Прочность сильфона характеризуется напряженно-деформированным состоянием и зависит от размеров, формы и расположения на нем сварных швов.
В каждом гофре при работе возникают мембранные и изгибные окружные и меридиональные напряжения как от сжатия-растяжения, так и от давления. Оценка прочности с достаточной для практики точностью производится по величине меридиональных изгибных напряжений [45].
Известны сварные и бесшовные, однослойные и многослойные сильфоны. Сварные, как правило, бывают однослойные с гофрами различной формы (рис. 1). Гофры остроугольной формы (рис. 1, а) обладают хорошей податливостью, т. е. имеют небольшую жесткость и хорошую компенсирующую способность. Но применяются они при низких давлениях (до 0,2 МПа) на неответственных трубопроводах. Это связано с высокой концентрацией напряжений в местах расположения сварных швов. Здесь напряжения от сжатия-растяжения и от давления складываются, так как имеют одинаковый знак.
Торовые гофры (рис. 1,6) по сравнению с остроугольными обладают большей жесткостью, но имеют небольшую компенсирующую способность. Сильфоны с такими гофрами работают при давлении до 10 МПа.
Наиболее широко распространены гофры такой формы, где сочетаются торообразные оболочки и плоские пластины (рис. 2,в). Здесь нижние и верхние полуторы соединены кольцевыми пластинами. Однослойные сварные сильфоны с такой формой гофров ранее применялись при давлении до 0,7 МПа.
Гофр имел высоту 120 мм, толщину 4 мм и радиус полутора 30 мм. Эти размеры получены по приближенному расчету, когда каждая сторона гофра рассматривается как кольцевая пластина, последовательно связанная с другими кромками через жесткие кольца. Поскольку принятая расчетная схема не учитывает деформации полуторовых частей гофров, параметры сильфона оказались занижены. Кроме того, прочность оценивалась по допускаемым напряжениям, а не по кривой малоцикловой усталости, что также привело к большим запасам.
В дальнейшем для выбора оптимальных размеров сильфонов применен расчет на ЭВМ с использованием известной методики в которой гофр рассматривается как кривой брус на упругом основании. На основе этих расчетов предельное давление повышено до 1,6 МПа, высота гофра принята 75 мм, толщина 4 мм, а радиус полутора 14 мм.
Анализируя напряженно-деформированное состояние рассматриваемого гофра (рис. 1, в) отметим, что при сжатии наиболее нагружен нижний полутор, а при растяжении — верхний.
Бесшовные сильфоны изготовляются однослойными или многослойными. Однослойные ничем не отличаются от сварных, они изготовляются обкаткой и не имеют сварных швов, многослойные имеют несколько слоев (от 2 до 10). Бывают сильфоны с гофрами различной формы. Наиболее широко распространены гофры U-образной и Q-образной формы (рис. 2).
Многослойные сильфоны из-за тонких слоев (0,35 мм) обладают малой жесткостью. Отмеченное свойство положительно для компенсатора, работающего на трубопроводах низкого давления. С повышением рабочего давления жесткости гофров бывает недостаточно, отчего они выпучиваются и сильфон теряет устойчивость.
Чтобы исключить это нежелательное явление, на сильфон устанавливают ограничительные кольца. Ограничительные кольца имеют форму сечения, близкую к сечению гофра. Они изготовляются с высокой точностью и в местах соприкосновения с сильфоном имеют высокую чистоту обработки. На работающих при давлении до 1,6 МПа компенсаторах с сильфоном, имеющим Q-образные гофры, круглые кольца сплошного сечения заменяют разрезными (рис. 2, г). При этом крайние кольца, прижимающие сильфон к патрубку, заменять не рекомендуется. Такая замена уменьшает жесткость и массу компенсатора.
Анализируя напряженно-деформированное состояние гофра многослойного сильфона (рис. 1,г), можно отметить, что напряжения в слоях не одинаковы. Больше нагружен слой с наименьшим радиусом на оболочках полутора, а меньше — с наибольшим радиусом.