Сильфонные компенсаторы

Общее описание

      Сильфонный компенсатор представляет одну из разновидностей устройств, препятствующих возникновению повышенного механического напряжения элементов трубопроводов вследствие температурных изменений их линейных размеров, вибраций и гидроударов. Компенсатор является неотъемлемой частью трубопроводных систем, транспортирующих среду с повышенной температурой и давлением. Выбор мест установки компенсаторов и их типов производится на стадии проектирования сети, по результатам расчета режимов ее работы.

     В основе конструкции находится сильфон – тонкостенная гофрированная оболочка, способная выдерживать многократные осевые и угловые деформации.

Интересный факт. Возникновению термина «Сильфон» мы обязаны Уэстону Фултону, метеорологу университета Теннесси. В 1902 году, сконструировав термодинамический прибор, он использовал в нем известную ныне конструкцию, назвав ее «Sylphon», в честь древнескандинавской богини погоды. После этого возникло множество патентов на изобретения, использующие сильфон в самых разных областях техники.

Принцип действия

     Работа трубопроводов систем теплоснабжения сопряжена с температурными колебаниями, обусловленными внешними погодными условиями и изменением режима тепловой сети. В результате колебания температуры, стальные трубы изменяют линейные размеры в осевом направлении (в длину) и в поперечном (в ширину).

     Вследствие того, что трубопровод является жесткой сварной конструкцией, тепловое расширение и сжатие отдельных его участков вызывает возникновение значительных механических усилий по всей его длине. В зависимости от пространственной конфигурации сети, в отдельных местах труба может испытывать нагрузку на сжатие, растяжение, изгиб, сдвиг или кручение.

     Кроме температурного фактора воздействия, трубопроводы испытывают вибрационные нагрузки, вызываемые работой турбинного, насосного и другого оборудования, имеющего вращающиеся элементы. При отсутствии компенсирования этих явлений, деформация отдельных участков может переходить из упругой области в пластичную зону. В результате этого, в наиболее нагруженных участках накапливаются усталостные изменения структуры металла, что приводит к быстрому его разрушению и разгерметизации трубопровода.

     Сильфонный компенсатор, врезанный в трубопровод, способен испытывать значительные упругие деформации благодаря гофрированной конструкции. Усилия, вызывающие расширение и сжатие сильфона, значительно меньше, чем у основной трубы, по этой причине, наибольшие линейные перемещения происходят именно в компенсаторе. Трубы системы, установленные на скользящие опоры, свободно перемещаются по ним в осевом направлении, деформируя компенсатор. Это защищает трубопровод от опасных перегрузок.

      На рисунке 1 продемонстрированы различные виды деформации сильфонного элемента компенсатора, имеющие место при воздействии усилий, возникающих в трубных системах.

а – Исходное состояние элемента в ненагруженном положении,

б – Уменьшение длины элемента в результате приложения внешнего сжимающего усилия,

в – Удлинение сильфона вследствие усилия, направленного на растяжение,

г – Поворот оси сильфона на некоторый угол, вызванный нагрузкой на изгиб,

д – Сдвиговая деформация, вызванная параллельным смещением осей стыкуемых труб.

Технические параметры

      К основным техническим характеристикам данного вида компенсаторов относятся:

• Рабочий ход, то есть рабочая величина осевой или угловой упругой деформации.

• Внутренний диаметр или условный проход.

• Максимальное рабочее давление.

• Допустимая температура эксплуатации.

• Среда, для работы с которой предназначено устройство.

• Скорость перемещения среды в трубной системе.

• Способ соединения с трубопроводом (фланцевый или под приварку).

Основные преимущества

     Широкое применение этих устройств обусловлено целым рядом их преимуществ:

• Небольшие габаритные размеры, позволяющие монтировать их на любых участках трубопроводов, независимо от варианта прокладки.

• Простое обслуживание, отсутствие необходимости оборудовать специальные камеры.

• Продолжительный срок службы, равный периоду эксплуатации трубопровода.

Область применения

     Сильфонные компенсаторы используются в таких областях, как энергетика, металлургия, нефтепереработка, коммунальное хозяйство. Их применение преследует следующие цели:

• Компенсирование температурных расширений элементов трубопроводов.

• Предотвращение механического разрушения труб вследствие деформации.

• Компенсирование ошибок, допущенных в процессе монтажа и приведших к несоосности трубных систем.

• Нейтрализация вибрационных нагрузок, источником которых служит работающее оборудование и поток транспортируемого энергоносителя.

• Обеспечение герметичности транспортных трубопроводов.

