Устройство для перемещения и фиксации трубопровода при строительстве и ремонте
DEVICE FOR MOVING AND FIXING THE PIPELINE IN THE COURSE OF CONSTRUCTION AND REPAIR

Изобретение относится к строительству и ремонту трубопроводов и используется для вырезки и врезки "катушек", соединительных деталей, заглушек, запорной и регулирующей арматуры и подключению участков магистральных нефтепроводов.
Известно ОПОРНО-ЦЕНТРИРУЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО КОНЦЕВОГО УЧАСТКА МАГИСТРАЛЬНОГО НЕФТЕ- ИЛИ ГАЗОПРОВОДА (патент на полезную модель №148090, МПК F16L 1/26, опубл. 27.11.2014), содержащее платформу с креплениями под трубопровод с несколькими опорами, имеющее возможность фиксации концевого участка трубопровода, отличающееся тем, что платформа установлена на траверсах, жестко соединенных между собой балками, причем крайние траверсы оснащены анкерами для вкручивания в грунт при помощи ротатора, устанавливаемого на шестигранник, а внутренние - опорными лыжами и силовыми цилиндрами для корректировки положения концевого участка трубопровода в вертикальном и горизонтальном направлении, каждая траверса оснащена трубным захватом, состоящим из двух створок с замками, приводящихся в действие при помощи силовых цилиндров, взаимосвязанных с силовой станцией, установленной на платформе.
Данное устройство обладает следующими недостатками: большая масса устройства и его сложность приводит к высокой трудоемкости монтажа и демонтажа, причем для перемещения трубопровода в вертикальном направлении требуется перемещать всю установку, включая несущую конструкцию вверх или вниз. При этом нагрузка вниз передается на грунт через лыжи локально, через его верхний слой, который может быть недостаточно прочным (грязь, песок).
Предлагаемое изобретение позволяет упростить и облегчить конструкцию устройства, уменьшить количество ее элементов, упростить и ускорить монтаж и демонтаж, причем для перемещения трубопровода во всех направлениях перемещается только трубный захват силовыми и промежуточными элементами, которые размещены между трубным захватом и несущей конструкцией. Неподвижное закрепление несущей конструкции на основании позволяет использовать устройство и на слабых грунтах и уменьшить массу подвижных частей.
Это достигается тем, что в устройстве для перемещения и фиксации трубопровода при строительстве и ремонте, включающем несущую конструкцию с элементами ее крепления к основанию, трубный захват, силовые элементы для перемещения и фиксации трубного захвата, особенностью является то, что несущая конструкция неподвижно закреплена на основании, а все силовые элементы для перемещения и/или фиксации трубопровода установлены непосредственно между трубным захватом и несущей конструкцией и/или через промежуточные элементы, причем трубный захват состоит, по меньшей мере, из одного гибкого элемента, при необходимости усиленного жесткими элементами или из нескольких жестких элементов, шарнирно и/или гибкими элементами скрепленных между собой, при этом количество и/или форма жестких элементов определяется диаметром трубы и устройство имеет, по меньшей мере, один датчик усилия, при этом несущая конструкция выполнена в форме, по меньшей мере, одного кронштейна, который с одной стороны закреплен на основании или несущая конструкция выполнена в форме, по меньшей мере, одной балки, закрепленной на основании, или несущая конструкция выполнена в форме, по меньшей мере, одного многоугольника, по меньшей мере, в одном из углов или на одной из сторон которого закреплен, по меньшей мере, один силовой элемент перемещения и/или фиксации трубного захвата непосредственно или через промежуточный элемент, например, несущая конструкция выполнена в форме, по меньшей мере, одного треугольника, или часть несущей конструкции имеет круглую форму, а по меньшей мере, один промежуточный элемент установлен на нее, с возможностью перемещения силового элемента по окружности, или несущая конструкция выполнена в виде, разомкнутой конструкции, например, П-образной, а по меньшей мере, в одном из углов или на одной из сторон которого, закреплен силовой элемент непосредственно или через промежуточный элемент или одна из сторон или часть ее выполнена съемной и/или откидывающейся на шарнире, для размыкания конструкции при монтаже и/или демонтаже устройства и/или для ввода трубы в устройство или вывода из него, и в несущей конструкции установлены шарниры, позволяющие уменьшить нагрузки сторон несущей конструкции при работе устройства и/или при их разъединении складывать устройство в транспортное положение и/или для ввода трубопровода в устройство или вывода из него, при этом несущая конструкция выполнена сборно-разборной, на резьбовых элементах и/или элементах типа вал-втулка и/или быстро разборных креплениях.
