Результат интеллектуальной деятельности: ОПОРА ПОДВИЖНАЯ ТРУБОПРОВОДА И ЕЕ ОПОРНЫЙ УЗЕЛ

Заявляемая группа изобретений относится к области строительства надземных трубопроводов и может быть использована при прокладке трубопроводов в сложных геологических условиях, например в условиях вечной мерзлоты, в том числе и при наличии небольшого уклона местности.

Из уровня техники известно достаточное количество различных видов подвижных опор. Все они спроектированы таким образом, что, воспринимая вертикальные и горизонтальные нагрузки от трубопровода, одновременно не мешают его перемещению как в направлении своей оси, так и в поперечном направлении.

Подвижные опоры устанавливают для обеспечения свободного перемещения трубопроводов на опорах при температурных деформациях и возможных гидравлических ударах. Эти опоры воспринимают вертикальную нагрузку - силу тяжести трубопроводов с размещенной на них арматурой и теплоизоляцией различных типов, а также горизонтальную нагрузку, зависящую от коэффициента трения на подошве опоры. На величину трения влияет конструкция подвижной опоры. Наиболее распространенными подвижными опорами являются скользящие опоры, перемещающиеся вместе с трубой по различным опорным конструкциям.

Из уровня техники известен патент США №4128219, по заявке от 17.05.1976, на «свободно-подвижную опору», обеспечивающую возможность продольного и поперечного перемещения трубопровода в результате теплового сжатия и расширения. Конструкция образована взаимно пересеченными вертикально и горизонтально ориентированными опорными стержневыми элементами, разъемно соединенными между собой с возможностью регулировки положения трубопровода. Трубопровод охвачен жесткими хомутами, закрепленными к подвижному горизонтальному опорному элементу. Конструкция опоры и опорного узла обеспечивает многократную возможность регулировки положения трубопровода при его достаточно жесткой фиксации.

К недостаткам известного технического решения можно отнести достаточно большое количество соединений, стяжек и креплений, винтов и гаек для регулировки по высоте, что создает определенные ограничения в способах использования данного изобретения, а также некоторые трудности при проведении ремонта и профилактического осмотра опоры. Опора спроектирована с большим количеством труднодоступных для осмотра мест, поэтому при необходимости проведения хотя бы частичного ремонта, потребуется произвести разборку опоры. Кроме того, отсутствие жесткой связи между сваями может привести к отклонению свай при пучении грунта и падению опор.

Сходным известным техническим решением также является известная из уровня техники полезная модель РФ №128274 «ОПОРА ДЛЯ ТРУБОПРОВОДА С УКЛОНОМ». Опора в соответствии с формулой данной полезной модели содержит охватывающий трубопровод полухомут, опорную плиту и подставку, подвижно соединенные между собой, ложемент, выполненный в виде корпуса, установленного на подставке с возможностью перемещения по ней.

Основным недостатком данной конструкции является наклонное расположение скользящей поверхности опоры, что увеличивает нагрузку на трубопровод при эксплуатации на грунтах с уклоном. Кроме того, конструкция не содержит ограничителей перемещения опоры, что создает определенные риски перемещений, выходящих за рамки проектных.

Наиболее близкой к заявляемой группе изобретений по технической сущности является продольно-подвижная опора для трубопровода, содержащая охватывающие трубопровод ложемент с хомутами и опорную плиту с шарнирами и снабженная прикрепленной к ложементу подставкой, установленной в шарниры. Боковые щеки подставки выполнены скошенными для обеспечения возможности наклона подставки относительно опорной плиты (патент РФ на полезную модель №64316). Опора своей плитой устанавливается на подготовленную площадку. На ложемент опускают трубу и закрепляют ее хомутами. Свободное положение плиты (подошвы опоры) на площадке обеспечивает свободное перемещение трубы. Укороченная подставка с шарнирами повышает приспосабливаемость опоры к трассе.

Данная опора, перемещаясь с трубопроводом по площадке, при увеличении длины трубопровода (при воздействии положительных температур) воздействует на трубопровод с повышенными нагрузками, возникающими от трения плиты по опорной поверхности ростверка. Кроме того, отсутствие фрикционных прокладок между ложементом и теплоизолированным трубопроводом может привести к повреждению оболочки и теплоизоляции трубы.

Задачей заявляемой группы технических решений является обеспечение надежности и функциональности конструкции при эксплуатации в сложных геологических условиях, связанных с крайне низкими температурами и возможностью пучения многолетнемерзлых грунтов, снижение риска деформации трубопровода.

Технический результат, достигаемый при использовании заявляемой группы изобретений, заключается в обеспечении равномерности распределения нагрузки от трубопровода на неподвижную часть опоры, обеспечении возможности смещения подвижной части опоры трубопровода в заданных проектных режимах, предотвращение деформаций в случае возникновения возможных пучений грунта за счет выполнения компенсирующего деформации узла опирания на сваю шарнирного типа.

