Вальцованные металлорукава для выхлопных газов: выбор конструкции и условия работы

Для отвода выхлопных газов вальцованный металлорукав выбирают по четырем основным условиям: допустимой утечке, температуре, механическим перемещениям и сопротивлению газовому потоку. Диаметр и материал также важны, но сами по себе они не определяют пригодность рукава для конкретной выпускной системы.

Один и тот же вальцованный рукав может нормально работать как гибкий участок наружной выхлопной трассы и оказаться неподходящим для газоотвода внутри помещения, где утечка продуктов сгорания недопустима. Аналогично высокая допустимая температура металлической ленты не гарантирует работоспособность всей сборки, если температурным ограничением становится уплотнение, концевая арматура или другой элемент.

Поэтому металлорукав для выхлопа следует рассматривать как часть выпускной системы двигателя, генератора или технологического оборудования. Его конструкция должна соответствовать не только температуре газа, но и реальной схеме прокладки, вибрациям, тепловому расширению, противодавлению и требованиям к безопасности.

Что определяет пригодность вальцованного металлорукава для выхлопных газов

Основная задача гибкого участка выпускной системы — провести горячий газ и одновременно не передать на жесткую трассу все перемещения двигателя или другого оборудования.

В реальной системе на металлорукав одновременно воздействуют:

• Высокая температура газа и нагретых металлических деталей;
• Вибрация двигателя;
• Перемещение агрегата на виброопорах;
• Тепловое расширение выпускного трубопровода;
• Пульсации газового потока;
• Небольшое избыточное давление;
• Конденсат;
• Наружная температура и влажность;
• Вес присоединенного трубопровода и глушителя;
• Монтажные нагрузки.

Поэтому вопрос «до какой температуры выдерживает металлорукав?» недостаточен для выбора.

Необходимо определить, где именно в выпускной системе будет установлен гибкий участок и какую функцию он должен выполнять.

Рукав непосредственно около выпускного коллектора или турбокомпрессора работает в значительно более тяжелом температурном режиме, чем гибкий участок после длинной трубы или глушителя. Короткое соединение около двигателя испытывает более интенсивную вибрацию, а длинная трасса дополнительно предъявляет требования по противодавлению, собственному весу и тепловому расширению.

Какую конструкцию выбирать для газоотвода

Для отвода выхлопных и технологических газов применяются вальцованные рукава с развитым замковым соединением витков — в международной терминологии такие конструкции относятся к interlocked.

Для этой задачи обычно используется исполнение с выраженным внутренним профилем (roughbore). Дополнительный гладкий внутренний слой, необходимый при транспортировке некоторых сыпучих продуктов, для обычного газоотвода чаще всего не требуется.

Основной выбор происходит между двумя вариантами:

• Неуплотненной замковой конструкцией;
• Замковой конструкцией с уплотнением.

Неуплотненный вальцованный рукав

Обычный замковый вальцованный рукав имеет подвижное соединение между соседними витками. Такое соединение обеспечивает гибкость, но одновременно оставляет пути для утечки газа через профиль.

Поэтому неуплотненный рукав является газопроницаемым.

Это не означает, что он вообще не может использоваться для выхлопа. Такие конструкции широко применяются в выпускных системах, если схема установки допускает определенную утечку и выход газа происходит в безопасной зоне.

Например, вальцованный рукав может быть пригоден как гибкий участок наружной выхлопной трассы, если газ, вышедший через замок, не способен попасть в помещение, воздухозабор или зону постоянного нахождения людей.

Рукав с уплотнением замка

Если необходимо уменьшить газопроницаемость, между элементами замка вводят уплотняющий материал.

Уплотнение уменьшает утечку, но одновременно влияет на:

• Максимальную температуру;
• Гибкость;
• Минимальный радиус изгиба;
• Трение между элементами замка;
• Срок службы при циклическом движении.

Поэтому конструкцию нельзя выбирать по принципу «с уплотнением всегда лучше».

При высокой температуре именно уплотнительный материал способен стать слабым элементом всей сборки. Для высокотемпературных вальцованных рукавов применяются специальные волокнистые или металлические уплотнения, рассчитанные на соответствующий режим.

