устройство защиты анкеров от воздействия трубопровода

Формула изобретения

Устройство защиты анкеров от воздействия трубопровода на участке вогнутой кривой продольного профиля дна траншеи, включающее укладку трубопровода на слой мягкого грунта, фиксацию его отсыпкой одного или двух слоев грунта с уплотнением, установку винтовых вертикальных анкеров, монтаж силовых поясов и засыпку траншеи грунтом, отличающееся тем, что для работы анкеров на восприятие архимедовой силы образующийся при его нагрузке зазор между силовым поясом и трубопроводом защищают от попадания грунта или твердых включений, для чего в месте расположения силового пояса перед его монтажом расстилают полотнище из нетканого синтетического материала (НСМ), приклеивают по периметру футеровочного мата к изоляции трубопровода, перехлестывают концы над силовым поясом с закреплением и напуском с боков, а свисающие концы привязывают к тягам пояса.

Описание изобретения к патенту

Предлагаемое изобретение относится к области строительства трубопроводов, прокладываемых на болотах, в минеральных водонасыщенных грунтах, на обводняемых участках трассы (перспективное обводнение, повышение уровня грунтовых вод) с закреплением их на проектных отметках винтовыми анкерами.

В подземном трубопроводе из-за действия внутреннего давления р и положительного перепада температуры t возникает продольное сжимающее усилие Р. При несоосном его приложении увеличиваются стрелы прогиба h искривлений. На вогнутых кривых продольного профиля дна траншеи трубопровод перемещается вниз, что в полуобводненной траншее (от понижения уровня грунтовых вод сезонного их колебания) исключает воздействие на анкера или уменьшает в обводненной траншее.

Известно устройство укладки гибкого трубопровода на грунтовые опоры с участками его прогиба под собственным весом, включающее разработку траншеи, укладку в нее трубопровода, его закрепление анкерами и обратную засыпку траншеи (Авторское свидетельство СССР №1150427 А, кл. F 16 L 1/028; Е 02 D 27/46, 1985). Для уменьшения нагрузки на анкера при нагревании трубопровода транспортируемым продуктом на дне траншеи изготовляют опоры, которые возвышают над дном и размещают по ее длине на расстоянии друг от друга, а анкера устанавливают между опорами в зоне наибольшего прогиба. Опоры выполняют высотой 10-30 см, шириной 0,5-3,0 м. Трубопровод укладывают на опоры, при этом ось его изгиба становится волнообразной. При нагревании трубопровода происходит его удлинение, вследствие чего его выпуклые участки перемещаются вверх, поднимая грунт засыпки, а вогнутые - вниз, разгружая анкера.

Недостатки устройства состоят в следующем.

Предложена схема закрепления гибкого трубопровода из тонкостенных труб из пластика, стального листа или рифленого металла. Для достижения максимального прогиба трубопровода от собственного веса он висит между опорами, не касаясь дна траншеи. Несмотря на такое инженерное решение, для труб большого диаметра требуются участки с увеличенным шагом установки анкеров. Максимально разрешенный нормами шаг равен 25 м. Однако стенки гибкого трубопровода подвержены повреждению в узле передачи нагрузки. Поэтому шаг установки анкеров ограничивают. Средний шаг установки устройств анкерного типа ВАУ-1 для трубопровода диаметром 1420 мм равен 4,5-6,0 м, см. Азаров В.С. К вопросу несущей способности винтовых анкеров, используемых для закрепления трубопроводов. Труды ВНИИСТа "Балластировка и закрепление магистральных трубопроводов", 1998, с.38. На вогнутом участке требуется поставить несколько анкеров. При этом надо закрепить выпуклые участки, так как нормы разрешают использовать балластирующую способность защищенного грунта засыпки.

Под низ трубопровода (в зазор между ним и дном траншеи) попадает грунт засыпки от осыпания или затягивания водой. Этому процессу способствуют опоры на дне траншеи, работающие как перемычки. Со временем зазор заполняется грунтом.

