АНКЕРНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЗАКРЕПЛЕНИЯ ТРУБОПРОВОДА И АНКЕРНЫЙ БЛОК УКАЗАННОГО УСТРОЙСТВА

Полезная модель относится к области строительства, а именно, к винтовым анкерным устройствам, предназначенным для удержания в проектном положении трубопроводов, размещенных в обводненном грунте или в заболоченной местности, и закрепления их от всплытия.
К обводняемой местности относятся участки трассы трубопровода, на которых происходит постоянное или временное превышение уровня грунтовых вод над уровнем дна траншеи и связанное с этим воздействие на трубопровод выталкивающей силы воды. Обводнение участков трубопроводов в процессе строительства и эксплуатации может происходить за счет притока талых и дождевых вод через боковые стенки и дно в открытую траншею или в грунт обратной засыпки, за счет бокового притока поверхностных и грунтовых вод из-за перераспределения стоков, вызванного оттаиванием грунта вокруг трубопровода при транспортировке продукта, имеющего положительную температуру. Сюда же относятся и пойменные участки трубопроводов, прилегающие к водным преградам и подверженные паводковым затоплениям.
При строительстве трубопроводов в обводненных и заболоченных местах возникает проблема обеспечения их продольной устойчивости, на решение которой направлены устройства для балластировки трубопроводов винтовыми анкерными блоками, обеспечивающими увеличение несущей (удерживающей) способности и повышение надежности закрепления трубопроводов.
Из уровня техники известны как устройства, состоящие из системы двух взаимосвязанных анкерных блоков, так и различные варианты конструкции анкерных блоков и винтовых свай, направленные на разрешение указанной проблемы.
Из описания патента РФ на полезную модель RU 104567, опубликованного 20.05.2011 (E02D 5/54), известно винтовое анкерное устройство (ВАУ) для удержания в проектном положении протяженных цилиндрических тел диаметром от 325 мм до 1420 мм. Устройство содержит пару соединенных мягким силовым поясом стволов из металлических электросварных или цельнотянутых труб, предпочтительно диаметром 114 мм, каждый из которых имеет в нижней части винт диаметром 300-500 мм, выполненный из листовой стали и закрепленный по периметру сваркой, причем в верхней части каждого ствола выполнено перпендикулярно его оси отверстие, в котором размещен съемный фиксатор, выполненный в виде болта с гайкой или быстросъемного пальца, а мягкий силовой пояс снабжен средством натяжения, например, талрепом, посредством которого он закреплен к съемному фиксатору. Мягкий силовой пояс выполнен в виде кольца из сложенной синтетической технической ткани или ленты или имеет петли по его концам для крепления к талрепам. Шаг винта анкерного устройства для обводненных грунтов или заболоченной местности составляет 50-150 мм, предпочтительно - 100 мм, причем винт имеет правое направление.
Недостатком данного технического решения является большая величина крутящего момента, который необходимо приложить к стволам анкерного устройства при ввинчивании его в грунт. При этом не обеспечивается требуемый уровень сопротивления выдергиванию на рыхлых или обводненных грунтах.
Известно анкерное устройство, описанное в патенте США US 3170663, опубликованном 23.02.1965 (F16L 1/20), которое содержит два снабженных винтовой лопастью стальных составных удлиненных анкерных стержня с заострениями на концах. Стержни соединены в верхней части жестким силовым поясом, недостатком которого является возможность повреждения твердыми краями силового пояса поверхности трубопровода при воздействии выталкивающей силы в условиях обводнения участков трубопровода.
Из описания авторского свидетельства СССР SU 769175, опубликованного 07.10.1980 (F16L 1/00), известно анкерное устройство, содержащее два анкерных блока, снабженных винтовыми лопастями, и соединительную перемычку, препятствующую всплытию трубопровода. При этом винтовые лопасти размещены на съемных цилиндрах, связанных с заостренными наконечниками посредством замков.
Недостатком данного технического решения является не невысокий уровень сопротивления выдергиванию анкерных блоков из почвы, поскольку замковое соединение не обеспечивает требуемого уровня прочности закрепления съемных цилиндров на анкерных стержнях.
Из уровня техники известны различные варианты конструкции анкерных блоков, например, описанные в патентах RU 104270, RU 104272 и RU 104273.
