Что такое сильфон: как он устроен, как его делают и где применяют
Слово «сильфон» снабженец обычно встречает в паспорте изделия, в строке сметы или в названии позиции вроде «вентиль сильфонный». Из контекста понятно, что речь про что-то гофрированное и гибкое. Дальше начинаются вопросы: деталь это или готовое изделие, чем оно отличается от металлорукава и почему один сильфон стоит в компенсаторе теплосети, а другой в манометре размером с ладонь. Разбираем по порядку: определение из стандарта, физику гофра, технологии изготовления, обозначение и применение.
Если под рукой уже есть параметры участка, инженер подберёт сильфонный компенсатор по среде, давлению и температуре.
Что в статье
Что такое сильфон простыми словами?
Стандарт формулирует это так: сильфон - «осесимметричная упругая оболочка, разделяющая среды и способная под действием давления, температуры, силы или момента силы совершать линейные, сдвиговые, угловые перемещения или преобразовывать давление в усилие».
В одной фразе спрятаны три разные функции, и каждая породила свой класс изделий. Оболочка разделяет среды - отсюда сильфонные уплотнения и герметизация штока в арматуре. Оболочка перемещается - отсюда компенсаторы трубопроводов. Оболочка превращает давление в усилие - отсюда чувствительные элементы приборов давления. Одна и та же деталь, три инженерные задачи.
Насколько тонкая у неё стенка, легко понять по приборной номенклатуре. ГОСТ 21482-76 описывает сильфон с наружным диаметром 28 мм, десятью гофрами и толщиной стенки 0,12 мм. Это фольга, свёрнутая в гофрированный стакан. У промышленных компенсаторов диаметры уходят за метр, но принцип остаётся тем же: тонкая стенка плюс волны.
Чем сильфон отличается от компенсатора и компенсационного устройства?
По стандарту сильфонный компенсатор - «устройство, состоящее из сильфона (сильфонов) и арматуры, способное поглощать или уравновешивать относительные движения определённой величины и частоты». Компенсационное устройство - «устройство, состоящее из одного или нескольких сильфонных компенсаторов, заключённых в корпус».
Отсюда практическое следствие для заявки. Фраза «нужен сильфон DN 200» поставщика не устраивает: непонятно, требуется голая гофрированная оболочка для ремонта чужого узла или готовое изделие с патрубками под приварку. Разница в цене и сроке поставки при этом кратная.
Устройство компенсатора в сборе, назначение гильзы и кожуха, классификации по типу перемещения разобраны отдельно в статье что такое компенсатор. Здесь дальше речь только про саму оболочку.
Почему сильфон гофрированный и как он работает?
Каждая волна работает как отдельная упругая шайба. Когда узел сжимается, гребни сближаются, а стенка гофра изгибается около впадины. Деформация распределяется по всем волнам сразу, и на каждую приходится небольшая доля общего перемещения. Отсюда правило конструктора: нужен больший ход при той же нагрузке - добавляют волны или уменьшают толщину стенки.
Сопротивление этому перемещению стандарт называет жёсткостью: «сопротивление силе в сильфонном компенсаторе, необходимой для достижения сдвига, осевого или углового хода». Жёсткость определяет, какое усилие сильфон передаст на соседнее оборудование, когда труба потянет его за собой.
Отдельно работает давление внутри. Оно стремится расправить гофры и распереть узел по длине, и это усилие считают по эффективной площади, которую берут по среднему диаметру гофров (методика EJMA). Распорная сила уходит на неподвижные опоры трубопровода либо на стяжные тяги самого изделия. Расчёт хода и схема опор подробно разобраны в статье как выбрать компенсатор для трубопровода.
Обратная сторона того же эффекта дала приборы. Если один конец закрепить, а внутрь подать давление, свободный конец сдвинется на величину, связанную с давлением. Так работает сильфонный манометр.
Из чего делают сильфон?
ГОСТ 21482-76 на однослойные измерительные сильфоны разрешает четыре материала, и у каждого свой температурный коридор для неагрессивных сред. Сплав 36НХТЮ работает от -60 до +200 °C, бериллиевая бронза БрБ2 - от -60 до +100 °C, а нержавеющие стали 12Х18Н10Т и 08Х18Н10Т держат от -200 до +400 °C.
Разброс показателен: даже в приборной номенклатуре аустенитная нержавейка перекрывает по температуре и упругий сплав, и бронзу вдвое. Материал в сильфоне выбирают под сочетание среды, температуры и требуемой стабильности характеристики, и универсального варианта здесь нет.
