Как выбрать правильный размер и количество болтов для фланцев для вашего применения

Качественное фланцевое соединение требует тщательного внимания к деталям. Правильный подбор фланцевый болт размера и количества болтов критически важен для обеспечения надежного, герметичного соединения без утечек. Неправильно собранные болтовые фланцевые соединения являются причиной значительной части промышленных выбросов. Процесс выбора размера фланцевых болтов включает три ключевых фактора: стандарт фланца (например, ASME B16.5), его условный диаметр (NPS) и класс давления.

Для быстрого и надежного определения параметров наиболее эффективным инструментом является стандартная таблица фланцевых болтов. Инженеры и техники находят в таблице пересечение размера и класса давления фланца. литье болтов Это действие позволяет быстро определить требуемое количество болтов и их правильный размер. Этот первоначальный шаг предотвращает ошибки с самого начала, избегая проблем, связанных с неверным подбором нестандартные крепежные элементы от производитель крепежных изделий на заказ. или необходимостью.

. Правильный выбор фланцевых болтов является основой целостности системы.

Шаг 1: Определите характеристики вашего фланца Прежде чем, выбирать какие-либо комплектующие.

, техник должен точно определить характеристики рассматриваемого фланца. Эти данные являются основой для всех последующих расчетов и подбора. Три основные характеристики — это условный диаметр (NPS), класс давления и применяемый стандарт.

Определение условного диаметра (NPS).

Условный диаметр определяет размер проходного отверстия фланца. Это североамериканский набор стандартных размеров труб, используемых для высоких или низких давлений и температур.

Поиск маркировки на внешнем ободе фланца

• Большинство производителей наносят идентификационные маркировки методом штамповки или литья непосредственно на внешний обод фланца. Инженер, как правило, может найти указанный NPS в одном из следующих форматов: или NPS 4"
• 4" NPS 4"

(что прямо указывает на размер 4 дюйма)

Как измерить немаркированный фланец.

Если фланец не имеет маркировки или маркировка нечитаема, техник может определить NPS, измерив внутренний диаметр проходного отверстия. Профессиональный совет.

📏: Используйте штангенциркуль для измерения внутреннего диаметра отверстия фланца. Этот размер будет немного больше, чем NPS. Округлите измеренное значение в меньшую сторону до ближайшего стандартного размера трубы (например, измерение 4,5 дюйма соответствует фланцу NPS 4).

Определение класса давления.

Класс давления определяет максимальное давление, которое фланец может выдержать при повышающихся температурах.

Понимание классов давления (150, 300, 600 и т.д.) Стандарт ASME B16.5 определяет набор классов давления. Более высокий номер класса означает более прочный фланец, способный выдерживать большее давление. Стандартные классы

• следующие:
• Класс 150
• Класс 300
• Класс 400
• Класс 600
• Класс 900
• Класс 1500

Класс 2500.

По мере увеличения рабочей температуры давление, которое может выдержать любой данный фланец, уменьшается. Например, при 600°F фланец из углеродистой стали класса 150 может выдерживать 140 psi, в то время как более прочный фланец класса 300 выдерживает 570 psi. Это демонстрирует важность соответствия класса как давлению, так и температуре в системе.

Где найти штамп класса на фланце.

Класс давления обычно штампуется на ободе фланца, часто в виде «CL 150», «150#» или просто «150». Как правило, он расположен рядом с маркировкой NPS.

Определение применяемого стандарта фланца.

Различные международные стандарты определяют размеры фланцев, поэтому определение правильного стандарта крайне важно для обеспечения совместимости.

Роль стандарта ASME B16.5 в США В Соединенных Штатах ASME B16.5 является преобладающим стандартом для трубных фланцев и фланцевых фитингов. ANSI принимает этот же стандарт, что делает.

фланцы ASME и ANSI взаимозаменяемыми.

Распознавание международных стандартов (DIN, EN 1092-1, JIS) Глобальные проекты часто связаны с разными стандартами. Фланцы JIS (японские), DIN (немецкие/европейские) и ASME (американские) не являются взаимозаменяемыми из-за различий в размерах и системах классификации давления.

