Компенсирующее анкерное устройство для закрепления трубопровода

 

Использование: в области строительства, преимущественно при прокладке трубопроводов. Сущность изобретения: анкерное устройство содержит анкерные стержни и компенсаторы, прикрепленные к концам стержней. Компенсатор выполнен в виде кожуха, внутри которого установлена пружина с упорной пластиной. Пружины при установке в кожухи предварительно напрягают с усилием не менее выталкивающей силы водонасыщенного грунта под трубопроводом. 13 з.п. ф-лы, 11 ил.

Изобретение относится к строительству и может быть использовано при прокладке магистральных трубопроводов.

В циклически промерзающих и оттаивающих грунтах, взаимодействующих с подземным трубопроводом, он в течение нескольких циклов промерзания-оттаивания постепенно вытесняется вверх, что может привести к его разрушению.

Для компенсации сил морозного пучения грунта могут быть использованы устройства для крепления трубопровода с компенсаторами двустороннего действия /1/. В устройстве каждый компенсатор выполнен в виде цилиндра, внутри которого установлена пружина, а цилиндры смонтированы между силовым поясом и анкерной тягой по обе стороны от трубопровода. Недостатком этого устройства является то, что компенсатор расположен близко к трубопроводу и поэтому попадает в зону промерзания-оттаивания грунта и активных продольных и поперечных подвижек трубопровода. Это может привести к нарушению нормальной работы компенсатора. Конструкция этого устройства не предусматривает сохранение трубопровода на проектных отметках под действием выталкивающих сил водонасыщенного грунта в первый сезон эксплуатации трубопровода.

В других известных устройствах для закрепления трубопровода производят предварительное напряжение пружин компенсаторов до или после засыпки трубопровода с передачей усилия непосредственно на анкеры /2, 3/. При этом не учитывается, что в отдельных случаях анкеры в указанный период не способны воспринимать эти усилия, так как требуется определенный промежуток времени для восстановления прочности грунта после погружения анкеров. Например, для вмораживания опускных и буроопускных анкеров в вечномерзлые грунты и достижения проектной удерживающей способности необходимо 30 60 сут, а передачу нагрузки на них от предварительного напряжения пружин при существующих темпах строительства необходимо осуществлять уже через 2 5 сут. Для винтовых анкеров период достижения проектной удерживающей способности меньше, но тоже составляет до 7 сут.

Задача изобретения повышение надежности анкерного устройства при компенсации сил морозного пучения циклически оттаивающего и промерзающего грунта.

Это достигается тем, что: компенсаторы прикрепляют к нижним концам анкерных стержней, а пружины при установке в кожухи предварительно напрягают с усилием не менее выталкивающей силы водонасыщенного грунта под трубопроводом; к наружным стенкам кожуха компенсатора прикрепляют дополнительные анкерующие элементы; соосно с анкерными стержнями над компенсатором устанавливают стойки с анкерующими элементами; стойки изготовляют из труб; стойки с анкерующими элементами прикрепляют к верхней части компенсатора; на верхнем конце трубчатой стойки устанавливают кольцевую уплотняющую шайбу; стойки с анкерующими элементами выполняют из жестко и ортогонально соединенных жестких пластин и прикрепляют к нижней части компенсатора; внутрь цилиндров компенсаторов заполняют незамерзающий антикоррозийный состав; в качестве пружины используют упругий гибкий линейный элемент;
внутри каждого кожуха компенсатора устанавливают несколько пружин;
каждый компенсатор состоит из нескольких соединенных между собой кожухов с пружинами;
ортогонально к поясу прикрепляют пластины, расположенные перпендикулярно продольной оси трубопровода;
анкерные стержни в верхней части изготавливают из тонких пластин, расположенных перпендикулярно направлению перемещения трубопровода;
упругие гибкие элементы устанавливают внутри кожухов зигзагообразно и в местах перегибов опирают на промежуточные опоры, прикрепленные к внутренним поверхностям крышек каждого кожуха.

Сопостовительный анализ с прототипом показывает, что заявляемое устройство отличается всей совокупностью изложенных признаков. Это позволяет сделать вывод о соответствии признаку "новизна".

Сравнение не только с прототипом, но и с другими техническими решениями в данной области техники не позволило выявить в них признаки, отличающие заявляемый способ от прототипа, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию "существенные отличия".

