Крепеж для прокладки трубопроводов надземным методом

Есть в паутине промышленных сетей что-то завораживающее — в четкости линий, в продуманности всей компоновки, во мнимой простоте, которая на поверку оказывается результатом кропотливой работы множества специалистов. Первый трубопровод собрали еще в Древнем мире, и с тех пор они неизменно сопровождают нашу цивилизацию.

Метод прокладки труб под землей — самый распространенный и удобный, но он не дает оценить весь размах инженерной мысли. Глаз обывателя может коснуться его только в процессе непосредственного монтажа, тогда как надземные сети неизменно привлекают внимание и становятся неотъемлемой частью пейзажа.

Проектирование, изготовление, сборка, укладка на опоры и проведение пусковых испытаний — все эти этапы следуют один за другим и требуют применения самых различных технических средств. В этот список попадает и крепеж — стандартный, специализированный, иногда даже специальный. Разберемся, какую роль играют метизы при прокладке трубопровода надземным способом и какие именно.

Надземный метод прокладки и его особенности

Первым вариантом, который рассматривают при планировании очередного трубопровода, всегда будет укладка сети в землю — в открытые траншеи или с последующей засыпкой. Такое размещение позволяет не загромождать территорию и в равной степени подходит практически для любого рельефа и местности.

К надземному методу прокладки обращаются в тех случаях, когда подземный становится очевидно неудобным или слишком дорогим в реализации, а также — если необходим постоянный свободный доступ к трубам для ревизии и контроля. Например, некоторые магистральные сети сейчас мониторят при помощи беспилотников, которые машинным зрением ищут утечки газа, и это стало возможным лишь с открытым расположением сети.

Распространенной практикой применения надземной прокладки будет:

• пересечение многочисленных оврагов и рек;
• пересечение судовых и оросительных каналов;
• пересечение горных выработок;
• разводка в пределах промышленного предприятия;
• газопровод в частном секторе с раздачей вдоль улицы на каждый дом.

Такие трубопроводы проектируют для транзита жидкостей, газов, пара, пылевидных и разжиженных масс, сыпучих материалов. Каждую конкретную сеть рассчитывают с учетом особенностей транспортируемой среды — ее характера, подвижности, агрессивности, температуры и величины рабочего давления.

Трубопровод может быть:

• промысловым — от скважин к установкам переработки и хранения, на территории месторождений;
• магистральным — транспортирующий среду на определенное расстояние;
• распределительным — от магистрали к потребителю;
• технологическим — для обеспечения потребностей промышленного предприятия.

В состав общей системы войдут:

• непосредственно сами трубопроводные линии;
• ответвления к потребителю;
• запорная и запорно-регулирующая арматура;
• переходы через естественные и искусственные преграды;
• резервные нитки;
• перемычки для соединения параллелей;
• контрольная и следящая аппаратура;
• машины для нагнетания и поддержания давления.

Общая конструктивная схема надземного трубопровода может быть разной:

• балочная — прямая укладка на опорах, с компенсаторами удлинения или без;
• подвесная — на несущих канатах, зафиксированных относительно высоких опор;
• арочная — по схеме неразрезной балки, когда трубопровод пересекает какую-либо преграду дугой (аркой);
• трапецеидальная — аналогична арочной, но подъем и спуск выполнены в форме трапеции, а не дуги;
• мостовая — по специальному мосту;
• самонесущая — с подвесом к опорным устройствам, когда нагрузку от собственного веса непосредственно воспринимает сам трубопровод.

В конструкции короткого трубопровода может быть реализована одна-единственная схема, но чаще можно встретить комплекс из нескольких. Абсолютным лидером здесь выступает балочная. Помимо классической прямолинейной прокладки, инженеры ведут сеть по зигзагообразной и упругоискривлённой траектории, а также со слабоизогнутыми участками.

Особое внимание в расчете трубопровода уделяют относительному геометрическому смещению контура из-за теплового расширения материала. Это особенно актуально для стальных труб, которые занимают до 80% всего рынка магистральных, промысловых и технологических сетей.

Чтобы компенсировать поводку общего контура под влиянием температур, в проект трубопровода обязательно закладывают компенсаторы:

• П-, Г- и Z-образные участки;
• криволинейные (волнообразные) дуги;
• сопряжение двух прямолинейных участков криволинейным.

На коротких дистанциях и в отношении систем, работающих под высоким давлением и с частым перепадом температур, отличные результаты показывают механические компенсаторы. Это встраиваемые узлы, принцип действия которых основан на упругом растяжении и сжатии гибкой вставки — металлического сильфона или гофрированного резинового рукава.