Поставленная задача решается тем, что, в соответствии с заявляемым техническим решением, подвижная опора трубопровода содержит взаимодействующие подвижную и неподвижную части. При этом подвижная часть включает ложемент, выполненный в виде полуцилиндра, по крайней мере, с двумя полукольцевыми ребрами жесткости (шпангоутами), расположенными с внешней стороны ложемента, разъемные полухомуты, обеспечивающие фиксацию трубопровода в ложементе, боковые щеки, жестко приваренные к ложементу и подвижно закрепленные к подошве опоры посредством шарнирного соединения, при этом подошва выполнена с возможностью скользящего перемещения по поверхности неподвижной части опоры. При изготовлении подвижной опоры с четырьмя шпангоутами последние размещают на равном расстоянии друг от друга, при этом крайние шпангоуты выполнены по торцам ложемента. Шарнирное соединение снабжено антифрикционными втулками, изолирующими элементы шарнирного соединения от коррозионного воздействия, снижающими усилия от трения и повышающие долговечность узла. Подошва представляет собой плоскую поверхность, снабженную антифрикционными коррозионностойкими прокладками, например пластинами из модифицированного фторопласта или термопластичного материала на основе полиэтилентерефталата с антифрикционными свойствами, при этом торцы подошвы отогнуты вверх с образованием порогов. Между полухомутами и трубопроводом, а также между ложементом и трубопроводом размещены фрикционные прокладки, выполненные, например, из силоксана, обеспечивающие электроизоляцию трубопровода от свайного фундамента для минимизации коррозионных процессов, а также защищающие оболочку трубопровода от повреждений при его перемещении.

Неподвижная часть опоры может быть выполнена как для двухсвайного, так и для четырехсвайного фундамента.

Для двухсвайного фундамента неподвижная часть опоры представляет собой стол-ростверк, выполненный в виде взаимосопряженных балок, перемычек и косынок, с расположенной сверху опорной плитой со скользящей поверхностью, и два опорных узла шарнирного типа, через которые стол-ростверк закреплен к свайному фундаменту.

Для четырехсвайного фундамента неподвижная часть опоры представляет собой стол-ростверк с опорной плитой со скользящей поверхностью, установленный на продольных балках (продольно расположенных относительно оси трубопровода), и четыре опорных узла шарнирного типа, через которые балки продольные закреплены к свайному фундаменту.

На опорной плите оппозитно друг другу жестко закреплены, например, при помощи сварки, боковые упоры на расстоянии, обеспечивающем возможность расчетного поперечного перемещения подвижной части опоры и допускаемые отклонения на монтаж опоры и установку трубопровода. Скользящая поверхность опорной плиты представляет собой коррозионностойкий стальной лист, укрепленный на опорной плите. Также поставленная задача решается конструктивно иным исполнением опорного узла, который представляет собой опорную муфту, свободно с зазором установленную на двух, жестко приваренных к свае фундамента полукольцах, на которой размещена опорная плита с отверстием, соответствующим внутреннему диаметру муфты, при этом плита соединена с муфтой вертикальными косынками, горизонтальными ребрами жесткости, усиливающими жесткость опорного узла. К столу-ростверку опорная плита с отверстиями может быть закреплена жестко посредством сварного соединения, например, при приварке при монтаже опоры или полужестко посредством болтового соединения, имеющего зазоры, обеспечивающие гибкость соединения, необходимую при пучении (просадки) свай или грунтов под свайным основанием. Полукольца закреплены к свае с технологическим зазором между торцами полуколец. Зазор между внутренним диаметром муфты и наружным диаметром сваи составляет не менее 8 мм. Иными словами, зазор между внутренним диаметром муфты и наружным диаметром сваи обеспечивает возможность изменения высотного положения (поднятия/опускания) сваи в случае возможного пучения (осадки) грунта до 400 мм. Ширина полукольца, определяемая как разность между его внешним и внутренним диаметром, соответствует толщине муфты, определяемой как разность между ее внешним и внутренним диаметром, увеличенной на величину зазора между муфтой и сваей.

Заявляемое изобретение поясняется следующими чертежами.

На фиг.1 схематично представлен вид по оси трубопровода на заявляемую конструкцию, характеризующуюся расположением боковых упоров в непосредственной близости от подошвы (продольно-подвижная опора).

На фиг.2 схематично представлен вид по оси трубопровода на заявляемую опору трубопровода, характеризующуюся расположением боковых упоров на некотором расстоянии от подошвы (свободно-подвижная опора).

На фиг.3 представлен вид сбоку заявляемой конструкции для двухсвайного фундамента.

На фиг.4 представлен вид сбоку заявляемой конструкции для четырехсвайного фундамента с продольными балками.

