ОПОРА БОЛЬШЕГРУЗНОГО ТРУБОПРОВОДА
SUPPORT OF HEAVY LOAD PIPELINE

Предлагаемое изобретение относится к области строительства, а именно к конструкциям опор для большегрузных трубопроводов, в частности для магистральных трубопроводов горячего водоснабжения.
Магистральные трубопроводы горячего водоснабжения являются социально ответственными и техногенно потенциально опасными сооружениями. Трубопроводы прокладываются по различным схемам - подземным, наземным и надземным и эксплуатируются в жестких условиях прямого воздействия климатических и энергетических факторов, а также весовых нагрузок.
В зависимости от диаметра трубопровода изменяется погонная масса сооружения. Чем больше диаметр трубопровода, тем больше конструктивная жесткость трубопровода и тем больше расстояние между его опорами.
Опоры трубопроводов являются особенно важными конструкционными узлами, предназначенными не только для поддержания конструкции, но и для восприятия возникающих и периодически изменяющихся продольных и поперечных нагрузок, вызываемых изменениями температурных режимов водоснабжения. Чем больше диаметр трубопровода, тем несравненно больше опорная масса, амплитуды нагрузок и отрабатываемые опорами продольные и поперечные перемещения трубы относительно опоры. Так, опорные массы трубопроводов диаметром 600 мм и диаметром 1200 мм составляют соответственно 10…12 и 40….50 тонн, а продольное нормативное перемещение - до 700 мм (Институт «Мосинжпроект». Нормали тепловых сетей. Альбом №62/86).
Пиковые нагрузки трубопроводные опоры тепловых сетей воспринимают в осенние пусковые и весенние разгрузочные периоды эксплуатации; в другие периоды из-за изменения внешней и рабочей температур имеет место условно постоянное продольное и поперечное знакопеременное перемещение трубопровода относительно фундамента опоры.
Конструктивно опоры трубопроводов предусматривают продольную и поперечную подвижку, которая реализуется устройствами на основе трения, качения или скольжения.
Известные конструкции опор содержат трубопроводную опорную часть с узлом продольной температурной подвижки трубопровода, фундаментную опорную часть с узлом поперечной температурной подвижки трубопроводной опорной части и фундаментный блок (прототип).
Основным недостатком известных конструкций является нестабильность функционирования узлов температурных подвижек - их сильная зависимость от состояния поверхностей трения или качения и засоренности и примерзания деталей. Особенно это сказывается в подземных конструкциях, размещенных в каналах, закрытых бетонными плитами, при технологически допущенном отсутствии контроля и периодического обслуживания (до аварийного случая).
Большое значение стабильности функционирования узлов подвижки объясняется так. После очередной подвижки трубопровод покоится, удерживаемый силами трения. Со временем в нем нарастает напряжение температурной деформации и происходит срыв и очередное рывковое перемещение трубопровода и подвижных деталей опор. Опоры подвергаются не только продольным и вертикальным, но и громадным, притом, не менее разрушительным - поперечным - ударным нагрузкам. Грубо говоря, они пропорциональны силам трения в узлах, но ущерб наносят несравненно больший, так как менее предсказуемы в количественном отношении. При этом, если прочность опор по максимуму решается их массивностью, то в отношении таких явлений, как истирание, выкрашивание и выламывание элементов, возникают конструктивные и эксплуатационные трудности.
В предлагаемой конструкции узлы температурных подвижек трубопроводной и фундаментной опорных частей снабжены каждый проставками - верхней и нижней, которые полностью прилегают одна к другой с возможностью относительного проскальзывания. Обе или только нижняя проставка имеют соросборные канавки на рабочей поверхности, расположенные под углом к направлению подвижки. При этом материалом проставок является антифрикционный полимер на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена с большой молекулярной массой и с добавками либо двуокиси титана, либо дисульфида молибдена, либо углерода.
Соросборные канавки могут быть снабжены отверстиями, под которыми в опорной части предусмотрены сороприемные углубления или соровыводные каналы.
Соросборные канавки могут быть выполнены пересекающимися, а отверстия будут располагаться в пересечениях канавок.
Соросборные канавки имеют трапецеидальное или W-образное сечение.
В узле поперечной подвижки нижняя проставка может иметь ступенчатое утолщение в средней части, образующее боковые уступы, а верхняя проставка быть разделенной на две части, с тем, чтобы они взаимодействовали боковыми поверхностями и выполняли роль направляющих.