Можно ли использовать РЗ-Ц и РЗ-ЦХ для выхлопа

Обозначения РЗ-Ц и РЗ-ЦХ широко распространены в российской практике, однако само обозначение РЗ не подтверждает пригодность рукава для выхлопной системы.

РЗ-Ц является негерметичным вальцованным рукавом из оцинкованной стальной ленты.

РЗ-ЦХ также относится к негерметичным конструкциям, но дополнительно содержит хлопчатобумажное уплотнение.

Для РЗ-ЦХ именно хлопчатобумажный элемент существенно ограничивает допустимую температуру. Кроме того, современные рукава с одним и тем же обозначением могут выпускаться по разным техническим условиям и иметь различные характеристики.

Поэтому применять конкретный РЗ-Ц или РЗ-ЦХ для газоотвода можно только в том случае, если его документация прямо допускает:

• Требуемую температуру;
• Соответствующую рабочую среду;
• Необходимый режим эксплуатации.

Наличие металлической оболочки само по себе такого допуска не дает.

Для высокотемпературного выхлопа применяют специальные вальцованные исполнения, рассчитанные именно на отвод горячих газов.

Герметичность: где вальцованный рукав допустим, а где нет

Для выхлопной системы необходимо разделять два понятия:

способность транспортировать горячий газ и способность герметично удерживать этот газ внутри трассы.

Вальцованный рукав может хорошо выдерживать температуру и вибрацию, оставаясь при этом негерметичным.

Это особенно важно при работе двигателей внутреннего сгорания. В продуктах сгорания может присутствовать угарный газ CO — бесцветный и не имеющий запаха токсичный газ.

Поэтому обычный негерметичный вальцованный рукав нельзя использовать как единственную газоплотную трассу там, где его стенка находится внутри помещения и утечка выхлопных газов способна попасть в рабочую зону.

Отвод газа из помещения

Если двигатель или стационарный генератор установлен в помещении, выпускная система должна обеспечивать безопасный отвод газов наружу.

В такой системе необходимо оценивать герметичность:

• Самого гибкого участка;
• Соединений;
• Патрубков;
• Фланцев;
• Хомутовых соединений;
• Глушителя;
• Остальной выпускной трассы.

Для участков, где утечка недопустима, применяют конструкцию с подтвержденной газоплотностью. Часто для этой задачи рациональнее использовать герметичный металлорукав с непрерывной гофрированной металлической стенкой.

Это не означает, что любые вальцованные конструкции запрещены внутри зданий. Существуют специальные уплотненные и рассчитанные на соответствующий режим исполнения. Но их пригодность должна подтверждаться техническими характеристиками конкретного изделия, а не только названием «вальцованный металлорукав».

Уплотнение уменьшает утечку, но не отменяет проверку

Даже если в замок введено уплотнение, необходимо знать:

• Какой материал используется;
• На какую температуру он рассчитан;
• Какова заявленная газопроницаемость;
• На какое давление рассчитан рукав;
• Как проверяется герметичность готовой сборки.

Поэтому выражение «уплотненный вальцованный рукав» не следует автоматически заменять выражением «герметичный металлорукав».

Температура выхлопных газов и температура металлорукава

Одна из наиболее распространенных ошибок — выбирать металлорукав только по максимально допустимой температуре, указанной в каталоге.

Например, для некоторых специальных вальцованных конструкций заявляется возможность работы при температурах порядка 600-650 °C. Но такое значение нельзя автоматически использовать для любой выпускной системы.

Температура зависит от точки установки.

Газ непосредственно после двигателя может быть значительно горячее, чем после:

• Длинного участка трубопровода;
• Глушителя;
• Катализатора;
• Других элементов выпускной системы.

Поэтому исходным параметром должна быть температура выхлопных газов в предполагаемой точке установки, желательно взятая из технической документации изготовителя двигателя или полученная измерением рабочего оборудования.

Температура газа и температура металлической стенки — не одно и то же

Температура газа внутри трассы и температура поверхности металлорукава различаются.

