СЕЙСМОЗАЩИТНАЯ СИСТЕМА ДЛЯ НАДЗЕМНЫХ МАГИСТРАЛЬНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ

Полезная модель относится к области машиностроения и предназначена для защиты магистральных трубопроводов, прокладываемых в сейсмоопасных районах, от мощных низкочастотных колебаний и ударов высоких энергий, носящих пространственный характер и передаваемых через основание.
Может быть использована при прокладке магистральных трубопроводов, пролегающих через различные препятствия и в местностях со сложным рельефом.
В настоящее время значительные объемы трубопроводного строительства приходятся на сейсмически опасные районы, где высока опасность разрушений и разрыва крупного магистрального трубопровода, что ведет к катастрофическим последствиям, при этом большое число повреждений трубопроводов связано с осевым растяжением (сжатием) и падением надземных частей трубопроводов с опор.
Большинство опор выполняется в виде столбчатых или свайных конструкций, при этом с целью снижения приведенного центра тяжести трубопроводной системы опоры должны быть минимальной высоты, сводящей к минимуму риск падения трубы вместе с опорой при горизонтальном воздействии сейсмоволны.
В то же время опорные элементы, расположенные между трубопроводом и опорой должны обеспечить возможность продольных компенсационных подвижек при изменениях температуры и внутреннего давления в трубопроводах в нормальных условиях эксплуатации. Одновременно должно быть обеспечено эффективное демпфирование при мощных сейсмоударных воздействиях, носящих пространственный характер, когда диссипация должна резко возрасти за счет включения дополнительных связей, обеспечивающих эффективное гашение сейсмической энергии. Кроме того, должно быть обеспечено гашение колебаний участков трубопроводов между опорами, вызываемых низкочастотным или ударным возбуждением при землетрясениях.
Одним из аналогов предлагаемой модели является конструкция анкерной опоры для надземных трубопроводов, прокладываемых в сейсмических районах. Анкерная опора, расположенная параллельно трубе, состоит из двух демпфирующих элементов в виде плоских рессор, имеющих эллиптический профиль в вертикальной плоскости. Каждая рессора закреплена на фундаменте по сторонам трубы и жестко соединена с седлом, на которое опирается трубопровод, охваченный сверху хомутом.
Анкерная опора работает следующим образом. Статическая нагрузка от трубопровода передается на седло и далее через рессору на фундамент, заложенный в грунт. При направлении колебаний в вертикальной плоскости рессоры деформируются в вертикальном направлении. При поперечном направлении колебаний одна из рессор растягивается, а другая сжимается в
вертикальной плоскости. По мнению авторов, такой режим обеспечит защиту трубопровода от сейсмовоздействий в любой плоскости [1].
К недостаткам этой конструкции следует отнести отсутствие демпфирующих элементов, так как стальные пружины-рессоры обладают низкими демпфирующими характеристиками, что может привести к длительному раскачиванию трубопроводов и возникновению резонансных явлений. Плоские пружины, жестко ориентированные на вертикальные перемещения, не могут обеспечить требуемых подвижек в продольном направлении трубы, а колебания в поперечной плоскости (когда одна пружина растягивается, а другая сжимается) могут привести к нежелательному повороту трубы вокруг оси.
Наиболее близким прототипом предложенной полезной модели является конструкция «скользящего» анкера, предназначенная для сейсмозащиты трубопроводов. Эта конструкция воспринимает сжимающие усилия при статических нагрузках и обеспечивает необходимые эксплуатационные перемещения трубопровода [2].
Опорная конструкция скользящего анкера состоит из хомута, седловины опоры, устройства для создания трения несущей опорной части и сотовой конструкции для поглощения энергии. Нагрузка от трубопровода через хомут создает определенное контактное давление, обеспечивающее жесткое закрепление трубы. Для создания требуемого трения имеется устройство, состоящее из подвижной и неподвижной плит, упруго соединенных между собой болтами с использованием тарельчатых пружин. Степень прижатия этих плит может регулироваться, обеспечивая усилие необходимого сопротивления смещению подвижной плиты.
К недостаткам этой системы следует отнести использование одноразового демпфирующего элемента, выполненного в виде сотовой конструкции, односторонняя ориентация на горизонтальное воздействие, сложность регулировки системы трения и самой конструкции в целом.
Техническим результатом предложенной полезной модели сейсмозащитной опоры для магистральных трубопроводов, прокладываемых в сейсмоопасных районах, является обеспечение требуемых подвижек при колебаниях температуры и давления в трубах в нормальных условиях эксплуатации и создание эффективного гашения энергии сейсмоударного воздействия и колебаний, предаваемых через основание в любой плоскости.
Указанный технический эффект достигается за счет того, что предложенная сейсмозащитная система выполнена в виде пассивной нелинейной подвесной системы с применением упругодемпфирующих тросово-торсионных элементов последовательного типа, не имеющих резонансных зон и обладающих мощным демпфированием для гашения энергии ударного импульса за счет значительного «хода» системы, в течение которого происходит плавное гашение энергии сейсмовоздействия до безопасных пределов.
Предложенная сейсмозащитная система для надземных магистральных трубопроводов конструктивно состоит из опорной
конструкции, выполненной в виде виброударозащитной платформы, содержащей встроенные торсионно-тросовые элементы последовательного типа (рис.1). При этом подвижная площадка (1) с установленным на ней трубопроводом (2) вывешена с заданным зазором внутри наружной рамы (3) платформы на отрезках тросов (4) таким образом, что концы этих тросов пропущены через втулки на сторонах подвижной площадки, а затем сегменты (5) на наружной раме заведены на длинные концы разноплечных рычагов (6), расположенных на внешней стороне наружной рамы, а короткие концы рычагов поджаты пружинами (7), обеспечивающими вместе с тросами необходимое гашение энергии воздействия и возврат системы в исходное положение.
Расстояние между подвижной площадкой, боковыми стенками и днищем выбирается с учетом исключения соударения при максимальном объемном сейсмовоздействии. Выбор рычажного варианта использования упругих элементов обусловлен тем, что витые пружины при малых отношениях Д/d, где Д - диаметр пружины, а d - диаметр прута, обладают значительной жесткостью при небольших габаритах.
Использование разноплечных рычагов позволяет преобразовать малые деформации небольших жестких пружин в значительный «ход» тросов, обеспечивающих необходимые характеристики компактных сейсмозащитных систем. При этом возможно регулирование жесткости подбором количества пружин и изменяя их натяжение регулировочными элементами.
Сейсмозащитная система может быть использована для защиты трубопроводов проложенных как на столбчатых, так и на четырехстоечных свайных опорах.
[1] Николаев А.К. и др. Конструкция анкерной опоры для надземных трубопроводов, прокладываемых в сейсмических районах // Горные машины и автоматика. - №12. - 2001. С.27.
[2] Гехман А.С. и др. Сейсмостойкость трубопроводов // Проектирование и строительство трубопроводов и газонефтепромысловых сооружений. - Обзор НИИЭСУ. - Нефтегазострой. - Москва. - 1977.