Компенсаторы сильфонные металлические: область применения, состав, для чего используются

Сильфонный компенсатор (СК) - система из одного или нескольких сильфонов, присоединительной и ограничительной арматуры. Его основная задача – сокращать и приводить в баланс колебания нагрузок и частотности, которые возникают в трубопроводных трассах с герметичными соединениями элементов. Компенсатор способен эффективно транспортировать газ, пар и жидкие вещества даже в сложных условиях. 

Сильфон – ключевой компонент сильфонного компенсатора (СК). Он обеспечивает правильную функциональность всей системы. Это относительно гибкая оболочка цилиндрической формы в виде гофры. Она способна деформироваться под воздействием осевой и поперечной нагрузок и изгибающего момента при внутреннем или внешнем давлении. Сильфон при этом обеспечивает герметичное отделение проводимой среды от природной окружающей. Гибкость формы обеспечивается за счет гофры. Она же придает сильфону упругость и гибкость: он становится похож на шланг, способный растягиваться и сжиматься под воздействием температур, под давлением и механическими нагрузками. Сильфон преобразовывает давление в усилие, а также сглаживает внешние и внутренние нагрузки при движении внутренних сред. Кроме того прочностные характеристики всей системы повышены: они ничуть не меньше, чем прочность труб в составе трубопроводной трассы. 

Структура сильфона включает в себя одно или несколько колец (гофров) – элементарных гибких составляющих, находящихся между соседними трубами, что обеспечивает его универсальность и адаптивность к различным нагрузкам и условиям применения. 

Рис 1.  Функционирование гофра сильфона (растяжение +, сжатие -) 

Форма гофров сильфонов может варьироваться. Обычно они производятся с U-образными гофрами, а иногда – с Ω-образными. Для усиления конструкции могут использоваться укрепляющие кольца. Компенсирующая способность сильфона напрямую зависит от числа гофров: чем их больше, тем она выше.

Благодаря пружинящей природе гофров, движение компенсируется без противодействия трением, что исключает необходимость в техобслуживании.

Сильфоны бывают как однослойными, так и многослойными. Однослойные сильфоны состоят из одной обечайки, многослойные же, соответственно, из двух и более, собранных в пакет; иногда количество слоев достигает 20 шт. и больше. 

Рис 2. Однослойный, трехслойный и многослойный сильфон и  U-образные гофры. 

Рис 3. Многослойный сильфон с гофрами U-образного вида и подкрепляющими кольцами круглого и Т-образного сечения.

Каждый тип сильфонов обладает своими уникальными преимуществами и сферами использования. Количество слоев и толщина каждого слоя может быть любой, что делает многослойные сильфоны универсальными для эксплуатации в разных климатических условиях. Многослойная структура помогает добиться повышенной гибкости и стойкости на изгиб или сжатие, по типу рессоров, состоящих из нескольких слоев. 

Многослойные сильфоны производятся двумя способами:

1. Путем набора сварных обечаек в пакет необходимой толщины

2. Созданием двух внутренних и двух наружных слоев из сварных обечаек для обеспечения герметичности, а промежуточных слоев – намоткой в рулон для распределения нагрузки от давления.

Практика показывает, что многослойный сильфон имеет значительное преимущество: в случае потери герметичности в силу разных причин (ржавчина, неправильная сборка и так далее) сильфон не разрушается. Это крайне важный момент для конструкций, функционирующих под высоким давлением. При нарушении герметичности, начинающейся изнутри, когда через образовавшиеся поры или трещины происходит подтекание внутренних сред, то зона протечки до замены СК не будет опасна. 

Для любого СК общая толщина сильфона, которая требуется для гарантии его прочности и стойкости к нагрузкам, устанавливается как расчетным методом, так и экспериментальным. Главные аспекты для выявления нужной толщины: прочность, объем и диаметр гофры, а также длина гофрированной области. Чем больше длина, тем больше сильфон подвержен изгибу, что делает его нестабильным при воздействии внутреннего давления. Такие особенности важно учитывать для осевых СК, где для нормального снижения большого осевого хода нужен сильфон определенной длины, соответствующей требованиям.

Наибольшее число гофров СК вычисляется по его способности противодействовать потере устойчивости при определенных геометрических данных и давлении транспортируемого вещества. Главная задача расчета параметров СК — подобрать верные показатели количества гофров, и прочих их параметров, а также длины СК, чтобы обеспечить его стойкость к нагрузкам при заданных параметрах, а также подтвердить прочность, компенсирующую способность и назначенную наработку.

Финальные параметры СК корректируются по итогам предварительных испытаний и при приемке. 

Важными техническими показателями СК считается его прочность. В соответствии ГОСТ 25756-83, жесткость — это способность сопротивления силе, из-за которой достигается сдвиг, осевое или угловое перемещение. Данный параметр зависит от толщины слоя сильфона, высоты гофров и их количества.

Типы металлических сильфонных компенсаторов (СК)

В зависимости от применения, вида возможных нагрузок и области эксплуатации, используются разные сочетания сильфонов и сопутствующих компонентов..

Присоединительная арматура – это конструкция, обеспечивающая герметичное присоединение СК к трубе. Возможны такие виды монтажа: 

●     Неразъёмное соединение (патрубки привариваются): СК скрепляется с трубопроводом сварным способом;

●     Разъёмное присоединение: СК скрепляется с трубопроводом с помощью фланцев, бугелей и тому подобных элементов;

●     Комбинированное: один конец СК приваривается к трубопроводу, а противоположный - крепится фланцами.

Ограничительная арматура – это система, состоящая из элементов, необходимых для принятия усилия на распор, которое появляется под воздействием давления как внутреннего, так и наружного, и ограничивающая перемещение в одном или нескольких направлениях гофр сильфона.

Направляющий патрубок снижает до минимума взаимодействие между поверхностью внутри СК и перемещаемым веществом. Направляющие патрубки используются для:

●     Снижения гидравлического сопротивления в СК трубопроводных трасс, где скорость потока внутри трубы более 6 м/с (жидкости) и более 30 м/с (газы).

●     Сокращения действия температуры жидкости, газа или пара на СК.

●     Во всех прочих случаях, обоснованных эксплуатацией.

Наружный защитный кожух – это конструкция, которая оберегает сильфон от внешних повреждений и вероятности проникновения каких-либо предметов извне. Также он служит для нанесения изоляции на СК.

Сдвиговые и сдвигово-поворотные сильфонные компенсаторы

Сдвиговые сильфонные СК нужны для принятия деформаций перпендикулярных оси СК, и обеспечивают параллельный сдвиг его торцов в одной плоскости. Сдвигово-поворотные компенсаторы, в свою очередь, способны воспринимать угловые деформации и деформации. направленные перпендикулярно оси, одновременно работая на изгиб и сдвиг.

Сдвиговые и сдвигово-поворотные СК могут быть:

●     Одноплоскостными: для восприятия движений в одной плоскости.

●     Пространственными: воспринимают изменения по всем плоскостям.

Разгруженные сильфонные компенсаторы

Разгруженные СК служат для восприятия нагрузок от механических воздействий, изменений показателей давления, вибраций оборудования в момент работы, деформаций труб от перепадов температур. При этом они не распределяют распорное усилие изнутри на стенки гофров СК и на прочие системы.

Существуют различные виды разгруженных СК, которые могут воспринимать нагрузки:

●     По осям.

●     Параллельно и перпендикулярно осям, а также угловых деформаций, без передачи усилия на неподвижные опоры и прочее оборудование.

Рис 4. Компенсатор поворотный разгруженный

Рис 5. Компенсатор сдвиговый разгруженный