Элемент крепления несущей конструкции выполнен в виде гладкой или ребристой пластины, или пластины с шипами или с клыками, или пластина имеет покрытие из мягкого материала с фрикционными свойствами, пластина крепления несущей конструкции может быть оснащена шарниром для выравнивания пластины по основанию или элемент крепления выполнен в виде груза, позволяющего закрепить несущую конструкцию на основании или элемент крепления несущей конструкции к основанию выполнен в виде, по меньшей мере, одной сваи, при этом свая выполнена винтовой и/или шпунтовой и/или заливной, бетонной или полимерной и несущая конструкция может быть закреплена, по меньшей мере, на одной свае, которая входит в ограждение котлована, например, шпунтового или по меньшей мере, один элемент крепления несущей конструкции к основанию выполнен в виде анкера или элемент крепления несущей конструкции к основанию выполнен в виде, по меньшей мере, одной растяжки, при этом имеется приспособление для обеспечения предварительного натяга элементов крепления несущей конструкции к основанию и имеется приспособление для измерения податливости/жесткости крепления несущей конструкции к основанию, а, по меньшей мере, один элементов крепления несущей конструкции к основанию установлен под углом к вертикали, что, в частности, позволяет увеличить жесткость закрепления несущей конструкции в горизонтальном направлении, при чем элементы крепления несущей конструкции выполнены с возможностью крепления ее к горизонтальному и/или вертикальному и/или наклонному основанию, т.е. элементы крепления несущей конструкции к основанию выполнены с возможностью крепления ее к стене, к полу и/или к другой строительной конструкции и/или непосредственно к грунту или к другим природным объектам, обладающим достаточной прочностью и жесткостью.
Гибкий элемент трубного захвата выполнен в виде цепи или троса, или стропы, например, текстильной, причем трубный захват закреплен, по меньшей мере, на одном силовом элементе перемещения или фиксации, а на части жестких элементов трубного захвата закреплены мягкие накладки, на трубном захвате могут быть установлены ролики, колеса или шары для свободного или принудительного перемещения и/или поворота трубопровода относительно трубного захвата, по меньшей мере, в одном направлении, при фиксации трубопровода по другим направлениям, а ролики или колеса имеют тормоза для фиксации трубопровода или ролики или колеса для перемещения и/или поворота трубопровода имеют привод, выбранный из ряда: ручной, электрический, гидравлический, пневматический или любая их комбинация, а на трубный захват для зажима трубопровода установлен привод, выбранный из ряда: ручной, электрический, гидравлический, пневматический или любая их комбинация.
Силовой элемент выполнен в виде талрепа, стяжки, лебедки, домкрата, гидроцилиндра, механического или электромеханического привода, или по меньшей мере, один силовой элемент выполнен в виде ролика, колеса, гусеницы, шара и может содержать, несколько силовых элементов одного вида или разных видов, в любой их комбинации. Силовой элемент может быть выполнен в виде двух пластин, стянутых зажимом или резьбовым соединением, например, болт-гайка и также, силовой элемент может быть выполнен с ручным и/или электрическим и/или гидравлическим приводом, использующим электросеть или двигатель внутреннего сгорания, причем к одному приводу могут быть присоединены несколько силовых элементов.
В трубном захвате установлен шарнир, для свободного или принудительного перемещения и/или поворота трубопровода относительно трубного захвата, по меньшей мере, в одном направлении при фиксации или принудительном перемещении трубопровода по другим направлениям, промежуточный элемент может быть выполнен в виде шарнира, который позволяет свободно перемещаться и/или поворачиваться трубному захвату относительно несущей конструкции, по меньшей мере, в одном направлении при его фиксации или принудительном перемещении по другим направлениям.
Силовой элемент может быть выполнен с возможностью его перемещения и/или поворота относительно несущей конструкции и/или трубного захвата, в том числе и под нагрузкой и силовой элемент может быть выполнен с функцией фиксации и центрирования, промежуточный элемент чаще всего выполнен в виде подвижной каретки, которая позволяет перемещаться силовому элементу относительно несущей конструкции и/или относительно трубного захвата, а каретка имеет, по меньшей мере один, привод для ее перемещения, выбранный из ряда: ручной, электрический, гидравлический, пневматический или несколько механизмов с однотипными или разными приводами.
Имеются датчики положения, измеряющие положение одного конца трубы относительно поверхности земли и/или относительно второго конца трубопровода подключенные к системе управления, которая управляет механизмом фиксации и/или перемещения и/или трубным захватом, равно как и другие датчики, так же подключенные к системе управления, выбраны из ряда: положения, скорости, усилия, температуры, причем система управления присоединена к нескольким устройствам одновременно и система управления выполнена с функцией объединения в единую систему управления несколькими устройствами для согласованного перемещения и фиксации трубопровода при строительстве и ремонте.
