АНКЕРНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЗАКРЕПЛЕНИЯ ТРУБОПРОВОДА В ВЕЧНОМЕРЗЛОМ ГРУНТЕ
ANCHOR DEVICE FOR FASTENING PIPELINE IN PERMAFROST

Изобретение относится к строительству и предназначено для сооружения подземных трубопроводов в вечномерзлых грунтах.
Известна конструкция анкерного устройства для закрепления подземного трубопровода в вечномерзлых грунтах от всплытия [Бородавкин П.П. Подземные магистральные трубопроводы. М., 2011] (прототип). На дне траншеи с двух сторон трубопровода пробуривают скважины. В них устанавливают дисковые анкеры, каждый с одним или двумя круглыми плоскими дисками, приваренными перпендикулярно к тяге анкера. Скважины с установленными анкерами засыпают грунтом, вынутым при бурении скважины, и заливают водой. После укладки трубопровода на дно траншеи анкеры соединяют стальным силовым поясом, огибающим верхнюю часть трубопровода. Анкерное устройство готово к эксплуатации после полного замерзания грунта в скважине.
Недостатки этого устройства следующие:
- Дисковые вмораживаемые анкеры используют возможности скважин недостаточно полно, их несущая способность занижена, т.к. диаметр дисков меньше диаметра пробуренной скважины.
- Качественное заполнение скважин через узкие зазоры между большим количеством дисков и стенками скважин затруднительно и ненадежно, поэтому количество дисков ограничивают двумя, и, следовательно, глубина погружения анкеров невелика. По этой причине несущая способность таких анкеров ограничена и приходится увеличивать количество анкерных устройств по длине трубопровода. Это приводит к значительному повышению стоимости работ по закреплению трубопроводов в вечномерзлых грунтах.
- Подземные трубопроводы в вечномерзлых грунтах при транспортировании природного газа с положительной температурой на начальных участках магистральных трубопроводов удлиняются и могут перемещаться в осевом направлении на значительные величины (до 20-30 см). По этой причине анкерные устройства получают дополнительные удлинения и напряжения, которые могут привести к разрушению силовых поясов или выдергиванию анкеров. Рассматриваемая в прототипе конструкция анкерных устройств этого не учитывает.
Целью изобретения является повышение надежности конструкции подземных трубопроводов в вечномерзлых грунтах и повышение экономичности строительства.
Цель достигается тем, что каждая лопасть анкеров сделана винтовой и расположена вдоль тяги по одной винтовой линии с другими лопастями; силовой пояс изготовлен из гибкого элемента в виде двух ветвей замкнутой петли, нижние части каждой ветви свободно пропущены внутри жесткой опорной скобы круглого поперечного сечения или через ролик вращения на верхнем конце тяги каждого винтового анкера и имеет возможность перемещения в направлении продольной оси трубопровода, а в верхней части замкнутой петли в двух точках, равноудаленных от оси анкерного устройства, каждая ветвь гибкого элемента прикреплена к металлическому ложементу, установленному на мягкой прокладке в верхней части трубопровода.
Цель также достигается тем, что:
- винтовые анкеры с диаметром лопастей d завинчены в скважины диаметром d, которые пробурены в вечномерзлом грунте и предварительно заполнены водонасыщенным песком;
- винтовые анкеры завинчены непосредственно в вечномерзлый грунт в лидерные скважины, превышающие на несколько миллиметров диаметр ствола анкера;
- гибкий замкнутый пояс изготовлен из двух отдельных половин, одинаковой длины, которые соединены в верхней части трубопровода.
Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявленное устройство отличается всей совокупностью изложенных признаков. Это позволяет сделать вывод о соответствии признаку "новизна".
Сравнение не только с прототипом, но и с другими техническими решениями в данной области техники не позволило выявить в них признаки, отличающие заявленное устройство от прототипа, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию "существенные отличия".
На фиг. 1 изображен поперечный разрез трубопровода с анкерным закреплением в вечномерзлом грунте. На фиг. 2 показан трубопровод с анкерным закреплением (вид сбоку) со схемой работы гибкого пояса только от вертикальной нагрузки, при отсутствии горизонтального перемещении трубопровода. На фиг. 3 показан трубопровод с анкерным закреплением (вид сбоку) в исходном положении, при возможном горизонтальном перемещении трубопровода. На фиг. 4 показана схема работы анкерного устройства трубопровода при горизонтальном перемещении трубопровода.
Описание конструкции
Трубопровод 1, уложенный на дно траншеи 14, удерживается от всплытия или потери продольной устойчивости анкерным устройством, включающим два анкера с тягами 4 и винтовыми лопастями 5, погруженными в вечномерзлый грунт 2 ниже дна траншеи 14 по противоположным сторонам подземного трубопровода 1, а также силовой пояс 11, соединяющий эти анкеры поверх трубопровода (фиг. 1). Для перераспределения нагрузки на поверхность трубопровода 1 под силовым поясом 11 укладывают жесткий стальной ложемент 10. Под ним устанавливают мягкую прокладку 13, предохраняющую изоляционное покрытие трубопровода 1 от повреждений.
