1. Конструкция опытных образцов. Опытные образцы подвижных опорных частей скользящего типа были разработаны с учетом выявленных тенденций развития и результатов анализа конструктивных решений и с использованием результатов детального лабораторного исследования антифрикционных элементов.
При проектировании была предусмотрена необходимость удовлетворить все требования к опорным частям, сформулированные в п.1 (расчетные значения нагрузок и перемещений приняты по табл. 4). Разработаны продольноподвижные (ППФ) и свободноподвижные (СПФ) опорные части (индекс «Ф» обозначает, что в качестве антифрикционного материала использован фторопласт-4).
В общем случае опорная часть включает: две продольные 
направляющие цилиндрической формы, симметрично укрепленные на трубе под углом 30° к вертикали. Направляющая выполнена в виде стальной подложки, облицованной листом нержавеющей стали с полированной рабочей поверхностью (чистота обработки до 8-10 класса); собственно опорную часть; поперечную направляющую (для СПФ), которая принята в виде толстостенной трубы из нержавеющей стали с полированной рабочей поверхностью (эта направляющая устанавливается на несущую конструкцию).
Собственно опорная часть ППФ (рис. 1,а) выполнена в виде парных треугольных башмаков, с которыми посредством сферических шарниров соединены опорные элементы, несущие антифрикционные вкладыши и защитные устройства. Башмаки объединены распоркой из двух прокатных уголков, фиксирующей неизменное их взаимное расположение. Устанавливаются они непосредственно на несущую конструкцию.
Опорная часть СПФ (рис. 1,б) состоит из корпуса, выполненного из отрезка толстостенной стальной трубы. Сверху на корпусе установлены парные башмаки с опорными элементами по аналогии с ППФ. На внутренней поверхности корпуса находятся антифрикционные вкладыши, контактирующие с поперечной направляющей; они также снабжены защитными устройствами. На каждом из опорных элементов установлены два вкладыша, разнос которых обеспечивает устойчивость опорной части от опрокидывания.
Прокладки (рис. 2) выполнены с усилением рабочей части обоймой и имеют защиту в виде расположенных по всему контуру сальников из фторопластового стержня квадратного сечения, установленного в пазу на поверхности опорного элемента. По сторонам, перпендикулярным направлению перемещения, опорные элементы и корпус снабжены подпружиненными к рабочей поверхности направляющих стальными скребками.
2. Испытание опытных образцов. Описанная выше конструкция опорных частей является новой и особенности ее работы не могут быть оценены по известным данным о работе стандартных опорных частей скользящего типа для трубопроводов или опорных частей с применением антифрикционных материалов, предназначенных для пролетных строений мостов и балочных конструкций зданий. Поэтому необходимо провести стендовые испытания опытного образца для выявления особенностей работы под нагрузкой при значительных по величине перемещениях трубопровода. Испытывалась опорная часть СПФ, имеющая более сложную конструкцию. Результаты испытаний в полной мере относятся и к опорной части ППФ. Во время испытаний необходимо было выявить поведение под нагрузкой подвижно соединенных между собой элементов конструкции, защитных приспособлений, антифрикционных элементов, а также факультативно определить силы сопротивления продольным и поперечных линейным перемещениям трубы относительно основания.
Методика испытания. Для проведения испытаний была использована универсальная установка типа 2-СО, а также специально разработанная и изготовленная оснастка, установленные на силовом полу в одном из испытательных залов НИИСКа (рис. 3).
Испытательное устройство (рис. 4) состоит из следующих основных элементов: упорных конструкций, закрепленных к силовому полу; опорных конструкций, сопряженных с испытываемой опорной частью через посредство скользящих элементов, и загрузочных устройств в виде гидравлических домкратов грузоподъемностью 2х50 тс и 5 тс для создания прижимающей и сдвигающей нагрузок соответственно.