Не взаимозаменяемы

Шаг 2: Используйте таблицу фланцевых болтов для определения количества и диаметра болтов.

После того как техник определил характеристики фланца, следующий шаг — обратиться к стандартной таблице фланцевых болтов. Эти таблицы являются незаменимыми инженерными инструментами, которые объединяют критически важные данные из стандартов, таких как ASME B16.5. Они исключают догадки и предоставляют точные требования к количеству и диаметру болтов.

Как читать стандартную таблицу фланцевых болтов.

Ниже представлена частичная таблица болтов фланцев ASME B16.5 для распространенных размеров.

Сопоставление NPS и класса давления

Основная процедура включает два простых шага. Во-первых, найдите условный диаметр трубы (NPS) для целевого фланца в первом столбце. Во-вторых, переместитесь по этой строке горизонтально к столбцам, соответствующим правильному классу давления (например, 150 LB, 300 LB). Данные в этой пересекающейся секции содержат требуемые спецификации болтов.

Поиск столбца “Количество болтов”

В пределах каждой группы по классу давления специалист найдет отдельные столбцы для каждого атрибута. Столбец с заголовком “Количество болтов” или “Количество шпилек” явно указывает требуемое количество болтов для соединения. Стандартная таблица обычно включает столбцы для:

• Номинальный диаметр трубы
• Количество шпилек
• Диаметр шпилек (дюймы)
• Длина шпильки – RF (дюймы)
• Размер ключа (дюймы)

Поиск столбца “Диаметр болтов”

Рядом со столбцом количества инженер найдет столбец “Диаметр болтов”. В нем указывается требуемый номинальный диаметр болта. Крайне важно обращать внимание на единицы измерения.

Примечание по единицам измерения 📝: В таблицах ASME в основном используется имперская система (дюймы), в то время как в таблицах DIN или JIS используется метрическая система (миллиметры).

• Имперская система (UNC/UNF): Диаметр указывается в дюймах, часто в виде дроби (например, 5/8″). Резьба определяется Количество витков на дюйм (TPI).
• Метрическая система (ISO): Диаметр указывается в миллиметрах (например, M16). Резьба определяется шагом — расстоянием между витками.

Практический пример: Фланец класса 150, NPS 4

Применим эту процедуру к распространенному сценарию: подбор болтов для фланца класса 150, NPS 4.

Пошаговый процесс поиска в таблице

1. Найдите строку NPS: Инженер просматривает первый столбец таблицы болтов фланцев и находит строку для NPS 4.
2. Найдите столбцы класса давления: Затем он смотрит на верхние заголовки для раздела “Фланцы 150 LB”.
3. Определите количество болтов: Следуя по строке NPS 4 до столбца “Фланцы 150 LB (Количество болтов)”, он находит значение 8.
4. Определите диаметр болта: Переместившись к следующему столбцу, “Фланцы 150 LB (Диаметр болтов)”, он находит значение 0.63". Эта десятичная дробь эквивалентна 5/8 дюйма.

Интерпретация результатов: 8 болтов, диаметр 5/8″

Поиск по таблице подтверждает, что для фланца класса 150, NPS 4 требуется 8 болтов, каждый с номинальным диаметром 5/8 дюйма. Этот результат является обязательным для соответствия стандарту ASME B16.5. Количество болтов, требуемое для фланца, увеличивается как с размером трубы, так и с классом давления, чтобы обеспечить безопасное и надежное уплотнение при рабочих нагрузках.

Этот поиск по таблице предоставляет первые две критически важные части информации: общее необходимое количество болтов и правильный диаметр болта для каждого отверстия. Следующий шаг — рассчитать правильную длину для каждого болта.

Шаг 3: Как рассчитать требуемую длину болта

После определения количества и диаметра следующей критической задачей является расчет правильной длины болта. Болт, который слишком короток, не обеспечит надлежащего зацепления резьбы, что поставит под угрозу целостность соединения. Чрезмерно длинный болт может создать угрозу безопасности и мешать работе соседнего оборудования. Точный расчет необходим для безопасного и профессионального монтажа.