На фиг. 1 приведена схема анкерного устройства для закрепления трубопровода; на фиг. 2 -поперечное сечение по А-А для варианта с трубчатой стойкой; на фиг. 3 вариант верхнего конца трубчатой стойки с кольцевой уплотняющей шайбой; на фиг. 4 фрагмент поперечного сечения анкерного устройства со стойками и анкерующими элементами из жестких пластин, прикрепленных к днищу компенсатора; на фиг. 5 вид сбоку на анкерное устройство со стойками и анкерующими элементами из жестких пластин, прикрепленных к днищу компенсатора; на фиг. 6 схема компенсатора с пружиной из упругого гибкого линейного элемента; на фиг. 7 схема компенсатора с несколькими пружинами внутри кожуха; на фиг. 8 схема компенсатора из нескольких кожухов с пружинами; на фиг. 9 фрагмент трубопровода с пластинами, расположенными перпендикулярно продольной оси трубопровода и ортогонально прикрепленными к поясу; на фиг. 10 схема анкерного устройства для закрепления трубопровода с анкерными стержнями, выполненными в верхней части из тонких полос; на фиг. 11 схема компенсатора из упругих гибких линейных элементов, установленных внутри кожуха зигзагообразно.

Компенсирующее анкерное устройство для закрепления трубопровода содержит прикрепленные по обе стороны от трубопровода 1 к силовому поясу 2 анкерные стержни 3 и компенсаторы 4, прикрепленные к концам стержней 3. Соосно со стержнями 3 устанавливают стойки 5 с анкерующими элементами 6 /фиг. 1/. Компенсатор 4 выполнен в виде кожуха 7, внутри которого установлена пружина 8 с упорной пластиной 9. При этом стойка 5 с анкерующими элементами 6 может быть установлена соосно с анкерными стержнями 3 над компенсатором 4 /фиг. 1/, со свободным опиранием на верхнюю крышку 10 кожуха 7. Стойка 5 может быть изготовлена из отрезка трубы и жестко прикреплена к верхней крышке цилиндра 10 компенсатора /фиг. 2/. Мерзлый грунт в пространстве между трубчатой стойкой 5 и анкерным стержнем 3 может оказывать значительное сопротивление перемещению стержня 3 /фиг. 2/. В целях предотвращения попадания грунта в это пространство на верхнем конце трубчатой стойки 5 может быть установлена кольцевая уплотняющая шайба 11 из упругого материала, прижимающаяся к анкерному стержню 3 при навинчивании на трубчатую стойку 5 крышки 11 /фиг. 3/.

Стойки с анкерующими элементами могут быть изготовлены из жестко и ортогонально соединенных жестких пластин 12 и 13, при этом пластины 12 - анкерующие элементы, а 13 стойки. Такая стойка с анкерующими элементами может быть прикреплена к днищу компенсатора 4 и установлена в щелевую траншею 14 /фиг. 4 и 5/.

В коррозионно-активных грунтах необходимо полностью исключить попадание агрессивной жидкости на пружину, так как это может привести к ее коррозии и преждевременному разрушению. Для обеспечения надежности анкерного устройства в этих случаях кожух 7 компенсатора 4 можно заполнить антикоррозийным составом, не замерзающим при отрицательной температуре примыкающего мерзлого грунта /фиг. 1/.

К наружной поверхности кожуха 7 компенсатора в целях повышения анкерующей способности анкерного устройства могут быть прикреплены дополнительные анкерующие элементы 15 /фиг. 1/.

В целях уменьшения веса компенсатора в качестве пружины может быть использован упругий гибкий линейный элемент 15, изготовленный, например, из капроновой ленты /фиг. 6/.

Для обеспечения требуемого усилия, воспринимаемого пружинами, внутри цилиндра 7 может быть установлено несколько пружин 8 /фиг. 7/. Каждый компенсатор может быть собран из нескольких кожухов 7 с пружинами 8 /фиг. 8/.

С целью уменьшения изгиба стержней 3 при продольных перемещениях трубопровода 1 путем увеличения сопротивления грунта 17 перемещениям пояса 2, ортогонально к поясу 2 могут быть прикреплены пластины 18, расположенные перпендикулярно продольной оси трубопровода 1 /фиг. 9/.

При увеличении гибкости анкерных стержней 3 при их изгибе от подвижек силового пояса 2 глубина их условной заделки уменьшается и эти стержни изгибаются на небольшой глубине от низа трубопровода 1. Для повышения гибкости анкерных стержней 3 они в верхней части могут быть изготовлены из тонких пластин 19, расположенных перпендикулярно продольной оси трубопровода 1 /фиг. 10/. Восприятие деформаций изгиба верхней частью гибких стержней 19 позволяет совместно с заглублением компенсаторов максимально уменьшить изгиб анкерных стержней в зоне контакта с верхней частью стоек 5 и компенсатора 4 и увеличить эксплуатации конструкции.

Установка пружин из упругих гибких линейных элементов 15 большой длины может быть достигнута методом их зигзагообразной установки с опиранием на промежуточные опоры 20 внутри кожуха 7 компенсатора. Такие пружины позволяют компенсировать большие перемещения трубопровода при пучении грунта при ограниченной высоте кожуха 5.

