Компенсаторы для трубопроводов – виды, технические характеристики

При разработке схем прокладки трубных магистралей проектировщикам приходится учитывать всевозможные деформации в линии из-за довольно большого числа негативных явлений. Для борьбы с этими отрицательными факторами широко используют компенсаторы для трубопроводов, выполненные из различных материалов.

Компенсационные узлы чаще всего устанавливают на магистральные стальные трубопроводы промышленного назначения. Обычный пользователь может столкнуться с подобным типом устройств и в быту, если трубопроводная линия из металлов или пластиков имеет значительную протяженность, подвержена гидравлическим нагрузкам.

Рис. 1 Сильфонные компенсаторы для трубопроводов — примеры использования

Что такое компенсатор и принцип его работы

Компенсатором называют встраиваемый в трубопроводную магистраль элемент, компенсирующий перемещение, изменение геометрии труб, повышенные нагрузки на стыковые соединения, напряжения в металле, вызванные различными негативными факторами. К последним относят термическое линейное удлинение и расширение материалов изготовления труб из-за изменения температурных параметров подаваемой и внешней среды, гидравлические нагрузки, вибрации, смещения трубопроводов, вызванные сдвигом, проседанием опор или грунта.

Обычно компенсатор помещают в разрез трубопровода, используя различные способы подсоединения, при этом рабочая среда протекает по его внутренним стенкам. Сама трубопроводная магистраль до компенсационного узла может размещаться как на скользящих или подвижных, так и на неподвижных опорах.

Компенсировать различные виды деформаций могут как изготавливаемые в заводских условиях компенсационные устройства, так и сами трубопроводы со специально измененной геометрией.

Рис. 2 Линзовые компенсаторы для трубопроводов

Назначение и сферы применения компенсаторов

Трубные компенсаторы широко применяют в следующих сферах:

• В теплосетях при транспортировке нагретых до высоких температур воды или пара. Температурные параметры теплового носителя, транспортируемого от ТЭЦ к потребителям, по нормативам должны иметь показатели в 155, 130 и 95 °С в зависимости от климатических условий. При наблюдаемой в последнее время погоде за сутки возможно резкое падение или повышение температуры окружающей среды на десятки градусов. В итоге обслуживающему персоналу тепловых станций приходится быстро изменять температурные параметры нагреваемой воды. Как результат, происходит существенное скачкообразное изменение линейных размеров трубопровода, которое на протяженных участках необходимо компенсировать.
• Аналогичная ситуация возникает и при авариях на отопительных магистралях, где в результате прекращения подачи теплового носителя происходит резкий спад его температуры.
• Необходимость в использовании компенсационных узлов актуальна как для стальных трубопроводов наружной прокладки, так и для подземных коммуникаций.
• Также в компенсаторах нуждаются и сети горячего водоснабжения, где возможны резкие скачки температуры воды из-за возникновения аварийных ситуаций, отсутствия водопотребления. Понятно, что такие перепады вызовут изменения линейных размеров трубопроводов на участках большой протяженности.

Рис. 3 Сальниковые компенсаторы для трубопроводов

• В коммунальной сфере и бытовом хозяйстве нередко используют трубопроводы из полипропилена (ПП) — материала, обладающего одним из самых высоких коэффициентов теплового линейного удлинения. Полипропилен используют в трубопроводах отопления и горячей воды с температурой, которая может меняться в широком диапазоне на несколько десятков градусов. При этом происходит значительное увеличение линейных размеров длинных участков ПП-трубопровода, которое необходимо компенсировать.
• В многоквартирных жилых домах сети отопления и горячего водоснабжения нередко прокладывают из трубопроводов значительной длины. Из-за возможных температурных перепадов подаваемой воды эти линии также нуждаются в компенсационных узлах.
• При пользовании быстродействующей запорной арматурой в различных сетях, транспортирующих жидкости, происходит резкий перепад давления, вызывающий гидроудары. Для борьбы с этим явлением используют мембранные или пружинные компенсаторы гидроударов, которые принимают все нагрузки на себя.
• Для подавления вибраций в трубопроводах, идущих от электрических насосов, компрессоров и прочего оборудования устанавливают компенсационные узлы из эластичных материалов.
• В промышленной сфере при использовании трубопроводов, подающих газовые среды различного химического состава (дым, пары кислот, щелочей, хлора) и температур используют специальные типы гибких и эластичных компенсаторов из синтетических материалов.

Рис. 4 Резиновые компенсаторы для трубопроводов и их применение

Компенсаторы для трубопроводов — разновидности

Насчитывается довольно широкий ряд компенсаторов, которое можно разделить по конструктивному исполнению и назначению на следующие классы:

По принципу действия. Различают специально изготовленные в заводских условиях и естественные компенсаторы, реагирующие на деформации изменением пространственного расположения трубопровода. Естественной компенсации добиваются П – Z – Г – О (угол от 45 до 90°) -образной прокладкой труб.

По месту монтажа в трубопровод. Различают двухсторонние и односторонние конструкции. Первые типы устанавливают в разрыв трубопроводной магистрали, вторые на нее торцы.

По способу подсоединения к трубопроводу. Основные методы подключения компенсационных узлов в трубопроводную магистраль:

Фланцевое. Считается универсальным, используется для всех видов конструктивных исполнений и материалов изготовления компенсаторов. При таком варианте крепления требуется наличие ответных фланцев у трубопровода и наличие уплотнителей. Основное преимущество фланцев — возможность быстрой замены узла.

