Что такое податливость сильфонного компенсатора
Сильфонные компенсаторы: эффективная компенсация теплового расширения труб
Сильфонные компенсаторы представляют собой специальные приспособления, предназначенные для компенсации изменения длины участка трубопроводной конструкции. К изменению длины может привести некорректная установка системы или влияние температуры. Их необходимо устанавливать на всех трубопроводах с риском теплового расширения.
Сильфонные компенсаторы — что это такое?
Компенсаторы с сильфоном используются в различных областях деятельности человека. Наиболее широко они распространены в сфере энергетической промышленности, металлургии, на предприятиях по нефтепереработке и в сфере ЖКХ.
Установка сильфонных компенсаторов на трубопроводах нужна для компенсации температурного расширения. Поэтому они необходимы при монтаже полиэтиленовых систем (при помощи фланцевого соединения) из-за наибольшего коэффициента температурного расширения материала. При этом у стальных изделий этот параметр имеет наименьшие показатели.
Кроме исключения деформации трубы при температурном расширении, эти изделия выполняют другие важные функции.
Во-первых, они защищают трубопровод от механических повреждений. Во-вторых, позволяют скомпенсировать монтажные нюансы и недочеты, допущенные при прокладке трубопроводной системы. В-третьих, они используются для гашения вибраций, возникающих при движении среды в системе и от работы подсоединенного оборудования. В-четвертых, компенсаторы нужны для обеспечения требуемых параметров герметичности в транспортных трубопроводах.
Еще одна функция сильфонных компенсаторов — возможность применения этих изделий в качестве соединительного элемента труб разного сечения.
Технология изготовления и технические характеристики сильфонных компенсаторов
Сильфон (сильфонная гофротруба) — самая важная часть в конструкции компенсатора. Она изготавливается из нержавеющей стали с повышенными прочностными характеристиками. Вспомогательные элементы сильфонных компенсаторов выпускают из углеродистой стали.
Преимущества сильфонов из нержавейки:
Изготовление сильфона осуществляется в два этапа. Сначала тонкостенный листовой прокат вальцуется и сваривается продольным швом для получения цилиндра. Затем, на нем формируется гофрированная поверхность. Стенки сильфона делают многослойными с целью получения максимальной гибкости трубки. В итоге изделие хорошо сопротивляется высокому давлению, не теряя гибкости.
Принцип действия сильфонного компенсатора
Для понимания принципа работы сильфонного компенсатора необходимо усвоить, что температура рабочей среды всегда одинаковая, а вот температура окружающей среды может меняться. Температурные перепады приводят к сужению (при низких показателях среды) или расширению (при повышении температуры) трубы. Это плохо отражается на коммуникации и способно привести к разгерметизации системы.
Установка сильфонных компенсаторов на газопроводах и других трубопроводах позволяет нейтрализовать воздействие деформаций и избежать потери эксплуатационных свойств коммуникации. Принцип действия устройства основан на препятствии передачи дополнительных усилий, образующихся при сужении/расширении на конкретном участке, дальше по трубе. Он позволяет огородить систему от деформаций, локализовав их на определенном участке.
Стоит помнить, что, при повышении температуры, происходит расширение трубы как в горизонтальном, так и в вертикальном направлении. Поэтому очень важна корректная фиксация скользящих и статичных участков трубопровода.
Обозначение сильфонного компенсатора на чертежах
Разновидности сильфонных компенсаторов
Существует множество типов сильфонных компенсаторов, используемых для монтажа на трубопроводах в зависимости от стабилизируемой нагрузки. Их классифицируют по следующим параметрам:
Осевой
Такие изделия устанавливаются на прямых участках трубопровода между статичными опорами. Они применяются для стабилизации осевых деформаций и монтируются сварным способом.
Наиболее распространенные ошибки при монтаже сильфонных осевых компенсаторов:
Если внимательно отнестись к выбору осевого компенсатора и провести правильный монтаж изделия, он прослужит длительное время без замены на новый.
Установка фланцевого компенсатора на трубе
Фланцевый
Фланцевые компенсаторы — наиболее распространенный тип изделий, применяемый для стыковки труб с помощью фланцев. Они позволяют создать разъемное соединение и стабилизировать нагрузки в осевом направлении.
