что такое жесткость компенсатора

Параметры компенсаторов

Компенсирующая способность гнутых труб задается как осе­вое удлинение трубопровода, которое они компенсируют, и из­меряется в миллиметрах.

Поскольку у всех компенсаторов (кроме сальниковых и резиновых) длина трубопровода возмещается посредством дефор­мации рабочих элементов, в них возникают напряжения, про­порциональные компенсирующей способности. Нагружение компенсаторов циклическое, поэтому вместе с величиной ком­пенсирующей способности указывается ресурс — гарантированное число рабочих циклов N.

Рабочий цикл — однократный нагрев и охлаждение трубо­провода, удлинение которого возмещается компенсатором.

Компенсирующая способность сальниковых и резиновых компенсаторов также зависит от ресурса, но для них он рассчи­тывается из условия износа набивки или манжеты от трения.

Ресурс и компенсирующая способность сильфонных компенсаторов дается для одного гофра, т. е.

где ∆к — компенсирующая способность многогофрового сильфонного компенсатора; n — число гофров (сильфонов) в сильфоне.

Жесткость — сила, необходимая для возмещения изменения длины трубопровода. Различают осевую и угловую жесткость.

Осевая жесткость — сила, необходимая для сжатияя или растяжения осевых и поперечного смещения поворотных сильфонных ком­пенсаторов. Измеряется в килоньютонах, обозначается Со.

Угловая жесткость — момент, необходимый для изгиба ком­пенсатора. Измеряется в килоньютон-метрах, обозначается Си. Жесткость компенсатора (кроме сальниковых, резиновых и тканевых) пропорциональна величине возмещения, поэтому в технической характеристике часто используют параметр — удельная жесткость.

Удельная жесткость — сила или момент, необходимые для сжатия или растяжения осевого, поперечного смещения пово­ротного на 1 мм или изгиба углового компенсаторов на 1°. Осе­вая удельная жесткость измеряется в килоньютонах на мил­лиметр, обозначается Со, угловая — в килоньютон-метрах на градус, обозначается с».

Эффективная площадь — площадь сечения компенсатора, перпендикулярная его оси и создающая силу от давления, ко­торая увеличивает жесткость. Измеряется в квадратных мет­рах, обозначается Рэ.

Строительная длина — расстояние вдоль оси трубопровода от кромки правого до кромки левого патрубков компенсатора. Измеряется в миллиметрах, обозначается Lc.

Условный диаметр — округленный внутренний диаметр пат­рубков компенсатора, не обязательно совпадающий с их дей­ствительными размерами. Измеряется в миллиметрах, обозна­чается Dy.

Условное давление — расчетное предельное давление в по­лости компенсатора при температуре не выще 200 °С. Измеря­ется в мегапаскалях, обозначается Ру.

Рабочее давление — фактическое давление в полости ком­пенсатора при определенной температуре (tр). Измеряется в мегапаскалях, обозначается Pp.

Пробное давление — предельное давление при гидравличе­ском испытании компенсатора. Измеряется в мегапаскалях, обозначается Рп.

Источник

Что такое жесткость компенсатора

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТАНДАРТ СОЮЗА ССР

КОМПЕНСАТОРЫ И УПЛОТНЕНИЯ СИЛЬФОННЫЕ

Термины и определения

Bellows expansion joints and (bellows) seals.
Terms and definitions

Дата введения 1984-07-01

Постановлением Государственного комитета СССР по стандартам от 25 апреля 1983 г. N 2044 срок введения установлен с 01.07.84

ВНЕСЕНО Изменение N 1, утвержденное и введенное в действие Постановлением Государственного комитета СССР по управлению качеством продукции и стандартам от 30.01.91 N 77 с 01.09.91

Изменение N 1 внесено изготовителем базы данных по тексту ИУС N 5, 1991 год

Настоящий стандарт устанавливает применяемые в науке, технике и производстве термины и определения сильфонных компенсаторов и уплотнений.