Рис. 5 Тканевые компенсаторы для трубопроводов

Под приварку. Приварка актуальна только для изделий с металлическими присоединительными патрубками, при этом сама деталь и трубные торцы должны иметь примерно одинаковую толщину. Приваркой чаще подсоединяют устройства с сильфонами, линзами и сальниковым уплотнением.

Под пайку. Данным методом монтируют естественные компенсаторы в трубопроводах из полиэтилена низкого давления ПНД и полипропилена ПП.

На хомуты, прижимные пластины. В отличие от приведенных выше основных типов, хомутовый крепеж встречается намного реже и используется для подключения тканых компенсационных рукавов.

Муфтовое. Под муфтовым подразумевают соединение элементов посредством резьбы. Данный вид часто используют при монтаже на трубопроводы небольших диаметров (до 50 мм) различной арматуры. Из всех разновидностей компенсаторов таким методом чаще подключают изделия из резины, редукторы, гасители вибраций и гидроударов.

Рис. 6 Фторопластовые компенсаторы для трубопроводов

По конструктивному исполнению компенсаторы разбивают на:

Сильфонные. Осевой компенсатор данного вида нивелирует деформации трубопровода на счет изменения конфигурации его основного узла — гибкого сильфона. Это самая длинная линейка из всех аналогичных устройств, способных также реагировать на растяжение и сжатие трубопровода, его разворот под некоторым углом и осевое смещение.

Линзовые. Это жесткие компенсаторы трубопроводов из металлов, по внешнему виду напоминающие гофрированную трубу с количеством выступов от одного до четырех. Линзовые элементы способны компенсировать растяжку и сжатие трубопроводной магистрали за счет сдвига стенок выступающих гофр.

Используются для компенсации термических линейных удлинений газовых и воздушных воздуховодов круглого или прямоугольного сечения от котельных установок.

Сальниковые. Устройства получили свое название из-за того, что герметизацию перемещающегося внутри патрубка (стакана), который прикрепляют к трубопроводу, обеспечивает сальниковая набивка. Данный тип компенсационных узлов предназначен для нивелирования только осевых перемещений трубопровода в коммуникациях, подающих высокотемпературные пары и жидкости.

Рис. 7 Антивибрационная арматура

Резиновые. Благодаря высоким гибкости, эластичности и температурным характеристикам, резины являются отличным уплотнительным материалом, используемым в компенсаторах различного назначения. Резиновые компенсационные узлы не только реагирует на любые виды продольных, осевых и угловых перемещений, но и отлично справляются с вибрациями. Применяются в коммуникациях с жидкими средами.

Тканевые. Выполняются из тканого плотного воздухонепроницаемого полотна, рукав из которого крепится к трубопроводу на хомуты, прижимные пластины или посредством фланцев. Эксплуатируются в системах, транспортирующих высокотемпературные и агрессивные газы.

Фторопластовые. PTFE-компенсатор – это фторопластовый сильфон, имеющий в зависимости от диапазона компенсаций относительно малое число волн от двух до пяти. Фторопластовый компенсатор способен справляться с последствиями вибраций и линейных удлинений от термических изменений проходящей по трубопроводам среды. Рассчитан на эксплуатацию в сетях, транспортирующих жидкие высокотемпературные агрессивные среды под высоким напором.

Вибрационные. Это бескорпусные сильфоны с фланцами и под приварку, напорные рукава из эластичных материалов в оплетке и сильфонные шланги из нержавейки.

Гидравлические. Включают в себя ряд устройств, которые компенсируют гидравлические удары и высокие давления в трубопроводных магистралях за счет использования эластичных мембран, клапанов. Монтаж компенсаторов трубопроводов этого типа в отличие от других производят сбоку (перпендикулярно) линии без ее разрыва.

Рис. 8 Редуктор (1) и гаситель гидроударов (2) в бытовом водопроводе

Конструкция, материалы изготовления и технико-эксплуатационные характеристики главных видов компенсаторов

Обычно компенсаторы помещают в разрез трубопровода, при этом они имеют постоянный контакт с проходящей средой и соответственно обязаны быть устойчивы к ее температуре, давлению, химическому составу. Сам компенсационный узел в зависимости от назначения должен выдерживать продольные, угловые или поперечные перемещения трубопроводов.

И наконец размеры в диаметре, фланцы и патрубки под приварку должны соответствовать типовым размерам трубопроводных магистралей, в которых используют данные устройства.

На многие виды компенсационной арматуры действуют два норматива — для пыле-газо-воздухоустойчивых узлов (ПГВУ) и отраслевые стандарты (ОСТ), что и указывают в их спецификации.

Рис. 9 Конструкции и размеры линз под сварку и с фланцами

Линзовые

Линзовые компенсаторы для трубопроводов (распространенные обозначения КДМ, КЛО, ЛК) применяют в химическом, газо- нефтедобывающем и перерабатывающем производстве.

Они служат для термокомпенсации удлинений в узлах газовых турбин и теплообменного оборудования, в системах вентилирования, газо- пыле- и воздухоотводов. Работают в нейтральных и низкоагрессивных средах.

Линзовый осевой компенсатор для труб — это гофрированная муфта из металлических штампованных дискообразных элементов, соединенных сваркой в вершинах и впадинах гофр. Число их волн — от одной до четырех, крепление производится в разрыв металлического трубопровода свариванием или посредством фланцев.

Одна из ведущих фирм-производителей устройств данного назначения – российская компания Sinergia с предприятием в Екатеринбурге.

