СЕЙСМОСТОЙКАЯ ЧЕТЫРЕХСВАЙНАЯ ПОДВИЖНАЯ ОПОРА ТРУБОПРОВОДА И ДЕМПФЕРНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ СЕЙСМОСТОЙКОЙ ЧЕТЫРЕХСВАЙНОЙ ПОДВИЖНОЙ ОПОРЫ ТРУБОПРОВОДА
SEISMIC RESISTANT FOUR-PILE MOBILE PIPELINE SUPPORT AND DAMPER DEVICE FOR THE SEISMIC RESISTANT FOUR-PILE MOBILE PIPELINE SUPPORT

Заявленная группа изобретений относится к области строительства надземных трубопроводов и может быть использована при надземной прокладке трубопроводов в сейсмически опасных районах.
Из уровня техники известна опора трубопровода [патент на изобретение RU 2479779 С2, опубл. 20.04.2013, МПК: F16L 3/205], направленная на расширение возможности использования в условиях сейсмического воздействия на трубопровод. Опора содержит закрепленное в грунте полое основание, стойку для поддержания трубопровода, размещенную в полости основания с возможностью возвратно-поступательного перемещения, опорно-поворотные узлы, установленные в верхней части стойки и в нижней части основания. На наружной поверхности стойки между фланцами стойки и основания концентрично размещены две спиральные пружины сжатия с различной жесткостью и противоположным направлением навивки. Суммарное рабочее усилие пружин в их исходном положении выбирается из условия поддержания трубопровода, не подверженного сейсмической и другим вертикальным нагрузкам. Длина пружин принята исходя из равенства их деформации до соприкосновения витков максимально возможному смещению трубопровода в вертикальной плоскости. На фиксирующем трубопровод на опоре элементе установлен цилиндрический защитный кожух, охватывающий с зазором наружную пружину. Нижняя кромка кожуха в исходном положении размещена ниже фланца основания.
Известна также сейсмозащитная опора для трубопровода [патент на изобретение RU 2391594 С1, опубл. 10.06.2010, МПК: F16L 3/205], предназначенная для демпфирования колебательных процессов от сейсмического воздействия, вибрации и сохранения необходимой подвижности трубопровода. Опора содержит два упругих элемента - пружины, на которые опирается ложемент, раму, состоящую из основания и стоек и опирающуюся на фундамент. Внутри каждой пружины установлен шток со втулкой скольжения, опирающийся шарнирно на раму и проходящий через отверстие в ложементе. В отверстие между штоком и ложементом концентрично установлена центрирующая втулка. Между верхней площадкой центрирующей втулки и головкой втулки скольжения оставлен зазор, величина которого определяется с учетом амплитуды колебания ложемента. К ложементу с двух сторон вертикально приварены две плиты, к которым прижат тормозной механизм, усилие прижатия которого к плите ложемента определяется в зависимости от внешней нагрузки.
Наиболее близкой к заявляемой группе изобретений по технической сущности является свободно-подвижная опора [патент на изобретение US 4128219 А, опубл. 05.12.1978, МПК: F16L 1/02, F16L 3/16], обеспечивающая возможность продольного и поперечного перемещения трубопровода в результате теплового сжатия и расширения, а также сейсмического воздействия. Конструкция образована взаимно пересеченными вертикально и горизонтально ориентированными опорными стержневыми элементами, разъемно соединенными между собой с возможностью регулировки положения трубопровода. Трубопровод охвачен жесткими хомутами, закрепленными к подвижному горизонтальному опорному элементу. Конструкция опоры и опорного узла обеспечивает многократную возможность регулировки положения трубопровода при его достаточно жесткой фиксации. На сваях свайного фундамента установлены упругие демпфирующие устройства в виде квадратных резиновых брусьев с отверстием внутри.
К недостаткам известного технического решения можно отнести отсутствие регулировки расположения демпферного устройства в поперечном направлении в случае необходимости ограничения перемещения трубопровода. Кроме того, отсутствие жесткой связи между сваями может привести к отклонению свай и падению опор при сейсмическом воздействии и ударе трубопровода с ложементом опоры по демпферу, закрепленному на свае.
Задачей заявляемой группы технических решений является обеспечение надежности и функциональности конструкции при эксплуатации в сейсмически активных районах.
Технический результат, достигаемый при использовании заявляемой группы изобретений, заключается в демпфировании сейсмического воздействия на свайный фундамент опоры и трубопровод в заданных проектных режимах в горизонтальном поперечном направлении.
