Фланцевые системы для вакуумной техники и их применение.

В настоящее время используются следующие стандарты промышленной трубопроводной арматуры:

• ANSI ASME 16.5 (США);
• EN 1092-1 (европейский стандарт) и национальные стандарты европейских стран на его основе: DIN EN 1092-1 (Германия), BS EN 1092-1 (Великобритания) и др.;
• JIS B 2220 (Япония);
• GB/T 9119 (Китай);
• ГОСТ 12815-80 (РФ)

К ГОСТ12815-80 наиболее близок EN 1092-1 (DIN EN 1092-1, BS EN 1092-1) - во многих случаях размеры фланцев идентичны. Однако стандарты не гармонизированы, в размерах фланцев для некоторых ДУ есть отличия. По ГОСТ 12815-80 отсутствует исполнение фланцев с плоской поверхностью (наиболее подходящих для вакуумных приложений).

Все соединения этих стандартов рассчитаны на работу при избыточных давлениях и разбиты на классы в соответствии с давлением, которое называют условным (PУ, Ру) или номинальным (PN). Ру, PN - это наибольшее допустимое избыточное рабочее давление при температуре 20°C, при котором допускается эксплуатация соединения. В соответствии со значением Ру (PN) выбраны толщины фланцев, количество и размер крепежных болтов соединения. Тип уплотнений, предлагаемых этими стандартами, может быть различным – кольцевая прокладка круглого (o-ring) или прямоугольного сечения в канавле; плоская прокладка между опорными поверхностями фланцев; линзовая прокладка и другие. Промышленные стандарты предлагают различные материалы уплотнений, многие из которых непригодны для использования в вакуумных приложениях.

С некоторыми оговорками (п.2.2, 2.3) такие соединения могут быть использованы для вакуумных систем с "техническим" вакуумом (1-760 Торр) и систем «вакуум-давление». Для вакуумных систем (давление в системе всегда меньше атмосферного) используются фланцы, рассчитанные на минимальное давление РУ (PN), а в качестве уплотнений - первые два варианта из перечисленных выше. Фланцы промышленных стандартов можно встретить на форваруумных насосах, например, на водокольцевых (предельный вакуум которых ~30 Торр при использовании воды в качестве рабочей жидкости).

Стандарты на общепромышленные фланцевые соединения не самым лучшим образом приспособлены для использования в вакуумной технике по нескольким причинам, в том числе:

• Промышленные фланцевые стандарты рассчитаны на среды, находящиеся под давлением, и, соответственно, имеют избыточные для вакуумных приложений прочностные характеристики (максимальное давление на внешние стенки вакуумной системы не может превышать 1 атмосферу) и, как следствие, высокую материалоемкость (больший вес и габариты, более высокую высокую стоимость при иготовлении из одинакового материала и т.д.);
• Одним из факторов, влияющих на герметичность соединения, является качество обработки поверхности. Для вакуумных фланцев обычные требования к шероховатости поверхности – R_a = 2.5 мкм и менее. А промышленный стандарт EN 1092-1, например, для невысоких PN устанавливает шероховатость R_a=3.2-12.5 мкм, и только для больших PN устанавливается шероховатость R_a=0.8-3.2 мкм. На практике качество обработки опорных поверхностей зависит от добросовестности производителя: встречаются фланцы и с более грубой обработкой поверхности, чем предусмотрено стандартом. В любом случае та обработка, которая окажется удовлетворительной, например, для уплотнения жидкой среды, может оказаться причиной высокого натекания в вакуумную систему. В лучшем случае применение промышленных фланцев "как есть" оправдано только для систем с техническим вакуумом (1 - 760 Торр);
• В качестве материала фланца промышленные стандарты допускают применение материалов, подверженных коррозии (сталь, чугун), что в большинстве случаев неприемлемо для вакуумных систем;
• Принципиальное отличие вакуумных систем от систем с избыточным давлением – в вакуумных системах важным фактором оказывается процессы газоотделения (обезгаживания) с поверхности материалов, оказавшихся при давлении ниже атмосферного (т.е. внутри вакуумной системы). Это касается, во-первых, степени чистоты поверхности фланца. Наличие грязи с высоким давлением насыщенных паров может послужить причиной проблем с откачкой вакуумной системы. Вакуумные фланцы, в отличие от промышленных, тщательно отмываются после изготовления и уважающие себя производители защищают их упаковкой и крышкой для защиты уплотняющих (опорных) поверхностей. Во-вторых, уплотнение вакуумного фланцевого соединения также должно иметь минимальное газоотделение - для этого используются специальные материалы. Для примера - уплотнения типа паронита абсолютно неприемлемы для вакуумных систем.
• Способы проточки фланцев под сварку и приварки труб вакуумных магистралей также имеют специфику, не все способы приварки труб, регламентируемые промышленными стандартами на фланцы, приемлемы для вакуумных систем.