Использование скользящих элементов позволило обеспечить весьма значительные (до 25 см) линейные перемещения. Эти элементы выполнены с прокладками из фторопласта-4, опирающимися на обильно смазанные пластины из полированной нержавеющей стали. Сила сопротивления сдвигу в этих дополнительных парах скольжения определялась опытным путем. Полученные значения коэффициентов трения (табл. 1) учитывались при обработке результатов испытания опорных частей.
Таблица 1. Значения коэффициентов трения в дополнительных парах скольжения (фторопласт-4 в паре с полированной нержавеющей сталью при смазанных контактных поверхностях)
|
Прижимающая нагрузка, тс |
Среднее давление на прокладки кгс/см2, |
Значения коэффициентов трения, % |
||||
|
продольного |
поперечного |
продольного |
поперечного |
|||
|
fп |
f |
fп |
f |
|||
|
15 |
40 |
20 |
3,0 |
2,5 |
4,0 |
3,0 |
|
20 |
50 |
30 |
3,0 |
2,5 |
4,0 |
3,0 |
|
30 |
75 |
45 |
2,5 |
2,0 |
3,0 |
2,5 |
|
40 |
100 |
60 |
2,5 |
2,0 |
3,0 |
2,5 |
|
60 |
150 |
85 |
2,0 |
1,5 |
2,5 |
2,0 |
Примечание. fп – коэффициент трения покоя, f – то же, при скольжении.
Опорную часть испытывали с отрезком трубы диаметром 1420 мм. Порядок испытаний был принят следующим: 1. 
Монтаж испытательного устройства и испытываемой опорной части вместе с отрезком трубы. 2. Предварительное обжатие прижимающей нагрузкой, которую прикладывали ступенями по 10 тс вплоть до нагрузки 70 тс с последующей разгрузкой. 3. Создание угловых перемещений трубы в горизонтальной плоскости. Трубу (в ненагруженном состоянии) поворачивали относительно опорной части на угол около 3° (тангенс угла 0,05), загружали прижимающей нагрузкой в 60 тс, а затем с помощью домкрата продольного перемещения возвращали в первоначальное положение. 4. Создание угловых перемещений в вертикальной плоскости на угол около 1° (тангенс угла 0,02). Этот перекос осуществляли под нагрузкой с помощью загрузочных домкратов. 5. Линейные продольные и поперечные перемещения трубы и поперечной направляющей относительно опорной части со скоростью до 1 мм/с под различной прижимающей нагрузкой.
Во время испытаний измеряли значения действующих усилий и создаваемых перемещений, а также фиксировали взаимные смещения элементов опорной части. Испытания проводили при положительной температуре, так как осуществить эффект охлаждения конструкции не представилось возможным. Рабочие поверхности антифрикционных вкладышей и направляющих были сохранены в состоянии поставки опытных образцов: без специальной очистки или смазки. После проведения испытаний все элементы опорной части тщательно обследовали.
Результаты испытаний. Испытания при положительной температуре под действием прижимающей нагрузки до 70 тс в условиях нормального, а также с угловыми смещениями до 0,05 в горизонтальной и до 0,02 в вертикальной плоскостях положениях трубы относительно опорной части позволили установить, что конструкция опорной части оказалась вполне устойчивой против опрокидывания, несмотря на наличие двух шарниров в направлении действия прижимающей нагрузки: сферического на корпусе опорной части и цилиндрического по поперечной направляющей. Устойчивость обеспечивалась разносом антифрикционных элементов вдоль образующей трубы (см. рис. 1).
Сферические шарниры интенсивно срабатывали, главным образом при монтаже трубы. Поворот трубы в горизонтальной плоскости компенсировался в основном обмятием антифрикционных прокладок и частично поворотом в одном из сферических шарниров. Поворот трубы в вертикальной плоскости компенсировался скольжением корпусов по поперечной направляющей, так как сопротивление такому скольжению оказалось меньшим, чем сопротивление в сферических шарнирах.