Указанная задача решается, а технический результат достигается тем, что в соответствии с заявляемым техническим решением сейсмостойкая четырехсвайная подвижная опора трубопровода состоит из закрепленного на четырех сваях через опорные муфты опорного стола-ростверка с подвижно установленной на нем подошвой опоры, шарнирно соединенной с ложементом опоры, снабженным боковой опорной плитой, по меньшей мере двух полухомутов, разъемно соединенных с ложементом опоры, при этом на каждой паре свай, расположенных по одну сторону от трубопровода, на уровне расположения боковой опорной плиты ложемента установлено демпферное устройство, содержащее взаимодействующие упругий и фрикционный узлы, причем упругий узел образован установленным на торцах по меньшей мере двух штоков упором с закрепленным на нем упругим демпфером, а фрикционный узел включает по меньшей мере четыре фрикционные полумуфты, закрепленные на несущей балке демпферного устройства попарно оппозитно друг другу, по меньшей мере два штока, каждый из которых установлен между парой фрикционных полумуфт, при этом несущая балка демпферного устройства установлена на сваях посредством двух обечаек, а фрикционные полумуфты выполнены с возможностью ограничения перемещения штоков в горизонтальном поперечном направлении относительно оси трубопровода.
Также поставленная задача решается конструктивным решением демпферного устройства для сейсмостойкой четырехсвайной подвижной опоры трубопровода, которое содержит взаимодействующие упругий и фрикционный узлы, причем упругий узел образован установленным на торцах по меньшей мере двух штоков упором с закрепленным на нем упругим демпфером, а фрикционный узел включает по меньшей мере четыре фрикционные полумуфты, закрепленные на несущей балке демпферного устройства попарно оппозитно друг другу, по меньшей мере два штока, каждый из которых установлен между парой фрикционных полумуфт, при этом несущая балка демпферного устройства установлена на сваях посредством двух обечаек, а фрикционные полумуфты выполнены с возможностью ограничения перемещения штоков в горизонтальном поперечном направлении относительно оси трубопровода.
Несущая балка состоит из нижнего и верхнего профилей, соединенных между собой посредством пластин, каждая из которых жестко закреплена на боковых поверхностях по концам верхнего и нижнего профилей с обеспечением гарантированного зазора между ними.
Нижний и верхний профили несущей балки выполнены в виде швеллеров или двутавров.
Каждая из фрикционных полумуфт состоит из полуобечайки, жестко закрепленной через пластины к нижнему либо верхнему профилю несущей балки.
Штоки установлены в отверстия, образованные парой фрикционных полумуфт, одна из которых крепится к верхнему профилю, а другая - к нижнему профилю несущей балки оппозитно друг другу, причем фрикционная фиксация штоков в отверстиях фрикционных полумуфт обеспечивается стяжкой верхнего и нижнего профилей болтовым соединением.
Обечайки соединены с несущей балкой посредством кронштейнов, жестко закрепленных на обечайках с одной стороны, и закрепленных болтовым соединением к пластинам, соединяющим верхний и нижний профили несущей балки, с другой стороны.
На кронштейне обечайки в месте болтового соединения с пластинами несущей балки выполнены продольные пазы.
Упругий демпфер выполнен в виде бруса из полиуретанового либо резинового материала.
Упругий демпфер выполнен в форме полуцилиндра со сквозным продольным отверстием.
Заявляемая группа изобретений поясняется следующими чертежами.
На фиг. 1 схематично представлен вид подвижной опоры по оси трубопровода, на свайный фундамент которой установлено демпферное устройство.
На фиг. 2 схематично представлен вид подвижной опоры поперек оси трубопровода, на свайный фундамент которой установлено демпферное устройство.
На фиг. 3 схематично представлен вид в изометрии на заявляемую конструкцию демпферного устройства.
Позициями на чертежах обозначены:
1 - стол-ростверк;
2 - продольная балка ростверка;
3 - опорная муфта;
4 - полукольца;
5 - свая;
6 - пластина-упор;
7 - демпферное устройство;
8 - боковая опорная плита ложемента;
9 - подошва опоры;
10 - шарнирное соединение;
11 - ложемент опоры;
12 - полухомут;
13 - упругий демпфер;
14 - прижим;
15 - упор;
16 - шток;
17 - фрикционный узел;
18 - фрикционная полумуфта;
19 - болтовое соединение фрикционного узла;
20 - несущая балка демпферного устройства;
21 - пластина несущей балки (с отверстиями);
22 - пластина несущей балки;
23 - обечайка;
24 - горизонтальная пластина кронштейна;
25 - вертикальная пластина кронштейна;
26 - болтовое соединение;
27 - полуобечайка;
28 - пластина фрикционной полумуфты.
