ВОДОПРОВОДЯЩЕЕ СООРУЖЕНИЕ Российский патент 2001 года по МПК E02B9/02 F16L9/04 

Изобретение относится к области гидротехнического строительства, конкретно - к устройству водопроводящих сооружений, трубопроводов, лотков или иных водоводов, подверженных воздействию значительных колебаний температуры вследствие климатических условий или особенностей технологического режима работы водовода.

Изменения температуры стенок водоводов приводят к появлению в них знакопеременных напряжений, по величине пропорциональных изменениям температуры и длине водовода. Эти напряжения могут достигать недопустимых величин, приводящих к разрушению водоводов.

Известны устройства для снижения растягивающих температурных напряжений в водоводах за счет обеспечения их продольных деформаций. Эти устройства именуются температурными компенсаторами. Они устанавливаются в открытых дюкерах, деривационных трубопроводах и других водоводах /1/.

В гибких водоводах неразрезной конструкции свободно уложенные между анкерными опорами изогнутые участки водоводов выполняют роль температурных компенсаторов /2/. Достоинство такого рода компенсаторов заключается в том, что они исключают возможность утечек из водовода, а недостаток - в том, что их применение невозможно для жестких и разрезных водоводов, для водоводов подземной прокладки, а также для водоводов, требующих прямолинейной прокладки.

Наиболее близким техническим решением являются компенсаторы температурных напряжений телескопического типа (компенсационные муфты), которые конструктивно делятся на сальниковые, тарельчатые, гофрированные и лирообразные /3/. Снижение температурных напряжений в этом случае достигается за счет возможности относительного изменения длины участков труб, соединенных через телескопический компенсатор.

Телескопические компенсаторы используют на прямолинейных участках водоводов, они имеют сравнительно малые размеры, позволяют компенсировать не только продольные деформации водоводов, но и поперечные, возникающие при перемещении опор водоводов. Однако и эти компенсаторы обладают рядом недостатков: они применимы только на водоводах круглого сечения и только при открытой прокладке, дороги в изготовлении и эксплуатации, поскольку требуют специальной обработки труб и обслуживания, включая регулярную профилактику.

Количество компенсаторов, устанавливаемых на водоводах, зависит от пределов изменения температуры, от длины и материала, из которого изготовлены стенки водовода: чем меньше величина допустимых напряжений для этого материала, тем чаще устанавливают компенсаторы.

Серьезным недостатком таких компенсаторов является возможность промерзания при отрицательных температурах, вследствие чего они перестают функционировать, кроме того они создают дополнительные гидравлические сопротивления потоку воды, способствуют засорению водоводов.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является снятие или уменьшение растягивающих напряжений на протяженных прямолинейных неразрезных водопроводящих сооружениях между температурными компенсаторами, на участках, где растягивающие температурные напряжения превышают предельные значения для сооружений данного типа, а также устранение деформаций в соединительных узлах разрезных водопроводящих сооружений.

Технический результат достигается тем, что вдоль водовода смонтированы продольные связи, скрепленные с ним по концам прямолинейного участка, а равномерно размещенные вдоль водовода поперечные связи фиксируют положение продольных связей между собой и водоводом. Причем, при надземной прокладке водовода продольные связи располагают равномерно по внешнему его периметру, а в открытом водоводе подземной прокладки - внутри него.

В качестве продольных связей могут быть использованы металлические тяги, стержни или дополнительные трубчатые элементы.

Сопоставительный анализ с прототипом позволяет сделать вывод, что заявляемое устройство отличается от известного наличием новых конструктивных элементов, обеспечивающих достижение качественно нового результата - устранения продольных растягивающих напряжений в стенках водоводов за счет обжатия водовода продольными связями, температура которых, вследствие их размещения относительно водовода и охлаждающей среды, понижается быстрее и в большей степени, чем стенок самого водовода. Соосность водовода с системой продольных связей и устойчивость его на продольный изгиб при осевом сжатии обеспечивается поперечными связями.

