Нестандартные компенсаторы описываются произвольной комбинацией внутренних линейных и угловых связей в узле, связывающих торцы смежных труб, которые устраняются с целью обеспечения свободы перемещений в заданных направлениях или заменяются упругими связями с заданной податливостью. Линейная связь - препятствует взаимному смещению сечений трубы вдоль и поперек оси трубы, но не препятствует их взаимному повороту. Угловая связь - препятствует взаимному повороту сечений трубы, но не препятствует их взаимному смещению повороту.
Если разрезать трубу в любом месте, например, по сечению А-А (рис. 2, а) и полученные два сечения связать между собой шестью связями - тремя угловыми и тремя линейными, то целостность конструкции полностью сохранится (рис. 1).
Рис. 1. Внутренние связи, образующие жесткое соединение двух труб для пространственной системы
Поскольку для пространственной системы сложно представить себе ее работу, для наглядности ограничимся рассмотрением плоской задачи (рис. 2). Для того чтобы оба конца трубы справа и слева от линии разреза А-А связать в единое целое, в случае плоской задачи достаточно наложить три связи: две линейных, образующих неподвижное крепление вдоль и поперек оси трубы и одну угловую, запрещающую взаимный поворот сечений (рис. 2, б или в). Поскольку сложно изобразить жесткую угловую связь, на рис. 2, б и в угловая связь заменяется двумя параллельными жесткими линейными связями (горизонтальными или вертикальными).
Рис. 2. Внутренние связи, образующие жесткое соединение двух труб для плоской системы
Работу любого компенсатора можно описать удалением одной или нескольких внутренних связей в рассматриваемом сечении трубопровода:
Если удалить одну линейную связь, препятствующую взаимному смещению сечений поперек оси трубы, получаем модель сдвигового компенсатора (рис. 3, а), когда имеет место проскальзывание участков поперек оси трубопровода.
Если в сечении удалить угловую связь, участки трубы смогут поворачиваться относительно друг друга. Это модель углового компенсатора (рис. 3, б).
Если удалить линейную связь, препятствующую перемещениям вдоль оси трубы Xm, получим подвижное сочленение, в котором участки трубы могут перемещаться навстречу друг другу или в обратном направлении, но при этом не могут смещаться поперек оси и поворачиваться. Такая модель описывает работу осевого компенсатора с очень большой податливостью (рис. 3, в).
Рис. 3. Удаление одной из трех внутренних связей моделирует сдвиговой (а), угловой (б) и осевой (в) компенсаторы
На самом деле, полностью устранить связи невозможно и они заменяются упругими связями, обладающими некоторой податливостью (рис. 4). Силами трения в компенсаторах обычно пренебрегают.
Рис. 4. Продольная, поперечная и угловая упругие связи в компенсаторе
Описанные схемы являются идеализацией, которая не вполне соответствует реальным конструкциям, в особенности осевых и сдвиговых компенсаторов. Например, свойства реального компенсатора (а точнее, целого компенсирующего устройства) сведены в одну расчетную точку – узел сопряжения двух стержней, что не имеет места в действительности. Такая идеализация компенсаторов не вполне соответствует реальным конструкциям, в особенности осевых и сдвиговых компенсаторов. Например, на рис. 4 изображена схема работы сдвигового компенсатора с промежуточной трубой.
Строительная длина таких компенсаторов L получается достаточно большой, но в расчетной схеме относительное смещение торцов соединяемых труб происходит в одной точке, расположенной в середине компенсатора. Таким образом реальную конструкция (рис. 5, а, в) заменяется моделью, где сечения смещаются друг относительно друга в одной точке, а слева и справа от этой точки расположены участки трубы длиной L/2 (рис. 5, б, г).
Модель сдвигового компенсатора запрещает повороты и продольные перемещений торцов труб, но реальная конструкция может не всегда обладать такими свойствами. Например, без устройства определенных опорных креплений примыкающих участков труб (рис. 6) или специальных устройств, например стяжек (рис. 7), схема работы сдвигового компенсатора (рис. 5, а, в) не будет соответствовать модели, изображенной на рис. б и г, поскольку примыкающие участки труб могут свободно поворачиваться друг относительно друга и смещаться вдоль оси.
