СПОСОБ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ ВНУТРИТРУБНОГО ТРАНСПОРТНОГО СНАРЯДА В МАГИСТРАЛЬНОМ ТРУБОПРОВОДЕ С ЗАДАННОЙ РАВНОМЕРНОЙ СКОРОСТЬЮ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD FOR MOVEMENT OF PIPELINE SCRAPER IN MANIFOLD PIPELINE WITH SPECIFIED EVEN SPEED AND DEVICE FOR ITS REALISATION

Изобретение относится к области строительства и эксплуатации магистральных трубопроводов в части контроля и диагностики их состояния и может быть использовано для буксирования контрольного и диагностического аппарата с заданной равномерной скоростью, обеспечивающей надлежащие точность и эффективность его работы.
Известно устройство для перемещения в трубопроводе (RU, патент №2080945, C1, B08B 9/04, 10.06.1997 г.), содержащее корпус и двухзвенный механизм шагового перемещения, включающий силовые цилиндры перемещения одного звена относительно другого, центрирующие и опорные элементы с силовыми цилиндрами. Питание цилиндров осуществляется от внешней насосной станции, так же как и управление от внешнего устройства. Способ перемещения устройства в трубопроводе заключается в том, что попеременно закрепляют одно из звеньев относительно трубопровода и перемещают относительно его другое звено, свободное от закрепления.
Недостатками способа и устройства являются:
- неравномерность скорости перемещения устройства в моменты переключения силовых цилиндров,
- отсутствие контроля скорости перемещения и средств корректирования ее,
- невозможность применения в магистральных трубопроводах по причине нереальности подачи по магистральным линиям импульсов управления и энергопитания устройству от внешнего источника на расстояния, присущие магистральным трубопроводам, измеряемые десятками километров.
Известно внутритрубное транспортное средство (RU, патент №2093281, C1, B08B 9/04, 20.04.1997), содержащее корпус, средство перемещения в виде нескольких движителей с электромеханическим приводом, и средство прижатия движителей к поверхности перемещения, причем средство перемещения выполнено в виде двух колес, контактирующих с противолежащими участками поверхности перемещения, а средство прижатия выполнено в виде соединяющей их U-образной пластинчатой пружины с разновеликими плечами, при этом энергопитание осуществляется от бортового источника.
Способ перемещения средства в трубопроводе заключается в том, что воздействуют вращаемыми приводом колесами на поверхность трубопровода, с усилием прижатыми к ней, в результате чего возникает реакция поверхности трубопровода, приложенная к средству и перемещающая его по трубопроводу.
Недостатками способа и средства являются:
- отсутствие контроля величины и равномерности скорости перемещения и устройств на нем для их корректирования,
- невозможность применения в магистральных трубопроводах по причинам: первая - из-за больших расстояний обследуемых участков трубопровода, измеряемых десятками километров, нереально обеспечить энергопитание транспортного средства от аккумуляторов в силу их ограниченности и конечности запасов энергии, и вторая - энергопитание от автономных источников типа двигателей внутреннего сгорания неосуществимо, потому что рабочая среда в трубопроводе может быть жидкой или бескислородной газовой.
Известны поршни-разделители типа ОПР-М-Э, ПР («Очистка и испытания магистральных трубопроводов»; Е.М.Климовский, Ю.В.Колотилов; Москва «Недра», 1987), содержащие корпус и закрепленные на нем герметизирующие элементы из эластомеров. Способ перемещения поршней-разделителей по трубопроводу заключается в том, что создают на них перепад давления рабочей среды воздействием потока ее, который подают в начале обследуемого участка магистрального трубопровода от внешнего источника к поршню-разделителю, при открытом конце участка, при этом усилие, создаваемое перепадом давления, приложено к поршню-разделителю и перемещает его по трубопроводу.
Недостатком способа является большая неконтролируемая и никак некорректируемая неравномерность скорости перемещения устройства: на спуске трубопровода по рельефу местности возможны ускорения или рывок поршня-разделителя, на подъеме - замедления или остановка его, на горизонтальном участке все эти явления возможны перед и за местом искажения правильной геометрической формы сечения трубы, даже в пределах допустимой нормы. Это самым серьезным образом сказывается на точности, качестве и эффективности работы контролирующего и диагностирующего состояние трубопровода аппарата, буксируемого в нем поршнем-разделителем.
