Устройство для балластировки трубопровода, покрытого изоляцией
BALLASTING DEVICE FOR PIPES COVERED WITH INSULATION

Изобретение относится к строительству магистральных трубопроводов и, в частности, может быть использовано, при прокладке подземных магистральных трубопроводов в условиях распространения вечномерзлых грунтов, при прокладке трубопроводов на болотах, а также на обводненных участках.
Трубопроводы для текучей среды (нефть, газ, вода и т.д.) прокладывают зачастую в открытых или засыпных траншеях глубиной 1,5-2 м. Трубопровод состоит из сварных по торцам труб, установленных на стойках в траншеях. Траншеи могут заполняться водой в результате таяния снега (т.е. паводковыми водами), а также в результате поступления грунтовых вод из верхних слоев (пластов). Это приводит к тому, что трубопроводы «выпирают» или происходит их «всплытие». Возникающий при этом изгиб трубопровода влечет деформацию сварных швов, приводящую к разрушению трубопровода.
С другой стороны, подаваемая под давлением внутри трубопровода текучая среда (газ, нефть, вода и т.д.) может при резком увеличении давления изменить геометрию трубопровода, например,  в плане, то есть произойдет его поперечное перемещение в плане. Возникший изгиб труб также влечет деформацию сварных швов, что может привести к разлому трубопровода в сварном шве и к его разрушению.
Кроме того, при подаче текучей среды под давлением изменяется его положение по сравнению с положением в покое без подачи текучей среды.
Поэтому стоит техническая задача, во-первых удержать трубопровод на проектной отметке по вертикали, а во-вторых, удержать его от поперечных перемещений в плане (то есть от горизонтальных перемещений в плане).
Эти задачи решаются путем навешивания сверху на трубопровод заполненных сыпучим материалом (грунтом, песком и т.д.) устройств для балластировки трубопроводов.
Известно устройство для балластировки трубопровода, содержащее
• выполненную в виде захвата трубы пару расположенных под углом к вертикали жестких элементов, изготовленных в виде рамок из верхней и нижней продольных балок и соединяющих их ригелей,
• соединенных по торцам (силовыми) поясами из гибкой  полосы
• и снабженных наружными обтяжками из гибких полос, которые прикреплены кромками, по меньшей мере, к балкам,
• образуя с (силовыми)  поясами из гибких полос замкнутое кольцо на трубе,
• в которое помещен засыпной грунт (1).
Недостатком известного технического решения является возможность повреждения изоляции труб трубопровода элементами жестких элементов, а именно, нижними продольными балками жестких рамок при строительстве, эксплуатации и ремонте трубопровода.
Заявитель считает необходимым обратить внимание экспертизы на следующую важную особенность.
В известном устройстве рамки металлические (стальные), то есть продольные балки и ригели металлические, представляющие собой стальные стержни, стальные трубы и т.д.
При этом нижняя продольная балка каждой рамки в виде, например, стальной трубы, лежит на боковой стороне трубы трубопровода, соприкасаясь своей боковой поверхностью с изоляцией этого трубопровода. Поскольку устройство для балластировки заполнена сыпучим материалом (песком, грунтом с камнями), то ее вес значителен и давление по линии соприкосновения нижней продольной балки с изоляцией очень велико. Поэтому указанная нижняя продольная балка может не только деформировать изоляцию, но даже продавить ее, нарушив целостность. Это приводит к разрушению с течением времени изоляции и к проникновению атмосферной влаги, грунтовых и паводковых вод непосредственно к оголенному участку поверхности самой трубы трубопровода, что ведет к коррозии металла стенки трубы трубопровода и в конечном итоге к ее разрушению, т.е. к аварии трубопровода.
Таким образом, в известном техническом решении имеет место повреждение изоляции трубопровода нижними продольными балками. Возможность повреждения увеличивается многократно из-за того, что при монтаже устройства на трубопровод нижняя продольная балка может упереться в изоляцию торцевым краем, если расположится под углом во время засыпки устройства сыпучим материалом.
В дальнейшем был подвергнут усовершенствованию данный тип устройств для балластировки трубопровода в виде захватывающих трубопровод пар расположенных под углом к вертикали жестких элементов, изготовленных в виде рамок из верхней и нижней продольных балок и соединяющих их ригелей, соединенных по торцам (силовыми) поясами из гибкой  полосы и снабженных наружными обтяжками из гибких полос, которые прикреплены кромками, по меньшей мере, к продольным балкам, образуя с (силовыми)  поясами из гибких полос замкнутое кольцо на трубопроводе, в которое помещен засыпной грунт.