Технические решения иллюстрируют чертежи и фотографии.
На Фиг.1 показана опора в продольном вертикальном разрезе по трубопроводу.
На Фиг.2 показана опора в поперечном разрезе по трубопроводу.
На Фиг.3 показаны по виду сверху варианты исполнения соросборных канавок на поверхности проскальзывания полимерных проставок.
На Фиг.4 показаны эффективные профили соросборных канавок - трапецеидальный - а) и W-образный - б).
На Фиг.5 показана нижняя часть опоры с узлом поперечной подвижки с уступообразующим утолщением нижней проставки.
На Фиг.6 показана повернутая фотография соросборной W-образной канавки на проставке.
На Фиг.7 показана фотография основных составных частей опоры новой конструкции перед сборкой на экспериментальном опытном участке большегрузного трубопровода.
На Фиг.8 и Фиг.9 показана опора до и после частичной эксплуатации.
На Фиг.10 показан общий вид трубопровода с новыми опорами.
Опора (Фиг.1, Фиг.2) большегрузного трубопровода 1 содержит трубопроводную опорную часть 2, фундаментную опорную часть 3 и фундаментный блок 4. Между трубопроводом и трубопроводной опорной частью 2 имеется узел продольной (относительно трубы) температурной подвижки 5. Между опорными частями 2 и 3 имеется узел поперечной температурной подвижки 6. Узлами подвижки мы называем здесь то, что труба трубопровода и опорные части 2 и 3 выполнены по факту с поверхностями относительного скольжения - сталь по бетону или по стали или бетон по бетону (прототип).
Узел продольной температурной подвижки 5 дополнительно содержит верхнюю полимерную проставку 7, закрепленную на верхней обращенной к трубопроводу опорной части 8, и нижнюю полимерную проставку 9, закрепленную на обращенной к фундаменту опорной части 2.
Узел поперечной температурной подвижки 6 дополнительно содержит верхнюю полимерную проставку 10, закрепленную на верхней обращенной к трубопроводу опорной части 11, и нижнюю полимерную проставку 12, закрепленную на обращенной к фундаменту опорной части 3.
Верхняя и нижняя полимерные проставки 7 и 9 узла продольной подвижки выполнены взаимоприлегающими по профильной, например по цилиндрической, поверхности с возможностью относительного проскальзывания вдоль оси трубопровода, а при цилиндрической поверхности и вокруг оси.
Верхняя и нижняя полимерные проставки 10 и 12 узла поперечной подвижки выполнены взаимоприлегающими по профильной или только по плоской поверхности с возможностью относительного проскальзывания поперек оси трубопровода.
Проставки 7, 9, 10 и 12 выполнены из антифрикционного полимера на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена с молекулярной массой более 2 миллионов углеродных единиц с добавлением от 2 до 5 процентов либо двуокиси титана (получим белый цвет), либо диоксида молибдена (получим черный цвет), либо от 5 до 8 процентов углерода.
Узлы продольной и поперечной подвижки выполнены по одному принципу с использованием идентичных средств и описываются ниже с учетом этого обстоятельства.
Обе проставки каждого узла - верхняя и нижняя, но по крайней мере нижние проставки 9 и 12 имеют на взаимоприлегающей рабочей поверхности проскальзывания (на Фиг.1 и Фиг.2 поверхности показаны жирными линиями) соросборные канавки, расположенные под углом преимущественно от 30 до 60° по отношению к направлению подвижки. На Фиг.3 показаны фрагменты плоской поверхности проскальзывания полимерных проставок и варианты исполнения соросборных канавок. На цилиндрической поверхности канавки приобретают спиральную форму, однако изготавливаются до гибки проставок прямолинейными. Канавки могут быть выполнены в одном направлении или пересекаться при встречном исполнении.
Соросборные канавки 13, 14 могут быть снабжены отверстиями 15, 16 (Фиг.1. Фиг.2), в частности, в местах пересечения 17 канавок встречного исполнения (Фиг.3). Отверстия выполнены сообщающимися с выполненными под ними в опорной части 2 или 3 сороприемными углублениями 18 или 19 или наклонными соровыводными каналами 20 или 21.Сороприемные углубления также могут быть снабжены прочистными каналами.
Наилучшим, по мнению авторов, в функциональном и технологическом планах является (Фиг.4) выполнение канавок трапецеидального сечения с открытым основанием (Фиг.4-а). Сечение канавки может быть также выполнено W-образным (Фиг.4-б) с притупленной средней частью, выполненной с функцией скребка.