На рисунках изображено:
На фиг. 1 изображено устройство с несущей конструкцией в виде кронштейна.
На фиг. 2 изображено устройство с несущей конструкцией в виде балки.
На фиг. 3 изображено устройство с несущей конструкцией в виде многоугольника со съемной нижней частью.
На фиг. 4 изображено устройство с несущей конструкцией в виде треугольника.
На фиг. 5 изображено устройство с несущей конструкцией в виде круга.
На фиг. 6 изображено устройство с опорной пластиной, анкером и грузом.
На фиг. 7 изображено устройство с несущей конструкцией в виде изогнутой балки, с одной из свай, установленной под углом к вертикали.
На фиг. 8 изображено устройство с несущей конструкцией в виде балки с установленными кареткой, гидроцилиндром и двумя лебедками.
На фиг. 9 изображено устройство с несущей конструкцией в виде балки с установленной на ней кареткой с гидроцилиндром, которые перемещаются лебедкой.
На фиг. 10 изображен трубный захват с роликом и колесами, имеющими привод.
На фиг. 11 изображено устройство с трубным захватом в виде гибкого элемента с жесткими вставками и тремя лебедками.
Устройство состоит из несущей конструкции 1, которая имеет несколько вариантов исполнения. Несущая конструкция, как и другие элементы конструкции, имеет многовариантное исполнение и поэтому имеет в обозначении после точки дополнительно цифру, например, несущая конструкция, показанная на фиг. 1, выполнена в виде кронштейна 1.1. Когда элемент конструкции рассматривается в общем виде, то применяется его обобщенное обозначение (до точки), например: «несущая конструкция 1» и это относится ко всем вариантам несущей конструкции, имеющим обозначения 1.1, 1.2, 1.3, 1.4, 1.5.
На фиг. 1 показан вариант несущей конструкции в виде кронштейна 1.1, на фиг. 2 - в виде балки 1.2, на фиг. 3 - многоугольника 1.3, на фиг. 4 - треугольника 1.4, на фиг. 5 - круга 1.5. Многоугольник 1.3 может иметь съемную часть 6, например, снизу (см. фиг. 3), а на фиг. 4 показаны шарниры 7 в углах треугольника 1.4 и крепление в них силовых элементов в виде гидроцилиндров 4.1.
Элементы крепления 2 несущей конструкции 1 к основанию, так же имеют несколько вариантов исполнения. Вариант крепления в виде винтовых свай 2.1 (фиг. 1), вариант крепления к вертикальной стене анкером 2.2 (фиг. 6) и гладкой пластиной 2.3 с шарниром 8, вариант крепления дополнительным грузом 2.4.
На фиг. 8 показан вариант с двумя типами силовых элементов: гидроцилиндром 4.1 на промежуточном элементе 5, например, выполненном в виде каретки и двумя лебедками 4.2. Тросовые системы 9 закреплены к трубному захвату 3.1 и к лебедкам 4.2, сами лебедки 4.2 закреплены к балке 1.2.
На фиг. 9 показан вариант с лебедкой 4.2 и электрическим приводом 10 для перемещения промежуточного элемента 5 в виде каретки с тросовой системой 9, силовой элемент 4.1 для вертикального перемещения трубного захвата 3.1, лебедки 4.2 с электрическим приводом 10, пластинами с шипами 2.5 для крепления к основанию (грунту).
Трубный захват 3 имеет варианты конструкции: 3.1 - из двух жестких элементов (показан на фиг. 1-9), вариант 3.2 - трубный захват из трех жестких элементов 11 с роликом 12 и двумя колесами 13, имеющими редуктор 14 с гидравлическим приводом 15 (показан на фиг. 10), вариант 3.3 - трубный захват из гибкого элемента 16 с приводом 17 для зажима (стягивания) гибкого трубного захвата 3.3, захват усилен тремя жестким элементами 11 для закрепления тросовых систем 9 присоединенных к силовым элементам 4.2 (показан на фиг. 11).
На фиг. 5 показаны быстро разборные крепления 18, позволяющие одеть полукольца на трубопровод и собрать их в кольцо.
Устройство работает следующим образом.