Так, для предотвращения повреждения изоляции было предложено устройство, в котором каждая рамка располагается в плоскости, касательной к наружной поверхности трубопровода, и относительно дна траншеи размещена с уклоном в сторону трубопровода без опирания на него и на грунт дна траншеи при заполнении устройства грунтом, а также при воздействии на трубопровод выталкивающей нагрузки, что обеспечивается расчетной длиной элементов устройства (2).
Недостатком устройства является сложность определения расчетных длин элементов устройства, которые в каждом конкретном случае (при данном диаметре трубопровода, параметрах траншеи, вида грунта, размерах элементов устройства и т.д.) обеспечивали бы предотвращение контакта нижних продольных балок рамок с изоляцией трубопровода с одновременным обеспечением высокой балластирующей способности устройство для балластировки трубопровода.
Наиболее близким к заявленному изобретению является устройство для балластировки трубопровода, содержащее выполненную в виде захвата трубы пару расположенных под углом к вертикали жестких элементов, изготовленных в виде рамок из верхней и нижней продольных балок и соединяющих их ригелей, соединенных по торцам поясами из гибкой  полосы и снабженных наружными обтяжками из гибких полос, которые прикреплены кромками, по меньшей мере, к балкам, образуя с поясами из гибких полос замкнутое кольцо на трубе, в которое помещен засыпной грунт, а также средство предотвращения разрушения изоляции трубопровода (3).
В этом техническом решении средство для предотвращения разрушения изоляции трубопровода представляет собой полимерсодержащий материал, покрывающий нижние продольные балки жестких рамок, который охватывает их по периметру, при этом покрывающий нижнюю продольную балку полимерсодержащий материал имеет цилиндрическую форму, поскольку его или наматывают на нижнюю продольную балку или надевают на нее с сохранением цилиндрической наружной формы.
В результате данное устройство за счет замены контакта с теплоизоляцией стали на полимерсодержащий материал и за счет податливости последнего, менее разрушает изоляцию трубопровода. Однако поверхность контакта увеличивается сравнительно незначительно, что сохраняет повышенное удельное давление на теплоизоляцию трубопровода со стороны нижних продольных балок, и, следовательно, опасность разрушения теплоизоляции через более длительное время эксплуатации.
Технической задачей заявленного изобретения является повышение надежности балластировки трубопровода за счет значительного уменьшения возможности повреждения изоляции трубопровода элементами жестких рамок при строительстве, эксплуатации и ремонте трубопровода.
Поставленная техническая задача достигаются тем, что в устройстве для балластировки трубопровода, содержащем выполненную в виде захвата трубы пару расположенных под углом к вертикали жестких элементов, изготовленных в виде рамок из верхней и нижней продольных балок и соединяющих их ригелей, соединенных по торцам (силовыми) поясами из гибкой  полосы и снабженных наружными обтяжками из гибких полос, которые прикреплены кромками, по меньшей мере, к балкам, образуя с поясами из гибких полос замкнутое кольцо на трубе, в которое помещен засыпной грунт, а также средство предотвращения разрушения изоляции трубопровода, причем, согласно изобретению, средство предотвращения разрушения изоляции трубопровода представляет собой протяженное тело, которое смонтировано на, по меньшей мере, части длины каждой нижней продольной балки, имеет обращенную к изоляции трубопровода расширенную форму поверхности, соответствующую форме поверхности изоляции трубопровода с возможностью обеспечения совпадения при контакте, и выполнено с возможностью самопроизвольной ориентации для обеспечения совпадения форм поверхностей при контакте.
Данная совокупность общих существенных признаков необходима и достаточна при любой реализации изобретения.
Технический результат изобретения заключается в уменьшении возможности разрушения изоляции трубопровода за счет значительного снижения удельного давления со стороны нижних продольных балок рамок на теплоизоляцию трубопровода.
Кроме того, заявитель считает необходимым выделить следующие развития и/или уточнения совокупности общих существенных признаков изобретения, относящиеся к частным случаям выполнения или использования.
