Промышленные и гражданские трубопроводные системы, при нормальных условиях эксплуатации, подвергаются целому ряду воздействий: температурному, внутреннему избыточному давлению, гравитационному воздействию, вибрационным и ударным нагрузкам. 

Для предотвращения поломок трубопроводов под воздействием выше перечисленных нагрузок необходимо использовать специальные устройства – компенсаторы, которые придадут трубопроводной системе необходимую податливость. Пример компенсатора представлен на рисунке 1.1.

Рисунок 1.1 – Фрагмент трубопровода с компенсатором

Наиболее распространённым типом компенсаторов являются сдвиговые сильфонные компенсаторы, которые воспринимают на себя сдвиговые деформации, возникающие в трубопроводе. 

В данной статье рассматривается конструкция сдвигового сильфонного компенсатора (сдвигового компенсатора) (рисунок 1.2). Сдвиговой компенсатор состоит из сильфона (одного или нескольких наложенных друг на друга) и патрубков, приваренных к дискам. Между двумя дискам вставлена шпилька, которая ограничивает продольные деформаций компенсатора.  Шпилька и диски соединены сферическими шайбами, благодаря чему компенсатор может испытывать сдвиговые деформации.  

Рисунок 1.2 – Типовая конструкция сдвигового компенсатора. Вид в разрезе.
1 – сильфон, 2 – патрубок, 3 – диски, 4 – шпильки 

При работе компенсатор испытывает нагрузки от собственного веса, внутреннего давления, температурных деформаций, а также нагрузки от перемещения присоединяемых элементов трубопровода. Сочетание всех вышеописанных нагрузок может привести к тому, что компенсатор может потерять устойчивость и испытает большие пластические деформации, что может привести к его выходу из строя, что в свою очередь, приведёт к выходу из строя трубопровода, в котором он установлен, поэтому необходимо проводить расчёты и исследования на предмет потери устойчивости компенсатора при эксплуатации трубопроводной системы, в каких местах компенсатора наблюдаются повышенные напряжения и зоны накопленных пластических деформации; оценка величины пластической деформаций.

В подобных исследованиях, ввиду нелинейного поведения материал и нелинейного контакта сильфонов друг с другом, целесообразно использовать компьютерное моделирование с применением численных методов. 

Модель материала 

Для корректного описания поведения компенсатора, расчет проведен в упругопластической постановке с использованием билинейной модели материала с изотропным упрочнением. 

Учтена зависимость механических свойств материала от температуры, в частности модуля Юнга, предела текучести, коэффициента температурного расширения и коэффициента теплопроводности. 

Например, на рисунке 2.1 представлена зависимость модуля Юнга от температуры для материала сильфонов.

Рисунок 2.1 – Зависимость модуля Юнга от температуры для материала сильфона

Постановка задачи 

Одной из нагрузок, действующей на компенсатор, является тепловое расширение, возникающее при протекании нагретой среды внутри компенсатора. Для учета температурных деформации необходимо определить поле температур во всем компенсаторе. Для определения данного поля была решена тепловая задача. 

В качестве граничных условий в тепловой задаче приняты вынужденная конвекция на внутренних и свободная конвекция внешних поверхностях, с температурами среды 500 ℃ и 20 ℃, соответственно. Также, ввиду большой температуры, учитывались потери тепла от излучения. 

Распределение полей температуры, полученное в результате теплового расчета, представлено на рисунке 3.1. Максимальная температура наблюдается в сильфоне и патрубка и составляет 489 ℃.

Рисунок 3.1 – Распределение температурных полей в компенсаторе, ℃ 

В прочностном расчете учитывались следующие нагрузки:

• избыточное давление среды на внутренние поверхности;
• температурное расширение конструкции;
• собственная масса конструкции;
• максимальное сдвиговое перемещение компенсатора. 

В качестве граничных условий, на торце компенсатора было задано жесткое закрепление. 

Как упоминалось ранее, в компенсаторе может быть более одного сильфона, наложенных друг для друга. Ключевой особенностью исследования компенсатора с несколькими сильфонами является учет нелинейного взаимодействия сильфонов между собой. В данной работе, для учета взаимодействия сильфонов применялись контактные элементы, которые допускают проскальзывание с трением в касательном направлении, а также отрыв в нормальном направлении. Контактирующие поверхности сильфонов, представлены на рисунке 3.2.

Рисунок 3.2 – Контактирующие поверхности сильфонов. 
красный – верхний сильфон, синий – нижний сильфон

Результаты расчета 

Полные перемещения

В результате расчета получены поля полных перемещений в компенсаторе. Из анализа результатов, представленных на рисунке 4.1 следует, что наибольшие перемещения испытывает гофрированный сильфон при сдвиге патрубков компенсатора.   

 Рисунок 4.1 – Поля полных перемещений в компенсаторе, мм 

Эквивалентные напряжения по Мизесу 

В результате расчета выявлены зоны повышенных напряжений в компенсаторе. Поля эквивалентных по Мизесу напряжений представлены на рисунке 4.2.

 Рисунок 4.2 – Поля эквивалентных по Мизесу напряжений (вид в разрезе), МПа

Из анализа результатов, представленных на рисунке 4.2 следует, что зоны повышенных напряжений наблюдаются в отверстиях под шпильки и составляют 194 МПа; также повышенные напряжения присутствуют в местах наибольшего изгиба сильфонов и в верхней и нижней части диска, расположенном вблизи к месту закрепления.

Пластическая деформация

В результате расчета выявлены зоны накопленных пластических деформаций в компенсаторе. Поля накопленных пластических деформаций представлены на рисунке 4.3.

Рисунок 4.3 – Поля пластической деформации во всем компенсаторе (вид в разрезе), мм/мм 

Из анализа результатов, представленных на рисунке 4.3 следует, что зоны повышенной пластической деформаций присутствуют в местах максимального изгиба сильфонов. В данных зонах пластическая деформация составляет 7,3 %. 

Потеря устойчивости

По результатам проведения прочностного расчета проведён расчет потери устойчивости. Определена первая форма потери устойчивости и коэффициенты запаса.  

Первая форма потери устойчивости компенсатора представлена на рисунке 4.4. Запас по устойчивости составляет меньше единицы.

Рисунок 4.4 – Форма потери устойчивости компенсатора

Результат расчета на потерю устойчивости показал, что форма потери устойчивости характеризуется локальным изгибом гофр сильфона.

Заключение 

В рамках данной работы было получено НДС сдвигового сильфонного компенсатора методом конечных элементов. 

Анализ результатов прочностного расчета показал, что максимальные напряжения составляют 194 МПа. Зоны максимальных напряжений расположены на  дисках вокруг отверстий под шпильки, а также в местах максимального изгиба сильфона.

Также, из результатов прочностного расчета следует, что наибольшие пластические деформаций накапливаются в зонах максимального изгиба сильфонов и составляют 7,3%.

Из результатов расчетов устойчивости следует, что в компенсаторе присутствует локальная потеря устойчивости.

Таким образом, рассмотренный сдвиговой компенсатор не может быть использован в трубопроводной системе, поскольку в сильфонах наблюдается превышение пластических деформаций и потеря устойчивости.

Благодаря компьютерному моделированию с применением численных методов решена нелинейная задача, с учетом взаимодействия слоев сильфона между собой с трением, и температурных градиентов, а также определена форма потери устойчивости. Моделирование позволяет выявить опасные элементы тем самым повысить безопасность ещё на стадии проектирования трубопроводов с компенсаторами.