Сильфонный компенсатор — модуль, помогающий избежать разгерметизации трубопровода из-за деформаций, вызванных вибрацией, разницей температур, смещением грунта.
Сильфонный компенсатор
Любой трубопровод может изменять свои размеры в следствие изменения температуры, сдвигов земной коры, вибрации, гидравлических ударов и т.д. Из-за этих изменений может возникать напряжение, которое передаётся на запорную арматуру, насосное оборудование, сам трубопровод. Подобное напряжение в виде реактивных сил и моментов создаёт опасность разгерметизации стыков, разрушения запорной арматуры и другого оборудования.
Для того чтобы не возникало подобных рисков применяется сильфонный компенсатор.
Что такое сильфонный компенсатор
Данное устройство представляет собой цилиндр, чаще всего металлический, с гофрированной оболочкой, сделанной из сильфона. Сильфон — это гибкий металлический (возможны варианты неметаллического сильфона), сохраняющего герметичность при многократных деформациях рукав. Служит компенсатор для нивелирования последствий вибраций, крутящих моментов, осевых, угловых и других смещений.
Устройство сильфонных компенсаторовСостоит из следующих частей:
- Из одного или нескольких сильфонов (сильфон — основная рабочая часть сильфонных компенсаторов, представленная гофрированным элементом из антикоррозийной нержавеющей стали. Именно за счет такой формы сильфон может работать с разного рода деформациями, оставаясь при этом целым и невредимым). Разное количество сильфонов позволяет увеличивать компенсирующую способность устройства.
- Патрубков или фланцев (бывают жесткие или свободные) сделанных из малоуглеродистой или нержавеющей стали, служащих для присоединения компенсатора к трубопроводу. Самые распространённые, это патрубки под приварку. Фланцы используются в ситуациях, когда нет возможности использовать сварку из-за опасного теплоносителя, либо когда провести сварочные работы технически невозможно, либо же когда компенсатор находится в труднодоступном месте. Также, существуют резьбовые соединения компенсаторов.
- Внутреннего экрана, который применяется для направления движения среды и защиты сильфона от агрессивных влияний транспортируемого вещества.
- Защитного кожуха, закрепленного на стойках винтами. Основной его задачей является защита сильфона от внешних негативных факторов.
- Конструкции тепловой изоляции из пенополиуретана или минеральной ваты с защитной полиэтиленовой или оцинкованной оболочкой в зависимости от способа прокладки трубопровода, а так же системы оперативного дистанционного контроля, которая позволит контролировать работу данного узла.
Монтаж сильфонных компенсаторов
Монтаж компенсирующих устройств выполняется одним из следующих способов:
- При помощи резьбовых соединений. Фиксация оборудования с помощью муфт. Способ подразумевает наличие резьбы на поверхности патрубков. Он позволяет получить качественные разъемные соединения, упрощает замену вышедших из строя изделий. Для уплотнения резьбы применяются специальные герметики, прокладки, подмотки.
- При помощи фланцевых соединений. Для корректного соединения элементов необходимо наличие ответной детали на торце трубы (мама-папа). Фланцы притягиваются болтами и гайками подходящего диаметра. Для уплотнения соединения могут применяться специальные прокладки.
- При помощи сварки. Сварочный шов делается на стыке соединительного патрубка и магистральной трубы. Сварочные швы на ответственных и опасных объектах проверяются рентгеном.
Монтаж сильфонных компенсаторов производят аккредитованные специалисты, обладающие должными знаниями и навыками. Такие специалисты должны учитывать особенности сети, требования отраслевых нормативов, условия эксплуатации изделия.
Перед установкой компенсаторов могут предшествовать работы связанные с подготовкой системы к монтажу. Среди таких работ очистка соединительных патрубков, магистральных труб, оснований и т.д.
Принцип действия сильфонных компенсаторов
Чаще всего, температура рабочей среды внутри трубопровода одинаковая, а вот температура окружающей среды постоянно меняется. Из-за этого происходят явления в виде деформации, оказывающие негативное влияние на герметичность трубопровода. Так, при низких показателях температуры материалы сужаются, при высоких температурах наоборот, расширяются. Не следует забывать о сейсмическом перемещении земной коры, которые происходят в разных уголках планеты с разной периодичностью и интенсивностью.
Принцип действия устройства основан на препятствии передачи дополнительных усилий, образующихся при сужении/расширении на конкретном участке. Компенсатор позволяет защитить систему от деформаций, локализовав их на определенном участке.
