ГОСТ 20700-75: болты, шпильки и гайки фланцевых соединений

Герметичность фланца зависит от силы, с которой шпильки прижимают резину или паронит к уплотнительным поверхностям. Пока соединение холодное, затяжку видно по ключу; на горячей линии сталь шпилек медленно расслабляется, и через месяцы работы на прокладку давит меньше, чем при монтаже. ГОСТ 20700-75 описывает именно ту сталь, которая отвечает за эту силу.

Стандарт 1975 года действует для крепежа от 0 до 650 °C

ГОСТ 20700-75 «Болты, шпильки, гайки и шайбы для фланцевых и анкерных соединений, пробки и хомуты с температурой среды от 0 до 650 °C. Технические условия» введён с 01.01.1976. По карточке meganorm.ru статус «действует», последнее изменение № 3 введено с 01.01.1988; текст сверялся по изданию на meganorm.ru. Стандарт соответствует СТ СЭВ 1066-85.

Область: паровые котлы, трубопроводы и соединительные части, паровые и газовые турбины, арматура, приборы, аппараты и резервуары, а также водогрейные котлы с водой свыше 115 °C. Не распространяется на фланцевые соединения поднадзорных объектов с условным давлением менее 0,07 МПа. Крепёж делают по ГОСТ 9064-75, 9065-75, 9066-75 или по рабочим чертежам из сталей таблицы 1.

Категория стали задаётся расчётной температурой металла

Пункт 1.4 делит материалы на четыре категории качества. Категория I: углеродистые стали для изделий общего назначения класса точности В с резьбой до 48 мм и расчётной температурой металла до 200 °C. Категория II: углеродистые стали для болтов, шпилек и гаек класса точности А с резьбой до 48 мм и шайб, до 300 °C. Категория III: качественные углеродистые стали в улучшенном состоянии, до 400 °C, а при наличии данных о длительной прочности до 425 °C. Категория IV: теплоустойчивые и жаропрочные легированные стали после термообработки.

Для III и IV категорий есть общее условие: температура отпуска должна быть выше рабочей не менее чем на 100 °C. Стали II–IV категорий изготовитель крепежа по п. 1.5 проверяет на входе визуально сплошь и выборочно на твёрдость, не менее 2 % от партии заготовок. Кипящую, полуспокойную и автоматную сталь для крепежа п. 1.3 запрещает.

Таблица 1 ограничивает марку стали температурой среды

Для каждой марки таблица 1 даёт предельную температуру среды и условное давление отдельно для болтов и шпилек и для гаек. Примеры строк, которые встречаются на арматуре и сосудах:

Примечание 1 к таблице допускает по соглашению другие марки, если изделия получают требуемые свойства. Справочные приложения 1–4 дают длительную прочность, модуль упругости, коэффициенты линейного расширения и релаксационную стойкость сталей; для расчёта фланцевого соединения с прокладкой последние два важнее всего.

Шпилька определяет, с какой силой прокладку обжимают годами

Во фланцевом соединении прокладка, шпильки и фланцы работают как пружины, соединённые последовательно. Монтажник задаёт момент, шпилька растягивается, прокладка сжимается. Дальше на силу влияют три вещи, из которых две задаёт ГОСТ 20700: модуль упругости и тепловое расширение стали шпилек относительно стали фланцев, релаксация напряжения шпилек при температуре и ползучесть самой прокладки.

Для неметаллических прокладок ползучесть и релаксация складываются. Паронит и графитовые прокладки при нагреве теряют часть толщины, шпилька теряет часть напряжения, и обжатие прокладки падает с двух сторон. Монтажная сторона вопроса, порядок обхода шпилек и контроль момента, относится к затяжке фланца, а минимальную силу на прокладку даёт расчёт фланцевого соединения.

Релаксация шпилек при 400 °C съедает треть затяжки

Справочное приложение 4 приводит остаточное напряжение сталей после выдержки при постоянной деформации. Для стали 20 при 400 °C и начальном напряжении 10 кгс/мм² остаточное напряжение через 100 ч составляет 7,8, через 1 000 ч 7,3, через 2 000 ч 7,0 кгс/мм², через 10 000 ч в скобках 6,5. При 200 °C та же сталь с того же начального уровня теряет меньше: 9,4 через 100 ч и 9,0 через 2 000 ч. При 450 °C с начального 7 кгс/мм² остаётся 4,8 через 100 ч и 4,1 через 1 000 ч.

