Piotr Nakraszewicz, Specjalista ds. Kompensatorów

Kompensator jest niezwykle użytecznym elementem, choć nie można go uznać za złoty środek. Jego główną funkcją jest uelastycznienie układu, co ma wpływ na układ sił, zwłaszcza w przypadku króćców, gdzie często musimy spełnić warunki dopuszczalnych sił. Warto zauważyć, że skuteczność działania kompensatora zależy od umiejscowienia podpór w instalacji.

Dobór odpowiednich zamocowań i ich lokalizacji to zadanie dość skomplikowane, szczególnie w przypadku układów pracujących w wysokich temperaturach. Rozszerzalność materiałów w takich warunkach może generować duże siły na zamocowaniach / punktach stałych, nawet jeśli elementy konstrukcyjne są wytrzymałe. Tutaj właśnie kompensator przychodzi nam z pomocą.

Zazwyczaj stosowanie kompensatora upraszcza układ, umożliwiając skuteczną kompensację sił i redukując konieczność stosowania bardziej skomplikowanych rozwiązań.

Rys. 1 Uproszczenie układu punktami stałymi

Na przedstawionym rysunku można zauważyć, że układ został podzielony na mniejsze części za pomocą podpór stałych, a pomiędzy nimi znajdują się jedynie odcinki proste. Dla takich układów powinno się dobierać kompensatory osiowe. 
W przypadku gdy między podporami stałymi, odcinek prosty jest dłuższy powinno stosować się prowadzenia które utrzymają rurociąg w osi co wymusi na nim rozszerzenie osiowe oraz zapobiegnie wyboczeniu.

Rys. 2 Układ z pompą

W kontekście instalacji pompowych, można uznać króciec urządzenia za punkt stały. Dotyczy to zwłaszcza pomp. Należy jednak zauważyć, że jest to pewnego rodzaju uproszczenie, ponieważ samo urządzenie również podlega rozszerzalności cieplnej. W programach obliczeniowych można symulować przemieszczenia króćca, jednak dla małych urządzeń ma to niewielki wpływ na wyniki.

Rys. 3 Układ z większymi gabarytowo urządzeniami

W przypadku większych urządzeń, takich jak wymienniki ciepła czy turbiny, sprawa wygląda nieco inaczej. Producent tych urządzeń powinien określić przybliżone przemieszczenia poszczególnych króćców, jednak nie zawsze jest to standardową praktyką.

W przypadku rysunku 2.17, punkt stały znajduje się w osi króćca, co oznacza, że konieczne jest uwzględnienie rozszerzalności od punktu stałego do króćca, którego nie ma bezpośrednio zaznaczonego na rysunku. Natomiast w przypadku rysunku 2.18, punkt stały nie znajduje się w osi króćca. W takim przypadku należy dodatkowo uwzględnić rozszerzalność w kierunku prostopadłym do niego.

Jest to niezwykle istotna zmienna, która musi być uwzględniona, ponieważ jej pominięcie może całkowicie zaburzyć wyniki.

Dobór kompensatorów osiowych

Rys. 4 Kompensator osiowy – układ 1

Na rysunku 2.1 przedstawiono klasyczny przykład zastosowania kompensatora osiowego między dwoma punktami stałymi (oznaczone jako MA). Istotnym elementem są tutaj podpory (oznaczone jako G), które pełnią rolę prowadzeń. Oznacza to, że są one zablokowane w kierunku przemieszczeń bocznych i utrzymują rurociąg w osi. W rezultacie pozwalają na przemieszczenia wyłącznie osiowe, a kompensator, który nie musi kompensować przemieszczeń bocznych, pracuje tylko wzdłuż osi - zgodnie z zamierzeniem. W przypadku braku takich prowadzeń, kompensator najprawdopodobniej uległby uszkodzeniu.

Rys. 5 Kompensator osiowy – układ 2

Na kolejnym rysunku nr 2.2 mamy praktycznie tę samą sytuację. Punkt IA pełni rolę pośredniego punktu stałego, ale działa tak samo jak poprzedni. W efekcie podziału rurociągu na mniejsze odcinki ponownie mamy układ: punkt stały - kompensator - punkt stały.

