Надежность и безаварийность работы тепловых сетей во многом зависит от правильного решения вопросов компенсации температурных удлинений теплопроводов.

По принципу действия компенсационные устройства могут быть разделены на две основные категории:

1) гибкие или упругие компенсаторы, которые воспринимают температурные перемещения трубопровода при помощи изгиба или кручения участков труб различной геометрической формы или деформации специальных пружинящих элементов, имеющих форму круглых складок, волн, линз и т. п.;

2) осевые компенсаторы скользящего типа, в которых температурные удлинения воспринимаются телескопическим перемещением труб внутрь корпуса компенсатора, имеющего сальниковое уплотнение.

Гибкие компенсаторы, согнутые или сваренные из труб, выполняются различной формы: П- и S-образные, лирообразные и др. Наибольшее распространение получили компенсаторы П-образной формы.

П-образный компенсатор с гнутыми отводами

П-образный компенсатор со сварными отводами

В зарубежной практике в паропроводах находят также применение П-образные компенсаторы со складчатыми (волнистыми) отводами. При одинаковых геометрических размерах по ширине и вылету складчатые компенсаторы имеют несколько более высокую (на 12—15%) компенсирующую способность. Следовательно, они позволяют несколько уменьшить величину вылета. Однако их применение не рекомендуется в водяных тепловых сетях вследствие усиленной коррозии труб в местах складок и волн.

П-образный компенсатор со складчатыми отводами

К достоинствам всех гибких компенсаторов относятся:

1) передача на неподвижные опоры только сил упругости компенсаторов;

2) большая компенсирующая способность;

3) полное отсутствие необходимости в обслуживании.

Однако они имеют и ряд недостатков, главнейшие из которых:

1) увеличение стоимости трубопроводов;

2) повышение гидравлического сопротивления сетей трубопроводов;

3) затруднения в размещении компенсаторов, имеющих большие размеры в условиях городских подземных тепловых сетей при насыщенности трассы другими подземными коммуникациями.

К гибким компенсаторам относятся также устройства, действие которых основано на упругой деформации пружинящих элементов. Например, линзовые (или тарельчатые), получившие в различных модификациях большое распространение в зарубежной трубопроводной технике.

Сварные линзовые компенсаторы нормализованы в между-ведомственных нормалях трубопроводов электростанций Оргэнергостроя для труб диаметром 100—1200 мм. Однако эти компенсаторы имеют крайне ограниченную область применения в тепловых сетях: вследствие своей тонкостенности (обусловленной необходимостью уменьшить продольную жесткость) они не выдерживают внутреннего давления теплоносителя выше 7 кГ/см2 при dу>= 400 мм и 4 кГ/см2 при dy >= 700 мм.

Наибольшее применение в подземных тепловых сетях нашли сальниковые компенсаторы, относящиеся к осевым скользящего типа. Сальниковые компенсаторы в местах установки разрезают трубопровод на отдельные механически не связанные между собой участки. Разрывы между концами труб внутри компенсаторов (в холодном состоянии трубопровода) достигают 300— 400 мм.

Находят применение сальниковые компенсаторы двух видов: односторонние и двухсторонние. Конструкция этих компенсаторов нормализована МН 2593—61 и МН 2598—61 для труб диаметром от 100 до 1000 мм. В качестве уплотнения сальника используется асбестовый шнур (по ГОСТ 1779—55) и теплостойкая резина в виде колец (по ГОСТ 7338—55). Эти компенсаторы рассчитаны на условное давление Ру<= 16 кГ/см2.

Основные недостатки существующей конструкции сальниковых компенсаторов заключаются в следующем:

1) сальники требуют постоянного обслуживания, и уход за ними отнимает у эксплуатационного персонала более половины всего времени, затрачиваемого на обслуживание наружных трубопроводов;

2) уплотнительные кольца из теплостойкой резины, предназначенные для ликвидации утечек теплоносителя, периодически затягиваются шпильками у сальников, при этом силы трения возрастают настолько, что компенсатор полностью или частично теряет свою компенсирующую способность и превращается, по существу, в соединительную муфту. В практике эксплуатации известны случаи, когда после сильной затяжки сальников компенсаторы переставали действовать и трубопровод сильно изгибался от возросших температурных усилий;

3) компенсаторы обладают повышенной чувствительностью к перекосам осей, всегда возможных как при монтаже, так и во время эксплуатации. Практикой установлено, что несовпадение геометрических осей корпуса и стакана компенсатора приводит к его «заклиниванию»;

4) компенсаторы требуют увеличения габаритов подземных камер и увеличения расстояния между трубами (подающей и обратной) для возможности завертывания и развертывания шпилек при устранении утечек и для смены уплотнений.

Трубопровод в местах установки сальниковых компенсаторов разрезан на части, поэтому при наличии отвода или закрытой задвижки на неподвижные опоры передаются так называемые неуравновешенные силы, которые могут достигать величин порядка 100—150 т и более от каждой из двух труб теплосети.

Проектирование неподвижных опор на такие усилия вызывает большие затруднения, а стоимость их сооружения увеличивает капитальные затраты.