В составе существующих опор распространена конструкция узла поперечной подвижки на основе пазогребневого соединения, выполненного по бетону. В предлагаемой конструкции конструктивные акценты смещены.
В узле поперечной подвижки (Фиг.5) нижняя проставка 12 может иметь прямое поперечное ступенчатое утолщение 22 в средней части, образующее уступы 23 и 24, а верхняя проставка 10 быть разделенной на две части, с тем, чтобы грани уступов проставки 12 и внутренние боковые грани обеих частей проставки 10 взаимодействовали, реализуя пазогребневый принцип зацепления. В данном варианте роль направляющих поперечной подвижки выполняется конструктивно более простыми в исполнении элементами. Утолщение 22 может быть выполнено путем введения дополнительной пластины, наложенной на проставку 12 (по пунктирной поверхности 25) и прикрепленной через нее к бетонной опорной части 3.
Представленная конструкция по выполнению узла продольной подвижки относится, естественно, к трубопроводу произвольного типа с предположительно грубой поверхностью, как, например, у бетона или стали. В частном же случае, у трубопровода с полиэтиленовым внешним корпусом (современные трубы с заводской теплоизоляцией) верхняя проставка 7 на практике, скорее, не будет применяться, так как ее функцию будет выполнять близкий по свойствам материал трубы.
При эксплуатации трубопровода с опорами описанного исполнения вследствие уменьшения трения в узлах продольной и поперечных подвижек благодаря низкому коэффициенту трения материала проставок при очередном (после предыдущего сдвига) нарастании осевого или поперечного напряжения сдвиг трубопровода в опоре происходит при низком уровне сдвиговых усилий. Подвижки трубопровода происходят чаще и при отсутствии повышенных или ударных воздействий. Соответственно уменьшаются и значения перемещений при каждом шаге подвижки.
В процессе относительного проскальзывания полимерных проставок попадающие на поверхности трения частицы песка и другого сора выдавливаются и соскребаются сороприемными канавками. Далее они попадают в отверстия 15, 16, а из них в сороприемные углубления 18, 19. Часть песка и сора по соровыводным каналам 20, 21 выводится наружу. При наземном и надземном расположении трубопровода в обоснованных случаях может предусматриваться периодическая прочистка загрязненных каналов. Особенно это необходимо при расположении трубопровода на высоких столбовых опорах, чтобы не допустить возникновения разрушительных нагрузок.
Применительно к разработанной конструкции опоры авторами проведены исследования по определению наиболее эффективных рецептур полимерных материалов, отвечающих предъявляемым требованиям. В числе этих требований - повышенные антифрикционные характеристики, повышенная износоустойчивость, термостойкость до 150°C, технологические качества, приемлемая стоимость. Вышеприведенные рецептуры отвечают всем этим требованиям.
Альтернативность по добавкам имеет следующее обоснование. Двуокись титана допускает широкую гамму цветов в вариантах наружного применения; диоксид молибдена обеспечивает максимальную термостойкость; добавка углерода может использоваться по экономическим соображениям.
Разработанные материалы прошли технологическую отработку и находятся на стадии промышленного производства (Технические условия ТУ 2246-012-16426899-2012 на «Листы монолитные…».
Техническое решение проходит полномасштабные натурные испытания. В рамках этих испытаний заложен 300-метровый участок подземного трубопровода горячего водоснабжения в составе действующей теплосети. Недавнее, проведенное многосторонней комиссией первое опытное вскрытие теплосети в рамках программы испытаний по истечению полугодовой эксплуатации подтверждает эффективность заложенного технического решения.
На Фиг.7 показана фотография двух основных, разделенных по узлу поперечной подвижки, частей опоры новой конструкции перед сборкой на экспериментальном опытном участке большегрузного трубопровода.
Внешний вид и состояние опоры опытного трубопровода непосредственно после монтажа трубопровода и после вскрытия по истечению полугодового срока иллюстрируют фотографии Фиг.8 и Фиг.9.
Общий вид ниток подземного трубопровода с новыми опорами представлен на Фиг.10.
Выбранное исполнение узлов температурных подвижек и применяемых материалов позволит по экспертным оценкам не менее чем вдвое уменьшить уровень динамических эксплуатационных нагрузок на трубопровод и сами опоры, повысить срок безаварийной эксплуатации и уровень безопасности и несмотря на дополнительные начальные расходы получить значительный экономический эффект.