров:

• Тип 1: штуцера с фланцами стальными плоскими приварными на условное давление от 0,6 до 2,5 МПа и температуру от -70 до +300°C. Имеют пять исполнений: с соединительным выступом, с выступом, с впадиной, с шипом и под линзовое уплотнение
• Тип 2: штуцера с фланцами стальными приварными встык на условное давление от 1,6 до 20,0 МПа и температуру от -70 до +600°C
• Тип 3: штуцера с фланцами стальными плоскими приварными на условное давление от 0,1 до 1,6 МПа и температуру от -70 до +300°C
• Тип 4: штуцера с утолщенными патрубками с фланцами приварными встык на условное давление от 1,6 до 16,0 МПа и температуру от -70 до +600°C
• Тип 5: штуцера цельнокованные с шейкой на условное давление от 6,3 до 16,0 МПа и температуру от -70 до +600°C

Каждый сосуд должен иметь бобышки или штуцера для наполнения водой и слива, удаления воздуха при гидравлическом испытании (ГОСТ 34347-2017, п. 3.3.4). Для этой цели допускается использовать технологические штуцера. На вертикальных сосудах штуцера должны быть расположены с учетом возможности проведения гидравлического испытания как в вертикальном, так и в горизонтальном положениях.

2.2. Материалы изготовления

Патрубки штуцеров изготавливаются вальцованными из листового проката, труб или поковок. Допускается изготовление из сортового проката с наружным диаметром не более 160 мм, толщиной не более 40 мм и длиной до 200 мм включительно.

Материалы штуцеров выбираются в соответствии с условиями эксплуатации:

• Для неагрессивных сред применяют углеродистые стали обыкновенного качества (ГОСТ 380) и качественные конструкционные стали (ГОСТ 1050)
• Для агрессивных сред используют коррозионностойкие стали марок 08Х18Н10Т, 12Х18Н10Т и других по ГОСТ 5632
• Для работы при низких температурах применяют низколегированные стали по ГОСТ 5520
• Трубные заготовки выбирают по ГОСТ 550 для нефтеперерабатывающей промышленности

Для сосудов из двухслойных сталей патрубки штуцеров могут быть изготовлены из двухслойной стали той же марки, с коррозионно-стойкой наплавкой внутренней поверхности патрубка (толщина наплавленного слоя после механической обработки должна быть не менее 3 мм) или с применением облицовочных гильз толщиной не менее 3 мм.

2.3. Требования к установке

При установке штуцеров необходимо соблюдать следующие требования ГОСТ 34347-2017:

• Позиционное отклонение осей штуцеров на днищах допускается не более ±10 мм в радиусном измерении
• Отклонения диаметров отверстий под штуцера должны быть в пределах зазоров, допустимых для сварных соединений по конструкторской документации
• Оси отверстий для болтов и шпилек фланцев штуцеров не должны совпадать с главными осями сосудов и должны быть расположены симметрично относительно этих осей, при этом отклонение от симметричности допускается не более ±5°
• Отклонение по высоте (вылету) штуцеров допускается не более ±5 мм
• Отверстия для штуцеров в сосудах первой, второй, третьей и четвертой групп должны быть расположены, как правило, вне сварных швов

Не допускается применение угловых и тавровых швов для приварки штуцеров к корпусу с неполным проплавлением (конструктивным зазором). Торцы штуцеров из двухслойной стали и швы приварки их к корпусу должны быть защищены от корродирующего действия среды наплавкой или накладкой.

3.1. Плоские эластичные прокладки

ГОСТ 15180-86 устанавливает параметры и размеры плоских эластичных прокладок из паронита, резины, картона, фторопласта-4 и композиционных материалов на их основе для фланцев арматуры, соединительных частей и трубопроводов на условное давление от 0,1 до 20,0 МПа и условный проход от 10 до 3000 мм.

Прокладки изготавливаются в пяти исполнениях (А, Б, В, Г, Д) в зависимости от исполнения уплотнительных поверхностей фланцев. Марка материала и область применения прокладок в зависимости от рабочей среды, давления и температуры выбирается в соответствии с действующей нормативно-технической документацией.

