Что такое компенсатор: устройство, виды и принцип работы
Компенсатор нужен, чтобы трубопровод мог удлиняться от нагрева, гасить вибрацию насоса и переживать несоосность стыков без разрушающих усилий на трубы, сварные швы и опоры. Ниже разбираемся с определением по ГОСТ, устройством и принципом работы, а затем с двумя классификациями компенсаторов и тем, как их обозначают на схеме и в маркировке. Статья определительная: без неё сложно читать инструкции по подбору и монтажу.
Если тип компенсатора ещё не определён, инженер подберёт его под вашу схему трубопровода по среде, давлению и температуре.
Что в статье
Что такое компенсатор и чем он отличается от сильфона?
Терминологию задаёт ГОСТ 32935-2014 «Компенсаторы сильфонные металлические для тепловых сетей». Стандарт разводит три понятия, которые в обиходе путают. Сильфон - «осесимметричная упругая оболочка, разделяющая среды и способная под действием давления, температуры, силы или момента силы совершать линейные, сдвиговые, угловые перемещения». Сильфонный компенсатор - «устройство, состоящее из сильфона (сильфонов) и арматуры, способное поглощать или уравновешивать относительные движения определённой величины и частоты». Сильфонное компенсационное устройство - узел из одного или нескольких компенсаторов в общем корпусе.
Отсюда простая иерархия: сильфон - это деталь, компенсатор - изделие из сильфона и арматуры, компенсационное устройство - сборный узел. Когда снабженец пишет в заявке «нужен сильфон», а имеет в виду готовое изделие с фланцами, поставщик переспрашивает именно из-за этой разницы.
В англоязычной документации те же понятия называются bellows (сильфон) и expansion joint (компенсатор). По определению Ассоциации производителей компенсаторов (EJMA), «компенсаторы состоят из гибкого сильфонного элемента с концевыми присоединениями, например фланцами, для соединения с трубопроводом или оборудованием». Слово «compensator» в зарубежных каталогах - синоним expansion joint, это важно при чтении импортных паспортов.
Для чего нужен компенсатор: какие смещения он поглощает?
Главная причина - тепловое удлинение. Труба при нагреве растёт по формуле ΔL = α · L · Δt, где α - коэффициент линейного расширения материала. Для углеродистой стали α составляет примерно 0,012 мм на метр длины на градус, для аустенитной нержавеющей - около 0,017 (значения у разных источников расходятся в пределах пяти процентов, поэтому их берут ориентировочно). Подставим числа: стальной участок длиной 100 метров при нагреве на 100 градусов удлиняется на 0,012 × 100 × 100 = 120 мм. Двенадцать сантиметров на сотне метров - это и есть та подвижка, которую надо куда-то деть.
Вторая задача - вибрация. Резиновый или сильфонный компенсатор у насоса работает как гибкая развязка: он «расцепляет» насос и остальную сеть, и колебания не уходят в трубопровод. По практике насосных станций компенсатор ставят на всасе и нагнетании насоса именно с этой целью.
Третья задача - несоосность, монтажные допуски и осадка фундамента. Компенсатор берёт не только осевое удлинение, но и поперечный сдвиг и поворот на угол, поэтому сглаживает погрешности монтажа и просадку опор.
Что происходит без компенсации, хорошо описывает инженерная практика: «Если эти деформации никак не компенсировать, трубы начнут изгибаться, сварные швы - трескаться, а опоры - разрушаться». Тепловое усилие в защемлённой трубе концентрируется в зоне термического влияния сварного шва - это самое слабое по металлу место. В европейских теплосетях при рабочих 90-120 градусах неправильно закреплённые отводы теряли устойчивость и шли на замену, а такой ремонт обходится дорого.
Как устроен компенсатор: из каких частей он состоит?
Гофр (сильфон) - тонкостенная гофрированная оболочка, которая и воспринимает перемещение. По EJMA это «гибкий элемент компенсатора, состоящий из одной или нескольких гофр и концевых обечаек». Единичную волну называют гофрой (convolution), её вершину - гребнем, основание - впадиной. Материал зависит от типа: нержавеющая сталь у металлических, резина с кордом у эластомерных, фторопласт у химстойких.
Патрубки, фланцы, приварные концы - присоединительная арматура. По ГОСТ арматура входит в состав компенсатора как его часть. При монтаже изделие стропят за патрубки: за гофр поднимать нельзя, тонкая оболочка сомнётся.
Внутренняя гильза (экран, liner) - обечайка внутри гофра. Она направляет поток, снижает сопротивление на гофре и защищает его от абразива. По EJMA гильзы «устанавливают во входном сечении компенсатора, чтобы защитить сильфон от эрозии абразивной средой». Ставят её по направлению потока.
