ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫЙ ФУНДАМЕНТ ДЛЯ СТАНКА-КАЧАЛКИ

Полезная модель относится к фундаментам для станка-качалки и может быть использована для передачи нагрузки от установленной на фундаменте станка-качалки скважинной насосной установки грунту.
Известен металлический свайный фундамент для станка-качалки скважинной насосной установки (патент RU №150462, МПК E02D 27/44, опубл. 20.02.2015), включающий сваи, выполненные в виде вертикально расположенных труб, по меньшей мере, две из которых жестко связаны между собой соединяющей балкой, причем фундамент представляет собой четыре пары вертикально расположенных на расстоянии друг за другом труб, не связанных между собой, но каждая пара жестко связана между собой соединяющей балкой для установки основания станка-качалки, причем каждая балка выполнена в виде швеллера, для установки ее сверху на сваи, и приваренных к швеллеру с двух концов в верхней его части пластин с отверстиями для соединения их со сваями с помощью болтов.
Известны станки-качалки, установленные на фундаменте, имеющем основание, в качестве которого используется железобетонная плита (патент RU №96917, опубл. 20.08.2010 и патент № CN 2869133, опубл. 14.02.2007).
Однако, известные основания станков-качалок (СК) в виде железобетонных (ж/б) плит не содержат дополнительных упрочняющих элементов, и не обеспечивают достаточную прочность при нагрузке, возникающей при работе СК, т.к. чрезмерные вибрации, нарушение центровки, точечная нагрузка на плиты создают разрушающее воздействие на ж/б фундамент, в результате чего он быстро выходит из строя.
Известные ж/б плиты состоят из стального каркаса и бетона. Конструкция стального каркаса изготавливается из периодической стали d от 8 мм до 20 мм в зависимости от несущей способности и условий эксплуатации. Чем выше нагрузка на ж/б плиту, тем больше d периодической стали (арматуры). Недостатком всех существующих ж/б плит является слабость конструкции ж/б плит по периметру изделия, что ведет к раскрашиванию бетона и оголению стального каркаса, неизбежной коррозии и дальнейшему разрушению ж/б плиты. Учитывая то, что на ж/б плиту воздействует неравномерная циклическая нагрузка и внешнее механическое давление на отдельные участки бульдозером при центровках СК, монтажах, демонтажах, перемонтажах штангового глубинного насоса (ШГН) и другого оборудования, возникает необходимость в усилении ж/б плиты, способной долговременно переносить все вышеперечисленные нагрузки.
Известна железобетонная плита (патент CN №102619152, МПК Е01С 9/08, опубл. 01.08.2012), выбранная в качестве ближайшего аналога, содержащая стальной каркас, на который монтирован кожух в виде металлического уголка, который охватывает по периметру стальной каркас, причем металлический уголок соединен сваркой со стальным каркасом.
В заявляемой конструкции бетон не крошится, целостность ж/б плиты сохраняется, долговечность увеличивается до 40-50 лет вместо существующих двух лет.
Задачей, на решение которой направлена полезная модель, является создание высокопрочной конструкции ж/б фундамента для СК, обеспечивающей гашение импульса удара динамических масс, т.е. обеспечивающего возможность преобразования полученной ею энергии от ударной (динамической) нагрузки на грунт.
Технический результат, на достижение которого направлена полезная модель, заключается в повышении прочности фундамента станка-качалки, как следствие, надежности и долговечности при его длительной эксплуатации.
Технический результат достигается тем, что содержит стальной каркас, на который монтирован защитный кожух в виде стального профиля посредством электродуговой сварки, при этом стальной профиль имеет вид швеллера, состоящего из трех элементов, сваренных друг с другом по всей их высоте, и приваренного к стальному каркасу плиты посредством прихваток не менее трех посередине и к концам нижней и верхней полок швеллера.
Также технический результат достигается тем, что вертикально установленные плиты содержат стальной каркас, а плита основания и установленные на ней плиты содержат закладные стальные пластины, находящиеся в стальных каркасах, для сваривания упомянутых плит друг с другом.
Заявляемое устройство позволяет защитить от внешнего воздействия фундамент СК, тем самым увеличивается срок службы, сокращаются работы по монтажу и демонтажу оборудования и замене ж/б конструкций на новые, создаются благоприятные условия эксплуатации в области промышленной безопасности.
Заявляемое устройство поясняется на фигуре и состоит из следующих элементов:
1 - нижняя железобетонная плита основания фундамента;
2 - две боковые железобетонные плиты;
3 - защитный стальной кожух;
4 - щебеночная подушка.
Фундамент СК состоит из трех железобетонных плит: нижняя железобетонная горизонтальная плита 1, и установленные на ней торцами вдоль ее противоположных продольных сторон (краев) и перпендикулярно ей две вертикальные боковые железобетонные плиты 2.