Таким образом, если рассматривать классическую вакуумную систему, давление в которой всегда меньше атмосферного, то использование фланцев промышленных стандартов вряд ли целесообразно, так как вакуумные фланцевые системы на основе современных специализированных стандартов (п.5.2, п.5.3) имеют целый ряд существенных преимуществ. Но достоинством фланцев промышленных стандартов является гарантированная и безопасная работа при избыточных давлениях. Поэтому они оказываются полезными при создании систем «вакуум-давление» (см. п.2.3), т.е систем, способных работать как в условиях вакуума (в том числе высокого), так и при избыточных давлениях. Для такого применения необходимо устранить основные недостатки промышленных соединений, перечисленные выше.

Наиболее универсаоьным способом решения задачи построения системы «вакуум - избыточное давление» является использовании фланцевых соединений промышленных стандартов трубопроводной арматуры (ANSI ASME 16.5 и аналогичных) при соблюдении следующих условий:

• Из многообразия предлагаемых промышленным стандартом вариантов необходимо использовать только те конструкции фланцев, которые пригодны для вакуумных приложений – т.е. позволяют создать вакуумно-плотное соединение;
• В качестве материала фланцев рекомендуется использовать нержавеющую сталь;
• Необходимо обеспечить обработку опорных поверхностей фланцев, приемлемую для вакуумных приложений - шероховатостью поверхности R_a=2.5 мкм или менее. В некоторых случаях достаточно проточить «более чисто» опорную поверхность стандартного фланца из нержавеющей стали;
• Проточка фланца под сварку должна обеспечивать возможность сварки с внутренней (вакуумной) стороны;
• При проточке фланца необходимо предусматривать разгрузочный выступ/канавку во избежание коробления фланца вследствие локального перегрева при сварке;
• Сварочный шов должен быть внутренним (с вакуумной стороны); неприемлема приварка сплошным двойным швом (и с вакуумной, и атмосферной стороны);
• В качестве уплотнений необходимо использовать витон (FKM), нитрил (NBR) или прокладки из резин вакуумных технических (подробнее о материалах уплотнений). Тип уплотнения выбирается исходя из задачи – от плоской прокладки, вырезанной из листа до кольцевых прокладок с круглым сечением (o-ring)

Соблюдение перечисленных условий позволяет решить задачу «вакуум – избыточное давление», оставаясь в рамках того или иного стандарта и обеспечивая возможность замены деталей при ремонте или модернизации системы. Диапазон давлений, который можно получать внутри системы - от остаточных давлений 10-8 Торр до избыточных, определяемых классом Py (PN) промышленных фланцев. Следует отметить, что несколько большую проблему представляет подбор запорной арматуры из разряда промышленной трубопроводной – в зависимости от исполнения можно столкнуться со значительным уровнем натекания при откачке системы. В некоторых случаях возможно использование вакуумной запорной арматуры с заменой присоединительных фланцев, выполненных по специализированным стандартам. Для общности отметим, что существует еще два подхода построения систем «вакуум - избыточное давление», но они менее универсальны. Во-первых, если диаметр условного прохода магистралей и запорной арматуры относительно невелики (диаметр условного прохода до ~10-16 мм), система «вакуум - избыточное давление» может быть построена на основе соединений и запорной арматуры, применяемых для систем подачи чистых газов. Фактически такая система и будет относиться к разряду "газовых" систем. Такую систему сложно откачать до высокого вакуума в силу малых диаметров условного прохода. Во-вторых, в некоторых случаях задачу решает использование фланцев ASA-ANSI, разработанных на основе промышленной фланцевой системы с коррекцией по толщине при необходимости – диаметр и количество болтов для этих соединений соответствуют стандартам, рассчитанным на избыточное давление (минимальное для стандарта).

ANSI ASME 16.5 Фитинг газовых систем ASA-ANSI

Первые фланцевые стандарты, ориентированные на использование в вакуумной технике, часто основывались на уже существующих стандартах промышленных трубопроводных соединений. Для адаптации частично устранялись избыточные с точки зрения вакуумной техники параметры, которые обсуждались в п.2.2. Основой являлись фланцы в плоском исполнении, относящиеся к классу с минимальным условным (номинальным) давлением, установленным стандартом. Как правило, при сохранении внешнего диаметра фланцев, расположения и количества болтов (для сохранения совместимости с фланцами "родительского" стандарта), уменьшается толщина фланца до величины, приемлемой для сохранения прочности в условиях перепада давления в 1 атм. Для организации уплотнения один из фланцев снабжается канавкой, в которой размещается уплотнение с прямоугольным или круглым сечением из подходящего эластомерного материала. Второй (ответный) фланец имеет или плоскую поверхность (если кольцевое уплотнение выступает из канавки), или выступ, который должен входить в канавку первого фланца. Герметичность соединения обеспечивается за счет деформации материала кольцевого уплотнения при затяжке соединения. Схематичное изображение соединений приведено на рис.1.

Различие конструкции фланцев, участвующих в соединении, является общим недостатком соединений такого типа. Кроме того, частично сохраняется избыточная материалоемкость соединения.

Одна из старейших фланцевых систем - ASA (п.3.2) является типичным примером адаптации промышленных трубопроводных соединений к специфике вакуумных соединений.