Наружный кожух (cover) - обечайка снаружи. Тонкий гофр легко смять ударом или мусором, поэтому кожух закрывает его по всей длине и заодно защищает персонал.
Тяги и ограничители хода различают по функции. Стяжные тяги (tie rods) постоянно воспринимают полную распорную силу от давления и оставляют только поперечное смещение. Ограничительные тяги (limit rods) держат ход гофра в расчётном диапазоне и защищают от перегрузки. Распределительные тяги (control rods) распределяют перемещение между двумя сильфонами универсального компенсатора.
Транспортные стяжки (shipping bars) фиксируют монтажную длину при перевозке и установке. Их красят в предупреждающий цвет и снимают после монтажа. Не снятые стяжки - частая причина того, что новый компенсатор «не работает»: он просто заблокирован.
Опорные кольца гофра (reinforcing, equalizing rings) сидят во впадинах гофр и усиливают сильфон против внутреннего давления - так делают компенсаторы на высокое давление.
Как компенсатор поглощает перемещение?
Гибкость сильфона обеспечивает изгиб боковых стенок гофр и работа радиусов гребня и впадины. При удлинении трубы гофры сжимаются или растягиваются вдоль оси, при сдвиге изгибаются вбок, при повороте - на угол. Обычно одной волны мало, поэтому сильфон набирают из нескольких гофр под нужный ход.
Ключевое инженерное понятие - распорная сила (pressure thrust). Внутреннее давление стремится растащить компенсатор и раздвинуть трубопровод. Считают эту силу как F = P × A_eff, где A_eff - эффективная площадь сильфона по среднему диаметру гофра. По стандартам EJMA и нормам ASME распорную силу «вычисляют, умножая эффективную площадь сильфона, соответствующую среднему диаметру гофр, на давление в линии». Тонкий, но важный момент: площадь берут по среднему диаметру волны; он шире прохода трубы, поэтому реальная сила выходит больше, чем кажется по диаметру трубопровода. Эту силу либо воспринимают неподвижные опоры, либо замыкают внутри изделия стяжные тяги.
Сопротивление сильфона перемещению описывают жёсткостью (spring rate): это усилие, нужное, чтобы сжать или растянуть сильфон на единицу длины. Чем ниже жёсткость, тем меньше усилия компенсатор передаёт на трубу и опоры при той же подвижке.
Вибрацию компенсатор гасит по простому механизму: гибкий сильфон разрывает жёсткую металлическую связь между насосом и сетью, и путь передачи колебаний прерывается. Эластомерные компенсаторы вдобавок сглаживают пульсации давления в среде.
Как считают ход и подбирают тип под конкретный участок, разбираем в статье как выбрать компенсатор для трубопровода - здесь остаёмся на устройстве и принципе.
Какие бывают компенсаторы по типу перемещения?
Основа классификации - три базовых движения сильфона по EJMA: осевое, боковое и угловое. Из них складываются четыре рабочих типа.
- Осевой поглощает удлинение и укорочение вдоль оси. Это один сильфон без тяг, «свободный» тип, поэтому распорную силу от давления должны воспринимать неподвижные опоры. Самый массовый вид на прямых участках теплосетей и паропроводов.
- Сдвиговый (боковой) берёт поперечное смещение осей. Обычно это два сильфона на общей вставке со стяжными тягами: тяги замыкают распорную силу внутри изделия и разгружают опоры. Ставят на Z- и Г-образных поворотах трассы.
- Угловой (поворотный) компенсирует наклон осей на угол. К сильфону добавляют шарнир или карданный узел. По EJMA шарнирные компенсаторы работают только в наборе из двух-трёх штук, а карданные - парами; одиночный шарнирный компенсатор перемещение не отработает.
- Универсальный берёт комбинацию осевого, бокового и углового перемещения. Это два сильфона на общей проставке, часто с распределительными тягами.
Важный нюанс, на котором путаются справочные тексты: четвёрка «осевой, сдвиговый, угловой, универсальный» - это классификация EJMA и производственная практика. Сам ГОСТ 32935-2014 на сильфонные компенсаторы тепловых сетей выделяет только три типа: осевой, поворотный и стартовый. Слова «сдвиговый тип» в этом ГОСТ нет, поэтому выдавать четвёрку за «типы по ГОСТ 32935» неверно.
Какие бывают компенсаторы по конструкции?