Логика выбора здесь приборная. От чувствительного элемента манометра требуется стабильная упругая характеристика: одно и то же давление должно давать одно и то же перемещение и через год, и через десять тысяч циклов. Специальные упругие сплавы держат эту характеристику лучше конструкционной стали.
У трубопроводных сильфонов другой набор требований, и там свой разбор: марки стали по ГОСТ 5632, поведение аустенитной нержавейки под хлоридами, число циклов до усталостной трещины. Всё это в статье сильфонный компенсатор: из какой стали и сколько циклов он выдержит. Когда среда для нержавеющей стали агрессивна, вместо металлической оболочки берут фторопластовый компенсатор.
Как изготавливают сильфон: шесть способов
| Способ | Как делают | Что даёт |
|---|---|---|
| Гидроформование | Трубную заготовку зажимают в разъёмной матрице, заполняют жидкостью и поднимают давление до предела текучести; стенка расширяется и упирается в кольца | Несколько волн за одну операцию, бесшовная оболочка, ровная толщина стенки |
| Пневматическое формование | То же самое воздухом, с предварительным осаживанием заготовки | Применяют под специальные профили волны |
| Эластомерное формование | Заготовку надевают на резиновый сердечник, сердечник сжимают, и он выдавливает кольцевую выпуклость | Одна волна за операцию; число гофров ограничено длиной заготовки |
| Механическое формование | Трубу прокатывают между роликами снаружи либо раздают разжимной оправкой изнутри с последующей докаткой | Дешевле гидроформования, удобно для малых серий и нестандартных размеров |
| Гофрирование листа | Лист гофрируют на прессе или прокатном стане, сворачивают в обечайку и варят продольный шов | Путь к большим диаметрам |
| Сварка мембран | Каждую волну собирают из двух кольцевых мембран, волны сваривают в пакет | Точное заданное число волн, наибольший ход на единицу длины |
Разница между бесшовной и шовной технологией измерима. По данным американского производителя Sigma-Netics, у бесшовного гидроформованного сильфона разброс толщины стенки укладывается в ± 0,0001 дюйма (около 2,5 мкм), а у шовно-сварного формованного он примерно в пять раз больше. Зато шовный способ дешевле выводит большие диаметры.
Мембранный сильфон стоит особняком. Его собирают из тонких отдельных пластин, поэтому жёсткость получается ниже, а ход на единицу длины заметно больше, чем у формованного. Такие оболочки идут в вакуумную технику и в приборы, где важна мягкая характеристика. Для трубопровода под давлением обычно берут формованный: у него сплошная стенка без поперечных сварных швов на каждой волне.
Тороидальные сильфоны делают комбинированным способом, сочетая растяжение заготовки с гидроформованием. Холодное формование идёт при комнатной температуре, без резки и сварки, и попутно наклёпывает металл, повышая его твёрдость.
Однослойный или многослойный сильфон: что означает слойность?
Смысл приёма чисто механический. Напряжение изгиба в стенке растёт с её толщиной, поэтому одна стенка в 1 мм при перегибе нагружена сильнее, чем четыре стенки по 0,25 мм, сложенные стопкой. Пакет держит то же давление и при этом переносит цикл мягче.
В трубопроводной арматуре сильфон уплотнения обычно многослойный: по отраслевым справочникам его собирают из 2-12 слоёв, а число волн выбирают от 4 до 20 в зависимости от рабочего давления. У компенсаторов теплосетей слойность своя, и она напрямую влияет на заявленный ресурс.
Что слойность даёт по числу циклов и почему её нельзя считать заменой правильному расчёту хода, разобрано в статье сильфонный компенсатор: из какой стали и сколько циклов он выдержит.
Какой бывает профиль гофра?
U-образная волна - компромисс между податливостью и прочностью, поэтому на неё приходится основная масса выпускаемых сильфонов. Заводы описывают номенклатуру именно так: гофры U-образной формы, в обоснованных случаях Ω-образной, а также с использованием подкрепляющих (армирующих) колец.
Кольцо в межгофровой канавке меняет картину нагружения. Оно плотно охватывает волну и снимает часть окружных напряжений, которые давление создаёт в стенке. За счёт этого одна и та же геометрия волны выдерживает кратно большее давление, чем неподкреплённая.
Тороидальный профиль решает ту же задачу формой. У обычной U-образной волны окружные напряжения от давления растут пропорционально диаметру сильфона, даже если толщина металла и форма волны остались прежними. У тороидальной волны напряжения от давления практически не зависят от диаметра изделия, поэтому её берут на большие DN. Технологически такой профиль сложнее: он требует комбинации растяжения и гидроформования.