Анализ известных устройств, обеспечивающих снятие растягивающих температурных напряжений и компенсацию деформаций ограждающих конструкций водопроводящих сооружений, показал, что сжатие конструкций продольными связями позволяет снять растягивающие температурные напряжения в неразрезных конструкциях и исключить смещение отдельных элементов разрезных сооружений относительно друг друга, что обеспечивает целостность и герметичность всего сооружения, включая различного рода швы, муфтовые или раструбные соединения.

Важная особенность предлагаемого устройства водопроводящего сооружения состоит в том, что сжимающие усилия, создаваемые продольными связями, пропорциональны интенсивности охлаждения или растягивающим напряжениям, возникающим вследствие охлаждения ограждающих конструкций - чем сильнее охлаждение стенок водовода, тем сильнее его сжатие продольными связями. Продольные и поперечные связи представляют собою статичные конструктивные элементы, поэтому не требуют специальной эксплуатации или обслуживания, позволяют снизить эксплуатационные затраты на профилактику соединительных узлов и обслуживание водовода.

Таким образом, предлагаемое устройство водопроводящего сооружения за счет продольного сжатия его при охлаждении создает новые, более благоприятные условия работы, повышает надежность водопроводящих сооружений - трубопроводов, лотков и других водоводов, включая их соединительные узлы.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 - 8 схематически изображены примеры выполнения водопроводящих сооружений с продольными связями. На чертежах в качестве водопроводящих сооружений условно показаны трубопроводы с круглой и квадратной формой поперечного сечения, хотя те же схемы относятся к лоткам, трубам и любым водоводам с различной формой поперечного сечения.

На фиг. 1 - 4 показаны примеры водоводов открытой прокладки, размещаемых над землей, по ее поверхности или в специальных каналах.

На фиг. 1 показан продольный, а на фиг. 2 - поперечный разрезы по трубопроводу 1 с продольными связями 2 и поперечными связями 3. В этом примере продольные связи 2 выполнены в виде тяг, например, тросов или прутков, либо в виде стержней, например, прокатных профилей - уголков, полос, тавров и т. п. В приведенном примере использованы четыре продольных связи 2, а поперечные связи 3 приняты в виде квадратных пластин с круглой прорезью для трубопровода 1. В общем случае число продольных связей и конструктивное выполнение поперечных определяется с учетом особенностей конструкции водовода и условий его эксплуатации.

На фиг. 3 показан продольный, а на фиг. 4 - поперечный разрезы по трубопроводу 4, продольные связи 5 для которого выполнены в виде трубчатых элементов, снабженных поперечными связями 6 в виде диафрагм с центральным отверстием для трубопровода 4.

На фиг. 5 - 8 приведены примеры открытых водоводов подземной прокладки, размещенных под земляными насыпями и сообщающихся с атмосферой.

На фиг. 5 схематически показан продольный, а на фиг. 6 - поперечный разрезы по водопропускной трубе 7 с квадратной формой поперечного сечения, размещенной под насыпью 8. Продольные связи в этом примере представлены системой из главной продольной связи 9 и распределительных связей 10, выполняющих роль поперечных связей. Один конец распределительных связей 10 соединен с торцом трубы 7, а другой - с концом главной продольной связи 9.

На фиг. 7 схематически показан продольный, а на фиг. 8 - поперечный разрезы по водопропускной трубе 11, уложенной под насыпью 12. Продольные связи в этом примере представлены отдельными полосами 13, уложенными по внутреннему периметру сечения трубы 11 и соединенными с трубой 11 по ее концам. В качестве поперечных связей в данном случае использованы рамы 14, равномерно распределенные по длине трубы 11 и прижимающие полосы 13 продольных связей к внутренней стенке трубы 11.

Водопроводящие сооружения с продольными связями работают так.

Пример 1. Водопроводящее сооружение выполнено в виде свободно подвешенного прямолинейного разрезного трубопровода.

При охлаждении трубопровода, конструктивно соответствующего схемам на фиг. 1 и 2, в первую очередь охлаждаются продольные связи 2, размещенные по внешнему периметру трубы 1, которые при этом сокращаются и сжимают трубопровод вдоль его оси. Поперечные связи 3 препятствуют продольному изгибу сжимаемого трубопровода.