Рассмотрим эксплуатационные и технические параметры линзовых устройств на примере продукции от Synergia:

• Способы подсоединения к трубопроводной магистрали — фланцевый и под приварку. К преимуществам первого метода относят возможность разборки стыка для снятия компенсатора. Его недостатки — обязательное наличие ответных фланцев у трубопровода, высокие требования к соосности и герметичности соединения. Сварка — это универсальный метод жесткого соединения элементов, позволяющий монтировать соответствующие линзы непосредственно в разрез трубопровода. Ее основной недостаток — невозможность замены элемента без проведения демонтажа с резкой металла и установки с привариванием.

Рис. 10 Компенсационные двухлинзовые устройства – размерные и физические параметры

• Материалы изготовления. Компенсаторы изготавливают из широкого ряда углеродистых сталей обыкновенного качества (Ст3сп5, Ст3, Ст10, Ст18К, Ст20), углеродистых конструкционных качественных (17ГС, 09Г2С) и нержавеек с высоким содержанием хрома, жаропрочных сплавов с добавкой молибдена (10Х17Н13М2Т (AISI 316Ti), 08Х18Н10Т, 12Х18Н10Т, 20Х20Н14 С2, 10Х17Н13 М2Т, 08Х18Н9, 12Х18Н10Т).
• Условные проходы (Ду) — от 50 до 800 мм.
• Рабочие давления (Ру, DN) — от 0 (вакуум) до 100 бар.
• Температурный диапазон: от — 24 до 1000 °С. Следует отметить, что показатель напрямую связан с металлом производства линз.
• Компенсирующая способность: при 1000 циклах нагрузки и для одной, двух, трех и четырех линз составляет соответственно 18, 36, 54, 72 мм без холодной растяжки. Если до установки изделие растягивают на аналогичную величину, его компенсационная способность удваивается. Для прямоугольных изделий соответствующие параметры по числу линз 10, 20, 30 и 40 мм.
• Не нуждаются в техобслуживании.
• Имеют невысокую стоимость.

Рис. 11 Физические характеристики прямоугольных линз на давление 6 бар

Линзовые компенсаторы для трубопроводов делят на следующие группы:

Прямоугольные (по ПГВУ). Устанавливают для компенсации любых видов перемещений в трубопроводы с прямоугольной формой сечения, подающие пары, газы и воздух.

Линзы могут иметь V- или U-образный профиль волны. Ширина и высота профильного прямоугольника согласовываются между потребителем и производителем, стандартные размеры от 300 х 400 до 7850 х 8000.

Изделия рассчитаны на давление до 0,15 бар и имеют почти в два раза более низкий компенсационный показатель в сравнении с круглыми. Их эксплуатационные температурные параметры от -20 до +425 °С.

Круглые (по ПГВУ). Устанавливаются для осевой термокомпенсации трубопроводов типоразмерами от 200 до 6000 мм при напоре среды до 0,2 бар. Оснащаются фланцевыми или под приварку подсоединительными патрубками. Рассчитаны на эксплуатацию в температурном диапазоне от -20 до +425 °С.

Круглые (по ОСТ 34-10-569-93). Производятся из металлических сплавов сечением от 3 до 10 мм. Предназначены для продольной (осевой) компенсации дельты длин труб размерами в окружности (Ду) от 200 до 1400 мм. Рассчитаны на эксплуатацию при давлении среды 6, 10 и 16 бар и ее температурных параметрах от -20 до +425 °С для изделий с условными проходами менее 400 мм. Для остальных типов верхний температурный показатель не должен превышать +300 °С.

Угловые ОСТ. Имеют одну или две линзы, рассчитаны на подключение в трубопроводы диаметрами от 100 до 2200 мм. Предназначены для термокомпенсации дельты длин трубопроводов, работающих в естественных П-образной, Г-образной, Z-образной компенсационных схемах.

Рис. 12 Характеристики КДМ

Помимо приведенных типов изделий, выпускаются типы линзовых конденсаторов следующих условных обозначений:

КДМ — двухлинзовый осевой газовый. Изготавливается из тонколистовой стали в форме сваренных между собой полулинз. Применяется в сетях газоподачи на подземных газопроводах. Монтируется после отсекающих задвижек по ходу движения газа.

КЛО — осевой, предназначен для термокомпенсации и механических смещений трубопроводов и оборудования, эксплуатируемых в средах различной степени агрессивности. Устанавливается в трубопроводы подачи газов, химических веществ, нефти и продуктов ее переработки. Выпускается с внутренней обечайкой окружностью от 500 до 2400 мм для напорных характеристик среды до 10 бар, и типоразмерами от 500 до 1600 мм для напорных нагрузок до 16 бар. Число волн в КЛО может быть от одной до шести.

Рис. 13 Материалы изготовления и физические параметры КЛО-линз

ЛК – линзы прямоугольной формы с острыми, закругленными и углами в виде камер. Рассчитаны на давление рабочей среды до 125 бар и ее температуры от -60 до +425 °С.

Предназначены для термокомпенсации, выравнивания несоосности, борьбы с деформациями при транспортировке водных, газовых, парообразных и прочих сред от насосов, турбин, компрессоров, двигателей.

Тканевые компенсаторы для трубопроводов

Основные области применения тканевых компенсаторов — технологические трубопроводы подачи любых газовых сред. Они обеспечивают компенсацию кручения, осевого, бокового и углового сдвига трубных торцов. Основные технические параметры устройств:

• Выпускаются в виде вставок круглого (от 100 до 14000 мм и более), прямоугольного (длина грани до 9000 мм), квадратного или любого другого вида сечений.
• Напорные характеристики: диапазон давлений от 6 до 16 бар.
• Температурный диапазон: от -40 до 1200 °С.
• Компенсирующая способность: 100 — 500 мм.