Компенсаторы этого типа отличаются высокой термоустойчивостью, надежностью и сопротивляемостью к статическим и динамическим нагрузкам. Применяются в трубопроводных системах, транспортирующих среду с температурой до 250С.
Угловой
Угловые сильфонные компенсаторы устанавливаются на поворотах трубопроводов. Могут иметь разный угол и помогают скомпенсировать усилия среды, возникающие на повороте трубы. Они оснащаются особым шарнирным элементом, определяющим характер перемещения устройства.
Угловые изделия способны передвигаться лишь в одной плоскости (без осевых изгибов). Шарнирная конструкция защищает сильфон от скручивания.
Карданный
Карданные сильфонные компенсаторы могут перемещаться в любой плоскости, благодаря наличию двух шарнирных элементов. Это позволяет им также перемещаться в осевом направлении.
Сдвиговый
Сдвиговые осевые компенсаторы устанавливаются в тех местах, где возможно появление усилия, способного привести к взаимному сдвигу отдельных частей трубопровода. Самое частое место монтажа — на входе трубопроводной системы в сооружение. При таком расположении компенсатор защищает коммуникации от деформации и возможных аварий.
Также эти устройства используются для стабилизации монтажных ошибок при прокладке трубопровода. Они имеют в своей конструкции два сильфона, из-за чего их также называют двухсекционными компенсаторами.
Существует специальный стартовый сильфонный компенсатор, обладающий защитным кожухом из двух частей, но считающийся осевой моделью устройства.
Характеристика и назначение сильфонного компенсатора
Сильфонные компенсаторы изготавливаются из нержавеющей стали одно- или двухсекционными. Они имеют специальный кожух, защищающий сильфон от внешних воздействий и механических повреждений.
Обозначение сильфонного компенсатора на схемах.
Для повышения герметичности и теплоизоляции узла используются полиуретановые прокладки (ППЦ), а для гидроизоляции — полиэтиленовые или оцинкованные вкладки. Оцинкованный вариант гидроизоляции подходит для систем, расположенных на поверхности земли, а полиэтилен подойдет для трубопроводов, смонтированных закрытым методом.
Сильфонные компенсаторы имеют обширную сферу эксплуатации:
Они монтируются на разных участках трубопровода в зависимости от назначения устройства. Их устанавливают в местах стыка труб, а также при подсоединении различного оборудования к системе.
Использование сильфонных компенсаторов особенно важно в многоэтажных зданиях, где требуется уменьшение нагрузок на горизонтальные отводы между этажами.
Порядок установки
Сильфонные компенсаторы устанавливаются на трубопровод одновременно с монтажом труб. При этом необходимо четко следовать проекту и соблюдать габариты, не допускать применения нагрузок. Корпус устройства маркируется специальной стрелкой, указывающей направление перемещения рабочей среды в трубопроводе.
По типу подсоединения к коммуникационным системам различают компенсаторы фланцевые, муфтовые или приварные.
При монтаже сильфонного компенсатора на трубопровод следует соблюдать определенную последовательность:
Монтаж осуществляется в соответствии с руководством завода-производителя без прикладывания скручивающих и изгибающих нагрузок.
Компенсатор подбирается исходя из расчетов линейного расширения труб, их параметры должны соответствовать проектным расчетам. Между двумя неподвижными креплениями допускается устанавливать только один компенсатор.
Преимущество применения сильфонных компенсаторов:
Устойчивость трубопроводов с осевыми сильфонными компенсаторами
Е.В. Кузин, директор, ООО «АТЕКС-инжиниринг», г. Иркутск;
В.В. Логунов, заместитель генерального директора,
В.Л. Поляков, главный конструктор проектов по теплосетям,
ОАО «НПП «Компенсатор», г. Санкт-Петербург
Расчет в ПО «СТАРТ» не позволяет судить об устойчивости трубопровода, тем более что, при создании расчетной схемы проектировщики применяют идеальную модель трубопровода – не содержащую отклонений и деформаций, а это как мы покажем далее – необходимый фактор возможной потери устойчивости реального трубопровода.
