ОПОРНО-ЦЕНТРИРУЮЩЕЕ ИЗДЕЛИЕ ДЛЯ ПРЕДОХРАНЕНИЯ ИЗОЛЯЦИОННОГО ПОКРЫТИЯ ТРУБОПРОВОДА В ЗАЩИТНОМ КОЖУХЕ (ВАРИАНТЫ)
SUPPORT-CENTRING ARTICLE FOR PREVENTION OF PIPE INSULATION COATING IN PROTECTIVE JACKET (VERSIONS)

Изобретение относится к строительству трубопроводного транспорта и используется при сооружении переходов под автомобильными, железными дорогами и водными преградами в качестве опор, предназначенных для протаскивания трубопровода внутри другой трубы, внутри защитного кожуха или в бетонном туннеле.
Известно, что при строительстве трубопроводов железные и автомобильные дороги, судоходные, оросительные каналы и различные подземные коммуникации являются наиболее серьезными искусственными препятствиями. В соответствии с требованиями СНиП 2.05.06.-85* указанные участки трубопроводов относятся к I категории. Трубопровод располагается в металлическом футляре - защитном кожухе или бетонном туннеле, диаметр которого должен быть больше диаметра прокладываемого трубопровода. Прокладываемый трубопровод покрывают антикоррозионной изоляцией и защитной накладкой. Кожух имеет длину, превышающую длину препятствия на регламентированную СНиП величину.
После укладки кожуха под препятствием через него протаскивают заранее подготовленную плеть - рабочий трубопровод (далее по тексту - трубопровод). Для облегчения протаскивания на трубопроводе закрепляют предусмотренные проектом опорные устройства. Эти устройства не только облегчают процесс протаскивания трубопровода, но и фиксируют его положение в кожухе таким образом, чтобы исключался электрический контакт между кожухом и трубопроводом (БОРОДАВКИН П.П. и др. Сооружение магистральных трубопроводов. М., Недра, 1987, с. 338, 339, 345).
Из уровня техники известны различные опорные устройства для перемещения промышленного оборудования, протяженных объектов, в том числе и трубопроводов.
Известна опора для трубопровода, протаскиваемого внутри другой трубы либо защитного кожуха, содержащая тела качения в виде роликов (RU 2023935, 1994). В известном решении ролики расположены по винтовой линии с расстоянием между ними, равным шагу винта. Прикладывая к хвостовой части протаскиваемого трубопровода осевое усилие и создавая крутящий момент, добиваются его «винтообразного» продвижения вовнутрь кожуха.
Недостатком данного технического решения является невозможность его использования при протаскивании труб на расстояния, превышающие 100 м, например при прокладывании перехода под водным препятствием, когда кожух имеет изгиб, спуск и подъем, а также в случае использования труб большого диаметра.
Данное техническое решение требует использования значительных средств и громоздкого оборудования для перемещения основной трубы в осевом направлении и одновременного придания ей вращательного движения.
Известно «кольцо опорно-направляющее для переходов стальных трубопроводов через автомобильные и железные дороги, прокладываемые в защитном кожухе (футляре)», содержащее скрепленные между собой разъемными соединениями металлические обечайки и закрепленные на их наружной поверхности опоры, выполненные из диэлектрического материала (ТУ 1469-001-01297858-98, ВНИИСТ, М., 1998).
Недостатками известного решения являются сложность и трудоемкость конструкции, необходимость приложения значительных тяговых усилий при протаскивании трубопровода, возможность электрического контакта опор с защитным кожухом в результате истирания элементов скольжения опор-ползунов, изготовленных из полиэтилена.
Наиболее близким к заявленной группе изобретений является известное опорно-центрирующее изделие для предохранения изоляционного покрытия трубопровода в защитном кожухе, содержащее скрепленные между собой разъемными соединениями металлические обечайки со стяжками по их торцам. Металлические обечайки в сборе образуют замкнутое кольцо, внутренний диаметр которого равен диаметру снаряженного трубопровода в месте установки на него изделия. Для исключения контакта обечайки с внутренней поверхностью кожуха изделие оснащено равнорасположенными в окружном направлении кольца опорами, при этом опоры на наружной поверхности кольца расположены в шахматном порядке (см. положительное решение по заявке №2013106633/06).
Поскольку протаскиваемый отрезок трубопровода и кожух не соосны и традиционные призматические элементы «BEFC» опор трубопровода в местах их опирания на внутреннюю поверхность кожуха не располагаются по хорде «АВ» (см. фиг. 1), то контакт элементов опор с внутренней поверхностью кожуха осуществляется по внутреннему относительно вертикальной диаметральной плоскости трубопровода ребру «С».