Самыми распространенными схемами надземной прокладки трубопровода выступают две — на единичных низких опорах (что можно наблюдать в городских условиях в отношении тепловых сетей) и на эстакадах. Во втором случае конструкция пути включает в себя:

• неподвижные опоры;
• подвижные опоры;
• промежуточные опоры;
• пролетные строения;
• фундаментные сооружения;
• металлоконструкции для обслуживания (площадки, лестницы, подъемы и т.д.).

Сам трубопровод может быть разделен на ведущий и сопутствующий, в одну, две или больше ниток. В промышленных условиях можно встретить схемы с многоярусным размещением линий.

Особенности применения

На болотах

Проход трубопровода через болотистую местность — настоящая головная боль для всех технических специалистов, занятых на строительстве. Вести работы в таких условиях можно лишь в зимний период, когда основание становится более-менее прочным, а уровень влажности закономерно снижается.

Здесь главная проблема при укладке сети хоть подземным, хоть надземным способом — это предусмотреть и заранее компенсировать смещение исходного контура. Болото неумолимо «сдвигает» опоры, трубопровод проседает, всплывает или смещается относительно базового положения.

Надземный путь по болотистой местности требует обязательной установки глубоких свай. Этому процессу обычно предшествует частичное осушение болота, выемка торфа, засыпка песком. В процессе прокладки пути задействуют большое количество специализированной техники. Затраты на такие работы столь велики, что в большинстве случаев дешевле обогнуть проблемный участок по широкой дуге, чем вести напрямую насквозь.

В пустынях

Строительство трубопровода через сухую степь или пустыню также требует изрядных затрат. В первую очередь это сложность возведения опор по сыпучему песчаному грунту или по скалистому, скрытому толстым слоем пыли. Для этой цели используют свайно-винтовой фундамент с глубоким залеганием.

Надземная прокладка магистрального трубопровода через нестабильный рельеф, где ровная поверхность перемежается оврагами, арыками, возвышениями, потребует применения трапецеидальной или арочной схемы.

Но самой большой проблемой в пустыне становятся даже не трудности пути, а суточные и сезонные перепады температуры. Эффект от теплового расширения металла вызывает столь значимые смещения трубопровода, что удельная доля компенсационных участков на 1 километр линии превосходит те же показатели для любой другой местности. Из-за этого надземная прокладка сети в пустыне становится слишком дорогостоящей и практикуют ее редко. Проще и дешевле один раз потратиться на копку траншей и последующее укрытие, чем вести трубопровод с постоянными «зигзагами».

Самым простым и доступным методом уменьшения степени теплообмена транзитной среды и окружающей средой при надземной прокладке остается защита трубопроводов ППУ-изоляцией (толстые пенополиуретановые накладки в жесткой полиэтиленовой или стальной оболочке.)

В горах

Характерная особенность подобного региона — это постоянное и непредсказуемое изменение ландшафта. Здесь наблюдается чередование равнин с крутыми подъемами и резкими спусками. Еще больше осложняется задача при пересечении горных рек.

Надземную прокладку трубопровода в гористой местности ведут исключительно в случаях, когда величина крутизны косогора не превышает 4 градусов к горизонту. Иначе трубы неизменно прячут в землю, в открытые и закрытые траншеи.

С какими сложностями сталкиваются строители при работе в горах:

• трудности в доставке и маневрировании спецтехники;
• необходимость в теплоизоляции из-за перепада температур;
• обязательно нужны компенсаторы.

Опоры при надземной прокладке трубопровода закладывают преимущественно на винтовых сваях. Из-за высокой стабильности жесткого скального грунта достаточно минимального заглубления — от 50 см. Но сам процесс забивки свай требует повышенных усилий.

Хорошей альтернативой свайному фундаменту будет установка опор на неглубоких столбах или монолитной подушке. Такие варианты выбирают при сравнительно низком размещении сети. И при проектном расчете обязательно рассчитывают степень сейсмических воздействий на трубопроводы надземной прокладки.

В северных регионах

Большинство месторождений нефти и газа в России находятся в районах с тундровой и лесотундровой местностью, на вечномерзлых грунтах и торфяниках. Привычное железобетонное строительство здесь крайне неудобно и нецелесообразно с практической точки зрения.

Опоры под надземный трубопровод закладывают на сваях. Их заглубляют ниже слоя сезонного оттаивания, на уровень не менее 1 метра. Это связано с тем, что для фундамента в равной степени опасно как сезонное оттаивание земли, так и пучение грунта при повторном замерзании.

