RU42836U1

RU42836U1 - SEISMIC PROTECTION FOR TERMINAL GROUND PIPELINES

Info

Publication number: RU42836U1
Application number: RU2004116596/22U
Authority: RU
Inventors: О.И. Мансуров; Р.И. Нигматулин; Ю.Б. Малых; А.А. Соловьев
Original assignee: Мансуров Олег Ибрагимович; Нигматулин Раис Искандерович; Малых Юрий Борисович; Соловьев Александр Алексеевич
Priority date: 2004-06-07
Filing date: 2004-06-07
Publication date: 2004-12-20

Abstract

Полезная модель относится к области машиностроения и предназначена для эффективной защиты от мощных низкочастотных колебаний и ударов высоких энергий надземных магистральных трубопроводов, прокладываемых в сейсмоопасных районах. Может быть использована как опора при прокладке трубопроводов в сложных условиях рельефа местности, петлевых компенсаторов, а также в качестве подвесов труб к путепроводам при водных и других преградах. Техническим результатом предложенной полезной модели является повышенная степень защиты магистральных трубопроводов от пространственных сейсмовоздействий, возникающих при землетрясениях и мощных взрывах, а также эффективной диссипации остаточных колебаний труб и переходных процессов, связанных с ударным возбуждением. При этом одновременно обеспечивается свобода подвижек трубопроводов, возникающих от перепадов температур и давления при нормальной эксплуатации трубопроводов. Указанный технический результат достигается за счет гибкого подвеса трубопровода на опорной конструкции с помощью торсионно-тросовых элементов последовательного типа, обладающих нелинейной диссипацией путем межвиткового трения в самом тросе и «эйлерова» трения, возникающего при охвате тросом неподвижных криволинейных сегментов. Расстояние от стенок трубопровода, расположенного между стойками и основанием выбирается с учетом воздействия максимальной магнитуды, а сами вертикальные стойки также выполняют роль аварийных ограничителей (ригелей), препятствующих падению труб с опор при горизонтальном сейсмовоздействий. Сами упругие элементы могут быть выполнены в виде рычажных торсионов либо цилиндрических пружин. Регулировочные элементы обеспечивают требуемый статический провис трубы и нивелирование ее в горизонтальной плоскости.The utility model relates to the field of mechanical engineering and is intended for effective protection against powerful low-frequency vibrations and high-energy impacts of above-ground trunk pipelines laid in earthquake-prone areas. It can be used as a support when laying pipelines in difficult terrain conditions, loopback compensators, as well as as suspensions of pipes to overpasses in water and other obstacles. The technical result of the proposed utility model is an increased degree of protection of main pipelines from spatial seismic effects arising from earthquakes and powerful explosions, as well as effective dissipation of residual pipe vibrations and transient processes associated with shock excitation. At the same time, freedom of movement of pipelines arising from changes in temperature and pressure during normal operation of pipelines is simultaneously ensured. The specified technical result is achieved due to the flexible suspension of the pipeline on the supporting structure using sequential-type torsion-rope elements having nonlinear dissipation by means of inter-turn friction in the cable itself and “Euler” friction that occurs when the cable covers stationary curved segments. The distance from the walls of the pipeline located between the posts and the base is selected taking into account the effects of maximum magnitude, and the vertical posts themselves also act as emergency stoppers (crossbars), preventing pipes from falling off the supports during horizontal seismic effects. The elastic elements themselves can be made in the form of lever torsion bars or coil springs. Adjusting elements provide the required static sagging of the pipe and leveling it in the horizontal plane.

Description

Полезная модель относится к области машиностроения и предназначена для защиты магистральных трубопроводов, прокладываемых в сейсмоопасных районах, от мощных низкочастотных колебаний и ударов высоких энергий, носящих пространственный характер и передаваемых через основание.The utility model relates to the field of mechanical engineering and is intended to protect trunk pipelines laid in seismically hazardous areas from powerful low-frequency vibrations and high-energy impacts that are spatial in nature and transmitted through the base.

Может быть использована при прокладке магистральных трубопроводов, пролегающих через водные препятствия и в местностях с различным рельефом.It can be used when laying trunk pipelines running through water obstacles and in areas with different terrain.

В настоящее время значительные объемы трубопроводного строительства приходятся на сейсмически опасные районы, где разрушение и разрыв крупного магистрального трубопровода ведет к катастрофическим последствиям. Большое число повреждений трубопроводов связано с осевым растяжением (сжатием) и падением надземных частей трубопроводов с опор.Currently, significant volumes of pipeline construction occur in seismically hazardous areas, where the destruction and rupture of a large trunk pipeline leads to disastrous consequences. A large number of damage to pipelines is associated with axial extension (compression) and the fall of the aboveground parts of pipelines from the supports.

