1. Вступ: інженерний виклик герметизації фланцевих з’єднань

Фланцеве з’єднання — критичний вузол будь-якої трубопровідної системи. Статистика відмов на українських промислових підприємствах показує: до 25% незапланованих зупинок технологічних ліній пов’язані з витоками через прокладки. При робочих тисках від 10 до 420 bar і температурах від −196°C до +1000°C вибір типу прокладки визначає не лише герметичність, а й безпеку персоналу, екологічну відповідність та загальну надійність виробництва.

Три основні типи прокладок для фланцевих з’єднань — спірально-навиті (Spiral Wound Gaskets, SWG), кільцеві металеві (Ring Type Joint, RTJ) та листові (Sheet Gaskets) — мають принципово різні механізми герметизації, діапазони застосування та вимоги до монтажу. Правильний вибір між ними потребує розуміння фізики контактної деформації, знання стандартів та реальних умов експлуатації.

2. Фундаментальні принципи герметизації

2.1 Механізм ущільнення

Герметизація фланцевого з’єднання базується на створенні контактного тиску (gasket stress), який перевищує тиск робочого середовища. Два ключові параметри за ASME PCC-1:

y — мінімальний посадковий тиск (seating stress), МПа — тиск, необхідний для початкової деформації прокладки та заповнення мікронерівностей фланця
m — коефіцієнт утримання (maintenance factor) — множник, що визначає мінімальний залишковий тиск на прокладку під робочим тиском: σ_min = m × P

Для спірально-навитої прокладки з наповнювачем з графіту: y = 68.9 МПа, m = 3.0. Для м’якої гумової листової прокладки: y = 1.4 МПа, m = 1.0. Для кільцевої RTJ (м’яке залізо): y = 179.3 МПа, m = 6.5.

2.2 Контактна механіка

Ефективність ущільнення залежить від співвідношення:

σ_g = F_bolt / A_g ≥ y (при монтажі)

σ_g,op = (F_bolt − P × A_i) / A_g ≥ m × P (під тиском)

де F_bolt — сумарне зусилля затяжки болтів, A_g — ефективна площа прокладки, A_i — площа, на яку діє внутрішній тиск P.

RTJ-прокладки реалізують лінійний контакт (контактна ширина 1.5–3 мм), що дає екстремально високий питомий тиск при помірному болтовому навантаженні. Спірально-навиті — площинний контакт з контрольованою деформацією. Листові — повний площинний контакт з найнижчим питомим тиском.

3. Технічні специфікації та стандарти

3.1 Нормативна база

Стандарт	Область застосування	Примітка
ASME B16.20	Спірально-навиті та кільцеві прокладки	Розміри, допуски, маркування
ASME B16.21	Неметалеві плоскі прокладки	Листові типи
EN 1514-1 / EN 1514-2	Прокладки для фланців за EN 1092-1	Європейська система
ДСТУ EN 13555:2018	Параметри прокладок для розрахунку фланцевих з’єднань	Гармонізований з EN
API 6A / API 17D	RTJ для нафтогазового обладнання	Класи тиску 2000–20000 psi
DIN 28091	Листові прокладки з волокнистих матеріалів	Класифікація за DIN
EN 13345 (PED)	Директива обладнання під тиском	CE-маркування

3.2 Класифікація за типом

Спірально-навиті (SWG): ASME B16.20 визначає типи CG (з внутрішнім та зовнішнім кільцем), CGI (тільки внутрішнє кільце), R (без кілець). Матеріал стрічки: AISI 304, 316L, 321, Inconel 600, Monel 400, Hastelloy C-276. Наповнювач: гнучкий графіт (до 650°C), PTFE (до 260°C), слюда (до 850°C).

Кільцеві RTJ: Профілі R, RX, BX за API 6A. Матеріали: м’яке залізо, AISI 304/316/321, Inconel 625, дуплекс. Твердість кільця повинна бути на 20–30 HB нижче твердості фланця.

Листові: Пароніт (за ГОСТ 481 або аналоги EN), безазбестові матеріали (aramid/NBR, aramid/SBR, графітові армовані листи), PTFE, гума (EPDM, NBR, FKM).

4. Керівництво з вибору та розрахунку

4.1 Критерії вибору

Критерій	Спірально-навита (SWG)	Кільцева (RTJ)	Листова
Макс. тиск, bar	250 (Class 2500)	1450 (20000 psi)	40 (PN 40)
Макс. температура, °C	1000 (з слюдою)	1000 (Inconel)	450 (графіт армований)
Мін. температура, °C	−196 (316L/графіт)	−196 (аустеніт)	−50 (PTFE)
Тип фланця	Raised Face (RF)	RTJ groove	Flat Face (FF), Raised Face (RF)
Повторне використання	Ні	Ні (одноразова деформація)	Ні
Компенсація перекосу фланців	Добра (до 0.15 мм)	Обмежена	Добра (до 0.5 мм)
Вартість (відносна)	Середня (1×)	Висока (3–5×)	Низька (0.2–0.5×)
Сертифікація для CE/PED	Так (EN 1514-2)	Так (EN 1514-2)	Так (EN 1514-1)

4.2 Алгоритм вибору

Визначити робочі параметри: P_раб, T_раб, середовище (хімічна сумісність).
Визначити клас тиску фланця (PN або Class) за EN 1092-1 або ASME B16.5.
Якщо P > 100 bar або T > 450°C, або середовище — H₂, H₂S, кислоти → розглядати SWG або RTJ.
Якщо фланець має RTJ-канавку → використовувати виключно RTJ відповідного профілю.
Для P < 40 bar, T < 200°C, нетоксичне середовище → листова прокладка допустима.
Перевірити розрахунок болтового навантаження за EN 1591-1 або ASME PCC-1.