Классификация по конструкции и классификация по перемещению - разные разрезы одного изделия, их нельзя смешивать. Ниже - основные конструктивные типы и их рамки применения.
| Тип по конструкции | Рабочий орган | Ориентиры по среде и параметрам |
|---|---|---|
| Сильфонный | Гофр из нержавеющей стали | Для теплосетей по ГОСТ 32935: до PN 25, до 200 °C, DN 50-1400; отдельные исполнения производителей заявляют шире |
| Резиновый | Эластомерная вставка (EPDM, NBR) | Вода, воздух, нефтепродукты; до примерно 120 °C; гашение вибрации у насосов |
| Фторопластовый (PTFE) | Сильфон из фторопласта | Агрессивные среды (кислоты, щёлочи); от -60 до +180 °C |
| Линзовый | Сваренные полулинзы | Осевое перемещение, высокие давления; расчёт по ГОСТ 30780-2002 |
| Сальниковый | Подвижный стакан и набивка | Большой осевой ход; требует обслуживания, стакан корродирует снаружи |
| Тканевый | Многослойный тканевый рукав | Газоходы и дымоходы; до +1000 °C, давление до 0,3 бар |
| Металлорукав в оплётке | Гофрированная трубка и оплётка | Виброразвязки и сейсмовставки; вода, пар, газ |
| Гнутый (П-, Г-, лирообразный) | Упругость самой трубы | Самокомпенсация; трубы примерно до DN 200, R гиба = 4·D |
Пара практических уточнений. Сальниковый компенсатор ремонтопригоден за счёт поднабивки, но в переменном режиме теплосети его стакан корродирует снаружи и учащает утечки, поэтому сальниковые постепенно вытесняют сильфонными. Тканевые дают большую компенсирующую способность при малых габаритах - до 400 мм по оси и до 200 мм на сдвиг - и не передают вибрацию. Гнутые компенсаторы дёшевы и не требуют обслуживания, но занимают много места и добавляют гидравлическое сопротивление.
По материалам гофра у нас есть отдельные разборы: сильфонный компенсатор и его ресурс, резина EPDM или NBR и фторопластовый компенсатор. Готовые изделия по типам собраны в каталоге: сильфонные, резиновые и фторопластовые.
Если по среде и параметрам сомневаетесь, какая конструкция подойдёт, инженер сравнит варианты и предложит тип под задачу.
Что такое стартовый компенсатор и чем он особенный?
Стартовый компенсатор решает специфическую задачу подземных теплосетей из труб в пенополиуретановой изоляции. Трубопровод, защемлённый в грунте, перед пуском предварительно растягивают нагревом до температуры около половины рабочего перепада. При этом стартовый компенсатор сжимается на полный рабочий ход. После выдержки его кожухи заваривают между собой, и участок превращается в неразрезную конструкцию, которая дальше работает без компенсаторов. Срабатывает такой компенсатор один раз - отсюда и название. В ГОСТ 32935-2014 стартовый прямо назван одним из трёх типов наряду с осевым и поворотным.
Как компенсатор обозначают на схеме и чертеже?
Условное графическое обозначение (УГО) элементов трубопроводов - зона ответственности стандарта ГОСТ 2.784-96, который действует с 1 января 1998 года и распространяется на схемы и чертежи всех отраслей. Компенсатор в таблице стандарта - позиция 19, причём с отдельными символами для подтипов: П-образного, лирообразного, линзового, волнистого (сильфонного), кольцеобразного и телескопического (сальникового). Разные справочники приводят чуть различающийся набор подтипов, поэтому точную графику символа для проекта сверяют по официальному тексту таблицы ГОСТ 2.784-96, не полагаясь на память.
Частая ошибка справочных текстов - приписывать обозначение компенсатора другим стандартам или рисовать символ произвольно. Нормирующий документ для графики элементов трубопровода - именно ГОСТ 2.784-96.
На рабочих чертежах тепловых сетей действует ещё и ГОСТ 21.605-82: он задаёт компенсатору позиционное обозначение (марка плюс порядковый номер), тогда как графику по-прежнему берут по ЕСКД. То есть на чертеже теплосети компенсатор рисуют по ГОСТ 2.784, а нумеруют по ГОСТ 21.605.
Как расшифровать маркировку компенсатора?
У сильфонных компенсаторов прижились буквенные обозначения производителей. КСО - компенсатор сильфонный осевой; цифра впереди показывает число секций (сильфонов): 1КСО - односекционный, 2КСО - двухсекционный. КСР - компенсатор сильфонный разгруженный, то есть с тягами, снимающими распорную силу. КСОТ - осевой компенсатор в исполнении для систем отопления. Эти буквы - коды, принятые у отдельных заводов (ОМК, «Армфлекс», «Стальные системы» и другие); единой номенклатуры по одному стандарту за ними нет.
