Утяжелитель трубопровода
Полезная модель относится к балластирующим полимерно-контейнерным конструкциям, используемым в области строительства трубопроводов на обводненных территориях для обеспечения устойчивости против всплытия.
Задача полезной модели состоит в повышении надежности утяжелителя при засыпке балласта и эксплуатации.
Утяжелитель трубопровода представляет собой грунтозаполненный П-образный короб, состоящий из пары внутренних боковых стенок, обращенных к трубопроводу и переходящих в седловидную часть, взаимодействующую с трубопроводом, пары наружных боковых и поперечных стенок, ограниченных сверху по периметру силовым поясом, выполненным отогнутым под прямым углом в верхней части и снабженным отверстиями, при этом поперечные стенки выполнены с уширением в обе стороны от трубопровода, а силовой пояс, содержащий усиливающий элемент под его отогнутой частью и опирающийся на поверхность трубопровода, выполнен с углом наклона к наружным боковым стенкам П-образного короба, кроме того, усиливающийся элемент силового пояса выполнен в виде поливинилхлоридной трубки, неподвижно соединенной твердеющим полимерным составом с внутренними сторонами прямого угла отогнутой части силового пояса, а угол наклона силового пояса к наружным боковым стенкам относительно горизонтали выполнен не превышающим угла естественного откоса грунта, заполняющего короб. 2 з.п. ф-лы, 3 илл.
Полезная модель относится к балластирующим полимерно-контейнерным конструкциям, используемым в области строительства трубопроводов на обводненных территориях для обеспечения устойчивости против всплытия.
Известно полимерно-контейнерное балластирующее устройство [1], содержащее пару симметричных относительно продольной оси трубопровода заполняемых балластирующим грунтом емкостей, соединенных налагаемыми на трубопровод силовым поясом и парой гибких внешних силовых перемычек, прикрепленных к наружным углам жестких прямоугольных рамок, образующих каркас емкостей и контактирующих с трубопроводом внутренними продольными сторонами. Дно емкостей и силовой пояс выполнены из единого полотнища гибкого материала и снабжены дополнительной расположенной над полотнищем силового пояса и огибающей внутренние продольные стороны плоских рамок накладкой, продольные края которой повторно налагаются на трубопровод и соединяются с нахлестом над верхней образующей трубопровода. Внешние силовые перемычки выполнены в виде многослойных лент, концы которых снабжены проушинами, а сдвоеное полотнище накладки, силовой пояс и внешние силовые перемычки скреплены в налагаемой на трубопровод их средней части. Торцевые стенки емкостей выполнены из вшитых в днища емкостей перегородок. Внешние силовые перемычки снабжены скрепленными с ними дополнительными торцевыми стенками с возможностью заведения их внутрь емкостей.
Конструкция [1] является достаточно сложной и требует значительных затрат времени для монтажа с использованием грузоподъемной техники. Металлический каркас устройства может повредить противокоррозионное покрытие трубопровода и вызвать коррозию его стенок. Кроме того, каркас требует нанесение противокоррозионной защиты.
Свободно от приведенных выше недостатков другое известное устройство [2], выбранное в качестве прототипа - утяжелитель трубопровода, выполненный в виде заполненного грунтом полого седловидного П-образного короба из гибкого полосового материала, пропитанного твердеющим полимерным составом. Короб состоит из седловидной части, взаимодействующей с трубопроводом и сопряженной с внутренними боковыми стенками, обращенными к трубопроводу, внешних боковых и поперечных стенок, ограниченных сверху по периметру силовым поясом, выполненным отогнутым под прямым углом в верхней части и снабженный отверстиями.
Недостатки прототипа [2] проявляются в следующем:
- при засыпке короба грунтом до верха силовой пояс изгибается наружу и в местах наибольших прогибов возникают сквозные трещины в отогнутых частях пояса;
- засыпанный грунтом утяжелитель имеет повышенное относительно продольной оси трубопровода положение центра тяжести, что снижает устойчивость утяжелителя против опрокидывания при его засыпке и эксплуатации трубопровода, а в соответствии с нормативным документом [3, п.5.1.5.5] центр тяжести полностью засыпанного устройства должен быть расположен ниже уровня продольной оси трубопровода.
Указанные недостатки снижают уровень надежности прототипа при засыпке и эксплуатации.
