Способ крепления трубных стальных свай в опорном основании морских стационарных сооружений с использованием эластичных сред (эластомера), а также устройство для его осуществления.
METHOD FOR FASTENING PIPE STEEL PILES IN THE SUPPORT BASE OF OFFSHORE FIXED STRUCTURES USING ELASTIC MEDIA (ELASTOMER), AS WELL AS A DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION.

Изобретение относится к строительству морских и сухопутных сооружений, причалов, стационарных нефтяных/газовых добывающих платформ, блок-кондукторов, морских нефтяных терминалов свайного/свайно-гравитационного типа, а именно к технологии крепления трубных стальных свай в опорном основании сооружений.
Известен способ крепления трубных стальных свай в опорном основании путем гидроразжима участка сваи во внутренние круговые проточки в гильзе под действием давления воды, подаваемой вовнутрь изолированного участка сваи (патент US 4501514 от 26.02.1985). Изоляция (герметизация) выбранного участка, обеспечение подачи воды и создание необходимого давления осуществляется с помощью спускаемого вовнутрь сваи устройства, на концах которого установлены надувные гибкие уплотняющие элементы.
Основной недостаток данного способа связан с возможностью неравномерного разжима участка сваи при нарушении центровки ее внутри гильзы, а также с устройством для гидроразжима, которое сложно в изготовлении, а смена надувных гибких уплотняющих элементов в полевых условиях трудоемка, что в итоге значительно удорожает весь процесс крепления свай в опорном основании морских стационарных сооружений (платформ).
Наиболее близким к заявленному техническому решению является способ крепления трубных свай в опорном основании морских стационарных сооружений, при котором разжим участка забитой в дно моря сваи в гильзе опорного основания осуществляется при помощи спускаемого вовнутрь сваи устройства, оснащенного гидравлическими домкратами. При создании давления в гидросистеме домкратов штоки домкратов, движущиеся одновременно в радиальном направлении по отношению к оси сваи, через накладки разжимают стенки сваи во внутреннюю круговую проточку гильзы (патент RU2689471C1 опубл. 28.05.2019 г.).
Недостатками данного технического решения являются:
- значительные силы трения, возникающие в зоне контакта «накладка штока домкрата - внутренняя поверхность разжимаемой сваи» вызывают необходимость дополнительно увеличивать давление разжима на преодоление сил трения;
- при применении указанного способа не достигается за один процесс разжим сваи по всему (100%) внутреннему диаметру круговой проточки гильзы;
- в процессе разжима участка трубной стальной сваи, находящегося под водой, штока гидравлических домкратов находятся под воздействием воды, вызывающие коррозию металла, что снижает срок службы гидравлических домкратов.
Задачей заявленного изобретения является создание способа крепления трубных свай в опорном основании морских стационарных сооружений, включая устройство, позволяющего устранить вышеуказанные недостатки.
Техническим результатом заявленного изобретения является повышение надежности крепления трубных стальных свай в гильзах опорного основания за счет применения простого по конструкции и изготовлению устройства, оборудованного гидравлическими цилиндрами, обеспечивающими разжим сваи по всему диаметру внутренней проточки гильзы с помощью эластомерных (полиуретановых) пуансонов, а также сокращение трудозатрат и удешевление работ.