На текущий момент, раздел проверки на устойчивость всех нормативных документов РФ по расчету теплопроводов содержит ограничения, не допускающие применение приводимой в документе методики при расчете трубопровода со значительными отклонениями от линейности (участки самокомпенсации), а также не допускающие расчет трубопровода с любыми осевыми компенсаторами – т.е. рассматривается некий теоретический прямолинейный трубопровод, зажатый между двумя неподвижными опорами, и не имеющий компенсации температурных деформаций вообще.
В данной статье авторы предложат подробную методику для проверки трубопровода с осевыми компенсаторами на устойчивость.
Применение осевых компенсаторов, нарушает сплошность трубопровода и привносит в систему силы, «распирающие» трубопровод в осевом направлении, практически не зависящие от температурной деформации. Если теряет устойчивость сплошной трубопровод, то происходит боковое отклонение участка с наименьшей устойчивостью от начального положения оси трубопровода. При этом трубопровод отклоняется на величину ограниченную температурным удлинением трубопровода. В случае же потери устойчивости трубопровода с осевым компенсатором отклонение трубопровода от его начального положения продолжается до полного растяжения компенсатора или до состояния, при котором распорное усилие компенсатора уравновешивается сопротивлением растяжению (возможно при небольших диаметрах или малых давлениях среды).
Рис 1. Потеря устойчивости трубопровода без компенсатора, и потеря устойчивости трубопровода с осевым компенсатором. Направляющие опоры условно не показаны.
При оценке устойчивости трубопроводной системы следует различать устойчивость трубопровода и устойчивость собственно сильфонного компенсатора.
Устойчивость сильфонного компенсатора разделяется на два типа:
— осевая (продольная) устойчивость. – устойчивость компенсатора как гибкого сжимаемого стержня. При потере устойчивости происходит изгиб продольной линии компенсатора. Чем больше компенсирующая способность сильфона и его длина, тем более жестким он должен быть. Чем больше эффективная площадь сильфона – тем более жестким должен быть компенсатор.
— локальная устойчивость (устойчивость в плоскости гофров) – при потере локальной устойчивости происходит изгиб или поворот плоскости гофра таким образом, что плоскость этих гофров больше не является перпендикулярной оси сильфона. Чаще всего это встречается у сильфонов с относительно маленьким отношением длины к диаметру при большой высоте гофра.
Рис 2. Потеря локальной устойчивости сильфонным компенсатором. (Испытания).
Устойчивость собственно сильфона при нормальном перемещении его патрубков должен обеспечить завод-изготовитель. Нормальное перемещение патрубков компенсатора и устойчивость трубопровода должен обеспечить проектант своим проектным решением.
Обычно, в основе проверки на устойчивость лежит уравнение критической силы Эйлера.
(1)
E— модуль упругости
I – момент инерции сечения
Отдельно стоит остановиться на коэффициенте приведения длины μ, тем более что конструкция компенсатора и направляющих опор оказывают непосредственное влияние на этот параметр.
Осевые сильфонные компенсаторы по конструкции можно разделить на три типа.
Расчетная схема реального горизонтального трубопровода стабилизируемого боковыми силами трения или веса трубопровода, не может относиться к классической задаче устойчивости, а рассматривается авторами как продольно-поперечный изгиб. Т.к. если начальный прогиб отсутствует то и прогиб стабилизированного силами трения трубопровода невозможен, но в то же время начальный прогиб трубопровода определяет значение критического сжимающего усилия. Решение сводится к нахождению осевого сжимающего усилия, момент, от действия которого на начальный прогиб трубопровода превысит стабилизирующий момент от действия боковых сил.
На участке трубопровода установлен простой сильфонный компенсатор или СК с защитным кожухом без направляющих опор, такую систему следует рассматривать как стержень изгибаемый сосредоточенной силой, приложенной к свободному концу. При такой схеме применения решающим фактором будет являться не устойчивость системы, а жесткость трубопровода на изгиб. Система может находиться в равновесном состоянии только в случае если сумма жесткости консольно закрепленного трубопровода и жесткости компенсатора на сдвиг, превышает боковые усилия сильфонного компенсатора при возможной несоосности – т.е. может применяться при очень малой длине трубопровода, большом моменте инерции сечения трубопровода (большом диаметре) или низком внутреннем давлении трубопровода.