Для облегчения неподвижных опор за рубежом разработаны и находят практическое применение так называемые разгруженные или уравновешенные сальниковые компенсаторы.

Рациональные конструкции компенсирующих устройств для тепловых сетей должны удовлетворять следующим основным требованиям:

1) максимально разгружать трубопроводы от температурных усилий;

2) иметь компенсирующую способность не менее 150 мм;

3) иметь небольшое гидравлическое сопротивление движению теплоносителя.

Кроме того, они не должны требовать частого осмотра и регулярного обслуживания (смены набивки, подтягивания болтов сальников и т. д.) и сохранять работоспособность при небольших перекосах осей.

Представляет интерес новая экономичная конструкция компенсирующего устройства с самоуплотняющимися манжетами, которая разработана во ВТИ под руководством А. А. Сюворцова.

Компенсатор ВТИ состоит из трех деталей: цилиндрического корпуса с приваренными обечайками и двух подвижных стаканов. В комплект устройства входят также две манжеты из теплостойкой резины.

Компенсатор ВТИ

1 – корпус;

2 – самоуплотняющиеся манжеты из теплостойкой резины;

3 – подвижные стаканы компенсатора;

4 – кольцевые камеры, служащие для вставки манжет

Эти компенсаторы способны воспринимать температурные удлинения с двух сторон по аналогии с двухсторонним сальниковым компенсатором.

Для компенсаторов, устанавливаемых около углов поворота трассы или рядом с задвижками, предусматривается предохранительное устройство, препятствующее в аварийных случаях выходу стаканов из корпуса компенсатора. Стяжные шпильки и приварные упоры должны быть проверены на прочность при действии осевого неуравновешенного усилия.

Компенсатор ВТИ с предохранительным устройством

1 — корпус;

2 —тяги, неподвижно прикрепленные (в середине длины) к корпусу;

3 — упоры, усиленные ребрами жесткости

Герметичность компенсаторов обеспечивается двумя резиновыми манжетами, у которых внутренняя полость под давлением теплоносителя расширяется и они надежно уплотняют кольцевые зазоры между стаканами и корпусом компенсатора. Манжеты являются важнейшей деталью, от качества работы которой зависит надежность действия всего компенсирующего устройства в целом. Поэтому внедрение компенсаторов нового типа может быть реализовано только при условии организации изготовления манжет на заводах резинотехнических изделий.

Конструкция манжетного компенсатора ВТИ

1 — корпус;

2 — кольцевые камеры для манжет;

3 — подвижные стаканы;

4 — упоры для закрепления корпуса компенсатора

Размеры компенсаторов с самоуплотняющимися манжетами

Примечание:

1. Компенсаторы рассчитаны на условное давление теплоносителя 16 ати.

2. Максимальная компенсирующая способность ?lt =500 мм, максимальная температура теплоносителя t=1500С.

3. Для изготовления стаканов следует выбирать трубы с наружным диаметром DН, указанным в таблице, в пределах плюсовых допусков, предусмотренных ГОСТ 8732-58 и ГОСТ 4015-58.

Преимущества манжетных компенсаторов по сравнению с сальниковыми следующие:

а) отсутствие сальников с натяжными шпильками;

б) отсутствие необходимости в регулярном наблюдении и обслуживании;

в) снижение в 2—2,5 раза веса и стоимости изготовления;

г) повышение герметичности уплотнения с возрастанием давления теплоносителя;

д) сохранение компенсирующей способности при перекосах осей корпуса и стаканов (в пределах 10—12°);

е) простота изготовления и сборки.

Установка сальниковых и манжетных компенсаторов предпочтительнее на так называемых уравновешенных схемах (а и б), которые позволяют упростить и облегчить неподвижные опоры трубопровода.

Располагать неподвижные опоры в уравновешенных схемах следует так, чтобы L1 = L2.

Неуравновешенные схемы (в и г) требуют изготовления компенсаторов с предохранительными устройствами, кроме того, утяжеляются конструкции неподвижных опор вследствие увеличения осевых усилий. Поэтому при проектировании тепловых сетей следует избегать выбора неуравновешенных схем с сальниковыми и манжетными компенсаторами.

Схемы установки сальниковых и манжетных компенсаторов на трубопроводе

а — уравновешенная схема с неподвижными опорами 1 и с закреплением корпуса компенсаторов 2;

б — уравновешенная схема с незакрепленными, «плавающими» компенсаторами 3;

в — неуравновешенная схема с установкой манжетных компенсаторов, требующих установки предохранительного устройства;

г — неуравновешенная схема, применяющаяся при наличии задвижки 4 и требующая установки предохранительных устройств

Важнейшими задачами в области конструирования и изготовления рациональных компенсирующих устройств, предназначенных для теплофикационных трубопроводов, являются: снижение веса, увеличение компенсирующей способности и эксплуатационной надежности, уменьшение трудоемкости изготовления, максимальная разгрузка трубопроводов от действия осевых сил и изгибающих напряжений.

Для выбора компенсирующих устройств могут быть использованы данные из таблицы, в которой приведены основные технические характеристики и указаны области применения различных компенсаторов.