УТЯЖЕЛИТЕЛЬ ТРУБОПРОВОДА И СПОСОБ ЕГО БАЛЛАСТИРОВКИ Российский патент 1995 года по МПК F16L1/06 

Изобретение относится к прокладке магистральных трубопроводов при их строительстве и ремонте в обводненных грунтах, когда требуется применение балластировки.

Известен утяжелитель трубопровода, содержащий выполненную в виде захвата трубопровода пару железобетонных панелей, соединенных наложенными на трубопровод силовыми поясами, выполненными из полосы гибкого материала с шириной, равной высоте панелей, и скрепленными с ними по всей ширине. При установке на трубопровод гибкие пояса переходят из вертикальной плоскости в продольную криволинейную плоскость трубопровода, обеспечивая сближение нижних и разведение верхних кромок панелей с захватом трубопровода. При этом образуется емкость для заполнения ее балластом.

Утяжелитель содержит тяжелые железобетонные панели, что затрудняет их доставку на отдаленные участки трассы. Кроме того, транспортировка панелей требует осторожности в условиях бездорожья, так как они могут разрушиться от ударных воздействий. Также следует отметить относительно небольшой объем полости, заполняемой балластом, ввиду того, что верхняя кромка утяжелителя не превышает уровня верхней образующей трубопровода, поэтому невелик и объем невымываемого грунта из полости утяжелителя.

Известен утяжелитель трубопровода с увеличенной балластирующей способностью, содержащий выполненную в виде захвата трубопровода пару расположенных под углом к вертикали жестких элементов, соединенных по торцам наложенными на трубопровод силовыми поясами из гибкой полосы и помещенный в объем захвата засыпной грунт.

Однако в связи с большой растяжимостью гибких полос утяжелитель допускает начальное всплытие трубопровода до момента уравновешивания выталкивающей силы весом балласта, а это резко снижает продольную устойчивость трубопровода в обводненном грунте. Кроме того, верхняя кромка утяжелителя не превышает уровень верхней образующей трубопровода, вследствие чего при продольных стоках воды возможен унос грунта до обнажения трубопровода.

Наиболее близким к предлагаемому является насыпной утяжелитель в виде полого седловидного П-образного короба, устанавливаемого на трубопровод и заполняемого затем балластом.

Этот утяжелитель имеет следующие недостатки. Короб выполняют из металла или железобетона, поэтому он массивен, что затрудняет его транспортировку, особенно в условиях бездорожья. Стенки короба выполнены параллельно вертикальной оси, поэтому исключена возможность их перевозки в пакетированном положении по принципу вложения одного короба в другой. Кроме того, при установке на трубопровод короб не фиксируется на трубопроводе в неподвижном положении, поэтому установка коробков возможна только при положении плети трубопровода в траншее. Если же траншея обводнена, то установка коробов еще более усложняется, так как при воздействии выталкивающей силы воды на короб устойчивость его положения на трубопроводе уменьшается. Для установки тяжелых коробов необходима трубоукладочная техника, проходимость которой по обводненному грунту резко снижена, поэтому балластировка плавающих газопроводов в летнее время затруднительна.

Задачей изобретения является упрощение транспортировки утяжелителей и установки их на трубопровод с обеспечением фиксации на ней.

Для этого в известном утяжелителе трубопровода, включающем установленный на трубопровод заполняемый балластом полый седловидный П-образный короб, взаимодействующий с трубопроводом седловидной поверхностью и боковыми карманами, стенки короба выполнены под углом к вертикальной оси с расширением полости кверху и снабжены по верхнему торцу поясом снаружи по периметру из гибкого полосового материала, пропитанного твердеющим составом, причем расстояние между боковыми поверхностями карманов, обращенными к трубе в местах сопряжения седловидной поверхности с плоскими, меньше величины диаметра трубопровода, при этом в качестве гибкого полосового материала используют нетканое синтетическое полотно, а в качестве твердеющего состава полиуретановую смолу, причем карманы ниже мест сопряжения седловидной поверхности короба с его плоскими, выполнены с частичной пропиткой твердеющим составом или без пропитки.

