Магалиф В.Я. Теоретические основы конструирования трубопроводов

Подождите немного. Документ загружается.

1. Работа гибкого элемента - сильфона

Сильфон представляет собой тонкую (от 0,7 до 1,5 мм) гофрированную оболочку,

содержащую от 4-х до 11–ти волн. Количество волн (а, следовательно, и длина сильфо-

на) зависит от условного диметра и внутреннего давления. Это соотношение устанавли-

вается экспериментальным путем. Его соблюдение позволяет предотвратить потерю ус-

тойчивости. На рисунке 1 показано разрушение сильфона вследствие потери устойчиво-

сти от действия внутреннего давления.

а) б)

Рис. 1. Разрушение сильфона вследствие

потери устойчивости

а - вид спереди («фасад»), б – вид сбоку

Причинами потери устойчивости могут служить также перекосы, возникающие

из-за нарушений правил конструирования или монтажа трубопроводов с гибкими эле-

ментами. Один из таких примеров будет рассмотрен в заключительной части.

Сильфоны изготавливаются однослойными и многослойными.

На рисунке 2а показана работа сильфона на осевое растяжение – сжатие. От ней-

трального положения сильфон можно сжать на величину



 или растянуть на ту же

величину





. Крайние сечения работают без перекоса, т. е остаются параллельными

друг другу. Это – схема работы осевого компенсатора. Характеристика





носит на-

звание компенсирующей способности на растяжение – сжатие, а



- полной компен-

сирующей способности или амплитудой осевого хода.

При повороте на некоторый угол θ (рис. 2,б) в плоскости чертежа сильфон растя-

нется по верхней образующей на величину





и сожмется по нижней образующей на

ту же величину





. Такая схема характерна для работы углового компенсатора.

Наконец, при параллельном смещении крайних сечений по вертикали на величи-

ну h, произойдет сдвиг – децентровка осей (рис.2, в). При этом крайние сечения сильфо-

на останутся параллельными друг другу, т. е. смещение произойдет без их взаимного

поворота. По такому принципу работает сдвиговый компенсатор.

Нейтральное положение

Δ /2 - осевое сжатие

Δ /2 - осевое растяжение

а)

θ – угол поворота (радианы)

б)

h - сдвиг – децентровка осей

в)

Рис. 2. Схемы работы сильфона при различных видах

перемещений

2. Конструкции компенсаторов на базе гибкого элемента – сильфона.

2.1. Осевые компенсаторы

Простейшую и наиболее распространенную конструкцию имеет осевой неразгру-

женный компенсатор, который представляет собой сильфон с патрубками на концах. К

патрубкам прикрепляются стяжки, назначение которых – транспортировка и предвари-

тельная растяжка компенсатора, осуществляемая на монтаже. В рабочем состоянии

стяжки не работают. Термин «неразгруженный» означает, что компенсатор не гасит рас-

порные усилия, создаваемые избыточным внутренним давлением. Эти усилия направле-

ны вдоль оси компенсатора и обычно передаются на заглушку, закрытую задвижку, или

на неподвижные (мертвые) опоры трубопровода. Определяются они по формуле

расп



эфвнср

FpDDpDp 

164



где

вн

DD ,

- диаметры сильфона (внутренние) по вершине и по впадине волны, см,

ср

- средний диаметр сильфона (внутренний), см,

эф

- эффективная площадь компенсатора, см

p - избыточное давление в трубопроводе, кг/ см

Эффективная площадь

эф

является основной характеристикой осевого компен-

сатора наряду с его компенсирующей способностью ±Δ

/2. Ее значение приводится в

каталогах.

Природу распорных усилий, возникающих в трубопроводах с осевыми неразгру-

женными компенсаторами проще всего понять, воспользовавшись моделью заглушенно-

го по концам сосуда (рис. 3,а). Сосуд нагружен внутренним избыточным давлением р

(рис.3,б). Давление на заглушки вызывает в нем распорные усилия в продольном направ-

лении

расп



(

- площадь заглушки, D - внутренний диаметр цилиндрического

сосуда). Когда сосуд «не разрезан» на две половинки осевым компенсатором (рис. 3, в),

давление на заглушки воспринимается стенками цилиндрической части и вся конструк-

ция находится в равновесии.

Если же в середине сосуда появляется компенсатор, осевая жесткость которого

пренебрежимо мала по сравнению с осевой жесткостью цилиндрической части сосуда

(мягкая вставка), распорные усилия от давления станут растягивать всю конструкцию

вдоль продольной оси (рис. 3, г). Само распорное усилие Р

расп

в этой ситуации несколько

возрастет. Оно будет определяться через эффективную площадь компенсатора, посколь-

ку внутренний диаметр компенсатора в вершине волны превышает внутренний диаметр

сосуда D. Поскольку с увеличением давления распорные усилия возрастают, компенса-

тор разрушится, как только будет превышен его допустимый осевой ход Δ (рис. 3,г). Ес-

ли конструкцию неподвижно закрепить по концам в точках А и В (рис. 3, в), распорные

усилия Р

расп

будут восприниматься неподвижными креплениям. Поскольку трубопровод

обычно на концах имеет неподвижные опоры, именно они и будут воспринимать распор-

ные усилия от осевых компенсаторов.