Компенсирующее анкерное устройство работает следующим образом. Рассмотрим трубопровод, уложенный в вечномерзлый грунт. В теплое время года грунт в окрестностях трубопровода оттаивает и находится в водонасыщенном состоянии, что приводит к появлению сил, стремящихся вытолкнуть трубопровод вверх /фиг. 1/. Эти усилия через силовой пояс 2 и анкерующие стержни 3 передаются на компенсаторы 4, а через стойку 5 с анкерующими элементами 6 на пружину 8, расположенную внутри кожуха 7 компенсатора. Пружина 8, предварительно сжатая при установке в кожух 7 с усилием не меньшим, чем выталкивающая сила водонасыщенного грунта, на этой стадии работы устройства дополнительного сжатия не испытывает.

В холодное время года грунт в окрестностях трубопровода промерзает, и под действием морозного пучения грунта происходит дополнительный подъем трубопровода 1 вверх. Эти приводит к дополнительному сжатию пружины 8. При этом в пружине 8 возникают реактивные усилия. В процессе следующего цикла оттаивания грунта трубопровод 1 опустится вниз под действием реактивных усилий в пружинах компенсатора 4 на величину, а при повторном промерзании грунта поднимается на эту же величину /фиг. 1/. В дальнейшем эти циклы подъема-опускания трубопровода на величину будут повторяться, компенсируя подъем трубопровода 1 при морозном пучении циклически промерзающего и оттаивающего грунта.

Расположение компенсатора 4 на конце анкерующих стержней 3 позволяет максимально отдалить его от активных продольных и поперечных подвижек трубопровода 1 и благодаря этому обеспечить его расположение в зоне вечномерзлого грунта. В этой зоне, где грунт находится в твердом состоянии, устраняется возможность попадания грунтовых частиц и воды внутрь компенсатора 4, а при достаточно большом заглублении компенсаторов 4 практически исключается изгиб стержней 3 возле крышки 10 компенсатора 4 /фиг. 1/. Величину этого изгиба можно уменьшить также за счет прикрепления пластин 16 к силовому поясу 2 /фиг. 9/ и изготовления верхней части анкерных стержней из тонких стальных пластин 19 /фиг. 10/.

При использовании упругих линейных пластин 15 их предварительное напряжение осуществляют при сборке компенсатора предварительным растяжением внутри компенсатора 5 и фиксированием анкерующего стержня 3 после натяжения пружин фиксатором 21 /фиг. 6/.

Пример 1. Трубопровод диаметром 1420 мм погружен в пучинистый грунт. Максимальная величина выпучивания трубопровода при промерзании составляет 200 мм. Стойки изготовлены из стальных труб диаметром 40 мм и толщиной стенки 4 мм, анкерующие элементы изготовлены из шести стальных полос размером 100х53х2,4 мм, приваренных вдоль стойки. Диаметр анкерных стержней 24 мм. Пояс изготовлен из стальной полосы с размером поперечного сечения 100х4 мм.

Кожух компенсатора изготовлен из стальной трубы диаметром 114 мм, высотой 1900 мм, в которой установлены четыре винтовые пружины сжатия. Высота ненагруженной пружины 2660 мм, установочная длина 1859 мм /с учетом предварительного сжатия/, количество витков 122, шаг 22 мм. К внешним поверхностям стенок кожуха вдоль образующих трубы приварены анкерующие элементы из 12 стальных полос размером 1900х16х2,4 мм.

Расчетная нагрузка на анкерное устройство от выталкивающих сил водонасыщенного грунта составляет 48 кН,расчетная нагрузка на анкерное устройство от пучения грунта 60 кН.

Пример 2. Исходные данные о трубопроводе, анкерных стержнях, силовом поясе, величине выпучивания трубопровода те же, что и в первом примере. Расчетная нагрузка на анкерное устройство от выталкивающих сил воды равна 140 кН, а от пучения грунта 175 кН. Кожух изготовлен из стальной трубы диаметром 89 мм длиной 2400 мм. В нем зигзагообразно установлена лента с четырьмя ветвями из капрона шириной 40 мм, длиной 6700 мм по схеме, показанной на фиг. 11. Расчетная величина относительного удлинения ленты 30% К внешним поверхностям стенок кожуха приварены ребра из 9-ти стальных полос размером 2400х28х2,4 мм. В связи с тем, что функции стойки и анкерующих элементов выполняют кожух с прикрепленными к нему пластинами, стойки с анкерующими элементами не устанавливали.

При сборке компенсатора в процессе изготовления в заводских условиях капроновая лента предварительно натянута с усилием 140 кН. При этом она удлинилась на 24% от первоначальной длины половины ленты, то есть на 804 мм, и была зафиксирована в этом напряженное состоянии фиксатором. В качестве фиксатора использована стальная кольцевая шайба, приваренная к анкерному стержню.

