УТЯЖЕЛИТЕЛЬ ТРУБОПРОВОДА Российский патент 1998 года по МПК F16L1/06 

Изобретение относится к строительству и может найти применение при прокладке магистральных трубопроводов.

Известен утяжелитель трубопровода, содержащий пару соединенных гибкими перемычками симметрично расположенных относительно трубопровода балластных грузов, на внутренних поверхностях которых в верхней их части образованы скосы [1]. Недостатком известного утяжелителя является его комплектность из нескольких элементов (двух блоков, пояса), что требует сборочных работ на трассе и увеличивает тем самым трудоемкость, стоимость и продолжительность балластировочных работ при строительстве.

Наиболее близким к предлагаемому является утяжелитель, выполненный в виде П-образного блока с симметричными стойками, каждая из которых имеет касательную к трубопроводу поверхность [2]. Данный утяжелитель, известный как утяжелитель железобетонный болотный клиновидный типа I УБКм [3], нашел самое широкое распространение для балластировки магистральных трубопроводов [4].

Недостатком прототипа является то, что при групповой установке утяжелителей, когда в суммарную расчетную нагрузку на трубопровод следует включать массу находящегося над утяжелителями грунта, он имеет заниженную суммарную расчетную нагрузку за счет малого объема вовлекаемого в балласт грунта [4].

Цель изобретения - повышение балластирующей способности утяжелителя путем увеличения суммарной расчетной нагрузки на трубопровод вовлечением в балласт большего объема грунта.

Поставленная цель достигается тем, что в утяжелителе трубопровода, выполненном в виде блока с симметричными стойками, каждая из которых имеет касательную к трубопроводу поверхность, образованную взаимно пересекающимися цилиндрическими поверхностями, верхняя грань выполнена в виде вогнутой криволинейной или ломаной поверхности таким образом, что объемы дополнительной и срезаемой частей, соответственно выше и ниже первоначально прямолинейной верхней грани утяжелителя, равны между собой, а высота утяжелителя H определяется по формуле H = H₀+ΔH, причем ΔH = 1000 - 0,342B для трубопроводов диаметром 1000 мм и более и ΔH = 800 - 0,342B для трубопроводов диаметром менее 1000 мм, где H₀, B - высота и ширина утяжелителя [2]; ΔH - приращение вверх вдоль боковых граней высоты H₀ утяжелители, мм [2].

На фиг. 1 изображен утяжелитель с вогнутой криволинейной верхней гранью; на фиг. 2 - утяжелитель с верхней гранью в виде ломаной поверхности; на фиг. 3, 4 - схемы для расчета и обоснования величины приращения вверх вдоль боковых граней высоты утяжелителя.

Для всех утяжелителей с различным видом верхней грани, некоторые из которых приведены на фиг. 1, 2, объем должен быть постоянным и равняться объему прототипа. Для этого необходимо, чтобы объемы дополнительной 1 и срезаемой 2 частей, соответственно выше и ниже первоначально прямолинейной и горизонтальной верхней грани 3 утяжелителя, были одинаковы (на фиг. 3, 4 эти объемы заштрихованы).

Согласно [4], при групповой установке утяжелителей типа УБО в суммарную расчетную нагрузку на трубопровод, действующую вниз, следует при использовании устойчивого против размыва минерального грунта включать массу грунта, находящуюся над трубопроводом между блоками утяжелителя (см. фиг. 1 [4]). Данное положение полностью справедливо и для утяжелителей типа УБКм, для которых следует включать массу грунта, находящуюся над блоками утяжелителей. Это условие справедливо по той причине, что масса грунта в виде равнобедренного треугольника с углом при основании ϕ_гр ( ϕ_гр - угол внутреннего трения грунта засыпки, п. 4.9 [4]) присутствует как над утяжелителями УБО, так и над утяжелителями УБКм. Эта масса грунта на фиг. 3, 4 находится в треугольнике OLN.

Технически и экономически целесообразно, чтобы масса находящегося над блоками утяжелителей (согласно схеме на фиг. 1 ВСН 007-88 [4]) грунта была как можно больше по объему. Дополнительный грунт увеличит суммарную расчетную нагрузку на трубопровод, действующую вниз, складывающуюся из массы собственно утяжелителя и массы грунта над ним. Эффект увеличения массы грунта над утяжелителями при условии постоянства их объема можно достичь изменением верхней грани утяжелителей. Для этого следует увеличить высоту утяжелителей вдоль их боковых граней 4 на некоторую величину ΔH, как изображено на фиг. 1-4. При этом новая высота утяжелителей H определяется по формуле H = H₀+ΔH , причем ΔH = 1000-0,342B для трубопроводов диаметром 1000 мм и более и ΔH = 800-0342B для трубопроводов диаметром менее 1000 мм.