При появлении в системе небольшого эксцентриситета вектор распорного усилия сильфона отклоняется от оси трубопровода и создает боковое усилие, увеличивающее изгиб трубопровода и еще больше отклоняющий вектор распорного усилия. Возникает замкнутый цикл. Боковые силы такого рода не зависят от температурной деформации и уравновесятся только при растяжении сильфонного компенсатора (разрыв многослойного компенсатора при давлениях не превышающем 1,5 Ру – невозможен).
Рис. 3,4,5. Изгиб трубопровода с сильфонным компенсатором, установленном по схеме 1. На рис.5 изображен разрыв однослойного компенсатора – крайне неустойчивой и ненадежной конструкции для тепловых сетей.
НА приведенных выше фотографиях показаны два случая потери устойчивости трубопровода – в первом случае участки трубопровода слева и справа от компенсатора изгибаются разнонаправлено, во втором случае – изгиб участков происходит в одном направлении.
Рис.6 Изгиб консольно закрепленного трубопровода распорным усилием, отклоняющимся от оси трубопровода.
Система может находиться в равновесии в том случае, когда суммарная жесткость трубопровода на изгиб и жесткость компенсатора на сдвиг окажется больше, чем возникающее боковое отклоняющее усилие. При этом следует понимать, что при сдвиге патрубка компенсатора на определенную величину угол отклонения распорного усилия будет больше угла изгиба трубопровода пропорционально длинам компенсатора и трубопровода.
Учитывая, что на практике трубопровод всегда имеет изначальный эксцентриситет, необходимо задать некоторое граничное условие.
Известно [1], что прогиб консольно закрепленной балки при действии сосредоточенной силы определяется как:
(2)
В тоже время боковая сила от изменения направления осевого усилия сильфона можно рассчитать по формуле:
(3)
Где, а – длина сильфона (без учета длины патрубков).
Жесткость сдвига определяется как:
(4)
Где, λсдв – жесткость сильфона, на сдвиг.
(5)
Рассчитаем распорное усилие компенсатора:
Определим усилие от осевой жесткости компенсатора:
Общее осевое усилие от сильфона:
Зададим величину изгиба b=10мм и проверим критерий равновесия:
*в формулу подставлены значения величины, приведенные к кгс и см.
Вывод – указанная система будет сохранять равновесие. Для указанного трубопровода критерий равновесия нарушится при длине трубопровода равной = 12,836м.
В рассмотренном нами случае, при предельном заданном сдвиге – не более 10мм, на конец трубопровода с сильфонным компенсатором может прилагаться внешнее боковое усилие всего 935 кгс, чего может оказаться недостаточно. При большей величине внешнего бокового усилия – сдвиг превысит заданный предел.
Если же компенсатор установлен посередине участка то длина изгибаемых участков трубопроводов составит половину длины начального участка, а суммарная величина сдвига компенсатора соответственно составит удвоенное значение прогибов трубопроводов.
На участке трубопровода установлен простой СК или СК с усиленным защитным кожухом, с каждой стороны от которого установлены две направляющие опоры. Первая на расстоянии – 2-4Ду, вторая на расстоянии 14Ду. Установка направляющих опор на таком малом расстоянии друг от друга, позволяет определить сжимаемый конец трубопровода с сильфонным компенсатором как крепление, допускающее только продольное перемещение, и не допускающее поворота конца трубопровода. Направляющие опоры в этом случае должны воспринимать только боковое усилие. Вообще можно обойтись и одной направляющей опорой, но она в таком случае должна также допускать только продольное перемещение и не допускать поворота трубопровода. Строительство такой опоры существенно дороже и сложнее чем две опоры, установленные на расстоянии 10-12Ду друг от друга.
Рис 7. Расчетная схема 2.Простой сильфонный компенсатор с двумя парами направляющих опор. Вес трубопровода, скользящие опоры и силы трения не показаны.
