СИЛЬФОННЫЙ КОМПЕНСАТОР ДЕФОРМАЦИЙ ТРУБОПРОВОДОВ Российский патент 1998 года по МПК F16L51/02 

Изобретение относится к трубопроводной технике, а именно к устройствам для соединения высоконапорных магистральных трубопроводов преимущественно большого диаметра (более 150 мм) газовой и нефтеперерабатывающей промышленности, и предназначено для осевой компенсации тепловых расширений, а также рабочих и монтажных смещений.

Известны сильфоны металлические однослойные компенсаторные, армированные кольцами (ГОСТ 24553-81 и ГОСТ 24554-81). Указанные сильфоны представляют собой металлическую трубу, состоящую их кольцевых гофр, имеющих линзовый профиль. Наружные поверхности гофр по впадинам армированы кольцами. Причем отношение радиуса профиля впадин к радиусу профиля выступов гофр лежит в диапазоне 0,6. ..1,0, а профиль армирующих колец образован двумя параллельными прямыми, сопряженными по радиусу, равному радиусу профиля впадин гофр.

К недостаткам данных сильфонов следует отнести сравнительно невысокое максимальное допустимое рабочее внутреннее давление, а также невысокую амплитуду осевого хода гофр компенсатора, что обусловлено неоптимальной взаимной геометрией профилей гофр и армирующих колец.

Известен волнистый осевой компенсатор КВО (Компенсаторы волнистые, их расчет и применение. - М. : ВНИИОЭНТ, 1965, с. 47-49, рис. 20,а). Данный компенсатор содержит два патрубка, соединенных цельнометаллической гофрированной трубой, во впадинах гофр которой установлены съемные полукольца, стянутые болтами, предохранительный кожух, охватывающий гофрированную трубу с армированными полукольцами. Кожух одним концом жестко скреплен с одним из патрубков. Компенсатор содержит также направляющую внутреннюю обечайку, одним концом закрепленную на внутренней поверхности одного из патрубков. Профиль гофрированной трубы может иметь вид выполненных по радиусу выступов и впадин, сопряженных прямыми линиями, наклоненными под углом α друг к другу, образуя при этом поднутренный профиль. Профиль армирующих полуколец образован радиусом, равным радиусу профиля впадин гофры, и прямыми линиями, наклоненными под углом γ друг к другу (см. там же, стр. 9, табл. N 2, п.2).

К недостаткам данного компенсатора можно отнести, прежде всего, высокую его металлоемкость, так как в профиле с поднутрением радиусы выступов и впадин гофр выбирают, как правило, равными. К тому же профиль гофрированной трубы не обеспечивает высокие рабочие давления для трубопроводов большого диаметра (> 150 мм) и максимальные амплитуды осевого хода гофр компенсатора при прочих равных габаритно-массовых характеристиках известных компенсаторов.

Настоящее изобретение решает задачу повышения рабочего давления сильфонного компенсатора, повышения его надежности и работоспособности, сохранения амплитуды осевого хода при существенном уменьшении его габаритно-массовых характеристик.

Поставленная задача решается тем, что в сильфонном компенсаторе деформаций трубопроводов, содержащем два патрубка, соединенных цельнометаллической гофрированной трубой с толщиной стенки, равной t, профиль выступов и впадин гофр которой выполнены по радиусу соответственно R и r, сопряженных с поднутрением под углом α прямолинейными участками, съемные армирующие полукольца, стянутые крепежными элементами и установленные во впадинах гофр, причем профиль армирующих полуколец образован двумя наклоненными друг к другу под углом γ двух прямолинейных участков с вершиной угла, ориентированной в сторону выступа гофры, со стороны впадины гофры сопряженных по радиусу, равным радиусу профиля впадины гофры, а со стороны выступа - переходящих в профиль, совпадающий с профилем выступа гофры в предельно сжатом ее положении, при этом максимальная толщина армирующих полуколец на периферийном участке равна шагу гофр за минусом амплитуды компенсирующего осевого хода гофры, при этом радиус профиля выступов гофр равен R = (8...12)t, радиус профиля впадин гофр равен r = (0,3...0,4)R, высота гофр равна H = (2,5... 3,2)R, угол наклона прямолинейных участков профиля армирующих полуколец равен γ = 7^o...10^o, а угол поднутрения прямолинейных участков гофр равен α = (0,45...0,55)γ.
Сильфонный компенсатор может быть снабжен предохранительным кожухом, охватывающим гофрированную трубу с полукольцами и одним концом жестко закрепленным на одном из патрубков, а также направляющей внутренней обечайкой, закрепленной одним концом на внутренней поверхности одного из патрубков.