Рассмотрим в качестве первого примера чугунный трубопровод с раструбными соединениями, длиной 100 метров, подвешенный к рамной эстакаде и покрытый слоем тепловой изоляции. Поверх тепловой изоляции уложены продольные связи 2, скрепленные поперечными связями 3, пример выполнения которых показан на фиг. 1 и 2.

По условиям эксплуатации трубопровод подвержен колебаниям температуры, амплитуда которых достигает 100^oC, при этом минимальное значение температуры может понизиться до -60^oC. Расчет температурных деформаций трубопровода производится по известной формуле:
ΔL = α·L·δt,
где L - длина трубопровода, в м;
α - коэффициент линейного расширения трубы, 1/град;
δt - расчетная разность температур трубы, ^oC.

Режим работы трубопровода отличается крайней неравномерностью: периодически работает в напорном или безнапорном режимах, а иногда опорожняется. Наиболее опасным для целостности трубопровода является режим его максимального охлаждения, которое наступает при температуре воздуха -60^oC после опорожнения трубопровода. При условии, что трубопровод был монтирован при температуре +20^oC, максимальное сокращение длины трубопровода протяженностью 100 м составят для чугунного трубопровода (для чугуна α₂ = 0.000010 1/град)
ΔL_max= α₂×δt_max×L = 0,000010×80×100 = 0,08 м,
а изменение длины продольных связей из стальных прутков такой же протяженности составит для тех же условий (для стали-3 α₁ = 0.000012 1/град)
ΔL_max= α₁×δt_max×L = 0,000012×80×100 = 0,096 м.
Из чего следует, что при максимальном сокращении длины трубопровода он окажется сжатым на 22 мм продольными связями из системы прутков, расположенных по его периметру. Это значит, что даже в экстремальной ситуации трубопровод сохранит целостность и герметичность.

В рабочем режиме трубопровод будет всегда сжат, пока температура в трубопроводе выше температуры воздуха, поскольку трубопровод покрыт слоем тепловой изоляции и, соответственно, имеет температуру, близкую к температуре сбрасываемой жидкости, а продольные связи, расположенные за пределами тепловой изоляции, - температуру, близкую к температуре воздуха.

Пример 2. Водопроводящее сооружение в виде водопропускной трубы квадратного сечения под земляной насыпью.

Особенность теплового режима работы такой трубы заключается в том, что летом стенки трубы и грунт насыпи имеют близкие температуры и незначительно отличаются от температуры воздуха и воды в трубе. Зимой ситуация меняется: воды в трубе, как правило, нет, грунт в насыпи сохраняет тепло, а стенки трубы интенсивно охлаждаются холодным воздухом, поступающим в полость трубы. За счет растягивающих температурных напряжений в охлаждаемых стенках трубы раскрываются швы или образуются трещины. Через раскрытые швы и трещины возникает фильтрация воды и суффозия грунта, вследствие чего труба деформируется и в конечном итоге может быть разрушена.

Водопропускная труба с продольными связями, схематически показанная на фиг. 7 и 8, в зимнее время работает так.

Холодный воздух, затекающий в трубу 11 длиной 40 м, в первую очередь охлаждает продольные связи 14, выполненные в виде стальных полос, уложенных вдоль трубы по внутреннему периметру ее поперечного сечения.

