Способ закрепления опорных оснований морских сооружений на свайном поле и трубная составная стальная свая
METHOD OF FIXING SUPPORT BASES OF OFFSHORE STRUCTURES ON PILE FIELD AND PIPE COMPOSITE STEEL PILE

Изобретение относится к способам закрепления на свайном поле опорных оснований морских стационарных сооружений, таких, как морские платформы, а также к конструкциям применяемых стальных свай.
Известен способ закрепления трубных стальных свай в опорном основании морских стационарных сооружений, применяемый компанией Oil States Industries Inc. при помощи устройства Hydra-Lok Swaged Connection Systems (видео-публикация работы устройства размещена в сети Интернет: https://www.youtube.com/watch?v=FMRe5-Wozz4), при котором на морское дно устанавливают опорное основание стационарного морского сооружения, далее в дно забивают трубные сваи через направляющие гильзы, имеющие внутренние круговые проточки-углубления, после чего в сваи опускают специальное устройство, предназначенное для разжима свай и оснащенное гидравлическими домкратами, установленными таким образом, чтобы накладки штоков гидравлических домкратов располагались посередине внутренних круговых проточек-углублений гильз, затем создают давление в гидросистеме домкратов, при этом штоки через накладки давят на внутренние поверхности свай до достижения давления, при котором материал сваи (сталь) достигает предела текучести и стенка сваи вдавливается в проточку-углубление направляющей гильзы. После завершения процесса деформации стенки сваи давление в гидросистеме домкратов сбрасывают, штоки вместе с накладками возвращаются в исходное положение и специальное устройство вынимают из сваи. Контроль над процессом разжима сваи осуществляют по изменению давления в гидросистеме, а также при помощи специальных датчиков.
Однако, известный способ имеет недостатки, заключающиеся в том, что устройство Hydra-Lok Swaged Connection Systems является сложным оборудованием, для работы с которым требуется высокая квалификация обслуживающего персонала, а также для установки свай также требуется применение подъемно-транспортного оборудования большой мощности.
Также известен способ закрепления трубных стальных свай в направляющих гильзах опорного основания путем гидроразжима участка/участков сваи во внутренние круговые проточки в направляющей гильзе под действием давления воды, подаваемой вовнутрь изолированного участка сваи (патент US4501514 от 26.02.1985, МПК E02D5/54, B21D39/04). При этом способе герметизацию выбранного участка, обеспечение подачи воды и создание необходимого давления осуществляют с помощью спускаемого вовнутрь сваи устройства, на концах которого установлены надувные гибкие уплотняющие элементы.
Недостатком данного способа является то, что применяемое устройство для гидроразжима сложно в изготовлении и оно может быть настроено только для одного конкретного размера сваи и направляющей гильзы, а, кроме того, требуется изготовление специальных надувных гибких уплотняющих элементов и для установки свай необходимо применение подъемно-транспортного оборудования большой мощности.
Также известна система подводного соединения между опорами платформы и сваями фундамента (патент US4695202 от 22.09.1987, МПК E02B17/00), включающая анкерные цилиндры, закреплённые на опорах платформы, при этом анкерные цилиндры состоят из двух соосных цилиндров, один из которых является наружным цилиндром, имеет значительную толщину и выполнен из высокопрочной стали, а второй является внутренним цилиндром, имеет меньшую толщину и выполнен из стали с низким пределом текучести, причём внешний и внутренний цилиндры приварены встык друг к другу таким образом, чтобы образовать кольцевую камеру, а сваи выполнены из стали с высоким пределом текучести и имеют наружную поверхность с чередующимися пазами и зубцами. Во время подачи рабочей жидкости под высоким давлением внутрь камеры стенка внутреннего цилиндра деформируется и заходит в пазы соответствующей сваи, за счёт чего происходит закрепление опор платформы на сваях фундамента.
Однако, известная система имеет недостатки, заключающиеся в сложности монтажа анкерных цилиндров, а также в необходимости применения для установки свай подъемно-транспортного оборудования большой мощности.
Также известны технические решения, раскрытые в патенте на изобретение РФ №2689471, опубл. 28.05.2019, МПК E02B17/00, E02D5/54 «Способ крепления трубных стальных свай в опорном основании морских стационарных гидротехнических сооружений (платформ), а также устройство для его осуществления», выбранным в качестве прототипа. В соответствии с изобретением опорное основание морского сооружения устанавливают на морское дно, забивают трубные сваи через направляющие гильзы опорного основания в дно моря, спускают внутрь сваи устройство, оснащенное гидравлическими домкратами, чтобы накладки штоков гидравлических домкратов располагались по середине внутренней круговой проточки, выполненной в направляющей гильзе; создают давление в гидросистеме домкратов, штоки которых через накладки давят на внутреннюю поверхность сваи до достижения давлением величины, при которой напряжение в теле трубной сваи достигает предела текучести материала сваи; таким образом осуществляют деформацию тела сваи во внутреннюю круговую проточку направляющей гильзы; по окончании процесса деформации давление в гидросистеме домкратов сбрасывают, штоки домкратов вместе с накладками возвращаются в исходное положение и осуществляют подъем устройства, при этом контроль над процессом разжима материала сваи осуществляют по изменению давления в гидросистеме гидравлических домкратов.
