Сильфонный компенсатор для магистральных трубопроводов

Изобретение относится к трубопроводному транспорту и может использоваться в системах энергетики, машиностроения. Во впадинах гофр сильфонного компенсатора расположены подкрепляющие кольца. Гофры и подкрепляющие кольца выполнены из армированного композиционного материала, при этом боковая поверхность подкрепляющего кольца выполнена выпуклой, например торообразной формы, а основные геометрические параметры системы подкрепляющего кольца и гофра должны удовлетворять соотношениям приведенной математической зависимости. Повышает надежность сильфонного компенсатора без снижения диапазона его осевой компенсации. 11 ил., 1 табл.

 

Изобретение относится к машиностроению и может найти применение в системах энергетики, трубопроводных конструкциях и других областях народного хозяйства.

Известны металлические сильфонные компенсаторы, используемые в трубопроводных конструкциях, при этом компенсаторы, применяемые в магистралях с высокими давлениями, имеют подкрепляющие кольца (см. кн.: Гусенков А.П. и др. "Унифицированные гибкие элементы трубопроводов". М., 1988).

В качестве прототипа выбран армированный сильфон, выполненный из эластичного материала с утолщениями в гребнях гофров, а во впадинах установлены армирующие кольца с V-образной формой поперечного сечения, вершина которого обращена к оси сильфона, причем наружный диаметр армирующих колец больше наружного диаметра гофров (изобретение SU 1536110 А1). Исходя из краткого описания конструкции армированный сильфон может быть использован только при существенно ограниченном диапазоне осевой компенсации, когда зазор между армирующими кольцами имеет малую величину, достаточную для подкрепления гребней гофров при действии давления. Такая конструкция не может быть использована в магистральных трубопроводах при высоких давлениях и значительном диапазоне требуемых осевых в магистральных трубопроводах компенсаций.

Основной задачей настоящего изобретения является создание конструкции сильфонного компенсатора из композиционных материалов для магистральных трубопроводов высокого давления, которая обеспечивает надежную работоспособность при увеличении компенсирующего диапазона без увеличения габаритов сильфона.

Технический результат, который может быть получен от использования нового технического решения: при использовании сильфонного компенсатора для магистральных трубопроводов, имеющего гофры с расположенными во впадинах гофр подкрепляющими кольцами, отличающегося тем, что гофры и подкрепляющие кольца выполнены из армированного композиционного материала, при этом боковая поверхность подкрепляющего кольца выполнена выпуклой (например, торообразной формы), а основные геометрические параметры системы подкрепляющего кольца и гофра должны удовлетворять соотношениям

B_в≥(t_min+B_max)·(1-sinβ_в),

где S_к - длина образующей боковой стенки подкрепляющего кольца;

t_min - расстояние между боковыми поверхностями соседних подкрепляющих колец при максимально допустимом сжатии сильфона;

β_о - угол в радианах между касательной к боковой поверхности в основании сечения подкрепляющего кольца и осью вращения сильфона;

β_в - угол в радианах между касательной к боковой поверхности верхней части сечения подкрепляющего кольца и осью вращения сильфона;

Р - длина средней линии изменяемого сечения гофра между основаниями соседних подкрепляющих колец;

В_max - максимальная ширина сечения подкрепляющего кольца;

В_в - ширина верхней части сечения подкрепляющего кольца;

h - толщина гофра.

На фиг.1-3 представлено в трех рабочих положениях (при различных степенях растяжения-сжатия) сечение предлагаемой конструкции компенсатора.

На фиг.4 представлена геометрическая схема предлагаемой конструкции.

На фиг.5-8 представлено при различных степенях растяжения-сжатия сечение сильфонного компенсатора из КМ с подкрепляющими кольцами прямоугольного сечения.

На фиг.9-11 представлено при различных степенях растяжения-сжатия сечение сильфонного компенсатора из КМ с подкрепляющими кольцами трапецеидального сечения.

Сильфонный компенсатор (фиг.2) состоит из гофров и подкрепляющих колец 3, расположенных во впадинах гофров. При этом гребень гофра состоит из двух частей: одна часть гофра 1 является свободной, вторая часть 2 контактирует с подкрепляющим кольцом. При растяжении-сжатии компенсатора под давлением длины частей гофра 1 и 2 изменяются, но их суммарная длина остается постоянной.

