Способ крепления трубных элементов узла крепления сваи и устройства для реализации способа
METHOD FOR FASTENING PIPE ELEMENTS OF A PILE FASTENING UNIT AND A DEVICE FOR IMPLEMENTING THE METHOD

Изобретение относится к строительству искусственных сооружений, например морских платформ, а именно к конструкции крепления свайной трубной опоры в предварительно изготовленном и расположенном основании морской стационарной платформы, и может применяться, например, в условиях Севера.
Для закрепления трубчатой сваи в гильзе используют способ гидроразжима. Этот способ подразумевает разжим внутреннего трубчатого элемента, установленного во внешнем трубчатом элементе при соединении двух трубчатых свай.
Так, в патенте США (US 4501514 от 26.02.1985), выбранном в качестве прототипа, описан такой способ крепления конструкции к морскому дну. Он включает размещение основания морской платформы на морском дне и вставку трубчатой сваи в морское дно так, чтобы трубчатая свая и направляющая гильза, являющаяся частью основания морской платформы, образовывали пару вложенных элементов, из которых трубчатая свая является внутренним элементом, а гильза является внешним элементом. После чего вводят внутрь трубчатой сваи оправку, несущую на своей внешней поверхности надувные средства, снабженные усилением для предотвращения их осевого деформирования, получая замкнутую камеру. Вводят жидкость внутрь трубчатой сваи для расширения образовавшейся камеры в радиальном направлении и тем самым пластически деформируют трубчатую сваю в радиальном направлении, что заставляет ее взаимодействовать с гильзой, чтобы образовать механическое соединение между ними.
Также давление во внутреннем трубчатом элементе возможно организовать домкратами, установленными перпендикулярно оси труб. Наиболее разумно использовать гидравлические домкраты.
При этом при строительстве искусственных сооружений, например, морских платформ требуется использование трубных свай с большой толщиной стенки, около 100 мм. Это вызвано тем, что трубы с меньшей толщиной стенки могут быть деформированы в результате воздействия на них внешних сил, связанных с переменными поперечными и продольными нагрузками, вызванными перемещением морской платформы из-за морских течений, волнения моря, приливов и отливов, сейсмических нагрузок и пр.
Необходимость использования трубных свай с большой толщиной стенки при применении способа гидроразжима в низких температурах, которые наблюдаются, например, в акватории Северного Ледовитого океана, часто приводит к возникновению внутренних дефектов, например трещин или расслоений, в теле стенки разжимаемой трубной сваи.
Для возможности деформации при низких температурах окружающей среды способом гидроразжима трубную сваю со стенками большой толщины необходимо изготавливать из специальных сталей с добавками, обеспечивающими заданный предел текучести металла сваи и исключающий возникновения внутренних дефектов. Однако такое решение проблемы является очень дорогим.
Задачей настоящего изобретения является снижение стоимости строительства искусственных сооружений с использованием способа гидроразжима для крепления свайной трубы в направляющую гильзу.
Техническим результатом настоящего изобретения является возможность использования труб стандартного ассортимента при строительстве искусственных морских сооружений с использованием способа гидроразжима.
Задача решается, а технический результат достигается тем, что используется способ крепления трубных элементов узла крепления сваи, при котором во внешний трубный элемент узла крепления, снабженный по меньшей мере одной проточкой, вставляют внутренний трубный элемент сваи и разжимают под давлением стенки внутреннего трубного элемента сваи так, что они входят в зацепление в зоне проточки с внешним трубным элементом с образованием механического соединения элементов. При этом перед приложением разжимающего давления стенку внутреннего элемента нагревают в зоне разжима.
В частном случае нагрев стенки внутреннего элемента осуществляют за счет подачи нагретого теплоносителя. При этом в качестве теплоносителя возможно использовать воду.
В частном случае нагрев стенки внутреннего трубного элемента осуществляют за счет работы электрического нагревательного устройства. При этом в качестве электрического нагревательного устройства используют высокочастотное нагревательное устройство, например, возможно использовать индуктор.
В другом варианте в качестве электрического нагревательного устройства возможно использовать нагревательные элементы прямого нагрева, например возможно использования тэнов.
Предложенный в изобретении способ с предварительным нагревом стенки внутреннего элемента позволяет обеспечить заданный предел текучести металла трубного элемента и исключить возникновение внутренних дефектов.
Также задача решается, а технический результат достигается тем, что устройство для крепления трубных элементов содержит центраторы, уплотнительные и опорные сегменты, а также узел подачи рабочего давления для разжима стенки внутреннего трубного элемента. При этом устройство снабжено отверстиями для подачи нагревающего теплоносителя.
Также задача решается, а технический результат достигается тем, что устройство для крепления трубных элементов содержит центраторы, уплотнительные и опорные сегменты, а также узел для подачи рабочего давления для разжима стенки внутреннего элемента. При этом устройство снабжено электрическим нагревательным устройством для нагрева стенок внутреннего трубного элемента.