Приращение высоты ΔH = 1000-0,342B в одном случае и ΔH = 800-0,342B в другом принимается по следующей причине.

Согласно п. 5.1 СНиП 2.05.06-85 "Магистральные трубопроводы" заглубление трубопровода h от поверхности грунта 5 до верха утяжелителей надлежит принимать для труб диаметром D < 1000 мм равным 0,8 м, но не менее 0,6 м, а для труб D≥ 1000 мм - 1 м или 1,1 м, но не менее 0,6 м. Следовательно, расстояние OM на фиг. 3, 4 должно удовлетворять требованию СНиП. Нельзя допустить приращения высоты ΔH (расстояние CD на фиг. 3, 4) настолько большим, что призма грунта (точка M) выйдет за пределы поверхности грунта 5. Валик засыпки выше поверхности грунта во внимание не принимают, так как его может и не быть (не сделают, размоет водой, осядет и т.п.). Для труб всех диаметров расстояние OM определяется по формуле
OM = ΔH + 0,5·B·tgϕ_гр; мм; (1)
Следуя условию п. 5.1 СНиП 2.05.06.-85, можно записать:
при D < 1000 мм
800 ≥ ΔH + 0,5·B·tgϕ_гр≥ 600, мм; (2)
при D≥1000 мм
1000 ≥ ΔH + 0,5·B·tgϕ_гр≥ 600, мм; (3)
Максимально возможное на практике значение угла внутреннего трения грунта засыпки может быть равным ϕ_гр= 34,4⁰ (43^o•0,8=34,4^o, см. табл. 1 Приложения 1 и табл. 10 п. 11.9 СНиП 2.02.02.-83 "Основания зданий и сооружений").

Решая совместно зависимости (1), (2) и (3) с учетом ϕmaxгр

= 34,4⁰ , получают следующие выражения для Δ H:
при D < 1000, мм (4)
ΔH = 800-0,342B, мм (5)
при D≥1000 мм
ΔH = 1000-0,342B, мм
Следует отметить важный момент: величина приращения высоты утяжелителя ΔH не зависит от вида поверхности верхней грани (криволинейная, ломаная и т. д.).

На фиг. 3, 4 изображены прототип [2] (слева от оси симметрии утяжелителя) и предлагаемый утяжелитель, например с вогнутой криволинейной (фиг. 3) и с верхней гранью в виде ломаной поверхности (фиг. 4, справа от оси симметрии утяжелителя).

Обоснование преимущества предлагаемого утяжелителя выполняется на примере утяжелителя с верхней гранью в виде ломаной поверхности (фиг. 4). При принятом очертании верхней грани (дополнительная и срезаемая части - треугольники) на фиг. 4 имеют следующее: площадь треугольника ОАВ (срезаемая часть 2) равна площади треугольника ВСD (дополнительная часть 1), СК = КD = В/4. Из подобия треугольников АВК и ВСD получают: АК = СD/2 или АК = Δ H/2, КВ = КD/3 = В/12. Для прототипа площадь вовлекаемого в балласт грунта равна треугольнику LON, по изобретению - площади фигуры ОАСМ или фигуры ОDСМ (т.к. OAB - ВСD). Следовательно, дополнительная площадь вовлекаемого в балласт грунта равна площади прямоугольника OFCD или 0,5B• ΔH. Объемы утяжелителей по прототипу и изобретению одинаковы.

Для предлагаемого утяжелителя увеличение суммарной расчетной нагрузки на трубопровод при групповой установке согласно [4] (балластирующей способности утяжелителей с грунтом) по отношению к прототипу происходит для всех грунтов обратной засыпки, независимо от их типа, плотности сложения и положения уровня грунтовых вод в траншее.

Монтируют предлагаемый утяжелитель или группу утяжелителей на трубопроводе известным образом [2].