На фиг.5 схематично представлено изображение муфты опорной.

На фиг.6 представлен вид опорной плиты муфты с отверстием.

На фиг.7 схематично представлено изображение подвижной части опоры - корпус-ложемента заявляемой конструкции.

Позициями на чертежах обозначены:

Подвижная часть - корпус-ложемент включает:

1 - ложемент;

2 - полухомуты;

3 - шпангоуты (ребра жесткости);

4 - шарнирное соединение;

5 - болтовое соединение;

6 - боковые щеки;

7 - антифрикционные прокладки;

8 - порог подошвы;

9 - подошва.

Неподвижная часть опоры включает:

10 - стол-ростверк;

11 - муфта опорная;

12 - полукольца;

13 - опорная плита муфты опорной с отверстием;

14 - боковые упоры;

15 - продольная балка;

16 - свая (не входит в состав опоры).

Заявляемая подвижная опора относится к классу скользящих опор и состоит из, собственно, подвижной и неподвижной частей, взаимодействующих друг с другом за счет обеспечения возможности скольжения подвижной части по поверхности неподвижной части. Подвижная часть опоры трубопровода представляет собой сложнопрофильную конструкцию, имеющую полуцилиндрический ложемент 1 для размещения поддерживаемого трубопровода в теплоизоляции, усиленный шпангоутами 3, выполненными в форме плоских полуколец. В конструкции применяют от двух и более шпангоутов. На фиг.3 представлена конструкция подвижной опоры с четырьмя шпангоутами, размещенными на равном расстоянии друг от друга. При этом шпангоуты закреплены по торцам ложемента 1. Ширина полукольца шпангоута зависит от диаметра трубопровода и расчетной нагрузки.

Вся контактная поверхность полуцилиндрического ложемента снабжена электроизолирующей фрикционной прокладкой, выполненной, например, из силоксана. К торцам ложемента разъемно присоединены два полухомута 2, обеспечивающие фиксацию трубопровода на ложементе посредством болтового соединения 5. Внутренняя поверхность полухомутов также снабжена электроизолирующей фрикционной прокладкой, выполненной, например, из силоксана. К ложементу жестко присоединены (при помощи сварки) боковые щеки 6, являющиеся опорным элементом ложемента. Боковые щеки представляют собой пластины, горизонтальными сварными швами закрепленные к ложементу по обе стороны от трубопровода, при этом к боковым щекам приварены шпангоуты для усиления и упрочнения всего поддерживающего устройства. Шпангоуты в таком случае также выполняют функцию стяжки боковых щек. Форма пластин способствует упрочнению конструкции опоры. Боковые щеки подвижно установлены в двух шарнирах, выполненных на подошве подвижной части опоры путем приварки каждой из них к двум продольным щекам подошвы. Шарнирные соединения 4 оснащены антифрикционными втулками, предотвращающими заклинивание этого соединения и коррозионностойкость. Подошва 9 представляет собой плоскую поверхность, снабженную антифрикционными, коррозионностойкими прокладками 7, например, из пластин модифицированного фторопласта, при этом торцы подошвы отогнуты вверх с образованием порогов 8, повышающих жесткость подошвы в поперечном направлении. Пороги организованы для предотвращения застопоривания подвижной части опоры при ее смещении в случае образования снегового покрова и обледенения опорной поверхности ростверка. На подошве имеются отверстия для предотвращения скопления дождевых вод. Подвижная часть опоры подошвой установлена на поверхность неподвижной части опоры без какого-либо взаимного крепления. Неподвижная часть опоры представляет собой стол-ростверк 10 и узлы его крепления к свайному фундаменту.

В случае выполнения свайного фундамента опоры на четырех сваях используют продольные балки, которые функционально являются опорным элементом ростверка. Они попарно соединяют соседние сваи, располагаясь параллельно оси трубопровода.

Стол-ростверк выполнен одноуровневым в виде взаимосопряженных двух балок, жестко соединенных между собой в одной плоскости и усиленных жесткими вертикально ориентированными косынками и перемычками. При этом в случае применения двухсвайного фундамента (фиг.2) стол-ростверк устанавливают и закрепляют непосредственно на сваи фундамента, а в случае использования четырехсвайного фундамента (фиг.4) стол-ростверк закреплен на фундаменте через две продольные балки 15, связывающие между собой по две сваи 16 с каждой стороны, при этом крепление к сваям выполнено через опорный узел шарнирного типа. Стол-ростверк сверху накрыт опорной плитой, верхняя поверхность которой является скользящей для подошвы подвижной части опоры, что стало возможным в результате использования на опорной плите коррозионностойкого стального листа, выполненного, например, из стали 08Х18Н10.

Выбор типа фундамента обусловлен несущей способностью грунтов и определяется на стадии проектирования трубопровода.