Они вызваны тем, что, вообще говоря, можно сконструировать множество различных вариантов конструкций заявленного устройства для балластировки трубопроводов с использованием заявленного изобретения, причем во всех случаях сохранится сущность изобретения. Заявитель сам разработал несколько ее модификаций. Ниже заявитель предлагает некоторые наиболее оптимальные технические решения задачи.
Желательно, чтобы каждая нижняя продольная балка была бы соединена с протяженным телом посредством узла соединения с обеспечением возможности поворота протяженного тела вокруг продольной оси нижней продольной балки.
Таких конструкций может быть множество. Однако заявитель считает, что наиболее предпочтительной является конструкция, при которой узел соединения включает выполненную в протяженном теле продольное углубление с суживающейся формой горловины в поперечном сечении,  края которой выполнены из эластичного материала с возможностью отгиба для ввода и извлечения имеющей трубообразную форму нижней продольной балки.
Охарактеризованные выше конструкции с протяженным телом на нижней продольной балке могут быть реализованы при различном техническом решении других элементов устройств для балластировки трубопровода данного типа в виде выполненных в виде захвата трубы пар расположенных под углом к вертикали жестких элементов, изготовленных в виде рамок из верхней и нижней продольных балок и соединяющих их ригелей, соединенных по торцам (силовыми) поясами из гибкой  полосы и снабженных наружными обтяжками из гибких полос, которые прикреплены кромками, по меньшей мере, к балкам, образуя с (силовыми)  поясами из гибких полос замкнутое кольцо на трубе, в которое помещен засыпной грунт.
Однако, по мнению заявителя, наиболее эффективным является устройство, в котором наружные обтяжки из гибких полос жестких элементов в виде рамок включены в единое налагаемое на трубопровод полотнище, а  каждое протяженное тело вместе с нижней продольной балкой помещено в продольную полость, образованную на этом полотнище посредством дополнительной полосы, присоединенной  боковыми сторонами  к полотнищу, причем каждая продольная полость имеет размеры с обеспечением возможности поворота в ней протяженного тела на угол не более 30 градусов вокруг нижней продольной балки, и при этом пояса из гибкой  полосы кромками соединены с кромками полотнища, а верхние продольные балки жестких элементов в виде рамок соединены между собой  дополнительными гибкими полосами.
Такая конструкция характеризуется повышенной надежностью балластировки трубопровода за счет значительного снижения возможного повреждения изоляции трубопровода элементами жестких рамок при строительстве, эксплуатации и ремонте трубопровода, а также за счет упрощения конструкции, монтажа и за счет более полного вовлечения в работу в качестве пригруза грунта засыпки траншеи.  Протяженное тело может быть изготовлено из различных материалов и иметь различные конструкции, которые заявитель во множестве изготовил.
В частности, протяженное тело может быть выполнено из эластичного материала, например, из полимерного материала, в частности, из полиуретана.
Внутри протяженного тела из полимерного материала могут быть расположены продольные упругие элементы, которые выполнены, например, в виде полос из стали или в виде стержней из стали.
Протяженное тело также может быть выполнено из жесткого прочного материала, обращенная в сторону изоляции поверхность которого покрыта гибким эластичным материалом.
Возможны многочисленные другие модификации заявленного устройства.
Изобретение поясняется чертежом.
На фиг. 1 схематично изображено в траншее устройство для балластировки трубопровода, покрытого изоляцией, поперечное сечение (для удобства чтения фигур пояс из гибкой полосы не показан,  также не показаны узлы соединения полос, обтяжек и полотнища с рамками на этой и других фигурах, поскольку общеизвестны и не являются предметом настоящего изобретения).
На фиг. 2 - то же, вид сверху (для удобства чтения засыпной грунт не показан, узлы соединения полос, обтяжек и полотнища с рамками не показаны).
На фиг. 3 схематично изображено замкнутое кольцо на трубопроводе, образованное из захватывающих трубопровод пары рамок, соединенных по торцам расположенными поперечно относительно трубопровода поясами из гибких полос, причем каждая рамка снабжена наружными обтяжками из гибких полос, которые прикреплены кромками, по меньшей мере, к продольным балкам рамок, и при этом упомянутые наружные обтяжки соединены между собой лежащей сверху на трубопроводе частью в виде гибкой полосы, образуя вместе единое цельное полотнище, состоящее  из наружных обтяжек и лежащей на трубопроводе частью, аксонометрия (для удобства чтения фигуры на ней не показаны:
• засыпной грунт, помещенный в замкнутое кольцо,
• протяженное тело;
• дополнительные гибкие полосы, соединяющие между собой верхние продольные балки рамок).