Формула расчета длины болта

Отраслевая практика опирается на стандартизированную формулу для определения требуемой длины болта. Эта формула учитывает каждый компонент, расположенный между двумя гайками.

Представление формулы: L = 2(T) + G + 2(N) + A

Стандартная формула для расчета требуемой длины шпильки (L) выглядит следующим образом:

L = 2(T) + G + 2(N) + A

Этот расчет гарантирует, что болт будет достаточно длинным, чтобы пройти через оба фланца и прокладку, с достаточной длиной для полного зацепления гайки и небольшого выступа.

Определение каждой переменной (Толщина фланца, Прокладка, Гайка, Припуск)

Каждая переменная в формуле представляет собой критически важный физический размер фланцевого узла:

• L: окончательная расчетная длина шпильки.
• T: толщина одного фланца. Формула умножает это значение на два, чтобы учесть оба фланца в соединении.
• G: сжатая толщина прокладки, используемой между двумя фланцами.
• N: Высота одной усиленной шестигранной гайки. В формуле это значение умножается на два для учёта гаек на обоих концах болта.
• A: Допуск на выступание резьбы — дополнительная длина, необходимая для выхода резьбы за торец гайки.

Сбор измерений для формулы

Инженер должен собрать точные измерения для каждой переменной, чтобы обеспечить правильный расчёт длины болта.

Измерение толщины фланца (T)

Техник может измерить толщину фланца (T) с помощью штангенциркуля. Измерение производится от поверхности фланца (сторона, контактирующая с прокладкой) до его тыльной стороны. Это значение указано в стандартах, таких как ASME B16.5, но физическая проверка всегда является хорошей практикой.

Определение толщины прокладки (G)

Толщина прокладки (G), используемая в формуле, — это её сжатая толщина, а не номинальная (несжатая) толщина. Материалы прокладок сжимаются под нагрузкой. Например, спирально-навитая прокладка с номинальной толщиной 4,45 мм может иметь сжатую толщину от 3,17 мм до 3,43 мм. Техник должен обратиться к техническому паспорту производителя для получения этого конкретного значения.

Примечание для проектирования 📝: Для некоторых безасбестовых листовых прокладок проектировщики могут использовать в расчётах толщину 3,2 мм в качестве консервативного стандарта, даже если в итоге будет установлена более тонкая прокладка 1,6 мм.

Определение стандартной высоты гайки (N)

Высота гайки (N) соответствует диаметру болта. Усиленные шестигранные гайки, регламентированные стандартом ASME B18.2.2, являются стандартными для фланцевых соединений. Инженер может найти высоту гайки в стандартной таблице размеров. Например, усиленная шестигранная гайка 3/4″ имеет номинальную высоту 47/64″ (приблизительно 0,73″).

Понимание допуска на выступание (A)

Допуск на выступание (A) обеспечивает полное зацепление резьбы болта с гайкой. Отраслевая передовая практика, регламентированная стандартами, такими как ASME PCC-1, требует, чтобы болт слегка выступал за наружную грань гайки.

• Общее правило: Хорошей практикой является использование крепежа минимальной стандартной длины, который обеспечивает выступание как минимум на одну-три полные нитки резьбы за гайку.
• Стандарты ASME: Стандарты, такие как ASME B31.1 и B31.3 , предписывают, что болт должен полностью проходить через гайку. Недостаточное зацепление более чем на одну нитку резьбы обычно считается недопустимым.
• Требование для натяжения: Для применений с использованием гидравлического натяжения болтов, болт должен выступать как минимум на один диаметр болта за гайку со стороны натяжителя для размещения инструмента.

Распространённый допуск составляет приблизительно 1/4″ (6 мм), что обычно обеспечивает необходимые две-три нитки выступающей резьбы.

Пример расчёта на практике

Рассчитаем требуемую длину болта для фланца с выступом класса 300, NPS 6. Из таблицы болтов известно, что для этого соединения требуется 12 болтов с помощью диаметром 3/4″.

