Эксплуатационный ресурс сильфонных компенсаторов Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 62-45

ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЙ РЕСУРС СИЛЬФОННЫХ КОМПЕНСАТОРОВ

С.А. Глебович

Показано значение определения эксплуатационного ресурса сильфонных компенсаторов. Цель работы - установить, насколько важно знать эксплуатационный ресурс сильфонных компенсаторов. Стремительное развитие техники активизирует потребность разработки и производства большого числа разных конструкций арматуры с целью наиболее разнородных условий работы. Диапазоны температур, давлений, вязкостей и прочих свойств, используемых различных сред, в которых функционирует арматура, постоянно расширяются, поэтому проблем, несмотря на огромное число производимых экспериментальных и теоретических исследований, становится все больше. Конструктор обязан, прежде всего, учитывать обстоятельства работы арматуры и гарантировать надёжность конструкции. Для того чтобы изделие было пригодным к использованию, его необходимо грамотно спроектировать и рассчитать его рабочий ресурс.

Ключевые слова: компенсатор, сильфон, давление, ресурс, трубопровод, эксплуатационный, рабочий, температура, цикл.

Техническая модернизация трубопроводов в нефтегазовой области с целью увеличения их надёжности и сокращения затрат на сооружение и использование в настоящее время не утратила собственной актуальности. Значимым резервом сокращения капитальных расходов, увеличения надёжности работы трубопроводов и оборудования является использование в них специализированных устройств для компенсации температурных деформаций. В последние годы для этих целей начали использоваться силь-фонные компенсаторы, имеющие существенные технико-экономические преимущества перед компенсирующими устройствами прочих видов. Они не только компенсируют изменения длин трубопроводов из-за перепада температур, но и осуществляют прочие значимые функции [2, 4].

Металлические сильфоны находят обширное употребление в промышленности при решении всевозможных промышленных вопросов. Они применяются в качестве гибких чувствительных составляющих в устройствах разного назначения, осуществляют функции компенсаторов тепловых расширений трубопроводов, разделителей сред, герметичных уплотнителей и др. В нефте- и газопроводах используются многочисленные типы сильфонных компенсаторов - осевые, сдвиговые, угловые, универсальные [1,3].

Особенный интерес представляют задачи обеспечения безопасности эксплуатации разнородных соединений сильфонных компенсаторов с трубопроводами. Для подобных соединений характерна выраженная разнородность качеств, обусловленная диффузионными и закалочными действиями при сварке и эксплуатации[1].

409

Конструктивное выполнение сильфонов может быть различным. Однако наиболее широко применяются бесшовные сильфоны, изготовленные из однослойных тонкостенных трубок (рис. 1, а). Для увеличения прочности, атакже для защиты от агрессивных сред применяют много-слойныесильфоны. Также используют сварные сильфоны, изготовленные из штампованных кольцевых мембран (рис. 1, б) [1]

а б

Рис.1. Сильфоны: а - бесшовный; б - сварной

Сильфоны представлены крайне ответственными компонентами устройств. Период работы и надёжность сильфонов, как норма, обусловливается сроком службы и надёжностью работы устройств и изделий в целом. Особенное внимание уделяется в настоящее время проблемам расчёта и проектирования сильфонов [1,3].

Изготовление более пригодных сильфонных компенсаторов, которые имели бы возможность вынести давление в системе и обладать наибольшим сроком эксплуатации, зависит от устройства сильфона и подбора материала[5].

Для невысоких и средних значений давления и температуры силь-фоны могут быть однослойными, а при их применении в условиях высоких температур и давлений они должны быть двухслойными. Это объясняется тем, что гибкий участок перераспределяет напряжённость по слоям, уровень напряжений в многослойных сильфонах значительно ниже, чем в однослойных сильфонах.

Толщина стенки сильфонов определяется в результате расчётов. Сопротивление материала, вид гофры и ее диаметр, а также слой стенки сильфона формируются в соответствии с длиной сильфона. Согласно критерию повышения величины расширения противодействие гибкой части убавляется, а способность к изгибу возрастает [5].

Одним с главных параметров работы сильфонного компенсатора является рабочий ресурс, установленный числом циклов работы, которые он имеет возможность вынести до разрушения. С целью контроля изделий на надёжность проводят технически сложные проверки образцов продукта.