Рис. 14 Материалы изготовления тканевых компенсаторов

Одним из производителей данного вида продукции является российская компания Kompenz-elastic, выпускающая компенсаторы из ткани со следующими характеристиками:

Материалы изготовления полотен Элатекс:

• фтор, фторкаучук — многослойные газонепроницаемые стеклоткани с фторопластовым или с добавлением каучука покрытием. Их главное преимущество — влагостойкость и высокая устойчивость к агрессивным химическим веществам (кислоты, щелочи). Температура применения до + 265 °С.
• сил — ткани с силиконовым покрытием, обладающим высокой термостойкостью до +200 °С, способны работать в широком диапазоне температур.
• изо 450 (700) — гибкие термоизоляционные полотна на основе минваты, из базальта, выдерживающие температуры в 450 и 700 °С.
• изокерам — гибкая термоизоляция на основе керамоваты с эксплуатационной температурой до +1100 °C.
  изо 500 — плотно сплетенная газонепроницаемая стеклоткань с пропиткой из нитрилбутадиена и термостойкостью до +500 °С.
• изо Арм — плотная стеклоткань, усиленная сеткой из нержавейки, способна выдерживать термические нагрузки до +750 °С.
• изо ТН — термоизоляция на основе минваты из базальта с верхним термическим порогом до +500 °С.

Рис. 15 Конструкция и тип действия компенсаторов из тканей

• Условные проходы: от 100 мм до самых максимальных в 6000 мм и более.
• Типы соединений: фланцевое, под приварку, хомут или планку.
• Компенсирующая способность в процентах от расчетной или монтажной ширины. Зависит от типа конструктивного исполнения изделия. Для осевого сжатия показатели 25, 35% и 60%, для бокового сдвига 10, 15 или 30%.
• Компенсаторы для трубопроводов выпускают в форме готового модульного узла с металлическими патрубками для приварки или фланцами. Второй вариант изготовления — сборная конструкция, монтируемая на самом газоходе, применяется для условных диаметров от 4000 мм.

Рис. 16 Типовые конструкции Kompenz-elastic

Основные виды выпускаемых компенсаторов:

Однослойные. Изготавливаются из тканей с силиконовой, фторопластовой или фторопластовой с каучуком пропиткой, выдерживают термические нагрузки транспортируемой среды в зависимости от материала изготовления в 140, 200 и 265 °С.

Используется в газо- и воздуховодах, тягодутьевых машинах.

Многослойные (для дымоходов, вентшахт). Изделия выпускаются в виде вставок, используются для гашения вибраций, возникающих от работы дымососов и вентиляторов. В качестве слоев используют газонепроницаемые ткани с силиконовым (до 200 °С), нитрилбутадиеновым (до 500 °С) и фторопластовым (до 265 °С) покрытием.

Многослойные с внутренней изоляцией. Отличительная особенность данного типа — наличие в многослойной структуре теплоизолирующего слоя, которым является наиболее термостойкое керамическое волокно с верхним температурным порогом эксплуатации до 1100 °С.

Сам вкладыш может включать в себя несколько газонепроницаемых и теплоизоляционных слоев из разных материалов, подбор которых зависит от температурных параметров проходящей среды и места его установки.

Рис. 17 Конструктивные типы Kompenz-elastic по способу крепежа

Многослойные высокотемпературные. Состоят из двух или более слоев. Один из основных типов компенсаторов – сочетание плотно сплетенной стеклоткани с нитрилбутадиеном (изо 500), ткани с силиконовой пропиткой (сил) и сетки из нержавейки (корд). Выдерживают температуры рабочей среды до + 500 °С. Основные сферы применения — высокотемпературные системы удаления газов, воздуховоды, газоводы с различными газообразными средами.

Второй вариант высокотемпературных тканевых вставок включает в себя стеклоткани с покрытием из силикона (сил), нитрилбутадиена (изо 500), фторопласта (фтор), стеклоткани с нержавейкой (изо Арм) и нержавеющей сетки (корд).

Выполненные по нормативам ПВГУ. Являются альтернативой линзовым разновидностям, выполняются из термо- и химически стойких тканей с нитрилбутадиеновым, фторопластовым покрытием и сетки из нержавейки, выполняющей роль абразивный защиты. Используются в системах удаления газов, содержащих высокие концентрации окислов серы SO₂ и SO₃.

Следует отметить, что аналогичный товар производят еще одна российская фирма Келаст и компания Трансмаш.

Рис. 18 Принцип действия и разновидности резиновых компенсаторов

Резиновые

Компенсаторы для трубопроводов из резины выпускают широкий производителей, среди которых можно выделить компании Frenzelit (Германия), Ayvaz (Турция), Армфлекс (Россия-Китай). Рассмотрим особенности данных устройств на примере товара ведущего мирового производителя компенсационных резиновых, тканевых и металлических узлов — немецкой компании Frenzelit:

• Область применения — любые бытовые и промышленные водяные системы, отопление, кондиционирование, вентиляция, транспортировка нефтепродуктов. Рабочие среды — пар, газ, вода, масла, нефтепродукты, химические реагенты.
• Типы компенсируемых факторов — шумы, вибрации, осевые, угловые и сдвиговые смещения участков трубопровода, вызванные терморасширением или деформациями.
• Типы подсоединений: ответными металлическими фланцами с уплотнительными прокладками для давлений 100 — 160 бар. Также используются эластомерные фланцевые отводы, армированные волокнами. Для диаметров (Ду) от 15 до 80 мм в подсоединительных патрубках применяется резьба.
• Для работы в химически агрессивной среде используется защитное внутреннее покрытие присоединительных патрубков из фторопласта, для работы под вакуумом устанавливают опорные кольца-спирали.