В частном случае в качестве электрического нагревательного устройства для нагрева стенок внутреннего трубного элемента возможно применение высокочастотного устройства, например индуктора.
В частном случае в качестве электрического нагревательного устройства для нагрева стенок внутреннего трубного элемента может применяться нагревательное устройство прямого нагрева, например, тэн.
В частном случае узел для подачи рабочего давления для разжима стенки внутреннего элемента может быть выполнен в виде отверстий, через которые подают жидкость.
В частном случае выполнение узла для подачи рабочего давления для разжима стенки внутреннего элемента возможно в виде разжимающих домкратов.
Выполнение устройства для крепления трубных элементов, содержащих центраторы, уплотнительные и опорные сегменты, а также с отверстиями для подачи рабочего давления для разжима стенки внутреннего трубного элемента позволяет применить способ гидроразжима. Также для разжима стенки внутреннего трубного элемента возможно использование домкратов, например, гидродомкратов.
При этом наличие отверстий с клапанами для подачи нагревающего теплоносителя позволяет прогреть стенку внутреннего трубного элемента в зоне разжима, тем самым обеспечить заданный предел текучести металла сваи. Это позволяет получить технический результат, а именно применение труб стандартного ассортимента, исключив использование при производстве труб специальных дорогостоящих добавок, что, в свою очередь приводит к решению поставленной задачи - снижению стоимости строительства.
Также получить технический результат, применение труб стандартного ассортимента, исключив использование специальных дорогостоящих добавок, и решить поставленную задачу, снижение стоимости строительства, позволяет использование в устройстве для крепления трубных элементов методом гидроразжима электрического нагревательного устройства для нагрева стенок внутреннего трубного элемента. В качестве электрического нагревательного устройства возможно применение как высокочастотного электрического нагревательного устройства, например индуктора, так и электрического нагревательного устройства прямого нагрева, например тэна. Также возможно применение и других подобных устройств для нагрева стенок внутреннего трубного элемента.
При этом в качестве высокочастотного нагревательного устройства возможно использование индуктора, нагревательных элементов прямого нагрева и других подобных устройств.
Необходимо отметить, что использование сталей, пригодных для проведения технологий разжима, например Е36, S355 или российского аналога 17Г1С, предполагает их использование в условиях, близким к критическим. В таких условиях оптимизация температуры стали при проведении процесса разжима во многих случаях является критическим параметром для качественного выполнения технологической операции. Установлено, что при температурах, близких к 0°С, хладноломкость стали существенно возрастает, что может вызвать растрескивание металла сваи при разжиме и, соответственно, может вызвать аварийные ситуации с последующими затратами на их устранение. Поэтому в данной технологии корректировка температуры элементов сваи при осуществлении технологического процесса имеет существенное, а во многих случаях и решающее, значение для качественного крепления трубных элементов узла сваи.
Известно, что хладноломкость увеличивается при повышении содержания углерода и снижается при увеличении температуры. Отсюда следует, что повышение температуры используемой в трубах стали позволяет получить указанный в предложенном изобретении технический результат, а именно возможность использования труб стандартного ассортимента при строительстве искусственных морских сооружений с использованием способа гидроразжима.
В последующем заявляемое изобретение поясняется подробным описанием конкретных, но не ограничивающих настоящее решение, примеров его выполнения и прилагаемыми чертежами, на которых:
фиг. 1 - схематично показано устройство с подачей нагревающего теплоносителя;
фиг. 2 - схематично показано устройство с системой нагревательных элементов для нагрева стенок внутреннего трубного элемента;
фиг. 3 - схематично показана закрепленная свайная труба в направляющей гильзе способом гидроразжима;
фиг.4 - схематично показан вариант разжима внутреннего элемента при помощи домкратов.
Устройство для крепления трубных элементов (фиг.1) содержит корпус 1 с установленными на нем центраторы (на фиг.1 не показаны), уплотнительные и опорные сегменты 2, отверстия 3 с клапанами для подачи рабочего давления воды 6 для разжима стенки внутреннего трубного элемента 7. Устройство снабжено системой 4 с клапанами 5 для подачи и вывода нагревающего теплоносителя, в конкретном случае воды 6. На стенке внутреннего трубного элемента 7 в непосредственной близости от зоны нагрева установлен температурный датчик 8.
Устройство для крепления трубных элементов, схематично изображенное на фиг. 1, работает следующим образом. После установки внутреннего трубного элемента 7, в конкретном примере трубчатой сваи, во внешний трубный элемент 9, в конкретном примере в направляющую гильзу, во внутренний трубный элемент 7 опускают корпус 1 устройства для крепления трубных элементов. Уплотнительные и опорные сегменты 2, расположенные на верхней и нижней сторонах корпуса 1 устройства для крепления трубных элементов должны быть расположены выше и ниже зоны гидроразжима внутреннего трубного элемента 7, определяемой наличием внутренних проточек 10 внешнего трубного элемента 9.
