RU2293903C1 - Compensator of displacement and rotation - Google Patents

Abstract

FIELD: pipeline engineering.

SUBSTANCE: compensator comprises two bellows and spherical supports for end members of the bellows. The spherical supports are mounted inside the bushing that is mounted outside of the bellows to form a closed ring space. The pressure-tight ring shells are interposed between the bushing and ring members. The spherical surfaces of the bushing cooperates with the end members under hydrostatic relief. The compensator is additionally provided with the external system for generating relief pressure.

EFFECT: reduced vibration level and impact loading.

1 dwg

Description

Изобретение относится к компенсационным устройствам систем трубопроводов, преимущественно к обвязкам газонефтеперекачивающих станций.The invention relates to compensating devices of piping systems, mainly to piping gas-oil pumping stations.

Известен выбираемый в качестве аналога компенсатор сдвигово-поворотных перемещений, патент на изобретение RU 2224168 С1 (заявка №2002122360), приоритет изобретения 13 августа 2002 г., опубликовано 20.02.2004 Бюл. №5, (51) МПК⁷ F 16 L 51/02, содержащий сильфоны с концевыми элементами крепления к трубопроводу и тяги, при этом тяги выполнены в виде упругих плоских направляющих, установленных параллельно в одной плоскости, проходящей через продольную ось сильфонов, и шарнирно закреплены на концевых элементах, образуя шарнирный параллелограмм.Known as an analogue compensator for shear and rotational displacements, patent for invention RU 2224168 C1 (application No. 2002122360), priority of the invention August 13, 2002, published on 02.20.2004 Bull. No. 5, (51) IPC ⁷ F 16 L 51/02, containing bellows with end fittings to the pipeline and rods, the rods are made in the form of elastic flat guides installed parallel to the same plane passing through the longitudinal axis of the bellows, and pivotally fixed on the end elements, forming a hinged parallelogram.

В известном компенсаторе решается задача снижения сопротивления перемещению и, соответственно, перестановочного усилия от воздействия динамических и статических нагружений сдвига в одном направлении, перпендикулярном плоскости плоских направляющих, и задача снижения перестановочного момента при повороте относительно оси строго одного направления. Причинами, препятствующими использованию известного компенсатора, являются значительное перестановочное усилие сдвига при перемещениях по всей плоскости сдвига ввиду наличия шарнирных пар трения, невозможность обеспечения угловых перемещений относительно оси поворота любого направления. Известный компенсатор снижает общий уровень вибрации благодаря наличию сильфона и гибких тяг. Однако снижение общего уровня вибрации не достаточно эффективно ввиду передачи вибрационных нагрузок через тяги при их жестком соединении с концевыми элементами компенсаторов.The known compensator solves the problem of reducing the resistance to movement and, accordingly, the switching force from the effects of dynamic and static shear loads in one direction perpendicular to the plane of the flat guides, and the task of reducing the switching moment when turning about the axis of exactly one direction. The reasons that impede the use of the known compensator are the significant permutation shear force during movements along the entire shear plane due to the presence of articulated friction pairs, the inability to provide angular movements relative to the axis of rotation in any direction. The well-known compensator reduces the overall level of vibration due to the presence of a bellows and flexible rods. However, reducing the overall level of vibration is not effective enough due to the transmission of vibration loads through the rods when they are rigidly connected to the end elements of the compensators.

Наиболее близким по технической сущности и совокупности признаков к заявляемому объекту является компенсатор сдвигово-поворотных перемещений малой жесткости, см. на патент на изобретение RU 2227859 С2 (заявка №2002110394), приоритет от 11 апреля 2002 г., опубликовано 20.11.2003 Бюл. №32, (51) МПК⁷ F 16 L 51/03, содержащий сильфоны с концевыми элементами и тяги в виде плоских направляющих, расположенных вдоль оси сильфонов и жестко закрепленных одними концами на концевых фланцах, при этом две пары упругих плоских направляющих установлены в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, а между сильфонами и плоскими направляющими дополнительно введен жесткий соединительный элемент, выполненный в виде катушки, к кольцам которой жестко попарно закреплены другие концы пар плоских направляющих. Вместе с тем сильфоны взаимодействуют с концевыми фланцами через сферические опоры.The closest in technical essence and combination of features to the claimed object is a compensator of shear-rotational displacements of low rigidity, see patent for invention RU 2227859 C2 (application No. 2002110394), priority dated April 11, 2002, published on November 20, 2003 Bull. No. 32, (51) IPC ⁷ F 16 L 51/03, containing bellows with end elements and traction in the form of flat guides located along the axis of the bellows and rigidly fixed by one end on the end flanges, while two pairs of elastic flat guides are installed in two mutually perpendicular to the planes, and between the bellows and the flat rails additionally introduced a rigid connecting element made in the form of a coil, to the rings of which other ends of the pairs of flat rails are rigidly fixed in pairs. At the same time, the bellows interact with the end flanges through spherical supports.