Нижняя железобетонная плита 1 служит основанием фундамента, содержит стальной каркас.
Новым является то, что для укрепления фундамента на плиту 1 устанавливают защитный кожух 3, который монтируют к стальному каркасу при помощи дуговой электросварки.
Защитный кожух 3 представляет собой стальной профиль.
Стальной профиль имеет П-образное поперечное сечение и представляет собой швеллер, или стальной профиль, или профилированные стальные уголки.
Толщина стенок защитного кожуха 3 зависит от толщины плиты 1, и устанавливается в местах, наиболее подверженных внешнему воздействию.
Швеллер устанавливается на одну или более сторон плиты 1.
Профилированные стальные уголки устанавливаются на один и более угол плиты 1.
Применение П-образного стального профиля или стального уголка зависит от типоразмера плиты 1, условий ее эксплуатации.
Таким образом, при установке защитного кожуха 3 обеспечивается равномерная нагрузка на весь торец плиты 1 фундамента СК.
Монтаж устройства происходит следующим образом.
Устанавливают стальной каркас для плиты 1 в грунт.
Выбирают защитный кожух 3: П-образный (швеллер), угловой, тавр, двутавр.
Монтируют защитный кожух 3 к связующим элементам стального каркаса при помощи дуговой электросварки до заливки бетоном.
Электросварку ведут в точках/местах каркаса.
Заливают стальной каркас для горизонтальной плиты 1 бетоном.
Установка защитного кожуха 3 на плиту 1 обеспечивает равномерную нагрузку на весь торец плиты 1 фундамента при монтаже центровке и работе СК, в отличие от точечной нагрузки в аналогичных устройствах.
После монтажа защитного кожуха 3 на плиту 1 со стальным каркасом устанавливают вертикально две боковые плиты 2. Далее осуществляют монтаж СК, центровку, пуско-наладочные работы и запускают нефтедобывающее оборудование в эксплуатацию.
Плита 1 служит основанием фундамента СК, устанавливается на специально подготовленную площадку, представляющую собой «корыто» глубиной 500 мм от нулевой отметки. В нее засыпается глина толщиной 15-20 мм, утрамбовывается, что предотвращает проникновение грунтовых и сточных вод. Затем засыпается щебень фракции 10-20 мм или 20-40 мм высотой 100 мм, после чего засыпается песчаная подушка высотой 100 мм, укладывается горизонтально нижняя плита 1 и производится заключительная выравнивающая досыпка песком. Плита 1 несет основную нагрузку: вес двух боковых ж/б плит и СК, с меняющейся циклической нагрузкой со стороны устья скважины. Помимо этого, нижняя плита 1 принимает на себя внешнее локальное воздействие бульдозерной техникой при монтаже, демонтаже, перемонтаже СК, особенно в зимнее время, когда плита 1 примерзает к грунту или щебеночной подушке 4. Это внешнее воздействие вызывает разрушение плиты 1 в точке контакта и передачу энергии сгибающего момента на связующие элементы стального каркаса плиты 1, что вызывает образование трещин, сколов бетона и выход из рабочего состояния плиты 1.
Две боковые плиты 2 устанавливаются на нижнюю горизонтальную плиту 1 и связываются в единую конструкцию при помощи электросварки закладных стальных пластин, находящихся в стальных каркасах плит 1, 2.
Назначение боковых плит 2: обеспечение установки максимальной длины хода плунжера штангового глубинного насоса при помощи балансира СК, не менее 2,5-3 м.
Защитный кожух 3 представляет собой швеллер, по ширине больший толщины нижней ж/б плиты на 2-3 мм, приваривается к стальному каркасу электросваркой до заливки бетоном в заводских условиях.
Назначение защитного кожуха 3:
- защита ж/б конструкции от внешнего, в том числе механического воздействия как при монтаже, демонтаже, перемонтаже СК, так и в процессе эксплуатации при нарушениях центровок СК;
- упрочнение стальной конструкции плиты 1;
- предотвращение разрушения бетона плиты 1;
- сохранение целостности конструкции плиты 1;
- увеличение срока службы ж/б конструкции;
- увеличение способности восприятия циклических динамических нагрузок на торец ж/б плиты;
- равномерное распределение динамических нагрузок по всей ширине ж/б плиты.
Швеллер прихватывается электросваркой к горизонтальным арматурам по концам и по середине в трех местах длиной шва 50 мм по обеим образующим швеллера.
Изготовление ж/б элементов производят следующим образом: стальной каркас ж/б плиты собирается из арматуры класса A-I, А-III, элементы которой свариваются между собой электросваркой электродами УОНИ 13/55 на постоянном токе обратной полярности. Ширина швеллера должна быть на 2-3 мм больше толщины каркаса для того, чтобы можно было свободно вставить его в стальной каркас и закрепить на прихватке электросваркой.