На поверхности опорной плиты ростверка закреплены с возможностью изменения их положения боковые упоры - ограничители 14, представляющие собой протяженные уголки, ориентированные вдоль геометрической оси трубопровода. Крепление боковых упоров непосредственно вблизи подошвы по бокам на расстоянии не более 50 мм ограничивает возможность ее поперечного перемещения, допуская только продольное (фиг.1 - продольно-подвижная опора). Соответственно, более удаленное крепление боковых упоров обеспечивает возможность поперечного перемещения подошвы по поверхности опорной плиты ростверка (фиг.2 - свободно подвижная опора).

Из уровня техники известно жесткое крепление ростверка к сваям, что при возможных пучениях или просадках грунта может привести к деформациям металлоконструкции, разрушениям сварных соединений ростверка и к падению опоры. В заявляемом изобретении представлен опорный узел, использование которого при организации соединения ростверка с фундаментом позволяет обеспечить бездеформационное состояние опоры трубопровода при изменении вертикального положения сваи на величину до 400 мм.

Опорный узел включает два металлических идентичных полукольца 12, жестко приваренных на одном вертикальном уровне к свае друг напротив друга. Полукольца после сварки не образуют цельного кольца, между ними сохраняется технологический зазор около 30 мм. Зазор позволяет компенсировать допускаемые отклонения диаметра свай с обеспечением нормированного зазора под сварку. Высота полуколец обусловлена необходимостью снижения термического воздействия соседних сварных швов (верхнего и нижнего) и обеспечения прочности полуколец. На полукольца с зазором относительно сваи свободно установлена опорная муфта 11. Зазор составляет не менее 8 мм. В то же время муфта выбрана таким образом, что ее толщина вместе с величиной зазора соответствует ширине полукольца. К верхнему торцу муфты приварена опорная плита 13 с отверстием, соответствующим внутреннему диаметру муфты. Соединение плиты 13 с муфтой усилено, по крайней мере, двумя вертикальными косынками, усиленными горизонтальными ребрами. На опорные плиты муфты установлен и жестко приварен к ним стол-ростверк. Данную операцию выполняют при монтаже опоры.

Таким образом, жесткое соединение свайного фундамента со столом-ростверком выполнено только в зоне крепления полуколец к сваям. Опорный узел выполняет функцию шарнирного, не жесткого соединения, обеспечивающего компенсацию возможных деформаций сваи и сохранения работоспособности подвижной опоры.

Заявляемая конструкция работает следующим образом. При осуществлении работ по прокладке надземного трубопровода устраивают опорные конструкции с учетом качества грунта, его уклона и т.д.

В ложемент вкладывают трубопровод в теплоизоляции, и двумя полухомутами при помощи болтового соединения его фиксируют и устанавливают в проектное положение. Внутренняя поверхность ложемента и полухомутов снабжены диэлектрическим, фрикционным материалом, например силоксановым. За счет наличия шарнирного соединения боковых щек ложемента с подошвой обеспечивают самоустановку трубопровода в проектное положение, определяемое профилем трассы. Антифрикционные втулки обеспечивают беспрепятственный наклон ложемента с трубопроводом, коррозионностойкость и долговечность узла. По окончании монтажа трубопровод готов к эксплуатации. Регулярные изменения температуры транспортируемой рабочей среды, вибрации, изменение давления внутри трубопровода - все это вызывает постоянные, часто значительные (до 600 мм), смещения трубопровода. При применении подвижной опоры заявляемого типа смещения трубопровода воспринимаются опорой, точнее ее подвижной частью, в результате чего подвижная часть вместе с жестко зафиксированным в ней трубопроводом смещается. Подошва скользит, перемещаясь по поверхности опорной плиты ростверка. Наличие антифрикционных прокладок и коррозионностойкой опорной поверхности ростверка обеспечивает беспрепятственное перемещение подошвы, значительное (до трех раз в случае применения не коррозионностойких сталей для пары трения) снижение горизонтальных нагрузок на сваи и трубопровод от сил трения. При размещении боковых упоров вблизи подошвы (для ограничения поперечного перемещения) подошва ложемента не имеет возможности поперечного скольжения и перемещается только в продольном направлении.

В случае просадок или пучении грунта возможно изменение высотного положения сваи, которое может привести к деформации опоры, разрушению сварных соединений со сваей и риску выхода из строя трубопровода. Заявляемая конструкция опорного узла, ввиду отсутствия жесткого соединения со сваей, компенсирует возможные деформации, так как наличие зазора между сваей и внутренним диаметром муфты, а также свободное (без жесткой связи) ее опирание на полукольца, приваренные к свае, позволяют наклоняться опорной поверхности ростверка при различном изменении высотного положения противоположных свай, при этом фрикционные прокладки между ложементом и трубой предотвращают разрушение ее теплоизоляции и оболочки при наклоне ростверка.