Что такое жесткость компенсатора

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

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

Сильфонные компенсаторы. Термины и определения.

ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ

Амплитуда осевого (рабочего) хода, λ-1 – величина перемещения присоединительных поверхностей сильфонного компенсатора (сильфонного компенсационного устройства) от нейтрального положения до минимального и максимального, равная половине полного рабочего хода (см. далее).

Вероятность безотказной работы: это вероятность того, что в пределах назначенной наработки или назначенного срока службы отказ сильфонного компенсатора (сильфонного компенсационного устройства) не возникнет.

Герметичность – способность сильфонного компенсатора (сильфонного компенсационного устройства) и отдельных их элементов и соединений препятствовать газовому или жидкостному обмену между разделенными средами.

Жесткость осевая, Сλ – сопротивление силе в сильфонном компенсаторе, необходимой для достижения сдвига, осевого или углового хода [ГОСТ 25756-83, термин 29].
Исправное состояние (исправность) сильфонного компенсатора (сильфонного компенсационного устройства) – состояние объекта, при котором он соответствует всем требованиям нормативно-технической и (или) конструкторской (проектной) документации [ГОСТ 27.002-89, статья 2.1].

Компенсирующая способность: свойство сильфонного компенсатора (сильфонного компенсационного устройства) допускать относительное движение соединяемых конструкций [ГОСТ 25756-83, статья 30]. Величина, равная полному осевому ходу.

Критерий предельного состояния – признак или совокупность признаков предельного состояния объекта, установленных нормативно-технической документацией и (или) конструкторской (проектной) документацией. [ГОСТ 27.002-89, статья 2.6]

Максимальное состояние сильфонного компенсатора (сильфонного компенсационного устройства) – наибольшая длина сильфонного компенсатора (сильфонного компенсационного устройства).

Минимальное состояние сильфонного компенсатора (сильфонного компенсационного устройства) – наименьшая длина сильфонного компенсатора (сильфонного компенсационного устройства).

Назначенная наработка – суммарная продолжительность работы сильфонного компенсатора (сильфонного компенсационного устройства), при достижении которой эксплуатация объекта должна быть прекращена независимо от его технического состояния.

Назначенный срок службы – календарная продолжительность эксплуатации, при достижении которой эксплуатация объекта должна быть прекращена независимо от его технического состояния [ГОСТ 32935-2014, пункт 3.1.7].

Наработка сильфонного компенсатора (сильфонного компенсационного устройства) – продолжительность работы сильфонного компенсатора (сильфонного компенсационного устройства) в циклах [ГОСТ 32935-2014, пункт 3.1.8].

Номинальное давление, PN – наибольшее избыточное рабочее давление при температуре проводимой среды 293К (20 °С), при котором обеспечивается заданный срок службы (ресурс) сильфонного компенсатора (сильфонного компенсационного устройства), имеющего определенные размеры, обоснованные расчетом на прочность при выбранных материалах и характеристиках их прочности при температуре 293К (20 °С).

Номинальный диаметр, DN – параметр, применяемый при описании трубопроводных систем, характеризующий признак при монтаже и подгонке друг к другу деталей трубопровода (труб, фитингов, арматуры, сильфонных компенсаторов, сильфонных компенсационных устройств).

Окружающая среда – среда, внешняя по отношению к сильфонным компенсаторам (сильфонным компенсационным устройствам), определяющая ряд эксплуатационных требований к сильфонным компенсаторам (например, герметичность), параметры которой (температура, давление, химический состав, влажность и др.) учитываются при установлении технических характеристик сильфонных компенсаторов (сильфонных компенсационных устройств).

Отказ – событие, заключающееся в нарушении работоспособного состояния объекта [ГОСТ 27.002-89, статья 3.3].

Осевой ход (полный рабочий ход), 2∙λ-1 – величина перемещения присоединительных поверхностей сильфонного компенсатора (сильфонного компенсационного устройства) от минимального состояния до максимального или наоборот.

Предельное состояние – состояние сильфонного компенсатора (сильфонного компенсационного устройства), при котором его дальнейшая эксплуатация недопустима или нецелесообразна.

Пробное давление, Рпр – избыточное давление, при котором следует проводить гидравлическое испытание сильфонного компенсатора (сильфонного компенсационного устройства) на прочность водой при температуре не менее 278К (5°С) и не более 313К (40°С), если в документации не указана другая температура.

Проводимая среда (теплоноситель) – среда, протекающая через сильфонные компенсаторы (сильфонные компенсационные устройства).

Работоспособное состояние – состояние объекта, при котором значения всех параметров, характеризующих способность выполнять заданные функции, соответствуют требованиям нормативной и (или) конструкторской (проектной) документации [ГОСТ 27.002-89, статья 2.3].

Рабочее давление, Рвн – наибольшее избыточное давление, при котором возможна длительная работа сильфонного компенсатора (сильфонного компенсационного устройства) при выбранных материалах и заданной температуре.

Распорное усилие, Pp – усилие, действующее на трубопровод и неподвижные опоры, обусловленное установкой осевых компенсаторов (сильфонных, сальниковых) и сильфонных компенсирующих устройств, при возникновении в трубопроводе избыточного давления.

Расчетная температура наружного воздуха для проектирования отопления – средняя температура наиболее холодных пятидневок из восьми наиболее холодных зим за 50 лет (справочная информация) по СП 131.13330.2012.

Ресурс – суммарная наработка сильфонного компенсатора (сильфонного компенсационного устройства) от начала эксплуатации до наступления предельного состояния.

Сильфон – осесимметричная упругая оболочка, разделяющая среды и способная под действием давления, температуры, силы или момента силы совершать линейные, сдвиговые, угловые перемещения или преобразовывать давление в усилие [ГОСТ 22743-85, термин 1].

Сильфонное компенсационное устройство (СКУ) – устройство, состоящее из одного или нескольких сильфонных компенсаторов, заключенных в корпус или ряд корпусов, обеспечивающих выполнение компенсаторами своих функций и защищающих компенсаторы от внешних воздействий.

Сильфонный компенсатор (СК) – устройство, состоящее из сильфона (сильфонов) и арматуры, способное поглощать или уравновешивать относительные движения определенной величины и частоты, возникающие в герметично соединяемых конструкциях и проводить в этих условиях пар, жидкости и газы [ГОСТ 25756-83, термин 1].

Система оперативного дистанционного контроля (СОДК) – система, предназначенная для контроля состояния теплоизоляционного слоя пенополиуретана предварительно изолированных трубопроводов и обнаружения участков с повышенной влажностью изоляции.

Срок службы – календарная продолжительность эксплуатации сильфонного компенсатора (сильфонного компенсационного устройства) от ее начала до наступления предельного состояния.

Стартовый сильфонный компенсатор (ССК) – сильфонное компенсационное устройство, срабатывающее один раз при пуске тепловой сети.

Цикл деформации сильфонного компенсатора (сильфонного компенсационного устройства) – единичный процесс перемещения одной присоединительной поверхности сильфонного компенсатора (сильфонного компенсационного устройства) относительно другой и возвращение их в исходное положение [ГОСТ 25756-83, термин 40].

Эффективная площадь, Sэф – площадь поперечного сечения сильфона, соответствующая среднему диаметру гофров.

Источник