Экспериментальные работы показали, что при протаскивании трубопровода происходит интенсивное истирание элементов опор, уменьшение зазора между трубопроводом и кожухом, а при значительных длинах перехода может возникнуть электрический контакт металлических элементов ОЦКМ с защитным кожухом.
Таким образом, существует задача создания опорно-центрирующих изделий (далее по тексту - ОЦКМ) для предохранения изоляционного покрытия трубопровода в защитном кожухе, повышающих технологичность и надежность протаскивания в нем трубопровода при различных длинах перехода.
При значительной длине перехода, например превышающей 500 м, указанная задача решается тем, что опорно-центрирующее изделие для предохранения изоляционного покрытия трубопровода в защитном кожухе содержит скрепленные между собой разъемными соединениями и образующие в сборе замкнутое кольцо металлические обечайки с резьбовыми стяжками на их торцах, причем внутренний диаметр замкнутого кольца равен диаметру снаряженного трубопровода в месте установки на него изделия, а на наружной поверхности кольца размещено и закреплено вдоль его образующих от 2, расположенных на нижнем сегменте кольца с центральным углом между опорами в 90 градусов, не менее, до 12 равнорасположенных в окружном направлении указанного кольца опор, элементы скольжения или качения которых выполнены из износостойкого диэлектрического материала, при этом опоры на наружной поверхности кольца относительно его оси размещены в шахматном порядке, причем, по меньшей мере, элементы двух нижних симметрично расположенных относительно вертикальной диаметральной плоскости трубопровода опор имеют относительно боковых сторон наклонно расположенную опорную поверхность с превышением высоты наружной относительно вертикальной диаметральной плоскости трубопровода боковой поверхности элемента опоры над высотой внутренней боковой поверхности соответствующего элемента опоры, указанные опорные поверхности образуют угол φ, определяемый по математической зависимости:
φ=180-α+2β,
где α - центральный угол, соответствующий указанным нижним опорам;
β - угол наклона опорной поверхности каждого элемента указанных опор,
который составляет от 2 до 12 градусов.
В частном случае выполнения ОЦКМ элементы опор скольжения выполнены в виде призматических ползунов или в виде расположенных радиально относительно трубопровода и закрепленных в металлических коробках стержней.
Кроме того, элементы указанных опор качения выполнены в виде конических роликов, причем угол наклона опорной поверхности р - это угол между осью конического ролика и образующей конической поверхности, который составляет 2-12 градусов.
Кроме того, указанная задача решается тем, что согласно варианту изобретения опорно-центрирующее изделие для предохранения изоляционного покрытия трубопровода в защитном кожухе содержит скрепленные между собой разъемными соединениями и образующие в сборе замкнутое кольцо металлические обечайки с резьбовыми стяжками на их торцах, причем внутренний диаметр замкнутого кольца равен диаметру снаряженного трубопровода в месте установки на него изделия, а на наружной поверхности кольца размещено и закреплено вдоль его образующих от 2, расположенных на нижнем сегменте кольца с центральным углом между опорами в 90 градусов, не менее, до 12 равнорасположенных в окружном направлении указанного кольца опор, элементы скольжения которых выполнены из износостойкого диэлектрического материала, причем опоры на наружной поверхности кольца относительно его оси размещены в шахматном порядке, при этом по меньшей мере две нижние симметрично расположенные относительно вертикальной диаметральной плоскости трубопровода опоры выполнены в виде расположенных и закрепленных в металлических коробках цилиндрических элементов скольжения, продольная ось каждого из них и ось его крепления параллельны оси трубопровода, располагаются в его радиальной плоскости и не соосны, при этом ось крепления каждого из указанных элементов скольжения расположена между его продольной осью и наружной поверхностью трубопровода.
Кроме того, продольная ось каждого из указанных цилиндрических элементов скольжения располагается на уровне торца соответствующей металлической коробки опоры или вне нее. В частном случае выполнения изделия продольная ось каждого из указанных цилиндрических элементов скольжения располагается между торцом соответствующей металлической коробки опоры и наружной поверхностью трубопровода, а указанные элементы скольжения опираются на дно металлической коробки опоры.
При этом ось крепления каждого из указанных цилиндрических элементов скольжения располагается от его продольной оси на расстоянии 0,2-0,6 радиуса соответствующего цилиндрического элемента опоры.
С увеличением числа опор изделия уменьшатся центральный угол между опорами и «мягче» происходит поворот трубопровода при его протаскивании. При малом количестве опор поворот трубопровода осуществляется на больший центральный угол и очередная опора входит в контакт с внутренней поверхностью кожуха с большой динамической нагрузкой, практически с ударом, что может привести к разрушению опоры, особенно при больших диаметрах протаскиваемого трубопровода, например более 1 м.
