Фланец трубной доски

Когда говорят про фланец трубной доски, многие сразу думают о простой соединительной детали. Но на практике, особенно в теплообменном оборудовании или котлах высокого давления, это не просто ?железка?. Это элемент, который работает в условиях постоянных термических и механических нагрузок, и его отказ — это не ремонт, это остановка производства, а то и авария. Частая ошибка — выбирать его только по номинальному давлению и диаметру, не вникая в материал, способ изготовления и, что критично, в качество обработки присоединительных поверхностей и разметку под трубки.

Материал — это не просто ?сталь?

В спецификациях часто пишут ?Сталь 20? или ?12Х18Н10Т?, и на этом всё. Но для фланца трубной доски важен не только химический состав, но и история металла. Поковка или прокат? Если поковка — то какая степень обжатия? Мы как-то получили партию фланцев, формально из нужной стали 09Г2С. По паспортам всё идеально. Но при сверлении отверстий под трубки пошла странная стружка — рваная. Оказалось, металл был перегрет при ковке, структура крупнозернистая. Вроде бы прошёл УЗК, но локальная прочность и обрабатываемость — не те. Пришлось возвращать.

Тут, кстати, вспоминается работа с поставщиками поковок. Не все понимают, что для последующего сверления сотен отверстий важна однородность. Сейчас мы чаще сотрудничаем с компаниями, которые специализируются именно на поковках для ответственных узлов, вроде ООО Шаньси Чжунли Фланцы (их сайт — https://www.sxxl.ru). Они позиционируются как высокотехнологичное предприятие по производству поковок из сплавов, и по нашим заказам видно: они задают вопросы не только по чертежу, но и по условиям работы узла. Это уже другой уровень. Их поковки под фланец трубной доски идут с подробной картой механических свойств по сечениям, что для нас критично при расчёте на усталость.

И ещё по материалу. Для агрессивных сред часто берут нержавейку. Но если среда — горячий рассол или что-то с хлоридами, то стандартная 12Х18Н10Т может ?пойти? по межкристаллитной коррозии именно в зоне термического влияния от сварки фланца к обечайке. Приходится либо переходить на более стабильные аустенитные стали с добавками, либо, что дешевле, но требует точного расчёта, делать биметаллическую заготовку. Основа — углеродистая сталь, а рабочий слой — коррозионностойкий. Технология сложная, но для некоторых аппаратов — единственный вариант.

Разметка и сверление отверстий — где кроется ?дьявол?

Казалось бы, что сложного? Чертишь разметку, сверлишь. Но если отверстий, скажем, под трубки 19х2 — несколько сотен на доске диаметром под два метра, то погрешность в полмиллиметра при разметке приведёт к тому, что трубная решётка не соберётся. Трубки не войдут. Либо войдут с натягом, что при эксплуатации из-за разного теплового расширения материала трубок и доски выльется в разгерметизацию.

У нас был печальный опыт лет десять назад. Фланец изготовили, отверстия просверлили на координатно-расточном станке. Всё вроде в допусках. Но когда начали развальцовывать трубки, пошла течь на гидроиспытаниях. Стали разбираться. Оказалось, станок был с люфтом в направляющих, который не показывал себя при проверке эталонной деталью. В результате сетка отверстий имела нелинейное искажение, ?плыла?. Визуально — не видно, штангенциркулем — в допуске, но по общей геометрии — брак. С тех пор для критичных досок мы всегда делаем пробную сборку на контрольной плите с эталонными штифтами. Дорого, долго, но надёжно.

Сейчас, конечно, ЧПУ и лазерные станки точность дают другую. Но и тут есть нюанс — стружкообразование и наклёп. При сверлении нержавейки или жаропрочных сплавов легко ?закатать? кромку отверстия, создать внутренние напряжения. Потом при развальцовке появляются микротрещины. Поэтому технология сверления — с подачей СОЖ под давлением, определёнными режимами — прописывается в ТУ жёстко. И принимающий технолог должен не просто посмотреть на отверстие, а засунуть туда нутромер или провести контроль профилометром поверхности.

Присоединительная поверхность и уплотнение

Здесь многие расслабляются. Фланец же по ГОСТу, поверхность должна быть. Но для фланца трубной доски, который часто работает в паре с крышкой или другой доской, качество этой поверхности — всё. Недостаточно просто указать ?шероховатость Ra 3.2?. Важен тип обработки — торцевание, шлифовка, иногда притирка. Если поверхность имеет даже незначительную вогнутость или выпуклость (более 0.05 мм на диаметре), то при затяжке шпилек уплотнение (паронит, графитовая прокладка, металлическая линза) будет работать неравномерно.

