Что такое сильфон, и зачем его используют в трубопроводной арматуре
Сильфон ─ способная сжиматься и расширяться упругая гофрированная оболочка ─ сравнительно недавнее техническое изобретение.
Сильфон был создан в самом начале XX столетия американским ученым-метеорологом, изобретателем и предпринимателем Уэстоном Фултоном. Изначально устройство в виде сжимающейся и расширяющейся цельнотянутой емкости предназначалось для удерживания постоянно меняющего свой объем пара. Придумывая для него название, изобретатель обратился к Западной мифологии, а именно духу воздуха по имени Sylphs. Впоследствии название Sylphon в качестве торговой марки использовала компания Johnson Controls. А потом, как это неоднократно случалось в технике, из имени собственного оно превратилось в имя нарицательное и стало писаться с маленькой буквы. Из английского языка слово sylphon попало в русский.
Сильфон в технике
Свойство сильфона сохранять прочность и плотность (а, значит, герметичность) в процессе многоцикловых деформаций изгиба, растяжения, сжатия, а также их комбинаций, под воздействием механических и термических нагрузок, в т. ч. внутреннего или внешнего давления, широко используется в технике. Сильфоны применяют в тепло- и электроэнергетике, нефтеперерабатывающей, химической и многих других отраслях промышленности. Сильфонные узлы содержат пневматические и гидравлические системы большого числа современных машин.
Уже в 30-х годах XX столетия производство сильфонов было организовано в СССР. Сначала, главным образом, в интересах оборонной промышленности ─ авиастроения и танкостроения. Одним из первых производителей сильфонов стал Тульский патронный завод. Но вскоре сильфоны были включены в производственную программу многих гражданских предприятий, в т. ч. заводов ─ производителей трубопроводной арматуры и комплектующих к ней. Справедливости ради следует заметить, что трубопроводная арматура, имея двойное назначение, широко применяется не только в гражданских, но и военных технологиях. Сразу же по окончании Великой Отечественной войны выпуск сильфонов был налажен на заводе «Знамя Труда» для комплектации ими клапанов, рассчитанных на давление до 200 МПа. И сегодня сильфонный узел является атрибутом значительной части трубопроводной арматуры.
Конструкция сильфона
— материалы
Как правило, сильфон ─ это металлическая оболочка и чаще всего из нержавеющей стали. Нержавеющая сталь марок 10X17Н13МЗТ, 10X17Н13М2Т, 12X18Н10Т, 08X18Н10Т ─ основной материал, применяемый для изготовления сильфонов.
Использование нержавеющих сталей позволяет делать сильфоны, способные успешно функционировать в самых жестких условиях: в широком температурном диапазоне, чуть ли не от «абсолютного нуля» до 1000OС; в агрессивных рабочих средах; при рабочем давлении от вакуума до сотен МПа. Только по 4-5% приходится на изготовленные из цветных металлов (латуни, фосфористой и бериллиевой бронзы) и титана. По крайней мере, среди сильфонов, применяемых в трубопроводной арматуре. Но сильфон не обязательно является металлическим. Сильфоны изготавливают из неметаллических и композиционных материалов.
Сложность производства сильфонов заключается в необходимости одновременно обеспечить их прочность и гибкость, способность долго работать, не разрушаясь от усталости.
Основные технологии изготовления сильфонов: механическое выдавливание на оправке и гидравлическое формование из тонкой трубы. Преимущество гидравлического формования состоит в равномерном распределении формовочного давления на всей поверхности сильфона, что позволяет свести к минимуму пластичную деформацию и концентрацию напряжений. Как следствие ─ более продолжительный срок службы сильфона.
— форма сильфона
Сильфоны могут иметь различную форму. У цилиндрических сильфонов внутренний и наружный диаметр постоянные, у конических они изменяются по линейному закону, а у фасонных ─ произвольно. Сильфон, поперечное сечение которого имеет форму прямоугольника, носит название прямоугольный сильфон.
— гофры и впадины
Ближайшая к продольной оси точка поверхности сильфона называется впадиной сильфона, а наиболее удаленная от нее ─ вершиной гофра сильфона. Гофр сильфона ─ это элемент, расположенный между соседними впадинами. Бортиком сильфона называют его концевую часть, предназначенную для присоединения к другим деталям технического устройства.