Присвоение значений каждой переменной

Инженер собирает следующие спецификации для расчёта:

• Толщина фланца (T): Фланец класса 300, NPS 6 имеет толщину 1,44 дюйма.
• Толщина прокладки (G): Для стандартного выступа 1/16″ используется спирально-навитая прокладка со сжатой толщиной приблизительно 0,13 дюйма.
• Высота гайки (N): Стандартная усиленная шестигранная гайка 3/4″ имеет высоту 0,73 дюйма.
• Допуск на выступание (A): Выбран стандартный допуск 0,25 дюйма для обеспечения достаточного зацепления резьбы.

Выполнение пошагового расчёта

Техник теперь подставляет эти значения в формулу длины болта:

1. Формула: L = 2(T) + G + 2(N) + A
2. Подстановка значений: L = 2(1,44") + 0,13" + 2(0,73") + 0,25"
3. Рассчитать каждую часть:
   • 2 * 1.44" = 2.88"
   • 2 * 0.73" = 1.46"
4. Суммировать значения: L = 2.88" + 0.13" + 1.46" + 0.25"
5. Окончательная расчетная длина: L = 4.72 дюйма

Расчетная длина болта составляет 4.72 дюйма. Следующий шаг — округлить это значение в большую сторону до ближайшей стандартной длины болта, которая составит 4.75 дюйма (4 3/4″). Это подтверждает стандартную длину болта, часто указываемую в справочных таблицах для данного конкретного применения.

Шаг 4: Как выбрать размер фланцевого болта и окончательно определить длину

После расчета теоретической длины болта техник должен окончательно определить спецификации для закупки. Этот шаг включает преобразование расчетного размера в стандартное, доступное изделие и проверку его совместимости с фланцем. Процесс правильного выбора размера фланцевого болта включает округление длины и подтверждение зазора отверстия.

Округление до ближайшей стандартной длины

Производители выпускают болты стандартных, ступенчатых длин. Расчетная длина, такая как 4.72 дюйма, не является стандартным товаром. Техник должен округлить это значение до практичного, стандартного размера.

Почему округление в большую сторону является стандартной практикой

Округление расчетной длины болта в большую сторону до следующего стандартного размера является критически важной практикой безопасности.

• Гарантирует полное зацепление: Округление в большую сторону гарантирует, что болт достаточно длинный для того, чтобы гайка достигла полного зацепления резьбы, что является основным требованием для прочности соединения.
• Избегает коротких болтов: Болт, который слишком короток, непригоден к использованию и ставит под угрозу целостность соединения.
• Эффективность закупок: Указание стандартных длин упрощает закупку и обеспечивает доступность деталей.

Безопасность превыше всего ⚠️: Всегда округляйте расчетную длину болта в большую сторону, никогда в меньшую. Слегка более длинный болт допустим; болт, который слишком короток, является точкой отказа.

Стандартные длины болтов в дюймовой и метрической системах

Стандартные длины болтов обычно увеличиваются с шагом в 1/4 дюйма для дюймовых размеров и с шагом в 5 мм или 10 мм для метрических размеров. В следующей таблице показаны распространенные стандартные длины и их метрические эквиваленты.

*Дроби являются приблизительными — округлены для удобства использования обычным инструментом и крепежом.

Проверка диаметра отверстия под болт относительно диаметра болта

Последняя проверка перед закупкой — убедиться, что выбранный диаметр болта подходит для отверстий во фланце. Это обеспечивает правильную посадку при сборке.

Понимание требований к зазору

Отверстия под болты намеренно сверлятся больше диаметра болта. Этот зазор необходим по нескольким причинам:

• It allows the bolt to be inserted easily without binding.
• It accommodates minor misalignments between the two flanges.
• It helps maintain sufficient material thickness in the flange, preventing bolt pull-through under high pressure.

Checking Chart Specifications for Hole Size

ASME B16.5 tables specify both the required bolt diameter and the corresponding hole diameter. A quick review of these specifications confirms compatibility. As a general rule, the bolt hole is typically 1/8 inch (3 mm) larger than the nominal bolt diameter. For example, a flange requiring a 3/4″ diameter bolt will have a bolt hole diameter of 7/8″. This clearance is a non-negotiable design feature. Any flange with a bolt hole smaller than the specified bolt would be rejected, as assembly would be impossible. This final verification helps an engineer confidently select flange bolt size and length.