Пример пересчёта на прокладку, условные данные: если при монтаже на прокладку давило 30 МПа, а шпильки при 400 °C потеряли 30 % напряжения, на прокладку останется около 21 МПа без учёта усадки самой прокладки. Если минимальное рабочее давление на прокладку из расчёта близко к этому значению, через несколько тысяч часов соединение потечёт. Поэтому на горячих линиях выбирают прокладки с малой ползучестью и проверяют расчёт на конец периода работы, а не на момент сборки.

Как ГОСТ 20700 влияет на выбор прокладки фланца?

ГОСТ 20700-75 влияет на выбор прокладки через силу, которую шпильки держат при рабочей температуре. Сталь крепежа выбирают по таблице 1 и категории по расчётной температуре, а справочное приложение 4 показывает, сколько напряжения шпилька теряет за тысячи часов. Прокладка должна оставаться уплотнённой при остаточной силе шпилек, поэтому на горячих фланцах выбирают материал с малой ползучестью и ширину, при которой удельное давление остаётся выше минимального.

Выступ резьбы и длина шпильки зависят от толщины прокладки

Пункт 1.26 требует, чтобы выступающая часть резьбы болта или шпильки составляла не менее полутора витков с каждой стороны завёрнутой гайки. Уменьшить наружный выступ для резьбы до 48 мм можно, только если гайка по ГОСТ 9064-75 и выдержана несущая длина резьбы по стандартам серии ГОСТ 1759, начиная с ГОСТ 1759.0-87.

Практическое следствие: длину шпильки считают от толщины фланцев, двух гаек, шайб и прокладки в обжатом состоянии. Если при ремонте плоскую прокладку 2 мм заменили на спирально навитую 4,5 мм или на двойную прокладку, шпилька может оказаться короткой. Обратная ситуация, тонкая прокладка на длинных шпильках, не нарушает пункт, но увеличивает податливость шпилек, и это тоже учитывают в расчёте.

Документ на партию крепежа зависит от категории и давления

Пункт 2.2 требует сдавать крепёж партиями: один типоразмер, одна партия заготовок, одно покрытие. Маркировка по п. 4.3 на торце гаечного конца болтов и шпилек и на гайках включает товарный знак изготовителя, марку материала, номер партии; для резьбы до М27 допускается маркировка на бирке. По п. 4.11 для сталей I и II категории до 4 МПа в документ входят марка стали и класс прочности, а свыше 4 МПа и для III и IV категорий добавляют химический состав, группу качества, результаты испытаний и покрытие.

Тот же принцип полезно применить и к прокладкам этого соединения: материал, партия и документ на партию. Если шпильки пришли с полным сертификатом, а прокладки без бирки, через год никто не скажет, что стояло в узле.

Узел фланца заказывают комплектом: крепёж по ГОСТ, прокладка по расчёту

Чтобы прокладку под соединение с крепежом по ГОСТ 20700 посчитали с первого раза, в заявку переносят:

1. Тип и размер фланца, исполнение уплотнительной поверхности, условное давление.
2. Рабочую температуру среды и металла шпилек, по которой выбрана категория стали.
3. Марку стали и размер шпилек, их число: от этого зависит сила, которую соединение может создать.
4. Наработку между остановами, если линия горячая: от неё зависит, сколько релаксации учитывать.
5. Допустимую толщину прокладки, чтобы сохранить полтора витка выступа по п. 1.26.
6. Среду и требования к документу на партию прокладок.

Наша компания производит неметаллические фланцевые прокладки, в том числе паронитовые, фторопластовые и комбинированные, по чертежу, эскизу, фото или образцу. Данные о крепеже по ГОСТ 20700 в заявке нужны для подбора прокладки под реальную силу затяжки. Прокладки под фланцы по ГОСТ 33259 и другим стандартам делают по таблицам размеров, нестандартные по чертежу заказчика. Партия может быть малой, вплоть до одной прокладки, но сумма заказа начинается от 9 000 ₽ с НДС.

Если чертежа фланца нет, присылают наружный и внутренний диаметр уплотнительной поверхности, число и диаметр отверстий под шпильки, рабочие температуру и давление. Для горячих линий укажите, сколько часов соединение работает между ремонтами: от этого зависит, какой запас по обжатию закладывать. Для плановых остановов цеха прокладки перечисляют по позициям фланцев с числом замен в году, и изготовление разбивают по датам ремонтов.