— сильфоны однослойные и многослойные
Сильфоны могут быть однослойными, т. е. состоящими из одного слоя материала, и многослойными ─ изготовленными из двух и более слоев. В сильфонах, используемых в трубопроводной арматуре, число слоев составляет, как правило, от 2 до 12, а гофров ─ от 4 до 20.
— сильфоны тонкостенные и толстостенные
Еще одна причина классифицировать сильфоны ─ толщина стенки. Сильфон, у которого максимальное отношение радиуса впадины гофра к толщине стенки составляет 15 и более, называют тонкостенный сильфон; если их минимальное отношение менее 15 ─ сильфон является толстостенным.
Количество гофр и толщина слоев сильфона во многом определяются величиной давления, при котором он будет работать. Толщина стенок напрямую влияет на срок эксплуатации сильфона. Чем стенки тоньше, тем сильфон проработает дольше. Тонкая стенка обеспечивает требуемую гибкость сильфона, а нужное количество слоев ─ необходимую толщину. Поэтому многослойный сильфон с большим количеством слоев ─ гарантия одновременно высокой функциональности и длительного срока службы.
— сильфоны армированные, цельнотянутые, мембранные
Различают несколько конструкций сильфонов:
- армированные сильфоны ─ их гофрированная часть усилена укрепляющими элементами;
- цельнотянутые сильфоны, изготавливаемые из трубчатых заготовок;
- мембранные сильфоны, состоящие из герметично соединенных друг с другом по наружному и внутреннему контурам плоских или фасонных кольцевых мембран.
В мембранных сильфонах симметричного профиля фасонные кольцевые мембраны расположены симметрично по обе стороны. Еще одна конструкция ─ мембранный сильфон со складывающимися гофрами: в нем фасонные кольцевые мембраны расположены в виде формованных пакетов.
— особенности конструкции
Важная особенность сильфонной арматуры ─ большая, иногда в несколько раз бо́льшая, чем у несильфонной арматуры высота. Более точно высоту определяет требуемые от сильфона параметры: давление, температура, цикличность.
При эксплуатации сильфонов желательно ограничить их деформацию относительно начальной длины. Во всяком случае, чтобы она не превышала 25-30%. А если необходимо обеспечить долгий срок службы сильфона, то была не более 10%.
Предохранить сильфон от скручивания и связанных с этим повреждений помогает специальное устройство, препятствующее повороту шпинделя при наличии наружной резьбовой пары. Нахождение сильфона внутри крышки позволяет уберечь его от механических повреждений. Рассчитывая сильфонную арматуру с вращательным движением шпинделя, когда сильфон скручивается, необходимо исключить всякого рода внештатные движения (деформации) кожуха, способные привести к нарушению целостности сильфона.
Свойства сильфона
Основные функциональные параметры сильфона ─ жесткость и эффективная площадь. Жесткость сильфона ─ это величина нагрузки, которую необходимо приложить к нему, чтобы вызвать единичное перемещение торца. А эффективная площадь ─ величина, показывающая, насколько сильфон способен преобразовывать давление в усилие. Если использовать язык математики, то Рэф = q/Р, где q ─ нагрузка (сила) в Н, Р ─ избыточное давление в МПа.
В зависимости от действующей нагрузки различают жесткость сильфона:
- по силе;
- по давлению;
- на изгиб.
Применение сильфонов в трубопроводной арматуре
В технике сильфоны используются для четырех основных целей ─ сильфоны измерительные, разделительные, компенсаторные, силовые.
Измерительные многослойные сильфоны, в которых давление преобразуется в механическое усилие, применяются в качестве чувствительного элемента в различных измерительных приборах, регулирующих и контрольных устройствах. Разделительный сильфон обеспечивает разделение сред. Компенсаторный сильфон является основным элементом различных компенсаторов. Силовой сильфон применяется в качестве силового элемента.
В трубопроводной арматуре сильфон служит в качестве герметизирующего, чувствительного или силового элемента. И во всех этих случаях такая трубопроводная арматура имеет право называться сильфонной арматурой. В соответствии с «ГОСТ 24856-2014. Арматура трубопроводная. Термины и определения» сильфонная арматура ─ это «арматура, у которой для герметизации штока относительно окружающей среды, а также в качестве чувствительного элемента либо силового элемента, используется сильфон». Сильфонная арматура является своего рода подмножеством бессальниковой арматуры, объединительным признаком которой является то, что в ней для герметизации шпинделя или штока по отношению к окружающей среде не используется сальниковое уплотнение. Наряду с сильфонной, примером бессальниковой арматуры является мембранная.