В известном способе балластировки трубопровода утяжелителями, включающем рытье траншеи, укладку в нее трубопровода, установку на трубопровод утяжелителей и засыпку их в траншее грунтом, установку утяжелителя производят путем упругого разведения боковых карманов с охватом ими трубопровода на берме траншеи до опускания трубопровода в траншею, а установку утяжелителей на плавающий в траншее трубопровод производят с заполнением водой боковых карманов.

Изобретение имеет следующие отличительные признаки:
стенки утяжелителя выполнены из гибкого полосового материала, пропитанного твердеющим составом, например из нетканого полотна, пропитанного полиуретановой смолой;
стенки утяжелителя выполнены под углом к вертикальной оси, с поясом в верхней части, что позволяет пакетировать короба один в другой с фиксацией их на поясах;
расстояние между боковыми поверхностями карманов, обращенными к трубе в местах сопряжения седловидной и плоских поверхностей, выполнено меньшим диаметра трубопровода, что позволяет устанавливать утяжелитель с фиксацией на трубопроводе за счет упругих сил деформации короба;
в способе балластировки утяжелитель устанавливают путем упругого разведения боковых карманов на берме, а не в траншее;
упрощение установки утяжелителей на плавающем трубопроводе достигается тем, что этот процесс совмещается с заполнением водой боковых карманов, которая затем вытесняется засыпаемым грунтом.

На фиг.1 изображен корпус, в аксонометрии; на фиг.2 фрагмент корпуса для варианта утяжелителя, когда боковые карманы не пропитаны твердеющим составом; на фиг.3 разрез А-А на фиг.1.

Корпус утяжелителя представляет собой цельный седловидный П-образный короб со стенками 1, расположенными под углом к вертикальной оси О-О. В верхней части короба стенки выполнены с утолщением в виде пояса 2. Седловидная часть 3 короба сопряжена с плоскими поверхностями 4 боковых карманов 5, причем расстояние l меньше диаметра трубопровода. По другому варианту нижние части боковых карманов 6 выполнены гибкими без пропитки твердеющим составом.

Изготавливают короба в заводских условиях по следующей технологии. Из полосового материала, типа нетканого синтетического полотна "Дорнит", "Терфил-2" и т. п. подготавливают выкройку стенок короба утяжелителя на данный диаметр трубопровода. Затем с помощью швейной машины или путем пайки полосовые заготовки соединяют в виде П-образного однослойного чехла. Полученный чехол надевают на металлическую опалубку (шаблон), выполненную по форме утяжелителя, при этом расстояние l на 2-3 см меньше диаметра трубопровода. Затем с помощью пульверизатора на всю поверхность, за исключением участков боковых карманов, наносят методом набрызга жидкое полимерное, твердеющее на воздухе, вещество, например полиуретановую композицию. Нетканый материал пропитывается на всю толщину. Сразу же после окончания пропитки устанавливают пояс в виде полосы материала шириной 15-20 см, которой обертывают короб по периметру верхней части заподлицо с верхним торцом короба. Пояс адгезирует к стенке короба. Снаружи пояс пропитывают с помощью того же пульверизатора. Суммарное количество слоев материала в поясе определяется расчетом на прочность затвердевшего композиционного материала при полной засыпке утяжелителя.

Принимаем в запас прочности то, что боковые карманы с балластом удерживаются на трубопроводе силами растяжения пояса и трения боковых карманов о трубу. Тогда из уравнения равновесия моментов этих сил относительно оси трубы и массовых сил грунта получим величину максимальных растягивающих напряжений σ_р в стенке короба (сечение с поясом)
σ_p=
где σ_р напряжение в поясе, Н/м²;
G масса грунта засыпки с учетом слоя над верхним срезом утяжелителя, кг;
g ускорение свободного падения, м/с²;
h₁ плечо веса грунта, приходящегося на половину утяжелителя, м;
f коэффициент трения утяжелителя по трубе;
r радиус сечения трубы, м;
b ширина пояса, м;
δ толщина стенки в зоне пояса, м;
h₂ плечо силы, растягивающей стенку короба в поясе, м.

Прочность композиционного материала должна превышать величину σ_р для обеспечения надежности утяжелителя при засыпке и эксплуатации.