В частности, из патента РФ на полезную модель RU 104270, опубликованного 10.05.2011 (F16L 1/06), известно анкерное устройство, содержащее выполненный из стали прямолинейный стержень, заостренный в нижней части и снабженный упором и узлом крепления к гибкому соединительному поясу в верхней части, а также, по меньшей мере, одну винтовую лопасть с режущими кромками, закрепленную на стержне болтовым соединением. Причем, стержень устройства может быть снабжен второй винтовой лопастью. Однако размер винтовых лопастей и расположение на них прорезей не согласованы между собой, что снижает несущую способность анкерного устройства, поскольку не обеспечивается целостность призмы грунта между верхней и нижней лопастью, кроме того стенки скважины разрыхляются муфтами или болтовыми соединениями.
Наиболее близким аналогом (прототипом) заявленного технического решения является анкерное устройство для закрепления трубопровода, раскрытое в патенте США №5730552, опубликованном 24.03.1998 г. Анкерное устройство для закрепления трубопровода включает в себя левый и правый анкерные элементы, заостренные в нижней части и связанные между собой силовым соединительным поясом, выполненным из полиэстера или из нейлона. Пояс удерживает трубопровод от всплытия в обводненном состоянии. Каждый анкерный элемент содержит винтовой анкер, закрепленный на стальном анкерном стержне болтовым соединением, предназначенный для заглубления под землю. Анкерный стержень соединяется с удлинительным стержнем при помощи нижней муфты. Узел крепления силового пояса выполнен в виде втулки, снабженной размещенным на ее боковой поверхности элементом установки соединительного пояса и выполненной с возможностью проворота стержня внутри нее. В верхней части анкерный элемент содержит упор, выполненный в виде муфты.
Недостатком прототипа является то, что силовой соединительный пояс оказывает непосредственное воздействие на поверхность трубопровода при его перемещениях, что может вызвать повреждение изоляционного покрытия на трубопроводе и, в некоторых случаях, деформацию трубы, кроме того стенки скважины, образованной анкерным стержнем, разрыхляются расположенными на нем муфтами с болтовыми соединениями, что снижает несущую способность устройства. Риск повреждение изоляционного покрытия трубопровода и деформации трубы при снижении несущей способности анкерного устройства совместно отрицательно влияют на показатели надежности и безопасности эксплуатации системы газоснабжения.
Заявленное анкерное устройство направлено на преодоление недостатков прототипа и известных аналогов.
Технический результат заключается в повышении надежности и безопасности эксплуатации трубопровода.
Для решения поставленной задачи предложено анкерное устройство для закрепления трубопровода, включающее левый и правый анкерные блоки, соединенные между собой гибким силовым поясом. Анкерные блоки выполнены в виде металлических стержней, снабженных в верхней части упором и узлом крепления к гибкому силовому поясу, а в нижней части - винтовой лопастью, закрепленной на стержне. В заявленном устройстве к гибкому силовому поясу дополнительно прикреплен защитный материал для предохранения от повреждений изоляционного покрытия трубопровода, что необходимо для обеспечения надежности и безопасности при эксплуатации трубопровода. А металлические стержни анкерных блоков выполнены составными из нескольких частей, соединенных между собой муфтами. Выполнение металлических стержней составными позволяет регулировать в широком диапазоне глубину их введения в грунт для обеспечения заданного уровня надежности закрепления трубопровода. На нижней части стержня анкерного блока установлен заостренный наконечник с расширителем, диаметр которого больше диаметра стержня и муфты, при этом наконечник дополнительно снабжен винтовой направляющей лопастью меньшего диаметра, чем диаметр винтовой лопасти, закрепленной на стержне, что обеспечивает формирование призмы грунта между указанными лопастями и уплотнение стенок скважины в следствии чего повышается надежность закрепления трубопровода. Надежное закрепление трубопровода необходимо для безопасной его эксплуатации.
Таким образом, все отличительные признаки заявленного анкерного устройства совместно влияют на повышение надежности и безопасности эксплуатации трубопровода.
Защитный материал, предпочтительно, прикреплен снизу к гибкому силовому поясу и выполнен в виде скального листа. Скальный лист представляет собой конструкцию, изготовленную методом одностороннего ламинирования нетканого синтетического материала полиэтиленом или иным замещающим полимерным материалом, позволяющим надежно скрепить слои полимеров (нетканых и сплошных) с последующей перфорацией полученного многослойного материала. Стойкость к удару скального листа, используемого в заявленной конструкции, при плюс 20°C составляет не менее 54 Дж.
После установки анкерного устройства в траншее трубопровода свободные концы скального листа оборачивают вокруг узла крепления силового пояса и верхней части анкерного стержня с последующим его закреплением хомутами или иными аналогичными средствами.
