АО «НПП «Компенсатор» уже более 40 лет занимается изготовлением металлических сильфонных компенсаторов и сильфонных компенсационных устройств для различных отраслей промышленности.
Сильфонный компенсатор – устройство, состоящее из одного или нескольких сильфонов, присоединительной и ограничительной арматуры, способное поглощать и уравновешивать относительные перемещения определенной величины и частоты, возникающие в герметично соединенных конструкциях, и проводить в этих условиях газы, пар и жидкости.
Сильфонные компенсаторы применяются в качестве компенсирующих монтажных элементов для поглощения температурных деформаций трубопроводов, транспортирующих горячие и холодные среды, подвижных вводов в напорных резервуарах и т.д. Они также используются для присоединения напорных и всасывающих трубопроводов к агрегатам (насосам, турбинам, компрессорам, двигателям и т.д.), установленным на эластичных опорах, для снижения вибрационных нагрузок.
Сильфон
Основным элементом сильфонного компенсатора, обеспечивающим его функционирование является сильфон. Сильфон – это гибкий элемент компенсатора, представляющий собой упругую цилиндрическую осесимметричную гофрированную оболочку, способную деформироваться со значительными перемещениями торцов от действия осевого, поперечного усилий и изгибающего момента в условиях действия внутреннего (наружного) давления, при этом герметично разделяя проводимую среду от окружающей.
Металлические сильфоны представляют собой тонкостенные патрубки, которые благодаря приданию им гофрированной формы приобретают гибкость, подобно шлангу, и пружинящую способность. Придание соответствующей формы делает исходную жесткую трубу гибкой и одновременно повышает её прочность по сравнению с трубой с одинаковой толщиной стенки. Под действием давления, температуры, силы или момента силы сильфон способен растягиваться, сжиматься, изгибаться или сдвигаться, а также преобразовывать давление в усилие.
Сильфон может состоять из одного или нескольких кольцевых гофров – простейших гибких элементов, расположенных между соседними впадинами.
Форма гофров может быть разнообразной. Как правило, сильфоны изготавливаются с гофрами U-образной формы, в обоснованных случаях – Ω-образной формы, а также с использованием подкрепляющих (армирующих) колец. Общая компенсирующая способность сильфона пропорциональна числу гофров. Пружинящие гофры сильфона компенсируют движение без трения и не нуждаются в обслуживании.
Сильфон может быть однослойным, изготовленным из одной обечайки толщины, достаточной для обеспечения прочности и герметичности компенсатора, или многослойным из двух и более обечаек, собранных в пакет (изготавливается до 20 и более слоев).
Каждый из видов сильфонов имеет свои преимущества и область применения. Возможность применения общей толщины стенок с практически любым количеством слоев и толщиной каждого слоя делает многослойный сильфон пригодным для применения в компенсаторах, эксплуатирующихся в различных условиях, включая экстремальные. Благодаря многослойному строению стенок, достигается большая упругость при малой жесткости изгиба или сжатия. В этом случае многослойный сильфон можно сравнить с многослойной листовой рессорой.
Многослойные сильфоны могут изготавливаться как набором сварных обечаек в пакет необходимой толщины, так и изготовлением двух внутренних и двух наружных слоев из сварных обечаек для обеспечения герметичности сильфона, а промежуточных слоев – их намоткой в рулон для силовой разгрузки сильфона от действия давления.
Преимуществом многослойного сильфона, как показал многолетний опыт и многочисленные испытания, является то, что если по каким либо причинам этот элемент теряет герметичность (коррозия, повреждение при монтаже и т.д.), нет оснований опасаться мгновенного разрушения сильфона. Это особенно важно для систем, работающих под большим давлением. При разгерметизации, которая начинается с внутреннего слоя сильфона в виде поры или небольшой трещины, первоначально происходит протечка незначительного количества среды. Таким образом, место протечки – во всяком случае, до замены компенсатора – не представляет опасности.
Суммарная толщина сильфона для каждого компенсатора, необходимая для обеспечения его устойчивости, определяется как расчетом, так и экспериментальным путем. Основным параметром для определения толщины сильфона наряду с прочностью материала, размеров гофров, диаметром и т.д. является длина гофрированной части. Сильфон, как гибкий элемент, с увеличением длины под действием внутреннего давления становится склонным к продольному изгибу, т.е к потере устойчивости. Это свойство имеет особое значение для осевых компенсаторов, когда для восприятия большого осевого хода требуется сильфон соответствующей длины. Максимальное количество гофров сильфона определяется его способностью при соответствующих геометрических параметрах и давлении проводимой среды противостоять потере устойчивости. Расчеты сильфона выполняются в расчетной программе DIMy-Win Circular Expansion Joints acc. EJMA. Основной задачей расчета сильфона является подбор оптимальных значений количества гофров, их высоты, радиусов, шага, толщины и количества слоев сильфона для обеспечения его устойчивости при заданных значениях давления, а также подтверждения значений жесткости, компенсирующей способности и назначенной наработки. Окончательные параметры сильфонов уточняются по результатам предварительных и приемочных испытаний опытных образцов сильфонных компенсаторов.