На температуру стенки влияют:

• Скорость потока;
• Диаметр рукава;
• Материал;
• Толщина металлической ленты;
• Длина участка;
• Температура окружающего воздуха;
• Естественное или принудительное охлаждение;
• Наличие теплоизоляции;
• Режим работы оборудования.

Поэтому нельзя использовать температуру наружной поверхности как прямой эквивалент температуры выхлопного газа.

Что ограничивает максимальную температуру

Для цельнометаллического неуплотненного рукава ограничивающим фактором часто является металлическая конструкция.

У более сложной сборки ограничением может стать:

• Уплотнение замка;
• Наружное покрытие;
• Прокладка;
• Герметик;
• Концевой элемент;
• Способ закрепления арматуры.

Особенно осторожно следует относиться к конструкциям с органическим уплотнением и полимерным наружным покрытием.

Высокая допустимая температура нержавеющей металлической ленты не означает, что такую же температуру выдержит вся сборка.

Как выбрать материал металлорукава для выхлопной системы

Материал вальцованного металлорукава выбирают одновременно по температуре, составу выхлопных газов, условиям образования конденсата и требуемому сроку службы.

AISI 304 и AISI 316

Для многих общепромышленных выхлопных систем применяются аустенитные нержавеющие стали AISI 304 и AISI 316.

AISI 304 является распространенным вариантом для умеренно агрессивной среды и повышенной температуры.

AISI 316 содержит молибден и обладает более высокой стойкостью к ряду коррозионных воздействий, поэтому может быть предпочтительнее при наличии влажной и химически более агрессивной среды или конденсата.

Но при выборе для выхлопной системы необходимо оценивать не только коррозию, но и реальную температуру в точке установки.

Жаростойкие стали, например AISI 310S

Если металлорукав работает при существенно более высокой температуре, могут применяться специальные жаростойкие стали.

Один из характерных примеров — AISI 310S (EN 1.4845, UNS S31008). Высокое содержание хрома и никеля обеспечивает этой стали повышенную стойкость к окислению и высокотемпературной коррозии по сравнению с обычными марками 304 и 316.

Такие материалы рассматривают для горячих участков газоотвода, промышленного печного оборудования и других систем, где рабочая температура становится одним из определяющих факторов выбора.

Однако температурную стойкость самой стали нельзя переносить на готовый металлорукав без дополнительной проверки. Максимально допустимая температура всей сборки может ограничиваться:

• Конструкцией и толщиной металлической ленты;
• Уплотнением замка;
• Концевой арматурой;
• Прокладками;
• Способом соединения;
• Циклической вибрацией и механической нагрузкой.

Поэтому применение AISI 310S или другой жаростойкой стали должно быть подтверждено техническими характеристиками конкретного металлорукава.

Оцинкованная сталь

Оцинкованная лента также применяется в вальцованных металлорукавах, в том числе в некоторых системах отвода газов.

Но для высокотемпературных участков ее пригодность необходимо проверять особенно внимательно. Нельзя переносить свойства обычного защитного РЗ-Ц на специализированный рукав для горячего выхлопа только потому, что оба изделия выполнены из оцинкованной стали.

Другие специальные материалы

Для отдельных условий могут применяться и другие жаростойкие или коррозионностойкие сплавы.

Их использование может быть оправдано при сочетании:

• Повышенной температуры;
• Агрессивного состава газа;
• Циклического нагрева и охлаждения;
• Высоких требований к ресурсу;
• Специальных условий промышленной эксплуатации.

Материал следует выбирать как часть всей конструкции, а не отдельно от режима работы металлорукава.

Вибрация и перемещение двигателя

Одна из главных причин установки гибкого элемента в выпускной системе — необходимость отделить вибрирующий двигатель от жесткого трубопровода.

Двигатель при работе совершает небольшие циклические перемещения. Если жестко связать выпускной патрубок с неподвижной трассой, эти перемещения начинают создавать нагрузку на:

• Выпускной коллектор;
• Турбокомпрессор;
• Соединения;
• Глушитель;
• Опоры трубопровода.

