АНКЕР ДЛЯ ЗАКРЕПЛЕНИЯ ТРУБОПРОВОДА
ANCHOR FOR FIXATION OF PIPELINE

Изобретение относится к трубопроводному транспорту и может быть использовано для закрепления трубопроводов от всплытия при эксплуатации.
Из области техники известны винтовые анкерные устройства (например, ВАУ-1), попарно вворачиваемые в грунт основания траншеи строящегося или ремонтируемого трубопровода, справа и слева от труб, включающие заглубляемые оголовки со спиральной лопастью, а также штанги, нижней частью жестко присоединенные к заглубляемым оголовкам, а верхней, находящейся выше уровня дна траншеи - к концам силового пояса, охватывающего трубы сверху. [СП 107-34-96. Балластировка, обеспечения устойчивости положения газопроводов на проектных отметках. - М.: ИРЦ Газпром. - 1996].
Недостатками приведенных аналогов являются:
1) Невозможность применения винтовых анкеров в несвязных рыхлых сухих или водонасыщенных грунтах вследствие малой площади контактирующих с грунтом спиральных лопастей, и, соответственно, недостаточной несущей способности анкера.
2) Снижение несущей способности грунтов над анкером вследствие их разрыхления (нарушения структуры) врезающейся в грунт при установке анкера спиральной лопастью.
Известен способ закрепления трубопровода на проектных отметках и устройство для его осуществления [Патент РФ №2406002, F16L 1/06, E02D 5/80, E02D 5/54, опубл. 10.12.2010, бюл. №34], заключающийся в установке в грунт винтовых анкеров, включающих, монтажные штанги многоразового использования, а также полые стержни с полыми винтовыми наконечниками, винтовые лопасти которых дополнительно содержат выдвижные крепежные элементы, выполненные в виде многоступенчатых телескопических гидроцилиндров одностороннего действия, вдавливаемых в грунт под воздействием подаваемой под давлением во внутреннюю полость стержней и винтовых наконечников текучей отверждающейся рабочей среды.
Недостатками приведенного аналога являются:
1) Невозможность использования устройства в рыхлых несвязных грунтах вследствие относительно малой площади контакта с грунтом выдвижных крепежных элементов, малые размеры которых обусловлены необходимостью размещения в утолщениях лопастей полых винтовых наконечников.
2) Повышение трудоемкости закрепления трубопровода из-за необходимости ввода дополнительных операций по подаче под давлением в полость стержней и полых наконечников отверждающейся рабочей среды.
Известен свайный раскрывающийся анкер АР-401, представляющий собой штангу в виде трубы с заостренным наконечником в нижней части, содержащую расположенные попарно, в два яруса, шарнирно закрепленные на штанге, четыре лопасти трапецеидальной формы. Анкер погружается в грунт под действием ударной нагрузки, прикладываемой к оголовку, расположенному в верхней части штанги. Раскрытие лопастей анкера происходит при обратном частичном извлечении из грунта анкера трубоукладчиком [СП 107-34-96. Балластировка, обеспечения устойчивости положения газопроводов на проектных отметках. - М.: ИРЦ Газпром. - 1996].
Недостатками приведенного аналога являются:
1) Значительная материалоемкость и вес конструкции, обусловленный импульсным ударным способом заглубления, и, как следствие, необходимостью использования массивных стальных деталей (штанг, лопастей) повышенной прочности.
2) Возможное неполное раскрытие всех или некоторых лопастей при обратном частичном извлечении анкера, например, вследствие значительного уплотнения грунта в процессе ударной установки.
3) Возможность разрушения анкера при наличии в грунте, например, крупных камней, из-за использования импульсного ударного способа установки (вдавливания), не допускающего плавного изменения параметров силового воздействия и их контроля в процессе установки анкера.
4) Необходимость использования плоских лопастей для снижения сопротивления грунта заглублению анкера, соответственно, обусловленная формой лопастей их недостаточная прочность и жесткость.
Известен раскрывающийся анкер [Авторское свидетельство СССР №890004 F16L 1/04, опубл. 15.12.81, бюл. №46], включающий оголовок с поворотными лопастями в виде жестких желобов трапециевидного сечения, зонтичным механизм привода лопастей с подвижной втулкой, спицами и подкосами, а также штангу. Анкер погружают ударным методом на заданную глубину, после чего механически воздействуя на механизм привода лопастей, вызывают их раскрытие.
Недостатками приведенного аналога являются:
1) Сложность конструкции из-за наличия элементов механизма привода лопастей (втулки, спиц, подкосов).