Недостатком устройства является большая сила трения герметизирующих устройств о поверхность трубопровода, что приводит к необходимости значительного повышения давления рабочей среды перед поршнем-разделителем.
Известен поршень-разделитель, используемый при заполнении полости магистрального трубопровода водой (SU, а.с. №1427148, F17D 5/02, 30.09.1988), содержащий однонаправленный скребок, включающий корпус с герметизирующими манжетами, и устройство для согласования скорости перемещения поршня-разделителя со скоростью поступления потока рабочей среды.
Способ перемещения поршня-разделителя в трубопроводе заключается в том, что от внешнего источника в начале обследуемого участка подают поток жидкой рабочей среды к поршню-разделителю, при открытом конце участка, воздействием потока создают перепад давления рабочей среды на скребке и усилием, создаваемым перепадом, перемещают его, а также создают тормозящее усилие на устройстве согласования относительно трубопровода, которое настраивают на заданную величину в зависимости от рельефа местности, по которой продолжен трубопровод, с тем, чтобы уравнять скорость перемещения поршня-разделителя со скоростью поступления потока рабочей среды.
Недостатками устройства и способа перемещения поршня-разделителя являются:
- отсутствие контроля скорости перемещения поршня-разделителя и средств на нем для корректирования скорости,
- невозможность применения поршня-разделителя в газовой рабочей среде,
- возможность заклинивания и последующего за этим разрушения поршня-разделителя на сварных стыках трубопровода с большим смещением кромок,
- неравномерность скорости перемещения, обусловленная нестабильностью величины силы трения тормозных башмаков устройства для регулирования скорости о поверхность трубопровода.
Известно внутритрубное транспортное устройство и способ перемещения его в магистральном трубопроводе с заданной равномерной скоростью (RU, патент №2334563, B08B 9/049, 2008.09.27), содержащее корпус, манжету из эластомера, подпружиненные колеса, движитель, пружинный механизм прижатия колес к поверхности перемещения, электромеханический привод, электроаккумулятор, датчик скорости перемещения, блок контроля и управления, утилизатор тепла, датчик давления внутритрубной среды, узел перепуска между полостями трубопровода, разделенными манжетой.
Способ перемещения внутритрубного транспортного устройства в магистральном трубопроводе с заданной равномерной скоростью включает подачу от внешнего источника в начале обследуемого участка трубопровода с открытым концом потока газовой рабочей среды с контролируемыми расходом и давлением к внутритрубному транспортному устройству, создание перепада давления рабочей среды на нем и перемещение его усилием, создаваемым перепадом давления, с применением усилия воздействия колес внутритрубного устройства на поверхность перемещения, контроль и коррекцию величины скорости перемещения устройства путем регулирования перепада давления на нем и непосредственно усилия, создаваемого перепадом давления, и регулирования усилия воздействия колес на поверхность перемещения путем преобразования и накопления части энергии потока в электрический и механический виды, накопления и использования их для создания усилия, а также включение в работу или отключение устройства по наличию или отсутствию подачи потока рабочей среды в трубопровод и утилизацию энергии торможения устройства.
Известные устройство и способ имеют ряд недостатков:
- сложность конструкции, обусловленная наличием большого числа передаточных, исполнительных и преобразующих энергию из одного вида в другой механизмов, колес, дефлекторов, заслонки, аккумулятора, утилизатора;
- большие потери энергии и рабочей среды, вызванные способом регулирования величины усилия, перемещающего устройство, путем перепуска рабочей среды в больших количествах при регулировании перепада давления среды и непосредственно усилия, создаваемого перепадом, а также непостоянство расхода и давления потока рабочей среды, подаваемой внешним источником, вызываемое этим способом регулирования, и, как следствие этого, нестабильная работа внешнего источника;
- использование в способе приема, включающего накопление и расходование электрической энергии для поддержания равномерности и постоянства скорости перемещения устройства в количестве, сопоставимом с величиной энергии потока, что изначально предполагает большой вес и размеры передаточных и преобразующих механизмов, аккумулятора и, как следствие этого, значительно увеличивает вес устройства и его габариты,
- использование в способе двух и более управляющих факторов, наряду с непостоянством расхода и давления потока рабочей среды, воздействующих на устройство с целью поддержания равномерности и постоянства скорости его перемещения, радикально усложняет систему управления устройством и увеличивает вынужденно допустимую неравномерность скорости,
- применение преобразования одного вида энергии в другой при торможении: механической в электрическую, а ее в тепло, влечет за собой дополнительное усложнение конструкции устройства и аппаратуры управления.