Инженер подберёт исполнение под ваше давление и требуемый ход, чтобы не переплачивать за усиленный вариант там, где хватит стандартного.
Как обозначают сильфон и что означает запись «Сильфон 28х10х0,12»?
Такая структура удобна тем, что задаёт деталь однозначно. Диаметр определяет посадочные размеры, число волн - доступный ход, толщина стенки - жёсткость и ресурс. Поменяли одно число, получили другое изделие с другой характеристикой.
Термины и параметры сильфонных компенсаторов и уплотнений закреплены отдельным терминологическим стандартом - ГОСТ 25756-83. Он задаёт, что называть наружным и внутренним диаметром, что считать осевым ходом и как называть элементы конструкции. На этот стандарт прямо ссылается ГОСТ 27036-86 на металлические сильфонные компенсаторы и уплотнения.
Показательна и организационная деталь: межгосударственный технический комитет, который ведёт терминологию отрасли, называется МТК 259 «Трубопроводная арматура и сильфоны». Сильфон в системе стандартизации стоит рядом с арматурой как самостоятельный класс изделий.
На схеме трубопровода рисуют не сильфон, а компенсатор целиком: условное графическое обозначение задаёт ГОСТ 2.784-96, разбор с позициями есть в статье что такое компенсатор.
Чем сильфон отличается от металлорукава и гибкой подводки?
Формулировка из документации расчётного пакета НТП «Трубопровод» точна: «Оплётка воспринимает распорные усилия от давления, поэтому такое изделие не передаёт распорные усилия от давления на торцы примыкающих труб. Помимо этого, оплётка воспринимает осевые и радиальные нагрузки, возникающие под давлением рабочей среды, и одновременно защищает сильфон от внешних механических воздействий».
Для проектировщика это означает разные расчётные схемы у похожих на вид изделий. Поставили компенсатор без стяжек - обязаны обеспечить неподвижные опоры, способные принять произведение давления на эффективную площадь. Поставили металлорукав в оплётке - распор замкнулся внутри изделия, и опоры считают только на вес и на реакцию изгиба.
| Признак | Сильфон в компенсаторе | Металлорукав в оплётке | Гибкая подводка |
|---|---|---|---|
| Основная задача | Принять заданное перемещение трубы по расчёту | Соединить два узла с произвольным взаимным смещением | Подключить прибор к точке разбора |
| Распор от давления | Передаёт на опоры или на стяжки | Замыкает на оплётку | Замыкает на оплётку |
| Что нормируется | Ход, жёсткость, число циклов | Радиус изгиба, давление | Давление, присоединительная резьба |
| Где стоит | Магистраль, обвязка насоса, теплосеть | Подвижное или вибрирующее оборудование | Сантехническая обвязка |
Отдельно стоит снять частое упрощение. Сильфон отличается от металлорукава задачей и обвязкой; по форме волны их не разделить, потому что выпускаются и металлорукава с кольцевой гофрой, которые в каталогах прямо называют сильфонными.
Где применяют сильфон, кроме компенсаторов?
| Где стоит | Что делает сильфон | Почему именно он |
|---|---|---|
| Сильфонная арматура | Герметизирует шток относительно окружающей среды | Сплошная стенка вместо набивки, поэтому пути протечки по штоку нет |
| Торцовое уплотнение насоса | Передаёт крутящий момент с вала на вращающееся кольцо и прижимает пару трения | Металлический сильфон работает и пружиной, и муфтой, отдельная пружина не нужна |
| Приборы давления | Служит чувствительным элементом манометра | Даёт заметное перемещение при малых давлениях |
| Вакуумная техника | Работает вводом движения внутрь вакуумного объёма | Сохраняет герметичность при подвижном штоке |
| Гибкая подводка | Образует гибкий участок трубопровода | Гофрированная нержавеющая стенка без резиновой камеры и обжимной гильзы |
Логика арматуры заслуживает пояснения. Сальниковое уплотнение прижимает набивку к штоку, и микротечь по нему допускается конструктивно. Сильфон эту протечку исключает как явление: между средой и атмосферой стоит сплошной металл. За это платят строительной высотой изделия, дублирующим сальниковым уплотнением на случай разрушения оболочки и запретом на вращение шпинделя без специальной защиты - кручение сильфон переносит хуже всех прочих нагрузок.
В торцовых уплотнениях насосов встречаются две схемы. С эластомерным сильфоном и центральной пружиной - дешёвый общепромышленный вариант. С металлическим сильфоном - вариант для тяжёлых условий, где сама оболочка передаёт момент и создаёт прижим.
