Вопросы стабилизации сильфонных компенсаторов

20 июл 2021

В последнее время в отечественном строительстве используются сильфонные компенсаторы как с внутренними экранами (устаревшая технология), так и без них (стабилизатор вынесен наружу и не соприкасается с рабочей средой). Однако, поскольку в России в строительной сфере внутридомовые сильфонные компенсаторы используются относительно недавно, с середины 2000-х годов, стоит рассмотреть вопрос оптимальной конструкции сильфонных компенсаторов на аналогичных трубопроводах в смежных отраслях.В авиакосмической, нефтегазовой, автомобильной, судостроительной и других отраслях промышленности уже несколько десятилетий применяются сильфонные компенсаторы с внешними стабилизирующими элементами, препятствующими изгибу сильфона в процессе работы. На фото 1 приведены примеры использования компенсаторов с внешним стабилизатором в жидкостных ракетных двигателях ракетоносителей «Спутник», «Восход» и «Союз», которые прекрасно сохраняют стабильное состояние (отсутствует эффект «выбрасывания сильфона») при сверхвысоких нагрузках, при этом они защищены от возможного зашлаковывания и заклинивания. Применение внутреннего экрана рекомендуется в случае, когда скорость потока воды превышает значение 7 м/с. Как известно, в жилых домах значение скорости потока воды не должно превышать значение 1,5 м/с, исходя из чего применение внутреннего экрана во внутридомовых сетях считается не обоснованным. Также существует неподтверждённое мнение, что внутренние экраны обеспечивают «более качественное» осевое центрирование стояков. Кроме того, до сих пор бытует ошибочная точка зрения, что внутренние экраны защищают внутренние поверхности сильфонов от быстротекущей воды, которая предположительно начинает завихряться, протекая около ребристой внутренней поверхности сильфона, и это якобы неблагоприятно влияет на сильфон.

В авиакосмической, нефтегазовой, автомобильной, судостроительной и других отраслях уже несколько десятилетий применяются сильфонные компенсаторы с внешними стабилизирующими элементами, препятствующими изгибу сильфона

Такие доводы — миф, не подтверждённый никакими экспериментальными исследованиями. С практической точки зрения очевидно, что внутренний экран 6 (рис. 1) не является надёжным узлом для центрирования труб, поскольку он представляет собой тонкостенную трубку относительно малого диаметра, которая встык приваривается к торцу входного патрубка 4. Некоторые производители делают её из шовной трубы, что делает конструкцию внутреннего экрана ещё более хлипкой, а технология сборки не гарантирует концентрического соосного размещения её свободного конца с достаточным зазором относительно внутренней поверхности отводящего воду выходного патрубка 5.Отдельные производители в целях экономии не приваривают внутренний экран вовсе, тем самым при заклинивании компенсатора возникает возможность прорыва сильфона острым краем внутреннего экрана. Для наглядности некачественная приварка внутреннего экрана либо её отсутствие приведена на фото 2.

Наружный защитный кожух-стабилизатор 7 и 8 (рис. 1 и 2) в этом смысле является более эффективным и более жёстким «центратором» труб стояков, работая в паре с направляющим кольцом 9.В сильфонном компенсаторе без внутреннего экрана вода, вытекающая из патрубка 4 в затопленную водой полость сильфона в сторону патрубка 5, на пути, равном примерно 130 мм, при скоростях воды около 1 м/с не теряет своей сплошности и направленности, и попадает прямо в канал патрубка 5. Из-за скорости порядка 1 м/с поток воды цилиндрической формы диаметром, равным диаметру канала патрубков, течёт в полости сильфона как бы внутри кожуха. Это вывод приводится в опубликованных в позапрошлом веке экспериментальных данных исследований затопленных струй для перемещения, например, брёвен, плавающих в воде. Энергия затопленных струй по мере удаления от сопла несколько уменьшается, увеличивается и диаметр активной части струи. Энергия струи падает до незначительных величин на расстоянии от сопла, равном примерно 700 диаметров сопла.

В случае рассматриваемых сильфонных компенсаторов расстояние между торцами патрубков 4 и 5 составляет не более пяти диаметров канала патрубков. По сравнению с семьюстами диаметрами эта величина незначительная и меньшая более чем в сотню раз.

Внутренний экран не является надёжным узлом для центрирования труб, поскольку он представляет собой тонкостенную трубку. Иногда экран делают из шовной трубы, и тогда он становится ещё более хлипким

Одним из недостатков сильфонов относительно малого диаметра с внутренними экранами является, например, то, что они обладают значительно бóльшим гидравлическим сопротивлением потоку воды, в отдельных случаях до двух раз. Так, если внутренний диаметр подводящего и отводящего патрубков составляет 28 мм, то внутренний диаметр экрана будет равен 22 мм. Поэтому сечение канала экрана будет на 40 % меньше, чем сечение патрубков 4 и 5.

Кроме того, сжатие потока при входе воды в экран из патрубка 4, а также эквивалентное сжатию гидравлическое сопротивление потока дают ещё 20 % сжатия, что приводит к эквивалентному уменьшению потока примерно на 60 %, что наблюдается в условиях максимального потребления воды по сравнению с сильфонами без экранов.В результате на верхних этажах высотного здания потребителям иногда будет невозможно пользоваться водой. Приближённый расчёт потерь давления здесь не приводится, так как данные по сжатию потоков дают полное представление о происходящих процессах потерь давления потоков воды.

