Магалиф В.Я. Теоретические основы конструирования трубопроводов

Подождите немного. Документ загружается.

3.2. Осевые компенсаторы

Использованная нами модель соединения стержней с проскальзыванием вдоль их

продольной оси соответствует представленной на рисунке 10, а. Жесткая муфта 1, пре-

пятствует взаимному повороту сечений соединяемых труб (при работе на изгиб) и их

взаимному поперечному смещению.

Предполагается, что между трубами и муфтой отсутствует трение. По такому прин-

ципу работают сальниковые компенсаторы. Если вдоль оси соединяемых труб есть упругая

линейная связь 3, получаем модель сильфонного осевого компенсатора, схематично пока-

занного на рисунке 10,б. Его реальная конструкция представлена на рисунке 11,а.

На самом деле простой сильфон так работать не может из-за отсутствия связей, пре-

пятствующих изгибу и смещениям поперек оси. Для того чтобы заставить его работать

только на осевое растяжение – сжатие, необходимо, чтобы с двух сторон от компенсатора

были установлены опоры. Например, неподвижная опора с одной стороны и две направ-

ляющие с др

угой (подробнее см. ниже). Возникает вопрос, а что будет, если опоры не

ставить и в исходных данных к программе Старт просто задать осевой компенсатор? Расчет

будет выполнен в предположении наличия пяти внутренних жестких связей и одной про-

дольной линейно – упругой (ри

с. 10, а), что не соответствует реальности.

Во избежание потери устойчивости нельзя соединять последовательно два и бо-

лее обычных компенсаторов! Для спаренных компенсаторов, имеющих увеличенный

осевой ход, разработаны специальные компенсирующие устройства (рис. 11, в). Фактически

компенсационное устройство жестко фиксирует направление осевого растяжения-сжатия за

счет встроенных в конструкцию боковых ограничителей. Однако и такое решение не исклю-

б)

а)

Рис. 10. Компенсатор осевой

1 - жестка

я муфта, 2 –поверхность без трения, 3 - ли-

нейно-упругая связь, 4 - сильфон

чает установку поблизости опор, поскольку при больших перекосах устройство может

заклинить.

а) б)

в)

Рис. 11. Разновидности осевых сильфонных компенсаторов

а – обычный, б - с направляющей конструкцией, в - сдвоенный с усиленной

направляющей конструкцией

3.3. Правила размещения осевых компенсаторов

Осевые компенсаторы в последнее время получили широкое распространение. Но их

правильное размещение на трубопроводе требует определенных знаний, которыми облада-

ют далеко не все конструкторы. Настоящий раздел призван восполнить пробелы в знаниях,

проявившиеся в практике нашего общения с многочисленными пользователями.

Осевые компенсаторы нужно располагать преимущественно на прямых участках

трубопроводов, заключенных между неподвижными опорами. Места поворотов трубопро-

вода, должны быть отделены от этих участков неподвижными опорами. На рисунке 12

приведен характерный пример. В Г-образном повороте для улучшения компенсации темпе-

ратурных расширений на длинном плече установлен осевой компенсатор (промежуточные

опоры условно не показаны). На рисунке 12, а - неправильное решение, которое не гаран-

тирует надежную работу компенсатора, в виду наличия боковых перемещений на длинном

плече. На рисунке 12, б на длинном плече выделен прямой участок СВ, заключенный

между двумя неподвижными опорами. Разогрев этого участка воспринимает осевой ком-

пенсатор. Во второй части трубопровода обеспечивается компенсация температурных

расширений за счет изгиба плеч АD и СD (самокомпенсация).

Длина прямого участка, «обслуживаемого» осевым компенсатором рассчитывается

по формуле

)минмакс

Δ81







Здесь

- максимальная амплитуда осевого хода компенсатора от +Δ

/2 (растяжение) до

- Δ

/2 (сжатие), мм,

минмакс

t,t

- соответственно максимальная и минимальная температура при экс-

плуатации трубопровода,



- коэффициент линейного расширения материала трубопровода.

Для установки компенсатора можно выбрать любой промежуточный узел А (рис.

13, а). Ближайшие к этому узлу промежуточные опоры должны быть направляющими.

Первые направляющие опоры располагаются с двух сторон от узла на расстоянии l

=2 ÷

DN. Вторые направляющие опоры ставятся также с двух сторон от узла на расстоянии l

= 14 ÷ 16DN (остальные опоры на рисунке не показаны). Это необходимо для четкой

фиксации направления осевых перемещений от нагрева трубопровода и предотвращения

возможной потери устойчивости осевого компенсатора, установленного в узле А.

