СПОСОБ ИСПЫТАНИЙ СИЛЬФОННЫХ КОМПЕНСАТОРОВ
TEST TECHNIQUE OF BELLOWS EXPANSION JOINT

Изобретение относится к гидравлическим или пневматическим испытаниям сильфонных компенсаторов (СК) при воздействии статической и циклической нагрузок и может быть использовано для испытаний трубопроводных СК больших диаметров и СК, предназначенных для работы как с внутренним, так и с наружным давлением рабочей среды.
Известны способы стендовых испытаний СК, заключающиеся в том, что СК устанавливают в цилиндрическую камеру, герметизируют его по торцевым поверхностям, создают пневматическое давление внутри СК, либо снаружи СК - в полости между камерой и наружной стенкой СК, и затем прикладывают циклическую нагрузку путем многократных перемещений вдоль оси СК одного из его торцов. При этом выбирается величина осевого перемещения, задается давление, а количество циклов нагружения подсчитывается счетчиком оборотов приводного механизма (см. Бурцев К.Н. Металлические сильфоны. М. - Л., Машгиз, 1963, с.135, рис.112). Этот способ не пригоден для гидравлических испытаний СК малосжимаемыми жидкостями.
Известны также способы испытаний компенсаторов (гибких металлических рукавов) на циклическую прочность путем многократных перемещений одного из торцов компенсатора в его поперечной плоскости. При этом компенсатор устанавливают между нагрузочными плитами с возможностью герметизации по его торцевым поверхностям, создают внутри него избыточное давление и затем осуществляют циклическую нагрузку, перемещая в поперечной плоскости компенсатора свободную от фиксации нагрузочную плиту с закрепленным на ней торцом компенсатора. Такой способ испытаний используют для сдвиговых компенсаторов только с внутренним рабочим давлением. Аналогичный способ испытаний на циклическую прочность используется для поворотных компенсаторов с внутренним рабочим давлением путем угловых перемещений подвижной нагрузочной плиты в продольной плоскости компенсаторов (см. Крюков А.И., Глинкин И.М., Фионин В.И. Гибкие металлические рукава. М., Машиностроение, 1977, с.158-160, рис.6.5 (б), 6.4 (в)).
Описанные выше способы испытаний СК и гибких металлических рукавов пригодны для СК небольших диаметров с относительно небольшим давлением рабочей среды. При испытаниях этими способами СК больших диаметров или с высоким давлением рабочей среды возникают большие распорные усилия, действующие на торцевые нагрузочные плиты, что требует создания металлоемкого дорогостоящего стендового оборудования для обеспечения герметизации СК по его торцевым поверхностям.
Известен способ испытаний СК циклической нагрузкой - по подтверждению вероятности безотказной работы, при котором испытания проводят на стендах, обеспечивающих необходимые виды и амплитуды перемещений при воздействии внутреннего или наружного гидравлического давления (см. ГОСТ 28697-90. Программа и методика испытаний сильфонных компенсаторов и уплотнений, п.3.6, приложение 7, черт.8-16). В соответствии с этим способом СК устанавливают торцевыми поверхностями между неподвижной (нижней) и подвижной (верхней) нагрузочными плитами стенда, выполненными в виде заглушек, закрепляют на них, создают гидравлическое испытательное давление. Затем к СК прикладывают циклическую нагрузку путем заданных многократных перемещений подвижной заглушки относительно неподвижной до достижения заданного количества циклов нагружения СК или до потери его герметичности. Этот способ испытаний СК принят за прототип.
Как показывает практика, такой способ успешно используется для циклических испытаний СК малых диаметров с небольшим рабочим давлением. Однако для СК больших диаметров (≥1400 мм), предназначенных для работы под давлением, циклические испытания проводятся при отсутствии рабочего давления, так как распорные усилия, действующие вдоль оси СК, превышают десятки тонн и не позволяют использовать существующее стендовое оборудование. Результаты таких испытаний недостоверны, так как лишь приблизительно позволяют оценить циклическую прочность СК в пересчете на рабочее давление.