2) Ненадежность конструкции, вызванная возможным повреждением механизма привода лопастей при ударном заглублении анкера.
3) Невозможность обеспечения большой эффективной площади контакта лопастей с грунтом из-за ограниченных размеров размещенного в оголовке механизма привода.
Известен способ установки винтового анкера с раскрывающимися упорами [Авторское свидетельство СССР №672291, E02D 5/80, E02D 5/56, опубл. 06.07.1979, бюл. №25], заключающийся в вворачивании в грунт с помощью демонтируемой полой тяги винтового анкера, включающего винтовые лопасти, подвижно закрепленные на корпусе упоры и гибкую тягу, раскрытии упоров за счет сопротивления грунта при неполном обратном извлечении анкера под воздействием прикладываемого к гибкой тяге вытягивающего усилия, присоединении анкера к закрепляемому объекту.
Недостатками приведенного аналога являются:
1) Невозможность гарантированной фиксации анкера на заданной глубине из-за рисков неполного раскрытия упоров и протаскивания с анкером объема грунта над спиральными лопастями корпуса при обратном извлечении анкера.
2) Недостаточная надежность анкера вследствие вероятности разрушения и деформации упоров при несимметричном раскрытии.
Наиболее близким к заявленному изобретению является раскрывающийся анкер трубопровода [Авторское свидетельство СССР №1569499, F16L 1/028, опубл. 07.06.90, бюл. №21], включающий забивной инвентарный стержень, парные поворотные лопасти, соединенные в нижней части с помощью поперечного шарнирного пальца, а также гибкую петлевую тягу, замыкаемую вокруг трубопровода, охватывающую палец снизу. При установке парные лопасти прилегают к стенкам инвентарного стержня, при этом сам стержень нижним концом упирается в соединяющий лопасти палец. После достижения заданной глубины, инвентарный стержень извлекают, при этом обеспечивается начальный поворот лопастей за счет взаимодействия выступов инвентарного стержня с кромками окон, выполненных в лопастях. Полное раскрытие лопастей достигается за счет вытягивающего усилия, прикладываемого к гибкой петлевой тяге, огибающей соединяющий лопасти палец снизу.
Недостатками приведенного прототипа являются:
1) Сложность соблюдения проектной траектории заглубления раскрывающегося анкера при его забивке в неоднородных грунтах, например, слоисто наклонных или с твердыми включениями.
2) Малая надежность, высокая вероятность деформации конструкции, при вытягивании головки раскрывающегося анкера на заключительном этапе монтажа, ввиду особенностей геометрии поворотных лопастей.
3) Малая несущая способность раскрывающегося анкера, обусловленная наличием продольных окон в лопастях.
4) Невозможность закрепления анкера в плотном грунте, обусловленная недостаточным усилием для вдавливания лопастей в грунт, сообщаемым выступами извлекаемого инвентарного стержня кромкам окон лопастей, соответственно, сцепленные с выступами инвентарного стержня сложенные лопасти, имеют риски извлечения вместе с извлекаемым стержнем полностью или частично до некоторой глубины.
Задачей изобретения является создание анкера для закрепления трубопровода, исключающего указанные недостатки аналогов и прототипа.
Техническим результатом изобретения является увеличение конструкционной надежности и несущей способности анкера, обеспечение гарантированного раскрытия анкера на заданной глубине.
Поставленная задача и технический результат в анкере для закрепления трубопровода, включающем две раскрывающиеся лопасти с выступами, подвижно соединенные в нижней части с помощью высокопрочной оси, извлекаемый инвентарный стержень с отверстиями под выступы раскрывающихся лопастей, а также трос, решаются тем, что раскрывающиеся лопасти имеют полуцилиндрическую форму, с верхними кромками в виде заостренных косых срезов, в нижней части выполнены в виде полуконусов, оснащенных усиливающими Г-образными элементами и спиральными пластинами и образующих в сложенном виде цилиндрический оголовок.
Сущность изобретения поясняется на фиг. 1-8. На фиг. 1 показан устанавливаемый в грунт анкер. На фиг. 2 показано закрепление трубопровода с помощью раскрывающегося анкера. На фиг. 3 показана лопасть. На фиг. 4 показано соединение лопастей. На фиг. 5 показано закрепление троса. На фиг. 6 показан анкер в установочном положении. На фиг. 7 показано предварительное раскрытие лопастей на малый угол. На фиг. 8 показано полное раскрытие лопастей.
Анкер имеет следующую конструкцию.