Рис.1.
a) Вакуумное соединение с фланцем с канавкой и фланцем с плоской поверхностью: 1 – фланец с плоской поверхностью глухой; 2 – уплотнение (кольцевое, с круглым сечением (o-ring)); 3 – фланец с канавкой под сварку	б) Вакуумное соединение с фланцем с канавкой и фланцем с выступом. 1 – фланец с выступом глухой; 2 – уплотнение (кольцевое, с прямоугольным сечением); 3 – фланец с канавкой под сварку

Основой для вакуумных фланцевых соединений ASA-ANSI послужил класс фланцев, рассчитанных на условное давление 150 psi (~ 10 бар) ранней версии американского стандарта на промышленные трубопроводные соединения - современная редакция этого стандарта ANSI ASME 16.5, класс 150. В современной редакции этот стандарт имеет более широкий диапазон номинальных диаметров, чем ASA-ANSI. В состав вакуумного соединения ASA-ANSI входят фланец с канавкой под эластичное уплотнение (см. "Материалы уплотнений") и фланец с плоской поверхностью (рис.1а, п.3.1). Фланцы ANSI-ASA имеют меньшую толщину относительно «родительского» стандарта, при сохранении внешнего диаметра, количества и расположения отверстий под болты - для совместимости с фланцами ANSI ASME 16.5. Как и в "родительском" стандарте размеры фланцев ASA-ANSI устанавливаются в дюймах, их классификация осуществляется по диаметру условного прохода в дюймах - от 1” до 12”, соединение фланцев - болтовое. Предельное остаточное давление с уплотнением из витона или нитрила – 1x10^-8 Торр. Основные особенности стандарта ASA-ANSI:

• Отсутствует жесткая стандартизация размеров канавки под эластомерное уплотнение;
• При одном и том же внешнем диаметре фланца диаметр привариваемой трубы может быть больше, чем номинальный диаметр, установленный «родительским» стандартом.

Наибольшее распространение фланцевые соединения получили в Северной Америке (страна происхождения стандарта - США). Большинство компаний из США, специализирующихся на вакуумном оборудовании, в настоящее время, наряду с фланцами современных специализированных стандартов, предлагает широкий спектр фланцев ASA. Кроме того, фланцы ASA производятся азиатскими производителями. По этой причине оборудование с фланцами ASA и сами фланцы завозятся не только из США, но и из Китая и других стран Азии. Оборудование с фланцами ASA можно встретить и на рынке нового оборудования, и в эксплуатации. Тем не менее, вакуумные фланцевые соединения ASA в РФ встречаются не очень часто (в отличие от широко распространенных ANSI ASME 16.5).

Отметим, что фланцы ASA можно использовать при избыточных давлениях, скорректировав толщину фланца до «родительского» стандарта или до толщины, рассчитаной по величине необходимого избыточного давления (подробнее о работе в условиях «вакуум-давление» см. п.2.3).

Также как и ANSI ASA, соединения по японскому стандарту JIS B 2290-1968 состоят из пары различных по конструкции фланцев. Один из фланцев имеет канавку под уплотнение (и называется "фланец VG"), а второй – плоскую уплотнительную (опорную) поверхность (и называется "фланец VF"). Стандартом установлены все размеры фланцев, в том числе и габариты канавки. Фланцы классифицируются по диаметру условного прохода (от 10 до 1000 мм). Соединение фланцев – болтовое, стандарт – метрический. Работа при избыточных давлениях стандартом не предусмотрена.

Соединения широко исполоьзовались в Японии и для поддержания оборудования, находящегося в эксплуатации, внесены в современную редакцию JIS B 2290 в качестве приложения (приложение к JIS B 2290: 2004, см. стр.10-13). Основная часть JIS B 2290: 2004 гармонизирована со стандартом ISO 1609:1986, т.е. использование фланцев VG, VF допускается наряду с современными фланцевыми системами ISO-KF п.5.2, ISO-K, ISO-F п.5.3. В РФ встречаются на оборудовании, завезенном из Японии, наша компания поставляет фланцы VG, VF под заказ.

Стандарт JB919-1975 - отраслевой норматив в Китае, использующийся в машиностроении. Соединение по JB919-1975 состоят из пары различных по конструкции фланцев, один из которых имеет канавку под уплотнение, а второй – плоскую уплотнительную (опорную) поверхность (рис.1а). Соединение фланцев – болтовое, стандарт – метрический. Таблицу основных размеров фланцев по JB919-1975 можно посмотреть здесь. Расположение, количество и диаметр отверстий под болты у ряда (не у всех) фланцев по JB919-1975 соответствуют аналогичным параметрам фланцев соединений ISO-F (п.4.2). В этих случаях можно использовать фланец ISO-F в качестве фланца с плоской поверхностью, а проточив канавку - и в качестве фланца с канавкой. Такой вариант подходит не для всех фланцев по JB919-1975. Изделия с фланцами по стандарту JB919-1975 (чаще всего клапаны и дисковые затворы (пример на рис. справа), реже насосы), выпускающиеся в Китае для внутреннего рынка, завозятся и в Россию (несмотря на то, что у китайского производителя во многих случаях есть версии с присоединительными размерами по современным стандартам).

