Сильфонные компенсаторы

Компенсатор – специальное инженерное устройство для возмещения или уравновешивания влияния различных факторов на работу системы, машины или механизма. Трубопроводные системы с постоянной рабочей средой, как правило, подвергаются воздействию температурных расширений и давления, различного рода вибрациям, а также оседанию фундамента. Для устранения подобных негативных воздействий необходима установка гибких элементов, которые будут способствовать компенсации вибраций и предотвращению повреждений трубопроводных систем. Компенсаторы являются оптимальным решением в случаях, когда система трубопроводных линий не способна естественным образом компенсировать воздействие различного рода вибраций и температурных расширений. В этих случаях компенсатор берет на себя функцию гибкого звена в трубопроводной системе, снимая негативное воздействие вибраций и температурного расширения в трубопроводах во время эксплуатации.

Основной частью сильфонного компенсатора является сильфон - упругая гофрированная металлическая оболочка, обладающая способностью растягиваться, изгибаться либо сдвигаться под действием перепада температур, давления и другого рода изменений. Сильфон компенсатора производится как из одного, так и из нескольких слоев нержавеющей стали. Количество и толщина витков на сильфоне зависят от рода и типа вибраций, которые предстоит компенсировать, а также от силы давления, которой будет подвергнут компенсатор. Сильфоны современных компенсаторов состоят из нескольких тонких слоев нержавеющей стали, которые формируются при помощи гидравлической или обычной прессовки. Производство многослойных компенсаторов позволило решить проблему соотношения толщины материала и гибкости сильфона. Срок эксплуатации компенсатора напрямую зависит от толщины используемого материала - чем толще материал, тем меньше срок эксплуатации. Многослойные компенсаторы сохраняют необыкновенную гибкость сильфона при необходимой толщине материала. Для того чтобы достичь наибольшей гибкости компенсатора, сильфон производится из довольно тонкого материала. Способность компенсировать механические и температурные расширения и вибрации, возникающие в процессе эксплуатации трубопроводных систем, напрямую зависит от гибкости сильфона, поэтому гибкость является неотъемлемым элементом компенсатора.

Стальные сильфонные компенсаторы изготавливаются со следующими параметрами:

Условный диаметр от 40 до 6000 мм.

Температура: От -270ºC до +600ºC.

Давление: От абсолютного вакуума до 100 бар.

Между собой они различаются по таким параметрам как размеры, давление и типы смещений в трубе (осевые, сдвиговые и угловые). На основании данного критерия компенсаторы выделяют осевые, сдвиговые, угловые (поворотные) и универсальные.

Проточная проводящая среда в трубопроводных системах часто провоцирует возникновение различного рода вибраций, которые являются результатом многих факторов, например:

1. Температурные расширения
2. Давление
3. Вибрации
4. Смещения
5. Оседание фундамента
6. Вибрации, вызванные иными элементами трубопроводных систем

Давление.

Проектирование элементов сильфона частично зависит от давления, применяемого в трубопроводе. Важно знать проектное, рабочее и пробное давление, которому будет подвергаться сильфон. Давление должно обязательно приниматься в учет при расчете толщины сильфона, а также соединений компенсатора. Чем выше давление, тем толще должен быть материал сильфона. Обычно этот элемент проектируется для эксплуатации при более высоком давлении, чем проектное или рабочее давление, за исключением условий испытаний, когда давление испытаний должно быть в 1,5 раза больше рабочего давления. В этой ситуации сильфон имеет более высокое номинальное давление, чем должно быть для использования. На рис. 3 показан эффект действия давления на нитки сильфона, пытающегося разорвать сильфон в продольном направлении и по окружности.

Реактивные силы – силы, представляющие собой основу для определения крепежных систем, направляющих и т.п. в трубопроводных системах.

Реактивная сила, обозначенная (Fs), относится к компенсатору с внутренним давлением. Давление равняется эффективной площади умноженной на рабочее давление (Pd). В то же время надо учитывать возможные смещения сильфона (Fa), равные постоянному коэффициенту жесткости (fw) умноженному на смещение (ex).

Суммарная сила вычисляется согласно нижестоящей формуле:

(Fx) = Fs + Fa = Dm2×TT/4×Pd+fw×ex

Пример вычислений

Пример содержит следующие параметры:

DN 76,1 мм (диаметр трубы)

Давление: 8 бар

Пост. коэффициент жесткости: 230 N/mm

Смещение: 18 мм осевое

Fs = (76,1 -(2 x 1,6))2 × TT/4×0,8 = 3337 N

Fa = 18 × 230 = 4140 N

Fx = 3337 + 4140 = 7477 N

Соответственно, труба должна удерживать нагрузку, равную 7500 N/ 750 кг.

Смещения.

Для определения смещений, образующихся в трубопроводной системе во время ее эксплуатации, необходимо определить удлинение трубопроводной системы, которое рассчитывается при помощи формулы:

ΔL= L×Δt×α

где

ΔL - удлинение (мм)

L - длина трубы (м)

Δt - разница температур (ºС)

α - коэффициент удлинения материала трубопровода (мм/м x ºC)

Коэффициенте расширения нержавеющей стали равен

0,0163 мм/ (м × ºC).