Гибкий участок позволяет уменьшить передачу таких перемещений.

Но из этого не следует, что металлорукав способен компенсировать любую ошибку монтажа.

Металлорукав не должен исправлять значительную несоосность

Если патрубок двигателя и жесткая выпускная труба изначально расположены со значительным смещением, не следует принудительно изгибать короткий металлорукав так, чтобы он одновременно выполнял функцию переходного колена.

Постоянная монтажная деформация уменьшает запас подвижности, необходимый для рабочей вибрации.

Правильная схема предусматривает:

• Соосное или рассчитанное расположение соединяемых элементов;
• Допустимый радиус изгиба;
• Достаточную рабочую длину;
• Отсутствие предварительного кручения.

Кручение особенно нежелательно

Вальцованный рукав имеет спиральную конструкцию.

Поэтому крутящий момент может стремиться раскрывать или дополнительно затягивать замок в зависимости от направления вращения.

Если при монтаже фланец или другое окончание приходится поворачивать вместе с гибкой частью для совмещения отверстий, в рукаве возникает предварительное кручение.

Такой монтаж следует исключать.

Тепловое расширение выпускного трубопровода

Выхлопная трасса нагревается после запуска двигателя и увеличивается по длине.

Чем длиннее жесткий участок и выше температура, тем заметнее тепловое перемещение.

Гибкий металлорукав способен воспринимать часть относительного движения, однако его нельзя использовать как случайно расположенный компенсатор без анализа всей трассы.

Необходимо понимать:

• Где закреплен трубопровод;
• В каком направлении он расширяется;
• Какие участки могут свободно перемещаться;
• Какое перемещение приходится на гибкий элемент.

Если тепловое расширение направляет жесткую трубу непосредственно в металлорукав и постоянно сжимает его или изгибает за допустимые пределы, срок службы уменьшается.

Поэтому схема опор и гибкого участка рассматривается совместно.

Почему металлорукав не должен нести вес выхлопной системы

Гибкий участок предназначен для транспортировки газа и восприятия предусмотренных перемещений, а не для поддержки глушителя или длинной трубы.

Жесткая часть выпускной системы должна иметь собственные опоры.

На металлорукав не следует передавать:

• Вес глушителя;
• Вес вертикального стояка;
• Длинный горизонтальный участок трубы;
• Значительную боковую монтажную нагрузку.

Если подвесить трубопровод фактически на патрубок двигателя через гибкий металлорукав, нагрузки будут передаваться обратно на выпускной коллектор и другие элементы агрегата.

Вибрация в такой системе также будет воздействовать на гибкий участок одновременно с постоянной статической нагрузкой.

Диаметр, длина и противодавление

Гибкость выпускной трассы не должна достигаться ценой чрезмерного сопротивления движению газа.

Двигатели имеют допустимое максимальное противодавление выпускной системы. Его значение необходимо брать из документации изготовителя конкретного двигателя.

Противодавление создают все элементы трассы:

• Металлорукав;
• Прямые трубы;
• Повороты;
• Глушитель;
• Катализатор;
• Искрогаситель;
• Сужения;
• Переходы;
• Концевой выпуск.

Почему нельзя произвольно уменьшать диаметр

Уменьшение проходного сечения увеличивает скорость газа и сопротивление системы.

Поэтому диаметр выпускного патрубка двигателя нельзя уменьшать только потому, что металлорукав меньшего диаметра удобнее проложить.

Допустимость изменения диаметра должна подтверждаться расчетом противодавления.

Длина также имеет значение

Чем длиннее трасса, тем больше ее сопротивление.

Если гибкий рукав используется только для развязки двигателя и жесткого трубопровода, нет необходимости делать гибкой всю выпускную линию.

Рациональная схема часто состоит из:

двигатель -> гибкий участок -> жесткая правильно закрепленная выхлопная трасса -> глушитель и выпуск.

Конкретная компоновка зависит от оборудования.

Повороты

Резкие и многочисленные повороты увеличивают сопротивление.