Рассмотрим вариант применения устройства при плановом ремонте трубопровода заменой дефектного участка трубопровода. В заранее подготовленный котлован на основание (грунт) устанавливаются несущие конструкции 1 двух установок по обе стороны от дефектного участка и закрепляется на грунте с помощью элементов крепления 2, например, винтовых свай 2.1. В большинстве случаев для закрепления несущей конструкции 1 на грунте используются винтовые 2.1 или шпунтовые сваи (на чертеже не показаны). Крепление за шпунтовые сваи особенно удобно, когда из шпунтовых свай уже выполнено ограждение котлована. Допустимо применение заливных свай, которые заранее заливаются в грунт или в специальную опалубку, чтобы к началу производства работ приобрели достаточную прочность. Для повышения прочности заливных свай используется армирование, особенно в местах крепления несущей конструкции. Для повышения прочности закрепления в горизонтальном направлении могут использоваться растяжки (на чертеже не показаны) и/или анкера 2.2 для крепления к стене (см. фиг. 6).
Особенно на слабых грунтах, после закрепления несущей конструкции 1 надо выполнить проверку податливости и прочности элементов крепления 2 специальным устройством (на чертеже не показано), которое создает нормированную нагрузку на элемент крепления 2 или на несущую конструкцию 1 и измеряет возникающие при этом перемещения. Если жесткость закрепления недостаточна, необходимо добавить еще элементы крепления 2, например, закрутив дополнительные винтовые сваи 2.1 или увеличить предварительный натяг уже имеющихся, путем дополнительного подтягивания (поворота) винтовых свай 2.1 или дополнительного нагружения устройства силой, смещающей сваи относительно нейтрального, ненагруженного положения или установкой грузов.
Далее производится сборка устройств: на трубопроводе закрепляются трубные захваты 3, устанавливаются силовые элементы 4, например, гидроцилиндры 4.1, производится подключение гидрошлангов и электрических кабелей, в зависимости от типа используемых приводов.
Устройства включаются и производится фиксация (удержание) трубопровода с обеих сторон от дефектного участка описываемыми устройствами. Вырезка дефектного участка производится стандартными устройствами по утвержденной технологии. Если после вырезки произойдет существенное смещение концов труб или нагрузка на трубопровод для его удержания превысит нормативные показатели, котлован увеличивают по длине для освобождения труб и производят центрирование концов трубопровода, за счет движения трубных захватов 3 силовыми элементами 4.
После врезки нового участка трубопровода или катушки, проверки стыков и гидроизоляции, установки демонтируют в обратном порядке.
При ремонте трубопроводов внутри помещений вместо свай 2.1 применяются анкера 2.2 и/или пластины 2.3 с относительно мягкими фрикционными накладками и грузы 2.4 (см. фиг. 6). Для выравнивания пластин 2.3 и равномерного распределения нагрузки на основание, пластина 2.3 имеет шарнир 8. Пластины могут оснащаться шипами, клыками или рифлениями 2.5 (см. фиг. 9) для установки на грунт. На фиг. 7 показан вариант крепления балки 1.2 двумя элементами крепления 2, один из которых (нижний) расположен под углом к вертикали, что повышает жесткость и прочность закрепления в горизонтальном направлении. Во всех случаях применения могут использоваться растяжки (на чертеже не показаны).
Шарниры 7 (см. фиг. 4) или быстро разборные крепления 18 (см. фиг. 5) позволяют быстро собирать и разбирать устройство, например, для установки перед работой или снятия устройства с трубопровода, или для компактного складывания несущей конструкции 1 и всего устройства для транспортировки.
На фиг. 7 показан вариант закрепления несущей конструкции в виде изогнутой балки 1.2, наклонным элементом крепления 2, что увеличивает прочность и жесткость закрепления несущей конструкции в горизонтальном направлении.
На всех фигурах показаны трубные захваты 3 в различных вариантах, которые надежно охватывают трубу и позволяют без повреждения трубопровода перемещать и удерживать его. Трубный захват 3 закреплен к силовому элементу фиксации или перемещения 4 непосредственно или через промежуточный элемент 5. Чаще всего трубный захват 3 состоит из нескольких жестких элементов 11 с мягкими прокладками, количество и форма жестких элементов 11 определяются диаметром трубопровода. Возможно применение в трубном захвате 3.3 гибкого элемента 16 в виде цепи или троса или текстильной стропы, усиленных в местах присоединения силовых элементов жесткими элементами 11, как правило, притянутых к трубопроводу гибким элементом 16. Для свободного или принудительного перемещения и поворота трубопровода относительно трубного захвата 3, по меньшей мере, в одном направлении, при фиксации трубопровода по другим направлениям на трубном захвате 3 могут быть установлены ролики 12, колеса 13 или шары (на чертеже не показаны). Для полной фиксации трубопровода после заданного или свободного перемещения ролики 12 или колеса 13 имеют тормоза. Для перемещения и поворота трубопровода колеса 13 могут быть снабжены приводом 15 (ручным, электрическим, гидравлическим или пневматическим приводом), при необходимости дополненным редуктором 14. Выбор привода осуществляется в зависимости от требований заказчика. На трубный захват 3 для зажима трубопровода может быть также установлен привод 15, от простого ручного до электрического или гидравлического, в любом их сочетании. Ролики 12 или сами колеса 13 могут поджимать трубопровод с заданным усилием, чтобы с одной стороны, исключить проскальзывание колес, а с другой - не допустить повреждения трубопровода.
