ОПОРА НАДЗЕМНОГО МАГИСТРАЛЬНОГО ТРУБОПРОВОДА
ABOVE GROUND PIPELINE SUPPORT

Изобретение относится к строительству и эксплуатации магистральных трубопроводов и может быть использовано в качестве опор для трубопроводов в условиях, осложненных сезонно-вспучиваемыми грунтами.
Известна опора трубопровода (патент РФ № 2479779, опубл. 02.08.2010), содержащая 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.
Недостатком данного устройства является наличие одного полого основания, что приводит к отклонению и падению опоры при воздействии сил морозного пучения грунтов.
Известна опора трубопровода (патент РФ № 2056570, опубл. 20.03.1996), содержащая железобетонный ложемент, состоящий из нижней и верхней частей, обращенных одна к другой горизонтальными плоскостями, между которыми установлены пружины, выполненные с возможностью сжатия на величину, равную высоте подъема грунта при морозном пучении. Труба опирается на верхнюю часть блока в цилиндрическом ложе. Сверху трубы пропущены анкеры, закрепленные в грунте и верхней части блока.
К недостаткам этой опоры можно отнести расположение нижней части опоры, поскольку она защемлена в грунте и пружины упираются только на нижнюю часть опоры, что приводит к не устойчивому положению опоры.
Известна опора трубопровода (патент РФ № 2124668, опубл. 10.01.1999), содержащая фундаментную сваю, на которой подвижно через упругие элементы - пружины закреплен ложемент трубопровода. Опора снабжена мерной планкой с визиром для регистрации перемещений сваи в результате воздействия на нее сил морозного пучения грунта. С учетом перемещений сваи регулируют осадку пружин опоры для снижения напряжений в трубопроводе.
К недостаткам этой опоры можно отнести количество только одной платформы и одной закрепленной сваи к платформе, присутствует только один тип пружин, вертикальные и горизонтальные нагрузки от смещения сваи передаются до ложемента только через платформу опоры, это приводит к деформации пружины за пределы упругости, приобретая остаточную деформацию, и в результате действий, возникающих при сезонном вспучивании грунта, повышается напряженно деформированного состояние (НДС).
Известна опора неподвижная трубопровода (патент РФ № 120180, опубл. 09.10.2012), включающая винты с набором регулирующих высотное положение хомута и гаек, отличающаяся тем, что дополнительно введены труба, опорная поверхность, теплоизоляционный слой, устройство для регулировки угла наклона трубы при монтаже, причем труба изготавливается в заводских условиях с диаметром, соответствующим диаметру магистрального трубопровода, и покрывается 100-миллиметровым слоем теплоизоляции, которая не достигает концов трубы, с образованием неизолированных концевых участков трубы, которая устанавливается на опорные поверхности, фиксируется бандажами, состоящими из завальцованного листа, изготовленного в форме кольца, а труба выполнена с возможностью свободного вращения относительно несущих нагрузку элементов конструкции, каждая опорная поверхность состоит из рамы опоры, упора и опирается на подрамник, который крепится к свайному фундаменту, в упоре выполнено устройство для регулировки угла наклона трубы при монтаже.
Недостатком этой опоры является наличие дополнительной трубы, которая сильно фиксирует трубопровод, что создает большую нагрузку на трубопровод, и в результате действий сил морозного пучения опора сместится, что может привести к разрыву трубопровода.
Известна подвижная опора трубопровода (Д.А. Коршунова.  Подвижные опорные части трубопроводов и других сооружений. Киев: Высшая школа, 1976. 143 с), содержащая пружины, закрепленные на основаниях опоры, ложемент которой расположен на столе-ростверке. Пружины соединяют стол ростверк и упираются на опорную плиту. Компенсацию возникающих перемещений между опорой и трубопроводом осуществляет демпферная система.
Недостатками является то, что опорная плита установлена строго над грунтом и форма опорной плиты не позволяет сохранить устойчивость при воздействии сил морозного пучения, протекающих неравномерно.
Техническим результатом изобретения является повышение надежности работы опоры и понижение НДС надземного магистрального трубопровода.
Технический результат достигается тем, что опора надземного магистрального трубопровода включает пружины, закрепленные на основаниях опоры, ложемент которой установлен на столе-ростверке, где пружины соединяют стол-ростверк и упираются на опорную плиту, при этом сверху к ложементу закреплены с возможностью съема не менее двух полухомутов, которые выполнены в форме плоских полуколец, демпфер состоит из внешней пружины, которая выполнена в форме цилиндра, а внутри неё установлена внутренняя пружина в форме конуса, диаметр которой увеличивается в нижней части, нижняя часть опорной плиты выполнена в форме острой кромки, при этом в ней выполнены отверстия, куда установлены винтовые сваи, которые проходят сквозь демпфер и упираются в стол-ростверк.