Поэтому трассу желательно делать:

• По возможности короткой;
• Без неоправданного количества поворотов;
• С плавными изменениями направления;
• Без локальных сужений.

Сам металлорукав также не следует изгибать с радиусом меньше допустимого.

Конденсат в выхлопной системе

При остановке и охлаждении оборудования в выпускной системе может образовываться конденсат.

Вода способна:

• Скапливаться в низких точках;
• Вызывать внутреннюю коррозию;
• Попадать обратно к двигателю;
• Скапливаться в глушителе;
• Воздействовать на соединения и уплотнения.

Поэтому трассу следует проектировать так, чтобы конденсат имел контролируемый путь удаления.

В зависимости от системы применяются:

• Уклон трубопровода;
• Дренажные точки;
• Конденсатосборники;
• Слив из глушителя.

Особенно нежелательна ситуация, когда низшая точка образуется непосредственно в провисающем металлорукаве.

В таком случае гибкий участок начинает одновременно работать как газоход и накопитель жидкости.

Почему конденсат влияет на выбор материала

Конденсат представляет собой не только воду. Его свойства зависят от топлива, двигателя и состава продуктов сгорания.

Поэтому при регулярном образовании влаги требования к коррозионной стойкости возрастают.

Это одна из причин широкого применения нержавеющих материалов в долговременных промышленных выхлопных системах.

Концевые соединения и утечки

Даже правильно выбранный металлорукав не обеспечит требуемую работу, если соединения выполнены неправильно.

В выхлопных системах применяются:

• Фланцевые соединения;
• Патрубки под приварку;
• Резьбовые окончания;
• Соединения под хомут;
• Специальные механические окончания.

Тип присоединения должен соответствовать конструкции рукава и ответному оборудованию.

Нужно учитывать температурное воздействие на уплотнение при сварке

Если вальцованный рукав имеет уплотненный замок, сварное крепление концевой арматуры требует отдельной проверки технологии.

Сильный локальный нагрев способен повредить уплотняющий материал около окончания.

Поэтому для уплотненных конструкций способ крепления арматуры должен быть предусмотрен изготовителем.

Герметичность соединения и герметичность рукава — разные параметры

Можно получить полностью герметичный сварной или фланцевый конец и при этом сохранить утечку через стенку самого вальцованного рукава.

И наоборот, применение малогазопроницаемой гибкой части не компенсирует плохо затянутое соединение.

Поэтому выпускную сборку оценивают целиком.

Нужна ли теплоизоляция металлорукава

Теплоизоляция может применяться для:

• Снижения тепловыделения в помещение;
• Защиты персонала от горячей поверхности;
• Защиты находящихся рядом кабелей и оборудования;
• Сохранения температуры газа перед последующим оборудованием.

Но теплоизоляция одновременно уменьшает теплоотдачу от металлической стенки.

Следовательно, температура самого рукава и его соединений может увеличиться по сравнению с открытым участком.

Если применяется теплоизоляция, допустимую температуру всех элементов необходимо проверять уже для изолированной конструкции.

Нельзя сначала подобрать рукав по условиям свободного охлаждения, а затем закрыть его теплоизоляцией без повторной оценки температурного режима.

Типичные ошибки при выборе металлорукава для выхлопа

Выбирать только по максимальной температуре

Надпись «до 650 °C» не отвечает на вопросы о герметичности, вибрации, уплотнении, материале соединений и допустимом противодавлении.

Считать любой вальцованный рукав подходящим для генератора

Защитный РЗ-Ц или РЗ-ЦХ и специальный вальцованный рукав для горячих выхлопных газов относятся к одной конструктивной группе, но могут иметь принципиально разные рабочие характеристики.

Использовать негерметичный рукав внутри помещения без оценки утечки

Температурная стойкость не означает газоплотность.

Если утечка продуктов сгорания в помещение недопустима, необходимо применять конструкцию с подтвержденной герметичностью.

Использовать металлорукав как несущую опору

Вес глушителя и жесткой трассы должен восприниматься отдельными креплениями.