Еще до кризиса 90-х годов в России начался переход на современные фланцевые системы - в 1974, 1976 г.г. были приняты соответствующие стандарты (см. п.5.2, п.5.3). Кризис 90-х способствовал переходу на новые стандарты: выпуск сложного высокотехнологического оборудования на большинстве количестве предприятий внутри страны прекратился почти полностью. После кризиса большая часть вакуумного оборудования импортировалось и оно уже соответствовало современным стандартам. Немногочисленные новые производства разрабатывали оборудование самостоятельно и использовали современные стандарты - для новых предприятий не существовало проблемы внедрения новых стандартов в серийно выпускающееся оборудование. Единицы сохранившихся предприятий также в основном перешли на новые фланцевые стандарты. Таким образом, в настоящее время в России в подавляющем большинстве случаев используются современные специализированные стандарты (см. п.5).

До 70-80-х годов в Советском Союзе использовался ряд отраслевых стандартов, большинство которых предусматривало конструкцию (фланец с канавкой/фланец с плоской поверхностью) которая вполне аналогична описанной в предыдущих разделах. Фланцы, соответствующие этим стандартам и оборудование на их основе в настоящее время в РФ промышленно не изготавливаются, их можно встретить только на старом оборудовании, которое фактически исчерпало ресурс эксплуатации. При необходимости замены/ремонта старые вакуумные системы или переводятся на новые стандарты, или необходимые компоненты изготавливаются на заказ.

Отметим конструкцию фланцев, соответствующую рис 1б (к сожалению, нам не удалось найти нормативную документацию, хотя ранее приходилось такие соединения использовать). Она интересна тем, что в качестве уплотнения может быть использован не эластомер, а фторопласт - подобные уплотнения известны как "фторопласт в замкнутом объеме". Фторопласт - холоднотекучий материал, т.е. сохраняет текучесть при комнатных температурах, но организация замкнутого объема позволяет эффективно использовать этот материал в качестве уплотнений в вакуумных системах и системах подачи рабочих газов. Если вакуумная система должна работать в условиях воздействия паров агрессивных веществ, такое соединение может оказаться полезным - как альтернатива современным соединениям с уплотнением на основе достаточно дорогих перфторированных каучуков (FFKM) - см. Материалы уплотнений.

В сверхвысоковакуумном оборудовании, импортировавшемся в Советский Союз, уже в 70-80-х годы использовались современные соединения CF (рассмотрены в п.5.4).

Внутри страны вплоть до 1985 г. не существовало единого стандарта на сверхвысоковакуумные соединения, и оборудование изготавливалось на основе отраслевых нормативов и технических условий, наиболее распространеными оказались соединения, изготовленные по ОСТ 11 868.007 и ТУ 7.150.004 (иногда их назвают соединения "зуб-канавка"). Соединения, изготовленные по ОСТ 11 868.007 в настоящее время можно не только встретить на старом оборудовании, но и приобрести новое оборудование с такими фланцами.

Конструктивно соединение по ОСТ 11 868.007 состоит из фланца с зубом (форма зуба – треугольник с углом при вершине 90°), зуб расположен на кольцевой площадке – возвышении (рис.2). Ответный фланец имеет канавку (форма канавки – треугольник с углом при вершине 60°). Прокладка соединения изготавливается из меди и имеет толщину 0,5 мм. Герметичность соединения обеспечивается за счет деформации прокладки в месте соприкосновения «зуба» с краем канавки, а также плоскости площадки-возвышения и опорной поверхности фланца с канавкой. Основные размеры фланцев приведены здесь.

В дополнение к тому, что фланцы соединения "зуб - канавка", участвующие в соединении, имеют различную конструкцию, они достаточно капризны при монтаже и эксплуатации:

• Конструкция фланцев требует изготовления фланцев с очень высокой точностью - даже при небольшом несоответствия размеров зуба / канавки стандарту медное уплотнение может быть или разрезано наскозь, или не обеспечит достаточную деформацию и не позволит обеспечить герметичность;
• Состояние уплотняющих поверхностей (боковой поверхности клина и края канавки, а также плоскости выступа, на котором расположен «зуб») должно быть идеальным, их повреждение с высокой вероятностью приведет к появлению течи в соединении;
• Необходимо внимательно следить за равномерностью затяжки болтов соединения, при неравномерной затяжке в соединении может появиться течь (любое вакуумное соединение требует равномерной затяжки, но в случае соединений "зуб-канавка" необходимо "параноидально" следить за этим).
• При неаккуратной или неквалифицированной приварке трубы возможно коробление фланца, несмотря на то, что в его конструкции предусмотрены «разгрузочные» проточки.

Несмотря на эти особенности, при правильном использовании соединение позволяет получать сверхвысокий вакуум (10^-11 Торр и лучше). Однако современные соединения типа CF (п.5.3) заметно комфортнее, поэтому рекомендуется по возможности заменять соединения "зуб - канавка" на соединения типа CF. Если по каким-либо причинам невозможно полностью перейти на соединения CF, в своей практике мы чаще всего изготавливаем переходник на CF и далее рекомендуем заказчику без необходимости не разбать соединение "зуб-канавка".