Сама структура условного обозначения описана в приложении А ГОСТ 32935-2014: число сильфонов, тип и исполнение, давление PN, диаметр DN, полный рабочий ход в миллиметрах, материал арматуры и обозначение стандарта. Пример: 2КСО-25-500-400 читается как двухсекционный сильфонный осевой компенсатор на PN 25, диаметр DN 500, осевой ход 400 мм.
Какие ГОСТы регламентируют компенсаторы?
| ГОСТ | О чём |
|---|---|
| ГОСТ 32935-2014 | Компенсаторы сильфонные металлические для тепловых сетей. Общие технические условия |
| ГОСТ 27036-86 | Компенсаторы и уплотнения сильфонные металлические. Общие технические условия |
| ГОСТ 25756-83 | Компенсаторы и уплотнения сильфонные. Термины и определения |
| ГОСТ 22743-85 | Сильфоны. Термины, определения и буквенные обозначения |
| ГОСТ 28697-90 | Компенсаторы и уплотнения сильфонные металлические. Программа и методика испытаний |
| ГОСТ 30780-2002 | Сосуды и аппараты стальные. Компенсаторы сильфонные и линзовые. Методы расчёта на прочность |
| ГОСТ Р 50671-94 | Компенсаторы сильфонные металлические для трубопроводов электрических станций и тепловых сетей |
| ГОСТ 2.784-96 | ЕСКД. Обозначения условные графические. Элементы трубопроводов (УГО компенсатора) |
| ГОСТ 21.605-82 | СПДС. Сети тепловые (тепломеханическая часть). Рабочие чертежи (позиционное обозначение компенсаторов) |
Одно предупреждение. По созвучию номера иногда ссылаются на «ГОСТ Р 56207» как на стандарт по компенсаторам - это ошибка: ГОСТ Р 56207 регламентирует плиты и плитки из искусственного камня и к трубопроводным компенсаторам отношения не имеет.
Как выбрать и где купить компенсатор?
Когда с определением, устройством и видами разобрались, остаётся практика подбора. По шагам это разложено в статьях как выбрать компенсатор для трубопровода и монтаж компенсатора на трубопроводе. Каталог компенсаторов по конструктивным типам - в разделе компенсаторы для трубопроводов.
Проще всего не гадать с типом и ходом: пришлите параметры участка, и инженер подберёт компенсатор под среду, давление и температуру, а также подскажет схему опор.
Частые вопросы
Чем компенсатор отличается от сильфона? Сильфон - это гибкий гофрированный элемент, а компенсатор - готовое изделие из сильфона и присоединительной арматуры (патрубков, фланцев, тяг). По ГОСТ 32935-2014 сильфон совершает перемещения, а компенсатор их поглощает или уравновешивает. Проще говоря, сильфон - деталь, компенсатор - изделие.
Для чего нужен компенсатор на трубопроводе? Чтобы труба безопасно меняла длину и положение. Компенсатор поглощает тепловое удлинение, гасит вибрацию оборудования и берёт на себя несоосность стыков и осадку опор. Без него тепловые усилия уходят в трубы, сварные швы и опоры и разрушают их.
Какие бывают виды компенсаторов? Их классифицируют по двум осям. По типу перемещения - осевые, сдвиговые, угловые и универсальные. По конструкции - сильфонные, резиновые, фторопластовые, линзовые, сальниковые, тканевые, гибкие металлорукава и гнутые из трубы. Это разные разрезы: осевой компенсатор может быть и сильфонным, и сальниковым.
Как работает компенсатор? За счёт упругого изгиба стенок гофра. Волны сильфона сжимаются, растягиваются или изгибаются и поглощают подвижку трубы. Давление внутри создаёт распорную силу, которую считают по среднему диаметру гофра; её воспринимают либо неподвижные опоры, либо стяжные тяги.
Как компенсатор обозначается на схеме? Условное графическое обозначение компенсатора задаёт ГОСТ 2.784-96 «ЕСКД. Элементы трубопроводов», где компенсатор идёт позицией 19 с отдельными символами для П-образного, линзового, сильфонного и других подтипов. На чертежах теплосетей ему дополнительно присваивают позиционную марку по ГОСТ 21.605-82.
Что означает маркировка вроде 2КСО-25-500-400? Это двухсекционный сильфонный осевой компенсатор на давление PN 25, диаметр DN 500 и осевой рабочий ход 400 мм. Буквы КСО, КСР, КСОТ - заводские коды производителей, а структуру обозначения задаёт приложение А ГОСТ 32935-2014.
Какой ГОСТ на компенсаторы основной? Для сильфонных компенсаторов тепловых сетей это ГОСТ 32935-2014. Термины закреплены в ГОСТ 25756-83, расчёт на прочность сильфонных и линзовых - в ГОСТ 30780-2002, а обозначение на схемах - в ГОСТ 2.784-96.