На фиг. 4 схематично изображен трубопровод с выполненной в виде его захвата  парой расположенных под углом к вертикали жестких элементов, изготовленных в виде рамок из верхней и нижней продольных балок и соединяющих их ригелей, аксонометрия (для удобства чтения нижняя продольная балка с обратной стороны трубопровода условно изображена пунктирной линией).
На фиг. 5 подробно отдельно изображено заявленное устройство, аксонометрия (для удобства чтения пояса из гибкой полосы, расположенные поперечно относительно трубопровода, не показаны);
На фиг.6 изображен узел соединения нижней продольной балки с протяженным телом с обеспечением возможности поворота протяженного тела вокруг продольной оси нижней продольной балки, причем оба элемента конструкции помещены в продольную полость, образованную на  полотнище (аксонометрия).
На фиг. 7 схематично показан первый (исходный) этап монтажа заявленного устройства на трубопроводе, аксонометрия;
На фиг. 8 – то же, на втором этапе при переносе краном заявленного устройства на трубопровод, аксонометрия.
На фиг. 9 – то же, на четвертом этапе,  при котором устройство опущено краном на трубопровод, аксонометрия (для удобства чтения нижние продольные балки по  сторонам трубопровода изображена пунктирной линией).
ПРИМЕЧАНИЕ: в смонтированном состоянии устройство изображено на фиг. 5 и фиг. 6.
Устройство 1 для балластировки трубопровода, покрытого изоляцией, содержит выполненную в виде захвата трубопровода 2 пару расположенных под углом к вертикали жестких элементов 3, изготовленных в виде рамок 4 из верхней 5 и нижней 6 продольных балок и соединяющих их ригелей 7 (фиг. 1 и фиг. 2).
Торец 8 одной рамки 4 соединен с торцом 9 другой рамки 4, расположенным поперечно относительно трубопровода 2  поясом 10 из гибкой  полосы, а торец 11 одной рамки 4 соединен с торцом 12 другой рамки 4, расположенным поперечно относительно трубопровода 2,  поясом 13 из гибкой  полосы (фиг. 3).  Пояса 10 и 13 лежат нижней частью на поверхности трубопровода 2, при этом они могут быть расположены как снаружи ригелей 7, так и с внутренней стороны ригелей 7, примыкая к ним. В материалах заявки охарактеризован вариант, согласно которому пояса 10 и 13 расположены с внутренней стороны ригелей 7, примыкая к ним (фиг. 1, фиг. 5, фиг. 6).
Кроме того, каждая из рамок 4 снабжена наружными обтяжками 14 и 15 из гибких полос, прикрепленных кромками 16 к верхней продольной балке 5 рамок 4, а кромками 17 к нижней продольной балке 6, образуя с поясами 10 и 13 из гибких полос замкнутое кольцо 18 на трубопроводе 2, в которое помещен засыпной грунт 19.
Согласно заявленной конструкции наружные обтяжки 14 и 15 из гибких полос жестких элементов в виде рамок 4 выполнены объединенными в единое налагаемое на трубопровод 2 полотнище 20. Обычно это единое цельное полотнище 20, которое содержит наружные обтяжки 14 и 15 и центральную часть 21, которая лежит на трубопроводе 2 сверху (фиг. 1 и фиг. 2, а подробнее см. фиг. 3).
Устройство содержит также средство 22 предотвращения разрушения изоляции 23 трубопровода 2, которое представляет собой протяженное тело 24, которое смонтировано на, по меньшей мере, части длины каждой нижней продольной балки 6, имеет обращенную к изоляции трубопровода расширенную форму поверхности 25, соответствующую форме поверхности 26 изоляции 23 трубопровода 2 с возможностью обеспечения совпадения при контакте, и выполнено с возможностью самопроизвольной ориентации для обеспечения совпадения форм поверхностей при контакте.
Конструкций для обеспечения самопроизвольной ориентации существует множество. Заявитель считает наиболее предпочтительной следующую конструкцию.
Каждая нижняя продольная балка 6 соединена с протяженным телом 24  посредством узла соединения 27 с обеспечением возможности поворота протяженного тела 24 вокруг продольной оси 28 нижней продольной балки 6.