Паронитовые прокладки изготавливаются из паронита по ГОСТ 481-80. Основные марки: ПОН (общего назначения) для температур до +450°C, ПМБ (маслобензостойкий) для температур до +490°C. Паронит представляет собой композиционный материал на основе асбестового волокна с резиновым связующим, обладающий высокой механической прочностью и термостойкостью.

Фторопластовые прокладки из политетрафторэтилена (PTFE) обладают исключительной химической стойкостью и применяются для агрессивных сред (кислоты, щелочи, растворители) при температурах от -200 до +260°C. Фторопластовые прокладки могут быть монолитными или составными из прокладочной ленты марки ПН по ГОСТ 24222-80.

Резиновые прокладки изготавливаются из технической резины марки ТМКЩ (маслобензостойкая) и применяются для воды, слабых кислот, воздуха при температурах от -30 до +80°C и давлении до 1,6 МПа. Твердость резиновых прокладок подразделяется на мягкую, среднюю и твердую.

3.2. Спирально-навитые прокладки

ГОСТ Р 52376-2005 (с изменением №1 от 2021 года) распространяется на спирально-навитые термостойкие прокладки (СНП) с уплотнительным кольцом в виде навитой спирали из V-образных чередующихся слоев нержавеющей стальной ленты и наполнителя из терморасширенного графита с ограничительным кольцом снаружи, внутри или с обеих сторон уплотнительного кольца для соединений с уплотнительными поверхностями исполнений В, С, D, Е, F по ГОСТ 33259 на номинальное давление до 200 МПа, температуру рабочей среды от -200 до +540°C, номинальный диаметр от 10 до 1600 мм.

Спирально-навитые прокладки в зависимости от конструкции делятся на типы:

• Тип А: без ограничительных колец — применяется для исполнений уплотнительных поверхностей 2-3, 4-5, 8-9 при давлении от 1 до 200 кгс/см² и условном проходе от 10 до 3000 мм
• Тип Б: с наружным ограничительным кольцом — защищает спирально-навитую часть от разрыва при повышении давления, равномерно распределяет усилие прижима
• Тип В: с внутренним и наружным ограничительными кольцами — обеспечивает максимальную стабильность при высоких давлениях и температурных колебаниях
• Тип Г: с внутренним ограничительным кольцом — предотвращает выдавливание прокладки внутрь трубопровода
• Тип Д: специальные конструкции с усилением для нестандартных условий эксплуатации

Уплотнительное кольцо СНП изготавливается из ленты терморасширенного графита плотностью 0,85-1,00 г/см³, толщиной 0,6-0,7 мм, с содержанием углерода не менее 99%, хлор-ионов не более 0,005%, серы не более 0,23% и зольностью не более 1%, и стальной ленты толщиной 0,2-0,25 мм марок 08Х18Н10, 08Х18Н10Т, 08Х18Н9 и других, не склонных к межкристаллитной коррозии.

Преимущества СНП: высокая упругость, способность компенсировать температурные деформации фланцев, устойчивость к вибрации, длительный срок службы, возможность повторного использования после разборки соединения.

3.3. Критерии выбора прокладок

При выборе прокладочного материала необходимо учитывать следующие факторы:

• Рабочая среда: химическая агрессивность, абразивность, наличие растворителей
• Температурный режим: рабочая температура, температурные колебания, термоциклирование
• Давление: рабочее давление, пиковые нагрузки, вакуум
• Исполнение фланца: тип уплотнительной поверхности (выступ-впадина, соединительный выступ, под линзу)
• Динамические нагрузки: вибрация, пульсация давления, термические удары
• Требования к герметичности: допустимая утечка, класс герметичности по нормативам

Для критически важных соединений с высокими требованиями к герметичности рекомендуется применение спирально-навитых прокладок с терморасширенным графитом. Для стандартных условий достаточно использования паронитовых прокладок соответствующей марки. Фторопластовые прокладки незаменимы при работе с агрессивными химическими средами.

