Mieszki

Podstawowym elementem każdego kompensatora mieszkowego jest wielowarstwowy mieszek sprężysty, wykonywany z blach o grubości 0,3 – 0,5 mm. Standardowe mieszki wykonywane są ze stali austenitycznej w gatunkach :
wg PN 1H18N9T, wg ASTM 321, wg EN 10088 1.4541
, wg PN 0H17N14M2, wg ASTM 316L wg EN 10088 1.4404
, wg PN 0H18N9, wg ASTM 304, wg EN 10088 1.4301
, wg PN H17N13M2T, wg ASTM 316Ti, wg EN 10088 1.4571
w/w stale austenityczne mogą pracować w wysokich temperaturach – 550ºC oraz są odporne na korozję i działanie agresywnych substancji chemicznych. Posiadają także dobre właściwości mechaniczne i dużą trwałość zmęczeniową.

Trwałość zmęczeniowa mieszków

Trwałość zmęczeniowa mieszka jest to ilość pełnych cykli ( 1 cykl to maksymalne ściśnięcie i rozciągnięcie) , jaką może wykonać mieszek do wystąpienia pierwszej nieszczelności. Trwałość zmęczeniowa mieszka uzależniona jest od częstotliwości występowania odkształceń, od ciśnienia roboczego i od temperatury pracy.
Kompensatory wykonywane przez firmę RURMET mają zastosowane mieszki które są przewidziane na co najmniej 1 000 pełnych cykli w temperaturze 20°C. Należy zaznaczyć, że na żywotność mieszka nie wpływają znacząco niewielkie odkształcenia, co ilustruje wykres.

Mieszek może pracować w zakresie ciśnienia nominalnego w temperaturze 20°C. Praca mieszka w temperaturach wyższych jest możliwa, lecz wymaga zastosowania współczynnika redukcji ciśnienia wg tabeli nr 1
Tabela nr 1
Współczynnik redukcji ciśnienia Kp w funkcji temperatury pracy

stal austenityczna AISI 321 (1.4541 wg DIN)

Przykład 1
Mieszek o ciśnieniu nominalnym PN=1,6 MPa ma pracować w temperaturze Tr=200°C_(473°K). Jakie można przenieść ciśnienie robocze Pr?
KP = Pr : PN
gdzie:
KP – współczynnik redukcji ciśnienia dla 200°C – wg. tabeli 1
Pr – ciśnienie robocze
PN – ciśnienie nominalne MPa

Pr = KP • PN = 0,77 • 1,6 = 1,232 MPa
Przykład 2
Rurociąg pracuje w temperaturze Tr = 150°C i ciśnieniu roboczym Pr = 1,9 MPa. Dobrać ciśnienie nominalne mieszka.
PN = Pr : KP = 1,9 : 081 = 2,345 MPa

Katalogowym wyższym ciśnieniem nominalnym mieszka jest PN = 2,5 MPa

Kompensacja wydłużenia cieplnego rurociągu

Wszystkie rurociągi stosowane w praktyce ulegają wydłużeniom cieplnym. Wielkość wydłużenia zależy od rodzaju materiału rurociągu, różnicy temperatur i długości rurociągu.
Współczynnik rozszerzalności w zależności od rodzaju materiału rurociągu i temperatury pracy podaje tabela nr 2
Tabela nr 2
Średni współczynnik rozszerzalności cieplnej a w mm/m°C

Wydłużenie rurociągu przy określonym wzroście temperatury można obliczyć wg. wzoru:
DLR = L(Tmax – Tmin) • a
gdzie:
DLR – wydłużenie rurociągu w mm
L – długość odcinka w m
Tmax – temperatura maksymalna pracy w °C
Tmin – temperatura minimalna rurociągu w °C
a – współczynnik rozszerzalności wg tabeli nr 2

Przykład 3
Dobrać mieszek dla rurociągu DN = 600 mm ze stali St3s pracującego w temperaturze Tmax = 200°C. Odległość między podporami stałymi L = 20 m. Minimalna temperatura rurociągu zimnego T min = 10°C
DLR = L(Tmax – Tmin) • a = 20(200 – 10) • 0,0121 = 3800 • 0,0121 = 45,98 mm

Należy dobrać mieszek o DL = ± 35 mm.
Kompensator mieszkowy powinien posiadać naciąg wstępny minimum:

Dn = DLR – |DL| = 45,98 – 35 = 10,98 mm

Punkty stałe rurociągów
Każdy rurociąg powinien być podzielony na odcinki przez prowadzenie punktów stałych. Kompensatory mieszkowe powinny być zabudowane między punktami stałymi. Punkty stałe muszą posiadać odpowiednią wytrzymałość aby mogły przejąć siły pochodzące od :

• największego ciśnienia roboczego Pr, w rurociągu działającego na powierzchnię czynną A mieszka
• sprężystość F mieszka, czyli siłę niezbędną do spowodowania odkształcenia mieszka o 1mm.

Stała sprężystość F jest wyznaczana teoretycznie, dla mieszków dostarczanych przez RURMET należy założyć 50% odchylenie od wartości podanych w katalogu. Iloczyn sprężystości F przez wydłużenie rurociągu DL określa siłę oporu kompensatora.
Ze względu na pracę kompensatora w strefie „+” i strefie „–” do obliczeń przyjmuje się 0,5 wartości DL

• sumy sił tarcia od podpór przesuwnych (kulowych lub ślizgowych)
• siły odśrodkowej przepływającego czynnika przez zakrzywione odcinki rurociągu.

Siłę od ciśnienia wewnętrznego podczas próby ciśnieniowej oblicza sie ze wzoru:
FP = 1,5PN • A [kG] gdzie:
A – wartość podana w katalogu [cm2] PN – ciśnienie nominalne [bar]

Siłę sprężystości mieszka określa się wzorem:
F=0,5(F • DL) [N] gdzie:
F – sztywność jednostkowa kompensatora wg. katalogu
DL – kompensacja sumaryczna [mm]

Siłę tarcia spowodowaną tarciem rurociągu na podporach określa się wzorem:
FT = 10m • q • L [N] gdzie:
m – współczynnik tarcia dla podpór kulowych 0,05 dla podpór ślizgowych 0,3
q – jednostkowa masa całkowita rurociągu [kg/m] L – długość rurociągu kompensowanego [m]

Siłę odśrodkową spowodowaną przepływem czynnika przez element zakrzywiony określa się wzorem:
Fo=0,5sina(A•f•n2) [N]

gdzie:
A – wartość podana w katalogu
f – gęstość medium w rurociągu [kg/m3] n – maksymalna prędkość przepływu czynnika [m/s] a – kąt odchylenia rurociągu
Określenie sumarycznych sił działających na punkty stałe, wymaga dokładnej analizy trasy rurociągu i określenia jego elementów składowych, jak też kierunków działania sił od tych elementów pochodzących.

Wytyczne montażu kompensatorów mieszkowych osiowych
Rozwiązanie konstrukcyjne trasy rurociągów powinno zapewnić prostolinijność ułożenia rurociągu. Punkty stałe powinny dzielić rurociąg na odcinki, tak aby kompensatory mieszkowe mogły przejąć wydłużenie odcinków rurociągów stosownie do swych parametrów. W trakcie projektowania tras rurociągów należy przestrzegać n/podanych zasad:

gdzie:
K – kompensator
Dr – średnica rurociągu
L1 – 4•Dr
L2 – max 14•Dr
L3 – odstęp określony przez sztywność rurociągu obciążonego medium
PS – punkt stały rurociągu
PK – podpora kierunkowa rurociągu