Рис. 8. Стабилизирующее действие поперечных сил трения и дополнительной осевой нагрузки от продольных сил трения
Рассмотрим изгибаемый участок трубопровода длиной l от мертвой опоры, до дальней от компенсатора направляющей опоры. На трубопровод действуют продольные силы трения с коэф. a2. Изгибу трубопровода препятствуют силы трения перпендикулярные оси трубопровода с коэф. a1 – рис 8. Наиболее нагруженному состоянию соответствует состояние теплового расширения трубопровода, когда трубопровод «отталкивается» от мертвой опоры преодолевая продольную реакцию трения и сжимающее усилие компенсатора.
Дифференциальное уравнение изгиба для схемы 2 будет иметь вид:
(6)
Аналитическое решение линейного неоднородного диффернциального уравнения четвертого порядка с переменными коэффициентами слишком трудоемкий процесс, поэтому воспользуемся методом Галёркина.
Вводя в в качестве аппроксимирующей кривой целую волну косинусоиды.
(7)
Где, f— амплитуда изгиба;
Придем к уравнению:
(8)
Интегрируя которое, находим значение прогиба;
(9)
Из уравнения (9) найдем критическое усилие;
(10)
Функция Pкр=w(l) в положительной области значений l имеет минимум. Приближенное положение, которого, можно определить по формуле:
(11)
График зависимости Pкр=w(l) имеет вид:
Рис. 9. Зависимость Pкр от L
Также следует обратить внимание на то, что заданный начальный изгиб трубопровода будет относиться в таком случае к критическому участку, а не к участку вообще.
Рис 10. Потеря усточивости трубопровода при длине, превышающей критическу. Продольные и боковые реакции трения условно не показаны.
По формуле (11) рассчитывается критическая длина участка.
Если длина имеющегося участка меньше критической длины, то по формуле (10) определяется значения критического сжимающего усилия для имеющейся длины участка.
Если длина имеющегося участка больше критической длины, то по формуле (10) определяется значения минимального критического сжимающего усилия для участка с длиной lk.
Рассчитываются значения сжимающего усилия от сильфонного компенсатора и силы трения от устойчивой части трубопровода (если длина трубопровода превышает критическую).
Сравниваются значения критического усилия и суммарного сжимающего усилия от сильфонного компенсатора и сил трения устойчивой части трубопровода.
Если действующее сжимающее усилие меньше критического значения – трубопровод устойчив, если сжимающее усилие больше критического значения – трубопровод неустойчив и требует стабилизации установкой дополнительных направляющих опор.
На участке между двумя неподвижными опорами установлено СКУ, направляющие опоры не установлены. Расчетная схема участка рассматривается как сжимаемый стержень один конец, которого закреплен консольно, а второй допускает только продольное перемещение.
Рис. 11. Схема трубопровода с СКУ без направляющих опор. СКУ может быть установлен в любом месте трубопровода.
Боковых отклоняющих усилий СКУ на трубопровод не оказывает т.к. изгиб сильфона внутри устройства невозможен, равно как и изгиб самого устройства.
ВНИМАНИЕ! По схеме 3 без направляющих опор могут устанавливаться только СКУ по ИЯНШ.300260.033ТУ ОАО «НПП «Компенсатор».
Расчет сжимающего усилия от сильфонного компенсатора.
Величина реакции сжатия определяется по стандартной формуле:
(12)
Разница распорного усилия опеределяется как усилие от внутреннего давления, действующая на разницу эффективной площади сильфона и внутреннего сечения трубопровода:
(13)
(14)
Рассчитаем сжимающее усилие от сильфонного компенсатора:
Зададим величину максимального начального изгиба трубопровода в 1м (100см) и рассчитаем критическую длину трубопровода:
Кузин Е.В., Логунов В.В., Поляков В.Л., Устойчивость трубопроводов с осевыми сильфонными компенсаторами
Источник: Журнал «Новости теплоснабжения», № 07 (131), 2011 г., www.ntsn.ru
Коментарии
Алексей Н., Quattroservices International Operations Oy [ 21:04:46 / 06.04.2020]
Добрый день!
Не вполне понятно, исходя из каких критериев задается величина начального изгиба трубопровода.