На фиг.1 представлен предлагаемый сильфонный компенсатор; на фиг.2, 3, 4 - сечения гофрированной трубы компенсатора с армирующими полукольцами в исходном (среднем), растянутом и сжатом положении соответственно.

Сильфонный компенсатор деформаций трубопроводов состоит из основного элемента - цельнометаллической гофрированной трубы 1, представляющей собой эластичную оболочку с внутренним диаметром, большим 150 мм, и имеющей кольцевые выступы 2 и впадины 3. Оба края гофрированной трубы 1 расположены на проточенных участках соответствующих патрубков 4, 5 и приварены к ним. Во впадинах 3 гофрированной трубы 1 расположены съемные армирующие кольца 6, стянутые крепежными элементами 7, например, болтами с гайками. Крайние полукольца 8 подпирают стойки 9, приваренные к соответствующим патрубкам 4, 5. Гофрированную трубу 1 с армирующими полукольцами 6 и 8 охватывает предохранительный кожух 10, один конец 11 которого жестко закреплен на одном из патрубков, например на патрубке 5. Второй конец 12 предохранительного кожуха установлен с возможностью свободного скольжения по второму патрубку 4. Внутри гофрированной трубы 1 размещена направляющая обечайка 13, закрепленная одним концом на внутренней поверхности одного из патрубков 4, и имеет возможность свободного перемещения внутри второго патрубка 5.

В исходном положении профиль гофрированной трубы состоит из выполненных по радиусу выступов и впадин гофр, сопряженных наклоненными прямолинейными участками 14, образующими угол поднутрения гофр α. Причем отношение радиуса r профиля впадин гофр к радиусу R профиля выступов лежит в пределах 0,3... 0,4. При заданной по прочности толщине t гофрированной трубы радиус профиля выступов гофр выбирают равным R = (8...12)t, а высоту гофр H выбирают равной H = (2,5...3,2)R.

Профиль армирующих полуколец образован двумя наклоненными друг к другу под углом γ = 7^o...10^o прямолинейными участками 15 с вершиной угла, ориентированной в сторону выступа 2 гофры. Прямолинейные участки 15 армирующих колец со стороны впадины 3 гофры сопряжены по радиусу r, равному радиусу профиля впадины 3, а со стороны выступа гофр прямолинейные участки 15 переходят в профиль, совпадающий с профилем выступа гофры в предельно сжатом ее состоянии (фиг.4). Максимальная толщина B армирующих полуколец 6 на периферийном участке равна шагу гофр T за минусом амплитуды Δ компенсирующего осевого хода гофры. При этом угол α поднутрения гофр выбирают равным α = (0,45...0,55)γ.
Устройство работает следующим образом. При подаче под высоким давлением газа или жидкости во внутреннюю полость гофрированной трубы 1 происходит расширение выступов 2 гофр, производя первоначально выбор зазора между гофрами и армирующими полукольцами 6. Данный зазор образован за счет разности углов α и γ профилей гофр и армирующих полуколец 6. При этом армирующие полукольца 6 воспринимают усилия от высокого давления, ограничивая выпучивание оболочки выступов 2 гофр. Выбранное значение угла γ наклона прямолинейных участков 15 армирующих полуколец увеличивает сопротивление продольному растяжению выступов 2 гофр, что позволяет гофрам воспринимать более высокие рабочие давления.

При наличии осевой деформации трубопровода, например, за счет его температурного расширения прямолинейные участки 14 выступов гофр 2 изгибаются и сжимаются в осевом направлении, изменяя при этом шаг между гофрами. Армирующие полукольца 6 сближаются, выбирая компенсационный зазор Δ и все больше воспринимая на себя усилия рабочего внутреннего давления. При полном выборе зазора периферийные участки армирующих полуколец 6 смыкаются, замыкая профиль выступов 3 гофр на себя, и в таком состоянии максимально воспринимая на себя рабочее давление, причем данное положение является основным рабочим состоянием компенсатора. Заданная толщина B периферийного участка армирующих полуколец 6 к тому же ограничивает уменьшение шага между гофрами, в пределах допустимых расчетных значений амплитуд компенсирующего осевого хода гофры, обеспечивая вместе с тем равномерную работу всех гофр сильфонного компенсатора.