Существуют конструкции полуразгруженных и полностью разгруженных осевых

компенсаторов, в которых распорное усилие от давления существенно снижено или во-

обще отсутствует.

На рисунке 4 показан принцип работы осевого полуразгруженного компенсатора.

Особенностью конструкции является то, что сильфон находится в герметичном кожухе,

внутри которого имеется полость, сообщающаяся с атмосферой, а за пределами этой по-

лости под кожухом давление такое же, как в трубопроводе, благодаря чему сильфон на-

ходится под избыточным наружным, а не внутренним давлением. Кожух представляет

собой сосуд, в котором распорные усилия от давления p

раб

воспринимаются стенками его

цилиндрической части. Благодаря такой конструкции распорные усилия в трубопроводе

по сравнению с обычным неразгруженным компенсатором уменьшаются (диаметр тру-

бопровода

D ≈ D

сильфона)

Рис. 3. Цилиндрический сосуд

под внутренним избыточным давлением

б)

а)

расп

в)

расп

г)

расп





На небольших диаметрах снижение Р

расп

может достигать 40%.

раб

атм

расп

Рис. 4. Осевой полуразгруженный

компенсатор

На рисунке 5 показана конструкция полностью разгруженного компенсатора. Ее

особенность состоит в уравновешивании распорных усилий внутри самого компенсатора.

На неподвижные опоры передается только сила от сжатия самого компенсатора в резуль-

тате температурного расширения (пропорциональна осевой жесткости компенсатора).

Компенсатор состоит из трех соосно расположенных сильфонов, причем средний силь-

фон имеет больший диаметр, чем крайние. Диаметры крайних сильфонов одинаковы.

Сильфоны приварены к двум промежуточным коническим патрубкам и к двум крайним

цилиндрическим. К каждому патрубку приварены поперечины. Поперечины соединены

попарно стяжками и образуют две жесткие взаимно- перпендикулярные рамы, которые

могут перемещаться относительно друг друга. Поскольку обе рамы соединены со сред-

ним сильфоном, на каждую из них будут действовать силы Р

и 2Р

одну сторону и Р

- в обратном. Сила Р

представляет собой распорное усилие вдоль оси компенсатора

расп

. Сила Р

возникает в кольцевом сечении сильфона меньшего диаметра, а Р

– в

кольцевых сечениях сильфона большего диаметра и переходника. Компенсатор будет

уравновешенным, когда Р

= Р

+ 2Р

2 .

Для этого достаточно, чтобы отношение эффек-

тивных площадей F

эф

сильфонов большего сечения к меньшему равнялась двум. При на-

греве трубопровода длина компенсатора сокращается. При этом два крайних сильфона

сжимаются, а средний – растягивается на туже величину. При охлаждении трубопровода

происходит обратное явление.

В виду дороговизны и большой строительной длины разгруженные осевые ком-

пенсаторы не получили широкого распространения.

2.2. Угловые компенсаторы

На рисунке 6,а показана конструкция плоского углового компенсатора. Ось вра-

щения 1 находится в плоскости стяжек. Поворот компенсатора возможен только вокруг

этой оси, т.е. происходит в плоскости перпендикулярной плоскости стяжек.

Рис. 6. Угловой компенсатор

а – плоский, б – пространственный (карданный

)

а)

б)

а)

б)

Рис. 5. Осевой разгруженный компенсатор

а – общий вид; б – вид по А-А

На рисунке 6,б изображен пространственный угловой компенсатор карданного

типа, который допускает поворот в двух взаимно перпендикулярных плоскостях (вокруг

осей 1 и 2).

2.3. Сдвиговые компенсаторы

На рисунке 7 показаны сдвиговые компенсаторы тяжелой конструкции. Плоский

компенсатор (рис.7,а) обеспечивает сдвиг – децентровку осей в одной плоскости (на ри-

сунке – вертикальной). Пространственный обеспечивает поперечное перемещение в двух

взаимно – перпендикулярных плоскостях (рис.7,б). Мощные стяжки препятствуют изги-

бу в плоскости своего расположения и воспринимают распорные усилия от давления в

трубопроводе.

а)

б)

Рис. 7. Сдвиговые компенсаторы тяжелой конструкции

Сдвиговые компенсаторы легкой конструкции менее громоздки и более распро-

странены на практике (рис. 8). Парные стяжки снабжены по концам сферическими шай-

бами, благодаря чему торцевые сечения патрубков могут перемещаться только в парал-

лельных плоскостях (рис. 8, б и 8, в). Стяжки воспринимают распорные усилия от внут-

реннего давления. В отличие от компенсаторов тяжелой конструкции они не работают на

изгиб. Поэтому, констру

ируя трубопровод, нужно позаботиться о том, чтобы в месте ус-

тановки компенсатора отсутствовали изгибающие моменты.