Рис. 12. Компенсация температурных расширений с по-

мощью осевого компенсатора

а – неправильно, б - правильно

б)

а)

Длина каждой направляющей опоры должна составлять не менее 2 DN. Зазор ме-

жду трубой и боковым ограничителем опоры – 1,6 мм при диаметрах труб DN ≤ 100 мм и

не более 2,0 мм при диаметрах труб DN ≥ 125 мм. Пользуясь величинами зазоров легко

вычислить допустимый угол перекоса осевого компенсатора

180









где



- зазор в направляющей опоре,

- расстояние от точки А до середины ближайшей

направляющей опоры (рис. 13). Например, для трубы DN=200 мм и

= 4 DN имеем



4157

800

,



При размещении компенсатора у неподвижной опоры (рис. 13, б), расстояние

должно быть в пределах

= 2 ÷ 4DN. В этом случае направляющие опоры ставятся толь-

ко с одной стороны.

При бесканальной прокладке в грунте, роль направляющих опор выполняет

грунт, в котором трубопровод защемлен.

Еще раз подчеркнем, что если величина осевого хода недостаточна, не допуска-

ется устанавливать последовательно два компенсатора, так как это может привести к по-

тере устойчивости. Для решения такой задачи нужно использовать компенсационное

устройство, показанное на рисунке 11, в. Ставить осевые компенсаторы на вертикальных

участках трубопроводов не рекомендуется, поскольку они не рассчитаны на восприятие

веса трубопровода.

)

Рис. 13. Размещение осевых компенсаторов

а – в произвольном месте, б - у неподвижной опоры

3.4. Данные для расчета осевых компенсаторов в ПС Старт

В расчетах по ПС Старт по каждому осевому компенсатору нужно задать его податли-

вость (величина обратная жесткости), эффективную площадь и величину осевого хода. Эти

данные на сильфонные компенсаторы берутся из каталогов и обычно не вызывают затрудне-

ний. Вопросы появляются (и довольно часто) при использовании сальниковых компенсато-

ров. В ката

логах на сальниковые компенсаторы для каждого типоразмера помимо условий

применения (условный диаметр и давление) приведены еще две величины: компенсирующая

способность (осевой ход) – Δ

мм и расчетная сила трения Q кгс. Податливость компенсатора

и его эффективная площадь вычисляются следующим образом

,см,

,кг/мм,

эф

400









где D

– наружный диаметр трубопровода, мм.

При отсутствии данных значение Q рассчитывается по формулам пункта 8.5.1 СТО

10.001-2009.

Линзовые компенсаторы воспринимают температурные удлинения значительно

меньшие, чем сальниковые, но обеспечивают при этом полную герметичность, чем выгодно

отличаются от сальниковых. По сравнению с сильфонными они менее надежны из-за боль-

шого количества сварных швов, обладают большей жесткостью и значительно меньшим

осевым ходом. В каталогах на линзовые компенсаторы обычно приводится их компенси-

рующая способность Δ мм, зависящая от числа линз, а также жесткость на сжатие одной

линзы

G в кг/cм. Податливость линзового компенсатора, состоящего из n линз, вычисляется

по формуле

кгмм,





3.5. Сдвиговые компенсаторы

Ограничимся рассмотрением компенсаторов легкой конструкции, как наиболее

распространенных. Для увеличения бокового хода они делаются с промежуточной тру-

бой. Строительная длина таких компенсаторов L получается достаточно большой

(рис.14,а). В расчетной же схеме относительное смещение торцов соединяемых труб

сводится к одной точке - сечениям трубопровода, расположенных бесконечно близко

друг к другу. Соответствующая расчетная модель показана на рисунке 14, б. В ней ре-

альную конструкцию заменяют два стержня с длиной L/2, между которыми расположен

вертикальный ползун, что равносильно замене внутренней линейной связи смежных се-

чений около токи А на упругую. В результате расчета будет получено взаимное боковое

смещение сечений h (рис. 14, г), равное перемещению, показанному на рисунке 14, в.

Реальная конструкция компенсатора не должна работать на изгиб, а продольные

усилия должны восприниматься стяжками только в случае осевого растяжения (при сжа-

тии стяжки выключаются из работы). Так, что работу упругих внутренних связей необ-

ходимо обеспечить жесткими внешними связями, подобно тому, как это имело место у

осевого компенсатора.

а) б)

Рис. 15. Схемы установки сдвиговых компенсато-

ов на ответвлениях

а)

Рис.14. Сдвиговый компе

нсатор с промежуточной трубой

в)

б)

г)

Примеры, когда за счет установки неподвижных и направляющих опор практиче-

ски исключается работа компенсатора на изгиб и осевое сжатие, приведены на рисунке

15.