Анкер состоит из вворачиваемого в грунт 1 (фиг. 1) раскрывающегося цилиндрического оголовка 2, оснащенного спиральными пластинами 3, присоединяемого к инвентарному стержню 4, демонтируемому после достижения раскрывающимся цилиндрическим оголовком 2 заданной глубины, а также троса 5, соединяющего раскрывающийся цилиндрический оголовок 2 (фиг. 2) с силовым поясом 6 закрепляемого трубопровода 7.
Раскрывающийся цилиндрический оголовок 2 (фиг. 1) состоит из двух шарнирно соединенных между собой в нижней части, имеющих полуцилиндрическую форму лопастей 8 (фиг. 3), верхние кромки которых выполнены в виде заостренных косых срезов 9, а нижние - в виде полуконусов 10, плоскость разреза которых повернута относительно плоскости разреза лопастей 8 на 90°. С наружной стороны каждой лопасти 8 размещены спиральные пластины 3, с внутренней стороны - выступ 11 и усиливающий Г-образный элемент 12 (фиг. 3) с отверстием 13.
Выступ 11 (фиг. 3) представляет собой призму, у которой одна грань со стороны полуконуса 10 и усиливающего Г-образного элемента 12 выполнена наклонной, противоположная ей, расположенная со стороны заостренного косого среза 9 лопасти 8 - прямой с прямоугольной впадиной 14, остальные - прямыми, перпендикулярными основанию выступа 11.
Усиливающий Г-образный элемент 12 (фиг. 3) полностью перекрывает плоскость разреза полуконуса 10 и частично - поперечное сечение лопасти 8 в месте перехода лопасти 8 в полуконус 10. Отверстие 13 выполнено в части усиливающего Г-образного элемента 12, перекрывающей плоскость разреза полуконуса 10, при этом ось отверстия 13 пересекает под прямым углом ось лопасти 8.
Для обеспечения подвижного соединения лопастей 8 (фиг. 4) используется высокопрочная ось 15, устанавливаемая в отверстия 16, выполненные в стенке лопастей 8 по оси отверстий 13 усиливающего Г-образного элемента 12. Поворот соединенных между собой лопастей 8 на высокопрочной оси 15 происходит по плоскости разреза полуконусов 10.
Трос 5 (фиг. 1) с парными петлями 17 (фиг. 5) на нижнем конце присоединяется к высокопрочной оси 15, соединяющей лопасти 8, а также к охватывающему трубопровод 7 (фиг. 1) силовому поясу 6.
Заглубление анкера выполняют методом вращения, для чего к инвентарному стержню 4 (фиг. 6) многоразового использования, выполненному в виде тонкостенной трубы, присоединяют образующие раскрывающийся цилиндрический оголовок 2 (фиг. 1) сложенные лопасти 8 (фиг. 6). Инвентарный стержень 4 верхней частью присоединяется к вращающему подающему механизму (на фиг. не показан), а нижней, с помощью прямоугольных отверстий 18, выполненных в боковой стенке инвентарного стержня 4, входит в зацепление с выступами 11, обеспечивающими передачу вращающего усилия от инвентарного стержня 4, к находящимся в сложенном состоянии лопастям 8. При этом верхние границы прямоугольных отверстий 18 входят в прямоугольные впадины 14 граней выступов 11, расположенных со стороны косых срезов лопастей 8, чем достигается предотвращение возможности раскрытия лопастей 8 при заглублении.
Перемещение анкера в грунте (на фиг. не показан) при вворачивании происходит за счет врезающихся в грунт 1 (фиг. 1) спиральных пластин 3 на боковых поверхностях лопастей 8 (фиг. 6). При установке анкера, трос 5 протягивается через внутреннюю полость инвентарного стержня 4.
При достижении анкером заданной глубины инвентарный стержень 4 (фиг. 7) извлекают, при этом нижняя кромка прямоугольных отверстий 18 инвентарного стержня 4, взаимодействуя с наклонными гранями выступов 11 лопастей 8, обеспечивает, вдавливание заостренных косых срезов 9 лопастей 8 в разрыхленный спиральными пластинами 3 грунт 1 (фиг. 1), чем достигается предварительное раскрытие лопастей 8 (фиг. 7) на малый угол.
Полное раскрытие лопастей 8 (фиг. 8) достигается за счет передачи на трос 5 контролируемого по динамометру (на фиг. не показан) растягивающего усилия 19. При этом лопасти 8 раскрываются за счет врезания в грунт 1 (фиг. 1) заостренных косых срезов 9, а на начальном этапе раскрытия, также за счет поворотного момента 20, образуемого при воздействии грунта 1 (фиг. 1) в направлении 21 (фиг. 8) на верхнюю поверхность спиральных пластин 3.