Надземную сеть ведут двумя путями:

• по классической балочной схеме — на низких опорах;
• подвесом — на высоких опорах, которые могут обеспечить свободный проезд транспорта.

Второй метод реализуют с креплением трубопровода к мачтам и эстакадам, а также с привязкой линии к элементам несущих металлоконструкций зданий и сооружений.

Особый интерес вызывает прокладка сети «змейкой» на четырехгранных металлодеревянных призмах. В центре опоры свисает импровизированная петля-хомут, которая и поддерживает трубы в заданном положении. Такой способ надземной прокладки характерен преимущественно для промысловых трубопроводов на месторождениях, поскольку оставляет возможность переформатирования общего контура со временем.

Для производственных предприятий

Межцеховые технологические линии занимают ключевое место на предприятиях металлургической, перерабатывающей, химической отраслей. Это в том числе неизменный атрибут действующей энергетической системы, работающей с газом и паром.

Причем, если магистральные сети часто выбирают «утопить» в землю, то для промышленных условий и технологических трубопроводов куда более распространенной остается всё-таки надземная схема прокладки.

Трубы укладывают:

• на эстакадах (одно- и многоярусных);
• на отдельно стоящих стойках;
• на низких опорах;
• на шпалах;
• в открытых лотках.

В ряде случаев сеть пересекает транспортные линии предприятия, и тогда ее поднимают в воздух согласно общим требованиям:

• над пешеходными дорогами — на 2,5 метра;
• над автомобильным проездом — на 4,5 метра;
• над железнодорожными путями — на 5,5 метра.

Технологические трубопроводы, транспортирующие легкозастывающие вещества способом надземной прокладки, нуждаются не только в надежной тепловой изоляции, но и в постоянном дополнительном обогреве. Нужный температурный режим поддерживают при помощи параллельной линии, несущей горячую воду, пар, антифриз или масло.

Обогрев реализуют:

• по внешней схеме — пуская трубопровод-спутник или закрывая главную линию рубашкой;
• по внутренней схеме — греющая сеть расположена непосредственно внутри полости основной транзитной магистрали.

Нужно отметить, что при внутреннем обогреве вспомогательный трубопровод может идти как прямой линией, так и змеевиком, что повышает эффективность обогрева.

Виды и конструктивные особенности опор для надземных трубопроводов

Проектный расчет опор для надземного трубопровода осуществляют с учетом целого ряда нагрузок:

• постоянные — собственный вес отдельно стоящих опор и самих труб, а также суммарная масса ограждающих конструкций;
• длительные — вес тепловой изоляции, вес транзитной среды при полном заполнении полости трубопровода, масса образующихся отложений, давление в системе и сезонная разница температур;
• кратковременные — снег, ветер, суточная и технологическая разница температур, испытательное давление (которое всегда больше рабочего), вес людей в процессе ремонтных работ, сейсмическая активность грунта;
• особые — присущие конкретному случаю или местности.

Лишь определившись с нагрузками и несущей способностью опор, проектируют общую цепочку объектов. При этом руководствуются такими факторами, как простота и скорость монтажа, заложенный ресурс, удобство обслуживания, дешевизна в изготовлении.

По характеру восприятия эксплуатационных нагрузок опоры надземного трубопровода делятся на:

• однозвенные (маятниковые и подвесные) — воспринимают лишь вертикальную нагрузку, трубы имеют некоторую свободу перемещения;
• двухзвенные — воспринимают вертикальные и горизонтальные нагрузки, в том числе статические и изгибающие, а перемещение труб возможно лишь вдоль оси;
• трехзвенные — воспринимают все нагрузки и полностью исключают любое перемещение труб, в редких случаях оставляют лишь возможность некоторого скольжения вдоль оси при монтаже трубопровода и ремонтных работах.

По типу конструкции опоры бывают:

• свайные;
• стоечные;
• рамные;
• плитные;
• массивные;
• подвесные;
• грунтовые.

В каждом случае допускаются как монолитные, так и сборно-разборные варианты. Первые изготавливают как железобетонные изделия и их чаще можно встретить при подземной прокладке. Сборные опоры представляют собой объекты, сваренные из листового металла и фасонного профиля (уголок, двутавр, швеллер). Это уже полноценная металлоконструкция.

По количеству мест для поддержания трубопровода опоры делятся на:

• одноместные (одинарные);
• двухместные (парные);
• многоместные.

По степени подвижности опоры разделяют на неподвижные и подвижные. Вторые изделия могут быть шарнирными или скользящими. Функцию скольжения закладывают в виде каткового или роликового механизма. Возможность такого перемещения неразрывно связана как с монтажными и демонтажными работами, так и со смещением трубопровода в результате теплового расширения.