Заявленная сейсмостойкая четырехсвайная подвижная опора трубопровода (фиг. 1, фиг. 2, фиг. 3) состоит опорного стола-ростверка 1 и продольных балок 2 ростверка, закрепленных через опорные муфты 3 при помощи болтового или сварного соединения. Опорные муфты 3 опираются на свайный фундамент, включающий четыре сваи 5. Опорные муфты 3 установлены на сваи 5 с зазором и опираются на полукольца 4, приваренные к сваям 5. На опорном столе-ростверке 1 подвижно установлена подошва 9 опоры. Подошва 9 опоры посредством шарнирного соединения 10 крепится к ложементу опоры 11, снабженному боковой опорной плитой 8. На ложементе опоры 11 посредством разъемного соединения закреплены по меньшей мере два полухомута 12, крепящих трубопровод в ложементе опоры 11. На каждой паре свай 5, расположенных по одну сторону от трубопровода, на приваренных к свае 5 пластинах-упорах 6 установлено демпферное устройство 7, расположенное на уровне оси трубопровода оппозитно боковой опорной плите 8 ложемента. В случае допускаемого смещения трубопровода в поперечном направлении и необходимости ограничения его поперечного перемещения по условию прочности боковой зазор между демпферным устройством 7 и боковой опорной плитой 8 ложемента опоры регулируется путем выдвижения штоков 16 демпферного устройства 7.
Обечайки 23 установлены с зазором по свае 5 на по меньшей мере двух пластинах-упорах 6, приваренных к свае 5 равномерно по окружности.
Заявляемое демпферное устройство (фиг. 3) для сейсмостойкой четырехсвайной подвижной опоры трубопровода для участков надземной прокладки, расположенных в сейсмически-активных районах от 7 до 9 баллов по шкале MSK-64, относится к классам упругих и фрикционных демпферных устройств. Демпферное устройство 7 выполнено комбинированным и содержит взаимодействующие упругий и фрикционный узлы.
Упругий узел образован установленным на торцах по меньшей мере двух штоков 16 упором 15 с закрепленным на нем с помощью прижима 14 упругим демпфером 13, который имеет возможность упругой расчетной деформации при контакте опоры трубопровода с демпферным устройством 7. Упругий демпфер 13 выполнен в виде бруса из упругого материала, например из полиуретана или резины. Форма сечения упругого демпфера 13 может быть различной, в частности брус может иметь прямоугольную или полуцилиндрическую форму. Брус из упругого материала может быть сплошным либо иметь сквозное продольное отверстие.
Фрикционный узел 17 предназначен для ограничения перемещения штоков 16 относительно установленной на свае 5 обечайки 23 с несущей балкой 20. Фрикционный узел 17 включает по меньшей мере четыре фрикционные полумуфты 18, закрепленные на несущей балке 20 демпферного устройства попарно оппозитно друг другу.
Несущая балка 20 демпферного устройства установлена на сваях 5 посредством двух обечаек 23 и состоит из нижнего и верхнего профилей, соединенных между собой посредством пластин 21 или 22. Каждая пластина 21 или 22 жестко закреплена на боковых поверхностях по концам верхнего и нижнего профилей с обеспечением гарантированного зазора между ними. Нижний и верхний профили несущей балки 20 выполнены в виде швеллеров или двутавров, сваренных между собой по концам несущей балки 20 вертикально расположенными пластинами без отверстий 22, и пластин с отверстиями 21 для болтового соединения 26 балки 20 с обечайкой 23. Упругость конструкции несущей балки 20 демпферного устройства позволяет компенсировать допускаемое отклонение осей свай 5 от вертикали (±2%).
Между двумя парами фрикционных полумуфт 18 установлены два штока 16, расположенные параллельно друг другу по центру несущей балки 20. Фрикционные полумуфты 18 обеспечивают возможность ограничения перемещения штоков 16 в горизонтальном поперечном направлении относительно оси трубопровода. Каждый шток 16 установлен в отверстие, образованное парой фрикционных полумуфт 18, одна из которых крепится к верхнему профилю, а другая - к нижнему профилю несущей балки 20 оппозитно друг другу. Фрикционная фиксация штоков 16 в отверстиях фрикционных полумуфт 16 обеспечивается стяжкой верхнего и нижнего профилей болтовым соединением за счет упругой деформации несущей балки 20.