Для компенсации больших распорных усилий на протяжении всего периода испытаний требуется дорогостоящее металлоемкое стендовое оборудование.
Задача, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, заключается в создании универсального способа испытаний сильфонных компенсаторов любых типов и диаметров под воздействием внутреннего или наружного рабочего давления газообразной или жидкой рабочей среды.
Решение поставленной задачи достигается следующим.
Способ испытаний сильфонных компенсаторов заключается в том, что сильфонный компенсатор устанавливают торцевыми поверхностями между подвижной и неподвижной нагрузочными плитами стенда, закрепляют на них, создают испытательной средой испытательное давление на сильфонный компенсатор и затем прикладывают к нему циклическую нагрузку путем заданного многократного перемещения подвижной нагрузочной плиты.
Согласно предлагаемому изобретению соосно с сильфонным компенсатором дополнительно устанавливают второй сильфонный компенсатор, располагая их один внутри другого, обеспечивают жесткое герметичное соединение торцевых поверхностей обоих сильфонных компенсаторов с нагрузочными плитами, а испытательное давление создают в полости между сильфонными компенсаторами.
Использование в предложенном способе испытаний второго сильфонного компенсатора обеспечивает значительное снижение распорных усилий от давления испытательной среды. За счет этого предложенный способ пригоден для проведения достоверных циклических испытаний сильфонных компенсаторов любых диаметров под воздействием рабочего давления воды или воздуха. Одновременно могут быть испытаны два однотипных по характеру перемещений сильфонных компенсатора, один из которых находится под наружным, а другой - под внутренним рабочим давлением. Одинаковая жесткая фиксация обоих компенсаторов между нагрузочными плитами позволяет сообщать обоим компенсаторам и статическую нагрузку и одинаковую по направлению любого вида циклическую нагрузку, для которой они предназначены, что также повышает универсальность способа.
Для испытания сильфонного компенсатора внутренним испытательным давлением второй СК устанавливают внутри испытываемого СК.
Для испытания сильфонного компенсатора наружным испытательным давлением второй СК устанавливают снаружи испытываемого СК.
Предлагаемый способ испытаний сильфонных компенсаторов иллюстрируется чертежами, представленными на фиг.1-4.
На фиг.1 изображено взаимное расположение сильфонных компенсаторов в предлагаемом способе их испытаний.
На фиг.2 - схематическое изображение приложения сдвиговой нагрузки к сильфонным компенсаторам.
На фиг.3 - схематическое изображение нагрузки сильфонных компенсаторов изгибающим моментом.
На фиг.4 - вариант расположения сильфонных компенсаторов при осевом циклическом нагружении.
На фиг.5 - фрагмент поперечного сечения сильфона.
Для проведения испытаний сильфонного компенсатора (далее - СК) 1 внутренним рабочим давлением, а СК 2 - наружным рабочим давлением, СК 1 и СК 2 устанавливают между нагрузочными плитами, выполненными в виде торцевых колец 3 и 4 (фиг.1). СК 1 и СК 2 фиксируют между торцевыми кольцами 3 и 4, например посредством сварки (не показано), и обеспечивают герметизацию полости 5, образованной между внутренней боковой поверхностью СК 1 и наружной боковой поверхностью СК 2, уплотнительными соединениями (не показаны). Торцевые кольца 3 и 4 снабжены каналами 6 и 7 для подачи и отвода испытательной среды (например, воды или воздуха) в полость 5 и к манометру 8. Манометр 8 и устройство для подачи испытательной среды (не показано) подсоединяются к каналам 7 и 6 соответственно посредством трубок со штуцерами 9.
При проведении статических испытаний СК 1 внутренним давлением и СК 2 наружным давлением на прочность и герметичность - фиксируют торцевые кольца 3 и 4 для исключения осевого перемещения сильфонов, полость 5 по каналам 6 в торцевом кольце 3 наполняют испытательной средой, создают испытательное давление и выдерживают под давлением в течение времени, определенного программой испытаний.