На соединениях "зуб-канавка" в советский период изготавливалось значительное количество оборудования (например, установки молекулярно-пучковой эпитаксии, установки для послойного анализа методами Оже-спектроскопии и др.). В настоящее время чаще всего такие соединения встречаются на оборудовании, оснащенном магниторазрядными насосами. Для обеспечения совместимости с оборудованием, находящимся в эксплуатации, ООО «Призма» (г.Искитим) до настоящего времени производит магниторазрядные насосы НМД, НМДО, НМДИ, НМДОИ с фланцами по ОСТ 11 868.007 (насосы доступны также и с фланцами CF).

Рис.2 Схематическое изображение соединения по ОСТ 11 868.007: 1 – фланец с зубом (глухой); 2 – зуб, угол при вершине 90о; 3 – уплотнение (прокладка - медь М0 или М1, толщина 0,5 мм); 4 – фланец с канавкой (глухой); 5 – канавка, угол при вершине 60о

Соединение 7.150.004 состоит из фланца с зубом и фланца с канавкой и по конструкции и принципу уплотнения аналогично ОСТ 11 868.007. Для уплотнения также используется медная прокладка толщиной 0.5 мм. Фланцы 7.150.004 с диаметром условного прохода 50 мм использовались для монтажа ионизационных манометрических преобразователей ПМИ-27 и широко распространенных в нашей стране магниторазрядных манометрических преобразоватиелей с холодным катодом ПММ-32-1. Поэтому ответные фланцы применяются до сих пор, в том числе для изготовления переходника для монтажа ПММ-32-1 к вакуумной системе, построенной на основе одного из современных стандартов. Детальный чертеж ответного фланца можно найти на стр.17, перейдя по этой ссылке. В нашей компании Вы можете приобрести как ответные фланцы к ПММ-32-1 (фланцы с канавкой - глухие или воротниковые), так и фланцы с зубом и уплотнения к ним. Если Вы собираетесь использовать фланец под сварку рекомендуем выбрать воротниковый фланец.

Манометрический преобразователь ПММ-32-1 на фланце 7.150.004 с зубом.

Cоединения CF (п.5.4), лишенные недостатков соединений с зубом / канавкой (но защищенные авторскими правами), стимулировали появление в Советском Союзе соединений, похожих по конструкции. Наиболее распространенным явлется соединение, использовавшееся в сверхвысоковакуумных универсальных установках УСУ-4, УСУ-6, которые несколько лет серийно выпускал экспериментальный завод научного приборостроения (ЭЗНП, с 2002 г. - ФГУП ЭЗАН), расположенный в г. Черноголовка. Соединение состоит из двух одинаковых фланцев, но клин имеет больший угол относительно плоскости фланца, чем в соединении CF (и оказывается более узким при приблизительно одинаковой высоте). Герметичность обеспечивается за счет деформации медной прокладки, как и в соединениях CF. В целом соединение имеет достаточно удачную конструкцию, позволяет обеспечить высокую герметичность и не менее удобно в эксплуатации, чем соединение CF. Однако фланцевая система не получила дальнейшего распространения вследствие кризиса 90-х годов. Размеры фланцев и прокладок заметно отличаются от аналогичных размеров компонентов CF. Несовместимости с современными фланцевыми системами существенно затрудняют эксплуатацию оборудования с такими соединениями – уплотнительные прокладки и фланцы в настоящее время не производится, а штучная поставка (изготовление) под заказ часто бывает обременительной по стоимости. Современные гермовводы, фланцы с окнами и другие компоненты могут быть присоединены только через переходник. В результате количество единиц оборудования с такой фланцевой системой, находящихся в эксплуатации, быстро уменьшается. Еще можно встетить объявления о продаже установок УСУ-4, УСУ-6 - но перед их приобретением или попыткой использования надо хорошо понимать проблемы эксплуатации.

В настоящее время в вакуумных приложениях используются три фланцевые системы для вакуумного оборудования: ISO-KF (для соединений с эластомерным уплотнением с диаметром условного прохода ДУ(DN) до 50 мм включительно), ISO (ISO-K и ISO-F) - для соединений с эластомерным уплотнением с ДУ(DN) 63 мм и более, и CF (сверхвысоковакуумные уплотнения). Стандарты на эти соединения с небольшими вариациями, не затрагивающими основные размеры, приняты во всех развитых странах, и производители вакуумного оборудования придерживаются этих стандартов. Компоненты соединений этих стандартов, приобретенные у разных производителей, совместимы. Одним из основных достоинств перечисленных соединений является одинаковая конструкция фланцев, участвующих в соединении.

Кроме того, для больших диаметров (более 400 мм) для сверхвысоковакуумных соединений иногда используются фланцы COF (но эти соединения не стандартизированы на международном уровне).

