7.1.2 Температурные компенсаторы
Сборка трубопровода с единой вакуумной полостью осуществляется посредством сварки друг с другом отдельных секций (рис. 1.5). В месте стыка секций на внутренней трубе могут устанавливаться сильфонные компенсаторы, а на наружном кожухе – либо цилиндрические муфты или либо линзовые компенсаторы. Кроме того, на стыке отдельных секций может производиться замыкание вакуумных полостей отдельных участков трубопроводов с помощью телескопических или конусных тепловых мостов. Первые, ввиду их лучших тепловых характеристик, используются в гелиевых и водородных трубопроводах, вторые - в трубопроводах для транспортирования более высококипящих жидкостей, т. е. кислорода, азота и аргона. При монтаже вертикальных и наклонных участков тепловые мосты, установленные на концах секций, служат для жесткой фиксации внутренней трубы относительно кожуха в осевом направлении. В этих случаях мосты имеют отверстие для образования единого вакуумного пространства в нескольких секциях.
Компенсация температурных напряжений, возникающих во внутренней трубе и кожухе при изменении их температуры, осуществляется в зависимости от диаметра, длины и трассировки трубопровода, а также от диапазона изменения температуры с помощью сильфонов, металлорукавов, компенсирующих секций; используется также метод самокомпенсации за счет упругих свойств колен. С помощью сильфонов, установленных на внутренней и наружной трубах, можно обеспечить компенсацию температурных напряжений любого участка криогенного трубопровода независимо от его длины, диаметра и конфигурации. Общая длина внутренних сильфонов рассчитывается на температурную деформацию трубы при ее охлаждении. Наружные компенсаторы сильфонного типа применяются в случае значительных деформаций кожуха. При малых деформациях кожуха используют линзовые компенсаторы.
При последовательной установке нескольких сильфонных компенсаторов применяют специальные ограничители хода каждого сильфона или жесткие перфорированные тепловые мосты между сильфонами. На рис. 1.6., а представлена схема компенсации температурных напряжений с помощью сильфонов, установленных на внутренней трубе. Несмотря на свою универсальность, сильфоны увеличивают трудоемкость изготовления и монтажа трубопроводов, а также снижают их надежность. Кроме того, при наличии на внутренней трубе сильфониых компенсаторов через опоры колен и тройников на кожух и далее на строительные конструкции передаются значительные усилия от действия давления продукта, что дополнительно усложняет конструкцию. Поэтому применяются также другие конструкции (рис. 1.6, б, в) с использованием металлорукавов и компенсирующих секций, которые позволяют в ряде случаев сократить количество упругих элементов.
Металлорукав представляет собой коаксиально расположенные гофрированные шланги, заключенные в специальный проволочный чехол, который воспринимает осевые усилия. Внутренний шланг снабжен слоисто-вакуумной изоляцией. Кроме компенсации температурных напряжений, металлорукава используются для обеспечения гибкой связи трубопроводов с потребителями. Компенсация температурных напряжений прямых участков с помощью металлорукавов достигается их установкой на поворотах трубопровода с одновременным применением сильфонных компрессоров на кожухе прямых участков. Такая конструкция за счет изменения радиуса поворота шланга обеспечивает беспрепятственное изменение длины внутренних труб при их охлаждении и отогреве (рис. 1.6, б).
Принцип действия компенсирующих секций аналогичен принципу действия металлорукавов. Компенсирующие секции включают прямое колено и короткий прямой участок, соединенные между собой и с сопряженными прямыми участками трубопровода шарнирными элементами, в качестве которых используют сильфоны на внутренней и наружной трубах или короткие отрезки металлорукавов. При сокращении длин прямых участков вследствие охлаждения происходит поворот вокруг шарниров сопряженных с ними колена и прямого участка. Принципиальная схема действия компенсирующей секции приведена на рис. 1.6, в.
В ряде случаев применяется метод самокомпенсации, основанный на том, что при изменении длины прямых участков используются упругие свойства колен, благодаря чему без установки компенсаторов внутренней трубы напряжение от изгибающих моментов не превышает допустимых значений. При этом происходит некоторое изменение пространственной конфигурации внутренней трубы и ее смещение относительно кожуха в радиальном направлении; в связи с этим для фиксации внутренней трубы используют проволочные опоры. Поскольку величина напряжений быстро возрастает с увеличением диаметра, метод самокомпенсации нашел практическое применение для труб относительно небольшого диаметра (не более 50 мм) при наличии на трассе достаточного числа поворотов.
Преимущества метода самокомпенсации очевидны, поскольку при отсутствии специальных компенсирующих элементов на внутренней трубе упрощается конструкция трубопроводов и повышается надежность их работы.