Для проведения циклических испытаний СК 1 внутренним давлением и СК 2 наружным давлением торцевое кольцо 3 жестко крепят в оснастке болтовым соединением на неподвижном основании, выполненном, например, в виде двух швеллеров 10, расположенных параллельно друг другу (фиг.2, 3, 4). Другое торцевое кольцо 4 закрепляют на подвижном основании, которое выполнено аналогично неподвижному основанию, в виде двух швеллеров 11, кинематически связано со швеллерами 10 неподвижного основания посредством тяг 12, шарниров 13 и соединено с гидроцилиндром 14, шток 15 которого может перемещаться в направлении стрелки 16.
В частности, для циклических испытаний СК 1 и СК 2 сдвиговой нагрузкой швеллеры 10, 11 соединены между собой тягами 12 и четырьмя шарнирами 13 с образованием четырехзвенного шарнирного механизма, воспринимающего распорные усилия (фиг.2). Гидроцилиндр 14 соединен шарнирами 17 со швеллерами 11 подвижного основания и неподвижной опорой 18 и расположен продольно швеллерам 11, поперек оси СК. Торцевому кольцу 4 задают циклические перемещения в поперечной плоскости СК 1, 2 в направлении стрелки 16 приведением в действие гидроцилиндра 14 после создания в полости 5 рабочего давления.
Для циклических испытаний СК 1 и СК 2 угловой нагрузкой (поворотом) швеллеры 11 подвижного основания соединены со швеллерами 10 неподвижного основания посредством двух соосных шарнирных соединений 13, обеспечивающих поворот подвижного основания в продольной плоскости СК. Концы швеллеров 11 соединены с противолежащими концами швеллеров 10 гидроцилиндром 14 посредством шарниров 17 (фиг.3). После создания в полости 5 рабочего давления подвижному торцевому кольцу 4 задают циклическое угловое перемещение в продольной плоскости СК 1, СК 2, относительно исходного нейтрального положения, на заданный рабочий угол, определенный величиной перемещения штока поршня гидроцилиндра 14.
Циклические гидравлические испытания осевой нагрузкой целесообразно проводить одновременно для двух одинаковых пар СК: 1, 2 и 1', 2', - устанавливаемых в оснастке соосно, одна над другой. При этом швеллеры 10, 11 неподвижного и подвижного оснований соединены с гидроцилиндром 14 с возможностью обеспечения поступательного перемещения подвижного торцевого кольца 4 вдоль оси СК 1, 2 (фиг.4). На другой стороне подвижного торцевого кольца 4 закреплены аналогичные по техническим характеристикам СК 1', 2', которые жестко зафиксированы на неподвижном торцевом кольце 3'. Кольцо 3' неподвижно связано со швеллером 10', жестко соединенным со швеллером 10 неподвижного основания посредством тяг 12, расположенных по обоим концам швеллеров 10, 10' (фиг.4). В торцевом кольце 4 выполнены сквозные отверстия А, сообщающие полость 5 между СК 1, 2 и полость 5' между СК 1', 2'. После заполнения полостей 5 и 5' и создания в них рабочего давления приводят в действие гидроцилиндр 14, который сообщает подвижному кольцу 4 перемещение вдоль осей СК 1, 2 и 1', 2'. Когда торцевое кольцо 4 перемещается в направлении к торцевому кольцу 3, пара СК 1, 2 сжимается, пара СК 1', 2' растягивается, и испытательная среда через отверстия А в торцевом кольце 4 частично перетекает из полости 5 в полость 5'. При перемещении торцевого кольца 4 в обратном направлении - к торцевому кольцу 3' - пара СК 1, 2 растягивается, пара СК 1', 2' сжимается, а испытательная среда частично перетекает из полости 5' обратно в полость 5.
В процессе всех видов испытаний (статических и циклических) рабочее давление регистрируется манометром 8 и является постоянным при сохранении герметичности всех СК и отсутствии утечек испытательной среды в подводящей арматуре. Циклические испытания проводятся до потери герметичности, либо до потери устойчивости одного из СК, либо до достижения заданного количества циклов нагрузки.