Преимущественно применяются швеллера (или стальные профили) с толщиной стенки 6 мм.
Размеры оснований нижних горизонтальных фундаментных плит 2: 6×1,5×0,28 м, или 6×1,5×0,3 м.
Размеры швеллера, где h - ширина, в - высота, s - толщина стенки, N - номер профиля.
Размеры равнобоких стальных уголков, где в - ширина, s - толщина, N - номер профиля:
Монтаж защитного кожуха 3 на плиту 1 возможен как в заводских, так и в полевых условиях.
В заводских условиях стальной каркас плиты 1, изготовленный из арматуры A-I, А-III устанавливают на ровную горизонтальную поверхность.
Выбор материала защитного кожуха 3 зависит, в первую очередь, от толщины стенки швеллера, которая составляет 6,5-7,5 мм или толщины стенки уголков, которая составляет 4-6 мм.
Сборка защитного кожуха 3 заключается в соединении методом электросварки торца каркаса плиты 1 длиной 1,5 м с двумя боковыми элементами по 0,5 м. Сборка трех элементов защитного кожуха 3 производится по всей длине соединения. Сварка самого защитного кожуха 3 к стальному каркасу плиты 1 выполняется прихватками длиной 50 мм по концам и по середине нижней и верхней полок швеллера. После выполнения указанных работ производится заливка бетоном.
В полевых условиях, на производственной базе подготавливают три куска швеллера: один - длиной 1,5 м и два - по 0,5 м и вывозят на место установки. Сборку производят при помощи электросварки по всей высоте двух сторон швеллера. Сварку готового защитного кожуха 3 выполняют прихватками по 50 мм к элементам стального каркаса плиты 1, не менее трех посередине и к концам швеллера.
Выполнение указанных работ позволит предотвратить разрушение плиты 1 и, как следствие, демонтаж оборудования, замену плиты 1, монтаж оборудования, пуско-наладочные работы, сократить транспортные затраты и затраты на утилизацию отбракованных плит.
Заявленное устройство применимо как для защиты новых фундаментов, так и для ремонта уже изношенных фундаментов.
В процессе эксплуатации нефтяных скважин механизированным способом при помощи СК с применением в качестве фундамента ж/б конструкций происходит постоянное крошение бетона, образование сколов, появление открытых фрагментов стального каркаса, неизбежная коррозия и дальнейшее разрушение фундамента. Все это приводит к повышенной вибрации СК, нарушению центровки, целому ряду заявочных работ по устранению неисправностей, требующих остановки СК. К ним относятся: износ канатной подвески, трещины на головке балансира, теле балансира, траверсе балансира, стойке СК, выходу из строя опорного подшипника балансира, обрывам шатунов, ослаблению крепления отдельных узлов СК и т.д.
Причинами частичного разрушения ж/б конструкций являются климатические условия эксплуатации и неравномерные циклические нагрузки на ж/б конструкции. Резкое понижение и повышение температуры окружающей среды приводят к резкому линейному расширению и сжатию каркаса ж/б конструкции, что приводит к образованию трещин в бетоне, сколов, и, как следствие, разрушению ж/б конструкции. Неравномерная циклическая нагрузка на ж/б конструкцию только усугубляет тяжелые условия эксплуатации. Основной причиной разрушения ж/б конструкций является недоработка самого ж/б изделия, т.к. не учитываются условия неоднократного монтажа, демонтажа, перемонтажа, центровок бульдозерной техникой, механическому воздействию на торцы ж/б изделия. Применительно к СК 95% разрушений ж/б конструкций происходит со стороны устья скважины, т.к. с противоположной стороны находится площадка обслуживания и лестница СК, что не позволяет бульдозеру прикладывать усилия по перемещению ж/б конструкции. Особенно губительны для ж/б конструкций зимние демонтажи, перемонтажи, т.к. бетон обладает высокой хрупкостью и чувствителен к любому внешнему воздействию.
Установка защитного кожуха 3 позволяет создать единую монолитную ж/б конструкцию, способную нести неравномерные циклические нагрузки, перепады климатических температур, повысить долговечность и многократные демонтажи, перемонтажи СК с фундаментами в любое время года.
Заявленное устройство также может быть использовано в разных отраслях промышленности.
Укрепление стальным каркасом ж/б конструкций для защиты от внешних воздействий актуально не только в системе нефтедобычи на СК, но и может практиковаться на фундаментах емкостного оборудования, нефтегазоперерабатывающих заводах, химических предприятиях, фундаментах технологического оборудования и трубопроводов, агропромышленном комплексе, дорожном строительстве и т.п.