Однако, известный способ имеет следующие недостатки:
1. Для спуска внутрь свай специального устройства, оснащенного гидравлическими домкратами, требуется применение сложного подъемно-транспортного оборудования большой мощности, что осложняется условиями выполнения работ в открытом море;
2. Для обеспечения радиальных уплотнений требуется высокая чистота поверхности сваи, в тех местах, где производится её разжим;
3. Для проведения работ требуется привлечение персонала высокой квалификации;
4. Отсутствует возможность применения, заранее настроенного на берегу оборудования к сваям другого диаметра.
Технической проблемой, решаемой настоящим изобретением является сложность и ненадёжность известных способов закрепления опорных оснований морских стационарных сооружений на свайном поле, состоящим из трубных стальных свай, исключающих возможность перемещения опорных оснований вдоль оси свай после их закрепления.
Техническим результатом настоящего изобретения является упрощение технологии и повышение надёжности закрепления опорных оснований морских стационарных сооружений на трубных стальных сваях, а также повышение производительности выполнения монтажных работ.
Указанный технический результат достигается за счёт применения способа закрепления опорных оснований морских сооружений на свайном поле, включающем установку через направляющие отверстия опорного основания морского сооружения трубных составных стальных свай, состоящих из отдельных секций, которые последовательно присоединяют друг к другу во время забивки свай в морское дно, при этом последняя, фиксирующая секция каждой сваи отличается от других секций тем, что внутри неё сформирована герметичная полость, а в направляющих отверстиях опорного основания на определённой высоте выполнены цилиндрические канавки. Далее, каждую фиксирующую секцию размещают напротив цилиндрических канавок, выполненных в соответствующем направляющем отверстии опорного основания и внутрь её герметичной полости под высоким давлением подают рабочую жидкость, например гидравлическое масло, после чего, при достижении предела текучести металла стенка фиксирующей секции деформируется и вдавливается в кольцевые канавки, выполненные в направляющем отверстии опорного основания, за счёт чего опорное основание жёстко фиксируется на свае, исключая возможность вертикальных перемещений вдоль её оси.
Для осуществления способа применяют специальную конструкцию трубной составной стальной сваи, которая состоит из отдельных секций, представляющих собой отрезки трубы, которые последовательно присоединяют друг к другу, например при помощи сварки, во время забивки сваи, причём последняя, фиксирующая секция отличается от других секций тем, что внутри неё сформирована герметичная полость, образованная с помощью двух перегородок (стальных пластин), приваренных сплошным швом к её стенке и расположенных на некотором расстоянии друг от друга, причём толщина этих перегородок превышает толщину стенки секции сваи, за счёт чего  при подаче рабочей жидкости под давлением в герметичную полость фиксирующей секции, её стенка деформируется преимущественно в радиальном направлении, поскольку её прочность (за счёт разницы в толщинах стенки и перегородок) в радиальном направлении меньше, чем в осевом.
Кроме того, для подачи рабочей жидкости, например, гидравлического масла под давлением в образованную герметичную полость, а также для стравливания воздуха из неё в одной из перегородок установлены штуцеры.
Также, для придания большей жёсткости соединения перегородок со стенкой секции, места соединения могут быть усилены при помощи дополнительных усиливающих конструктивных элементов, таких, как кницы, укосины, ребра жесткости и другие.
Также при помощи дополнительного усиливающего конструктивного элемента, такого, как например, стержень или труба, соединяющего обе перегородки, может быть обеспечена еще большая прочность конструкции фиксирующей секции в её осевом направлении.
Таким образом, за счёт применения трубной составной стальной сваи, состоящей из отдельных секций, последовательно присоединяемых друг к другу в процессе забивки сваи в грунт, исключается необходимость применения подъемно-транспортного оборудования большой мощности, которое обычно используют для подъёма и установки цельных свай.
Кроме того, такой способ посекционной забивки трубных составных стальных свай существенно снижает требования к техническому обеспечению процесса и мощности сваебойной установки, которая может быть установлена непосредственно на опорном основании морского стационарного сооружения, например, на кессоне морской платформы.