Расположение опор на кольце в шахматном порядке, с продольным смещением способствует лучшему перемещению («переваливанию») опоры через препятствия в кожухе, например через грат сварного шва (металлический кожух), через трещины (кожух выполнен из бетонных тюбингов), а также через препятствия в виде забытых в кожухе болтов, гаек, инструментов.
Кроме того, преодолению препятствий, например трещин, способствует выполнение элемента опоры в виде ролика. Из курса теоретической механики известно, что тело качения (колесо, ролик) преодолевает препятствие, высота которого не превышает 1/3 радиуса тела качения.
Выполнение элементов опор с наклонно расположенной опорной поверхностью обеспечивает лучшее прилегание указанных элементов к внутренней поверхности кожуха и в разы снижает их износ при протаскивании трубопровода.
Выполнение элементов опор в виде расположенных и закрепленных в металлических коробках цилиндрических элементов скольжения, продольная ось и ось крепления каждого из которых параллельны оси трубопровода, располагаются в его радиальной плоскости и не соосны, при этом ось крепления каждого из указанных элементов скольжения расположена между его продольной осью и наружной поверхностью трубопровода, позволяет указанным элемента самоустанавливаться в кожухе за счет колебательного движения элементов опор вокруг соответствующих им осей крепления, при этом металлические коробки опор ограничивают величину колебания элементов опор, что в совокупности снижает их износ при протаскивании трубопровода в кожухе.
Сущность изобретения поясняется графическим материалом, где на фиг. 1 изображена расчетная схема изделия;
на фиг. 2 изображен размещенный в защитном кожухе трубопровод, снабженный ОЦКМ с опорами скольжения, вид сверху;
на фиг. 3 - разрез А-А, повернуто;
на фиг. 4 изображен размещенный в защитном кожухе трубопровод, снабженный ОЦКМ со стержневыми элементами опор, поперечное сечение;
на фиг. 5 - ОЦКМ с опорами качения, вид сверху.
Позициями обозначены следующие элементы:
1 - опорно-центрирующее изделие;
2 - трубопровод;
3 - защитный кожух;
4 - разъемные соединения;
5 - металлические обечайки;
6 - опоры;
7 - металлические коробки;
8 - элементы скольжения или качения;
9 - прокладки;
10 - стяжки;
11 - стержни.
Опорно-центрирующее изделие 1 для трубопровода 2, размещенного в защитном кожухе 3, содержит скрепленные между собой разъемными, например резьбовыми соединениями 4, металлические обечайки 5, в сборе образующие замкнутое кольцо, внутренний диаметр которого равен диаметру снаряженного трубопровода 2 в месте расположения на нем опорно-центрирующего изделия 1(см. фиг. 2, 3). Собранное из металлических обечаек 5 кольцо снабжено размещенными и закрепленными на его наружной поверхности опорами 6, оснащенными расположенными в металлических коробках 7 элементами 8, например роликами (см. фиг. 5) или ползунами из износостойкого диэлектрического материала и ориентированными по образующей кольца (см. фиг. 2). Длина металлической обечайки 5 определяется из условия обеспечения монтажного зазора между сегментами в местах их болтовых соединений для обеспечения обжатия кольца вокруг трубопровода. Ширина и толщина металлической обечайки определяются из условия допустимого давления кольца на противокоррозионное покрытие трубопровода. Для защиты противокоррозионного покрытия трубопровода его снаряжают, то есть в местах установки на трубопровод ОЦКМ укладывают прокладки 9, например резиновые или прокладки из скального листа, и закрепляют их стяжками - стяжными тросовыми бандажами 10. Усилие затяжки размещенных по краям прокладки из скального листа тросовых бандажей с резьбовым стяжным устройством обеспечивает отсутствие смещения прокладки при протаскивании трубопровода. Усилие обжатия, устраняющее смещение опорно-центрирующего изделия на поверхности снаряженного трубопровода при его протаскивании, обеспечивается затяжкой крепежных болтов разъемных соединений 4 металлических обечаек 5 (см. фиг. 2, 3). Кроме того, в частном случае выполнения изделия опоры 6 оснащены радиально расположенными стержнями 11 из износостойкого диэлектрического материала, закрепленными в металлической коробке 7 опоры 6 (см. фиг. 4).
При длине защитного кожуха не более 500 м на выходах трубопровода из кожуха с расчетным шагом с чередованием устанавливают опорно-центрирующие изделия с четырьмя равнорасположенными опорами и опорно-центрирующие изделия, оснащенные двумя опорами качения, которые располагаются на нижнем сегменте с центральным углом между опорами в 90 градусов, не менее.
При длине кожуха более 500 м, в том числе на переходах через водные преграды трубопровод протаскивают в защитном металлическом кожухе или в кожухе из железобетонных труб (туннеле), при этом опорно-центрирующие изделия оснащают, например, двенадцатью равнорасположенными опорами качения, с центральным углом между опорами 30 градусов.