Вспомогательный крепеж, метизы

При креплении верхних узлов опор на монолитном основании используют стандартные фундаментные болты по ГОСТ 24379.1-2012. Предпочтение отдают продукции:

• типа 1.1 — изогнутые, диаметром от М12 до М48;
• типа 2.1 — прямые, с плоской анкерной плитой, от М16 до М48;
• типа 6.1 — прямые, с цангой на коническом хвостовике, от М12 до М48.

Первые два варианта крепежа предусматривают установку в полость опалубки до непосредственной заливки бетонной смеси. При серийном изготовлении опор их могут заменять закладными деталями, анкерные стержни на которых имеют резьбовой конец.

Фундаментный болт с цангой ставят в скважины, просверленные по уже готовому бетонному основанию. Крепеж вводят в полость, после чего — расклинивают цангу натяжением конического хвостовика. Ее лепестки упираются в стенки. Верхнюю часть скважины заделывают цементно-песчаной смесью с формированием подушки. Последующая уже рабочая затяжка болта заставляет цангу раскрыться еще больше, чем и обеспечивается надежное удержание крепежа относительно фундамента.

Сборку отдельных узлов в опорах и стяжку накидных хомутов для крепления труб выполняют посредством применения классического резьбового крепежа, работающего на растяжение. Это комплекты из шпилек или болтов с шестигранными гайками. Выбор между ними — на усмотрение монтажной бригады, поскольку такие метизы вполне взаимозаменяемы между собой.

В общем случае используют:

• шпильки — по ГОСТ 22042-76, для гладких сквозных отверстий, без промежуточной заниженной шейки;
• болты — по ГОСТ 7798-70, с шестигранной головкой нормальной высоты;
• гайки — по ГОСТ 5915-70, полной высоты, с шестигранником из стандартного размерного ряда.

Для предотвращения самораскручивания и ослабления стяжки в узлах также закладывают пружинные шайбы-гровера по ГОСТ 6402-70. Это самый простой и дешевый метод стопорения резьбы. В зависимости от расчетных эксплуатационных нагрузок выбирают между продукцией легкой, нормальной, тяжелой и особо тяжелой серии.

Стержневой крепеж для опор надземных труб должен соответствовать классу прочности не ниже 5.6 по ГОСТ 1759.4-87. Это подразумевает изготовление из качественных углеродистых сталей — марок 30 и 35, посредством горячей и холодной штамповки. Если сеть работает под нагревом, непосредственно воздействующем и на опорные конструкции, то предпочтительным будет выбор шпилек и болтов с классом прочности 8.8. Здесь уже присутствует обязательное термическое упрочнение (закалка и отпуск), а материалами изготовления выступают легированные стали — 35Х, 38ХА, 45Г, 40Г2 и аналогичные.

Надземный трубопровод круглый год находится под открытым небом. Этот фактор обязательно учитывают при подборе крепежа, закупая метизы с защитными покрытиями против коррозии. В общем случае необязательно приобретать оцинкованную продукцию — с поставленной задачей прекрасно справятся и «черные» изделия, прошедшие химическое оксидирование или фосфатирование.

Если же опоры будут эксплуатироваться в условиях повышенной влажности (к примеру, в болотистой местности, около рек и при пересечении судовых каналов), то без гальванических покрытий уже не обойтись. В том числе применяют метизы с защитой «цинк-ламель» — это традиционно автомобильный крепеж, который можно использовать и для сложных промышленных условий.

Заключение

Надземная прокладка трубопровода традиционно считается более сложной. Она требует целого комплекса связанных мероприятий: расчета нагрузок на опоры, планирование их расстановки (в том числе при пересечении препятствий), применения тепловой изоляции для труб. В городской застройке также нужно предусмотреть возможность пешего перехода и проезда транспорта через магистраль.

Но именно в этой сложности кроется грандиозная глобальность надземного трубопровода — он становится едва ли не вершиной инженерной мысли, если речь касается темы разводки сетей. Продуманность каждой мелочи и сведение всех частных моментов в единый цельный проект — это куда сложнее, но и монументальней, чем просто прорыть экскаватором траншею и спрятать трубы под землю. Здесь проявляется величие технологического прогресса во всей красе.

В надземной прокладке трубопровода не существует незначительных мелочей. Важен даже цвет краски, которой окрашивают магистраль и резервные нитки. И резьбовой крепеж здесь тоже занимает далеко не последнее место.