7.3.3.Компенсаторы

Все трубопроводы при изменении температуры транспортируемого продукта и окружающей среды подвержены температурным деформациям (удлинению, укорочению).

Вследствие теплового удлинения в трубопроводе возникают значительные продольные усилия, которые оказывают давление на конечные закрепленные точки (опоры), стремясь сдвинуть их с места. Эти усилия настолько значительны, что могут разрушить опоры 1 (рис. 7.15.а), вызвать продольный изгиб трубопровода 2 или привести к нарушению фланцевых и сварных соединений.

Для защиты трубопровода от дополнительных нагрузок, возникающих при изменении температуры, его проектируют и конструктивно выполняют так, чтобы он мог свободно удлиняться при нагревании и укорачиваться при охлаждении без перенапряжения материала и соединительных труб. Способность трубопровода к деформации под действием тепловых удлинений в пределах допускаемых напряжений в материале труб называется компенсацией тепловых удлинений.

Способность трубопровода компенсировать тепловые удлинения за счет конфигурации участка линии к упругих свойств металла без специальных устройств, встраиваемых в трубопровод, называется самокомпенсацией (рис. 7.17.б). Самокомпенсация осуществляется благодаря тому, что в линии трубопровода 2, кроме прямых участков между неподвижными опорами 1, имеются повороты или изгибы (отводы). Расположенный между двумя прямыми участками поворот или отвод обеспечивает компенсацию значительной части удлинения благодаря эластичности конструкции, а остальная часть компенсируется за счет упругих свойств металла прямого участка трубопровода.

1 2

а

4

1 2

1 3 5 2

б в

Р ис. 7.17. Деформации трубопровода и их компенсация:

а – трубопровода без компенсатора, б – самокомпенсация Z-образного трубопровода,

в – трубопровода с П-образным компенсатором;

1 – неподвижная опора, 2 – трубопровод, 3 – направляющая опора,

4 – пружинная подвеска, 5 – П-образный компенсатор

В зависимости от конструкции, принципа работы компенсаторы делятся на П-образные, линзовые, волнистые и сальниковые.

П-образные компенсаторы, обладающие большой компенсирующей способностью (до 700 мм), широко применяют при надземной прокладке технологических трубопроводов независимо от их диаметра. Преимущества таких компенсаторов – простота изготовления и удобство эксплуатация; недостатки – повышенное гидравлическое сопротивление, большой расход труб, значительные размеры к необходимость сооружения дополнительных опорных конструкций.

П-образные компенсаторы изготовляют с применением гнутых (рис. 7.18.а), крутоизогнутых (рис. 7.18.б) и сварных (рис. 7.18.в) отводов. П-образные компенсаторы в зависимости от соотношения длин прямого участка спинки Р и прямого участка имеют различную компенсирующую способность.

^{P P P}

h h h

а б в

Рис. 7.18. П-образные компенсаторы с отводами:

а – гнутыми; б – крутоизогнутыми; в – сварными

Линзовые компенсаторы (рис. 7.19.а) состоят из нескольких последовательно включенных в трубопровод линз. Линза сварной конструкции состоит из двух тонкостенных стальных штампованных полулинз 1 и благодаря своей форме легко сжимается. Компенсирующая способность каждой линзы сравнительно небольшая (58 мм). Число линз компенсатора выбирают в зависимости от его необходимой компенсирующей способности. Чаще всего применяют компенсаторы, состоящие из трех или четырех линз. Чтобы уменьшить сопротивление движению рабочей среды, внутри компенсатора помещают стаканы 3 (рис. 7.19.б).

Компенсаторы со стаканами используют на прямых участках трубопроводов для восприятия только осевых нагрузок, а компенсаторы без стаканов применяют в тех случаях, когда они работают в качестве шарниров. На горизонтальных участках трубопроводов конденсаторы устанавливают с дренажными штуцерами 2, которые вваривают в нижних точках каждой линзы. Для восприятия распорных усилий, возникающих в трубопроводах, приваривают стяжки 5 (рис. 7.19.в).

Линзовые компенсаторы применяют на Р_у до 2,5 МПа для трубопроводов Д_у от 100 до 1600 мм, транспортирующих неагрессивные и малоагрессивные вещества. К трубопроводам линзовые компенсаторы присоединяют на сварке или на фланцах. Преимущества линзовых компенсаторов по сравнению с П-образными – небольшие размеры и масса; недостатки – небольшие допускаемые давления, малая компенсирующая способность и большие распорные усилия, передаваемые на неподвижные опоры.

1

3

2

а б

4 5

в

Рис. 7.19. Линзовые компенсаторы:

а – трехлинзовый без стакана, б – трехлинзовый со стаканом, в – сдвоенный со стяжкой; 1 – полулинза, 2 – штуцер, 3 – стакан, 4 – тяга, 5 – стяжка

Волнистые компенсаторы – наиболее совершенные устройства, обладающие большой компенсирующей способностью и небольшими габаритами. Основная отличительная особенность волнистых компенсаторов по сравнению с линзовыми – гибкий элемент, представляющий собой эластичную и прочную гофрированную оболочку. Гибкий элемент в зависимости от направления нагрузки, прикладываемой к его концам, получает деформации различного характера (рис. 7.20): сжатие, растяжение, изгиб, смещение оси.

В зависимости от назначения и условий эксплуатации волнистые компенсаторы изготовляют различных типов: осевые, угловые, шарнирные и т.д.. Компенсаторам каждого основного типа соответствует определенный характер деформации гибкого элемента. Гибкий элемент осевых компенсаторов работает на сжатие и растяжение вдоль продольной оси на величину /2 по отношению к его начальному положению.

а г

б

д

в

Р ис. 7.20. Схемы деформации гибкого элемента

волнистого компенсатора:

а – начальное положение; б – сжатие по продольной оси; в – растяжение по продольной оси; г – изгиб под углом; д – смещение продольной оси при параллельности плоскостей

Волнистые компенсаторы предназначены для работы при температуре от -70 до +700 °С на Р_у до 6,3 МПа. Применение волнистых компенсаторов вместо П-образных сокращает расход труб и тепловой изоляции на 1525%. снижает гидравлическое сопротивление и уменьшает количество опор и опорных конструкций, поддерживающих трубопровод. По сравнению с линзовыми компенсаторами волнистые имеют более широкий диапазон допускаемых давлений, большую компенсирующую способность и значительно меньшие продольные усилия, передаваемые на неподвижные опоры.

Сальниковые компенсаторы (рис. 7.21) представляют собой трубу 1, вставленную в корпус 4. В зазоре между ними установлено уплотнительное кольцо 3 с грундбуксой 2. По конструкции тальниковые конденсаторы подразделяют на одно- и двусторонние. Компенсаторы соединяются с трубопроводом на сварке или на фланцах. Сальниковые компенсаторы изготовляют на Р_у до 1,6 МПа, температуру до 300°С и Д_у от 100 до 1000 мм.

1 2 3 4

Рис. 7.21. Сальниковый компенсатор:

1 – труба; 2 – грундбукса; 3 – уплотнительное кольцо;

4 – корпус компенсатора

Сальниковые компенсаторы отличаются высокой компенсирующей способностью, небольшими размерами. Однако из-за трудности герметизация сальниковых уплотнений в технологических трубопроводах их применяют редко, а для трубопроводов горючих, токсичных и сжиженных газов их использование не допускается. Основные недостатки сальниковых компенсаторов – необходимость систематического наблюдения и ухода за ними в процессе эксплуатации, сравнительно быстрый износ сальниковой набивки и. как следствие, отсутствие надежной герметичности.