Рис. 19 Размеры и технические характеристики Frenzelit HighFlex SFR – US

• Материалы изготовления резиновых компенсаторов:

Неопрен — продукт компании DuPont, представляющий собой хлоропреновый каучук. Материал обладает мягкой пористой структурой, эксплуатируется в температурном диапазоне от — 55 до + 90 °С.

ЭПДМ — широко применяемый этилен-пропилен-диеновый каучук, имеющий вид пористой резины. Материал относят к классу синтетических эластомеров, может эксплуатироваться в диапазоне температур от -50 до +150 °С.

Бутил — бутилкаучук, обладающий очень низкими коэффициентами воздухо- и паропроницаемости. Эластомер выдерживает рабочие температуры от — 40 до + 110 °С.

Нитрил — синтетический эластичный каучук (резина) с диапазоном рабочих температур от -30 до + 100 °С

Хипалон (Hypalon) — полиэтиленовый эластомер из полихлоросульфата, являющиеся продуктом компании DuPont. Материал обладает высокой сопротивляемостью к истираемости, диапазон рабочих температур его эксплуатации составляет от — 60 до + 180 °С.

Вайтон (Viton) — эластомер, относящийся к классу синтетических фторированных каучуков (СФК, FKM, FPM), способен работать в интервале рабочих температур от — 40 до + 200 °С.

Резины на основе натурального каучука — являются продуктом вулканизации каучука, обладают высокой степенью обратной деформации. Могут эксплуатироваться в температурном диапазоне от -50 до +150 °С.

• При изготовлении изделий возможны комбинации слоев из разных эластомеров.
• Эксплуатационные температуры всех изделий — от -10 до +105 °С.
• Формы выпуска: невысокая и высокая волна, двойная волна. Стальные оцинкованные фланцы для сквозного соединения болтами. Самоуплотняющаяся резина в местах соединений, усиленная проволочным каркасом.
• Рабочие давления: 7, 10 и 16 бар.
• Диаметры: от 25 (1″) до 1500 (60″) мм. По желанию заказчика типоразмеры изделий могут доходить до 2400 мм.

Рис. 20 Размеры и технические характеристики Frenzelit HighFlex SFR – DF

Фторопластовые

Назначение изделий из фторопласта — компенсация температурных осевых, боковых, угловых перемещений и вибраций в трубопроводных магистралях, транспортирующих жидкие агрессивные среды (окислители, растворители, концентрированные кислоты и щелочи) с высокими температурными и напорными параметрами.

Конструктивно компенсаторы для трубопроводов представляют собой фторопластовую гофру с различным числом волн (например, от одной до семи).

Выбор материала для сильфона связан с тем, что фторопласт обладает наивысшей химической стойкостью к агрессивным средам в сравнении с другими полимерными материалами. Фторопласт неустойчив лишь к нагретым до высоких температур расплавам и растворам в аммиаке щелочных металлов, хлору и некоторым его соединениям.

Еще одно весомое преимущество фторопласта — широкий диапазон рабочих температур от -269 до +260 °С, материал плавится при +327 °С.

Одним из ведущих производителей фторопластовых компенсаторов является немецкий концерн Frenzelit, технические параметры его продукции:

• Максимальная температура эксплуатации до +250 °С.
• Номинальное давление среды при температуре + 20 °С: зависит от конструктивного исполнения изделий, максимум 14 бар.
• Условные диаметры от 20 до 500 мм.
• Соединение: фланцевое.

Рис. 21 Размеры и характеристики КФ 1002

Основная линейка фторопластовых компенсаторов Frenzelit и их характеристики:

КФ 1002 (двухволновой). Условные диаметры от 25 до 500 мм, толщина сильфона от 3 до 5 мм. Компенсация осевых перемещений (для крайних типоразмеров и максимальный из середины ряда для Ду 100, 125) 6,5 — 15 — 20 мм, боковых 4 — 14 — 5 мм, угловых 4 — 20 — 6 град.

КФ 1003 (трехволновой). Диаметры от 25 до 500 мм при параметрах компенсации смещений: осевых 12,5 — 25 — 30 мм, боковых 10 — 25 — 5 мм, угловых 18 — 30 — 10 град.

КФ 1005 (пятиволновой). Размеры в окружности от 25 до 200 мм, компенсируемые перемещения по центральный оси 15 — 27 — 20 мм, боковые 12 — 27 — 20 мм, угловые 18 — 30 — 20 град.

КФ 1007 (шести- семиволновой). Специальное исполнение для больших перемещений условными диаметрами от 25 до 400 мм. Допустимые смещения: по оси 15 — 27 — 20 мм, боковое 20 — 30 — 35 мм, угловое 20 — 35 — 10 град.

Также компания Frenzelit выпускает фторопластовые компенсаторы специальной конструкции только для вакуума и угловых перемещений.