Технический результат достигается за счет того, что способ крепления трубных стальных свай в опорном основании морских стационарных сооружений, при котором опорное основание морского сооружения устанавливают на морское дно, забивают трубчатые стальные сваи в дно моря через гильзы опорного основания, отличающийся тем, что внутрь сваи спускают устройство, оснащенное гидравлическим/-и цилиндром/-ами, включающим поршень и эластомерный (полиуретановый) пуансон, на такую глубину, чтобы проем между корпусом и крышкой гидравлического цилиндра располагался напротив внутренней круговой проточки трубной стальной гильзы; при создании давления в гидросистеме гидравлического цилиндра поршень, двигаясь вдоль трубы, создает давление на эластомерный (полиуретановый) пуансон, расположенный между крышкой гидравлического цилиндра и поршнем; пуансон, сжимаясь под этим давлением, одновременно, раздаваясь в радиальном направлении через проем в корпусе гидравлического цилиндра, воздействует на внутреннюю поверхность стенки трубной сваи в районе расположения внутренней круговой проточки гильзы, которая при давлении, превышающем предел текучести материала сваи, разжимается (деформируется) во внутреннюю круговую проточку гильзы; разжим стенки сваи происходит в зоне пластической деформации материала сваи; по окончании процесса деформации при сбросе давления в гидросистеме поршень гидравлического цилиндра возвращается в исходное транспортное положение за счет восстановления полиуретановым пуансоном своей первоначальной формы.
При этом за один процесс происходит разжим материала стенки сваи по всему внутреннему диаметру круговой проточки гильзы.
Способ крепления, отличающийся тем, что раздача стенки трубной сваи во внутреннюю круговую проточку трубной гильзы может осуществляться с осевым подпором сваи, обеспечивающим по мере необходимости подачу последней в зону деформации;
При этом в зависимости от количества внутренних круговых проточек внутрь сваи спускается несколько устройств, установленных на одной трубе.
Способ крепления, отличающийся тем, что разжим трубной сваи в несколько внутренних круговых проточек трубной гильзы может осуществляться за один спуск одновременно, или поочередно в соответствии установленной последовательности.
Способ крепления, отличающийся тем, что контроль над процессом разжима материала сваи осуществляется по изменению объема гидравлической жидкости в гидравлических системах цилиндров.
Способ крепления, отличающийся тем, что контроль качества разжима стенки сваи во внутренние круговые проточки трубной гильзы осуществляется при подъеме устройства из сваи с помощью видеокамеры, установленной в нижней части устройства.
Устройство для разжима трубных стальных свай в гильзах опорного основания морских стационарных сооружений (платформ), оснащенного гидравлическими домкратами, отличающееся тем, что устройство оборудуется гидравлическим цилиндром, включающим поршень и эластомерный (полиуретановый) пуансон, которые закрепляются на одной стальной трубе, обеспечивая круговой проем между корпусом и днищем цилиндра; внутри трубы проходят каналы для подвода гидравлической жидкости в гидравлический цилиндр; при создании давления в гидросистеме цилиндра поршень устройства перемещается вдоль трубы, сжимает эластомерный (полиуретановый) пуансон, раздавая его через проем в радиальном направлении; при сбросе давления в гидросистеме поршень гидравлического цилиндра возвращается в исходное транспортное положение за счет восстановления полиуретановым пуансоном своей первоначальной формы.
Устройство, отличающееся тем, что в зависимости от геометрических параметров и физико-механических свойств материала трубной сваи в районе разжима, а также от размеров внутренних круговых проточек трубной гильзы устройство оснащается двумя гидравлическими цилиндрами с одним/двумя полиуретановыми пуансонами, с одним/двумя круговыми проемами, разделенными цилиндрической перегородкой.
Устройство, отличающееся тем, что устройство снабжено возвратной пружиной, обеспечивающей при сбросе давления в гидросистеме гидравлического цилиндра возврат поршня в исходное транспортное положение; концы пружины закреплены в днище и поршне цилиндра.
Сущность предлагаемого способа поясняются чертежами:
Фиг.1 - схема крепления трубной стальной сваи в трубной стальной гильзе опорного основания с одной внутренней кольцевой проточкой с использованием одного гидравлического цилиндра и одного эластомерного (полиуретанового) пуансона;
Фиг. 2 - схема крепления трубной стальной сваи в трубной стальной гильзе опорного основания с одной внутренней кольцевой проточкой с использованием двух гидравлических цилиндров и одного эластомерного (полиуретанового) пуансона;
Фиг. 3 - схема крепления трубной стальной сваи в трубной стальной гильзе опорного основания с одной внутренней кольцевой проточкой с использованием двух гидравлических цилиндров и двух эластомерных (полиуретановых) пуансонов;
Фиг. 4. - схема крепления трубной стальной сваи в трубной стальной гильзе с двумя внутренними круговыми проточками.