Заявитель имеет мнение, что желательно, чтобы узел соединения 27  включал бы выполненную в протяженном теле 24 продольное углубление 29 с суживающейся формой 30 горловины 31 в поперечном сечении,  края 40 и 41 которой выполнены из эластичного материала с возможностью отгиба для ввода и извлечения имеющей трубообразную форму нижней продольной балки 6 (фиг. 4). Для ввода нижней продольной балки 6 в продольное углубление 29 протяженного тела 24 необходимо раздвинуть друг от друга края 40 и 41 горловины 31 продольного углубления 29 и ввести в него нижнюю продольную балку 6, а после этого отпустить края горловины, которые за счет упругости и эластичности примут исходное положение, приблизившись друг к другу, и в результате нижняя продольная балка 6 оказывается охваченной краями продольного углубления 29 протяженного тела 24. При этом нижняя продольная балка 6 имеет возможность вращаться вокруг своей продольной оси 28 внутри продольного углубления 29 протяженного тела 24.
Согласно изобретению каждое протяженное тело 24  вместе с нижней продольной балкой 6 помещается в продольную полость 32, образованную на полотнище 20 с соответствующей стороны трубопровода 2 посредством дополнительной полосы 33, присоединенной (пристроченной) боковыми сторонами 34 и 35 к полотнищу 20, причем каждая образованная на ней продольная полость 32 имеет размеры с обеспечением возможности поворота в ней протяженного тела 24 на угол не более 30 градусов вокруг нижней продольной балки 6 (фиг. 6).
При этом пояса 10 и 13 из гибкой  полосы расположены между ригелями 7 отдельно от ригелей и нижними кромками 36 соединены с боковыми кромками 37 лежащего на трубопроводе 2 полотнища 20 (фиг. 3). Кроме того, верхние продольные балки 5 жестких элементов в виде рамок 4 соединены между собой  дополнительными гибкими полосами 38 (фиг. 2, фиг. 5).
Монтируют заявленное устройство на трубопроводе 2 по этапам.
На первом этапе собранное устройство расстилают на земле, чтобы поднять на крюке 39 крана (фиг. 7).
На втором этапе устройство переносят краном на соответствующее место над трубопроводом (фиг. 8).
На третьем этапе опускают на трубопровод 2 заявленное устройство в виде замкнутого кольца 18, содержащего  пояса 10 и 13 и полотнище 20, с прикрепленными к нему рамками 4 (фиг. 9). При этом упирают находящиеся в продольных полостях 32 нижние продольные балки 6 в боковые поверхности трубопровода 2. Нижние продольные балки 6 самопроизвольно поворачиваются на требуемый угол внутри продольных полостей 32, обеспечивая совпадение форм стыкуемых поверхностей 25 протяженного тела 24 и поверхности 26 изоляции 23 трубопровода 2 при контакте. Затем засыпают в образованное корыто грунт 19, который своим весом, надавливая на наружные обтяжки 4 рамок 4 и сдвигая их наружу, обеспечивает захват трубопровода. Для восприятия усилий от грунта верхние продольные балки 5 жестких элементов в виде рамок 4 могут быть соединены между собой  дополнительными гибкими полосами 38.
Как отмечалось ранее, протяженное тело 24 может быть изготовлено из различных материалов и иметь различные конструкции, которые заявитель во множестве изготовил.
В частности, протяженное тело 24 может быть выполнено из эластичного материала, например, из полимерного материала, в частности, из полиуретана.
Внутри протяженного тела 24 из полимерного материала могут быть расположены продольные упругие элементы, которые выполнены, например, в виде полос из стали или в виде стержней из стали.
Протяженное тело также может быть выполнено из жесткого прочного материала, обращенная в сторону изоляции поверхность которого покрыта гибким эластичным материалом.
Заявленное изобретение позволяет уменьшить возможность разрушения изоляции трубопровода за счет значительного снижения удельного давления со стороны нижних продольных балок рамок на теплоизоляцию трубопровода.
Возможны многочисленные другие модификации заявленного устройства.
Все они охватываются приведенной ниже формулой изобретения.
Источники информации, принятые во внимание:
1. Авторское свидетельство СССР № 1551930, М. кл. F16L 1/06, приоритет 09.02.1987.
2. Патент на изобретение № 2266457, М. кл. F16L 1/06, приоритет 18.01.2005.
3. Патент  на полезную модель № 92139, М. кл. F16L 1/06, приоритет 27.10.2009 (прототип).