410

В первую очередь нужен безошибочный расчёт всех технических характеристик, напрямую воздействующих на надёжность и долговечность сильфона, которые имеют высокие статистические характеристики корреляции с экспериментальными значениями. Для наиболее чёткого расчёта напряжённого состояния имитируют и адаптируют для компьютерной реализации схемы сильфона, изготовленные различными методами. Компенсаторы проверяют гидравлическим способом[6].

Эксплуатационный ресурс металических сильфонов зависит с различных рабочих обстоятельств, таких, как высокая температура и высокое давление. Даже при подобных условиях очень маловероятно, чтобы силь-фоны разрывались. Тем не менее, чтобы устранить это, изготовляют силь-фоны с десятикратным резервом прочности относительно номинального давления.

Ресурс сильфонных компенсаторов составляет 5000 циклов при условии службы в пределах возможных уровней смещения. Эксплуатационный ресурс зависит от превышения максимальных значений смещения. Для установления ресурса сильфонных компенсаторов проектанты должны выполнить правильный расчёт и принимать во внимание специфику рабочих условий [5].

Можно выделить ряд факторов, условий, оказывающих большое влияние на эксплуатационный ресурс, которые должны быть пересмотрены индивидуально при подборе соответственного вида сильфонного компенсатора.

Это следующие факторы:

- температура;

- величина смещения;

- рабочее давление;

- предварительное растяжение;

- продолжительность цикла напряжений;

- гидроудар и повышение давления;

- термический удар;

- коррозия.

Рабочая температура является одним с более значимых условий, которые оказывает большое влияние на эксплуатационный ресурс. Сопротивление материалов меняется обратно пропорционально увеличению температуры. Данное требование следует принимать во внимание при установлении номинального давления.

Величина компенсации является ещё одним не меньше значимым условием, как и температура. Все сильфонные компенсаторы производятся в расчёте на 5000 циклов при абсолютном рабочем процессе; если сильфо-ны функционируют в обстоятельствах неполного хода, в таком случае это может обозначать, что сильфонный компенсатор функционирует с превышением 5000 рабочих циклов. В ходе проектирования, если необходим бо-

411

лее продолжительный действующий ресурс компенсатора, допустимое число смещений должно быть больше. Этого можно достичь, подобрав сильфонные компенсаторы из класса наиболее высоких давлений либо с большим, чем обычное число, количеством гофр.

Давление меньше, чем номинальное, оказывает положительное воздействие на источник работы компенсатора. Согласно критерию сокращения рабочего давления эксплуатационный ресурс возрастает.

Сильфонные компенсаторы устанавливаются в трубопроводах с предварительным растяжением. Такого рода способ предоставляет возможность компенсаторам действовать в границах возможных смещений более продуктивно [5].

Приведённаяна рис. 2 диаграмма может помочь определить, как изменяется эксплуатационный ресурс, когда сильфонный компенсатор работает при разных степенях расширения. Видно, что сильфонный компенсатор достигает 8800 рабочих циклов при условии работы с 50%-й степенью расширения, с другой стороны, если степень расширения превышает установленное значение на 20% (120%), то эксплуатационный ресурс сокращается до 2350 циклов.

Рис.2. Эксплуатационный ресурс сильфонного компенсатора

412

Пока влияние напряжений происходит в границах возможных значений, колебание цикла напряжений никак не провоцирует значимого изменения в системе, кроме определённых специальных ситуаций. В случае если сильфонный компенсатор применяется во избежание вибрации, смещения никак не достигают наибольшего значения, и это не накладывает практически никаких ограничений на ресурс системы.

Рабочее давление сильфонного компенсатора должно формироваться, отталкиваясь из наибольшего давления, что появляется в ходе работы системы. Если установить максимальное давление возможмо, в таком случае рекомендовано подобрать сильфонный компенсатор из верхнего класса давления.

Насосы могут спровоцировать скачки давления, а стремительное закрытие клапанов может послужить причиной увеличения давления. Влага, которая конденсируется в трубопроводах, может послужить причиной ударов при перезапуске. В данных случаях, во избежание вероятных неисправностей в трубопроводе, рекомендовано использовать многослойные сильфонные компенсаторы.