Kompensatory lateralne

Rys. 6 Kompensator lateralny – układ 1

W przypadku kompensatorów lateralnych, sytuacja wygląda podobnie, ale z istotną różnicą - wymuszamy tutaj przemieszczenia poprzeczne. Na rysunku 2.9 pojawiła się podpora DMA, która pełni rolę blokady dla rury w położeniu poziomym wzdłuż osi. Natomiast blokada G1 utrzymuje rurociąg w osi. W rezultacie rurociąg wydłuża się od punktu stałego IA i wymusza ugięcie boczne kompensatora. Gdyby kompensatora tam nie było, podpora G1 musiałaby przenieść ogromne siły.

Na rysunku 2.10 nastąpiła zamiana pozycji kompensatora z dłuższej odnogi na krótszą, a także zamieniono blokadę osiową na rurociągi pionowe. Różnica polega na tym, że przemieszczenia osiowe z rysunku 2.9 są teraz odbierane przez kompensator jako przemieszczenia poprzeczne. Ponadto siła osiowa na zamocowaniu DMA zostanie zredukowana, ponieważ mniejsza długość rury generuje mniejszą siłę przy tej samej temperaturze.

Jednak oba te przypadki mają pewne wady. Należy zauważyć, że wciąż otrzymujemy dużą siłę osiową na podporach stałych, co może prowadzić do zwiększonych kosztów produkcji takich punktów stałych lub nawet wpływać na bezpieczeństwo instalacji.

Rys. 7 Kompensator lateralny – układ 2

Na rys. 7 przedstawiono najczęstsze i prawdopodobnie najlepsze zastosowanie kompensatorów lateralnych w systemach. Nie ma tam podpory stałej na kolanku. W tym przypadku punkty stałe zostały zastąpione ściągami na samym kompensatorze. Zastosowanie tych ściągów nie pozwala na ruch osiowy poza zakresem wynikającym z własnej rozszerzalności cieplnej. W rezultacie rozszerzalność z krótszego odcinka jest przekładana jako ugięcie na rurociąg z dłuższego odcinka. To znacznie upraszcza układ i obniża koszty instalacji.

Głównym ograniczeniem stosowania kompensatorów lateralnych w takich układach jest ich ograniczona zdolność do ugięcia bocznego.
 

Kompensatory uniwersalne

Rys. 8 Kompensator uniwersalny

Kompensatory uniwersalne znajdują zastosowanie w kompensacji przemieszczeń osiowych, lateralnych i kątowych. Bardzo powszechnym zastosowaniem jest to, co przedstawiono na rysunku. Siły osiowe są przenoszone na ściągi, a przemieszczenia poziomych rurociągów są kompensowane lateralnie przez kompensator. Można zauważyć, że w tym przypadku kompensator lateralny przypomina kompensator kątowy z rurą pomiędzy.

Kompensatory kątowe

Rys. 9 Kompensator kątowy – układ 1

Kompensatory kątowe zwykle stosuje się w zestawach po dwa lub trzy, aby skompensować ugięcia w jednym lub kilku kierunkach. Każdy z tych kompensatorów jest ograniczony w swoim ruchu obrotowym przez zawiasy. Jak widać, zasada działania jest bardzo podobna do kompensatora uniwersalnego. Na rysunku mamy do czynienia z układem dwu-przegubowym.

Przykładowe zastosowania układów trójprzegubowych:
 

Rys. 10 Kompensator kątowy – układ 2

Rys. 11 Kompensator kątowy – układ 3

Istnieje nieskończenie wiele przykładów takich układów. Dziś mamy dostęp do szybkich metod obliczeniowych za pomocą programów takich jak AutoPIPE, Caesar i Rohr2. Ten ostatni ma nawet wbudowane katalogi kompensatorów, co oznacza, że wystarczy kilka kliknięć, aby uzyskać model, i nie trzeba przeszukiwać katalogów w celu znalezienia np. sztywności, co jest bardzo istotne w obliczeniach.

Jako SPETECH^® specjalizujemy się w świadczeniu usług doradztwa technicznego w zakresie doboru kompensatorów na podstawie modeli obliczeniowych i analizy naprężeń. Nasze usługi są skierowane do klientów poszukujących optymalnych rozwiązań w dziedzinie kompensacji naprężeń w różnych systemach przemysłowych.

Nasze doradztwo techniczne obejmuje również ocenę wydajności i trwałości kompensatorów w kontekście wymagań klienta oraz obowiązujących norm i regulacji. Na podstawie naszych analiz, możemy zaproponować najlepsze rozwiązania, uwzględniające zarówno aspekty techniczne, jak i ekonomiczne.