СЕЙСМОЗАЩИТНАЯ ОПОРА ДЛЯ НАЗЕМНЫХ МАГИСТРАЛЬНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ

Полезная модель относится к области машиностроения и предназначена для защиты магистральных трубопроводов, прокладываемых в сейсмоопасных районах, от мощных низкочастотных колебаний и ударов высоких энергий, носящих пространственный характер и передаваемых через основание.
Может быть использована при прокладке магистральных трубопроводов, пролегающих через водные препятствия и в местностях с различным рельефом.
В настоящее время значительные объемы трубопроводного строительства приходятся на сейсмически опасные районы, где разрушение и разрыв крупного магистрального трубопровода ведет к катастрофическим последствиям. Большое число повреждений трубопроводов связано с осевым растяжением (сжатием) и падением надземных частей трубопроводов с опор.
Большинство опор выполняется в виде столбчатых или свайных конструкций, где с целью снижения приведенного центра тяжести трубопроводной системы опоры должны быть минимальной высоты, сводящей к минимуму риск падения трубы вместе с опорой при горизонтальном воздействии сейсмоволны.
Опорные элементы, расположенные между трубопроводом и опорой должны обеспечить возможность продольных компенсационных подвижек при изменениях температуры и внутреннего давления в трубопроводах при нормальных условиях эксплуатации. В то же время должно быть обеспечено эффективное демпфирование при мощных сейсмоударных воздействиях, носящих пространственный характер, когда диссипация должна резко возрасти, за счет включения дополнительных связей, обеспечивающих эффективное гашение сейсмической энергии. Кроме того, должно быть обеспечено гашение колебаний участков трубопроводов между опорами, вызываемых низкочастотным или ударным возбуждением при землетрясениях.
Одним из аналогов предлагаемой модели является конструкция анкерной опоры для надземных трубопроводов, прокладываемых в сейсмических районах (рис. 1). Анкерная опора состоит из двух демпфирующих элементов в виде плоских рессор, имеющих эллиптический профиль в вертикальной плоскости. Каждая рессора закреплена на фундаменте и жестко соединена с седлом, на которое опирается трубопровод, охваченный сверху хомутом.
Анкерная опора работает следующим образом. Статическая нагрузка от трубопровода передается на седло и далее через рессору на фундамент, заложенный в грунт. При направлении колебаний в вертикальной плоскости рессоры деформируются в вертикальном направлении. При поперечном направлении колебаний одна из рессор растягивается, а другая сжимается в вертикальной плоскости. По мнению авторов, такой режим
обеспечит защиту трубопровода от сейсмовоздействий в любой плоскости[1].
К недостаткам этой конструкции следует отнести отсутствие демпфирующих элементов, так как стальные пружины - рессоры обладают низкими демпфирующими характеристиками, что может привести к длительному раскачиванию трубопроводов и возникновению резонансных явлений. Плоские пружины, жестко ориентированные на вертикальные перемещения, не могут обеспечить требуемых подвижек в продольном направлении трубы, а колебания в поперечной плоскости (когда одна пружина растягивается, а другая сжимается) могут привести к нежелательному повороту трубы вокруг оси.
Наиболее близким прототипом предложенной полезной модели является конструкция «скользящего» анкера, предназначенная для сейсмозащиты трубопроводов. Эта конструкция воспринимает сжимающие усилия при статических нагрузках и обеспечивает необходимые эксплуатационные перемещения трубопровода [2].
Общий вид конструкции «скользящего» анкера представлен на рис. 2. Опорная конструкция состоит из хомута, седловины опоры, устройства для создания трения несущей опорной части и сотовой конструкции для поглощения энергии. Нагрузка от трубопровода через хомут создает определенное контактное давление, обеспечивающее жесткое закрепление трубы. Для создания требуемого трения имеется устройство, состоящее из подвижной и неподвижной плит, упруго соединенных между собой болтами с использованием тарельчатых пружин. Степень прижатия этих плит может регулироваться, обеспечивая усилие необходимого сопротивления смещению подвижной плиты.
К недостаткам этой системы следует отнести использование одноразового демпфирующего элемента, выполненного в виде сотовой конструкции, односторонняя ориентация, сложность регулировки системы трения и самой конструкции в целом.
