Гибкий, герметичный, прочный, надежный, гофрированный, нержавеющий, работающий как на высоком давлении, так и на вакууме, при криогенных или, наоборот, при высоких температурах – все это металлорукав.

Этот гибкий трубопровод широко востребован и применяется во всех областях промышленности. Его можно встретить как в составе бытовой техники, так и на международной космической станции.

Он появился благодаря наблюдательности одного немецкого ювелира, который, гуляя по Парижу девятнадцатого века, увидел протечку резинового шланга, которым поливали дорогу. Это наблюдение и натолкнуло его на мысль о создании надежного, гибкого, но прочного исполнения шланга.

Металлорукав был изобретен в 1885 году ювелиром из Германии (г. Пфорцхайм) Генрихом Витценманном (1829–1906), (рис.1), вместе с французским инженером Эженом Левавассером. Шланг был смоделирован по образцу ожерелья “гусиная шея”, украшения, состоящего из переплетающихся металлических полос.

Генрих Витценманн

Первоначальная конструкция шланга основывалась на спирально закрученной металлической полосе с S-образным профилем (рис.2). Профиль сцеплен по виткам спиральной катушки. Из-за полости между блокирующими профилями это не создавало плотного прилегания и не давало герметичности, поэтому полость герметизировали с помощью резиновой нити.

Первый металлорукав

В результате получился постоянно гибкий, герметичный стальной корпус любой длины и диаметра с высокой механической прочностью. Во Франции он был запатентован 4 августа 1885 г. под номером патента 170 479, а в Германии –− 27 августа 1885 г. под номером рейхспатента Германии № 34 871.

С 1886 по 1905 год Генрих Витценманн продолжал разрабатывать многочисленные варианты профилей для производства рукавов, до сих пор имеющих техническое значение. В 1894 году он зарегистрировал патент на двойной металлорукав, состоящий из двух коаксиальных металлорукавов, скрученных в противоположных направлениях. Дальнейшие модификации исходной формы были сосредоточены на использовании различных материалов шлангов и различных материалов для уплотнения резьбы, включая резину, текстильные нити, асбест и проволоку (рис.3).

Первый каталог металлорукавов

Важный вариант исполнения металлического рукава предложил изобретатель Зигфрид Франк из Франкфурта, Германия. В 1894 году он запатентовал способ скатывания винтового гофра в гладкую жесткую трубу. Витценманн уже несколько лет проводил опыты в этом направлении, но не стал продолжать свои усилия по созданию патентоспособного результата.

Лишь в 20-х и 30-х годах 20-го века швейцарскому управляющему отелем Альберту Дрейеру из Люцерна удалось сделать кольцевое гофрирование удовлетворительного качества для производства металлических гофрированных шлангов.

Эмиль Витценманн, сын Генриха Витценманна, в 1909 году разработал форму металлорукава, в которой отпала необходимость в уплотнительной нити любого типа, будь то резина, текстильное волокно, асбест или что-либо еще. В новом типе шланга края полосы не сцеплялись, а упирались друг в друга и бесшовно сваривались вместе.

В 1920 году Эмиль Витценманн изобрел металлический компенсатор. Это изобретение было основано на двустенном, сварном, гофрированном металлическом рукаве (с оболочкой для защиты от механических повреждений) с радиальной гибкостью.

В 1929 году впервые стало возможным производство металлических сильфонов. Они также были разработаны Альбертом Дрейером из Люцерна, но независимо от Витценманна. Металлические сильфоны создаются путем прокатки кольцевых гофров в гладкую прессованную или сварную трубу.

В 1946 году Дрейер изобрел многослойный сильфон, который также был разработан для компенсации осевых перемещений. Так появился осевой компенсатор.

Существует два типа металлорукавов: гофрированные металлорукава (сильфонные металлорукава) и вальцованные металлорукава.

Вальцованные металлорукава состоят из спиралей, которые неплотно соединены друг с другом. Это делает их очень гибкими. Эти шланги выпускаются в двух основных вариантах: либо с зацепляемым профилем, либо с заблокированным профилем. Оба варианта обеспечивают высокую гибкость благодаря структуре профиля. Однако это приводит к тому, что они не являются герметичными. По этой причине их часто используют в качестве изолирующих или защитных шлангов вокруг внутренней герметичной гибкой трубы. Поэтому в газовой и криогенной технике, а также для всех смежных применений, используются сильфонные металлорукава полностью герметичные и под давлением, и под вакуумом.