Стандартом, ставшим для большинства стран основой для формирования национальных стандартов на вакуумные соединения на основе эластомеров с небольшими ДУ(DN) (10, 16, 25, 40, 50 мм), является ISO 2861/1 (первая редакция стандарта была принята в 1974 году, последующие редакции – ISO 2861:2013, ISO 2861:2020). Ниже перечислены некоторые национальные стандарты на основе ISO 2861/1:

• DIN 28403 (Германия)
• GB/T 4982-2003 (Китай)
• СТ СЭВ 298-76, принят в качестве государственного стандарта СССР с 01.01.79 г. (РФ)

Устоявшиеся наименования для фланцев такого типа: «фланцы ISO-KF» или «фланцы KF». Стандарт ISO 2861/2 на аналогичные соединения с использованием накидной гайки не получил дальнейшего развития и не вошел в последующие редакции. Основные типы фланцев - глухие и под сварку.

ISO 2861/1 устанавливает размеры компонентов соединения (рис.4): фланцев, центрирующих и уплотнительных колец. Совмещение фланцев при сборке соединения обеспечивается центрирующим кольцом, а уплотнение соединения – эластомерным кольцевым уплотнением круглого сечения (o-ring), фиксирующимся на центрирующем кольце. Герметичность соединения обеспечивается за счет деформации эластомерного уплотнения при затяжке соединения. Оба фланца соединения одинаковы, отличительной особенностью фланцев ISO-KF являются скошенные под 15° внешние поверхности фланцев. Затяжка соединения осуществляется чаще всего с помощью накидных шарнирных хомутов различной конструкции (по терминологии СТ СЭВ 298-76 – «зажимных колец»), что обеспечивает быструю сборку/разборку соединения без применения инструментов. Реже используются односторонние струбцины или монтажные полукольца. Предельное остаточное давление для соединений на основе фланцев ISO-KF – 1x10^-8 Торр.

Рис.4. Схематическое изображение соединения ISO-KF по ISO 2861/1: 1 – уплотнительное кольцо (o-ring); 2 – фланец ISO-KF; 3 – центрирующее кольцо; 4 – хомут («зажимное кольцо»)

В первой редакции ISO 2861/1 было стандартизировано 4 номинальных диаметра условного прохода: 10, 16, 25, 40 мм, позднее (в 2013 г.) в стандарт был добавлен ДУ(DN) 50 мм. В дополнение к этому стандарту производители вакуумного оборудования из США разработали серию фланцев KF с DN 63, 80, 100, 160, 200 мм. Европейского стандарта фланцев на эти диаметры пока нет, но центрирующие кольца с уплотнениями по размерам соответствуют ISO 2861, т.е одинаковы для соединений ISO-K (ISO-F) и KF с DN63 - DN100. Соответствие уплотнений и центрирующих колец ISO 2861 дает некоторые основания называть такие фланцы также «ISO-KF», как и фланцы ISO-KF c ДУ10-ДУ50 для общности (хотя такое название, конечно, не будет вполне корректным до международной стандартизации). На практике фланцы KF с DN63 - DN100 в РФ используются редко, несмотря на меньший вес и отсутствие необходимости использовать инструмент для монтажа. Для затяжки соединений KF с DN63 - DN100 применяются многозвенные хомуты различной конструкции.

Фланцы ISO-KF могут использоваться для организации соединений «металл-металл» с использованием одноразовых прокладок (из мягкого алюминия 6085) с ромбовидным сечением в зоне уплотнения (уплотнение не стандартизовано). Малая площадь контакта прокладки с опорными поверхностями фланцев обеспечивает высокое давление и эффективную деформацию алюминия при затяжке соединения. Для затяжки соединения с уплотнением «металл-металл» используются хомуты, изготовленные из нержавеющей стали.

Фланцы ISO-K, ISO-F с эластомерными уплотнениями используются для вакуумных соединений с диметром условного прохода от 63 до 630 мм. Позволяют обеспечить предельное остаточное давление в системе 10^-8 Торр. К настоящему времени эти соединения стандартизованы на международном уровне, базовым для национальных стандартов на соединения ISO-K, ISO-F является международный стандарт ISO 1609:1986 (к настоящему времени выпущена редакция от 2020 г. - ISO 1609:2020). Некоторые национальные стандарты на основе:

• DIN 28404 (Германия), аналогичен ISO 1609:1986;
• JIS B 2290-1998 (Япония), дополнительно к нормам ISO 1609:1986, допускает использование национального стандарта JIS B 2290-1968 (фланцы VF и VG, см. п.3.3.);
• GB/T6070-2007 (Китай), дополнительно к нормам ISO 1609:1986, допускает использование во фланцах канавок под эластомерный уплотнитель без центрирующего кольца (предыдущая редакция стандарта - GB/T6070-1995);
• ГОСТ Р 52856-2007 (принят взамен действовавших до 01.06.2008 ГОСТ 24934-1981, ГОСТ 24935-1981, а также СТ СЭВ 1355-1978) – имеет статус «модифицированный» по отношению к ISO 1609:1986, однако отличия незначительны.