Задача полезной модели состоит в повышении надежности утяжелителя при засыпке балласта и эксплуатации.
Поставленная задача в утяжелителе трубопровода в виде грунтозаполненного П-образного короба, состоящего из пары внутренних боковых стенок, обращенных к трубопроводу и переходящих в седловидную часть, взаимодействующую с трубопроводом, пары наружных боковых и поперечных стенок, ограниченных сверху по периметру силовым поясом, выполненным отогнутым под прямым углом в верхней части и снабженным отверстиями, решается тем, что поперечные стенки выполнены с уширением в обе стороны от трубопровода, а силовой пояс, содержащий усиливающий элемент под его отогнутой частью и опирающийся на поверхность трубопровода, выполнен с углом наклона к наружным боковым стенкам П-образного короба.
Поставленная задача также решается тем, что усиливающийся элемент силового пояса выполнен в виде поливинилхлоридной трубки, неподвижно соединенной твердеющим полимерным составом с внутренними сторонами прямого угла отогнутой части силового пояса.
Поставленная задача также решается тем, что угол наклона силового пояса к наружным боковым стенкам относительно горизонтали выполнен не превышающим угла естественного откоса грунта, заполняющего короб.
Существенными отличительными признаками полезной модели утяжелителя являются:
- выполнение силового пояса с усиливающим элементом в виде поливинилхлоридной трубки, неподвижно соединенной с ним полимерным составом;
- выполнение силового пояса с углом его наклона к наружным боковым стенкам П-образного короба, не превышающим угла естественного откоса насыпного грунта, заполняющего короб.
Перечисленные признаки по данным источников патентной и научно-технической информации в конструкциях коробчатых утяжелителей не использовались.
Утяжелитель трубопровода изображен на фиг.1, 2. На фиг.1 представлен общий вид П-образного короба в аксонометрии, на фиг.2 - фрагмент разреза верхней части короба с силовым поясом.
Утяжелитель представляет собой П-образный короб, состоящий из пары внутренних боковых стенок 1, обращенных к трубопроводу (на фиг.1, 2 не показан), седловидной части 2, пары наружных боковых 3 и поперечных 4 стенок, силового пояса 5 с отогнутой частью 6 и усиливающего элемента 7, укрепленного твердеющим полимерным составом 8. Силовой пояс выполнен с углом наклона ф к горизонту и снабжен отверстиями 9.
Эффект утяжелителя проявляется в том, что уширение поперечных стенок перераспределяет основную часть засыпаемого балласта ниже верхней образующей седловидной части короба, при этом, по сравнению с прототипом центры тяжести балласта в правой и левой частях утяжелителя относительно трубопровода находятся ниже и дальше от центра сечения трубы, тем самым устойчивость положения утяжелителя возрастает, т.к. снижается вероятность его поворота относительно оси трубопровода.
Ниже приведен пример сравнения по фактору устойчивости штатного утяжелителя, применяемого в практике [4] и заявляемого устройства.
Пример. Определить положение центра тяжести для штатного утяжелителя, выполненного в соответствии с ТУ [4] и заявляемого утяжелителя для трубопровода диаметром Dн=720 мм. Оценить устойчивость обоих устройств равного объема, засыпанных балластом до верхнего торцевого среза.
Размеры штатного устройства: ширина поперек оси трубопровода 1,4 м, длина по оси трубопровода 0,8 м, высота 0,95 м. Схема половины устройства по ширине приведена на фиг.3 (левая часть). Заявляемое устройство имеет такую же длину 0,8 м и равновеликую площадь поперечной стенки (фиг.3, правая часть).
Расчетные положения центра тяжести плоских фигур, представленных на фиг.3 (точки C1, C2), идентичны положению центра тяжести заполненных балластом половин утяжелителей до верхнего их среза. Массовые силы G1 , G2, приложенные в центре тяжести половин (т. C 1, C2), вызывают усилия N1, N 2 в поперечном сечении верхней части П-образного короба и равнодействующие уравновешивающие усилия R1, R 2, обусловленные реакцией стенки трубы. При перемещении утяжелителей вниз по трубе возникают предельные силы трения T 1, T2 взаимодействия трубы с седловидными частями утяжелителей.