Аналогично проводят испытания СК наружным давлением, для чего испытываемый СК устанавливают в положение СК 2, а второй - вспомогательный СК - в положение СК 1 (фиг.1-4), т.е. испытываемый СК устанавливают внутри вспомогательного. Далее производят описанные выше аналогичные действия по заполнению испытательной средой полости 5 между СК 1, 2 (фиг.1-4) и полости 5' между СК 1', 2' (фиг.4), созданию в них рабочего давления (фиг.1-4) и прикладыванию циклической нагрузки при проведении циклических испытаний (фиг.2-4).
Кроме того, очевидно, что предложенный способ испытаний СК может быть использован для одновременного проведения испытаний двух разных СК со сходными техническими характеристиками (сдвиговыми, поворотными, осевыми), один из которых работает под внутренним рабочим давлением, а другой - под наружным рабочим давлением.
p
При испытаниях одного СК внутренним давлением обычным способом, описанным в прототипе, на нагрузочные плиты действуют распорные усилия Q, определяемые по формуле:
,
исп
где р - испытательное давление,
эф
эф
F - эффективная площадь поперечного сечения сильфона, равная площади круга, ограниченного эффективным диаметром D (фиг.1, 5):
,
в
где D - внутренний диаметр сильфона, Н - высота гофров сильфона
p
При испытаниях СК 1 с использованием второго - вспомогательного СК 2 (фиг.1-4) на торцевые кольца 3, 4, 3' действуют меньшие распорные усилия Q, которые ограничены площадью поперечного сечения полости 5 (5') и определяются по формуле:
,
эф1
эф2
где F и F - эффективные площади сечения сильфонов, соответственно СК 1 и СК 2, определяемые эффективными диаметрами сильфонов:
для СК1: , для СК2: ,
B1
1
где D - внутренний диаметр сильфона СК1, H - высота гофров сильфона СК1;
Н2
2
D - наружный диаметр сильфона СК2, Н - высота гофров сильфона СК2.
С учетом выражений (5), (6), (2) формула для определения распорных усилий (4) может быть представлена в виде:
.
эф1
эф2
p
Сравнение распорных усилий по формулам (1) и (4) после соответствующих подстановок в них значений F и F показывает, что при испытании СК диаметром ≥1500 мм предлагаемым способом распорные усилия Q, действующие на нагрузочные плиты (торцевые кольца 3, 4, 3'), могут быть снижены более чем в 6 раз. Это дает возможность, в отличие от известных способов испытаний СК:
- проводить достоверные циклические испытания СК больших диаметров (свыше 1400 мм) в необходимых условиях воздействия испытательным давлением;
- отказаться от металлоемкого и дорогостоящего стационарного стендового оборудования, необходимого для компенсации больших распорных усилий, и использовать для проведения испытаний простую дешевую оснастку, которая за счет простого монтажа и демонтажа также позволяет при необходимости быстро освобождать производственные площади.
Таким образом, предложенный способ испытаний сильфонных компенсаторов, в отличие от прототипа, является универсальным:
- за счет возможности использования практически для любых видов статических и циклических испытаний;
- за счет пригодности для испытаний СК как малых, так и больших диаметров в условиях реальных рабочих нагрузок;
- за счет возможности проведения испытаний как с внутренним, так и с наружным испытательным давлением;
- за счет возможности использования как жидких, так и газообразных испытательных сред;
- за счет пригодности для одновременного проведения испытаний двух разных СК со сходными техническими характеристиками (сдвиговыми, поворотными, осевыми), один из которых работает под внутренним рабочим давлением, а другой - под наружным рабочим давлением;
- за счет использования простой универсальной оснастки.
Кроме того, предложенный способ испытаний СК является достоверным для СК больших диаметров и экономичным вследствие низких распорных усилий, действующих на нагрузочные плиты (торцевые кольца), что позволяет проводить циклические испытания под рабочим давлением и использовать недорогую простую разборную оснастку.