Сильфонный компенсатор для магистральных трубопроводов из композиционного материала

Изобретение относится к трубопроводному транспорту и может найти применение в системах энергетики, магистральных трубопроводах и других областях народного хозяйства. Между гофрами компенсатора из армированного композиционного материала во впадинах гофров расположены подкрепляющие кольца. Подкрепляющие кольца выполнены из композиционного материала и имеют коническую боковую поверхность. Угол отклонения образующей конической боковой поверхности от плоскости, перпендикулярной оси компенсатора, определяется из приведенной математической зависимости. Обеспечивает максимальный диапазон растяжения-сжатия сильфонного компенсатора. 4 ил.

 

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

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

Наиболее близким по конструкции является 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 (допустимом диапазоне растяжения-сжатия), 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 осевых компенсаций (растяжение, сжатие СК).

Технической задачей изобретения является создание сильфонного компенсатора с максимальным диапазоном компенсации. Технический результат достигается тем, что в сильфонном компенсаторе для магистральных трубопроводов, содержащем гофры из армированного композиционного материала и расположенные во впадинах гофров подкрепляющие кольца из композиционного материала, подкрепляющие кольца имеют коническую боковую поверхность, при этом угол отклонения образующей конической боковой поверхности от плоскости, перпендикулярной оси компенсатора, определяется из зависимости

где α_к - угол отклонения образующей конической боковой поверхности кольца от плоскости, перпендикулярной оси компенсатора, в радианах;

r - минимально допустимый меридиональный радиус кривизны вершины гофра (при сжатии компенсатора) по срединной поверхности;

R - максимально допустимый меридиональный радиус кривизны вершины гофра (при растяжении компенсатора) по срединной поверхности;

ρ_min - минимально допустимый радиус округления гофра у основания сечения кольца по срединной поверхности;

h - толщина стенки гофра;

δ_min - минимально допустимая ширина гофра у основания сечения колец при сжатии.

На фиг.1 представлено сечение средней части СК из композиционного материала (КМ).

На фиг.2 представлено сечение СК при сжатии в условиях действия давления.

На фиг.3 показано сечение СК с конической боковой поверхностью подкрепляющего кольца под давлением.

На фиг.4 представлено сечение СК с конической боковой поверхностью подкрепляющего кольца в 2-х крайних рабочих положениях: при сжатии и растяжении.

Средняя (компенсирующая) часть СК из КМ, определяющая диапазон растяжения-сжатия, состоит из гофров 1 и подкрепляющих колец 2, расположенных во впадинах гофров (фиг.1).

При работе часть гофра является свободной, другая часть контактирует с подкрепляющими кольцами. При растяжении-сжатии компенсатора соотношение между длинами частей в сечении изменяется, при этом суммарная длина остается постоянной. Образующая свободной поверхности гофра под давлением практически принимает форму дуги окружности, радиус которой зависит от величины расстояния между подкрепляющими кольцами.

Максимальный диапазон осевой компенсирующей способности может быть достигнут, когда при сжатии радиус кривизны сечения гофра достигает минимально допустимого значения r, а при растяжении - максимально допустимого R. Однако, когда радиус кривизны сечения гофра 1 достигает минимально допустимого значения r (фиг.2), возможен обратный перегиб гофра (зона А) на вершине сечения подкрепляющего кольца 2, что при многоцикловом нагружении может привести к преждевременному разрушению СК. В этом случае требуется уменьшить величину сжатия СК и тем самым снизить диапазон растяжения-сжатия СК. Исключить перегиб гофра и достичь максимальной эффективности позволяет форма сечения подкрепляющего кольца 1 в виде трапеции (фиг.3) с углом отклонения α образующей конической боковой поверхности кольца от плоскости, перпендикулярной оси компенсатора отклонением.