где:
I - устройство в транспортном положении;
II - устройство в положении разжима стенки трубной стальной сваи во внутреннюю круговую проточку трубной стальной гильзы;
1 - трубная стальная свая;
2 - дно верхнего гидравлического цилиндра;
3 - верхний гидравлический цилиндр;
4 - корпус верхнего гидравлического цилиндра;
5 - трубная стальная гильза;
6 - внутренняя круговая проточка в трубной стальной гильзе с двумя вентиляционными отверстиями (на чертежах не показаны);
7 - цилиндрическая разделительная перегородка;
8 - корпус нижнего гидравлического цилиндра;
9 - канал для подвода гидравлической жидкости к гидравлическим цилиндрам;
10 - нижний гидравлический цилиндр;
11 - дно нижнего гидравлического цилиндра;
12 - каналы для подвода гидравлической жидкости в верхний гидравлический цилиндр;
13 - поршень верхнего гидравлического цилиндра;
14 - эластомерный (полиуретановый) пуансон верхнего гидравлического цилиндра;
15 - разжатая часть стенки трубной стальной сваи во внутреннюю круговую проточку трубной стальной гильзы;
16 - эластомерный (полиуретановый) пуансон нижнего гидравлического цилиндра;
17 - поршень нижнего гидравлического цилиндра;
18 - каналы для подвода гидравлической жидкости в нижний гидравлический цилиндр;
19 - стальная труба, на которой устанавливаются все элементы устройства для разжима;
20 - крышка гидравлического цилиндра.
Крепление трубных стальных свай в гильзах опорного основания морских стационарных сооружений (платформ) с одной внутренней кольцевой проточкой с помощью устройства, оснащенного одним гидравлическим цилиндром, включающем поршень и один эластомерный (полиуретановый) пуансон, осуществляется следующим образом (см. фиг. 1).
После установки опорного основания морского сооружения на морское дно и забивки трубных стальных свай 1 через трубные стальные гильзы 5 в морское дно, внутрь сваи 1 спускается устройство в транспортном положении I, включающее один гидравлический цилиндр 3, поршень 13 с одним полиуретановым пуансоном 14, установленным на стальной трубе 19. Устройство в свае 1 устанавливается так, чтобы проем между корпусом 4 и крышкой 20 гидравлического цилиндра находился напротив внутренней круговой проточки 6 трубной стальной гильзы 5. При подаче гидравлической жидкости в гидравлическую систему цилиндра 3 через каналы 9 и 12, и создании давления в гидросистеме цилиндра 3, поршень 13 гидравлического цилиндра 3, перемещаясь вдоль трубы 19, сжимает полиуретановый пуансон 14, расположенный между крышкой 20 гидравлического цилиндра 3 и поршнем 13. Пуансон 14, сжимаясь, одновременно раздается через проем в корпусе 4 гидравлического цилиндра 3 и давит на внутреннюю поверхность сваи 1 в районе расположения внутренней круговой проточки 6 гильзы 5, стенка которой при давлении, превышающем предел текучести материала сваи 1, разжимается во внутреннюю круговую проточку 6 гильзы 5; разжим стенки сваи 1 происходит в зоне упруго-пластической деформации материала сваи 1.
По окончании процесса деформации давление в гидросистеме гидравлического цилиндра 3 сбрасывается, поршень 13 возвращается в первоначальное транспортное положение I (фиг. 1) за счет только восстановления полиуретановым пуансоном 14 первоначальной формы, или также за счет возвратной пружины (на фиг. 1 не показана), концы которой закреплены в днище 2 и поршне 13 гидравлического цилиндра 3.
Процесс разжима сваи во внутреннюю круговую проточку гильзы закончен.