Силовой элемент 4 имеет несколько конструктивных вариантов от простого талрепа, стяжки, лебедки, домкрата, гидроцилиндра, механического до электромеханического привода, но все они выполняют одну функцию: изменяют и фиксируют расстояния от несущей конструкции 1 до трубного захвата 3. Другая группа силовых элементов в виде ролика 12, колеса 13, гусеницы или шара перемещает, или позволяет смещаться трубопроводу относительно трубного захвата 3. Причем в одном устройстве возможно применение нескольких силовых элементов одного или разных видов. В простейшем виде силовой элемент, предназначенный только для фиксации трубного захвата, может быть выполнен в виде двух пластин, стянутых зажимом или резьбовым соединением, например, болт-гайка.
В трубном захвате 3 может быть установлен шарнир, для свободного или принудительного перемещения и/или поворота трубопровода относительно трубного захвата 3, по меньшей мере, в одном направлении при фиксации или принудительном перемещении трубопровода по другим направлениям. С другой стороны, сам промежуточный элемент 5 может быть выполнен в виде шарнира, который позволяет свободно перемещаться и/или поворачиваться трубному захвату 3 относительно несущей конструкции 1, по меньшей мере, в одном направлении при его фиксации или принудительном перемещении по другим направлениям. Силовой элемент 4 может быть выполнен с возможностью его перемещения и/или поворота относительно несущей конструкции 1 и/или трубного захвата 3, в том числе и под нагрузкой. Силовые элементы 4 помимо функции перемещения могут выполнять функции фиксации и центрирования.
Между силовым элементом 4 и трубным захватом 3 или несущей конструкцией 1 могут быть установлены различные промежуточные элементы 5, например, в виде подвижной каретки, которая позволит перемещаться силовому элементу 4 относительно несущей конструкции 1 или относительно трубного захвата 3. Промежуточный элемент 5 может иметь тормоз или различные приводы для ее перемещения от простого ручного до электрического, гидравлического или пневматического.
Для эффективного центрирования стыкуемых концов трубопровода на устройстве устанавливаются датчики положения (на чертеже не показаны), измеряющие положение одного конца трубы относительно основания или относительно второго конца трубопровода. Эти датчики подключаются к системе управления (на чертеже не показана), которая управляет механизмами фиксации, перемещения, центрирования и трубным захватом. Система может использовать информацию с датчиков положения, скорости, усилия, температуры. Одна система управления может быть присоединена к нескольким устройствам одновременно или системы управления выполняются с функцией объединения в единую систему управления несколькими устройствами для согласованного перемещения и фиксации трубопровода при строительстве и ремонте.
Вне зависимости от вариантов составных частей конструкции предлагаемого устройства их основные функции остаются одинаковыми: трубный захват 3 установлен на трубопровод и удерживает его во время работы, силовые элементы 4 перемещают или фиксируют (удерживают) трубный захват 3 в нужном положении, промежуточные элементы 5 позволяют перемещаться силовым элементам 4 относительно несущей конструкции 1 и/или трубного захвата 3. Несущая конструкция 1 неподвижно закреплена на основании, например, грунте посредством элементов крепления 2 и несет на себе все устройство. Форма несущей конструкции 1, ее замкнутость (см. фиг. 3 поз. 6) или незамкнутость (см. фиг. 3 когда поз. 6 снята) не влияет на основную ее функцию - нести на себе все другие элементы конструкции. Все варианты конструкции силовых элементов 4 могут быть выполнены взаимозаменяемыми, т.к. выполняют одну функцию перемещения трубного захвата 3 относительно несущей конструкции 1.
Все варианты составных частей устройства не нарушают единства устройства.
Устройство изготовлено и испытано на трубопроводе диаметром 820 мм, в режиме перемещения развивались усилия до 150 кН, достигнута точность центрирования 0,25 мм при перемещениях до 700 мм. Использовались шпунтовые сваи и электрический привод.