Известно, что как при испытании трубопровода, так и эксплуатации он работает в цикле “нагрузка-разгрузка”. В случае нагрузки вогнутого участка в устройстве анкерного типа образуется зазор между трубопроводом и силовым поясом, в который попадает грунт засыпки, в том числе твердые включения.

При разгрузке трубопровода наличие грунта в зазоре не позволяет ему занять первоначальное положение. Поэтому анкера будут нагружены. Чередование таких циклов приводит к увеличению выхода анкеров, в том числе срыву. Заполнение грунтом зазора между трубопроводом и дном траншеи изменяет схему работы гибкого трубопровода. По этим причинам в общем случае технический результат - разгрузка анкера - не может быть достигнут.

Для жестких магистральных трубопроводов такую схему разгрузки анкеров применить нельзя, поскольку необходимы протяженные участки прогиба под собственным весом. От волнообразного изгиба оси трубопровода образуются протяженные выпуклые участки, на которых анкера будут дополнительно нагружаться трубопроводом (выдергиваться).

Сущность изобретения: на прямолинейной в плане трассе трубопровода отрывают траншею с участками разного продольного профиля дна (участки постоянного уклона, между которыми располагают участок вогнутой кривой большого радиуса К равным или более 5000 м с углублением в середине кривой на величину h от 5 до 10 см), отсыпают слой мягкого грунта, укладывают трубопровод, низ по обе стороны которого подбивают грунтом, в пазухи между трубопроводом и откосами траншеи отсыпают один или два слоя грунта толщиной 15-20 см, каждый слой уплотняют, чем устраняют попадание грунта в зазор между низом трубопровода и дном траншеи при его разгрузке, устанавливают устройства анкерного типа, в которых на участке вогнутой кривой узел передачи нагрузки от силового пояса защищают устройством в виде чехла из нетканого синтетического материала (НСМ), для чего расстилают полотнище из НСМ, одну половину приклеивают по периметру защитного коврика к изоляции трубопровода, укладывают футеровочный мат, монтируют силовой пояс, его закрывают второй половиной полотнища (с боковыми напусками на величину зазора от прогиба трубопровода), край которого приклеивают к изоляции трубопровода, а другими сторонами полотнища обертывают силовой пояс и закрепляют на нем с обеих сторон трубопровода, засыпают траншею грунтом.

Необходимость защиты анкеров от перемещений жесткого трубопровода на участках вогнутых кривых продольного профиля дна траншеи в зависимости от их длины L, прогиба h и радиуса R покажем на примерах. Допустим, что трубопровод из труб сечением 1420×17 мм прямолинейно уложен и допуски на его проектное положение соблюдены. Примем прогиб h максимальным и равным 10 см, см. п.3.15 СНиП Ш-42-80* Магистральные трубопроводы /Госстрой России. - М.: ГУП ЦПП, 1998.

Длина кривой большого радиуса практически равна длине хорды, которую определяют по формуле L=(8hR-4h²)^1/2.

Для радиуса 5000 м при начальном прогибе в 5 см длина кривой равна 44,7 м и 63,2 м - для h, равного 10 см. Для радиуса 10000 м и прогиба 10 см длина равна 89,4 м.

При наличии компенсатора продольное сжимающее усилие Р определяют по формуле

Р=0,5 F. _кц,

где F - площадь сечения стенок трубы 1420×17 мм, Р=750 см²;

_кц - кольцевые напряжения от расчетного внутреннего рабочего давления р, МПа, определяемые по формуле _кц=nрD_вн/2 _н,

где n - коэффициент надежности по нагрузке - внутреннему рабочему давлению, для газопровода n=1,10;

D_вн - внутренний диаметр трубы, см;

_ц - номинальная толщина стенки трубы, см.

Для сечения трубы 1420×17 мм при давлении р=7,5 МПа кольцевые напряжения _кц равны 336,3 МПа. Они обуславливают продольное сжимающее усилие в трубопроводе с компенсатором Р, равное 1,261×10 ⁷ Н.

Дополнительный прогиб в середине кривой h от момента М_изг=Р.h определим как для стержня, который опирается по концам на шарнирные опоры (не лежит на дне траншеи), по формуле h=РhL ²/8EJ.