Допустимое рабочее давление для шлангов малых размеров достигает 400 бар (с 4-кратным запасом прочности по давлению на разрушение). Рабочее давление металлорукавов больших диаметров обычно ниже. Модели из нержавеющей стали обладают термостойкостью до 600 °C. Более высокие значения рабочей температуры возможны для исполнений из специальных материалов. В диапазоне низких температур гофрированные рукава из нержавеющей стали можно использовать для транспортировки криогенных жидкостей с рабочей температурой до минус 270 °C.

Сильфонные металлорукава используются в качестве экономичных, гибких соединительных элементов, допускающих подвижность, тепловое расширение и вибрации.

Исходный материал представляет собой бесшовную или прямошовную, тонкостенную трубу, в которую механическим или гидравлическим путем, с помощью специальных приспособлений вводятся гофры. Существует два основных варианта гофрированных рукавов, различающихся по типу гофры: кольцевая и спиральная.

В рукавах со спиральным гофром обычно правосторонний виток с постоянным шагом, проходящий по всей длине рукава. Кольцевая гофра состоит из большого количества равноотстоящих параллельных гофров, основная плоскость которых перпендикулярна оси шланга.

Металлорукава с кольцевым гофром имеют явные преимущества перед рукавами со спиральным гофром:

• При правильной установке они не подвержены разрушительным деформациям при кручении, во время скачков давления
• Благодаря форме профиля они плавно соединяются с фитингами металлорукава.

Это повышает надежность процесса при сборке и использовании металлорукавов, и по этой причине, за некоторыми исключениями, гораздо более распространены кольцевые гофрированные варианты.

Первым шагом в создании металлорукава является формирование исходной металлической полосы из бухты в гладкую трубу, сваренную в продольном направлении.

Полоса непрерывно сваривается методом высокоточной сварки в среде защитного газа. Затем трубку гофрируют одним из следующих способов:

• Метод гидравлического гофрирования расширяет трубу изнутри наружу. Этот метод используется для создания кольцевых гофрированных рукавов.
• Метод механического гофрирования используется для производства как кольцевых, так и спиральных гофрированных рукавов. Обычно несколько профильных прижимных роликов располагаются вокруг трубы со смещением, которое позволяет им вкатывать требуемый профиль гофры в трубу, снаружи внутрь.

Оба метода гофрирования вызывают упрочнение материала при пластической деформации и, таким образом, повышают прочность гофрированных сильфонов. Кроме того, сильфонные рукава могут изготавливаться особым способом, тесно связанным с изготовлением вальцованных металлорукавов. При этой процедуре исходной полосе придают форму гофрированного профиля в продольном направлении.

Эта профильная полоса затем наматывается по спирали, и перекрывающиеся витки плотно привариваются вдоль спирального шва.

После гофрировки рукав может быть снабжен защитной оплеткой из стальной проволоки. В этом случае шланг проходит через плетельную машину, имеющую кольцевые держатели проволочных катушек.

Пучки проволоки спирально наматываются вокруг шланга, а также попеременно накладываются друг на друга. Это создает трубчатую косу с характерным рисунком «крест- накрест». Пример металлорукава в разрезе представлен на (рис.4).

Структура металлорукава

Для повышения рабочего давления металлорукава могут быть снабжены однослойной или двухслойной оплеткой.

Оплетка прочно соединена с законцовками рукава с обеих сторон, чтобы поглощать продольные силы, вызванные внутренним давлением. Благодаря присущей ей гибкости оплетка идеально повторяет движения рукава. Оплетка шланга состоит из правозакрученных и левозакрученных жгутов проволоки, которые попеременно накладываются один на другой. Это не только предотвращает удлинение шланга из-за внутреннего давления, но также поглощает силы растяжения и защищает металлорукав от внешних повреждений.

Основной материал проволочной оплетки обычно тот же, что и у гофрированного сильфона – − нержавеющая сталь.

Но иногда –− в интересах ещёе большей коррозионной стойкости или, напротив, по экономическим соображениям – − можно встретить и другие материалы.