Рис. 22 Характеристики КФ1005

Сальниковые

Конструктивное устройство (рабочие чертежи) и технические параметры сальниковых компенсаторов приведены в отраслевой документации, описывающий изделия и детали трубопроводов для теплосетей (серия 5.903-13 4-й раздел). Его некоторые положения:

• Назначение: компенсация термических деформаций трубопроводов теплосетей.
• Рабочая среда: вода и пар с номинальным давлением до 25 бар при температурных параметрах воды до 200 °С и пара до 300 °С.
• Различают двухсторонние и односторонние устройства. Диаметры условных проходов первых от 100 до 800 мм, у вторых от 100 до 1400 мм.
• Компенсирующая способность: у односторонних 200 — 450 мм, у двухсторонних 400 — 800 мм.
• Существуют два варианта конструкции компенсаторов — с уплотняющим и без уплотняющего устройства. Первые рассчитаны на температуру окружающей среды до -60 °С, вторые могут функционировать не менее чем при -40 °С.
• Ресурс работы — 25 полных циклов нагружения, что примерно равно одному отопительному сезону.

Рис. 23 Схема и особенности двухстороннего сальникового компенсатора

Для изготовления их корпусов и патрубков используются:

• Углеродистая сталь, если температура окружающей среды не превышает нижний температурный порог в — 40 °С.
• При температурах от -40 до -50 °С для изготовления сальниковых компенсаторов применяется низколегированная сталь марок 17ГС, 17Г1С, 17Г1СУ (ГОСТ 552019).
• Если температурные параметры внешней среды не превышают -60 °С, для изготовления корпусов и патрубков используются: листовые низколегированные (ГОСТ 5520-19) и круглые (ГОСТ 19281 — 73) стали 09Г2С, бесшовный горячедеформированный трубный прокат (ГОСТ 5520-19) из 09Г2С.
• Шпильки и гайки выполняют из стали 35Х.
• В качестве уплотнителя сальника используется набивка АР и АП-31 (ГОСТ 5152-84). Это асбестовые плетеные шнуры круглого, квадратного и прямоугольного сечения длиной от 8 до 22 м. Диапазон их рабочих температур составляет — 40 до + 300 С.

Конструктивно (рис. 23) сальниковый компенсатор для труб выполнен в виде жесткого металлического корпуса 1, внутри которого с одной или двух сторон перемещаются патрубки 2, которые приваривают к трубопроводу.

В зазор между корпусом и патрубками помещают сальниковую набивку 6, которую удерживает от выхода наружу грундбукса 5, представляющая собой втулку с заплечиком. Грундбукса крепится к корпусу при помощи шпилек 3 и гаек 4. Для того, чтобы сальниковая набивка не перемещалась внутрь корпуса, ее ограничивают контрбуксами или кольцами из твердой термостойкой резины 7.

Рис. 24 Характеристики сальниковой арматуры

Сильфонные

По ГОСТ сильфонным компенсатором (КС) или устройством (КСУ) называют арматуру, состоящую из одного или нескольких сильфонов и присоединительных патрубков, способную поглощать или уравновешивать перемещения заданной частоты, величины подсоединяемых элементов в герметично изолированных конструкциях, и транспортировать в этих условиях жидкие, парообразные и газовые рабочие среды.

Компенсаторы для трубопроводов сильфонные — одна из самых многочисленных групп, регламентированных несколькими нормативными актами. В ГОСТ 32935-2014 приведены общие техусловия на металлические сильфонные компенсаторы для теплосетей, основные положения которого:

• Стандарт распространяется на изделия условными диаметрами от 50 до 1400 мм, номинальным давлением рабочей среды до 25 бар и ее температуру до +200 °С.
• Область назначения — термокомпенсация деформации трубопроводов теплосетей, транспортирующих воду, и паропроводов.
• Разновидности компенсаторов для теплосетей: осевые, поворотные, стартовые.

Рис. 25 Чертежи К001, К010, К100, К111 по ГОСТ Р 50671-94

• По числу сильфонов различают односильфонные и двухсильфонные компенсационные узлы и устройства.
• Также различают арматуру без тепло-гидроизоляции или с ее наличием.
• Назначенный эксплуатационный срок — 30 лет при вероятностном параметре работы без отказов 0,95 в течение этого интервала.
• Основные типы соединений — фланцевое и под сварку.
• Наработка в течение эксплуатационного срока:

1. Осевое растяжение — сжатие от минимума до максимума в 100% — 10 циклов.
2. 70% растяжение — сжатие при изменении температуры транспортируемой среды от минимума до максимума рабочего диапазона — от 150 циклов.
3. 20% растяжение — сжатие при любых термических характеристиках проходящей среды — от 10000 циклов.

Рис. 26 Характеристики К001

В производстве компенсаторов применяют широкий ряд сталей. Для внешних и внутренних оболочек сильфонов используют в основном нержавейки (05Х18Н10Т, 08Х18Н10Т), промежуточные слои изготавливают из углеродистых сталей (08кп, 08пс, 08Ю).

Подсоединительные патрубки делают из сталей с высоким содержанием углерода и легированных под приварку сталей (17ГС, 17Г1С), а также нержавеек.

Остальные элементы выполняют из широкого ряда углеродистых (Ст3, Ст10, Ст20), низколегированных для сварных конструкций (09Г2С) сталей и нержавеек (08Х18Н10Т, 12Х18Н10Т).

В ГОСТ Р 50671-94 на сильфонные компенсаторы трубопроводов для теплосетей и электростанций со сварным и фланцевым присоединением к трубопроводу, номинальными давлениями 6,3, 10, 16, 25, 40 и 63 бар приведены типоразмеры и чертежи их различных исполнений.

