RU2122148C1

RU2122148C1 - Bellows for compensation of deformation in pipe line

Info

Publication number: RU2122148C1
Application number: RU98100174A
Authority: RU
Inventors: А.И. Евсеев; В.М. Сидоров; В.М. Гордиенко; Г.Г. Васильев; В.И. Кленин; М.Д. Соколов
Original assignee: Закрытое акционерное общество "Теплосеть плюс"
Priority date: 1998-01-16
Filing date: 1998-01-16
Publication date: 1998-11-20

Abstract

FIELD: connection of high-pressure main pipe lines. SUBSTANCE: radius of profile of bellows corrugations is equal to R=(8-12)t, where t is thickness of wall of corrugated pipe of bellows; radius of profile of corrugation space is equal to r=(0.3-0.4)R; height of corrugations is equal to H=(2.5-3.2)R; angle of inclination of rectilinear sections of profile of reinforcing half-rings is equal to γ = 7^°...10^° and undercut of corrugations is equal to α = (0,45...0,55)γ. EFFECT: enhanced reliability and serviceability; reduction of mass and overall dimensions of bellows. 2 cl, 4 dwg

Description

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. The invention relates to pipeline technology, and in particular to devices for connecting high-pressure trunk pipelines of predominantly large diameter (more than 150 mm) gas and oil refining industries, and is intended for axial compensation of thermal expansions, as well as working and mounting displacements.

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. Known metal bellows single-layer compensatory, reinforced with rings (GOST 24553-81 and GOST 24554-81). These bellows are a metal pipe consisting of annular corrugations having a lens profile. The outer surfaces of the corrugations along the hollows are reinforced with rings. Moreover, the ratio of the radius of the profile of the depressions to the radius of the profile of the protrusions of the corrugations lies in the range of 0.6. ..1,0, and the profile of the reinforcing rings is formed by two parallel straight lines, conjugate along a radius equal to the radius of the profile of the corrugations of the corrugations.

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. The disadvantages of these bellows include the relatively low maximum permissible working internal pressure, as well as the low amplitude of the axial stroke of the corrugations of the compensator, which is due to the non-optimal mutual geometry of the corrugations and reinforcing rings profiles.

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). Known wavy axial compensator KVO (Wavy compensators, their calculation and application. - M.: VNIIOENT, 1965, S. 47-49, Fig. 20, a). This compensator contains two nozzles connected by an all-metal corrugated pipe, in the hollows of the corrugations of which there are removable half rings tightened by bolts, a safety casing covering the corrugated pipe with reinforced half rings. The casing at one end is rigidly bonded to one of the nozzles. The compensator also contains a guide inner shell, one end fixed to the inner surface of one of the nozzles. The profile of the corrugated pipe may take the form of protrusions and depressions made along the radius, conjugated by straight lines inclined at an angle α to each other, forming an undercut profile. The profile of the reinforcing half rings is formed by a radius equal to the radius of the profile of the corrugations of the corrugations, and by straight lines inclined at an angle γ to each other (see ibid., P. 9, table. N 2, p. 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. The disadvantages of this compensator include, first of all, its high metal consumption, since in a profile with undercutting, the radii of the corrugations and troughs of the corrugations are chosen, as a rule, equal. In addition, the profile of the corrugated pipe does not provide high working pressures for large diameter pipelines (> 150 mm) and the maximum axial amplitudes of the compensator corrugations, other things being equal to the overall mass characteristics of the known compensators.

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. The present invention solves the problem of increasing the operating pressure of the bellows compensator, increasing its reliability and performance, maintaining the amplitude of the axial stroke with a significant decrease in its overall mass characteristics.