Оплетка значительно увеличивает устойчивость шланга к внутреннему давлению. Оплетка гибко принимает форму движения сильфона. Это применимо даже в том случае, если используется двойная оплёетка, которая дополнительно увеличивает устойчивость к внутреннему давлению.

Способ крепления оплетки к законцовкам зависит от их типа и требований к рукаву. В тяжелых условиях эксплуатации поверх оплёетки может быть реализована дополнительная сетчатая обмотка или оплеётка может быть “обернута” в защитный шланг.

Гибкость рукава достигается за счет эластичности гофрированного профиля. Когда он сгибается, внешние гофры расходятся, а внутренние гофры сжимаются. Гибкость и устойчивость к давлению гофрированных рукавов зависят от выбранной формы профиля.

В то время как гибкость увеличивается с увеличением высоты профиля и уменьшением расстояния между гофрами, сопротивление давлению снижается. В зависимости от использования рукава могут быть реализованы специальные формы профиля для конкретного применения. Стандартно профиль сильфона делается в форме кольцевого гофра (рис.5) с различной шириной зубцов.

Металлорукав стандартной гибкости

Это уже обеспечивает хорошую гибкость, но и она оказывается недостаточной при высоких динамических нагрузках, частых подключениях и других тяжелых условиях эксплуатации, когда появляется необходимость в дополнительной защите сильфона. Поэтому для придачи дополнительной эластичности гофрированному профилю и повышения гибкости рукава гофры сильфона можно сделать специальной «каплевидной» формы: с наличием сужения в середине (рис.6).

Металлорукав повышенной гибкости

Дополнительная эластичность достигается из-за того, что при изгибе гофры сильфона такой формы растягиваются по внешней стороне изгиба и сжимаются по внутренней лучше стандартных, так как длина каждого гофра (при фактически одинаковой высоте) получается больше, а расстояние между гофрами меньше, чем у сильфонов стандартной гибкости.

Компания «Мониторинг Вентиль и Фитинг» уже более 15 лет изготавливает и поставляет различные металлорукава для нужд отечественного рынка. Нашу продукцию можно встретить как в высокотемпературных и высоковакуумных системах, так и в других случаях, когда необходимо полностью избегать проницаемости (натекания): для транспортировки особо чистых веществ, химически активных и агрессивных сред; в системах, требующей большой гибкости и подвижности; для подключения газовых баллонов с особо чистыми и химически активными газами к разрядным рампам, в пробоотборных системах и для подключения пробоотборных цилиндров, а также в качестве гибких трубопроводов для высоко - и низкотемпературных теплоносителей; в криогенной технике, для транспортировки жидких кислорода, азота, аргона, СО2, и конечно же, для сжиженного природного газа.

Например, в состав газораздаточной колонки MV&F для сжиженного природного газа (рис. 7) входят два четырехметровых металлорукава повышенной гибкости в усиленной защитной оплетке, позволяющие производить обслуживание при любом расположении бака на автомобиле. При необходимости длину гибкой части рукава можно и увеличить.

Газораздаточная колонка MV&F для СПГ

Металлорукава производства ООО «МВиФ» исполняются из нержавеющей стали: внутренний сильфон из 321 или 316 стали, а оплёетки и фитинги из 316 или 304 нержавеющей стали. Благодаря этому металлорукава совмещают в себе высокие рабочие параметры: Рраб до 400 бар, а для некоторых диаметров и выше 700 бар, Tраб от -270 °С до +420 °С, длительный срок службы, хороший внешний вид, высокую коррозионную стойкость. Стандартные номинальные диаметры рукавов от 1/4” до 4” (DN6-100 мм), в зависимости от количества оплеток радиусы сгиба начинаются: статический −– от 16 мм, динамический – − от 100 мм.

В таблице 1 представлены основные характеристики самых популярных металлорукавов MV&F. Все металлорукава могут быть изготовлены с различными законцовками, соединительными фитингами или фланцами и обладать нужным размером с заданной общей длиной или длиной гибкой части (рис.8).

Таблица 1. Металлорукава MV&F

Метеллоруква DN6 с ниппелями под обжим трубным фитингом 6мм, DN25 с фланцевыми присоединениями под углом 90о и DN100.

Доступны исполнения как стандартной, так и повышенной гибкости, без дополнительных оплеток или, наоборот, в дополнительной защите или изоляции – найдется решение для любого применения гибких трубопроводов.