Сегодня сильфонам принадлежит важное место в трубопроводной арматуре. О том, какое точно, судить не просто, но, опираясь на оценки маркетологов, можно говорить, что сильфонная арматура в общем объеме трубопроводной арматуры занимает несколько десятков процентов рынка. Сильфонные уплотнения применяются во многих видах (сильфонная запорная арматура, регулирующая, предохранительная) и типах трубопроводной арматуры ─ клапаны, задвижки, краны.
Особенно часто используют сильфоны в таких разновидностях трубопроводной арматуры как клапаны предохранительные, клапаны запорные, клапаны и затворы обратные. Например, предохранительный сильфонный клапан ─ это предохранительный клапан, в котором для герметизации штока относительно окружающей среды, а также в качестве чувствительного или силового элемента используется сильфон.
Конкретными примерами сильфонной арматуры являются: клапан сильфонный с электроприводом фланцевый, клапан регулирующий сильфонный НЗ с МИМ; клапан запорный проходной сильфонный, клапан запорный бессальниковый угловой сильфонный и т. д.
Прилагательное «сильфонный» применяется применительно к части пневмоприводов, которые в зависимости от конструктивного исполнения разделяются на мембранные, лопастные, поршневые, струйные и сильфонные.
Сильфон ─ герметизирующий элемент
Сильфонное уплотнение ─ это уплотнение подвижных деталей или узлов арматуры относительно окружающей среды, в котором в качестве герметизирующего элемента применен сильфон.
Часто потери проходящей через трубопроводную систему рабочей среды являются принципиально недопустимыми. Это имеет место либо, если ее попадание за пределы системы в окружающую среду способно привести к неблагоприятным экологическим последствиям или чревато опасностью для персонала (радиоактивные, токсичные среды), либо когда рабочая среда слишком дорога, чтобы мириться с ее потерями. Арматура с сильфонными уплотнениями ─ одно из наиболее эффективных решений, позволяющих обеспечить повышенную герметичность трубопроводной арматуры, поскольку сильфон создает непреодолимую преграду между двумя средами ─ рабочей и окружающей.
Стенка сильфона играет роль герметизирующего элемента, поэтому нет имеющих зазоры подвижных соединений, а, значит, исключена возможность эмиссии рабочей среды за пределы трубопроводной системы.
Чтобы избежать потерь рабочей среды, неизбежных в случае разрушения сильфона, используется дублирующее резервное уплотнение в виде сальника, т. н. дублирующий сальник, устанавливаемый дополнительно к сильфонному уплотнению подвижных деталей арматуры.
Сильфон как чувствительный элемент
Чувствительным элементом в трубопроводной арматуре с автоматическим управлением называют ее узел, связанный с подвижной частью затвора. Его функция ─ воспринимая изменения параметров рабочей среды, преобразовывать их в соответствующие усилия, обеспечивая перемещение регулирующего или запирающего элемента. Помимо сильфона роль чувствительного элемента могут выполнять золотник, мембрана, поршень.
Сильфоны очень широко применяются в качестве чувствительных элементов в разных направлениях техники. Например, в приборостроении, где их используют в датчиках перемещения, манометрах, регистрирующей аппаратуре. Очень велика роль сильфонов в составе различных АСУ, где проявляются такие их преимущества как высокая чувствительность и способность выполнять значительные осевые перемещения под действием нагрузок.
Важный аспект, влияющий на более широкое использование сильфонной арматуры, ─ повышение ее ремонтопригодности, возможность выполнять ремонты без снятия с трубопровода.
Конструкция сильфонного уплотнения трубопроводной арматуры весьма консервативна и уже на протяжении длительного времени не претерпевала каких-то революционных изменений. Что никак не отменяет необходимости его модернизации.
Одно из возможных направлений такой модернизации ─ замена привычного многослойного цельнотянутого сильфона на сварной пластинчатый. Преимущества, о которых применительно к такому устройству говорят специалисты, ─ продление срока службы арматуры за счет увеличения циклопрочности сильфонного узла.
Среди всех конструкций уплотнения штока (шпинделя) более надежной, чем сильфонная, пока не придумано. Постоянное ужесточение экологических норм и вовлечение в технологические процессы большого числа токсичных жидкостей и газов обуславливают возрастающий интерес к сильфонной арматуре во все большем числе технологий.