Большинство опор выполняется в виде столбчатых или свайных конструкций, где с целью снижения приведенного центра тяжести трубопроводной системы опоры должны быть минимальной высоты, сводящей к минимуму риск падения трубы вместе с опорой при горизонтальном воздействии сейсмоволны.Most supports are made in the form of columnar or pile structures, where in order to reduce the reduced center of gravity of the pipeline system, the supports should be of a minimum height, minimizing the risk of the pipe falling along with the support when the seismic wave is horizontal.

Опорные элементы, расположенные между трубопроводом и опорой должны обеспечить возможность продольных компенсационных подвижек при изменениях температуры и внутреннего давления в трубопроводах при нормальных условиях эксплуатации. В то же время должно быть обеспечено эффективное демпфирование при мощных сейсмоударных воздействиях, носящих пространственный характер, когда диссипация должна резко возрасти, за счет включения дополнительных связей, обеспечивающих эффективное гашение сейсмической энергии. Кроме того, должно быть обеспечено гашение колебаний участков трубопроводов между опорами, вызываемых низкочастотным или ударным возбуждением при землетрясениях.Supporting elements located between the pipeline and the support should provide the possibility of longitudinal compensation shifts with changes in temperature and internal pressure in the pipelines under normal operating conditions. At the same time, effective damping should be ensured during powerful seismic impacts, which are spatial in nature, when the dissipation should increase sharply due to the inclusion of additional bonds providing effective quenching of seismic energy. In addition, damping of fluctuations in the sections of pipelines between supports caused by low-frequency or shock excitation during earthquakes should be provided.

Одним из аналогов предлагаемой модели является конструкция анкерной опоры для надземных трубопроводов, прокладываемых в сейсмических районах (рис. 1). Анкерная опора состоит из двух демпфирующих элементов в виде плоских рессор, имеющих эллиптический профиль в вертикальной плоскости. Каждая рессора закреплена на фундаменте и жестко соединена с седлом, на которое опирается трубопровод, охваченный сверху хомутом.One of the analogues of the proposed model is the design of the anchor support for elevated pipelines laid in seismic areas (Fig. 1). An anchor support consists of two damping elements in the form of flat springs having an elliptical profile in a vertical plane. Each spring is fixed to the foundation and rigidly connected to the saddle, on which the pipeline rests, covered by a clamp.

Анкерная опора работает следующим образом. Статическая нагрузка от трубопровода передается на седло и далее через рессору на фундамент, заложенный в грунт. При направлении колебаний в вертикальной плоскости рессоры деформируются в вертикальном направлении. При поперечном направлении колебаний одна из рессор растягивается, а другая сжимается в вертикальной плоскости. По мнению авторов, такой режим Anchor support works as follows. The static load from the pipeline is transferred to the saddle and then through the spring to the foundation laid in the ground. When the direction of oscillation in the vertical plane, the springs are deformed in the vertical direction. In the transverse direction of oscillation, one of the springs is stretched, and the other is compressed in a vertical plane. According to the authors, such a regime

обеспечит защиту трубопровода от сейсмовоздействий в любой плоскости[1].will protect the pipeline from seismic effects in any plane [1].

К недостаткам этой конструкции следует отнести отсутствие демпфирующих элементов, так как стальные пружины - рессоры обладают низкими демпфирующими характеристиками, что может привести к длительному раскачиванию трубопроводов и возникновению резонансных явлений. Плоские пружины, жестко ориентированные на вертикальные перемещения, не могут обеспечить требуемых подвижек в продольном направлении трубы, а колебания в поперечной плоскости (когда одна пружина растягивается, а другая сжимается) могут привести к нежелательному повороту трубы вокруг оси.The disadvantages of this design include the lack of damping elements, since steel springs - springs have low damping characteristics, which can lead to prolonged swaying of pipelines and the appearance of resonance phenomena. Flat springs, rigidly oriented to vertical movements, cannot provide the required movements in the longitudinal direction of the pipe, and vibrations in the transverse plane (when one spring is stretched and the other is compressed) can lead to an undesirable rotation of the pipe about its axis.

Наиболее близким прототипом предложенной полезной модели является конструкция «скользящего» анкера, предназначенная для сейсмозащиты трубопроводов. Эта конструкция воспринимает сжимающие усилия при статических нагрузках и обеспечивает необходимые эксплуатационные перемещения трубопровода [2].The closest prototype of the proposed utility model is the design of a "sliding" anchor designed for seismic protection of pipelines. This design accepts compressive forces under static loads and provides the necessary operational movement of the pipeline [2].