Важной технической характеристикой сильфона является его жесткость. В соответствии с ГОСТ 25756-83 жесткость – это сопротивление силе в сильфонном компенсаторе, необходимой для достижения сдвига, осевого или углового хода. Жесткость сильфона зависит от высоты гофров и их количества, а также от толщины одного слоя сильфона и их количества.
Типы металлических сильфонных компенсаторов
В зависимости от назначения, вида воспринимаемых нагрузок и условий эксплуатации применяются различные комбинации сильфонов, присоединительной и ограничительной арматуры, направляющих патрубков и защитных кожухов.
Присоединительная арматура – устройство (деталь), которое обеспечивает герметичное соединение сильфона с трубопроводной системой, т.е. установку компенсатора в трубопроводную систему. Возможны следующие типы установки:
- неразъёмное соединение (патрубки под приварку), при котором компенсатор сваривается с трубопроводом;
- разъёмное соединение, при котором компенсатор соединяется с трубопроводом фланцами, бугелями и т.п.;
- комбинированное соединение, при котором один конец компенсатора сваривается с трубопроводом, а другой соединяется фланцем.
Ограничительная арматура – устройство, состоящее из деталей и узлов, предназначенных для восприятия распорного усилия от действия внутреннего (наружного) давления, и ограничивающее одну или несколько степеней свободы перемещения (деформации) гофров сильфона. Наиболее распространенными видами являются жесткие и гибкие тяги, одноплоскостные шарниры, шарниры Кардана, вилки, оси и т.п.
Направляющий патрубок – устройство, минимизирующее возможность контакта между внутренней поверхностью сильфона и средой протекающей через него.
Направляющие патрубки применяются для снижения гидравлического сопротивления в компенсаторах трубопроводов, где скорость потока более 6 м/с для жидких сред и более 30 м/с для газообразных сред, для снижения влияния температуры проводимой среды на материал сильфона, а также в других обоснованных случаях:
– в паропроводах, где скорость потока может вызвать вибрации во внутренней полости компенсатора;
– в трубопроводах сжатого воздуха, выхлопных газов;
– в трубопроводах с абразивной средой, так как содержащиеся в ней твердые частицы могут повредить внутреннюю полость сильфона и привести к его разрушению;
– в случае турбулентного течения, например, когда компенсатор установлен около колена, соединенного с насосом.
Наружный защитный кожух – устройство, защищающее сильфон от внешних механических повреждений и возможного попадания в него посторонних предметов, а также служащее в качестве основания для нанесения тепловой изоляции компенсатора.
Сдвиговые и сдвигово-поворотные сильфонные компенсаторы
Сдвиговые сильфонные компенсаторы воспринимают только деформации элементов трубопровода, направленные перпендикулярно оси компенсатора, обеспечивая плоскопараллельный сдвиг торцов компенсатора. Сдвигово-поворотные сильфонные компенсаторы воспринимают угловые деформации элементов трубопровода и деформации, направленные перпендикулярно оси компенсатора, обеспечивая одновременный изгиб оси компенсатора и сдвиг торцов компенсатора.
Сдвиговые и сдвигово-поворотные сильфонные компенсаторы не передают распорные усилия, возникающие от действия внутреннего давления на стенки гофров сильфона, на неподвижные опоры и оборудование.
В зависимости от вида примененной ограничительной арматуры сдвиговые и сдвигово-поворотные сильфонные компенсаторы могут изготавливаться как одноплоскостные, воспринимающие сдвиговые перемещения только в одной плоскости, так и пространственные, воспринимающие сдвиговые перемещения во всех направлениях.
Разгруженные сильфонные компенсаторы воспринимают нагрузки от возможных механических воздействий, изменения давления транспортируемой среды, вибрации от работающего оборудования и потока транспортируемой среды, а также температурных деформаций различных элементов трубопровода вследствие изменения температуры транспортируемой и окружающей сред. При этом разгруженные сильфонные компенсаторы не передают на неподвижные опоры и сопрягаемое оборудование распорное усилие от действия внутреннего давления на стенки гофров сильфонов.
Изготавливаются различные конструкции разгруженных сильфонных компенсаторов, воспринимающих нагрузки как в строго осевом направлении, так и при одновременном воздействии нагрузок в осевом направлении, направлении, перпендикулярном оси компенсатора, и угловых деформаций без передачи распорного усилия сильфонов на неподвижные опоры и оборудование.