Известный компенсатор содержит два упругих параллелограмма, расположенные в двух взаимно перпендикулярных плоскостях и имеющие жесткую связь между собой на одном из концов, образуя общий механизм. Суммарно параллелограммы обеспечивают перемещения сдвига по всей плоскости, перпендикулярной продольной оси компенсатора, причем перестановочные усилия, учитывая свойства упругой направляющей, невелики и, соответственно, общее сопротивление перемещению компенсатора при сдвиге мало. В известном устройстве угловые перемещения обеспечиваются за счет сферических пар трения, расположенных между сильфонами и концевыми элементами. Причиной, препятствующей использованию известных компенсаторов, являются значительные перестановочные моменты при компенсационных угловых перемещениях. В реальных условиях применения (обвязки газонефтеперекачивающих станций) при требуемых параметрах (Ду 400-1000 мм и Ру 10 МПа) в трубопроводах возникают значительные распорные усилия (1200-10000 кН), при этом перестановочный момент компенсатора, зависящий от распорного усилия, при использовании сферических пар трения также значителен (60-1000 кН×м). Известные компенсаторы находят применение в условиях статических угловых перемещений трубопроводов, но для защиты агрегатов в условиях динамических воздействий требуются компенсаторы с малым сопротивлением перемещению не только при сдвиговых перемещениях, но и при угловых перемещениях. В реальных условиях эксплуатации при номинальной мощности насосного агрегата в 8000 кВт создаются значительные динамические нагрузки, при этом развязка агрегата с трубопроводом с помощью компенсатора требует обеспечения компенсационных перемещений сдвига по всей плоскости, проходящей через продольную ось компенсатора, а также поворотных (угловых) перемещений с осью поворота любого направления, лежащей в плоскости сдвига. Известный компенсатор снижает общий уровень вибрации благодаря наличию сильфона и гибких тяг. Однако снижение общего уровня вибрации не достаточно эффективно ввиду передачи вибрационных нагрузок через тяги при их жестком соединении с концевыми элементами компенсаторов.The known compensator contains two elastic parallelograms located in two mutually perpendicular planes and having a rigid connection between themselves at one of the ends, forming a common mechanism. In total, parallelograms provide shear displacements along the entire plane perpendicular to the longitudinal axis of the compensator, and the switching forces, taking into account the properties of the elastic guide, are small and, accordingly, the total resistance to movement of the compensator during shear is small. In the known device, angular displacements are provided due to spherical friction pairs located between the bellows and the end elements. The reason that prevents the use of known compensators is the significant permutation moments during compensatory angular movements. In real conditions of use (piping of gas and oil pumping stations) with the required parameters (DN 400-1000 mm and PN 10 MPa), significant expansion forces (1200-10000 kN) arise in the pipelines, while the compensating moment of the compensator, depending on the expansion force, when using spherical friction pairs are also significant (60-1000 kN × m). Known expansion joints are used in conditions of static angular displacements of pipelines, but to protect aggregates under dynamic conditions, expansion joints with low resistance to displacement are required not only during shear displacements, but also during angular displacements. In real operating conditions, at a rated power of the pump unit of 8000 kW, significant dynamic loads are created, while decoupling the unit with the pipeline using a compensator requires compensatory shear along the entire plane passing through the longitudinal axis of the compensator, as well as rotary (angular) movements with the axis rotation of any direction lying in the plane of shift. The well-known compensator reduces the overall level of vibration due to the presence of a bellows and flexible rods. However, reducing the overall level of vibration is not effective enough due to the transmission of vibration loads through the rods when they are rigidly connected to the end elements of the compensators.

Сущность компенсатора сдвигово-поворотных перемещений, содержащего сильфоны с концевыми элементами крепления к трубопроводу со сферическими опорами и тяги, согласно предлагаемому решению заключается в том, что тяга выполнена в виде однозвенного элемента - втулки с внутренними буртиками, снабженными сферическими опорами, взаимодействующими со сферическими опорами концевых элементов, при этом втулка установлена снаружи сильфонов, образуя замкнутую кольцевую полость, кроме того, между втулкой и концевыми элементами дополнительно установлены герметичные оболочки, вместе с тем, взаимодействие сферических поверхностей втулки и концевых элементов осуществляется с гидростатической разгрузкой от распорного усилия трубопровода, а компенсатор дополнительно снабжен внешней системой создания давления разгрузки.The essence of the compensator for shear and rotational movements, containing bellows with end elements for fastening to the pipeline with spherical supports and traction, according to the proposed solution, consists in the fact that the traction is made in the form of a single-link element - a sleeve with internal flanges equipped with spherical supports interacting with spherical end supports elements, while the sleeve is installed outside the bellows, forming a closed annular cavity, in addition, between the sleeve and the end elements ovleny hermetic shell, however, the interaction of the spherical surfaces of the sleeve and the end members is carried out with hydrostatic unloading of the expansible conduit efforts, and the compensator is further provided with a system for creating external pressure relief.