Сколько живёт сильфон и можно ли заменить его отдельно?
Приборный сильфон нормируют напрямую. ГОСТ 21482-76 требует вероятность безотказной работы не менее 0,99 за 75 000 циклов, а назначенный срок службы и хранения задаёт в 21 год. Цифры относятся к измерительным однослойным сильфонам в неагрессивных средах.
У трубопроводных компенсаторов зависимость ресурса от хода ещё резче: полный ход отрабатывается считанные разы, а работа в пределах пятой части хода даёт тысячи циклов. Разбор этой нелинейности с цифрами стандарта - в статье сильфонный компенсатор: из какой стали и сколько циклов он выдержит.
Ремонт повреждённой оболочки сваркой поставщики прямо не советуют. Компания «Компенс» формулирует так: «Выполнять ремонт компенсатора посредством сварочного либо прочего оборудования не рекомендуется <...> Это не позволит восстановить эксплуатационные качества изделия в полной мере», и добавляет, что установка отремонтированного компенсатора повышает риск прорыва трубопровода и протечек.
Причина понятна из конструкции. Сильфон приварен к патрубкам, толщина его стенки соизмерима с фольгой, а сварной шов вносит в тонкий металл зону с другой структурой и остаточными напряжениями - ровно там, где деталь потом циклически изгибается. Отсюда штатный путь: замена узлом целиком, с проверкой монтажной длины и растяжки по инструкции по монтажу.
Что указать в заявке, если нужен сильфонный компенсатор?
- Номинальный диаметр DN и номинальное давление PN участка.
- Рабочая и максимальная температура среды.
- Состав среды, включая содержание хлоридов для водяных систем.
- Требуемое перемещение в миллиметрах и его тип: осевое, сдвиговое или угловое.
- Присоединение: фланцевое или под приварку.
- Ограничение по строительной длине, если участок стеснён.
- Нужны ли стяжки, внутренняя гильза и наружный кожух.
Готовые изделия по типам собраны в разделе сильфонные компенсаторы, а общий каталог по конструкциям - в разделе компенсаторы для трубопроводов.
Проще не гадать с исполнением: пришлите параметры участка, и инженер подберёт компенсатор под среду, давление и перемещение, а заодно проверит схему опор.
Частые вопросы
Что такое сильфон простыми словами? Это тонкостенная гофрированная оболочка из металла, герметичная и упругая одновременно. Она разделяет две среды и при этом может менять длину или наклон, работая как пружина. По ГОСТ 32935-2014 сильфон способен совершать линейные, сдвиговые и угловые перемещения либо преобразовывать давление в усилие.
Чем сильфон отличается от сильфонного компенсатора? Сильфон - деталь, гофрированная оболочка. Сильфонный компенсатор - готовое изделие из сильфона и присоединительной арматуры: патрубков, фланцев, иногда стяжек и кожуха. Компенсационное устройство - следующий уровень сборки: один или несколько компенсаторов в общем корпусе.
Как работает сильфон? За счёт упругого изгиба стенки в волнах гофра. Гладкая труба потребовала бы растянуть металл, а гофрированная оболочка превращает это в изгиб, который металл переносит легче. Полный ход складывается из перемещений всех волн, поэтому число гофров прямо влияет на доступное перемещение.
Какой ГОСТ на сильфоны? Термины и определения задаёт ГОСТ 25756-83, изделия из металла - ГОСТ 27036-86, измерительные однослойные сильфоны - ГОСТ 21482-76, а сильфонные компенсаторы тепловых сетей - ГОСТ 32935-2014.
Чем сильфон отличается от металлорукава? Задачей и работой с давлением. Металлорукав в силовой оплётке замыкает распорное усилие на оплётку и не передаёт его на соседние трубы. Сильфон компенсатора без стяжек передаёт распор на неподвижные опоры, и опоры под это усилие считают отдельно.
Можно ли заменить сильфон в компенсаторе? В неразборной конструкции нет: оболочка приварена к патрубкам, а сварка по тонкой циклически нагруженной стенке ресурс не восстанавливает. Поставщики рекомендуют менять узел в сборе, а при заказе замены сверять монтажную длину и требуемую растяжку.
Где применяют сильфоны, кроме трубопроводов? В трубопроводной арматуре для герметизации штока, в торцовых уплотнениях насосов, в манометрах и датчиках давления как чувствительный элемент, в вакуумной технике как ввод движения, а также в гибких подводках из нержавеющей стали.