Так же, следует учитывать тот факт, что при изменении температуры, расширение происходит в горизонтальном и вертикальном направлении. Ввиду этой особенности, очень важно корректно и надёжно фиксировать скользящие и статические участки трубопровода.
Виды деформации с которыми сталкивается компенсатор:
- Сжатие и растяжение:
- Изгиб:
- Смещение оси:
Технические характеристики сильфонных компенсаторов
Для того, чтобы применить тот или иной тип компенсатора, инженеры должны произвести необходимые расчёты, изучить чертежи трубопровода. Основными данными для расчёта являются следующие параметры:
- Dn – условный диаметр (проход) компенсатора.
- Pn – давление в трубопроводе.
- Характеристики рабочей среды – ее тип, агрегатное состояние, взрывоопасность, температура и скорость движения, примеси.
- Характеристики окружающей среды – температура, сейсмичность.
- Компенсирующая способность компенсатора – числовое значение, указываемое в миллиметрах или градусах, в зависимости от её типа (осевой компенсатор, сдвиговый, угловой и т.д.).
- Тип присоединения к трубопроводу – резьба, патрубки, фланцы, материалы изготовления.
- Требования к конструкции – внутренний экран (гильза), защитный или транспортировочный кожух, предварительное растяжение/сжатие, заданная строительная длинна.
- Ресурс – срок службы, количество циклов работы.
- Дополнительные требования – северное исполнение, если устройству предстоит работать в условиях холода.
Применение сильфонных компенсаторов
Устройства применяются в следующих отраслях:
- В нефте- и газодобывающей отрасли для транспортировки.
- Отопление и водоснабжение жилых и производственных зданий.
- Химическая, нефтехимическая, нефтеперерабатывающая отрасли.
- Судо-, авиа-, автомобиле-, моторостроение.
- Строительство и эксплуатация теплосетей.
- Военно-промышленный и авиакосмический комплекс.
- Атомная промышленность.
- Жилищно-коммунальное хозяйство.
Способы монтажа сильфонных компенсаторов
Виды сильфонных компенсаторовСильфонный компенсатор осевой (КСО)
Предназначены для компенсации расширений, связанных из-за разницы температур внутри и снаружи трубопровода. Компенсация нагрузки происходит за счёт осевого движения сильфона, т.е. сильфонный компенсатор сжимается или растягивается в зависимости от условий эксплуатации. Применяются осевые компенсаторы в трубопроводных системах не зависимо от длины магистрали в любой отрасли промышленности.
Пожалуй, самым распространённым и часто используемым компенсатором является его осевая разновидность. Такие устройства просты, надежны в работе и не нуждаются в обслуживании.
Широко применяются на трубопроводах насосных, водонагревательных установок, тепловых пунктов потребителей и других сооружений тепловых сетей, электрических станций, устройств и механизмов. Бывают односекционные и двухсекционные.
Основные рабочие характеристики осевых компенсаторов
- Диаметр условный — 25 – 1200 мм.
- Рабочее давление — от вакуума до 63 бар.
- Температура рабочей среды — от -196 до +550 °С.
- Осевой ход — до 80 мм односекционный компенсатор, и до 160 мм — двухсекционный компенсатор.
- Рабочая среда — технические жидкости, пар, вода.
Преимущества осевых сильфонных компенсаторов
- Конструкция осевого компенсатора максимально проста и эффективна.
- Устройство способно работать при высоком давлении, агрессивными средами, с повышенными или пониженными температурами.
- Срок службы до 20-30 лет.
Недостатки осевых сильфонных компенсаторов
- Осевой компенсатор относится к классу не ремонтируемых изделий.
Сильфонный компенсатор угловой (КСУ)
В отличие от осевых компенсаторов, которые деформируются в длину, т.е. сжимаются или растягиваются, угловые компенсаторы допускают угловые смещения. Другими словами, угловые компенсаторы способны совершать угловой поворот в одной или нескольких плоскостях. Оснащены такие приборы шарнирами или карданами, под контролем которых и происходит угловое смещение.
Стандартный угловой компенсатор поставляется с шарнирами или карданами, а также с любыми концевыми соединениями, будь то, патрубки под приварку, приварные или свободные фланцы, а также любые их комбинации.
Данные компенсаторы применяются на трубопроводах, которые имеют колена в разных плоскостях. Позволяют стабилизировать работу всей системы, устраняя опасные деформации.