После затвердевания полиуретановой смолы (в течение 8-10 ч) короб снимают с шаблона и выдерживают в помещении в течение суток, а затем короба пакетируют, вставляя один в другой по 8 шт. в пакет. Пакетирование обеспечивается за счет геометрической формы короба со скошенными книзу стенками. Каждый пакет прикрепляют к деревянному поддону и хранят в вертикальном положении вверх боковыми карманами.

Утяжелитель работает следующим образом.

При установке за счет внутренних упругих сил деформации утяжелитель захватывает трубопровод и удерживается на нем силами трения. При засыпке короба силы трения увеличиваются из-за дополнительного прижатия боковых карманов к трубопроводу ввиду стремления балласта в карманах создать момент массовых сил вокруг оси трубопровода. Таким образом, устойчивость утяжелителя на трубопроводе при засыпке увеличивается. Когда засыпанная траншея обводняется, возникающая архимедова сила, а также продольная сжимающая сила, стремятся изменить начальное положение трубопровода. Однако достаточная балластирующая способность утяжелителей препятствует всплытию, а возможные боковые подвижки трубопровода не приводят к опрокидыванию утяжелителей. Таким образом, балластировка обеспечивает необходимую устойчивость трубопровода в обводненных грунтах.

Способ балластировки трубопровода заключается в следующем.

На трасу привозят поддоны с пакетами утяжелителей и раскладывают вдоль балластируемых участков трубопровода, лежащего на берме вырытой траншеи. Двое рабочих устанавливают короба вручную на плеть трубопровода, предварительно заизолированную противокоррозионной пленкой. Предпочтительный вариант установки групповой способ, по 8 шт. в группе, вплотную друг к другу. Сначала короб ставят на трубопровод, затем разводят боковые карманы и сажают короб седловидной частью на верхний полупериметр трубопровода. Освобожденные от внешних усилий карманы обжимают трубопровод, обеспечивая устойчивое положение. Кроме того, короба в группе закрепляют между собой V-образными зажимами, соединяя пояса соседних коробов. При этом обеспечивается взаимная несдвигаемость коробов при последующей засыпке балластом. Расстояние между группами определяется расчетом на балластирующую способность в соответствии со СНиП 2.05.06-85 и ВСН 007-88.

После установки плеть трубопровода с коробами с помощью трубоукладочной техники размещают в траншее. Засыпку балластом и местным минеральным грунтом проводят в 4 этапа. На первом этапе с помощью экскаватора засыпают грунтом пространство вне коробов, точнее между боковыми стенками траншеи и боковыми карманами до уровня половины трубопровода. Затем балластом, чаще всего привозным крупнозернистым грунтом, заполняют короба доверху тем же экскаватором. На третьем этапе экскаватор местным грунтом засыпает траншею до уровня верха коробов и промежутки между группами коробов. Наконец, весь оставшийся балласт и местный грунт бульдозером перемещают в траншею и образуют наружный валик.

Балластировка трубопровода, плавающего в обводненной траншее, например, при ремонте производится следующим образом. К плавающему участку подвозят балласт и пакеты с коробами, карманы которых имеют водопроницаемые участки или они (в отсутствии пропитки) полностью водопроницаемы. Короба устанавливают вплотную друг к другу вручную двое рабочих, непосредственно находящихся на трубопроводе. При погружении в обводненный грунт кармана заполняются водой, что облегчает установку коробов на трубопроводе. На последнем этапе погружения короб упруго охватывает трубу седловидной частью. Установленные короба скрепляют друг с другом V-образными зажимами. Таким образом, весь плавающий трубопровод без промежутков покрывается коробами. Затем с помощью гибких трубопроводов полость коробов заполняют смесью воды с балластом, например крупнозернистым песком. При этом соблюдают равномерное заполнение обоих карманов во избежание опрокидывания утяжелителей с трубопровода. Для равномерного затопления трубопровода осуществляют постепенное заполнение всех коробов, не допуская ухода под воду не полностью заполненного короба. После заполнения всех коробов и образования валика засыпки трубопровод считается забалластированным.