Каждый анкерный блок заявленного анкерного устройства содержит металлический стержень, снабженный в верхней части упором и узлом крепления к гибкому силовому поясу, а в нижней части - винтовой лопастью, закрепленной на стержне. Металлический стержень выполнен составными из нескольких частей, соединенных между собой съемными муфтами, установленными на болтовых соединениях. На нижней части стержня установлен заостренный наконечник с расширителем, диаметр которого больше диаметра стержня и муфты, при этом наконечник дополнительно снабжен винтовой направляющей лопастью меньшего диаметра, чем диаметр винтовой лопасти, закрепленной на стержне. Обе винтовые лопасти выполнены с прорезями, а оси прорезей расположены под углом α, обеспечивающим целостность призмы грунта между ними, что приводит к повышению несущей способности анкерного блока, следовательно, влияет на повышение надежности и безопасности эксплуатации трубопровода.
Угол между прорезями выбирают в интервале от 90 до 270 градусов, предпочтительно, угол α=180°, выбранный как основной вариант изготовления анкерных блоков устройства.
Расстояние между лопастями анкерных блоков заявленного анкерного устройства устанавливают в пределах от 250 до 550 мм.
Металлический стержень анкерного блока выполнен из стали, а в сечении имеет форму квадрата, круга, прямоугольника, многоугольника, кольца или прямоугольную форму с отверстием, (то есть, стержень представляет собой трубу круглого, квадратного или прямоугольного сечения).
Винтовые лопасти могут быть закреплены на стержне и на наконечнике сваркой или болтовым разъемным соединением и снабжены режущими кромками. Причем нижний торец режущей кромки винтовой лопасти, закрепленной на стержне, и винтовой направляющей лопасти, закрепленной на расширителе, выполнены со скосом.
Упор, размещенный на верхней части анкерного блока, предпочтительно, выполнен в виде съемной муфты, закрепленной на стержне болтовым соединением.
Узел крепления на стержне гибкого силового пояса выполнен подвижным в форме втулки или серьги, надетой на металлический стержень с возможностью проворачивания стержня внутри нее.
Полезная модель иллюстрируется фигурами 1-6.
На фиг.1 показано анкерное устройство для закрепления трубопровода, включающее левый и правый анкерные блоки, соединенные гибким силовым поясом.
На фиг.2 показан заостренный наконечник с расширителем и с винтовой направляющей лопастью.
На фиг.3 показан вариант выполнения элемента крепления силового пояса с использованием втулки с проушинами и съемным штифтом.
На фиг.4 показан вид сверху и вид сбоку гибкого силового пояса в сборе с элементами крепления.
На фиг.5 показан вариант выполнения узла крепления силового пояса с использованием серьги.
На фиг.6 показано взаимное расположение под углом α прорезей на большой винтовой лопасти, закрепленной на стержне и на малой направляющей винтовой лопасти, расположенной на наконечнике, обеспечивающее целостность призмы грунта между лопастями.
Заявленное анкерное устройство для закрепления трубопровода, показанное на фиг.1, содержит пару анкерных блоков, левый анкерный блок 1 и правый анкерный блок 2, соединены между собой гибким силовым поясом 3, перекинутым через трубопровод 4. Между трубопроводом 4 и гибким силовым поясом 3 размещен защитный материал 5, закрепленный на силовом поясе 3. Защитный материал 5, преимущественно, выполняют в форме «скального листа», который предохраняет изоляционное покрытие трубопровода от механических повреждений от воздействия силового пояса, способствуя повышению надежности и безопасности эксплуатации трубопровода.
Анкерные блоки 1 и 2 выполнены в виде металлических стержней 6, снабженных в верхней части упором 7 и узлом крепления 8 к гибкому силовому поясу 3. В нижней части анкерные блоки 1 и 2 снабжены винтовой лопастью 9, закрепленной на стержне 6. Металлические стержни 6 анкерных блоков 1 и 2 выполнены составными из нескольких частей, соединенных между собой муфтами 10. Нижняя часть анкерного стержня 6 имеет тупой конец. При этом на нижнюю часть анкерного стержня 6 установлен заостренный наконечник 11 с расширителем 12, диаметр которого больше диаметра стержня 6 и муфты 10. Наконечник 11 дополнительно снабжен винтовой направляющей лопастью 13 меньшего диаметра, чем диаметр винтовой лопасти 9, закрепленной на стержне 6. Назначение расширителя 12 заключается в уплотнении грунта стенок скважины при завинчивании анкерного блока, что достигается за счет больших габаритных размеров расширителя 12 в сечении по сравнению с муфтами 10 и стержнем 6. Уплотнение грунта стенок скважины повышает несущую способность заявленного устройства в отношении нагрузки на выдергивание, что улучшает защиту трубопровода от всплытия в условиях обводнения. Таким образом, повышение несущей способности анкерного устройства обеспечивает повышение надежности и безопасности эксплуатации трубопровода.