В процессе пучения грунта лента была дополнительно растянута на 200 мм, то есть на 5,97% от первоначальной длины. Общее относительное удлинение упругой ленты в предельном состоянии составило 29, 97% что меньше расчетной величины.

Пример 3. Исходные данные о трубопроводе, анкерных стержнях, силовом поясе, величине выпучивания трубопровода те же, что и в предыдущих примерах. Кожух компенсатора имеет форму параллелепипеда высотой 1200 мм с размером в плане 70х350 мм. В нем зигзагообразно установлена лента с восемью ветвями из капроновой ленты шириной 20 мм и длиной 7000 мм. Расчетное значение относительного длинения ленты 15% Анкерующие элементы и стойки выполнены из двух швеллерных балок с высотой стенки 200 мм, уложенных в щелевую траншею, и прикреплены к нижней крышке кожуха компенсатора. Расчетная нагрузка на анкерное устройство от выталкивающих сил воды равна 56 кН, а от сил морозного пучения 70 кН.

При сборке компенсатора в процессе изготовления в сборочном цехе лента предварительно натянута с усилием 56 кН. При этом она удлиняется на 12% от половины длины ленты на 420 мм и зафиксирована в этом напряженном состоянии.

После доставки анкерного устройства к месту проведения строительных работ его погрузили в грунт, закрепили на трубопроводе и произвели засыпку траншеи с трубопроводом. После обводнения траншеи компенсатор с анкерующими элементами был загружен силами выталкивания водонасыщенного грунта величиной 56 кН. Так как упругая капроновая лента имела предварительное напряжение 56 кН, то ее дополнительное растяжение не произошло, а силы выталкивания были восприняты анкерующими элементами. При морозном пучении грунта силы выталкивания трубопровода превысили величину 56 кН и упругая лента начала дополнительно растягиваться, достигнув в итоге величины 200 мм, то есть 2,9% от половины длины ленты. Усилие в ленте составило при этом 70 кН.

Компенсирующее анкерное устройство позволяет сохранить трубопровод на проектных отметках в сложных условиях циклически промерзающих и оттаивающих обводненных грунтов.

Формула изобретения

1. Компенсирующее анкерное устройство для закрепления трубопровода, включающее силовой пояс, анкерные стержни и компенсаторы, выполненные в виде кожухов, внутри которых установлены пружины с упорными элементами, отличающееся тем, что компенсаторы прикрепляют к нижним концам анкерных стержней, а пружины при установке в кожухи предварительно напрягают с усилием не менее выталкивающей силы водонасыщенного грунта под трубопроводом.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что к наружным стенкам кожуха компенсатора прикрепляют анкерующие элементы.

3. Устройство по пп. 1 и 2, отличающееся тем, что соосно с анкерными стержнями над компенсатором устанавливают стойки с анкерующими элементами.

4. Устройство по пп. 1 3, отличающееся тем, что стойки изготовлены из труб.

5. Устройство по пп. 1 4, отличающееся тем, что стойки с анкерующими элементами прикрепляют к верхней крышке компенсатора.

6. Устройство по пп.1 5, отличающееся тем, что на верхнем конце трубчатой стойки устанавливают кольцевую уплотняющую шайбу.

7. Устройство по пп. 1 и 2, отличающееся тем, что стойки с анкерующими элементами выполняют из жестко и ортогонально соединенных жестких пластин и прикрепляют к нижней части компенсатора.

8. Устройство по пп. 1 7, отличающееся тем, что внутри цилиндры компенсаторов заполняют незамерзающим антикоррозионным составом.

9. Устройство по пп.1 8, отличающееся тем, что в качестве пружины используют упругий гибкий линейный элемент, а упор прикрепляют к одной из крышек кожуха.

10. Устройство по пп.1 9, отличающееся тем, что внутри каждого кожуха компенсатора устанавливают несколько пружин.

11. Устройство по пп.1 10, отличающееся тем, что каждый компенсатор состоит из нескольких соединенных между собой кожухов с пружинами.

12. Устройство по пп.1 11, отличающееся тем, что ортогонально к поясу прикрепляют пластины, расположенные перпендикулярно оси трубопровода.

13. Устройство по пп.1 12, отличающееся тем, что анкерные стержни в верхней части изготавливают из тонких пластин, расположенных перпендикулярно направлению перемещения трубопровода.

14. Устройство по пп.1 13, отличающееся тем, что упругие гибкие линейные элементы устанавливают внутри кожухов зигзагообразно и в местах перегибов опирают на промежуточные опоры, прикрепленные к внутренним поверхностям крышек каждого кожуха.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11