П р и м е р. К настоящему времени изготовлены и частично испытаны три типоразмера утяжелителя на трубопроводы с диаметром 530, 1020 и 1220 мм. Утяжелители трубопровода изготовлены из нетканого синтетического материала (НСМ) типа "Терфил-2", пропитанного полиуретановой смолой. Испытания проводили на полигоне аварийно-восстановительного поезда ГП "Севергазпром". При транспортировке, установке на трубу и засыпке грунтом утяжелитель сохранял свою форму. Устойчивость утяжелителя с грунтом на трубе определялась максимальным углом отклонения оси симметрии короба от вертикали в момент опрокидывания. Предельные значения углов достигали 75-85^о, причем раньше начиналось высыпание грунта из короба, нежели его опрокидывание. Определено сцепление утяжелителя (полимерно-контейнерного устройства (ПКУ)) с трубой при сдвиге короба вдоль оси трубы. Усилие сцепления при установившемся перемещении достигало половины веса утяжелителя (ПКУ) с грунтом.

Испытания на балластирующую способность утяжелителей (ПКУ) в обводненном грунте на трубе диаметром 530 мм показали, что вес балласта (суглинок) в воде составляет 0,85 т/м³, отсюда балластирующая способность одного короба 0,222 тс/м. Плавучесть трубы 530 х 8 мм составляет 0,117 тс/м.

Таким образом, интервал расстановки утяжелителей (ПКУ) с грунтом для обеспечения нулевой плавучести пригруженного трубопровода 1,9 м. На один километр трассы требуется 527 утяжелителей (ПКУ).

Предлагаемый утяжелитель и способ балластировки обладают рядом преимуществ перед известными. Короба обладают незначительной массой, достаточной прочностью, компактно пакетируются, что существенно упрощает транспортировку и установку на трубопровод. Упругость конструкции позволяет устанавливать утяжелитель с фиксацией на трубопроводе за счет упругой деформации стенок, а последующая засыпка усиливает эффект фиксации, а следовательно, устойчивость положения утяжелителя на трубопроводе в процессе эксплуатации.

Использование: при прокладке, строительстве и ремонте трубопроводов (ТП) в обводненных грунтах. Сущность изобретения: на ТП установлен и выполнен балластом полый седловидный П-образный короб, взаимодействующий с ТП седловидной поверхностью и внутренними стенками боковых карманов. Короб у верхнего торца снабжен по периметру наружным поясом. Стенки короба наклонные с расширением полости короба к его верхнему торцу. Короб выполнен из гибкого полосового материала, пропитанного твердеющим составом с возможностью упругого разведения боковых карманов. Расстояние между внутренними боковыми поверхностями карманов в месте сопряжения с седловидной поверхностью меньше величины диаметра ТП. Для балластировки ТП роют траншею, укладывают в нее ТП. Устанавливают на ТП утяжелители, фиксируют их и засыпают грунтом. Установку утяжелителей производят на берме траншеи. Фиксацию утяжелителей выполняют посредством упругого разведения боковых карманов утяжелителя. 2 с. и 3 з. п. ф-лы, 3 ил.

1. Утяжитель трубопровода, содержащий установленный на трубопроводе и заполненный балластом полый седловидный П-образный короб, взаимодействующий с трубопроводом седловидной поверхностью и внутренними стенками боковых карманов, отличающийся тем, что короб у верхнего торца снабжен по периметру наружным поясом, а стенки короба наклонные с расширением полости короба к его верхнему торцу, при этом короб выполнен из гибкого полосового материала, пропитанного твердеющим составом с возможностью разведения боковых карманов, причем расстояние между внутренними боковыми поверхностями карманов в месте сопряжения с седловидной поверхностью меньше величины диаметра трубопровода. 2. Утяжилитель по п.1, отличающийся тем, что в качестве гибкого полосового материала используется нетканое синтетическое полотно, а в качестве твердеющего состава полиуретановая смола. 3. Утяжелитель по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что карманы ниже места сопряжения седловидной поверхности и плоских боковых поверхностей выполнены с частичной пропиткой твердеющим составом. 4. Утяжелитель по п.1, отличающийся тем, что карманы ниже места сопряжения седловидной поверхности и плоских боковых поверхностей выполнены без пропитки твердеющим составом. 5. Способ балластировки трубопровода, заключающийся в рытье траншеи, укладке в нее трубопровода, установке на него утяжелителей, фиксации их и засыпке грунтом, отличающийся тем, что установку утяжелителей на трубопровод производят на берме траншеи, а фиксацию утяжелителей выполняют посредством упругого разведения боковых карманов утяжелителя.