На фиг.1-3 представлено в трех рабочих положениях (при максимальном сжатии (фиг.1), в среднем положении (фиг.2), при максимальном растяжении (фиг.3)) сечение предлагаемой конструкции компенсатора, у которого гофры и подкрепляющие кольца выполнены из армированного композиционного материала. Боковая поверхность подкрепляющего кольца 3 выполнена выпуклой и в сечении имеет "бочкообразную" форму, а основные геометрические параметры системы подкрепляющего кольца и гофра удовлетворяют приведенным выше соотношениям.

При работе компенсатора из КМ образующая свободной поверхности гофра 1 под давлением практически принимает форму части окружности, радиус которой зависит от величины расстояния между подкрепляющими кольцами при растяжении-сжатии сильфонного компенсатора. При сжатии компенсатора поверхность контакта с боковой стенкой подкрепляющего кольца увеличивается, при растяжении - уменьшается (вплоть до нуля при предельном растяжении).

На фиг.1 показано, что в данной конструкции при максимальном сжатии участок 2 контактирует с подкрепляющим кольцом 3 по всей боковой поверхности. При этом исключается перегиб гофра на вершине сечения подкрепляющего кольца 3 путем плавного сопряжения в зоне А (фиг.1) участков гофра 1 и 2. При растяжении компенсатора максимальное раскрытие гофра определяется из условия плавного сопряжения гофра с боковой поверхностью подкрепляющего кольца 3 на минимальном радиусе без "распрямления" угла в основании сечения кольца (фиг.3). В этом случае длина контактирующей с кольцом части гофра равна нулю.

Для вывода приведенных выше зависимостей, при выполнении которых обеспечивается плавное сопряжение в зоне А двух участков 1, 2 гофра, на фиг.4 представлены в сечении: половина гофра с участками 1, 2 и половина подкрепляющего кольца 3 сильфонного компенсатора из КМ в максимально сжатом состоянии. Поскольку разрушающее давление сильфонного компенсатора для магистральных трубопроводов в несколько раз превышает максимальное рабочее, можно считать, что в диапазоне рабочих давлений длина сечения гофра Р (по средней линии между подкрепляющими кольцами, включая участки 1 и 2) при растяжении (сжатии) сильфона остается постоянная. Полупериметр P₀₅ состоит из двух участков: свободного 1 с радиусом R_г по средней линии и контактирующего 2 с образующей боковой поверхности подкрепляющего кольца 3 длиной S_c также по средней линии. Длина полупериметра сечения гофра

Длина средней линии S_c может быть выражена через длину боковой линии сечения кольца S_к

здесь β_о, β_в - углы в радианах между касательной к боковой поверхности в нижней части и верхней части сечения подкрепляющего кольца осью вращения сильфона соответственно;

h - толщина гофра.

Длина отрезка с может быть выражена как через параметры свободного участка гофра 1, так и через параметры подкрепляющего кольца 3

c=(R_г+h/2)sinβ_в,

c=t_min/2+(B_max/2-B_в/2),

здесь t_min - минимально допустимый зазор между соседними кольцами в сжатом состоянии (минимальная величина может быть равна двум толщинам гофра);

B_max, B_в - максимальная ширина сечения кольца и ширина сечения в вершине.

Из формул для параметра с определяется радиус R_г

Из выражений (1)-(3) окончательно получаем соотношение, которому должны удовлетворять геометрические параметры подкрепляющего кольца при заданных основных параметрах гофра (сечения по средней линии и толщины)

Кроме того, чтобы исключить контакт между соседними гофрами в крайних боковых точках сечения D, D' при максимальном сжатии сильфона, необходимо, чтобы точка D сечения свободной части гофра (фиг.4) не выходила за пределы линии симметрии сечения кольца, то есть должно быть выполнено условие

С помощью выражений (3), (4) данное условие запишется в виде

Соотношения (4), (5) определяют геометрические параметры сечения подкрепляющего кольца, при выполнении которых исключается перегиб гофра на максимальном радиусе кольца.

Максимально допустимое растяжение гофра (без "распрямления" угла в основании сечения подкрепляющего кольца в зоне Б) определяется углом β_о между касательной к боковой поверхности в основании сечения подкрепляющего кольца и осью вращения сильфона (фиг.4).

Для сравнения с предлагаемой конструкцией на фиг.5-11 приведены сечения компенсаторов из КМ с подкрепляющими кольцами 3, боковые поверхности которых выполнены плоскими (прямоугольное сечение, фиг.5-7) или конусными (в сечении - трапеция, фиг.8-10).