Устройство поясняется следующими фигурами:
фиг. 1 – устройство вид спереди;
фиг. 2 – устройство вид сбоку;
фиг. 3 – демпфер вид спереди, где:
1 – трубопровод;
2 – ложемент;
3 – полухомут;
4 – крепление;
5 – стол-ростверк;
6 – опорная плита;
7 – шайба;
8 – демпфер;
9 – винтовая свая;
10 – внешняя пружина;
11 – внутренняя пружина.
Опора надземного магистрального трубопровода 1 состоит из ложемента 2 (фиг.1) выполненного в форме полуцилиндра, сверху к нему закрепляют с возможностью съема не менее двух полухомутов 3, которые выполнены в форме плоских полуколец. Полухомуты 3 и закреплены с ложементом 2 креплением 4. Ширина полухомута 3 зависит от диаметра трубопровода 1 и расчетной нагрузки. Стол - ростверк 5 (фиг. 2) выполнен в форме прямоугольника, на него жестко закреплен ложемент 2. Демпфер 8 установлен между столом-ростверком 5 и опорной плитой 6.  Нижний конец демпфера 8 закреплен неподвижно в платформе опорной плиты 6, где в качестве фиксирующего элемента шайба 7, а верхний конец закреплен с возможностью подбора витков пружины по высоте в столе-ростверке 5 Демпфер 8 состоит из внешней пружины 10, которая выполнена в форме цилиндра, а внутри неё установлена внутренняя пружина 11 в форме конуса, диаметр которой, увеличивается в нижней части. Нижняя часть опорной плиты 6 выполнена в форме острой кромки. Винтовые сваи 9 выполнены в форме цилиндра, а нижняя часть в форме конуса. В опорной плите 6 выполнены отверстия, куда установлены винтовые сваи 9, сквозь демпфер 8 и упираются в стол-ростверк.
Размеры предлагаемой опоры выбираются в соответствии с диаметром трубопровода 1, который может меняться от 200 до 1440 мм. Диаметр пружин выбирается в пределах от 10 до 240 мм, размер опорной плиты от 300х700х50х90 мм до 800х1800х300х450 мм, высота ложемента от 40 до 600 мм, диаметр винтовых свай от 159 до 630 мм, длина винтовых свай от 3000 до 12000 мм.
Демпфер 8 для трубопровода диаметром 1440 мм и весом сырья равным 1430 Н/м, для этого определим нагрузку на опору со стороны трубопровода Q = 291000 Н. В зависимости от степени пучения 0,09 и глубины промерзания грунта 2000 мм, найдем расчетное значение подъема основания от пучения по формуле h=Ed, значение будет равно 180 мм.
Под расчетные значения подберем пружины. Пружины сжатия могут быть разного типа, а их жесткость определяется из условия:
X0 = L - P/k
где X0 - расчетное максимальное перемещение винтовых свай в результате морозного пучения;
L – длина пружины в недеформированном состоянии;
Р – расчетная нагрузка на опору;
k - коэффициент жесткости пружины.
Жесткость одной пружины определим по формуле: k = P/ (L - X0), длина пружины в недеформированном состоянии 250 мм, перемещение винтовых свай 180 мм, расчетная нагрузка на опору 7275 Н, жесткость для одной пружины получим равной 104.
Исходя из расчетной нагрузки на одну пружину, геометрические параметры пружин могут быть следующие: средний диаметр пружины D = 150 мм; диаметр проволоки d = 20мм; индекс пружины с = D/d = 7,5; количество рабочих витков i = 3; полное количество витков n=5; Допустимое усилие Fmax = 8506.4 Н.
Опора надземного магистрального трубопровода работает следующим образом. В мерзлый грунт устанавливают винтовые сваи 9, которые при пучении грунта поднимаются вверх при этом демпфер 8 начинает сжиматься на величину поднятия винтовой сваи 9, при таянии грунта винтовая свая 9 возвращается в исходное положение и демпфер 8 разжимается. В процессе пучения грунта опорная плита 6 смещается и за счет острой кромки разрезает грунт в противоположную сторону от высоты морозного пучения грунта, а в процессе оттаивания грунта, расстояние на которое смещается опорная плита 6, за счет своей формы возвращается в исходное положение.
Применение демпфера 8, позволяет выдерживать большую нагрузку от трубопровода 1, и от сил морозного пучения, прямая связь винтовых свай со столом - ростверком 5 позволяет предотвратить возможность вертикальных и горизонтальных смещений опорной плиты 6, а форма опорной плиты 6 в виде острой кромка позволяет разрезать грунт и сохранить возможности смещения опоры трубопровода в заданных проектных режимах. Опора надземного магистрального трубопровода в условиях, осложненных сезонно-вспучиваемыми грунтами позволяет в большей степени уменьшить НДС трубопровода за счет демпферной системы, значительно компенсировать дрейф опорной плиты за счет острой кромки.