Компенсировать металлорукавом значительную несоосность

Гибкий участок предназначен для рабочих перемещений, а не для исправления ошибок расположения трубопровода.

Скручивать рукав при монтаже

Кручение нагружает спиральный замок иначе, чем обычный изгиб.

Делать диаметр меньше выхода двигателя без расчета

Сужение увеличивает противодавление и может нарушить работу двигателя.

Не предусматривать удаление конденсата

Провисающий гибкий участок или неправильно выполненный уклон может превратиться в место накопления жидкости.

Какие данные нужны для выбора металлорукава для выхлопных газов

Как выбрать конструкцию: практический порядок

Выбор можно свести к последовательности из девяти шагов.

1. Получить данные двигателя. Нужны диаметр выпускного патрубка, расход газа, температура и допустимое противодавление.
2. Определить место установки гибкого участка. Чем ближе он находится к двигателю, тем выше обычно температура и интенсивнее вибрационное воздействие.
3. Определить требования к газоплотности. Если утечка недопустима, обычный негерметичный вальцованный рукав исключается независимо от его температурной стойкости.
4. Выбрать материал. Его проверяют по температуре, коррозионной среде, конденсату и наружным условиям.
5. Проверить уплотнение. Если используется уплотненный замок, допустимая температура уплотнения должна соответствовать реальному режиму.
6. Определить диаметр. Проходное сечение выбирают с учетом расхода и допустимого противодавления всей выпускной системы.
7. Определить рабочую длину и радиус. Рукав должен воспринимать предусмотренные движения без постоянного растяжения, чрезмерного изгиба и кручения.
8. Спроектировать опоры, уклоны и дренаж. Жесткий трубопровод и глушитель должны иметь собственные крепления, а конденсат не должен скапливаться в гибком участке или стекать к двигателю.
9. Выбрать концевые соединения. Их конструкция и технология крепления должны соответствовать температуре, герметичности и устройству самого рукава.

Для поставки металлорукава для выхлопных газов имеет смысл передавать поставщику именно этот набор исходных данных, а не только диаметр и требуемую длину.

Нормативная база

Общие требования к конструкции вальцованных металлических рукавов устанавливает ISO 15465:2004 «Pipework — Stripwound metal hoses and hose assemblies».

Стандарт предусматривает как неуплотненные, так и уплотненные конструкции и показывает принципиально важное для выхлопной системы различие: вальцованный рукав не следует автоматически считать напорным или герметичным.

Отечественные обозначения РЗ-Ц, РЗ-ЦХ, Р1 и Р2 рассматриваются в статье «Вальцованные металлорукава: устройство, виды, применение и выбор». Для конкретной выпускной системы основным документом остается техническая документация выбранного изделия: именно она должна подтверждать допустимую температуру, назначение, радиус изгиба и другие рабочие характеристики.

Дополнительно необходимо учитывать требования производителя самого двигателя или генераторной установки к выпускной системе, в частности к:

• Максимальному противодавлению;
• Диаметру трубопровода;
• Гибкому соединению;
• Размещению опор;
• Удалению конденсата;
• Температурному режиму.

Вывод

Для выхлопных газов вальцованный металлорукав выбирают не по одному параметру, а по совокупности температуры, газопроницаемости, вибрации, теплового перемещения и сопротивления выпускной системы.

Негерметичная замковая конструкция может быть рациональным решением для наружного газоотвода, если допустимая утечка заранее учтена. Если же выхлопная трасса проходит через помещение и должна надежно удерживать продукты сгорания, требуется исполнение с подтвержденной газоплотностью — нередко для такой задачи правильнее использовать герметичный гофрированный металлорукав.

Не менее важны схема монтажа и условия работы. Гибкий участок не должен нести вес трубопровода, компенсировать значительную несоосность или работать в постоянном кручении. Диаметр должен соответствовать допустимому противодавлению двигателя, а трасса — учитывать тепловое расширение и удаление конденсата.

Именно такой подход позволяет использовать гибкость вальцованного металлорукава там, где она действительно нужна, не возлагая на него функции, для которых конкретная конструкция не предназначена.

---