а)

б)

в)

Рис.8. Сдвиговые компенсаторы легкой конструкции

3. Моделирование работы компенсаторов

3.1. Внутренние связи

Если разрезать тру

бу в любом месте (например, в точке

А, как это показано на ри-

сунке 9, а) и полученные два сечения связать между собой шестью связями - тремя угло-

выми и тремя линейными, то целостность конструкции полностью сохранится.

Для наглядности ограничимся рассмотрением плоской задачи. Для того чтобы оба

сечения справа и слева от точки А связать воедино, достаточно наложить три связи: две

линейных, образующих неподвижное крепление вдоль и поперек оси трубы и одну угло-

вую, запрещающую взаимный поворот сечений (рис. 9, б). Жесткое соединение стержней

в точке А можно изобразить в виде – жесткой заделки, препятствующей взаимному пово-

роту и смещению вдоль и поперек оси конструкции (рис. 9, в).

Поначалу может показаться, что такая теоретическая конструкция излишне ус-

ложняет описание соединений стержней. Но это впечатление исчезает, как только речь

заходит о моделировании работы компенсаторов.

Работу любого компенсатора можно описать заменой свойств одной или несколь-

ких внутренних жестких связей в рассматриваемом сечении трубопровода. Так, если за-

менить жесткую линейную связь, препятствующую перемещениям вдоль оси трубы на

линейно упругую, получим подвижное сочленение, в котором сечения справа и слева от

точки А могут перемещаться навстречу друг другу или в обратном направлении. То -

есть мы получаем модель работы осевого компенсатора. Если в сечении заменить жест-

кую угловую связь на линейно упругую, сечения справа и слева от точки А смогут пово-

рачиваться относительно друг друга. Это равносильно наличию в точке А упругого шар-

нира. Наконец, заменив жесткую линейную связь, препятствующую взаимному смеще-

нию сечений поперек оси трубы на линейно упругую, приходим к модели сдвигового

компенсатора.

Таким образом, с теоретической точки зрения мы имеем две разновидности под-

вижного сочленения: упругий угловой шарнир и упругий осевой ползун. Упругий

угловой шарнир – устройство, обеспечивающее взаимный поворот сечений соединяе-

мых стержней; жесткая угловая связь вокруг оси шарнира заменяется на упругую. Угло-

вой шарнир может быть простым - иметь одну поворотную ось и кратным – иметь две

поворотных оси. Упругий осевой ползун – устройство, обеспечивающее взаимное про-

скальзывание сечений соединяемых стержней; линейная связь вдоль оси проскальзыва-

ния заменяется на упругую. Упругий осевой ползун также может быть простым (иметь

одну ось проскальзывания) или кратным (иметь две оси проскальзывания).

а) б)

в)

Рис. 9. Вн

утренние связи в сечении трубопровода

Плоский угловой компенсатор представляет собой простой угловой шарнир с

одной поворотной осью (рис. 6, а). Пространственный угловой компенсатор (рис. 6, б) -

это кратный угловой шарнир, имеющий две взаимно перпендикулярные поворотные

оси (две угловые связи вокруг этих осей – линейно упругие).

Сдвиговый плоский компенсатор - это простой осевой ползун с одной осью про-

скальзывания (рис. 7, а). Сдвиговый пространственный компенсатор (рис. 7, б и 8) - это

кратный осевой ползун. У него две взаимно перпендикулярные оси проскальзывания

(две линейные упругие связи в поперечном сечении соединяемых стержней).

Осевой компенсатор представляет собой простой осевой ползун, имеющий одну

ось проскальзывания, совпадающую с осевой линией соединяемых стержней (одна ли-

нейная упругая связь).

Описанные схемы являются идеализацией, которая не вполне соответствует ре-

альным конструкциям, в особенности осевых и сдвиговых компенсаторов. Модели ком-

пенсаторов, используемые в ПС Старт, сведены в таблицу 1.

Таблица 1

Типы соединения стержней, используемые при моделировании

Элемент трубопровода Модель Описание

Жесткое соединение

стержней

В узле А стержни соедине-

ны тремя угловыми и тремя

линейными внутренними

связями. Все связи взаимно

ортогональные жесткие

двухсторонние

Компенсатор осевой

(упругий осевой ползун)

В узле А внутренняя жест-

кая линейная связь вдоль

продольной оси соединяе-

мых стержней заменяется на

линейно-упругую

Компенсатор угловой

(упругий шарнир)

В узле А две жесткие уг-

ловые внутренние связи в

горизонтальной и верти-

кальной плоскостях заменя-

ются на угловые линейно-

упругие

Компенсатор сдвиговый

(упругий поперечный

ползун)

В узле А две жесткие ли-

нейные внутренние связи в

горизонтальной и верти-

кальной плоскостях заменя-

ются на линейно- упругие