Летом температуры стенки трубы 11 и стальных полос 14 близки между собою, с началом зимы труба охлаждается изнутри холодным воздухом. При этом стальные полосы 14 охлаждаются быстрее, чем стенки трубы 11. Если летом температура стенки водовода и стальных полос близка к температуре T₁ = +20^oC, то зимой, в какой-то момент температура стенки понижается до T₂ = -20^oC, а полосы продольных связей к этому моменту охлаждены уже до температуры T₃ = -30^oC. Принимая во внимание, что коэффициенты температурного расширения стали и железобетона близки между собой, выполним соответствующие расчеты по приведенной выше формуле и получим:
величина сокращения длины трубы
ΔL_т= α·L·δt,= 0,00001040[20-(-20)] = 0,016 м и
величина сокращения длины полос продольных связей
ΔL_п= α·L·δt,= 0,00001040[20-(-30)] = 0,020 м.
Из сопоставления вычисленных величин следует, что при охлаждении водопропускной трубы растягивающие напряжения в ее стенках будут полностью компенсированы сжатием за счет разности сокращения длин трубы и полос продольных связей на 0,004 м = 4 мм. Таким образом, возникновение трещин и раскрытие швов в стенках трубы предотвращается.

Допускаемые деформации сжатия стенок водоводов определяются расчетом. Регулирование силы сжатия водовода продольными связями может осуществляться установкой амортизаторов в узлах крепления элементов этих связей с концами водовода, а также путем регулирования разности температур водовода и элементов продольных связей устройством совместной многослойной тепловой изоляции. При этом устраивают два слоя тепловой изоляции: первый - непосредственно на стенке водовода, а второй - поверх элементов продольных связей. Это позволяет регулировать степень охлаждения элементов продольных связей и стенок водовода.

Длинные водоводы, для которых не допускаются значительные растягивающие напряжения, могут оснащаться системами продольных связей на отдельных участках, между которыми размещаются компенсаторы температурных деформаций в том числе выполненные из материалов, допускающих значительные растягивающие напряжения и изгиб, но число таких компенсаторов будет значительно меньшим по сравнению с трубопроводами без продольных связей.

Таким образом, предлагаемое устройство водопроводящих сооружений позволяет компенсировать растягивающие температурные напряжения в стенках водоводов, что эффективнее известных обеспечивает целостность и герметичность водоводов, повышает их долговечность, снижает эксплуатационные затраты.

Источники, принятые во внимание при подготовке описания изобретения
1. Гидротехнические сооружения. (Справочник проектировщика) / под ред. В.П. Недриги. - М.: Стройиздат, 1983. с. 407 - 415.

2. Фрейшист А. Р. и др. Стальные трубопроводы гидроэлектростанций. М.: Энергоиздат, 1982. с. 151 - 152.

3. Потапов В.М. и др. Использование водной энергии. М.: Колос, 1972. с. 262 - 263. (Прототип).

Изобретение относится к гидротехническим сооружениям и предназначено для строительства водопроводящих сооружений в виде труб, трубопроводов, лотков и иных водоводов, подверженных воздействию температурных перепадов вследствие климата или особенностей технологического режима работы. На прямолинейном участке водовода, вдоль него смонтированы продольные связи, скрепленные с водоводом по его концам и соединенные с равномерно расположенными по его длине поперечными связями, фиксирующими положение продольных связей между собой и водоводом. При открытой прокладке водовода продольные связи размещены равномерно по его внешнему периметру, а при подземной прокладке открытого водовода продольные связи размещены внутри него. Продольные связи охлаждаются в большей степени, чем стенки водовода, и поэтому сжимают водовод, устраняя растягивающие напряжения, возникающие в стенках водовода при охлаждении, что обеспечивает целостность и герметичность водовода, повышает его долговечность и снижает эксплуатационные затраты. 2 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Водопроводящее сооружение, подверженное воздействию температурных перепадов вследствие климата или особенностей технологического режима работы, включающее водовод и компенсаторы температурных деформаций на концах прямолинейных участков, отличающееся тем, что содержит размещенные вдоль прямолинейного участка водовода жестко скрепленные с ним по концам продольные связи в виде тяг, или стержней, или дополнительных трубчатых элементов, а также равномерно расположенные вдоль водовода поперечные связи, фиксирующие положение продольных связей между собою и водоводом. 2. Водопроводящее сооружение по п.1, отличающееся тем, что для водоводов открытой прокладки продольные связи размещены равномерно по внешнему периметру водовода. 3. Водопроводящее сооружение по п.1, отличающееся тем, что для открытых водоводов подземной прокладки продольные связи размещены внутри водовода.