Основные рабочие характеристики угловых компенсаторов
- Диаметр условный (Ду, DN) — 25 – 1200 мм.
- Рабочее давление — от вакуума до 63 бар.
- Температура рабочей среды — от -196 до +550 °С.
- Поворот град. (°) — до 15 °.
- Рабочая среда — в составе теплотрассы и для перекачки нефти, газа, также в химической промышленности.
Преимущества угловых сильфонных компенсаторов
- Снижаются нагрузки на все неподвижные опоры.
- Благодаря шарнирному элементу сильфон предохраняется от скручивания.
Недостатки угловых сильфонных компенсаторов
- Неремонтопригоден.
Сильфонный компенсатор сдвиговый (КСС)
Данный тип компенсаторов используются для поглощения сдвиговых перемещений. Другими словами, КСС воспринимают и компенсируют поперечные перемещения, сдвиги по отношению к собственной оси и ограничены от осевого растяжения. В конструкцию сдвигового компенсатора входят ограничительные направляющие, такие, как тяги, тросы, опорные фланцы, также могут быть установлены специальные защитные кожухи и направляющие внутренние экраны. К трубопроводу сдвиговые компенсаторы крепятся с помощью различных видов присоединительной арматуры, таких как, патрубки под приварку, приварные фланцы или любые эти комбинации.
В конструкции КСС есть гофрированная капсула, направляющая деталь и элементы крепежа. С помощью направляющих шпилек координируется продольное смещение.
Дополнительно сдвиговые компенсаторы могут оснащаться:
- Защитными кожухами, защищающими сильфон от внешних негативных воздействий.
- Внутренними экранами (гильзами), защищающими сильфон с внутренней стороны от влияния агрессивных сред.
- Ограничителями хода, в тех ситуациях, когда недопустимо слишком большое растяжение.
- Рабочие среды для эксплуатации сдвиговых компенсаторов: нефтепродукты, газ, пар, вода и др. Выпускаются в модификации одно или двухсекционными (один или два сильфона).
Основные рабочие характеристики сдвиговых компенсаторов
- Условный диаметр — от 20 до 2200мм.
- Рабочее давление — от вакуума до 170 бар.
- Температурный режим — от -250°C до +950°C.
- Рабочая среда — пар, вода, нефть, газ, химическая или криогенная среда, трансформаторное масло и др.
- Сдвиговое смещение — до ± 50 мм.
Преимущества сдвиговых сильфонных компенсаторов
- Служит для компенсации сдвиговых перемещений.
Недостатки сдвиговых сильфонных компенсаторов
- Сдвиговые компенсаторы относятся к классу не ремонтируемых изделий.
Универсальный сильфонный компенсатор (КСУ)
Компенсаторы делятся на многие виды. Но существуют такие компенсаторы, которые отчасти выполняют роль осевых, сдвиговых и угловых устройств. Помимо перечисленных свойств, универсальные компенсаторы способны гасить ещё и вибрацию. Эти устройства настолько неприхотливы в работе, что их монтируют на трубопровод, не уделяя внимания месту установки. Способ прокладки трубопровода также не имеет значения.
Но универсальность такого компенсатора может быть и весьма бесполезной, ведь если система подготовлена под специальный тип изделий, например, осевой, то не имеет смысла переплачивать за универсальный компенсатор, который обычно стоит дороже узконаправленного устройства.
Основные рабочие характеристики универсальных компенсаторов
- Условный диаметр — от 15 до 4000 мм.
- Рабочее давление — от вакуума до 150 бар.
- Рабочая температура — от — 260 до 900 °C.
- Рабочая среда — вода, пар, газ, нефтепродукты, химические составы, трансформаторные масла и т.д.
- Сдвиговое смещение, растяжение и градус поворота зависит от модели и производителя компенсатора.
Преимущества универсального компенсатора
- Позволяет объединить сразу несколько компенсаторов в одном устройстве, чем может значительно сэкономить средства.
Недостатки универсального компенсатора
- Как и все другие типы компенсаторов, универсальный также не подлежит ремонту.
Стартовый сильфонный компенсатор (ССК)
ССК является разновидностью сильфонных устройств, которые применяются для нивелирования колебаний, осевых смещений в трубопроводной системе и компенсации возникающий в ходе эксплуатации температурных перепадов. В отличие от обычного осевого компенсатора, данный тип устройств не предназначен для постоянного использования и выполняет функцию только после запуска трубопровода. Стартовый компенсатор рекомендуется использовать в системах, которые вводятся в эксплуатацию с холодным и горячим водоснабжением.