• Выполнение соединений труб различного типа и диаметра

Технология изготовления

     Самой ответственной частью конструкции компенсатора является сильфон. Материалом для его изготовления служит нержавеющая сталь, придающая изделию высокую коррозионную и температурную стойкость. Сначала тонкие листы стали свариваются продольно, затем на полученном цилиндре формируются гофры. Для обеспечения максимальной гибкости, стенки сильфона делают многослойными. Такая конструкция увеличивает сопротивление давлению, сохраняя при этом легкость деформирования.

     Остальные элементы конструкции компенсатора, присоединительная и ограничительная арматура, выполняются из углеродистых сталей.

Разновидности

     В зависимости от вида нагрузки, возникающей в месте установки компенсатора, выбирается его вид, рассчитанный на определенный характер деформации упругого элемента. Различают сильфонные компенсаторы следующих видов:

• Осевой.

• Угловой.

• Карданный.

• Разгруженный сдвиговый.

• Стартовый.

      Осевой компенсатор (КСО) устанавливается на прямолинейные участки трубопроводов между двумя неподвижными опорами, промежуточными или концевыми. Он предназначен для компенсирования деформации в осевом направлении.

     Осевой компенсатор обладает высокой надежностью. Все виды отказов данного устройства связаны с неправильным его применением или ошибками, допущенными при монтаже:

• Нарушение инструкции при размещении компенсатора.

• Использование компенсатора в условиях появления несоосности, и как следствие, возникновение повышенных поперечных нагрузок.

• Попадание посторонних предметов или грунта в пространство между гофрами.

• Низкое качество направляющих опор трубопровода, вызывающее просадку и возникновение осевых сдвигов.

• Коррозия сильфонных оболочек, вызванная повышенным содержанием хлоридов в перекачиваемой среде.

     Угловой компенсатор используются для осуществления поворотных перемещений осей трубопроводов. Как правило, он устанавливается в местах изгиба трубопровода или соединения разных трубопроводов под углом. Благодаря характеру деформации компенсатора, его также называют поворотным.

Данный вид компенсаторов оборудуется шарниром (фото 3), позволяющим совершать перемещения только в одной плоскости. Такой шарнир служит защитой сильфона от скручивания. Конструкция углового компенсатора не позволяет ему совершать осевые перемещения.

     Карданный компенсатор совершает угловые перемещения в любой плоскости.

В его конструкцию входят два шарнира в перпендикулярных плоскостях. Этот компенсатор также способен деформироваться в осевом направлении, что обуславливает его широкое применение.

     Сдвиговый компенсатор устанавливается в тех местах трубопроводов, где возможно возникновение усилий, направленных на взаимный сдвиг осей отдельных участков трассы. Одно из типовых применений этого вида компенсаторов – в местах ввода трубопроводов в здания. Эта мера позволяет избежать повреждения труб в результате неизбежной осадки строительных конструкций. С помощью данного компенсатора также возможно соединение участков сети, построенных с взаимным отклонением осей, то есть, компенсирование ошибок монтажа труб.

     Чаще всего, устройства этого типа имеют два сильфонных элемента, разделенных промежуточной трубой, поэтому называются двухсекционными.

     Стартовый компенсатор по конструкции является осевым. Отличие заключается в том, что сильфон покрыт снаружи кожухом, состоящим из двух половин. При осевой деформации, части кожуха движутся друг относительно друга.

     Монтаж стартового компенсатора в предизолированный ППУ трубопровод происходит следующим образом. Ненагруженный компенсатор врезается в трубу. Труба заполняется водой, имеющей температуру 50% от рабочей величины. При этом, температурное расширение труб вызывает осевое сжатие сильфона компенсатора. Температуру воды поддерживают постоянной в течение суток. После этого, две половины кожуха деформированного компенсатора сваривают между собой. Затем соединяют проводники сигнальной системы изолированных труб, после чего корпус стартового компенсатора покрывается изоляцией. Такая процедура проделывается на всех прямолинейных участках между опорами.

     При применении стартового компенсатора теплотрасса эксплуатируется в состоянии предварительного напряжения. Такой способ монтажа имеет ряд недостатков:

• Монтаж может быть закончен только после начала отопительного сезона.

• При производстве ремонта трубопровода, стартовый компенсатор необходимо менять.

Заключение

     Использование компенсаторов является основным решением в мировой практике проектирования различных трубных систем. Сильфонные компенсаторы занимают одно из ведущих мест в ряду устройств аналогичного назначения. Их применение относится к наиболее эффективным методам борьбы с последствиями деформации в трубопроводных системах.