В зависимости от геометрических параметров трубной стальной гильзы 5, параметров внутренней круговой проточки 6, геометрических параметров трубной стальной сваи 1 на участке разжима, физико-механических свойств материала выше указанных изделий комплектность устройства для разжима стенки сваи 1 в одну внутреннюю круговую проточку 6 может включать, например:
- один гидравлический цилиндр и один эластомерный (полиуретановый) пуансон (см. фиг. 1).
- два гидравлических цилиндра и один эластомерный (полиуретановый) пуансон (см. фиг. 2);
- два гидравлических цилиндра и два эластомерных (полиуретановых) пуансона (см. фиг. 3).
Крепление трубных стальных свай в гильзах опорного основания морских стационарных сооружений (платформ) с одной внутренней круговой проточкой с помощью устройства, оснащенного двумя гидравлическими цилиндрами и двумя эластомерными (полиуретановыми) пуансонами, осуществляется следующим образом (см. фиг. 3):
После установки опорного основания морского сооружения на морское дно и забивки трубных стальных свай 1 через трубные стальные гильзы 5 в морское дно, вовнутрь сваи 1 спускается устройство в транспортном положении I, оборудованное двумя гидравлическими цилиндрами 3, 10, двумя поршнями 13 и 17 и двумя полиуретановыми пуансонами 14 и 16, установленными на стальной трубе 19. Устройство в свае устанавливается так, чтобы проемы между корпусами 4 и 8 соответственно верхнего 3 и нижнего 10 гидравлических цилиндров находились напротив внутренней круговой проточки 6 трубной стальной гильзы 5.
При подаче гидравлической жидкости в гидравлические системы цилиндров 3 и 10 через каналы 9, 12 и 18, и создании в них давления, поршни 13 и 17, верхнего 3 и нижнего 10 гидравлических цилиндров соответственно, перемещаются вдоль трубы 19 навстречу друг другу, сжимают эластомерные (полиуретановые) пуансоны 14 и 16. Сжимаясь, указанные пуансоны, расположенные между разделительной стенкой 7 и поршнями 13 и 17, одновременно раздаются через проемы между корпусами 4, 8 и разделительной стенкой 7, давят на внутреннюю поверхность сваи 1 в районе расположения внутренней круговой проточки 6 гильзы 5, стенка которой при давлении, превышающем предел текучести материала сваи 1, разжимается во внутреннюю круговую проточку 6 гильзы 5; разжим стенки сваи 1 происходит в зоне упруго-пластической деформации материала сваи 1.
По окончании процесса деформации давление в гидросистеме гидравлических цилиндров 3 и 10 сбрасывается, поршни 13 и 17 возвращаются в первоначальное транспортное положение I (фиг. 3) или только за счет восстановления полиуретановыми пуансонами 14 и 16 своей первоначальной формы, или также за счет возвратных пружин (на фиг. 3 не показаны), концы которых закреплены в днищах 2 и 11 и поршнях 13 и 17 соответственно верхнего 3 и нижнего 10 гидравлических цилиндров.
Процесс разжима сваи во внутреннюю круговую проточку гильзы закончен.
Следует отметить, что предлагаемый способ крепления трубных стальных свай в опорном основании стационарных морских сооружений (платформ) с использованием эластичных сред (эластомера), а также устройство для его осуществления позволяет за один спуск последовательно, или одновременно осуществлять разжим стенки трубной стальной сваи в две и более внутренние круговые проточки гильзы опорного основания. В этом случае на одной трубе устанавливаются необходимое количество устройств. В качестве примера на фиг. 4 показана сборка из двух устройств, обеспечивающих одновременный, или последовательный (включается система, обеспечивающая раздельную подачу гидравлической жидкости в спускаемые устройства - на фиг. 4 не показано) разжим стальной сваи в две внутренние круговые проточки направляющей гильзы опорного основания.
Гидравлические цилиндры закрепляются на трубе при помощи стандартных устройств (на рисунках не показаны), включая уплотнительные элементы.