Термины, установленные стандартом, обязательны для применения в документации всех видов, научно-технической, учебной и справочной литературе.

Для каждого понятия установлен один стандартизованный термин. Применение терминов-синонимов стандартизованного термина запрещается. Недопустимые к применению термины-синонимы приведены в стандарте в качестве справочных и обозначены «Ндп».

Для отдельных стандартизованных терминов в стандарте приведены в качестве справочных краткие формы, которые разрешается применять в случаях, исключающих возможность их различного толкования. Установленные определения можно, при необходимости, изменять по форме изложения, не допуская нарушения границ понятий.

В случаях, когда необходимые и достаточные признаки понятия содержатся в буквальном значении термина, определение не приведено, и, соответственно, в графе «Определение» поставлен прочерк.

В стандарте в качестве справочных приведены иностранные эквиваленты стандартизованных терминов на немецком (D), английском (Е) и французском языках (F).

Для отдельных стандартизованных терминов приведены в качестве справочных буквенные обозначения.

В стандарте приведены алфавитные указатели содержащихся в нем терминов на русском языке и их иностранных эквивалентов.

В стандарте имеются справочные приложения. В справочном приложении N 1 приведены графические изображения сильфонных компенсаторов и уплотнений.

В справочном приложении N 2 приведены термины и определения общих понятий сильфонных компенсаторов и уплотнений.

Источник

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, λ_сдв – 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 P_кр=w(l) в положительной области значений l имеет минимум. Приближенное положение, которого, можно определить по формуле:

(11)

График зависимости P_кр=w(l) имеет вид:

Рис. 9. Зависимость P_кр 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.

Оставить комментарий

Тематические закладки (теги)

Источник

Способы повышения компенсирующей способности и снижение жесткости сильфонных компенсаторов

При выборе компенсаторов очень часто предпочтение от­дают сильфонным компенсаторам, но их применение иногда сдерживает сравнительно небольшая компенсирующая способ­ность. Она зависит от числа гофров в сильфоне, их толщины, диаметра и высоты, а также принятого ресурса компенсатора и давления в трубопроводе.

Число гофров в сильфоне ограничено его устойчивостью. Известно, что длинные сильфоны даже от повышения из­быточного давления в полости выпучиваются. То же происхо­дит при сжатии или изгибе. Устойчивость сильфона понижается при уменьшении диаметра.

Если при расчете устойчивости выявляется, что число гоф­ров, назначенное для обеспечения требуемой компенсирующей способности, превышает допустимое, применяют различные конструктивные решения, повышающие устойчивость. В первую очередь, у осевых компенсаторов сжатие заменяют растяже­нием сильфона. Известна стандартная конструкция такого ком­пенсатора (см. рис. 1, а), но она не получила широкого рас­пространения из-за сложности изготовления и невозможности контроля некоторых сварных швов.

В последнее время разработаны новые более простые конструкции. Для компенсаторов с многослойным сильфоном приемлема конструкция с пат­рубками в виде коленьев с углом 180° (рис. 1, а). Здесь сильфон 3 расположен между коленьями 2 и 5, которые приварены к участкам трубопро­вода 1 и 4. В таком сильфонном осевом компенсаторе при растяжении создается момент, поэтому, чтобы не происходил изгиб трубопровода и оси сильфона, на рас­стоянии не более 3Dн от коленьев на трубопровод устанавливают направ­ляющие роликовые опоры (см. рис. 1, в).

У компенсаторов с однослойным жестким сильфоном патрубки рекомен­дуется выполнять в виде тройников с заглушками (рис. 4.18,6). Штуцер тройников с участками трубопровода 1 и 12, имеющими также тройники 2, 6 и 1Г. я 13 с заглушками 3, 5. 8 п 10, связаны перепускными труба.ми 4, 9 и 14. При этом сильфон 7, находящийся между участками трубопровода I и 12, при нагреве будет растягиваться. Отличие этой конструкции от преды­дущей в том, что оси сильфона и трубопровода находятся на одной пря­мой, поэтому не возникает изгибающего момента.