Заявляемый способ закрепления опорных оснований морских сооружений на свайном поле и конструкция трубной составной стальной сваи поясняются изображениями:
На фиг. 1 показано опорное основание морского стационарного сооружения (кессон) с установленной на нём сваебойной установкой;
На фиг. 2 показана конструкция фиксирующей секции трубной составной стальной сваи;
На фиг. 3 показано направляющее отверстие опорного основания морского стационарного сооружения с установленной в нём фиксирующей секцией трубной составной стальной сваи;
На фиг. 4 показано напряженно-деформированное состояние, возникающее в фиксирующей секции трубной составной стальной сваи под воздействием давления рабочей жидкости.
Для закрепления на свайном поле опорного основания 1 морского стационарного сооружения (фиг. 1), имеющего направляющие отверстия 2, предназначенные для направления и забивки свай, опорное основание размещают на дне, после чего через его направляющие отверстия 2 с помощью сваебойной установки 3 поочерёдно забивают секции трубной составной стальной сваи, и по мере погружения сваи в грунт последовательно их присоединяют (например, приваривают) друг к другу, при этом последняя, фиксирующая секция сваи (фиг. 2) отличается от других секций тем, что внутри неё сформирована герметичная полость, образованная при помощи двух перегородок (стальных пластин) 4, приваренных сплошным швом к её стенке 5 на некотором расстоянии друг от друга, причём толщина перегородок 4 превышает толщину стенки 5, за счёт чего прочность конструкции фиксирующей секции в осевом направлении больше, чем в радиальном, при этом, в одной из двух перегородок 4 установлены два штуцера: штуцер 6, предназначенный для подачи рабочей жидкости в герметичную полость под высоким давлением и штуцер 7, служащий для стравливания из неё воздуха.
Дополнительно, для придания большей жёсткости соединения перегородок 4 со стенкой секции 5, места соединения также могут быть усилены при помощи усиливающих конструктивных элементов, например, при помощи укосин 8, а за счёт установки такого дополнительного усиливающего элемента, как, стержень или труба 9, соединяющего перегородки 4, может быть обеспечена ещё большая прочность фиксирующей секции сваи в её осевом направлении.
Заявляемый способ закрепления опорных оснований морских сооружений на свайном поле осуществляют следующим образом.
Секции свай, представляющие собой отрезки трубы, заранее изготавливают на заводе-изготовителе и транспортируют на место установки опорного основания 1 морского стационарного сооружения, где при помощи сваебойной установки 3 производят последовательную забивку секций составной сваи через направляющие отверстия 2, выполненные в опорном основании 1 и соединение (например, сварку) секций между собой. При этом, последняя из монтируемых секций является фиксирующей секцией и конструктивно отличается от других секций тем, что внутри неё сформирована герметичная полость, образованная стенкой секции 5 и двумя перегородками 4.
При этом, в направляющих отверстиях 2 опорного основания 1 выполнены цилиндрические канавки 10 (фиг. 3), предназначенные для фиксации опорного основания 1 на трубной составной стальной свае.
Во время забивки последней фиксирующей секции составной стальной сваи, её размещают напротив канавок 10, выполненных в направляющем отверстии 2 опорного основания 1, после чего внутрь герметичной полости, сформированной в фиксирующей секции сваи, через штуцер 6 подают рабочую жидкость при помощи насоса высокого давления до полного стравливания воздуха, выходящего через штуцер 7. После чего штуцер 7 заглушают и продолжают нагнетать рабочую жидкость через штуцер 6 в герметичную полость. При достижении давления рабочей жидкости, превышающего предел текучести материала (стали) стенки фиксирующей секции сваи происходит её деформация (фиг. 4), поскольку прочность фиксирующей секции сваи в радиальном направлении меньше, чем в осевом, за счёт того, что толщина перегородок 5 превышает толщину стенки. Материал стенки сваи вдавливается в кольцевые канавки 10, выполненные в соответствующем направляющем отверстии 2 опорного основания 1 и принимает их форму, за счёт этого происходит фиксация опорного основания 1 на трубной составной стальной свае, при этом исключается возможность вертикальных перемещений опорного основания 1 вдоль оси трубной составной стальной сваи.
Таким образом, достигается технический результат, состоящий в упрощении технологии и повышении надёжности закрепления опорных оснований морских стационарных сооружений на трубных стальных сваях, а также в повышении производительности при выполнении монтажных работ, за счёт более низкой стоимости используемого оборудования и относительной простоты технологии установки свай, а также за счёт низких требования к техническому обеспечению и мощности сваебойной установки, которая может быть установлена непосредственно на опорном основании морского стационарного сооружения.