Step 5: How to Select the Right Type of Bolt for Your Application

Beyond diameter and length, an engineer must select the right type of bolt for the job. The two primary options for flange connections are stud bolts and machine (hex) bolts. The choice depends on the application’s pressure, temperature, and flange type. This decision is a key part of the overall process to select flange bolt size and hardware.

Stud Bolts vs. Machine (Hex) Bolts

Stud bolts and machine bolts serve different purposes. A stud bolt is a fully threaded rod with two nuts, while a machine bolt has a pre-formed head and uses one nut.

When to Use Fully-Threaded Stud Bolts

Technicians prefer fully-threaded stud bolts for most critical piping applications, especially in high-pressure and high-temperature services. Their design offers significant mechanical advantages.

• Превосходная прочность: A stud bolt provides better load distribution across the flange joint compared to a headed bolt.
• Even Clamping: The use of two nuts allows for more precise and even tensioning, which is crucial for achieving a reliable seal.
• High-Stress Applications: Engineers specify stud bolts for demanding environments where joint integrity is paramount.

Если фланец не имеет маркировки или маркировка нечитаема, техник может определить NPS, измерив внутренний диаметр проходного отверстия. ⚙️: Stud bolts are the standard choice for raised face flanges in process industries like oil and gas, chemical processing, and power generation.

Common Applications for Machine (Hex) Bolts

Machine bolts, or шестигранных болтов, are more common in general-purpose structural applications and low-pressure utility services. While a strong fastener, this type of bolt is less ideal for the high stresses found in many industrial flange connections. Their single-headed design provides less effective load distribution. A technician might use a machine bolt on low-pressure, flat-faced water lines but would avoid it for high-pressure steam systems.

Raised Face (RF) vs. Flat Face (FF) Flange Considerations

The design of the flange face directly impacts bolting requirements. The two most common types are Raised Face (RF) and Flat Face (FF).

Bolting Requirements for Raised Face Flanges

A Raised Face (RF) flange concentrates the clamping force onto a smaller gasket area, creating a higher-stress seal. This design requires a robust bolt that can handle the significant tension. High-strength stud bolts (like ASTM A193 B7) are the standard pairing for RF flanges to ensure the joint can withstand the high gasket seating stress without failure.

Bolting Requirements for Flat Face Flanges

A Flat Face (FF) flange has a gasket surface that is level with the bolting circle face. These are used in lower-pressure applications, often with brittle gaskets (like cast iron). The threading requirement for bolts in this setup is less demanding. The primary concern is to apply even pressure without cracking the flange. The overall threading must be clean and undamaged to ensure smooth nut rotation and accurate torque application. The procedure to select flange bolt size for an FF flange must prevent over-stressing the joint.

Step 6: Select the Correct Bolt and Nut Material

Selecting the correct material is the final, crucial step in the specification process. The material determines a bolt’s strength, corrosion resistance, and temperature limits. ASTM standards provide clear recommendations for various service conditions, ensuring reliability and safety.

Common Bolt Material Grades (ASTM)

ASTM International provides specifications for a wide range of fastener materials. An engineer selects a grade based on the application’s pressure, temperature, and chemical exposure.

Carbon Steel: ASTM A193 B7

ASTM A193 B7 is the most common specification for heavy hex bolts and studs in the oil and gas industry. This heat-treated chromium-molybdenum steel offers high strength and good performance in moderate-temperature applications. A B7 bolt maintains its integrity in conditions typically below 750°F (400°C). It has a minimum tensile strength of 125 ksi and a minimum yield strength of 105 ksi for diameters up to 2.5 inches.

Stainless Steel: ASTM A193 B8/B8M

For applications requiring corrosion resistance, stainless steel is the preferred choice. The primary distinction between Grade B8 and B8M lies in their material composition and performance.

Стандарт DIN 933: объяснение molybdenum in B8M provides superior protection against chlorides and other corrosive agents, making it ideal for marine and chemical plant environments.