Металлорукава для длительного захолаживания и транспортировки криогенных жидкостей могут быть изготовлены с криогенной газонаполненной или экранно- вакуумной изоляцией (ЭВИ).

Экранно-вакуумная изоляция является наиболее эффективной. Металлорукава с экранно-вакуумной изоляцией необходимо применять для обеспечения наименьших теплопритоков и повышения эксплуатационных качеств и надежности системы.

Примером такого критически важного применения можно назвать всасывающую линию криогенного насоса (рис.9).

Металлорукав Ду15 с ЭВИ для подачи жидкого азота в криогенный поршневой насос снабжён клапаном с пневмоприводом и электро-пневмораспределителем

На этом рисунке Вы можете наблюдать полное отсутствие обмерзания на самом рукаве с ЭВИ, что означает и практически полное отсутствие теплопритоков. Между внутренним и внешним металлорукавами в вакуумной полости укладывается суперизоляция из нескольких десятков слоев полимерной металлизированной плеёнки, экранирующей тепловое излучение.

Вакуумные полости криогенных металлорукавов MV&F с экранно-вакуумной изоляцией оснащаются адсорбционной секцией для поглощения влаги, азота, кислорода и каталитической секцией с поглотителем водорода – диоксидом марганца палладированным (ДМП).

Все материалы рассчитаны на использование при криогенной температуре. Каждый металлорукав с ЭВИ тестируется гелиевым течеискателем. Металлорукава с ЭВИ, как показано на рисунке 8, могут быть укомплектованы криогенными клапанами и защищены клапаном безопасности.

Примеры правильной и неправильной установки рукавов

В качестве другого примера применения рукава с ЭВИ можно выделить рукава для заправки криогенной жидкостью сосудов Дьюара и малых криогенных сосудов.

Для изготовления таких рукавов мы всегда применяем металлорукава повышенной гибкости. Благодаря особой гибкости, которая увеличивает ресурс оборудования и снижает трудозатраты при эксплуатации, такие заправочные рукава иногда называют металлорукавами типа Кобрафлекс. Конечно, металлорукава для газовых и криогенных систем имеют очень большое количество исполнений и особенностей. Накопленный опыт позволяет нам рекомендовать следующие действия при установке и эксплуатации металлорукавов.

Перед установкой металлорукава визуально осмотрите его на наличие повреждений защитной оплёетки, концевой арматуры, наличие трещин или вмятин. При загрязнении уплотняющих поверхностей концевой арматуры

необходимо провести их очистку и промывку. При установке металлорукава необходимо придерживаться следующих правил, несоблюдение которых повышает вероятность отказа и уменьшает срок службы металлорукава:

• Не допускать чрезмерных перегибов;
• Не допускать скручивания рукава вокруг продольной оси при сборке и во время эксплуатации;
• Не прилагать чрезмерного усилия при затяжке соединения, не пользоваться удлинителями ключей;
• Избегать касания металлорукава подвижных деталей оборудования;
• При необходимости использовать защитные спирали и оболочки;
• При большой длине металлорукава использовать специальный крепеж.

Помимо этого, при подборе металлорукавов необходимо учитывать факторы, снижающие рабочее давление, и помнить о Температурном коэффициенте и Коэффициенте вибрации. Для определения Температурного коэффициента можно воспользоваться таблицей 2.

Таблица 2. Температурный коэффициент

А в случае с вибрацией рабочее давление необходимо умножить на Коэффициент вибрации, который, в зависимости от типа потока и вида вибрации, представлен в таблице 3.

Таблица 3 Коэффициент вибрации. Температурный коэффициент

Также хочется отметить, что всегда надо помнить о широком ряде различных концевых присоединений для металлорукавов производства OOO «МВиФ». Вариантов исполнения металлорукавов очень много, как, собственно, и задач, для решения которых они предназначены. Поэтому для правильного подбора как конкретного металлорукава, так и системного решения мы всегда предлагаем подробно описать имеющуюся задачу и обратиться за консультацией к специалистам MV&F.

Мы всегда помогаем конечным пользователям, газовым компаниям, проектным и монтажным организациям.

АВТОР СТАТЬИ

Василий Сулига, инженер отдела продаж ООО «МВиФ»