4.3 Розрахунок мінімального болтового навантаження

За спрощеною методикою ASME:

W_m1 = π × b × G × m × P + (π/4) × G² × P

W_m2 = π × b × G × y

де b — ефективна ширина посадки прокладки (мм), G — середній діаметр прокладки (мм), m та y — параметри прокладки.

Необхідне болтове навантаження: W_min = max(W_m1, W_m2).

Момент затяжки одного болта:

T = (K × d × F) / n

де K ≈ 0.2 (змащений болт), d — номінальний діаметр болта, F = W_min, n — кількість болтів.

5. Монтаж та введення в експлуатацію

5.1 Підготовка поверхні фланця

Шорсткість ущільнювальної поверхні — критичний фактор:

Для SWG: Ra 3.2–6.3 мкм (ASME B16.5: 125–250 μin)
Для RTJ: Ra 0.8–1.6 мкм у канавці
Для листових: Ra 3.2–12.5 мкм

Перед монтажем обов’язково: очистити поверхні від корозії та залишків старої прокладки, перевірити відсутність радіальних подряпин, виміряти паралельність фланців (допуск ≤ 0.15 мм на 100 мм діаметра).

5.2 Процедура затяжки

Застосовувати перехресну (зірочкову) схему затяжки відповідно до ASME PCC-1:

Перший прохід: 30% від цільового моменту
Другий прохід: 60%
Третій прохід: 100%
Четвертий (контрольний) прохід: 100% по колу

Для фланців DN ≥ 600 рекомендовано використовувати гідравлічні натягувачі болтів замість динамометричних ключів — точність ±3% проти ±25%.

5.3 Особливості монтажу RTJ

Кільце повинно вільно лягати в канавку без примусового вдавлювання. Зазор між дном канавки та кільцем (після затяжки) — обов’язковий (метал-метал контакт фланців, а не через прокладку). Якщо фланці стикаються по зовнішньому діаметру до повної деформації кільця — з’єднання негерметичне.

6. Режими відмов та аналіз кореневих причин

6.1 Типові відмови спірально-навитих прокладок

Режим відмови	Візуальний індикатор	Коренева причина	Запобіжний захід
Радіальне розшарування	Витік по зовнішньому діаметру, видимі шари	Надмірна затяжка (>110% номіналу), відсутність зовнішнього кільця	Використовувати тип CG з зовнішнім обмежувальним кільцем
Внутрішня ерозія	Витік зсередини, пошкодження наповнювача	Турбулентний потік, вібрація, відсутність внутрішнього кільця	Тип CGI, перевірити вібрацію трубопроводу
Релаксація	Поступове зниження зусилля болтів	Термоциклювання, повзучість при T > 400°C	Повторна затяжка через 24 год після пуску, пружинні шайби
Хімічна деградація наповнювача	Потемніння, крихкість графіту	Окислення графіту при T > 450°C у повітрі	Перехід на слюдяний наповнювач або RTJ

6.2 Відмови RTJ

Пластична деформація канавки: причина — повторне використання або твердість кільця вища за фланець. Рішення: контроль твердості за API 6A (різниця ≥ 20 HB).
Корозійне пітинг канавки: причина — гальванічна пара між різнорідними металами. Рішення: вибір кільця з того ж сплаву або нанесення покриття.

6.3 Відмови листових прокладок

Екструзія (видавлювання): при P > допустимого для товщини. Тонші прокладки (1.5 мм замість 3 мм) краще протистоять екструзії.
Холодна течія (creep): характерна для PTFE. Рішення: армовані PTFE-прокладки або перехід на SWG.
Розрив: перезатяжка болтів на тонкому матеріалі.

7. Предиктивне обслуговування та моніторинг стану

7.1 Методи контролю

Ультразвуковий контроль витоків: детектори діапазону 38–42 кГц (наприклад, SDT 340) виявляють мікровитоки на ранній стадії. Порогове значення для фланцевого з’єднання: > 8 dB над фоновим рівнем вказує на початок витоку.

Моніторинг болтового навантаження: ультразвукові вимірювачі подовження болтів (точність ±1%) або тензодатчики на критичних з’єднаннях. Зниження навантаження на > 10% від початкового — сигнал для повторної затяжки.

Термографія: інфрачервоне сканування фланцевих з’єднань виявляє витоки пари та гарячих середовищ. Різниця температур > 5°C між фланцем та зоною витоку — індикатор проблеми.