Из условия равновесия сходящихся сил G, N, R получим следующее выражение (индексы 1, 2 опускаем):
Без учета сил трения (T=0) найдем соотношение усилий G, N по формуле
Подставляя (2) в (1) получим
Сила трения Т определяется выражением
где f - коэффициент трения.
Чем выше усилие T, тем устойчивее положение утяжелителя на трубе.
Подставляя в формулы (1-4) исходные данные a 1=475 мм, a2=410 мм, l1=461 мм, l 2=647 мм, и принимая G1=G2=G получим следующие результаты: N1=0.97G; N2=1,58G; R1=1.39G; R2=1,87G; T1=1,39G; R2=1,87fG; T2/T1=1,35. Из соотношения T2/T1 следует, что заявляемый утяжелитель занимает более устойчивое положение на трубе против опрокидывания. Кроме того, h2/h1=0,52, т.е. более низкое положение центра тяжести заявляемого утяжелителя также говорит о его повышенной устойчивости против опрокидывания в направлении оси трубопровода.
На фиг.3а также видно, что точка C2 находится ниже центра трубы на 71 мм, тем самым удовлетворяется требование нормативного документа [3].
Угол 
наклона силового пояса (фиг.3б) не должен превышать угла естественного равновесия насыпного грунта гр (или угла внутреннего трения), иначе засыпаемый балласт не будет удерживаться в объеме П-образного короба. Для заявляемого утяжелителя =20°47'. Значение угла гр для балласта в виде песков от средней крупности и выше составляет гр=25÷30° [5].
Эффект усиливающего элемента в виде поливинилхлоридной трубки состоит в снижении напряжений растяжения и изгиба в силовом поясе и исключении за счет этого повреждения его отогнутой части. Отверстия, выполненные в силовом поясе и расположенные в вертикальных плоскостях, проходящих через центры тяжести (т. C2, фиг.3) половин утяжелителя, позволяют его демонтировать с балластом, не нарушая целостности стенок короба с возможностью его повторного использования.
Таким образом, в заявляемой полезной модели утяжелителя решается поставленная задача повышения его надежности при эксплуатации.
Источники информации
1. Пат. 2220351 RU, МПК7 F16L 1/06. Полимерно-контейнерное балластирующее устройство / Х.К.Мухаметдинов, А.Д.Муфтахова - 
2003101302/06; заявл. 20.01.2003; опубл. 27.12.2003.
2. Пат. 68635 RU, МПК F16L 1/12. Утяжелитель трубопровода / В.М.Шарыгин, А.А.Захаров, А.Я.Яковлев, А.И.Филиппов, А.В.Тертышный. - 2007122124/22; заявл. 13.06.2007; опубл. 27.11.2007, Бюл. 33.
3. СТО Газпром 2-2.2-577-2011. Средства балластировки и закрепления газопроводов в проектном положении. Технические требования. - М.: ООО «Газпром ВНИИГАЗ», ООО «Газпром экспо». - 2011 г.
4. ТУ 2296-00158631-97. Полимерно-контейнерное устройство. - Введ. 4.07.97, изм. 1, 2, 3.
5. Айнбиндер А.Б., Камерштейн А.Г. Расчет магистральных трубопроводов на прочность и устойчивость: справ. пособие. - М.: Недра, 1982. - 344 с.
1. Утяжелитель трубопровода в виде грунтозаполненного П-образного короба, состоящего из пары внутренних боковых стенок, обращенных к трубопроводу и переходящих в седловидную часть, взаимодействующую с трубопроводом, пары наружных боковых и поперечных стенок, ограниченных сверху по периметру силовым поясом, выполненным отогнутым под прямым углом в верхней части и снабженным отверстиями, отличающийся тем, что поперечные стенки выполнены с уширением в обе стороны от трубопровода, а силовой пояс, содержащий усиливающий элемент под его отогнутой частью и опирающийся на поверхность трубопровода, выполнен с углом наклона к наружным боковым стенкам П-образного короба.
2. Утяжелитель трубопровода по п.1, отличающийся тем, что усиливающийся элемент силового пояса выполнен в виде поливинилхлоридной трубки, неподвижно соединенной твердеющим полимерным составом с внутренними сторонами прямого угла отогнутой части силового пояса.
3. Утяжелитель трубопровода по п.1, отличающийся тем, что угол наклона силового пояса к наружным боковым стенкам относительно горизонтали выполнен не превышающим угла естественного откоса грунта, заполняющего короб.