Кратковременные тепловые перемены, и в особенности чрезмерное увеличение и упадок температуры, увеличивают усталость материала быстрее, чем в обычных обстоятельствах. Временами проблема может быть разрешена с помощью применения предохранительной оболочки. Для конструкций, по которым транспортируются газообразные и твёрдые вещества, доступны, кроме того, собственные специализированные методы.

Материалы для сильфонных компенсаторов должны быть отобраны в согласовании с жидкостями, текущими через трубопроводы. В другом случае со временем может появиться ржавчина материала. Для того чтобы избежать дефектов, необходимо принимать во внимание в том числе и коррозийное влияние моющих средств [5].

Таким образом, сильфонные компенсаторы являются продуктами высокого уровня технической разработки и выполняют весьма значимые задачи при установке в трубопроводах. Следовательно, их следует постоянно подвергать испытанию и контролировать.

Долговечность сильфона обусловливается числом циклов, которые он имеет возможность произвести вплоть до разрушения. Порча сильфона вызывается зачастую напряжениями, которые неоднократно появляются на сгибе материала.Разрушение зависит от величины этих напряжений. Напряжения в сильфоне формируются функционирующим давлением среды и прогибом сильфона.

Знать эксплуатационный ресурс сильфонных компенсаторов важно. Точный расчёт сильфонных компенсаторов и последующая правильная их установка даёт возможность в два раза уменьшить нагрузку на трубопровод, при этом значительно возрастает его рабочий ресурс. Помимо этого, благодаря установке таких компенсаторов значительно возрастает период работы трубопроводов и понижается возможность происхождения аварийных ситуаций. Погрешности в работе при конструировании и изготовлении

сильфонного компенсатора могут послужить причиной к нежелательным последствиям при его эксплуатации. Имеются и используются аналитические способы расчёта сильфонов. Необходимо иметь в виду, что формулы и графики предоставляют приближенные величины жёсткости и прочности и на практике могут иметь место отклонения от приобретённых расчётным путём данных. При назначении сроков службы СК необходимо также принимать во внимание климатологические данные, тип прокладки и конструктивные особенности компенсаторов.

Список литературы

1. Андреева Л.Е. Сильфоны. Расчёт и проектирование. М.: Машиностроение, 1975.

2. Болотин В. В. Динамическая устойчивость упругих систем. М.: Гостехиздат, 1956.

3. Бурцев К.Н. Металлические сильфоны.М.;Л.,Машгиз, 1963.

4. Гуревич Д.Ф. Расчёт и конструирование трубопроводной арматуры: расчёт трубопроводной арматуры. 5-е изд. М.: ЛКИ, 2008.

5. Сильфонные компенсаторы. [Электронный ресурс]. URL http: //santermo.ru/ (дата обращения: 14.09.2017).

6. Испытания сильфонных компенсаторов. [Электронный ресурс] URL http://ros-pipe.ru/ (дата обращения: 14.09.2017).

7. Эксплуатация сильфонных компенсаторов. [Электронный ресурс] URL http://skyprom.ru/ (дата обращения: 14.09.2017).

Глебович Станислав Александрович, асп., stivgl@,mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет

SER VICE LIFE OF BELL O WS EXPANSION JOINTS S. A. Glebovich

This paper describes the importance of determining the service life of bellows expansion joints. The aim of this work is to find out how important it is to know the service life of bellows expansion joints. The rapid development of technology will intensify the need for the development and production of a large number of different designs of valves for the most diverse working conditions. Temperature ranges, pressures, viscosities and other properties used by the various media, which operates the valves, is constantly expanding, so the number of difficulties, despite the huge number of produced experimental and theoretical studies, is increasing all the time. The designer must take into account the circumstances of valve and ensure the reliability of the design. That products were suitable for consumption, it is necessary to properly design and calculate its working life.

Keywords:compensator, bellows, pressure, resource, pipeline, operational, working, temperature, cycle.

Glebovich Stanislav Aleksandrovich, postgraduate, stivgl@,mail.ru, Russia, Tula, Tula state university