Емісійний контроль (LDAR): відповідно до EN 15446, моніторинг летких органічних сполук (VOC) навколо фланців. Допустимий рівень за Директивою 2010/75/EU (IED): < 500 ppm для з'єднань на летких середовищах.

7.2 Періодичність інспекцій

Критичні з’єднання (H₂, H₂S, HF, пара > 40 bar): щомісячний UZ-контроль
Стандартні технологічні: щоквартальна термографія
Утилітарні (вода, повітря < 10 bar): річна візуальна інспекція

8. Порівняльна матриця

Параметр	SWG (316L/графіт, CG)	RTJ (R-тип, 316)	Листова (безазбестова, aramid/NBR)	Листова (графіт армований)	PTFE конверт
Діапазон тиску, bar	Вакуум — 250	70 — 1450	Вакуум — 40	Вакуум — 100	Вакуум — 25
Діапазон температур, °C	−196 … +650	−196 … +800	−40 … +350	−200 … +550	−200 … +260
Хімічна стійкість	Висока (залежить від сплаву)	Висока	Обмежена (кислоти, розчинники)	Висока (крім сильних окислювачів)	Універсальна (крім F₂, лужних металів)
Стійкість до вібрації	Добра	Відмінна	Задовільна	Добра	Задовільна
Вимоги до поверхні фланця	Ra 3.2–6.3 мкм	Ra 0.8–1.6 мкм (канавка)	Ra 3.2–12.5 мкм	Ra 3.2–6.3 мкм	Ra 3.2–6.3 мкм
Мінімальний посадковий тиск y, МПа	68.9	179.3	15.2	44.8	6.9
Фактор m	3.0	6.5	2.5	3.0	2.0
Типове застосування	Нафтопереробка, хімія, енергетика	Свердловинне обладнання, HP/HT системи	Водопостачання, HVAC, низький тиск	Пара, теплообмінники, хімія	Фармацевтика, харчова промисловість
Орієнтовна ціна DN100	€12–25	€45–120	€2–5	€8–15	€6–12

9. Практичні рекомендації для українських підприємств

9.1 Перехід з пароніту на безазбестові матеріали

Відповідно до Регламенту ЄС 1907/2006 (REACH) та українського законодавства щодо обмеження азбесту, підприємства повинні переходити на безазбестові листові матеріали. Прямий замінник пароніту ПОН-Б для пари до 200°C та 16 bar — безазбестовий лист на основі арамідного волокна з NBR-зв’язуючим (аналог Klingersil C-4400). Для більш жорстких умов (пара 300°C, 40 bar) — армований графітовий лист з металевою вставкою (аналог Sigraflex).

9.2 Зберігання прокладок

Відповідно до рекомендацій EN 1514:

SWG: горизонтально, без деформації, захист від вологи. Термін зберігання — необмежений для металевих компонентів, до 5 років для графітового наповнювача.
RTJ: індивідуальне пакування, антикорозійне покриття. Перевірка твердості перед монтажем якщо зберігання > 2 роки.
Листові: уникати прямого сонячного світла (деградація еластомерів), температура зберігання 5–35°C, вологість < 70%.

10. Підсумок

Вибір типу прокладки для фланцевого з’єднання — інженерне рішення, яке повинно базуватися на чітких критеріях: робочий тиск і температура, хімічна сумісність із середовищем, тип фланця, доступне болтове навантаження та вимоги до герметичності. Спірально-навиті прокладки забезпечують оптимальний баланс між надійністю та вартістю для більшості промислових застосувань. RTJ незамінні у високотисковому та високотемпературному обладнанні. Листові прокладки залишаються економічним рішенням для утилітарних систем низького тиску.

Правильний монтаж із дотриманням процедури контрольованої затяжки та регулярний моніторинг стану з’єднань — обов’язкові умови для досягнення проектного ресурсу прокладки та запобігання аварійним витокам.

UNITEC-D GmbH постачає повний асортимент ущільнювальних прокладок — спірально-навитих (всі типи за ASME B16.20), кільцевих RTJ (профілі R, RX, BX), листових безазбестових матеріалів та PTFE-прокладок. Всі вироби мають CE-сертифікацію відповідно до PED 2014/68/EU та супроводжуються сертифікатами матеріалів EN 10204 3.1.

Перейти до електронного каталогу UNITEC-D →

Список літератури

ASME PCC-1-2022 «Guidelines for Pressure Boundary Bolted Flange Joint Assembly»
EN 1591-1:2014 «Flanges and their joints — Design rules for gasketed circular flange connections — Calculation»
ASME B16.20-2017 «Metallic Gaskets for Pipe Flanges — Ring-Joint, Spiral-Wound, and Jacketed»
ДСТУ EN 13555:2018 «Фланці та їхні з’єднання. Параметри прокладок та методи випробувань для застосування в розрахунках фланцевих з’єднань згідно з EN 1591-1»
API Standard 6A, 21st Edition «Wellhead and Tree Equipment» — Ring Gasket specifications