Контурная защита (сальник) из фторопластовых стержней контактировала с поверхностью направляющих по всей длине и выполнила поэтому свое назначение. Однако пыль и другие частицы на поверхности направляющих, в основном, задерживалась на границе рабочей части антифрикционного вкладыша, выполненного с утолщенной по краям частью, что подтверждает описанные выше положительные особенности прокладки принятого типа.
При продольных и поперечных линейных перемещениях, сдвиги производили под прижимающей нагрузкой от 30 до 60 тс. Во всех случаях наблюдалось плавное (без «скачков») движение. Полученные значения коэффициентов сопротивления при сдвиге находились в пределах от 3 до 7 % и снижались до 1,5-3 % при скольжении (табл. 2), что в целом соответствует рекомендованным расчетным значениям коэффициентов трения.
Таблица 2. Результаты испытаний опытного образца опорной части СПФ
|
Прижимающая нагрузка V, тс |
Среднее давление на прокладку, кгс/см2 |
Тангенс угла поворота трубы в плоскости |
Сдвигающая нагрузка, тс |
Коэффициент сопротивления, % |
|||
|
вертикальной |
горизонтальной |
сдвиг |
скольжение |
Кп |
К |
||
|
Продольное смещение |
|||||||
|
30 |
140 |
0,006 |
- |
3,10 |
1,10 |
6,9 |
1,5 |
|
|
|
- |
0,05 |
2,00 |
1,30 |
3,7 |
2,0 |
|
60 |
280 |
0,009 |
- |
3,85 |
2,00 |
3,9 |
1,6 |
|
|
|
0,002 |
- |
3,80 |
2,10 |
3,8 |
1,8 |
|
|
|
0,006 |
- |
3,60 |
2,10 |
3,5 |
1,8 |
|
Поперечное смещение |
|||||||
|
30 |
180 |
- |
- |
2,25 |
1,45 |
4,5 |
2,3 |
|
40 |
240 |
0,02 |
- |
2,70 |
2,25 |
3,8 |
3,1 |
|
50 |
350 |
- |
- |
3,05 |
2,25 |
2,6 |
1,7 |
|
|
|
0,009 |
- |
3,10 |
2,50 |
2,7 |
2,2 |
|
|
|
- |
- |
3,30 |
2,50 |
3,0 |
2,2 |
Примечания.
- Среднее давление определено по фактической плоскости контакта прокладки с направляющими после обжатия прижимающей нагрузкой 70 тс.
- Указано измеренное значение сдвигающих нагрузок.
- Коэффициенты сопротивления K=T:V определены с учетом сопротивления в дополнительных швах скольжения по табл. 1. Индекс «п» обозначает силу сопротивления, соответствующую трению покоя.
После проведения серии испытаний никаких видимых повреждений опорной части или ее элементов не обнаружено.
Испытание опорных частей на опытном участке. Положительные результаты стендовых испытаний позволили принять решение об установке изготовленных образцов опорных частей на опытном участке трубопровода диаметром 1220 мм (рис. 5). Они были укреплены на существующих свайных опорах. Уменьшение диаметра трубы (вместо 1420 мм) 
компенсировано прокладкой между продольной направляющей и стенкой трубы пакета деревянных брусьев толщиной 100 мм.
Монтаж опорных частей не вызвал затруднений. При опускании трубы опорная часть СПФ сама сдвинулась по поперечной направляющей в необходимое положение. Эксплуатация в течение более года происходит вполне нормально без каких-либо повреждений или отклонения от предположений, заложенных при проектировании. В частности, наблюдается плавное (без «скачков») перемещение.
3. Рекомендуемая конструкция. Результаты проведенных исследований, испытаний и натурных наблюдений вместе с дополнительной конструктивной проработкой позволили без изменения общего решения существенно улучшить первоначальную конструкцию опорных частей, сделать их более технологичными и повысить эксплуатационные качества.