Штоки 16 закреплены болтовым соединением 19 фрикционного узла. Величина усилия затяжки болтовых соединений 19 влияет на усилие срабатывания фрикционного узла 17 демпферного устройства 7 при возникновении контакта опоры трубопровода с демпферным устройством 7.
Каждая из фрикционных полумуфт 18 состоит из полуобечайки 27, жестко закрепленной через пластины 28 фрикционной полумуфты в центральной части нижнего либо верхнего профиля несущей балки 20 демпферного устройства.
Конструкция фрикционного узла 17 позволяет регулировать зазор между демпферным устройством 7 и упором 15 ложемента 11 опоры, а также компенсировать допускаемые поперечные смещения трубопровода путем выдвижения штоков 16 при ослабленном болтовом соединении 19 фрикционного узла 17.
Демпферное устройство 7 установлено посредством двух обечаек 23 на сваях 5, расположенных по одну сторону от трубопровода. На каждой из обечаек 23 жестко закреплен кронштейн обечайки 23, выполненный в виде двух горизонтальных пластин 24 и одной вертикальной пластины 25. На вертикальной пластине 25 кронштейна обечайки 23 выполнены продольные пазы для болтового соединения с пластинами 21 и 22, соединяющими верхний и нижний профили несущей балки 20, обеспечивающие монтаж несущей балки 20 демпферного устройства с максимально допускаемыми отклонениями головы свай 5 в плане (±50 мм).
Для продольно-подвижных опор демпферное устройство 7 подводится непосредственно к боковой опорной плите 8 ложемента опоры 11 без зазора для обеспечения только продольного перемещения трубопровода от его температурных деформаций, при изменении длины трубопровода вследствие изменения температуры стенок труб. Для свободно-подвижных опор между демпферным устройством 7 и боковой опорной плитой 8 ложемента опоры 11 имеется зазор, обеспечивающий возможность как продольных, так и поперечных перемещений опоры.
Заявленная группа технических решений работает следующим образом. При осуществлении работ по прокладке надземного трубопровода в сейсмически активных районах опорные конструкции трубопровода устраивают с учетом возможности сейсмических воздействий, качества грунта, его уклона и т.д.
При сейсмическом воздействии упругий и фрикционный узлы взаимодействуют друг с другом последовательно: первоначально срабатывает упругий узел, затем фрикционный узел 17, настроенный на усилие равное или незначительно ниже усилия срабатывания упругого демпфера 13 с учетом коэффициента трения между штоком 16 и фрикционными полумуфтами 18, каждая из которых приварена к несущей балке 20 демпферного устройства, состоящей из нижнего и верхнего профилей, выполненных из швеллеров или двутавров.
При возникновении сезонных температурных деформаций ложемент опоры 11 с уложенным в него трубопроводом и закрепленной к нему шарнирным соединением 10 подошвой опоры 9 с установленными на ней антифрикционными прокладками (на чертежах не показаны) плавно скользит по опорной коррозионно-стойкой поверхности стола-ростверка 1 опоры. Скольжение происходит только в продольном направлении для продольно-подвижных опор, и в продольном и поперечном направлении - для свободно-подвижных опор. Возможность данных перемещений обеспечивают компенсационные блоки (на чертежах не показаны), представляющие собой змеевидную прокладку трубопровода различной формы.
При возникновении сейсмического воздействия трубопровод свободно перемещается вдоль своей оси. При поперечном перемещении трубопровода происходит динамический удар боковой опорной плиты 8 ложемента опоры 11 об упругий узел демпферного устройства 7. При этом исключается непосредственный контакт металлических поверхностей ложемента опоры 11 и сваи 5, на которой установлена опора трубопровода, и тем самым предотвращается повреждение трубопровода. В момент удара при возникновении сейсмического воздействия происходит сжатие упругого демпфера 13. Затем происходит срабатывание фрикционного узла 17 демпферного устройства 7: штоки 16 сдвигаются вдоль своей оси во фрикционных полумуфтах 18, погашая энергию сейсмического воздействия за счет трения и снижая тем самым нагрузку на свайный фундамент опоры.
В результате достигается демпфирование сейсмического воздействия на свайный фундамент опоры и трубопровод в заданных проектных режимах в горизонтальном поперечном направлении.