В приведенной таблице даны сопоставительные расчеты суммарной расчетной нагрузки на трубопроводы диаметром 720 - 1420 мм для прототипа и предлагаемого утяжелителя для обратной засыпки траншеи, например, песком с углом внутреннего трения ϕ_гр= 20⁰ при полном обводнении основания. Глубина траншеи в обоих вариантах одинакова. Из таблицы следует, что предлагаемый утяжелитель при групповой установке обеспечивает более высокую балластирующую способность с грунтом засыпки: от 11% (для D = 1420 мм) до 27% (для D = 1020 мм).

Использование предлагаемого утяжелителя создает экономический эффект за счет снижения количества утяжелителей, необходимых для балластирования магистральных трубопроводов.

Пример. Прямолинейный участок газопровода диаметром 1420 мм на болоте длиной 1 км балластируется утяжелителями УБКм и засыпается песком ( ϕ_гр= 20⁰ , удельный вес песка с учетом взвешивающего действия воды равен γ_вз.в.= 10,5 кН/м³ , удельный вес воды γ_в.= 10,0 кН/м³ ). Групповая установка утяжелителей принимается по ВСН 007-88 [4].

В группу входят 8 грузов УБКм и 2 замыкающих груза АСГ. Балластирующая способность грузов АСГ во внимание не принимается (одинаковая для обоих вариантов), по той же причине не учитывается и масса грунта над грузами АСГ.

Длина восьми грузов УБКм вдоль оси трубопровода равна 1 м • 8 = 8 м. Суммарная расчетная нагрузка на трубопровод от группы утяжелителей равна (см. п. 4 и последнюю колонку таблицы):
для прототипа 40,60•8=325 кН;
для изобретения 45,08•8=361 кН.

Необходимая дополнительная пригрузка на болоте прямолинейного газопровода D = 1420 мм, перекачивающего газ при давлении 75 атм и температурном перепаде 60^oC, составляет g_доп=117,2 Н/см или g_доп = 11720 кН/км.

Необходимое количество утяжелителей для балластировки газопровода длиной 1 км составляет:
по прототипу: 11720 : 325 = 36 групп или 8•36=288 утяжелителей;
по изобретению: 11720:361=32,5 группы или 8•32,5=260 утяжелителей.

Следовательно, снижение количества утяжелителей по предлагаемому решению на 1 км длины трубопровода составляет 288 - 260 = 28 штук или 11%.

Для газопроводов диаметром D = 1220 мм и менее, эффект от применения предлагаемого утяжелителя еще выше (до 27%, см. последнюю строку таблицы).

Источники информации:
1. Патент РФ N 2056568, кл. F 16 L 1/06, 1996.

2. Авторское свидетельство СССР N 1244420, кл. F 16 L 1/02, 1986.

3. Утяжелители железобетонные болотные клиновидные типа 1 УБКм. Технические условия ТУ 102-421-86. Миннефтегазстрой. 1986.

4. ВСН 007-88. Строительство магистральных и промысловых трубопроводов. Конструкции и балластировка. Миннефтегазстрой. - М., 1989.

Изобретение предназначено для балластировки магистральных трубопроводов. Утяжелитель выполнен П-образным с вогнутой криволинейной или ломаной верхней гранью. Контактирующие с трубопроводом боковые поверхности выполнены цилиндрическими пересекающимися. Приведена математическая зависимость между высотой и шириной утяжелителя для различных диаметров трубопровода. Утяжелитель увеличивает суммарную нагрузку на трубопровод за счет вовлечения в работу по балластировке большего объема грунта. 4 ил.

Утяжелитель трубопровода, выполненный в виде блока с симметричными стойками, каждая из которых имеет касательную к трубопроводу поверхность, образованную взаимно пересекающимися цилиндрическими поверхностями, отличающийся тем, что верхняя грань утяжелителя выполнена в виде вогнутой криволинейной или ломаной поверхности так, что объемы дополнительной и срезаемой частей соответственно выше и ниже первоначально прямолинейной верхней грани утяжелителя равны между собой, а высота утяжелителя H определяется по формуле
H = H_o+ΔH,
причем ΔH = 1000 - 0,324 B для трубопроводов диаметром 1000 мм и более и ΔH = 800 - 0,342 B для трубопроводов диаметром менее 1000 мм,
где H₀, B - первоначальная высота и ширина утяжелителя, мм;
ΔH - приращение вверх вдоль боковых граней первоначальной высоты утяжелителя H₀, мм.