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.The problem is solved in that in the bellows expansion joint strainer containing two nozzles connected by an all-metal corrugated pipe with a wall thickness equal to t, the profile of the protrusions and troughs of the corrugations of which are made along the radius R and r, respectively, conjugated with undercutting at an angle α by straight sections, removable reinforcing half rings tightened by fasteners and installed in the hollows of the corrugations, the profile of the reinforcing half rings formed by two straight angled to each other at an angle γ linear sections with the apex of the angle oriented toward the corrugation protrusion, from the corrugation depression side, with a radius equal to the radius of the corrugation cavity profile, and from the protrusion side, turning into a profile that coincides with the profile of the corrugation protrusion in its extremely compressed position, while the maximum thickness the reinforcing half rings in the peripheral section is equal to the step of the corrugations minus the amplitude of the compensating axial course of the corrugation, while the radius of the profile of the protrusions of the corrugations is R = (8 ... 12) t, the radius of the profile of the corrugations of the corrugations is r = (0.3 ... 0, 4) R, the height of the corrugations is H = ( 2.5 ... 3.2) R, the angle of inclination of the straight sections of the profile of the reinforcing half rings is γ = 7 ^o ... 10 ^o , and the angle of undercut of the straight sections of the corrugations is α = (0.45 ... 0.55) γ.
The bellows compensator can be equipped with a safety casing covering a corrugated pipe with half rings and one end rigidly fixed to one of the nozzles, as well as a guiding inner shell fixed at one end on the inner surface of one of the nozzles.

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. Figure 1 presents the proposed bellows expansion joint; figure 2, 3, 4 - section of the corrugated pipe compensator with reinforcing half rings in the initial (average), stretched and compressed position, respectively.

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. The bellows-type compensator for pipe deformations consists of the main element - an all-metal corrugated pipe 1, which is an elastic shell with an inner diameter greater than 150 mm and having annular protrusions 2 and depressions 3. Both edges of the corrugated pipe 1 are located on the hollow sections of the corresponding pipes 4, 5 and welded to them. In the hollows 3 of the corrugated pipe 1 are removable reinforcing rings 6, tightened by fasteners 7, for example, bolts with nuts. The extreme half rings 8 props the racks 9, welded to the corresponding pipes 4, 5. A corrugated pipe 1 with reinforcing half rings 6 and 8 is covered by a safety casing 10, one end 11 of which is rigidly fixed to one of the pipes, for example, to pipe 5. The second end 12 of the protective casing installed with the possibility of free sliding along the second pipe 4. Inside the corrugated pipe 1 is placed a guide shell 13, fixed at one end on the inner surface of one of the pipes 4, and has the possibility of free movement inside the second pipe 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. In the initial position, the profile of the corrugated pipe consists of radii of protrusions and troughs of the corrugations, conjugated by inclined rectilinear sections 14, forming an angle of undercut of the corrugation α. Moreover, the ratio of the radius r of the profile of the corrugations of the corrugations to the radius R of the profile of the protrusions lies in the range of 0.3 ... 0.4. At a given thickness t of the corrugated pipe, the radius of the profile of the corrugations of the corrugations is chosen equal to R = (8 ... 12) t, and the height of the corrugations H is chosen equal to 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.The profile of the reinforcing half rings is formed by two straight sections 15 inclined to each other at an angle γ = 7 ^o ... 10 ^o with the apex of the angle oriented towards the ledge 2 of the corrugation. The straight sections 15 of the reinforcing rings from the side of the corrugation cavity 3 are conjugated along a radius r equal to the radius of the profile of the cavity 3, and from the side of the corrugation protrusion, the straight sections 15 go into the profile matching the profile of the corrugation protrusion in its extremely compressed state (Fig. 4). The maximum thickness B of the reinforcing half rings 6 in the peripheral section is equal to the step of the corrugations T minus the amplitude Δ of the compensating axial course of the corrugation. In this case, the angle α of the undercut of the corrugations is chosen equal to α = (0.45 ... 0.55) γ.
The device operates as follows. When gas or liquid is supplied under high pressure into the internal cavity of the corrugated pipe 1, the protrusions 2 of the corrugations expand, initially making a choice of the gap between the corrugations and the reinforcing half rings 6. This gap is formed due to the difference in the angles α and γ of the corrugation profiles and the reinforcing half rings 6. Moreover, reinforcing half rings 6 perceive efforts from high pressure, limiting the buckling of the shell of the protrusions 2 corrugations. The selected value of the angle γ of the inclination of the straight sections 15 of the reinforcing half rings increases the resistance to the longitudinal extension of the protrusions of 2 corrugations, which allows the corrugations to perceive higher working pressures.