Рис. 5. Сдвиговый компенсатор с промежуточной трубой
Рис. 6. Схемы установки сдвиговых компенсаторов
на ответвлениях, обеспечивающие
их правильную работу (запрещающие продольные перемещения и углы
поворота торцов примыкающих труб)
Рис. 7. Сдвиговые компенсаторы тяжелой (слева)
и легкой (справа) конструкции, запрещающие
продольные перемещения и углы поворота торцов примыкающих труб
Следует отметить, что сказанное выше относится не только к сдвиговым, но и к осевым компенсаторам. Для того чтобы сильфонный осевой компенсатор запрещал все перемещения и повороты кроме осевого перемещения, необходимо соответствующим образом закрепить примыкающие концы труб (рис. 8). Если таких закреплений нет, то сильфон будет работать не как осевой, а как универсальный компенсатор.
Рис. 8. Схема установки сильфонного осевого компенсатора, обеспечивающая его правильную работу
Поскольку процесс создания нестандартных компенсаторов довольно трудоемкая процедура, для удобства пользователей программы СТАРТ-ПРОФ был создан ряд стандартных компенсаторов. Во-первых эти компенсаторы уже содержат необходимый набор устраняемых связей, во вторых они автоматически ориентируют направления этих связей в соответствии с направлениями локальных осей участков. Ниже в таблице приводятся описания связей для стандартных типов компенсаторов СТАРТ-ПРОФ.
Для более полной информации о связях и их направлениях см. раздел "связи в нестандартных креплениях"
Для обозначения типов и свойств связей на схемах приняты следующие обозначения:
- жесткая линейная двухсторонняя связь
- жесткая угловая двухсторонняя связь
- упругая угловая связь
- упругая линейная связь
стрелочками обозначены распорные усилия
Для обозначения свойств связей в таблице приняты следующие обозначения:
Ж - жесткая двухсторонняя
У - упругая
Осевой компенсатор разрешает линейное перемещение трубопровода по оси соединяемых труб и запрещает кручение примыкающих участков друг относительно друга, а также линейные взаимные смещения поперек оси. Такая схема работы обеспечивается за счет специальной конструкции компенсатора или соответствующим образом установленных опор слева и справа от компенсатора. При этом для сильфонных компенсаторов должны быть учтены распорные усилия, возникающие за счет действия внутреннего давления.
Стандартный осевой компенсатор в СТАРТ-ПРОФ снимает линейную связь вдоль оси трубы и заменяет ее упругой связью, снимает две угловые изгибные связи (для оценки возможного перекоса компенсатора), а также учитывает распорное усилие Fрасп от внутреннего давления.
Обеспечивает взаимный упругий поворот соединяемых концов труб вокруг вертикальной и горизонтальной осей. Запрещает взаимное кручение труб, а также все линейные перемещения.
Обеспечивает линейное перемещение трубопровода по вертикальной и горизонтальной осям соединяемых труб (сдвиг – децентровку осей). Запрещает взаимные перемещения вдоль оси трубы и все повороты.
К сожалению, стандартный набор компенсаторов в СТАРТ-ПРОФ не может охватить всего многообразия конструкций, поэтому существует возможность создания собственных нестандартных компенсаторов. Ниже приведены несколько примеров:
В отличие от пространственного углового компенсатора такая конструкция обеспечивает упругий поворот соединяемых концов труб только вокруг горизонтальной оси. Поворот вокруг вертикальной оси запрещает, а также запрещает взаимное кручение труб, а также все линейные перемещения.
Производители не рекомендуют использовать плоские компенсаторы, поскольку очень сложно выбрать правильное направление оси стяжек. Если направление оси стяжек выбрано неправильно, то на компенсатор может передаваться большой изгибающий момент, который будет восприниматься стяжками. В результате чего стяжки могут выйти из строя или могут быть заклинены. Основная сложность заключается в том, что в различных расчетных состояниях необходимое направление оси стяжек может существенно отличаться.
В отличие от пространственного сдвигового компенсатора обеспечивает линейное перемещение трубопровода лишь по вертикальной оси соединяемых труб (сдвиг – децентровку осей). Запрещает перемещение по горизонтальной оси, а также запрещает взаимные перемещения вдоль оси трубы и все повороты.
см. комментарий к плоским угловым компенсаторам.
Универсальный компенсатор представляет собой сильфон с патрубками или фланцами на концах для соединения с примыкающими трубами, т.е. он не имеет конструкции, обеспечивающей поворот в заданном направлении или сдвиг. При правильной установке на трубопроводе такой компенсатор может работать как осевой, но с небольшими перекосами.
Универсальный компенсатор устраняет в сечении трубопровода три линейных связи (вдоль и поперек оси) и две угловых. Таким образом из шести внутренних связей остается только одна - угловая вокруг оси трубопровода, препятствующая кручению.