Отдельно стоит отметить низкое качество водоподготовки в системах отопления, водоснабжения и прочих, в связи с чем в процессе эксплуатации свободное передвижение внутреннего экрана сильфона может быть блокировано наростами на ответном патрубке (фото 3), что неминуемо приведёт к возникновению скрежета из-за трения внутреннего экрана о наросты, либо блокированию работы компенсатора в целом. Следует также подчеркнуть, что минеральные соли, растворённые в воде, обладают свойством активно прилипать и наслаиваться именно на неподвижные поверхности деталей компенсатора из нержавеющей стали (на внутренний экран) и активно коагулировать с ферромагнитными частицами. Это объясняет бурые наросты, показанные на фото 3. Если бы приведённые на фото детали проработали в системе водоснабжения порядка 30 лет, то сечение канала внутреннего экрана могло бы зарасти до недопустимых размеров, как это показано на фото 4.

В свою очередь сильфон — это подвижный элемент, постоянно сжимающийся и разжимающийся в процессе работы, в связи с чем образовывающиеся наросты просто отваливаются от его поверхности, делая компенсатор без внутреннего экрана самоочищающимся. Ознакомиться с состоянием компенсатора с внутренним экраном (производства одного из популярных отечественных производителей), демонтированного с системы ГВС ещё до сдачи многоквартирного жилого дома в эксплуатацию, можно на фото 5. Представленные изображения отчётливо демонстрируют наросты на внутренней поверхности патрубка, а также эффект зашлаковывания сильфона компенсатора, однозначно приводящий к выходу его из строя.

В качестве экспериментального доказательства целесообразности применения сильфонных компенсаторов с внешним стабилизатором в НИИ сантехники была проведена экспертиза компенсаторов отечественного производства с внешним, а также с внешним и с внутренним стабилизаторами для сравнения гидравлических потерь и выявления наиболее эффективной модели.

Мнение специалиста
Комаров Александр Анатольевич, главный инженер службы эксплуатации УК «Премьер» (г. Москва): «При строительстве и эксплуатации домов премиум-сегмента для нас важна не только надёжность сильфонного компенсатора, но и его бесшумная работа. Раньше популярностью пользовались импортные модели с внутренними стабилизирующими элементами, однако их шумовые характеристики оставляли желать лучшего. Со временем внутренние экраны зарастали, и работа компенсатора вначале сопровождалась щелчками, а потом и вовсе блокировалась. Последние несколько лет мы применяем отечественные сильфонные компенсаторы с внешним стабилизатором, которые демонстрируют высокую степень надёжности и работают бесшумно».

Полнопроходная модель самоочищающегося компенсатора с внешним стабилизатором не создаёт гидравлических потерь и защищена от заклинивания и зашлаковывания сильфона

В ходе эксперимента удалось доказать, что полнопроходная модель самоочищающегося компенсатора с внешним стабилизатором почти не создаёт гидравлических потерь и является наиболее эффективной, нежели модель с внутренним стабилизатором. Также было определено, что гидравлическое сопротивление компенсатора с внешним стабилизатором эквивалентно сопротивлению гладкой трубы, а сопротивление компенсатора с внутренним стабилизатором эквивалентно сопротивлению ржавой трубы и превышает сопротивление компенсатора с внешним стабилизатором на 20 %.На фото 6 представлен экспериментальный участок, на котором проводились данные испытания. Стоит также обратить внимание на разницу в методиках установки компенсаторов с внешним и внутренним стабилизаторами (рис. 3): компенсаторы с внешним стабилизатором лучше защищены от пыли, в частности, у них отсутствует риск попадания пыли и абразивных частиц в зазор между элементами кожуха.В отличие от внутреннего экрана, находящегося в контакте с водой, внешние стабилизаторы могут быть выполнены из материалов, защищающих сильфон от повреждений, а также способных выполнять функцию стабилизатора в паре с направляющим кольцом, например, из стали с заводской окраской, либо, в случае применения на системах водоснабжения из полипропиленовых труб, допускается изготовление внешнего стабилизатора из полипропилена. Применение внешнего кожуха-стабилизатора из нержавеющей стали допустимо, однако это приводит к необоснованному удорожанию устройства и обычно выполняется только по запросу заказчика.На фото 4, приведённом выше, видны последствия коррозии трубы, отработавшей в системе ГВС в условиях постоянного контакта с водой своей внутренней поверхности, а также заметное отсутствие коррозии на внешней поверхности труб ввиду отсутствия постоянного контакта с водой, несмотря на периодическое наличие конденсата.

На основании изложенного выше можно сделать вывод, что внутренний экран в сильфонных компенсаторах для внутренних инженерных систем является лишней деталью, имеющей значительные недостатки, и его применение в строительной практике не имеет каких-либо существенных оснований. В качестве стабилизатора сильфона, предотвращающего его изгиб, целесообразно применение внешнего кожуха стабилизатора с отверстиями для слива конденсата.

Автор: Ю.И. ЧУПРАКОВ, к.т.н., экс-главный
специалист ОАО «Мосводоканал», эксперт
в области сантехники