Для кривой длиной 44,7 м, прогибе 5 см и радиусе 5000 м дополнительный прогиб h равен 4,14 см и 8,27 см - для радиуса 10000 м. Для кривой длиной 63,2 м радиусом 5000 м и прогибе h, равном 10 см, дополнительный прогиб h достигает 16,54 см.

Перемещениям трубопровода вниз оказывает сопротивление уплотняющийся мягкий грунт на дне траншеи. Этот слой грунта толщиной 10 см частично оседает от собственного веса трубопровода. При возникновении в нем продольного сжимающего усилия Р криволинейный участок получает дополнительный прогиб h. Это является причиной дальнейшего его сжатия вплоть до плотности грунта дна траншеи ненарушенной структуры в середине кривой. В общем случае на криволинейном участке продольного профиля дна траншеи слой мягкого грунта дополнительно сжимается не более чем на 3-5 см. Таким образом, дно траншеи ограничивает прогиб криволинейного участка по сравнению со схемой трубопровода в виде стержня, который опирается по концам на шарнирные опоры.

Дополнительный прогиб в 3-5 см достаточен, чтобы разгрузить анкера. Однако в устройстве анкерного типа необходимо защитить узел передачи нагрузки через силовой пояс на трубопровод от попадания грунта или твердых включений.

На фиг.1 изображено положение трубопровода с участками разного продольного профиля дна траншеи; на фиг.2 - прямолинейное положение трубопровода в плане, на фиг.3 - расположение защитного устройства на трубопроводе, на фиг.4 - фронтальный вид его расположения.

Устройство защиты анкеров 1 от перемещений трубопровода 2 на участке вогнутой кривой продольного профиля дна траншеи 3 выполнено в виде чехла из НСМ 4. Внутри чехла расположен узел передачи нагрузки от устройства анкерного типа на трубопровод 2: защитный коврик 5, футеровочный мат 6 и силовой пояс 7.

Устройство работает следующим образом. Во время пуска трубопровода 2 в эксплуатацию вследствие давления продукта и его положительного температурного перепада появляется продольное сжимающее усилие 8. Поскольку участок вогнутой кривой продольного профиля дна траншеи 3 расположен между участками постоянного уклона, в том числе нулевого 9, от несоосного приложения сжимающего усилия 8 на величину h, вогнутая кривая перемещается вниз. Трубопровод 2 получает дополнительный прогиб h при уплотнении мягкого грунта 10. В полуобводненной траншее (от понижения уровня грунтовых вод сезонного их колебания) образуется зазор между силовым поясом 7 и трубопроводом 2. Защитное устройство в виде чехла из НСМ 4 предохраняет узел передачи нагрузки через силовой пояс 7 на трубопровод 2 от попадания грунта или твердых включений. Кроме того, грунт не может попасть в зазор между трубопроводом 2 и защитным чехлом 4, поскольку он по периметру 11, 12, 13 и 14 защитного коврика 5 приклеен к изоляции трубопровода. Защитный чехол имеет напуск 15 по торцам футеровочного мата 6 на величину зазора от дополнительного прогиба h, что предохраняет его от разрыва или повреждений.

Расположение защитного устройства на трубопроводе исключает механизм нагрузки анкеров в циклах “нагрузка-разгрузка”. Грунт не может попасть в зазор между силовым поясом и трубой. Когда уменьшается прогиб трубопровода при его эксплуатации, например отсутствие электроэнергии или производство аварийно-восстановительных работ, анкера работают на восприятие архимедовой силы. Трубопровод 2 возвращается в первоначальное положение. При этом образуется зазор между низом трубопровода и дном траншеи. Поэтому во время укладки трубопровода его подбивают грунтом и отсыпают один или два слоя грунта с уплотнением 16. Наличие уплотненного грунта исключает попадание рыхлого в зазор. В цикле “нагрузка” будет выбран зазор между низом трубопровода и дном траншеи.

Таким образом, расположение защитного устройства в виде чехла из НСМ на трубопроводе в узле передачи нагрузки от силового пояса устройства анкерного типа защищает анкера от воздействия трубопровода.