Рис. 27 Материалы изготовления сильфонных устройств по ГОСТ 32935-2014

Основные характеристики разных типов компенсаторов:

• К001 — сдвиговые, изделия с фланцами имеют типоразмеры от 65 до 500 мм и номинальные давления от 10 до 25 бар, под приварку соответствующие показатели 50 — 500 мм и 10 — 63 бара.
• К010 — поворотные, фланцевые с типоразмерами 65 — 500 мм (DN 10, 16 бар), под приварку 50 — 500 мм (DN 10 — 63 бар)
• К100 — осевые, изделия с фланцами выпускают диаметрами 65 — 500 мм (DN 2,5 — 25 бар), приварные имеет размеры от 50 до 500 мм (DN 6,3 — 63 бар) и 600 — 2200 мм (DN 6,3 — 25 бар)
• К111 — универсальные, фланцевые выпускает типоразмеров 65 — 500 мм (DN 2,5 — 25 бар), под сваривание типоразмерами 50 — 500 мм (DN 6,3 — 63 бар) и 600 — 1400 мм (6,3 — 25 бар).

Еще в одном нормативном документе, а именно ГОСТ 27036-86, приведены более широкие данные на металлические сильфонные компенсаторы К001 — К111 и уплотнения (универсальное У111). Указан более длинный ряд их конструктивных исполнений для широкого диапазона температур транспортируемой среды от -200 до +500 °С. Последней помимо пресной воды и пара являются разнообразные жидкости и газы, морская вода, кислоты и щелочи.

Рис. 28 Конструкции и назначение основных номенклатурных групп от Компенс

Чтобы подробно ознакомиться с типами выпускаемых сильфонных компенсаторов с фланцами и под приварку, можно рассмотреть продукцию компании Компенс, линейка которой состоит из следующих серий:

КСО (продольно-осевые). Компенсаторы для трубопроводов КСО имеют вид открытой прямой гофры с присоединительными патрубками, бывают односекционными и двухсекционными под приварку и с фланцами. Компенсируют осевое смещение труб, предназначены для работы в теплосетях и различных установках при температуре до +250 °С, в специальном исполнении — до +850 °С.

ОПКР (продольно-осевые). В данной конструкции гофра помещена в два защитных стакана — наружный и внутренний. Изделия выпускают с одной или двумя секциями под приварку и с фланцами. Модель ОПКР предназначена для теплосетей, прокладываемых внутри помещений и под землей в камерах, каналах и тоннелях.

СКУ.М (продольно-осевые). Для этого исполнения гофра находится в двух стаканах, повернутых навстречу друг другу и сверху закрыта защитным кожухом, имеется ограничитель хода. Изделия бывают с одной или двумя секциями, патрубки под приварку или с фланцами поставляются без гидро- и теплоизоляции.

Предназначены для наземной и подземной прокладки в тоннелях, тепловых камерах, проходных и непроходных каналах.

СКУ.ППУ (продольно-осевые) . Устройство представляет гофру в стакане, закрытую сверху защитным кожухом. Присоединительные патрубки под приварку находятся в пенополиуретановой (ППУ) изоляции, которая накрыта вместе с корпусом оболочкой из полиэтилена ПЭ или оцинковки ОЦ.

Используются в трубопроводных магистралях, выполненных из стальных труб в ППУ-изоляции, защищенных оболочкой из полиэтилена или оцинковки, имеющих систему оперативного дистанционного контроля СОДК. СКУ.ППУ находят применение в сетях, проложенных бесканальным методом или в непроходных каналах с низким уровнем грунтовых вод.

Рис. 29 Конструктивное устройство и назначение основных серий от Компенс

КСУ (продольно-осевые поворот, сдвиг). Представляют собой гофру, помещенную между фланцами (отводами под приварку), соединенными друг с другом двумя диаметрально расположенными шпильками. Выпускаются с одной или двумя секциями, имеют ограничитель хода, могут оснащаться защитным кожухом. Используются при монтаже вентканалов, газопроводов, в вентиляционном и технологическом оборудовании. Широко применяются для компенсации несоосности патрубков машин и агрегатов, в качестве гасителей вибраций.

Для отопления (продольно-осевые). Конструктивное исполнение устройств — сильфон с одним подвижным патрубком, помещенный в защитный кожух, при этом второй является частью корпуса. В некоторых моделях корпус может отсутствовать. Бывают однослойными и многослойными, используются для защиты отопительных трубопроводов от статических и динамических нагрузок, возникающих при термических деформациях и вибрациях в стояках отопления и горячего водоснабжения многоэтажных домов. Монтируются привариванием.

Карданные (изгиб-поворот). Компенсируют только угловые перемещения труб в двух, перпендикулярных друг другу плоскостях, обеспечивая при этом высокую жесткость. Бывают односекционными и двухсекционными, выпускаются под приварку и с фланцами.

Рис. 30 Типовые номенклатурные группы сильфонной арматуры и их условное обозначение

Вибропоглощающие компенсаторы для трубопроводов

В конструкциях данного типа (рис. 7) применяется многослойный сильфон в комплекте со стяжками и опорами из виброизолирующего материала. Используются в случаях, когда применение резиновых изделий невозможно из-за высоких температур транспортируемой среды.

Другие разновидности вибропоглощающих устройств — гибкие шланги в оплетке из нержавейки и фитингами, выполненными из углеродистой или нержавеющей стали. Гибкие подводки могут подключаться к трубопроводной магистрали при помощи штуцеров, ниппелей, фланцев или приваркой.