Более подробно наконечник 11 показан на фиг.2, где видно, что на заострении он выполнен конической формы, которая в продолжении переходит в полое цилиндрическое тело 12, выполняющее функцию расширителя. На наконечнике 11 выполнены отверстия 14 и 15 для болтового закрепления на стержне 6.
В другом варианте исполнения (на чертеже не показан) наконечник с расширителем могут не иметь упомянутых отверстий и быть установленными на стержне 6 на резьбе или неразъемно при помощи сварки.
В заявленном устройстве стержень 6 служит для передачи крутящего момента на винтовые лопасти 9 и 13, как по часовой стрелке, так и против часовой стрелки, и передачи осевого усилия как вверх, так и вниз.
Узел крепления 8 гибкого силового пояса 3 содержит петлю 16, выполненную на конце гибкого силового пояса 3, надетую на штифт 19, закрепленный фиксатором в проушинах 18 элемента крепления (фиг.3 и 4). Штифт 19, предпочтительно, выполняют цилиндрической формы. На одной стороне штифта 19 для крепления в проушинах 18 имеется шляпка, а на другой стороне может быть размешена гайка на резьбе или другой фиксатор. В частности, на противоположном от шляпки конце штифта может быть выполнено отверстие, в которое устанавливается фиксирующий стержень. При этом указанный выше элемент крепления 8 предпочтительно выполнен в виде стальной цилиндрической втулки 17 с центральным отверстием для посадки на стержень 6. К боковой поверхности втулки 17 с двух сторон, приварены две парные диаметрально расположенные стальные проушины 18 с отверстиями для размещения в них стального штифта 19.
Элемент крепления 8 выполняет функцию обеспечения соединения между подземной частью анкерного устройства и силовым поясом 3. Ограничителем для перемещения втулки 17 вверх вдоль стержня 6 анкерного блока служит упор 7, выполненный в форме муфты, закрепленной на стержне 6 болтовым соединением.
В другом варианте выполнения узла крепления, показанном на фиг.5, элемент крепления 20 выполнен из металлического прутка, изогнутого в форме серьги, например, треугольной формы со скругленными углами. Будучи установленной на стержень 6 треугольная серьга одной вершиной охватывает металлический стержень 6, а противолежащим основанием взаимодействует с петлей 21, выполненной на конце гибкого соединительного пояса 3. Серьга установлена на стержень 6 с возможностью проворачивания стержня 6 внутри нее и снабжена элементом жесткости 22, выполненным в виде перемычки из металлического прутка, приваренного параллельно основанию с зазором, достаточным для продевания сквозь него петли 21 гибкого соединительного пояса 3. Ограничителем для перемещения серьги вверх вдоль стержня 6 анкерного блока служит упор 23, выполненный в форме втулки, закрепленной на стержне 6 болтовым соединением. Серьга сконструирована таким образом, чтобы верхний стержень 6а имел возможность проворачиваться внутри нее, а также на максимальном расстоянии располагаться от балластируемого трубопровода 4.
Возможны также иные варианты выполнения узла крепления в форме серьги. Например, проушина серьги может быть закреплена на пластине (на чертеже не показано). В этом случае элемент крепления содержит проушину, выполненную из металлического прутка, изогнутого в форме скобы. Указанная скоба приварена к стальной пластине, выполненной с центральным отверстием, диаметр которого больше диагонали (или диаметра) поперечного сечения стержня 6. Описанный элемент крепления выполняет туже функцию, как и описанные выше элементы крепления 8 по обеспечению соединения между подземной частью анкерного устройства и силовым поясом 3 с ограничителем перемещения серьги вверх вдоль стержня 6 анкерного блока до упора 7.
Как показано на фиг.1 стержень 6 анкерного блока выполнен составным, например, из одного основного стержня 6 и из 2-5 штук удлинительных стержней 6а, связанных между собой посредством соединительных муфт 10.