Low-Temperature Alloys: ASTM A320 L7

For cryogenic and low-temperature services, ASTM A320 L7 is the standard. This alloy steel is specifically designed to remain ductile at temperatures as low as -150°F (-101°C), passing a Charpy impact test at that temperature. This property prevents the bolt from becoming brittle and failing in cold environments.

Matching Materials to Service Conditions

An engineer must match the fastener material directly to the system’s operational demands.

Material Selection for High-Temperature Service

While A193 B7 is suitable for many applications, services exceeding 800°F (427°C) require different material recommendations. ASTM A193 B16, a chromium-molybdenum-vanadium alloy, is frequently used for temperatures up to 1000°F (538°C). Materials not stress-rupture tested for these high temperatures must be permanently marked “NR”.

Material Selection for Corrosive Environments

In highly corrosive environments, such as chemical processing plants, the entire joint system must be considered. An ASTM A193 B8M bolt is an excellent choice. Engineers often pair it with a PTFE (Teflon) gasket, which offers near-universal chemical inertness against strong acids and solvents.

Nut and Washer Material Compatibility

A fastener assembly is only as strong as its weakest component. Proper nut and washer selection is non-negotiable.

The ASTM A194 2H Heavy Hex Nut Standard

Technicians must pair ASTM A193 B7 bolts with ASTM A194 2H heavy hex nuts. These nuts are heat-treated to a strength level that matches or exceeds the bolt. This strength matching ensures that if the joint is over-torqued, the bolt will break before the threading strips, providing a safer failure mode. The heavy hex design also provides a larger bearing surface for better load distribution.

Ensuring Proper Hardened Washer Selection (ASTM F436)

Hardened washers, specified by ASTM F436, are essential for distributing the clamp load and preventing galling, especially during high-torque tightening. When using stainless steel fasteners, it is critical to use washers of a compatible material (e.g., a 316 stainless steel washer with a B8M bolt) to prevent galvanic corrosion and maintain joint integrity.

A technician achieves a secure and leak-free flange joint by following a systematic process. This involves identifying the flange, determining the correct bolt quantity, and selecting the right bolt type and material. Правильная установка is non-negotiable for operational safety and system integrity. For a successful installation, an engineer must always verify their work against project specifications and standard installation guidelines.

Частые вопросы

What happens if I use the wrong number of bolts?

Using fewer bolts than specified creates uneven pressure on the gasket. This condition leads to dangerous leaks and potential joint failure. A technician must always use the quantity listed in the standard flange bolt chart to ensure a safe, reliable seal.

Can I reuse old flange bolts?

Best Practice 💡: A technician should not reuse flange bolts in critical service. Used bolts can suffer from thread damage or stretching (yield). This compromises their clamping force and reliability. New fasteners ensure a safe and predictable connection.

What does “torque sequence” mean?

Torque sequence is the star or crisscross pattern a technician uses to tighten nuts. This method applies pressure evenly across the flange face. It ensures a proper gasket seal and prevents flange distortion or damage during assembly.

Why are stud bolts preferred for high-pressure service?

Stud bolts allow for more accurate tensioning and distribute the clamp load more evenly than headed bolts. This design provides a stronger, more reliable joint. Engineers specify them for high-pressure and high-temperature applications where joint integrity is paramount.

Do I need to lubricate flange bolts before installation?

Yes, a technician should apply a proper lubricant to bolt threads and nut faces. Lubrication reduces friction during tightening. This practice ensures the applied torque translates into accurate bolt tension, which is essential for achieving a reliable seal.

What is the difference between a Class 150 and a 150# flange?

There is no difference. The terms “Class 150,” “150#,” and “150 LB” all refer to the same pressure class rating under the ASME/ANSI standard. They are interchangeable terms that a technician will see stamped on a flange rim.

How do I convert a bolt diameter from decimal to a fraction?

A technician can convert a decimal to a fraction by multiplying it by the desired denominator. For example, to convert a 0.75″ diameter to 16ths:

1. 0.75 * 16 = 12
2. The result is 12/16", which simplifies to 3/4".