Также для виброкомпенсации в трубопроводах, транспортирующих водные, газовые и масляные среды используют гибкие сильфонные рукава с диаметрами от 2 1/2 дюйма. Их подсоединяют к трубам при помощи фланцев или привариванием.

Рис. 31 Сравнение принципа действия естественных и сильфонных компенсаторов

Компенсаторы давления и гидроударов в водопроводах

Магистрали подачи горячей и холодной воды предназначены для использования водных ресурсов различными потребителями в лице коммунальных служб или промышленными предприятиями. При пользовании водой в жилых или индивидуальных домах большую роль играют ее физические характеристики, а именно температура и давление. Если последний параметр по каким-либо причинам превышает предельно допустимые нормы, это приводит к некорректному функционированию трубопроводов, приборов, бытовой техники.

Редукторы давления. Чтобы снизить напор в водопроводе до комфортных значений, применяют понижающие давление воды приборы — редукторы.

Принцип их действия основан на законах гидродинамики, а именно снижении давления в трубопроводе при уменьшении сечения его проходного канала.

Компенсатор давления для водопровода автоматически снижает напор, разделяя входной водный поток на две составляющие. Одна порция воды беспрепятственно протекает по проходному каналу, а вторая давит на исполнительный механизм, управляющий шириной прохода. В качестве основного регулировочного элемента применяют поршень или мембрану, соответственно и все типы редукторов разделяют на поршневые и мембранные.

При использовании приборы настраивают на необходимое выходное давление (стандарт 3 бара), диапазон изменений которого в быту от 0 до 10 бар. Входной напор может изменяться в широких пределах, не превышая при этом показателя в 25 бар. Бытовые редукторы в основном выполняют из латуни с патрубками, рассчитанными на резьбовое присоединение, их условный диаметр не превышает 50 мм.

В промышленности и коммунальном хозяйстве используют крупногабаритные редукторы диаметрами от 15 до 250 мм из стали, чугуна, соответственно под приварку или с фланцами.

Рис. 32 Конструктивное устройство поршневого и мембранного редукторов

Компенсаторы гидроударов. Гидравлические удары возникают при резком перекрытии потока жидкости, приводящем к скачкообразному повышению давления в системе. Это в свою очередь вызывает приложение значительных сил на стенки трубопровода, места соединений, арматуру и сантехнические приборы.

Так как все перечисленные элементы обладают высокой жесткостью, они в наибольшей степени подвержены необратимому физическому разрушению.

Чтобы решить проблему избыточного давления при его скачках, используют расширяющиеся эластичные гибкие компенсаторы, принимающие на себя ударную волну.

Нередко это резиновая мембрана, помещенная в середину закрытого составного металлического бака.

С одной стороны на мембрану давит водная масса, а с противоположной напор компенсирует закачанный под давлением газ. Мембранный компенсатор подключает к водопроводу при помощи подсоединительного патрубка с наружной или внутренней резьбой.

При скачкообразном повышении давления в системе после гидроудара, мембрана растягивается, принимая на себя ударную волну в виде некоторого объема втекающей жидкости. После прекращения воздействий она выталкивает лишний объем жидкости обратно в трубопровод.

Вторая разновидность компенсаторов гидроударов — пружинные. Прибор представляет собой помещенный в цилиндрический корпус резиновый клапан, подпираемый пружиной. При резких скачках давления клапан втягивается внутрь компенсатора, а после его нормализации выталкивает жидкость обратно в трубопровод.

Помимо бытовых гасителей гидроударов, рассчитанных на резьбовое соединение, выпускаются приборы промышленного назначения больших габаритных размеров, установка которых производится при помощи фланцев.

Рис. 33 Конструкции компенсаторов гидроударов

Естественные компенсаторы для полипропиленовых трубопроводов

Трубы из полипропилена (ПП) широко используют в быту, коммунальном хозяйстве для подачи холодной, горячей воды и теплоносителя в системы отопления.

Их основной недостаток — один из самых высоких коэффициентов линейного удлинения, задаваемый фиксированной константой. Для обычного полипропилена она равна 0, 15 мм/м·К. То есть это означает, что на длине 1 метр и при нагреве трубного участка на температуру, больше начальной на 60 °С, удлинение трубопровода составит 9 мм на погонный метр. У армированного стекловолокном полипропилена данный показатель в 3 — 5 раз ниже, тем не менее даже удлинение в 3 мм на метр довольно существенно.

Поэтому для термокомпенсации линейных удлинений в протяженных магистралях из полипропилена применяют естественные компенсаторы. То есть трубопроводы прокладывают с П-образными Г-образными и Z-образными ответвлениями.

В качестве встраиваемых компенсационных узлов используют О-образные отрезки труб и сильфонный компенсатор Козлова. Последний представляет собой полипропиленовые фитинги стандартного (по внешнему диаметру) типоразмера для приварки в трубопровод, между которыми размещен сильфон из нержавейки. Прибор часто оснащается внешним защитным и термоизолирующим кожухом из полипропилена в виде простого отрезка трубы.

Рис. 34 Естественные компенсаторы и прибор Козлова

Компенсация температурных расширений, угловых поворотов и смещений трубопроводов, транспортирующих жидкие и паро- и газообразные среды различных типов, является одним из основных способов обеспечения оптимального и долговременного безаварийного функционирования магистралей. Для его реализации используют широчайший ряд компенсационных устройств различных конструкций, в изготовлении которых используют всевозможные материалы, начиная от металлов и заканчивая каучукообразными эластомерами, тканями с газонепроницаемыми пропитками.