При сжатии компенсатора с подкрепляющим кольцом прямоугольного сечения (фиг.5) возможны резкие перегибы гофра ("излом") в зоне стыка частей гофра 1 и 2 (зона А). При растяжении компенсатора возможно также резкое изменение кривизны гофра ("распрямление" начального угла) в основании сечения кольца (зона Б, Фиг.8). При многоцикловом растяжении-сжатии компенсатора в процессе работы может наступить преждевременное разрушение. Для такой конструкции необходимо существенно уменьшить диапазон изменения ширины гофра таким образом, чтобы в пределах диапазона компенсации направление сечения в точке стыка свободной части гофра 1 с контактирующей частью 2 в точке контакта с боковой поверхностью располагалось по касательной к боковой стенке подкрепляющего кольца. Пределы допустимого диапазона растяжения-сжатия, определенные таким образом, представлены на фиг.6 и 7. При этом восполнение компенсирующего диапазона компенсатора в целом влечет за собой увеличение количества гофр и, соответственно, увеличение общей длины сильфона.

Коническая форма боковой стенки подкрепляющего кольца позволяет исключить "излом" гофра при сжатии (фиг.9). Однако для исключения перегибов гофра у основания сечения кольца в зоне Б (фиг.11) необходимо уменьшить (по сравнению с прямоугольным сечением кольца) максимальное растяжение гофра (фиг.10), чтобы направление сечения гофра было расположено по касательной к боковой стенке подкрепляющего кольца. Использование трапецеидального сечения кольца при сохранении компенсационной способности сильфона в целом также требует увеличения количества гофр и увеличения общей длины сильфона.

Ниже в таблице приведены расчетные данные по допустимым диапазонам компенсации одного гофра для рассмотренных конструкций сильфонных компенсаторов. Длина средней линии Р сечений гофров для всех конструкций принята одинаковой. В таблице значения периода Т расположения гофров по длине сильфона в крайних точках допустимого диапазона компенсации и в среднем положении отнесены к длине средней линии Р сечения гофра.

Форма сечения подкрепляющего кольца	Относительный период расположения гофров по длине сильфона Т/Р	Допустимый диапазон компенсации	Диапазон компенсации относительно конструкции с прямоугольным сечением подкрепляющего кольца
	Тmin/Р	Тax/P	Тср/р
Прямоугольная	0,576	0,830	0,703	±0,127	1
Трапецеидальная	0,271	0,697	0,484	±0,213	1,68
"Бочкообразная"	0,240	0,942	0,591	±0,351	2,76

Из таблицы видно, что предлагаемая конструкция сильфона существенно увеличивает допустимый диапазон компенсирующей способности сильфона (в 2,76 раза относительно сильфона с прямоугольным сечением подкрепляющих колец).

Таким образом, использование данного технического решения позволит повысить надежность работы сильфонного компенсатора для магистральных трубопроводов, в котором гофры и подкрепляющие кольца выполнены из армированного композиционного материала, при минимальных габаритах с обеспечением требуемой величины компенсирующего диапазона.

Сильфонный компенсатор для магистральных трубопроводов, имеющий гофры с расположенными во впадинах гофр подкрепляющими кольцами, отличающийся тем, что гофры и подкрепляющие кольца выполнены из армированного композиционного материала, при этом боковая поверхность подкрепляющего кольца выполнена выпуклой (например, торообразной формы), а основные геометрические параметры системы подкрепляющего кольца и гофра должны удовлетворять соотношениям

B_в≥(t_min+B_max)·(1-sinβ_в),

где S_к - длина образующей боковой стенки подкрепляющего кольца;

t_min - расстояние между боковыми поверхностями соседних подкрепляющих колец при максимально допустимом сжатии сильфона;

β_о - угол в радианах между касательной к боковой поверхности в основании сечения подкрепляющего кольца осью вращения сильфона;

β_в - угол в радианах между касательной к боковой поверхности верхней части сечения подкрепляющего кольца осью вращения сильфона;

Р - длина средней линии изменяемого сечения гофра между основаниями соседних подкрепляющих колец;

B_max - максимальная ширина сечения подкрепляющего кольца;

В_в - ширина верхней части сечения подкрепляющего кольца;

h - толщина гофра.