Винтовая лопасть 9, обеспечивающая ввинчивание анкерного блока устройства и восприятие усилий на выдергивание при последующей эксплуатации, жестко закреплена на стержне 6 при помощи винтового соединения или сварки.
Винтовая направляющая лопасть 13, размещенная на конической или на цилиндрической части наконечника 12 при помощи сварного или винтового соединения, обеспечивает направление ввинчивания анкерного устройства и восприятие усилий на выдергивание при последующей эксплуатации. Наконечник с расширителем, как отмечалось выше, выполняет функцию уплотнения грунта стенок скважины для увеличения несущей способности анкерного устройства в целом.
Гибкий силовой пояс 3 обеспечивает передачу усилия всплытия от трубопровода к несущей (подземной) части анкерного устройства. Поскольку несущая способность заявленного устройства повышена, то повышается расчетная величина давления, с которым силовой пояс 3 может воздействовать на трубопровод 4 при обводнении местности, где он проложен. Поэтому для повышения надежности и безопасности эксплуатации трубопровода требуются дополнительные средства, предохраняющие изоляционное покрытие трубопровода 4 при его возможных рабочих перемещениях как вдоль, так и поперек оси. В качестве защитного материала 5 для предохранения от повреждений изоляционного покрытия трубопровода 4 к силовому поясу 3 может быть прикреплен скальный лист. Два свободных конца скального листа 5 при помощи хомутов (или иных вариантов креплений) оборачивают конструктивные элементы (упор, втулку или серьгу и верх стержня), находящиеся над уровнем дна траншей (на чертеже не показано), что предохраняет их от механических повреждений при засыпке траншеи.
Заявленное устройство функционирует следующим образом. На объект прокладки трубопровода поставляются анкерные устройства в комплектации, включающей основной стержень 6, с установленными на них лопастью 9 и наконечником 11, снабженным расширителем и направляющей лопастью 13. В составе анкерного устройства также поставляется комплект удлиняющих стержней 6а по 2-5 удлиняющих стержня на каждый анкерный блок, в зависимости от характеристик грунта в месте прокладки трубопровода. К ним прилагается соответствующий комплект соединительных муфт 10, и силовых поясов в сборе с соединительными элементами типа серьги или втулки, как показано на фиг.4. Также анкерные блоки комплектуются упорами в виде муфт 7 или втулок 23. При осуществлении балластировки трубопровода с левой или с правой стороны от трубы осуществляют завинчивание в грунт первого основного стержня 6, содержащего, закрепленную на нем винтовую лопасть 9 и наконечник 11 с направляющей лопастью 13. Крутящий момент передается на стержень 6 от завинчивающей машины через соединительную муфту 10. Когда муфта 10 достигнет уровня дна траншеи, к ней болтовым соединением присоединяют удлинительный стержень 6а, к которому снова прикладывают крутящий момент от завинчивающей машины через следующую соединительную муфту 10. И так продолжают удлинять анкерный блок, до тех пор, пока величина крутящего момента не достигнет расчетного показателя, соответствующего заданному уровню несущей способности анкерного устройства. После этого те же самые операции повторяют с противоположной стороны трубопровода и устанавливают в грунт второй анкерный блок заявленного анкерного устройства. Затем снимают с верхнего конца стержня 6а муфту 10 и надевают на него первый соединительный элемент гибкого силового пояса, перекидывают свободный конец силового пояса через трубопровод и надевают второй его соединительный элемент на вершину второго анкерного блока. Между трубопроводом и силовым поясом размещают защитный материал, предпочтительно, скальный лист, закрепляя его к нижней поверхности силового пояса. После чего с каждой стороны на верхнюю часть удлинительного стержня надевают упор 7 и закрепляют его болтовым соединением. Затем к указанным упорам с левой и с правой стороны от трубопровода прикладывают крутящий момент от завинчивающей машины для обеспечения заданного уровня натяжения силового пояса. Затем свободные концы скального листа оборачивают вокруг узла крепления и верхней части анкерного стержня и закрепляют их хомутами. После установки всех анкерных устройств, траншею засыпают.
При использовании полезной модели достигается повышение надежности и безопасности эксплуатации трубопровода за счет повышения несущей способности каждого блока используемых анкерных устройств при условии размещения под силовым поясом каждого анкерного устройства защитного материала для компенсации повышенной расчетной величины давления, с которой силовой пояс анкерного устройства может воздействовать на трубопровод при обводнении. Таким образом, отличительные признаки заявленной полезной модели совместно обеспечивают технический результат, заключающийся в повышении надежности и безопасности эксплуатации трубопровода.