Так, после первого запуска трубопроводной системы, внутрь впервые поступает горячая техническая жидкость, пар, вследствие чего труба нагревается и растягивается. В это время срабатывает стартовый компенсатор, который деформируется, тем самым поглощая осевые деформации трубы. После того как работа трубопровода стабилизировалась, т.е все деформации произошли, наружные стальные оболочки компенсатора свариваются, тем самым из стартового сильфонного устройства, ССК превращается в элемент трубы, который уже не будет работать с осевыми деформациями.
Стартовый компенсатор состоит из следующих элементов:
- Пластичного сильфона, выполненного из нержавеющей стали принимающего на себя основные нагрузки.
- Толстостенного кожуха.
- Приварных патрубков, с помощью которых компенсатор присоединяется к трубопроводу.
Основные рабочие характеристики стартового компенсатора
- Условный диаметр — от 50 до 1000 мм.
- Рабочая среда — вода, пар, нефть, газ.
- Рабочая температура — до 250 °C
- Рабочее давление — от 2,5 до 25 бар.
- Осевой ход — до 170 мм.
Преимущества стартового компенсатора
- Стартовый компенсатор даёт возможность не использовать другие более дорогостоящие компенсаторы на этапе запуска трубопровода.
Недостатки стартового компенсатора
- Одноразовое применение, т.е. после пусконаладочных работ, корпус стартового компенсатора сваривается с элементами тубы.
Разгруженный/неразгруженный сильфонный компенсатор (КСР/КСН)
Разгруженный сильфонный компенсатор служит для сдвиговых и осевых перемещений. Для эксплуатации подобных устройств отсутствует потребность в неподвижных опорах. Эти устройства подходят для компенсации разных видов деформации в разных трубопроводах. Так, они используются в энергетической, нефтегазовой и многих других промышленных сферах. Эффективность разгруженных компенсаторов проявляется там, где неподвижные опоры нельзя установить.
Неразгруженные модификации не имеют никаких приспособлений для снижения распорных усилий, вызванных чрезмерным внутренним давлением. Они принимают на себя нагрузки от вибраций, температурных деформаций и механического воздействия.
Основное отличие разгруженных и неразгруженных компенсаторов:
- Разгруженные сильфонные компенсаторы предназначены для компенсационной работы на отводе труб без передачи сил реакции от повышенного или пониженного давления на прилегающие фиксированные опоры.
- Неразгруженные сильфонные компенсаторы, соответственно, дают нагрузку на опоры.
Основные рабочие характеристики разгруженных компенсаторов
- Рабочее давление — до 100 бар.
- Рабочая температура — от -260 до +850 °C.
- Компенсирующая способность сжатие/растяжение — до 100 мм.
- Рабочая среда — вода, пар, газ, дым, нефтепродукты, агрессивные среды, продукты пищевой промышленности и др. среды.
Основные рабочие характеристики неразгруженных компенсаторов
- Условный диаметр — до 300 мм.
- Давление — до 25 бар.
- Рабочая температура — до 200 °C.
- Рабочая среда — вода, пар, газ, дым, нефтепродукты, агрессивные среды, продукты пищевой промышленности и др. среды.
Несмотря на отличия разгруженных и неразгруженных компенсаторов, всё же они имеют ряд общих достоинств и недостатков.
Преимущества разгруженных/неразгруженных компенсаторов
- Отсутствие потребности в сложном обслуживании, дополнительной защите.
Недостатки разгруженных/неразгруженных компенсаторов
- Не ремонтопригодны.
Сильфонный компенсатор для полипропиленовой трубы
Коэффициент теплового расширения полипропилена гораздо меньше, чем у металла, но при длине магистрали более 10 метров, расширение уже может быть опасным для трубопровода. В результате расширения меняются геометрические размеры полипропиленовых труб, в таких ситуациях нагрузки на стенки превышают предельные допустимые значения, в результате этого происходит разрушение трубопровода.
Для предотвращения подобных ситуаций, необходим компенсатор для полипропиленовых труб, способный нивелировать расширение трубопровода.
Компенсаторы для полипропилена могут быть следующих видов:
- П-образные вставки. Простой и эффективный способ обеспечить защиту трубопровода при помощи вставки из обычных полипропиленовых труб и уголков. Суть метода заключается в сборе конструкции, напоминающую букву «П». Монтируется такой тип компенсатора на горизонтальный трубопровод. При нагревании и расширении горизонтальных труб они вжимаются, не нанося ущерба целостности всей конструкции.