Общий вид конструкции «скользящего» анкера представлен на рис. 2. Опорная конструкция состоит из хомута, седловины опоры, устройства для создания трения несущей опорной части и сотовой конструкции для поглощения энергии. Нагрузка от трубопровода через хомут создает определенное контактное давление, обеспечивающее жесткое закрепление трубы. Для создания требуемого трения имеется устройство, состоящее из подвижной и неподвижной плит, упруго соединенных между собой болтами с использованием тарельчатых пружин. Степень прижатия этих плит может регулироваться, обеспечивая усилие необходимого сопротивления смещению подвижной плиты.A general view of the design of the "moving" anchor is shown in Fig. 2. The supporting structure consists of a clamp, a saddle of a support, a device for creating friction of a bearing supporting part, and a honeycomb structure for absorbing energy. The load from the pipeline through the clamp creates a certain contact pressure, providing a rigid fastening of the pipe. To create the required friction, there is a device consisting of movable and fixed plates, elastically connected to each other by bolts using plate springs. The degree of pressing of these plates can be adjusted, providing the necessary resistance to the displacement of the movable plate.

К недостаткам этой системы следует отнести использование одноразового демпфирующего элемента, выполненного в виде сотовой конструкции, односторонняя ориентация, сложность регулировки системы трения и самой конструкции в целом.The disadvantages of this system include the use of a disposable damping element made in the form of a honeycomb structure, one-sided orientation, the difficulty of adjusting the friction system and the structure as a whole.

Техническим результатом предложенной полезной модели сейсмозащитной опоры для магистральных трубопроводов, прокладываемых в сейсмоопасных районах, является обеспечение свободных подвижек при колебаниях температуры и давления в трубах в нормальных условиях эксплуатации и создание эффективного гашения энергии сейсмоударного воздействия, предаваемого через основание в любой плоскости.The technical result of the proposed useful model of a seismic protection support for trunk pipelines laid in seismically hazardous areas is to ensure free movement during temperature and pressure fluctuations in pipes under normal operating conditions and to create effective quenching of the energy of seismic impact transmitted through the base in any plane.

Указанный технический эффект достигается за счет того, что предложенная сейсмозащитная опора выполнена в виде пассивной нелинейной подвесной системы с применением тросово-торсионных элементов последовательного типа, не имеющих резонансных зон и обладающих мощным демпфированием для гашения энергии ударного импульса и значительным «ходом» системы, в течение которого происходит плавное гашение амплитуды воздействия до безопасных пределов.The indicated technical effect is achieved due to the fact that the proposed seismic protection support is made in the form of a passive nonlinear suspension system using sequential-type cable-torsion elements that do not have resonant zones and have powerful damping to absorb the energy of the shock pulse and a significant "stroke" of the system during which there is a smooth damping of the amplitude of the impact to safe limits.

Конструктивно предложенная сейсмозащитная опора представляет собой опорную систему в виде двух вертикальных стоек жестко соединенных между собой в нижней части и установленной на столбчатой опоре или фундаменте с помощью болтовых соединений. Внутри этой опорной конструкции расположен подвешенный определенным образом на тросе трубопровод. Расстояние между стойками и нижней частью выбирается с учетом диаметра трубы и зазора, необходимого для The structurally proposed seismic protection support is a support system in the form of two vertical posts rigidly connected to each other in the lower part and mounted on a columnar support or foundation using bolted connections. Inside this supporting structure is a pipeline suspended in a certain way on a cable. The distance between the uprights and the lower part is selected taking into account the diameter of the pipe and the clearance required for

отклонения трубы при максимальном пространственном воздействии сейсмоудара. Расчетное значение этого зазора (без аварийного запаса) составляет около 150 мм от статического положения при максимальной магнитуде землетрясения. Вертикальные несущие стойки также выполняют роль ограничителей (ригелей), исключающих сброс трубопровода при горизонтальном сейсмовоздействии. Сам трубопровод подвешен между вертикальными стойками на стальном гибком тросе, который охватывает трубу снизу в виде петли, а концы этого троса через сегменты заведены на упругие элементы - торсионы, расположенные на внешней стороне стоек.pipe deviation at maximum spatial impact of a seismic impact. The calculated value of this gap (without emergency margin) is about 150 mm from the static position at the maximum earthquake magnitude. Vertical support racks also serve as limiters (crossbars), eliminating the discharge of the pipeline during horizontal seismic impact. The pipeline itself is suspended between vertical struts on a steel flexible cable, which covers the pipe from below in the form of a loop, and the ends of this cable through segments are connected to elastic elements - torsion bars located on the outside of the racks.

На рис. 3, представлена кинематическая схема сейсмозащитной опоры для надземных магистральных трубопроводов.In fig. 3, a kinematic diagram of a seismic protection support for elevated trunk pipelines is presented.