Поскольку толщина и высота гофров связаны с технологией изготовления и прочностью сильфона, а диаметр и давление — стандартные параметры, и они меняться не могут, то, кроме увеличения числа гофров путем изменения конструкции, ком­пенсирующую способность можно увеличить уменьшением ре­сурса. На практике очень часто, не зная фактического числа циклов работы установки, ресурс завышают. Пользуясь графи­ком на рис. 2.3 и варьируя ресурсом, можно назначить более оптимальное значение компен­сирующей способности.

Рис. 2 Дренажный штуцер для осевого сильфонного компенсатора

Напри.мер, согласно статистиче­ским данным, подземный подающий теплопровод диаметром Dy = 400 мм, проложенный от котельной до цен­трального теплового пункта, отклю­чается в год не более 20 раз. При десятилетней эксплуатации сильфо­нов необходимый ресурс равен 200 циклам. Для сильфона диамет­ром 400 мм, изготовленного по ТУ 5.551 —19702—80, при 1000 циклах компенсирующая способность равна d=50 мм. По графику на рис. 2.3 определим допустимую амплитуду напря­жений: при 1000 циклах она равна 500 МПа, при 200 циклах — 750 МПа.

Рис. 3 Осевой компенсатор с защитной обечайкой повышенной обтекаемости

Следовательно, для данного трубопровода молаю принять ресурс 200 цик­лов, компенсирующая способность станет равна ±75 мм, т. е. увеличится в 1,5 раза.

Эффективным средством увеличения компенсирующей спо­собности является монтажная растяжка. С помощью ее можно увеличить компенсирующую способность в два раза.

Рис. 4 Осевые компенсаторы со стяж­ками на трубопроводах, соединяющих ре­зервуары; а—стяжки укреплены на трубо­проводе; б — стяжки укреплены на резер­вуарах

Наряду с компенси­рующей способностью жесткость также являет­ся основным параметром компенсатора, влияющим на эффективность приме­нения. Поскольку рас­порные усилия передают­ся на оборудование, свя­занное трубопроводами, целесообразно иметь на­именьшую жесткость.

У многослойного сильфона основная со­ставляющая распорного усилия — это сила, воз­никающая от давления. Поэтому уменьшение эффективной площади позволит значительно снизить общую жесткость компенсатора. Для ее уменьшения нуж­но уменьшить диаметр сильфона, т. е. в месте установки ком­пенсатора рекомендуется преду­сматривать переходы с большого на малый диаметр (рис. 3).

Чтобы не ухудшить гидродина­мические характеристики, реко­мендуется внутреннюю защит­ную обечайку выполнять с более обтекаемой формой, например, такой как показано на рис. 3.

Жесткость от деформации компенсаторов с однослойным сварным сильфоном соизмерима с жесткостью от давления. Поэтому здесь можно снизить жесткость за счет увели­чения числа гофров. Например, по расчету требуется сильфон с четырьмя гофрами, каждый из которых будет сжиматься на 3 мм. Увеличим число гофров до восьми, тогда каждый бу­дет сжиматься на 2 мм, отчего жесткость, вызванная деформа­цией, уменьшится вдвое.

Рис.5 Разгружаемый компенсатор на трубопроводе, соединяющий насосную и резервуар

При прокладке трубопроводов с компенсаторами между тон­костенными резервуарами или на эстакаде для уменьшения распорных усилий применяют стяжки различных конструкций. Стяжки могут устанавливаться на кронштейнах, приваривае­мых к трубопроводу (рис. 4, а) или непосредственно к резер­вуару (рис. 4,6). На резервуарах широко применяются разгруженные компенсаторы с угловым отводом (рис. 5).

Источник