3.6. Угловые компенсаторы

а)

в)

б)

Рис.16. Плоский уг

ловой компенсатор

а – об

ий ви

д;

б – мо

ель

;

в –

словное изоб

ажение

Расчетной моделью углового компенсатора является угловой шарнир. Эта модель

наиболее близка к реальности, поскольку ось шарнира образует специальная конструкция,

жестко связанная со стыкуемыми трубами (рис. 6), а сильфон играет в таком механизме

пассивную роль, т.е. на него не передается никаких усилий.

В плоских компенсаторах поворот происходит в плоскости, перпендикулярной оси

вращения. Поэтому желательно такие угловые компенсаторы применять в плоских трубо-

проводных схемах. Схема работы плоского углового компенсатора приведена на рисунке 16.

Установка одиночного углового компенсатора обеспечивает снятие изгибающего

момента в сечении трубопровода. Для компенсации же температурных расширений ко-

личество компенсаторов должно быть не менее двух и не более трех. Плоские угловые

компенсаторы дают наибольший эффект, когда схема трубопровода имеет Г, Z – образ-

ные повороты или П - образные вставки. Возникает естественно вопрос, зачем в Г, Z и П

– образных схемах нужны компенсаторы, если эти схемы могут сами компенсировать

температурные расширения трубопровода? Ответ достаточно простой – если такие схемы

сделать шарнирными, то можно существенно увеличить воспринимаемые температурные

расширения и существенно уменьшить вылеты поворотов и П - образных вставок (назы-

ваемых также П - образными компенсаторами). Типовые схемы и рассчитываемые для

них углы представлены выше в таблице 2.

Таблица 2

Типовые трехшарнирные схемы

Тип

(обозначение)

Схема Определяемые углы

Вопрос, который часто задают даже достаточно опытные пользователи ПС Старт,

имеющие дело со сложными пространственными трубопроводами: «Как определить поло-

жение плоскости стяжек в пространстве, зная угол раскрытия (поворота) плоского углового

компенсатора?». Плоские угловые компенсаторы – это компенсаторы, у которых ось враще-



l l

ния лежит в плоскости, образуемой стяжками, и направлена перпендикулярно оси трубопро-

вода (рис. 17).

Рис. 17. Схема работы плоского углового

компенсатора со стяжками

Пусть в точке С прямого участка трубопровода имеется угловой компенсатор. В ре-

зультатах расчета (таблица деформации компенсаторов) определен угол его поворота в

проекциях на центральные оси координат θ

, θ

Величина угла определяется по форму-

ле (рис. 18, а).

222

ZYX





Она должна быть меньше допустимого значения угла поворота по каталогу с учетом

(в случае необходимости) предварительной растяжки (поворота на заданный угол в сторону,

противоположную воспринимаемому угловому перемещению).

Когда выполнялся расчет, угловой компенсатор рассматривался как пространствен-

ный с углами поворота в двух взаимно перпендикулярных плоскостях (кручение исключа-

лось). Иначе было бы невозможно определить плоскость, в которой должна лежать поворот-

ная ось плоского шарнира.

а) б)

Рис. 18. К определению плоскости стяжек

Известны проекции участка трубопровода ВС (или СD) на координатные оси X

, Y

(рис.18,б). Требуется определить положение плоскости стяжек, которая должна обеспе-

чить его поворот компенсатора на угол θ. Графически угол поворота θ представляет собой

вектор, глядя с конца которого увидим поворот против часовой стрелки. Через линию

действия этого вектора и ось трубопровода ВD проводим искомую плоскость (рис. 18,б).

Положение этой плоскости в пространстве определяет перпендикулярный к ней вектор Ā.

Его проекции на оси координат вычисляются следующим образом

YZX

ZYA







;

ZYY

XZA







;

XYZ

YXA







Рекомендуется действовать в такой последовательности. Сначала определить про-

екции

, а затем построить плоскость, перпендикулярную вектору Ā и про-

ходящую через ось трубопровода (прямая ВD на рис. 18,б). Это и есть искомая плос-

кость, в которой должна лежать ось шарнира.

В отличие от плоских угловых компенсаторов, пространственные компенсаторы

карданного типа (рис.6, б) имеют две поворотных оси. Угол поворота



по результатам

расчета определяется точно также, но проблемы с ориентацией стяжек в пространстве

здесь нет. Компенсаторы более надежны в работе, поскольку их конструкция избавляет

от случайного заклинивания, характерного для шарниров с одной поворотной осью.

3.6. Универсальные компенсаторы

В каталогах на сильфонные компенсаторы помимо рассмотренных выше разно-

видностей встречается еще одна – компенсатор универсальный. Такой компенсатор уст-

раняет в сечении трубопровода три линейных связи (вдоль и поперек оси трубопровода)

и две угловых. Таким образом, из шести внутренних связей остается только одна - угло-

вая вокруг оси трубопровода.

Рис. 19. Универсальный компенсатор

[Δ

]

б)

а)