Техническим результатом предложенной полезной модели сейсмозащитной опоры для магистральных трубопроводов, прокладываемых в сейсмоопасных районах, является обеспечение свободных подвижек при колебаниях температуры и давления в трубах в нормальных условиях эксплуатации и создание эффективного гашения энергии сейсмоударного воздействия, предаваемого через основание в любой плоскости.
Указанный технический эффект достигается за счет того, что предложенная сейсмозащитная опора выполнена в виде пассивной нелинейной подвесной системы с применением тросово-торсионных элементов последовательного типа, не имеющих резонансных зон и обладающих мощным демпфированием для гашения энергии ударного импульса и значительным «ходом» системы, в течение которого происходит плавное гашение амплитуды воздействия до безопасных пределов.
Конструктивно предложенная сейсмозащитная опора представляет собой опорную систему в виде двух вертикальных стоек жестко соединенных между собой в нижней части и установленной на столбчатой опоре или фундаменте с помощью болтовых соединений. Внутри этой опорной конструкции расположен подвешенный определенным образом на тросе трубопровод. Расстояние между стойками и нижней частью выбирается с учетом диаметра трубы и зазора, необходимого для
отклонения трубы при максимальном пространственном воздействии сейсмоудара. Расчетное значение этого зазора (без аварийного запаса) составляет около 150 мм от статического положения при максимальной магнитуде землетрясения. Вертикальные несущие стойки также выполняют роль ограничителей (ригелей), исключающих сброс трубопровода при горизонтальном сейсмовоздействии. Сам трубопровод подвешен между вертикальными стойками на стальном гибком тросе, который охватывает трубу снизу в виде петли, а концы этого троса через сегменты заведены на упругие элементы - торсионы, расположенные на внешней стороне стоек.
На рис. 3, представлена кинематическая схема сейсмозащитной опоры для надземных магистральных трубопроводов.
Сейсмозащитная опора работает следующим образом. При горизонтальных подвижках трубопровода из-за тепловых перепадов температур и изменения давления в самом трубопроводе происходит плавное горизонтальное смещение трубы вместе с петлей тросового подвеса, при этом демпфирующие элементы не препятствуют этим перемещениям трубы в обычном эксплуатационном режиме.
При ударном воздействии со стороны основания в вертикальной плоскости трубопровод смещается в этой плоскости, а трос через сегменты деформирует обе пружины. Требуемую степень диссипации при этом обеспечивает трение, возникающее при проскальзывании троса по поверхности неподвижного сегмента. Характеристики пружин выбираются таким образом, чтобы была обеспечена нелинейность требуемого демпфирования, и исключались соударения трубы о стойки и основание опорной конструкции в аварийном режиме.
При горизонтальном сейсмовоздействии происходит смещение трубопровода в этой плоскости, причем упругие элементы с одной стороны деформируются в большей степени чем с другой, т.е. суммарная жесткость снижается. В связи с этим в горизонтальной плоскости обеспечивается более эффективное снижение амплитуды ударного импульса, так как при землетрясениях горизонтальные подвижки в подавляющем большинстве случаев больше вертикальных. Испытания тросово-торсионных элементов показали снижение амплитуды ускорений ударного импульса в вертикальной плоскости в 4-5 раз, в горизонтальной плоскости в 6-8 раз.
Указанная сейсмозащитная опора эффективно подавляет переходные процессы и остаточные колебания труб между опорами из-за высокого уровня диссипации тросово-торсионных элементов и отсутствие в них резонансных зон.
Учитывая ширину стоек, их можно размещать рядом или на любом требуемом расстоянии, что весьма существенно при изгибах трубопроводов из-за компенсаторов и рельефа местности.
Предложенная система сейсмозащитных опор может быть использована для прокладки трубопроводов в виде подвесов на путепроводах через водные и другие преграды.
[1] Николаев А.К. и др. Конструкция анкерной опоры для надземных трубопроводов, прокладываемых в сейсмических районах // Горные машины и автоматика. - №12.-2001. С.27.
[2] Гехман А.С. и др. Сейсмостойкость трубопроводов // Проектирование и строительство трубопроводов и газонефтепромысловых сооружений. - Обзор НИИЭСУ.-Нефтегазострой.-Москва.-1977.