Отметим, что до 2017 года действовал международный стандарт ISO 3669:1986, устанавливающий размеры прогреваемых фланцев, совместимых с фланцами по ISO 1609:1986. В РФ на основе этого стандарта был принят аутентичный ГОСТ ISO 3669-2014. Однако в новой редакции ISO 3669:2020 редакция от 1986 года признана устаревшей и единственным типом соединений, устойчивым к прогреву при высоких температурах установлены соединения CF (см. п.5.3.). В РФ пока действует старая версия стандарта.

Среди «фланцев ISO» по ISO 1609 различают:

• фланцы ISO-K (глухие, под сварку) - в терминологии ГОСТ Р 52856-2007 - «опорные фланцы» (п. 5.2 ГОСТ), соединяются между собой с помощью зажимов-струбцин или накидных фланцев ISO-F, имеют специальную проточку с «атмосферной» стороны для монтажа струбцин, а также проточку на боковой поверхности для фиксации установочного (стопорного) кольца;
• ISO-F (глухие, под сварку), соединяемые болтами - в терминологии ГОСТ Р 52856-2007 «неподвижные фланцы» (п. 5.1 ГОСТ);
• накидные (монтажные) фланцы ISO-F - в терминологии ГОСТ Р 52856-2007 «накидные фланцы» (п. 5.3 ГОСТ), в комплекте с установочным (стопорным) кольцом используются для соединения фланцев ISO-K.

Стандарт ISO 1609:1986 устанавливает конструкцию вакуумного фланцевого соединения, состоящего из 2-х фланцев, имеющих проточку для установки центрирующего кольца. Центрирующее кольцо укомплектовано уплотнением круглого сечения (o-ring) и обеспечивает выравнивание фланцев по внешнему диаметру. Герметичность соединения обеспечивается за счет деформации кольцевого уплотнения опорными поверхностями фланцев (рис.5). Затяжка соединения в зависимости от типа фланца обеспечивается двухсторонними струбцинами (ISO-K/ISO-K), болтами (ISO-F/ISO-F, ISO-K+ISO-F(монтажный)/ISO-F), односторонними струбцинами (ISO-K/ISO-F). По принципу уплотнения соединение с фланцами ISO аналогично описанным выше соединениям ISO-KF, различается только способ монтажа фланцев.

Рис.5. Фланцы ISO-K, ISO-F и способы их монтажа:
(a) 1 - Фланец ISO-F под сварку 2 - Фланец ISO-K под сварку 3 - Фланец ISO-F монтажный 4 - Уплотнительное кольцо (o-ring) 5 – Центрирующее кольцо (с внешним кольцом) 6 – Установочное (стопорное) кольцо	(б) 1 - Фланец ISO-K под сварку 2 – Двухсторонняя струбцина 3 - Центрирующее кольцо (с внешним кольцом) 4 - Уплотнительное кольцо (o-ring)	(в) 1 - Фланец ISO-K под сварку 2 - Фланец ISO-F под сварку с резьбовыми отверстиями под болты 3 – Центрирующее кольцо (с внешним кольцом) 4 - Уплотнительное кольцо (o-ring) 5 – Односторонняя струбцина

Так же, как и фланцы ISO-KF, фланцы ISO-K могут использоваться для организации соединений «металл-металл» с использованием аналогичных по конструкции металлических прокладок/центрирующих колец, которые также не стандартизованы.

Национальные стандарты, перечисленные выше, не всегда полностью совпадают с ISO 1609, т.к. в них могут или включаться распространенные внутри страны соединения, или в конструкцию соединений вносятся дополнения. Учитывая обилие на российском рынке вакуумных компонентов, импортированных из Китая, интересны особенности стандарта GB/T6070, созданного на основе ISO 1609. Специфика стандарта GB/T6070 заключается в том, что во фланцах, по размерам аналогичных ISO 1609, допускается проточка канавки прямоугольной или трапецевидной формы под эластомерное уплотнение, и в этом случае центрирующее кольцо не используется. Размеры канавки не для всех ДУ соответствуют уплотнению, использующемуся совместно с центрирующим кольцом. В результате, например, при монтаже дисковых затворов с присоединительными размерами по GB/T6070 можно столкнуться с необходимостью подбора уплотнения в канавку. При закупке оборудования и проектировании вакуумных систем это необходимо учитывать.

Сверхвысоковакуумное (до 10^-13 Торр) соединение с медным уплотнением, работоспособное до температур 450-500°С было изобретено инженерами компании Varian (США) и поставлялось под торговой маркой ConFlat. Предварительные стандарты (AVS 3.2-1965, AVS 3.3-1968) без подробного описания конструкции фланцев и уплотнений опубликованы Американским вакуумным обществом (American Vacuum Sosiety) в 1965, 1968 г. Соединение оказалось настолько удачным, что постепенно стало стандартом «де факто» для соединений, рассчитанных на сверхвысокий вакуум и высокие температуры. Позднее за соединением (фланцами) закрепилось наименование CF, а аналогичные конструкции стали основой международных стандартов: ISO/TS 3669-2:2007 (последующие редакции - ISO 3669:2017, ISO 3669:2020). В РФ действует ГОСТ 26526-85 (устанавливает «короткий» по современным меркам ряд ДУ – 16, 40, 63, 100, 160, 200, 250; по ряду второстепенных размеров не аутентичен стандартам ISO, но различия не препятствуют совместимости фланцев). ГОСТ 26526-85 совпадает с принятым ранее стандартом СТ СЭВ 4773-84. В США фланцы CF выпускаются в соответствии со стандартом ASTM E2734 / E2734M - 10(2018) - во фланцах с резьбовыми отверстиями резьба может быть как метрическая, так и дюймовая.