Опора 6 - «BEFA» трубопровода 2 (см. фиг. 1), ширина которой «L» равна длине «ВС» имеет наклонную относительно боковых сторон «ВЕ» и «AF» поверхность «АВ», а угол «АВС» ее «скоса» составляет 2-12 градусов, что обеспечивает хорошее прилегание к внутренней боковой поверхности кожуха 3, причем размеры сторон «ВЕ» и «CF» равны.
Выбор величины угла «АВС» зависит от величины гарантированного зазора «b» между трубопроводом 2 и кожухом 3, радиусов «R1» и «R» соответственно. Ширина опоры «L», ее высота, равная «ОК» - «R1», величина гарантированного зазора «b», величина эксцентриситета «М»=R-R1-b и угол «KOD» также влияют на выбор величины угла «АВС», то есть угла «β». Например, для трубопровода диаметром 1000 мм величина гарантированного зазора «b» может составлять 20-30 мм, высота и ширина опоры «L» могут составлять 100 мм, а угол «KOD», равный половине центрального угла между опорами, может быть принят в зависимости от количества опор равным 30-45 градусам. При таких исходных данных величина угла «АВС» составит 4 градуса, а превышение «Н» наружного ребра опорного несущего элемента над внутренним его ребром составит Н=«ВЕ»-«AF»=L tqβ=100×0,0699=7 мм.
При этом опора, в частном случае, выполнена в виде призматического ползуна «BEFA», а угол наклона опорной поверхности β - это угол «АВС»  (фиг. 1) - угол наклона опорной поверхности составляет 2-12 градусов. Указанные опорные поверхности несущих опор 6 образуют угол φ - угол «NMB» ( фиг. 1), определяемый по математической зависимости:
φ=180-α+2β,
где α - центральный угол, соответствующий несущим опорам;
β - угол наклона опорной поверхности несущей опоры, который составляет от 2 до 12 градусов.
При указанных выше соотношениях величина угла φ составит 134 и 98 градусов соответственно.
Кроме того, в частном случае, опоры выполнены в виде конических роликов. Для конических роликов угол наклона опорной поверхности р - угол между осью конического ролика и образующей конической поверхности, который составляет 2-12 градусов.
Вариантом выполнения изделия является опорно-центрирующее изделие, содержащее скрепленные между собой разъемными соединениями и образующие в сборе замкнутое кольцо металлические обечайки с резьбовыми стяжками на торцах. Внутренний диаметр замкнутого кольца равен диаметру снаряженного трубопровода в месте установки на него изделия, а на наружной поверхности кольца размещено и закреплено вдоль его образующих от 2, расположенных на нижнем сегменте кольца с центральным углом между опорами в 90 градусов, не менее, до 12 равнорасположенных в окружном направлении указанного кольца опор, элементы скольжения которых выполнены из износостойкого диэлектрического материала. Опоры на наружной поверхности кольца относительно его оси размещены в шахматном порядке, при этом по меньшей мере две нижние симметрично расположенные относительно вертикальной оси трубопровода опоры выполнены в виде расположенных и закрепленных в металлических коробках цилиндрических элементов скольжения, продольная ось каждого из указанных элементов и ось его крепления параллельны оси трубопровода, располагаются в его радиальной плоскости и не соосны, причем ось крепления каждого из указанных элементов скольжения расположена между его продольной осью и наружной поверхностью трубопровода. Кроме того, продольная ось каждого из указанных цилиндрических элементов скольжения располагается на уровне торца соответствующей металлической коробки опоры или вне нее. В частном случае выполнения изделия продольная ось каждого из указанных цилиндрических элементов скольжения располагается между торцом соответствующей металлической коробки опоры и наружной поверхностью трубопровода, а указанные элементы скольжения опираются на дно металлической коробки опоры. Ось крепления каждого из указанных цилиндрических элементов скольжения располагается от его продольной оси на расстоянии 0,2-0,6 радиуса соответствующего цилиндрического элемента опоры. При значительных длинах протаскивания трубопровода, например свыше километра, предусматривается с учетом ожидаемого износа элементов опор запас их высоты для компенсации указанного износа и обеспечения отсутствия электрического контакта металлических элементов ОЦКМ с защитным кожухом. После протаскивания трубопровода проверяется отсутствие электрического контакта «трубопровод - кожух» путем измерения сопротивления.
Экспериментальные работы на полигоне показали, что износ опорных элементов, выполненных согласно заявленному изобретению, в несколько раз меньше износа традиционных опор. Изобретение обеспечивает надежное протаскивание трубопровода внутри защитного кожуха при больших длинах с обеспечением сохранности изоляционного покрытия трубопровода и гарантированного зазора между трубопроводом и защитным кожухом.