Основные конструктивные изменения относятся к направляющим. Как и в опытных образцах, продольные направляющие выполняются из отрезков прокладываемой трубы и облицованы снаружи тонколистовой нержавеющей сталью с полированной рабочей поверхностью (чистота обработки не ниже 8 класса). Отличием является то, что между направляющей и стенкой трубы размещается пакет деревянных брусьев толщиной 60 мм, а сами направляющие крепятся к трубе хомутами. Такое решение было использовано и проверено на опытном участке (см. рис. 5). Оно позволяет значительно улучшить условия опирания трубы, так как снижает концентрацию напряжений в ее стенке в местах приложения опорной реакции.
Изменена конструкция и поперечной направляющей. Использование для нее толстостенной трубы из нержавеющей стали весьма нежелательно: такие трубы весьма дефицитны, а обработка их поверхности до 8 класса чистоты оказалась очень сложной. Стендовые испытания показали (рис. 6), что достаточная свобода угловых перемещений обеспечивается при призматической поперечной направляющей, которая была выполнена сварной из листовой стали. Но изготовление такой направляющей оказалось трудоемким. Поэтому окончательно поперечная направляющая принята из прокатного уголка сечением 125х16 мм, поставленного кверху обушком. Уголок усилен поперечными ребрами жесткости, а перья его соединены горизонтальной полосой толщиной 12 мм. Эта направляющая приваривается к двутавровому ригелю свайной опоры. Использование прокатного профиля несколько увеличивает силы сопротивления сдвигу (из-за увеличения угла α до 45°), но зато существенно упрощается изготовление направляющей. Наружная поверхность последней облицовывается полированной тонколистовой нержавеющей сталью.
Корпус опорной части выполнен из прокатного уголка, усиленного ребрами. Конструкции, несущие трубу, в опорных частях типа ПП и СП полностью унифицированы. Улучшена защита антифрикционных прокладок от засорения.
ЭКБ НИИСК разработаны рабочие чертежи опорных частей ППФ-1.4 (рис. 7) и СПФ- 1.4 (рис. 8) под трубопровод диаметром 1420 мм, удовлетворяющих указанным выше требованиям. Эти опорные части предназначены для применения в различных климатических зонах страны и отличаются весьма благоприятными технико-экономическими показателями (табл. 3).
Таблица 3. Показатели для опор со скользящими опорными частями под трубопровод диаметром 1420 мм
|
Показатели |
Ед. изм. |
Опорные части |
|
|
СП |
ОП |
||
|
Масса (всего) |
кг |
3695 |
2093 |
|
собственно опорная часть |
кг |
490 |
370 |
|
сварной ригель |
кг |
830 |
153 |
|
металлические сваи с опорными плитами |
кг |
2375 |
1570 |
|
Количество свай |
шт. |
3 |
2 |
|
Материалы |
|
|
|
|
нержавеющая сталь толщиной 1 мм |
кв.м |
2 |
1 |
|
фторопласт-4 |
|
|
|
|
вкладыши |
кг |
4 |
2 |
|
стружка для уплотнения |
кг |
2 |
1 |
|
древесина |
куб.м |
0,07 |
0,07 |
Применение опорных частей скользящего типа ППФ-1.4 и СПФ-1.4 взамен рекомендуемых ВНИИСТом роликовых конструкций позволяет в расчете на 100 км прокладки трубопровода диаметром 1420 мм: снизить расход стали и массу опорных конструкций на 4,5 тыс. т; упростить изготовление опорных частей и возведение опор; снизить стоимость не менее чем на 5 млн. руб.; сократить сроки строительства и повысить надежность трубопроводного сооружения в целом.
По сравнению с любой другой современной конструкцией такие опорные части наиболее детально исследованы, просты в изготовлении, не требуют освоения производства новых материалов, обеспечивают для большинства климатических зон страны минимальные (не более 10 % прижимающей нагрузки) сопротивления перемещениям и надежны в эксплуатации.
Опорные части скользящего типа с применением фторопласта-4 целесообразно применять для прокладки по отдельно стоящим опорам магистральных и технологических трубопроводов диаметром от 1 до 1,6 м различного назначения.