В объем, образованный уплотнительными и опорными сегментами 2, корпусом 1 устройства для крепления трубных элементов и стенкой внутреннего трубного элемента 7, по системе 4 подачи и вывода нагревающего теплоносителя подают нагретую воду 6. Нагрев воды 6 возможно производить, например, в бойлере, установленном отдельно. Температуру стенки внутреннего трубного элемента 7 определяют по температурному датчику 8, установленному в непосредственной близости от зоны нагрева. В качестве температурного датчика может выступать, например, термопара. По сигналу от температурного датчика 8, оповещающему о нагреве стенки внутреннего трубного элемента 7 до заданной температуры, производят отключение подачи горячей воды 6, перекрывая клапаны 5.
Включают систему подачи воды 6 устройства для крепления трубных элементов и, через отверстия 3, расположенные в корпусе 1, создают рабочее давление воды 6 для разжима стенки внутреннего трубного элемента 7. После того, как стенки внутреннего трубного элемента 7 входят в зацепление в зоне проточек 10 с внешним трубным элементом 9 с образованием механического соединения элементов, как это показано на фиг.3, рабочее давление воды 6 сбрасывают, и корпус 1 устройства для крепления трубных элементов поднимают из внутреннего трубного элемента 7.
Устройство для крепления трубных элементов (фиг.2) содержит корпус 1 с установленными на нем центраторы (на фиг.2 не показаны), уплотнительные и опорные сегменты 2, отверстия 3 с клапанами для подачи рабочего давления воды 6 для разжима стенки внутреннего трубного элемента 7. Устройство снабжено системой для включения и выключения нагревательных элементов 11 с реле 12. В качестве нагревательных элементов 11 возможно применение, например, индуктора, нагревательных элементов прямого нагрева и других подобных устройств. В некоторых случаях нагревательные электрические элементы 11 могут быть изолированы от воды 6, используемой при гидроразжиме. В этом случае необходимо предусмотреть их защиту от влаги перед включением системы подачи воды 6 устройства для крепления трубных элементов.
На стенке внутреннего трубного элемента 7 в непосредственной близости от зоны нагрева установлен температурный датчик 8.
Устройство для крепления трубных элементов, схематично изображенное на фиг. 2, работает следующим образом. После установки внутреннего трубного элемента 7, в конкретном примере трубчатой сваи, во внешний трубный элемент 9, в конкретном примере в направляющую гильзу, во внутренний трубный элемент 7 опускают корпус 1 устройства для крепления трубных элементов. Уплотнительные и опорные сегменты 2, расположенные на верхней и нижней сторонах корпуса 1 устройства для крепления трубных элементов должны быть расположены выше и ниже зоны гидроразжима внутреннего трубного элемента 7, определяемой наличием внутренних проточек 10 внешнего трубного элемента 9.
Включают реле 12 системы для включения и выключения нагревательных элементов 11, которым снабжено устройство. В результате воздействия, производимого на стенку внутреннего трубного элемента 7 нагревательных элементов 11, например, индуктора, она нагревается. Температуру стенки внутреннего трубного элемента 7 определяют по температурному датчику 8, установленному в непосредственной близости от зоны нагрева. В качестве температурного датчика может выступать, например, термопара. По сигналу от температурного датчика 8, оповещающему о нагреве стенки внутреннего трубного элемента 7 до заданной температуры, производят отключение нагревательных элементов 11, используя реле 12.
В некоторых случаях нагревательные электрические элементы 11 должны быть изолированы от воды 6, используемой при гидроразжиме.
Также по сигналу от температурного датчика 8, оповещающему о нагреве стенки внутреннего трубного элемента 7 до заданной температуры, включают систему подачи воды 6 устройства для крепления трубных элементов и, через отверстия 3, расположенные в корпусе 1, и создают рабочее давление воды 6 для разжима стенки внутреннего трубного элемента 7. После того как стенки внутреннего трубного элемента 7 входят в зацепление в зонах проточек 10 с внешним трубным элементом 9 с образованием механического соединения элементов, как это показано на фиг.3, рабочее давление воды 6 сбрасывают, и корпус 1 устройства для крепления трубных элементов поднимают из внутреннего трубного элемента 7.
Как вариант, возможно производить разжим при помощи домкратов 13, схематично изображенных на фиг.4. Действия, необходимые для разжима домкратами стенок внутреннего трубного элемента 7, согласно предлагаемому изобретению аналогичны вышеописанным. Сначала производят нагрев стенок внутреннего трубного элемента 7 до заранее выбранной температуры, а затем производят их разжим домкратами 13. Предпочтительно использовать гидродомкраты.
Предлагаемое изобретение предпочтительно использовать в условиях Севера, например, при строительстве морских стационарных платформ в акватории Северного Ледовитого океана. Однако также целесообразно использовать предлагаемое изобретение и в зимних условиях в других местах, что позволяет уменьшить сроки строительства, сокращая строительные перерывы на зимний период.