В предлагаемом решении тяга, выполненная в виде однозвенного элемента - втулки, воспринимает распорное усилие трубопровода, передающееся через концевые элементы компенсатора и две пары сферических опор. Однозвенность тяги, снабженной сферическими шарнирами, обеспечивает компенсатору сдвигово-поворотные перемещения по заданным направлениям: сдвиг по всей плоскости, перпендикулярной продольной оси компенсатора, угловые перемещения любого направления. Сдвиг одного концевого элемента относительно другого осуществляется суммарным перемещением: поворотом тяги с принадлежащими ей сферическими опорами (вогнутыми) в одном направлении относительно сферической опоры (выпуклой), принадлежащей неподвижному концевому элементу, и поворотом второго концевого элемента с принадлежащей ему сферической опорой в противоположном направлении. Поворот (угловое перемещение) относительно любой оси осуществляется раздельным или совместным вращением концевых элементов по сферическим поверхностям. Взаимодействие сферических поверхностей на опорах концевых элементов и втулки осуществляется с гидростатической разгрузкой от распорного усилия трубопровода. С этой целью компенсатор дополнительно снабжен внешней системой создания давления разгрузки, включающей насосный агрегат, дроссели и систему слива. Рабочая среда (водоглицериновая смесь) через подводящие каналы в сферических опорах втулки поступает под давлением в кольцевую щель сферических пар трения, достаточным для поддержания необходимых размеров кольцевой щели. Выполнение тяги в виде втулки, устанавливаемой снаружи компенсатора, и дополнительное оснащение компенсатора герметичными кольцевыми оболочками (например, резиновыми тороидальной формы), устанавливаемыми между концевыми элементами и сферическими опорами втулки, обеспечивают наличие кольцевых полостей для сбора и перелива рабочей среды в бак насосного агрегата для образования замкнутого цикла подачи давления разгрузки. Герметичные кольцевые оболочки не препятствуют компенсатору выполнять рабочие перемещения, их дополнительное влияние на сопротивление перемещению незначительно. Предлагаемое решение компенсатора позволяет существенно снизить общий уровень вибрации и ударные нагрузки в трубопроводе благодаря взаимодействию сферических опор компенсатора через гидростатическую смазку, являющуюся демпфером динамических нагрузок.In the proposed solution, the thrust, made in the form of a single-link element - the sleeve, perceives the spacer force of the pipeline, transmitted through the end elements of the compensator and two pairs of spherical supports. The single-link traction equipped with spherical joints provides the compensator with shear-rotational movements in given directions: shear along the entire plane perpendicular to the longitudinal axis of the compensator, angular displacements of any direction. The shift of one end element relative to another is carried out by the total movement: by turning the rod with its spherical supports (concave) in one direction relative to the spherical support (convex) belonging to the fixed end element, and by rotating the second end element with the spherical support belonging to it in the opposite direction. Rotation (angular displacement) relative to any axis is carried out by separate or joint rotation of the end elements on spherical surfaces. The interaction of the spherical surfaces on the supports of the end elements and the sleeve is carried out with hydrostatic discharge from the spacer force of the pipeline. For this purpose, the compensator is additionally equipped with an external system for creating unloading pressure, including a pump unit, chokes and a drain system. The working medium (water-glycerin mixture) through the supply channels in the spherical bearings of the sleeve enters under pressure into the annular gap of the spherical friction pairs, sufficient to maintain the required dimensions of the annular gap. The execution of traction in the form of a sleeve installed outside the compensator, and additional equipment of the compensator with sealed annular shells (for example, rubber toroidal shapes) installed between the end elements and the spherical bearings of the sleeve, provide annular cavities for collecting and overflowing the working medium into the tank of the pump unit for formation closed loop supply pressure relief. Sealed annular shells do not prevent the compensator from performing working displacements; their additional effect on displacement resistance is insignificant. The proposed solution of the compensator can significantly reduce the overall level of vibration and shock loads in the pipeline due to the interaction of the spherical supports of the compensator through hydrostatic lubricant, which is a dynamic load damper.

Компенсатор сдвигово-поворотных перемещений поясняется чертежом, где представлен продольный разрез компенсатора с гидравлической схемой системы гидростатической разгрузки от распорного усилия.The shear-rotary displacement compensator is illustrated in the drawing, which shows a longitudinal section of the compensator with the hydraulic circuit of the hydrostatic unloading system from the spacer force.