Пример вычислений

Вычисления основаны на 15-ти метровой трубе, имеющей температурные колебания от 10ºC до 85ºC.

Температурное удлинение будет равно:

ΔL = 15×(85-10)×0,0163 = 18,3 мм.

Соответственно во время эксплуатации труба будет иметь удлинение равное 18,3 мм.

Компенсирующая способность.

Для того чтобы точно рассчитать компенсационные свойства компенсатора необходимо знать силу жесткости. Коэффициент жесткости обеспечивает сопротивление системы абсолютно таким же образом, как и сжимающаяся и распрямляющаяся пружина. Для того чтобы уменьшить силу жесткости и соответственно предотвратить повреждение компенсатора, ограничивается сила в крепежных системах.

Уровень силы жесткости определяется при помощи коэффициента жесткости компенсатора. Приведенный пример иллюстрирует уровень коэффициента жесткости компенсатора, установленного в 600-миллиметровой трубе. Осевой коэффициент сжатия - 275 N/мм. Если компенсатор отклоняется на 20 мм в осевом направлении, коэффициент жесткости, Kж будет равен:

Kж= 275 x 20 = 5500 N (приблизительно 560 кг)

Всегда важно помнить, что сильфон - живая конструкция, которая изменяет форму в зависимости от усилий, прикладываемых к нему. При известных факторах, таких как температура и коэффициент 6 теплового расширения материала трубы можно рассчитать перемещение, воспринимаемое сильфоном. На рис.3 показано, как простой осевой сильфон перемещается в двух направлениях в зависимости от того, растягивается или сжимается трубопровод при изменении температуры, на рис.4 показана работа шарнирного сильфонного соединения изгиба трубопровода и схема опор.

Перемещение, вызываемое внешней физической силой, обязательно должно учитываться, так как оно может быть первым источником перемещения. Например, длинный трубопровод, смонтированный вдоль палубы судна, которая может прогибаться и давать осадку, или трубопровод, построенный в условиях вечной мерзлоты.

Вибрация.

Вибрация в трубопроводе, причиной которой могут быть компрессоры, насосы или другое встроенное в трубопровод оборудование, должна быть учтена, а в некоторых случаях сильфоны используются там, где присутствует и вибрация, и тепловое расширение, - например, в соплах турбин могут иметь место и машинная вибрация, и тепловое расширение горячих турбинных корпусов. Вид вибраций определяется их частотой и коэффициентом колебаний. Вибрации являются важным параметром при расчетах, потому как срок эксплуатации сильфона может быть существенно сокращен, если сильфон не был спроектирован с учетом существующих вибраций.

Расчетная температура.

Необходимо знать точную максимальную, минимальную и установочную температуру. Перепад температур также является важным фактором, поскольку оказывает существенное влияние на компенсационные свойства, и, соответственно, срок эксплуатации сильфонного компенсатора. Выбор материала также зависит от температуры, поскольку компенсатор должен выдерживать необходимые температуры. Температурные колебания могут выражаться в линейном расширении компенсатора, которое определяется следующим образом:

X = L×(T1-T2)×H/100

где X - удлинение

L - расстояние между пунктами закреплений

T1 - максимальная температура в трубопроводной системе

T2 - минимальная температура в трубопроводной системе

H - коэффициент расширения материала трубопровода

Пример вычислений:

Расстояние между пунктами закрепления составляет 90 м. Максимальная температура равна 170ºC. Минимальная температура -2ºC. Коэффициент расширения нержавеющей стали равен 1,72. Необходимое осевое расширение Х, таким образом:

X= 90×(170+2) × 1,72 = 266,25 мм

Расширение трубы может быть вычислено из расчетной температуры, что в последствии дает основу для вычислений расширения компенсатора.

Монтаж.

При монтаже сильфонных компенсаторов следует избегать скручивания и изгибающих относительно продольной оси изделия нагрузок. Не допускается их провисание от собственного веса, нагружение моментами или силами от собственного веса труб, арматуры и механизмов. Металлические, резинокордовые и тканевые компенсаторы не должны краситься, так как растворители могут разрушить материал сильфонов.

Установка компенсаторов должна проводиться на расстоянии 4D от направляющей скользящей опоры, где D - диаметр трубы. Расстояние между первой и второй направляющей скользящей опорами не должно превышать 14D, расстояние между остальными направляющими скользящими опорами не может превышать 21D. Когда требуется стабилизация труб, расстояние может быть уменьшено. Компенсаторы, снабженные внутренними втулками, должны быть смонтированы с учетом правильной ориентации по отношению к направляющему потоку. До проведения гидроиспытаний необходимо обратить особое внимание на отсутствие таких повреждений тонкостенных сильфонных компенсаторов, как вмятины, следы от сварки, забоины и задиры.