В состав соединения CF входят 2 идентичных по конструкции фланца CF, медная прокладка (толщиной по ISO 3669 - 2 мм, по ГОСТ 26526-85 – 2,2 мм), комплект болтов и гаек (или установочных пластин). Стандартные фланцы CF выпускаются в следующих исполнениях - глухие, под сварку, фланцы-адаптеры и спейсеры (по этим ссылкам можно найти размеры фланцев и 3D модели).

Каждый из фланцев CF имеет клиновидную проточку («клин»). Медная прокладка располагается между «клиньями» двух фланцев CF, и центруется по внешнему диаметру проточкой фланца. Соединение фланцев обеспечивается болтами или шпильками. При затягивании болтов «клин» каждого из фланцев деформирует поверхность прокладки, причем за счет конструкции «клина» деформация уплотнения происходит как в аксиальном, так и в радиальном (к внешнему диаметру фланца) направлении. В результате материал прокладки оказывается запертым в полости, образованной «клиньями» и внутренними поверхностями проточки фланцев. При такой конструкции возможности дальнейшей деформации и или текучести материала прокладки блокированы вплоть до высоких температур. Прокладка используется один раз.

Рис.6. Схематическое изображение соединения CF (соединение не затянуто): 1 – фланец CF; 2 – клиновидная проточка («клин»); 3 – уплотнение (прокладка из OFHC меди)

Фланцы CF по «европейской» классификации (ISO 3669:2020) номинируются по диаметру условного прохода (стандарт метрический), по «северо-американской» классификации (ASTM E2734 / E2734M - 10(2018) и др.) - по внешнему диаметру фланца (O.D.) в дюймах (Таблица 1). Несмотря на классификационные различия, реальные размеры фланцев совпадают, т.е. фланцы CF различных производителей совместимы. В CF фланцах «северо-американского» происхождения резьба во фланцах с резьбовыми отверстиями под болты может быть дюймовой.

Существуют также различия в обозначении некоторых номинальных диаметров условного прохода по ISO 3669 и спецификации некоторых производителей из Азии и Северной Америки. Различия касаются трех диаметров условного прохода: ДУ (DN) 40, 75 и 160 по ISO 3669. Эти ДУ (DN) могут соответствовать ДУ35, ДУ80 и ДУ150 соответственно. Фланцы с обозначением CF35, и CF40, CF75 и CF80, CF160 и CF150 попарно одинаковы, в классификации по нашему каталогу допускаются оба варианта написания.

ДУ (DN), мм	10	16	25	40 (35)	50	63	80 (75)	100
O.D., дюйм	1”	1⅓"	2⅛"	2¾"	3⅜"	4½"	4⅝"	6"

ДУ (DN), мм	125	160 (150)	200	250	275	300	350	400
O.D., дюйм	6¾"	8"	10"	12"	13¼"	14"	16½"	18½"

COF – сверхвысоковакуумные соединения больших диаметров (диаметр условного прохода (DN) фланцев от 400 мм до 800 мм). По функциональному назначению являются аналогом соединений CF. Соединения COF состоят из двух фланцев различной конструкции ("M" - male и "F" - female), а уплотнение обеспечивается с помощью отожженного кольцевого медного уплотнения круглого сечения (рис.7). Медное уплотнение – одноразовое. Фланцы соединятся с помощью комплекта болтов. Предельный вакуум до 10^-12 Торр, максимальная температура прогрева - 300°С. Единых международных стандартов пока нет – поэтому есть риск несовместимости фланцев, приобретенных у разных производителей. Основные размеры фланцев COF и их 3D модели можно найти на страницах каталога.

При затягивании соединения медное уплотнение деформируется, заполняя замкнутую полость, образованную клиновидными проточками фланцев. Клиновидные проточки обеспечивают давление на уплотнение и в аксиальном, и в радиальном направлении. В затянутом состоянии деформированное уплотнение не имеет возможностей для дальнейшей деформации или текучести (как и в соединениях CF), в том числе при высоких температурах. К недостаткам соединений COF относится различная конструкция фланцев, участвующих в соединении.

Действующий в РФ ГОСТ 26526-85 устанавливает размеры для соединений и фланцев COF с двумя DN - 400 и 630 мм (обозначение "COF" в ГОСТ не упоминается, однако к настоящему времени это название стало общепринятым).

Рис.7. Схематическое изображение соединения COF (по мотивам ГОСТ 26526-85, соединение не затянуто): 1 – Фланец тип F ("female"); 2 – Кольцевое медное уплотнение круглого сечения; 3 – Фланец тип M ("male")