4.1. Расчет усилий затяжки

Расчет фланцевых соединений на прочность и герметичность выполняется в соответствии с ГОСТ 34233.4-2017. Расчет состоит из следующих этапов:

• Определение усилия, действующего на прокладку в рабочих условиях, необходимого для обеспечения герметичности фланцевого соединения
• Определение усилия, необходимого для первоначального сжатия (обжатия) прокладки
• Определение усилия в болтах (шпильках) в рабочих условиях
• Определение усилия при затяжке, необходимого для обеспечения герметичности фланцевого соединения в рабочих условиях
• Проверка прочности болтов (шпилек) и прокладки
• Расчет на прочность элементов фланцевого соединения при затяжке и в рабочих условиях

Усилие, необходимое для смятия прокладки при затяжке, определяется по формуле, учитывающей эффективную ширину прокладки, расчетный диаметр прокладки и удельное давление обжатия прокладки. Усилие на прокладке в рабочих условиях должно обеспечивать герметичность фланцевого соединения и определяется с учетом расчетного давления, приведенной нагрузки от внешних сил и изгибающего момента.

Расчетную нагрузку на болты (шпильки) при затяжке определяют как максимальное значение из двух величин: нагрузки, необходимой для обеспечения в рабочих условиях давления на прокладку, достаточного для герметизации фланцевого соединения, и нагрузки, необходимой для обеспечения обжатия прокладки и минимального начального натяжения болтов.

4.2. Методика затяжки

Затяжка фланцевых соединений должна выполняться в соответствии со следующей методикой:

Подготовительные операции:

• Проверка состояния поверхностей фланцев на наличие царапин, грязи, накипи, коррозии, ямок и следов от инструмента
• Очистка уплотнительных поверхностей фланцев
• Проверка параллельности фланцев (допуск параллельности согласно нормативной документации)
• Нанесение противозадирной смазки на резьбу болтов (шпилек) и опорные поверхности гаек
• Установка прокладки с центрированием относительно уплотнительной поверхности

Последовательность затяжки:

Нумерация болтов выполняется по часовой стрелке вокруг фланца. Затяжка производится методом "крест-накрест" в три прохода с использованием динамометрического ключа:

• Проход 1: Крутящий момент не более 30% от конечного значения. Убедиться, что прокладка сжимается равномерно
• Проход 2: Крутящий момент не более 60% от конечного значения
• Проход 3: Крутящий момент до конечного значения (100%)

После завершения трех основных проходов необходимо повторить затягивание гаек минимум один раз, используя окончательный крутящий момент в режиме "крест-накрест", пока не будет наблюдаться дальнейшее вращение гайки.

Для фланцев с 4 болтами затяжка выполняется по диагонали (1-3-2-4). Для фланцев с 8 болтами применяется схема "звезда" через 180 градусов (1-5-3-7-2-6-4-8). Для фланцев с 12 и более болтами затяжка выполняется противоположными парами с последующим уменьшением угла между затягиваемыми болтами.

Если для затяжки болта требуется крутящий момент, превышающий 678 Н·м (500 фут-фунтов), рекомендуется применение гидравлического затягивания.

4.3. Контроль качества

Контроль качества затяжки фланцевых соединений включает следующие операции:

• Визуальный контроль: проверка равномерности зазора между фланцами, отсутствие перекоса, проверка выступания прокладки
• Измерительный контроль: проверка параллельности фланцев с помощью щупов или индикаторов, контроль момента затяжки динамометрическим ключом
• Испытание на герметичность: проведение гидравлического или пневматического испытания согласно п. 7.11 ГОСТ 34347-2017
• Контроль удлинения болтов: для ответственных соединений измерение удлинения болтов методом ультразвукового контроля

При обнаружении течи после испытания не допускается подтяжка болтов (шпилек) под давлением. Необходимо сбросить давление, выполнить дополнительную затяжку в соответствии с методикой и повторить испытание.

Для соединений, работающих в условиях температурных колебаний, рекомендуется выполнить повторную протяжку болтов после первого цикла нагрев-охлаждение во время пуско-наладочных работ.