Винтовые лопасти 5 диаметром d устанавливают с оптимальным шагом, обеспечивающим максимальную несущую способность анкеров. При отсутствии оттаивания грунта под трубопроводом верхнюю лопасть располагают на расстоянии 6d ниже дна 20 траншеи 14. При наличии зоны оттаивания грунта под трубопроводом верхнюю лопасть располагают на расстоянии 6d от нижней точки ореола оттаивания мерзлого грунта под трубопроводом.
Силовой пояс 11 изготавливают из гибкого элемента в виде замкнутой петли, например из гибкого стального троса. Петля образует две ветви: левую 15 и правую 19 (фиг. 2), (фиг. 3). Верхние концы каждой ветви замкнутой петли в двух точках 12, равноудаленных от оси анкерного устройства, закрепляют от горизонтальных перемещений по металлическому ложементу 10.
Нижние части силового пояса 11 свободно пропускают внутри жесткой опорной скобы 3 круглого поперечного сечения или через ролик вращения 9, расположенные в верхнем конце тяги 4 каждого винтового анкера. Первый вариант, более простой, применяют в том случае, когда горизонтальные температурные перемещения в процессе эксплуатации трубопровода 1 отсутствуют или незначительны (фиг. 1, b, фиг. 2). Второй вариант применяют при больших горизонтальных перемещениях трубопровода 1 вместе с прикрепленным к нему левым 15 и правым 19 ветвями силового пояса 11. Это приводит к перемещению ветвей 15 и 19 силового пояса 11 относительно вращающегося ролика 9 (фиг. 1, а, фиг. 3, фиг. 4).
Анкер состоит из тяги 4 с прикрепленными к нему винтовыми лопастями 5. На фиг. 1 показаны два возможных варианта анкеров.
При первом варианте винтовые анкеры завинчены непосредственно в вечномерзлый грунт 2 в предварительно пробуренные лидерные скважины 8, превышающие на несколько миллиметров диаметр тяги 4 анкера (фиг. 1, а). Это облегчает их завинчивание в очень прочную вечную мерзлоту. Усилия в анкере при завинчивании в такой грунт очень велики, поэтому диаметр тяги 4 и толщина лопастей 5 такого анкера значительно больше, чем при варианте, показанном на фиг. 1, b.
При втором варианте винтовые анкеры завинчены в предварительно пробуренные скважины 6, заполненные водонасыщенным песком. Диаметр винтовой лопасти равен диаметру лидерной скважины. Усилие завинчивания винтового анкера в немерзлый водонасыщенный песок значительно меньше, чем при первом варианте, поэтому размеры тяги и лопастей также получаются меньше, при одинаковой несущей способности анкера, а количество завинчиваемых винтовых лопастей значительно больше. Такой анкер приобретает проектную несущую способность только после промерзания водонасыщенного песка.
Каждый из этих вариантов имеет свои достоинства и должен применяться для определенных конкретных условий и технических возможностей строительной техники.
Принцип действия устройства
При отсутствии горизонтальных перемещений трубопровода на анкерное устройство действуют только вертикальные нагрузки 7 от выталкивающих сил воды и потери продольной устойчивости трубопровода (фиг. 1, b) и (фиг. 2). Эти вертикальные нагрузки воспринимаются двумя ветвями 19 и 15 силового пояса 11.
При больших горизонтальных перемещениях трубопровода 1 в направлении 18 применяют второй вариант конструкции анкерного устройства с роликами 9 на верхнем конце тяги 4 анкера, изображенный на фиг. 1, а, фиг. 3, фиг. 4. В исходном монтажном положении верхние концы каждой ветви 19 и 15 силового пояса 11 закреплены в двух точках 12 и равноудалены от оси анкерного устройства на величину S, равную проектной величине перемещения трубопровода 1 в месте закрепления анкерным устройством (фиг. 3). В процессе перемещения трубопровода 1 верхние концы каждой ветви перемещаются вместе с трубопроводом 1, но расстояние между ними не изменяется, оставаясь равным 2S, а нижние концы остаются в исходном положении. По этой причине ветви 15 и 19 силового пояса 11 принимают положение, показанное на фиг. 4 пунктирной линией. При предельно допустимом проектном перемещении левая ветвь 15 принимает вертикальное положения 16, а перемещение правой ветви 19 в предельном положении 17 составит S. Наличие роликовой опоры 9 значительно уменьшает величину усилия, передаваемого на верхний конец анкерной тяги 4 при перемещении ветвей 15 и 19 силового пояса. Это усилие будет минимальным при использовании роликовой опоры с шариковым подшипником закрытого типа.
При перемещении трубопровода 1 в обратном направлении ветви 15 и 19 силового пояса 11 возвращаются в исходное положение.
Для удобства монтажа силового пояса (например, стального троса) в стесненных условиях на дне узкой траншеи 1 его изготавливают из двух отдельных половин, одинаковой длины с каждой половины трубопровода. После погружения в грунт анкера каждую половину троса пропускают через опорный ролик 9 или скобу 3 анкера, а верхние концы троса временно закрепляют на берме траншеи 14. После укладки трубопровода 1 на дно траншеи соответствующие концы троса соединяют на ложементе в верхней части трубопровода специальными тросовыми зажимами.