Максимальный угол раскрытия лопастей 8 (фиг. 4) достигается при упоре полуконусов 10 в части усиливающих Г-образных элементов 12, частично перекрывающей поперечное сечение лопасти 8 в месте перехода в полуконус 10.
Пример
Необходимо установить анкер для закрепления трубопровода от всплытия.
На трассу сооружаемого трубопровода 7 (фиг. 2) доставляют комплекты анкеров в разобранном состоянии, содержащие две лопасти 8 (фиг. 4), высокопрочную ось 15 с крепежными элементами (на фиг. не показаны), трос 5 (фиг. 5) с парными петлями 17 на нижнем конце.
Установочный вращательный подающий механизм (на фиг. не показан) с закрепленным инвентарным стержнем 4 (фиг. 6) размещают в месте установки анкера, при этом высота нижнего торца вертикально ориентированного инвентарного стержня 4 определяется по условию соответствия высоты прямоугольных отверстий 18 от уровня поверхности грунта 1 (фиг. 1) расстоянию между концом полу конуса 10 (фиг. 6) и выступом 11 лопасти 8.
Проводят трос 5 (фиг. 6) через полость инвентарного стержня 4, укладывают под инвентарным стержнем 4 и совмещают в раскрытом положении лопасти 8 (фиг. 4) по плоскости разреза полуконусов 10, устанавливают в отверстия 13 и 16 высокопрочную ось 15, с помощью парных петель 17 (фиг. 5) присоединяют трос 5 к высокопрочной оси 15, при этом, для равномерного приложения растягивающего усилия 19 (фиг. 8) к высокопрочной оси 15, парные петли 17 (фиг. 5) троса 5 располагают симметрично относительно плоскостей разреза полуконусов 10 совмещенных раскрытых лопастей 8.
Складывают лопасти 8 (фиг. 6) таким образом, чтобы выступы 11 вошли в прямоугольные отверстия 18. Удерживая лопасти 8 от раскрытия, опускают инвентарный стержень 4 на величину, достаточную для вхождения верхних кромок прямоугольных отверстий 18 во впадины 14 выступов 11. Вворачивают сложенные лопасти 8 (фиг. 6) в грунт 1 (фиг. 1) на заданную глубину, извлекают инвентарный стержень 4 (фиг. 7), при этом прямоугольные отверстия 18, воздействуя нижней кромкой на наклонные грани выступов 11, вжимают заостренные косые срезы 9 лопастей 8 в разрыхленный спиральными пластинами 3 (фиг. 1) грунт 1.
Выполняют полное раскрытие лопастей 8 (фиг. 8), для чего к тросу 5 прикладывают растягивающее усилие 19. При этом, в начальный момент, взаимному повороту лопастей 8 также способствует поворотный момент 20, образующийся за счет воздействия грунта 1 (фиг. 1) на верхнюю плоскость спиральных пластин 3. Далее лопасти 8 (фиг. 8) врезаются в грунт 1 (фиг. 1), раскрываясь до предельно возможного положения и тем самым препятствуя дальнейшему извлечению анкера.
Увеличение конструкционной надежности достигается за счет использования раскрывающихся лопастей повышенной жесткости и прочности, обеспеченной за счет полуцилиндрической формы лопастей, а также использования Г-образных усиливающих элементов, дополнительно повыщающих жесткость и прочность раскрывающихся лопастей. Лопасти полуцилиндрической формы обладают меньшей величиной деформации под нагрузкой, чем лопасти плоской формы, при условии равенства геометрических размеров (длина, ширина) и идентичности величины нагрузки.
Увеличение несущей способности обусловлено:
- возможностью применения раскрывающихся лопастей больших геометрических размеров, обладающих большей площадью контакта с грунтом, без угрозы деформации в процессе монтажа и эксплуатации, за счет применения лопастей полуцилиндрической формы, обладающих повышенной прочностью и жесткостью;
- надежной фиксацией лопастей в раскрытом положении, достигаемой использованием усиливающих Г-образных элементов, исключающих раскрытие лопастей на нерасчетные углы, при которых наблюдается деформация конструкции анкера.
Гарантированное раскрытие анкера на заданной глубине достигается за счет выполнения верхних кромок лопастей, врезающихся при раскрытии анкера в грунт, в виде заостренных косых срезов, обеспечивающих снижение сопротивления грунта по сравнению с плоскими прямыми кромками лопастей прототипа.