Компенсатор сдвигово-поворотных перемещений включает в себя сильфоны 1, взаимодействующие с концевыми элементами 2, тягу 3, выполненную в виде втулки с внутренними буртиками, на которые опираются сферические опоры 4, взаимодействующие со сферическими опорами 5, опирающимися на концевые элементы 2. Сильфоны 1 с вставкой 6 и тягой 3 образуют замкнутую кольцевую полость 7. Между сферическими опорами 4 и концевыми элементами 2 установлены герметичные кольцевые оболочки 8, образующие замкнутые полости 9. Между сферическими опорами 4 и внутренними буртиками втулки 3 установлены два компенсационных полукольца 10 для компенсации погрешностей линейных размеров сборки и влияния утяжки сварного шва на тяге 3 (втулке). Взаимодействие сферических поверхностей опор 4 и 5 осуществляется с гидростатической разгрузкой от распорного усилия, которая обеспечивается подачей рабочей среды (водоглицериновая смесь) под давлением от внешней системы создания разгрузки. Система разгрузки включает насосный агрегат 11, дроссели 12 и систему слива 13 рабочей среды из кольцевых полостей 7 и полостей 9, образованных герметичными кольцевыми оболочками 8.The compensator for shear-rotational movements includes bellows 1 interacting with end elements 2, a rod 3 made in the form of a sleeve with internal flanges, on which spherical supports 4 are supported, interacting with spherical supports 5, supported on end elements 2. Bellows 1 s the insert 6 and the rod 3 form a closed annular cavity 7. Between the spherical supports 4 and the end elements 2 are sealed annular shells 8, forming closed cavities 9. Between the spherical supports 4 and the inner two compensation half rings 10 are installed in the bushing 3, to compensate for errors in the linear dimensions of the assembly and the effect of the weld tensile on the rod 3 (bushing). The interaction of the spherical surfaces of the supports 4 and 5 is carried out with hydrostatic unloading from the spacer force, which is provided by the supply of the working medium (water-glycerin mixture) under pressure from an external unloading system. The unloading system includes a pumping unit 11, chokes 12 and a drain system 13 of the working medium from the annular cavities 7 and the cavities 9 formed by sealed annular shells 8.

Таким образом, в компенсаторе сдвигово-поворотных перемещений тяга воспринимает распорное усилие трубопровода. За счет однозвенности тяги, установленной на сферических шарнирах, обеспечивается возможность осуществления суммарно или раздельно рабочих перемещений сдвига по всей плоскости, перпендикулярной продольной оси компенсатора, а также поворотных (угловых) перемещений с осью поворота любого направления, лежащей в плоскости сдвига. При этом сопротивление перемещениям сдвига и поворота минимальны, так как коэффициент трения в сферических парах при гидростатической разгрузке распорного усилия незначителен. Дополнительным эффектом гидроразгрузки является значительное снижение общего уровня вибрации, так как гидростатическая смазка является демпфером вибрационных и ударных нагрузок трубопровода.Thus, in the compensator of shear-rotational movements, the thrust perceives the spacer force of the pipeline. Due to the single-linkage of the thrust mounted on spherical joints, it is possible to carry out total or separately working shift movements along the entire plane perpendicular to the longitudinal axis of the compensator, as well as rotary (angular) movements with a rotation axis of any direction lying in the shear plane. Moreover, the resistance to shear and rotation displacements is minimal, since the coefficient of friction in spherical pairs during hydrostatic unloading of the spacer force is negligible. An additional effect of hydraulic unloading is a significant reduction in the overall level of vibration, since hydrostatic lubrication is a damper for vibration and shock loads of the pipeline.

Claims (1)

Компенсатор сдвигово-поворотных перемещений, содержащий сильфоны с концевыми элементами крепления к трубопроводу со сферическими опорами и тяги, отличающийся тем, что тяга выполнена в виде однозвенного элемента - втулки с внутренними буртиками, снабженными сферическими опорами, взаимодействующими со сферическими опорами концевых элементов, при этом втулка установлена снаружи сильфонов, образуя замкнутую кольцевую полость, кроме того, между втулкой и концевыми элементами дополнительно установлены герметичные кольцевые оболочки, вместе с тем, взаимодействие сферических поверхностей втулки и концевых элементов осуществляется с гидростатической разгрузкой от распорного усилия трубопровода, а компенсатор дополнительно снабжен внешней системой создания давления разгрузки.Compensator for shear and rotary movements, containing bellows with end elements for fastening to the pipeline with spherical supports and a thrust, characterized in that the thrust is made in the form of a single-link element - a sleeve with internal collars provided with spherical supports interacting with spherical supports of the end elements, while the sleeve mounted outside the bellows, forming a closed annular cavity, in addition, sealed annular shells are additionally installed between the sleeve and the end elements; those with the interaction of the spherical surfaces of the sleeve and the end members is carried out with hydrostatic unloading of the expansible conduit efforts, and the compensator is further provided with a system for creating external pressure relief.