Был случай на ТЭЦ. Потек теплообменник. Разобрали — на фланце трубной доски видны явные следы ?игры? прокладки: в одном секторе отпечаток глубокий, в другом — еле виден. Замеряли плоскостность — в центре ?горб? около 0.1 мм. Причина — снятие внутренних напряжений после сварки фланца к кожуху. Заготовку не отожгли как следует. Пришлось снимать фланец, протачивать поверхность на месте специальным переносным оборудованием. Простой дорого обошёлся.

Поэтому сейчас в заказе мы прямо указываем не только параметры шероховатости, но и требование к остаточным напряжениям, часто с приложением метода контроля (например, методом дротиков или салфеток). И проверяем не выборочно, а каждую деталь. Поставщики вроде ООО Шаньси Чжунли Фланцы, судя по их подходу к поковкам, такие требования понимают и выполняют. Для них производство конструкционных компонентов оборудования — это не штамповка болванок, а полный цикл с контролем на всех этапах. Это видно даже по тому, как они паспортизуют свои поковки — с указанием не только механики, но и данных о термообработке.

Термические деформации в работе

Это то, что почти никогда не видно на статичном чертеже, но определяет жизнь фланца в аппарате. Фланец трубной доски нагревается от трубок с одной стороны и от среды в корпусе — с другой. Температурные градиенты могут быть значительными. Если материал фланца и материал трубок (или кожуха) имеют сильно разные коэффициенты линейного расширения, то в рабочих режимах возникают дополнительные изгибающие моменты.

Конкретный пример: аппарат ?труба в трубе? с нержавеющими трубками и углеродистой стальной доской. При пуске с холодного состояния до рабочих 300°C разница в расширении создаёт такие напряжения в зоне развальцовки, что через пару циклов ?пуск-стоп? появляются течи. Решение? Либо переходить на близкие по расширению материалы, либо делать конструкцию плавающей, либо рассчитывать и применять специальные упругие развальцовочные ролики, которые создают не жёсткое, а компенсирующее соединение. Это уже высший пилотаж для конструктора и технолога.

Мы однажды пытались спасти ситуацию с таким аппаратом, увеличив глубину развальцовки. Не помогло, только усугубило — зона пластической деформации расширилась, и трещины пошли глубже. Пришлось менять концепцию и ставить доску из биметалла, где рабочий слой был ближе по свойствам к материалу трубок. Дорого, но аппарат работает до сих пор.

Контроль и приёмка — не для галочки

Итог всего. Можно сделать идеальную по чертежу деталь, но если не проверить её на ?слабые места?, она лопнет в самом неудобном месте. Для фланца трубной доски наш обязательный минимум, помимо стандартных УЗК и измерения твёрдости, это: 1) Контроль химического состава спектрометром по сечению поковки (особенно для легированных сталей — важно распределение элементов). 2) Проверка макроструктуры на травленных шаблонах — смотрим поток волокон от ковки, отсутствие расслоений. 3) Контроль плоскостности и шероховатости присоединительной поверхности по всей площади, а не в трёх точках. 4) Для ответственных — остаточный ресурс по усталости рассчитываем, основываясь на реальных механических свойствах из паспорта конкретной поковки.

Именно поэтому мы стали внимательнее смотреть на профильных производителей, которые ведут весь процесс. Вот, например, на сайте sxzl.ru у ООО Шаньси Чжунли Фланцы в описании компании акцент сделан на высокотехнологичное производство поковок из различных сплавов. Это ключевое слово для нас. ?Различные сплавы? — значит, могут работать не только со стандартными марками, а ?высокотехнологичное? — подразумевает контроль. В нашем деле доверять можно только тому, кто контролирует процесс от слитка до готовой механической обработки.

В общем, фланец трубной доски — это не просто диск с дырками. Это расчётный узел, материал, технология и контроль в одном флаконе. Сэкономишь на одном — потеряешь на другом, причём в масштабах, несопоставимых с первоначальной экономией. И опыт, к сожалению, часто приходит через такие вот ?косяки? и неудачи, которые потом и формируют тот самый профессиональный взгляд, когда смотришь на деталь и видишь не геометрию, а её работу в металле, под нагрузкой, при нагреве.