- Вставка «Петля». Для устройства трубопроводов большой длины существует специальная вставка типа «петля». Это готовый к использованию элемент, выполненный в виде петли. Монтируется в систему при помощи соединительных муфт. Принцип действия по типу пружины, т.е. при расширении трубопровода петля сжимается, при охлаждении разжимается. При этом не нарушается ни целостность, ни пропускная способность всей системы.
- Компенсатор Козлова. Это устройство представляет собой сильфон, который специально разработан для установки в трубопроводы диаметром 20 и 25 мм. Устройство с обеих сторон имеет вставки из полипропилена. Внутри устройства находится алюминиевая гофра. Компенсатор способен обеспечить деформацию основной трубы до 25-63 мм.
Основные рабочие характеристики компенсаторов для полипропиленовых труб
- Условный диаметр — 20 — 40 мм.
- Рабочее давление — до 16 бар.
- Рабочая температура — до 115 °C.
- Осевой ход — до 65 мм.
Преимущества компенсаторов для полипропиленовых труб
- Устройство позволяет избежать повреждений трубопровода.
- Компенсатор можно спаять из остатков полипропиленовой трубы.
Недостатки компенсаторов для полипропиленовых труб
- Многие компенсаторы имеют свой ресурс, по завершению которого требуют полной замены.
Материал изготовления сильфонных компенсаторов и фланцевМатериал изготовления сильфона
Выбор материала для гофрированных обечаек (другое название сильфона) сильфонных компенсаторов обусловлен областью их применения и технологическими требованиями.
Бесшовные гофрированные обечайки компенсаторов получают формовкой, связанной с глубокой вытяжкой. Поэтому коррозионностойкий материал для их изготовления должен обладать низким пределом текучести и высоким пределом прочности. Такими свойствами обладают легированные стали с высоким содержанием никеля, хрома и молибдена. Пожалуй, наиболее распространенным материалом для изготовления гофрированных обечаек сильфонных компенсаторов являются хромоникелевые стали 08Х18Н10Т и 12Х18Н10Т.
Однако, применение стали не всегда целесообразно. Легированные стали неустойчивы против хлоридного и сероводородного растрескивания, поэтому их нельзя применять для компенсаторов некоторых трубопроводов. На этих трубопроводах устанавливаются компенсаторы, сильфоны которых изготовлены из сплава Х20Н32Т или ХН78Т. Многослойную гофрированную обечайку сильфонного компенсатора, предназначенного для сильно агрессивных сред и высоких температур, изготавливают из нескольких марок стали. Для слоя, соприкасающегося с транспортируемой средой, выбирают коррозионностойкий и жаропрочный материал, а для других слоев – обычную сталь. Такое использование материала позволяет уменьшить стоимость компенсатора.
Материал изготовления фланцев
В зависимости от материала трубы, вида компенсатора, фланцы могут быть изготовлены из легированных марок стали 09Г2С и конструкционной стали Ст3сп. Так как некоторые фланцы невозможно состыковать при помощи сварки, их также изготавливают из серого ковкого чугуна.
Срок службы сильфонных компенсаторов
Продолжительность эксплуатации компенсаторов зависит от многих условий:
- Интенсивность работы обечайки (сильфона).
- Выполнение правил по монтажу устройства.
- Воздействие климатических и производственных факторов.
- Соосность соединяемых участков.
- Наличие дополнительных элементов, оказывающих негативное влияние на компенсатор или наоборот, наличие защитных оболочек и кожухов, увеличивающих срок службы.
- Соблюдение правил хранения и транспортировки.
При правильном расчёте компенсатора и не превышении максимально допустимых значений, сильфонный компенсатор способен отслужить около 5000 циклов. За один полный цикл считается осевое растяжение-сжатие компенсатора на полную длину его рабочего хода.
Как правило, при расчёте компенсаторов учитывается то, что компенсатор на 50 циклов должен работать от 1 до 5 лет, компенсатор на 1000 циклов должен работать от 5 до 15 лет, на 5000 циклов — до 25 лет и даже более. Опять же, всё зависит от вышеперечисленных условий эксплуатации.
Корректность установки компенсаторов проверяется при пусконаладочных работах. Выявленные дефекты устраняются по месту.