Коэффициент эффективности СК определяется осевой деформацией одного гофра (фиг.4), то есть расстояниями между осями симметрии сечений гофра и кольца при максимальном растяжении - D и максимальном сжатии - d (фиг.4):

На основании соотношений геометрических параметров (фиг.4) коэффициент эффективности может быть вычислен по формулам:

где α - угол отклонения образующей конической боковой поверхности кольца от плоскости, перпендикулярной оси компенсатора, в радианах;

r - минимально допустимый меридиональный радиус кривизны вершины гофра (при сжатии компенсатора) по срединной поверхности;

R - максимально допустимый меридиональный радиус кривизны вершины гофра (при растяжении компенсатора) по срединной поверхности;

h - толщина стенки гофра;

δ₁ - зазор между свободными частями соседних гофров при максимальном сжатии.

При максимальном сжатии СК образующая свободной части гофра достигает минимально допустимого радиуса кривизны r с плавным переходом в контактный участок, чтобы исключить перегиб гофра на вершине сечения подкрепляющего кольца (фиг.4). При растяжении компенсатора максимальное раскрытие гофра с максимально допустимым радиусом кривизны R определяется плавным сопряжением гофра с боковой поверхностью кольца в нижней части сечения (зона Б, фиг.4).

Можно показать, что на основании соотношений проекций участков гофра на ось СК при максимальном сжатии входящие в формулы (1) геометрические параметры гофра и кольца связаны между собой уравнением (фиг.4):

где ρ - радиус скругления гофра у основания сечения кольца по срединной поверхности (ρ≥h/2);

δ - ширина гофра у основания сечения колец при максимальном сжатии.

Коэффициент эффективности растет при уменьшении: минимального радиуса r, толщины гофра h, радиуса скругления ρ гофра у основания сечения кольца по срединной поверхности, ширины гофра δ у основания сечения колец при сжатии и увеличении максимального радиуса R. Поэтому при проектировании СК из КМ для достижения максимального коэффициента эффективности следует выбрать значения геометрических параметров таким образом, чтобы достичь максимального коэффициента эффективности СК.

Исходя из изложенного угол отклонения образующей конической боковой поверхности кольца от плоскости, перпендикулярной оси компенсатора, обеспечивающий максимальный коэффициент эффективности, определяется на основании уравнения (2) при выборе соответствующих предельных геометрических параметров:

где:

α_к - угол отклонения образующей конической боковой поверхности кольца от плоскости, перпендикулярной оси компенсатора, в радианах;

r - минимально допустимый меридиональный радиус кривизны вершины гофра (при сжатии компенсатора) по срединной поверхности;

R - максимально допустимый меридиональный радиус кривизны вершины гофра (при растяжении компенсатора) по срединной поверхности;

ρ_min - минимально допустимый радиус округления гофра у основания сечения кольца по срединной поверхности;

h - толщина стенки гофра;

δ_min - минимально допустимая ширина гофра у основания сечения колец при сжатии.

Таким образом, подкрепляющее кольцо, имеющее коническую боковую поверхность с углом α_к отклонения от плоскости, перпендикулярной к оси СК, определяемым уравнением (3), обеспечивает максимальную эффективность конструкции СК из КМ.

Сильфонный компенсатор для магистральных трубопроводов, содержащий гофры из армированного композиционного материала и расположенные во впадинах гофров подкрепляющие кольца из композиционного материала, отличающийся тем, что подкрепляющие кольца имеют коническую боковую поверхность, при этом угол отклонения образующей конической боковой поверхности от плоскости, перпендикулярной оси компенсатора, определяется из зависимости

где α_к - угол отклонения образующей конической боковой поверхности кольца от плоскости, перпендикулярной оси компенсатора, в радианах;

r - минимально допустимый меридиональный радиус кривизны вершины гофра (при сжатии компенсатора) по срединной поверхности;

R - максимально допустимый меридиональный радиус кривизны вершины гофра (при растяжении компенсатора) по срединной поверхности;

ρ_min - минимально допустимый радиус скругления гофра у основания сечения кольца по срединной поверхности;

h - толщина стенки гофра;

δ_min - минимально допустимая ширина гофра у основания сечения колец при сжатии.