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. In the presence of axial deformation of the pipeline, for example, due to its thermal expansion, the straight sections 14 of the protrusions of the corrugations 2 are bent and compressed in the axial direction, while changing the pitch between the corrugations. The reinforcing half rings 6 approach each other, choosing the compensation gap Δ and increasingly accepting the efforts of the working internal pressure. With a full choice of the gap, the peripheral sections of the reinforcing half rings 6 are closed, closing the profile of the protrusions 3 of the corrugations to themselves, and in this state, absorbing the working pressure as much as possible, and this position is the main working state of the compensator. The specified thickness B of the peripheral section of the reinforcing half rings 6 also limits the decrease in the pitch between the corrugations, within the allowable design values of the amplitudes of the compensating axial stroke of the corrugation, while ensuring the uniform operation of all corrugations of the bellows compensator.

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. The predetermined profiles of the corrugations and reinforcing half rings 6, namely, the ratio of the radii R and r, protrusions 2 and depressions 3 of the corrugations, their height H, as well as the angle γ of the slope of the straight sections 14 of the reinforcing half rings and the ratio of this angle to the angle of undercut α of the corrugations allow significantly reduce the metal consumption of the compensator when applied to large diameter pipelines due to a significant reduction in the width of the hollows of the 3 corrugations with respect to the width of the protrusions of the 2 corrugations, without reducing the compensating ability of the reinforcing half rings 6 as adinam corrugations 3, and on the outer surface of the ribbed protrusions 2 by controlling their buckling.

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. The use of the inner guide of the shell 13 reduces the turbulence of the transported medium, reducing the loss of its pressure (pressure). In addition, the flow rate in the gap between the corrugated pipe 1 and the casing 13 is significantly reduced, which also favorably affects the reliability of the compensator.

Предохранительный кожух 10 защищает гофрированную трубу 1 от механических повреждений и загрязнений. The safety casing 10 protects the corrugated pipe 1 from mechanical damage and contamination.

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.Testing a bellows expansion joint with the following structural characteristics:
the corrugated pipe is made of 08X18H10T stainless steel with six corrugations and a wall thickness of t = 2 mm;
expansion joint diameter - 150 mm;
main characteristics of corrugation profiles and reinforcing half rings: R = 20 mm; r = 7 mm; H = 55 mm; α = 10 ^o ; γ = 5 ^o have shown that it can withstand an internal working pressure of up to 16 MPa and has a total compensating ability Δ = ± 15 mm at a medium temperature of 70 ^o C.

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. The proposed design of the bellows strain relief can be used on pipelines with a large bore diameter (> 150 mm) and large working pressures (> 9 MPa), while providing greater compensating ability, and have minimal weight and size characteristics. All this significantly increases the reliability of the bellows expansion joint axial strain.

Claims

1. A bellows-type compensator for pipeline deformations, comprising two nozzles connected by an all-metal corrugated pipe with a wall thickness t, the profile of the protrusions and depressions of the corrugations of which are made along the radius R and r, respectively, conjugated with undercutting at an angle α by straight sections, removable reinforcing half rings, tightened by fasteners and corrugations installed in the hollows, the profile of the reinforcing half rings being formed by two straight sections inclined to each other at an angle γ with the apex of the which is directed toward the corrugation protrusion, from the corrugation depression side that are conjugated in radius equal to the radius of the corrugation cavity profile, and from the protrusion side — turning into a profile that coincides with the profile of the corrugation protrusion in its extremely compressed position, while the maximum thickness of the reinforcing half rings in the peripheral section is the step of the corrugations minus the amplitude of the compensating axial stroke of the corrugation, characterized in that the radius of the profile of the protrusions of the corrugations is equal to R = (8 - 12) t, the radius of the profile of the corrugations of the corrugations is equal to r = (0.3 - 0.4) R, the height of the corrugations is H = (2.5 - 3.2) R, the angle of inclination is linear portions of the reinforcing profile is γ = half-rings 7 - 10 ^o, and the angle of the undercut portions of rectilinear corrugations is α = (0,45 - 0,55) γ .
2. The bellows compensator according to claim 1, characterized in that it comprises a safety casing covering a corrugated pipe with half rings and one end rigidly fixed to one of the nozzles, as well as a guide inner shell fixed at one end on the inner surface of one of the nozzles.