Сейсмозащитная опора работает следующим образом. При горизонтальных подвижках трубопровода из-за тепловых перепадов температур и изменения давления в самом трубопроводе происходит плавное горизонтальное смещение трубы вместе с петлей тросового подвеса, при этом демпфирующие элементы не препятствуют этим перемещениям трубы в обычном эксплуатационном режиме.Seismic protection support works as follows. During horizontal movements of the pipeline due to thermal changes in temperature and pressure changes in the pipeline, a smooth horizontal displacement of the pipe occurs along with the loop of the cable suspension, while the damping elements do not impede these pipe movements in normal operating mode.

При ударном воздействии со стороны основания в вертикальной плоскости трубопровод смещается в этой плоскости, а трос через сегменты деформирует обе пружины. Требуемую степень диссипации при этом обеспечивает трение, возникающее при проскальзывании троса по поверхности неподвижного сегмента. Характеристики пружин выбираются таким образом, чтобы была обеспечена нелинейность требуемого демпфирования, и исключались соударения трубы о стойки и основание опорной конструкции в аварийном режиме.During impact from the base side in a vertical plane, the pipeline moves in this plane, and the cable deforms both springs through the segments. In this case, the required degree of dissipation is ensured by friction that occurs when the cable slides over the surface of the fixed segment. The characteristics of the springs are selected in such a way that the required damping is non-linear, and collisions of the pipe against the posts and the base of the supporting structure in emergency mode are excluded.

При горизонтальном сейсмовоздействии происходит смещение трубопровода в этой плоскости, причем упругие элементы с одной стороны деформируются в большей степени чем с другой, т.е. суммарная жесткость снижается. В связи с этим в горизонтальной плоскости обеспечивается более эффективное снижение амплитуды ударного импульса, так как при землетрясениях горизонтальные подвижки в подавляющем большинстве случаев больше вертикальных. Испытания тросово-торсионных элементов показали снижение амплитуды ускорений ударного импульса в вертикальной плоскости в 4-5 раз, в горизонтальной плоскости в 6-8 раз.With horizontal seismic action, the pipeline displaces in this plane, and the elastic elements on one side are deformed to a greater extent than on the other, i.e. total stiffness is reduced. In this regard, in the horizontal plane, a more effective decrease in the amplitude of the shock pulse is provided, since in earthquakes the horizontal movements in most cases are greater than the vertical ones. Tests of cable-torsion elements showed a decrease in the amplitude of acceleration of the shock pulse in the vertical plane by 4-5 times, in the horizontal plane by 6-8 times.

Указанная сейсмозащитная опора эффективно подавляет переходные процессы и остаточные колебания труб между опорами из-за высокого уровня диссипации тросово-торсионных элементов и отсутствие в них резонансных зон.The specified seismic protection support effectively suppresses transient processes and residual vibrations of pipes between the supports due to the high level of dissipation of the cable-torsion elements and the absence of resonance zones in them.

Учитывая ширину стоек, их можно размещать рядом или на любом требуемом расстоянии, что весьма существенно при изгибах трубопроводов из-за компенсаторов и рельефа местности.Given the width of the racks, they can be placed side by side or at any desired distance, which is very important for bending pipelines due to expansion joints and terrain.

Предложенная система сейсмозащитных опор может быть использована для прокладки трубопроводов в виде подвесов на путепроводах через водные и другие преграды.The proposed system of seismic protection supports can be used for laying pipelines in the form of suspensions on overpasses through water and other obstacles.

[1] Николаев А.К. и др. Конструкция анкерной опоры для надземных трубопроводов, прокладываемых в сейсмических районах // Горные машины и автоматика. - №12.-2001. С.27. [1] Nikolaev A.K. and others. The design of the anchor support for elevated pipelines laid in seismic areas // Mining machines and automation. - No. 12.-2001. S.27.

[2] Гехман А.С. и др. Сейсмостойкость трубопроводов // Проектирование и строительство трубопроводов и газонефтепромысловых сооружений. - Обзор НИИЭСУ.-Нефтегазострой.-Москва.-1977.[2] Gehman A.S. Seismic resistance of pipelines // Design and construction of pipelines and gas and oil field facilities. - Review of NIIESU.-Neftegazostroy.-Moscow.-1977.

Claims

A seismic protection support for elevated trunk pipelines, consisting of a supporting structure of cable-torsion elements, characterized in that the supporting structure is made in the form of vertical struts rigidly fixed in the lower part, inside of which the pipeline is suspended on a cable, covering across the pipe from below in the form of a loop, the ends of which through segments in the upper part of the supporting structure brought on elastic elements.