Заданные профили гофр и армирующих полуколец 6, а именно соотношение радиусов R и r, выступов 2 и впадин 3 гофр, их высота H, а также значение угла γ наклона прямолинейных участков 14 армирующих полуколец и соотношение этого угла с углом поднутрения α гофр позволяют прежде всего существенно снизить металлоемкость компенсатора при применении его на трубопроводах большого диаметра за счет существенного уменьшения ширины впадин 3 гофр по отношению к ширине выступов 2 гофр, без уменьшения компенсирующей способности армирующих полуколец 6 как по впадинам 3 гофр, так и по наружной поверхности выступов 2 гофр, контролируя их выпучивание.

Использование внутренней направляющей обечайки 13 снижает завихрения транспортируемой среды, уменьшая потери ее напора (давления). К тому же скорость потока в зазоре между гофрированной трубой 1 и обечайкой 13 существенно снижается, что также благоприятно влияет на надежность работы компенсатора.

Предохранительный кожух 10 защищает гофрированную трубу 1 от механических повреждений и загрязнений.

Испытания сильфонного компенсатора со следующими конструктивными характеристиками:
гофрированная труба выполнена из нержавеющей стали 08Х18Н10Т с шестью гофрами и толщиной стенки t = 2 мм;
проходной диаметр компенсатора - 150 мм;
основные характеристики профилей гофр и армирующих полуколец: R = 20 мм; r = 7 мм; H = 55 мм; α = 10^o; γ = 5^o показали, что он выдерживает внутреннее рабочее давление до 16 МПа и имеет общую компенсирующую способность Δ = ± 15 мм при температуре среды 70^oC.

Предлагаемую конструкцию сильфонного компенсатора деформаций можно использовать на трубопроводах с большим проходным диаметром (> 150 мм) и больших рабочих давлениях (> 9 МПа), обеспечивая при этом большую компенсирующую способность, и иметь минимальные массогабаритные характеристики. Все это существенно повышает надежность работы сильфонного компенсатора осевых деформаций.

Компенсатор предназначен для соединения высоконапорных магистральных трубопроводов. Радиус профиля выступов гофр компенсатора равен R = (8 - 12) t, где t - толщина стенки гофрированной трубы компенсатора, радиус профиля впадин гофр равен r =(0,3 - 0,4) R, высота гофр равна Н =(2,5 - 3,2) R, угол наклона прямолинейных участков профиля армирующих полуколец равен γ = 7^o - 10^o, а угол подвнутрения прямолинейных участков гофр равен α = (0,45...0,55)γ.. В результате повышается надежность и работоспособность, уменьшаются массогабаритные характеристики компенсатора. 1 з.п.ф-лы, 4 ил.

1. Сильфонный компенсатор деформаций трубопроводов, содержащий два патрубка, соединенных цельнометаллической гофрированной трубой с толщиной стенки t, профиль выступов и впадин гофр которой выполнены по радиусу соответственно R и r, сопряженных с поднутрением под углом α прямолинейными участками, съемные армирующие полукольца, стянутые крепежными элементами и установленные во впадинах гофр, причем профиль армирующих полуколец образован двумя наклоненными друг к другу под углом γ двух прямолинейных участков с вершиной угла, ориентированной в сторону выступа гофры, со стороны впадины гофры сопряженных по радиусу, равным радиусу профиля впадины гофры, а со стороны выступа - переходящих в профиль, совпадающий с профилем выступа гофры в предельно сжатом ее положении, при этом максимальная толщина армирующих полуколец на периферийном участке равна шагу гофр за минусом амплитуды компенсирующего осевого хода гофры, отличающийся тем, что радиус профиля выступов гофр равен R = (8 - 12)t, радиус профиля впадин гофр равен r = (0,3 - 0,4)R, высота гофр равна H = (2,5 - 3,2)R, угол наклона прямолинейных участков профиля армирующих полуколец равен γ = 7 - 10^o, а угол поднутрения прямолинейных участков гофр равен α = (0,45 - 0,55)γ .
2. Сильфонный компенсатор по п.1, отличающийся тем, что он содержит предохранительный кожух, охватывающий гофрированную трубу с полукольцами и одним концом жестко закрепленный на одном из патрубков, а также направляющую внутреннюю обечайку, закрепленную одним концом на внутренней поверхности одного из патрубков.