Технической задачей изобретения является внутритрубный транспортный снаряд, имеющий несложное устройство, небольшой вес и простую систему управления, и способ перемещения его в магистральном трубопроводе, создающие благоприятные условия для стабильной работы внешнего источника рабочей среды, а также для надежной работы контрольно-диагностического аппарата и обеспечивающие осуществление им контроля и диагностирования состояния магистрального трубопровода с высоким качеством, точностью и эффективностью в газовой рабочей среде путем обеспечения заданной равномерной скорости перемещения аппарата в трубопроводе, буксируемого внутритрубным транспортным снарядом с незначительными потерями энергии потока и рабочей среды, и путем дублирования функции исполнительных устройств и взаимосвязанных управляющих систем.
Техническая задача по способу перемещения внутритрубного транспортного снаряда в магистральном трубопроводе с заданной равномерной скоростью, включающему подачу от внешнего источника в начале обследуемого участка трубопровода с открытым концом потока газовой рабочей среды с контролируемыми расходом и давлением к внутритрубному транспортному снаряду, создание перепада давления рабочей среды на нем и перемещение его с заданной равномерной скоростью усилием, создаваемым перепадом давления, с применением усилия, создаваемого воздействием колес внутритрубного транспортного снаряда на поверхность перемещения, контроль и коррекцию величины скорости перемещения путем регулирования перепада давления на нем и усилия, создаваемого перепадом, и регулирования усилия воздействия колес на поверхность перемещения путем преобразования части энергии потока в электрический и механический виды, накопление и использование их для создания этого усилия, а также включение в работу и отключение снаряда по наличию и отсутствию подачи потока рабочей среды в трубопровод, утилизацию энергии торможения снаряда, решается согласно изобретению тем, что объемный расход рабочей среды, подаваемой внешним источником, устанавливают максимальной величины, рассчитанной исходя из условия равенства скорости фронта потока заданной скорости перемещения снаряда на момент прохождения снарядом конца обследуемого участка трубопровода, с учетом теплообмена потока рабочей среды с его стенками, а также с учетом расхода рабочей среды на утилизацию части энергии перемещения, давление же рабочей среды устанавливают также максимальной величины, рассчитанной исходя из условия равенства усилия, создаваемого перепадом давления в конце обследуемого участка, силе сопротивления снаряда перемещению, величину которой определяют по величине силы трения его о поверхность трубопровода и по величине угла подъема последнего, максимальном из всех на обследуемом участке трубопровода, по полной длине которого вычисляют и учитывают потери давления при расчете величины давления, причем давление и объемный расход рабочей среды сохраняют постоянными по величине все время прохождения снарядом обследуемого участка трубопровода, при этом поддерживают равенство усилия перемещения силе сопротивления перемещению снаряда подтормаживанием его путем того, что регистрируют величины отклонений от заданных величин скорости и ускорения и по результатам регистрации изменяют величину силы сопротивления снаряда перемещению путем регулирования величины усилия воздействия колес снаряда на поверхность перемещения, торможением последних узлами трения, тепло трения которых утилизируют продувкой рабочей среды через утилизатор тепла, а регулирование перепада давления рабочей среды на снаряде и усилие, создаваемое перепадом давления на нем, осуществляют приведением в соответствие согласно расчету давления подаваемой внешним источником рабочей среды с рельефом местности, по которому проложен обследуемый участок трубопровода.
Техническая задача по устройству осуществления способа перемещения внутритрубного транспортного снаряда в магистральном трубопроводе с заданной равномерной скоростью, содержащему внутритрубный транспортный снаряд, состоящий из корпуса, манжеты из эластомера, подпружиненных колес, движителя, пружинного механизма прижатия колес к поверхности перемещения, электромеханического привода, электроаккумулятора, датчика скорости перемещения, блока контроля и управления, утилизатора тепла, датчика давления, узла перепуска между полостями трубопровода, разделенными манжетой, решается согласно изобретению тем, что устройство включает внешний источник рабочей среды, гидросистему, пневмосистему, электросистему, сообщенные каждая соответственно с гидронасосом с мультипликатором, с электрогенератором с мультипликатором, являющимися электромеханическим приводом, с компрессором с мультипликатором; гидроцилиндр с пружиной и регулируемой тягой, причем блок контроля и управления содержит микропроцессор, движителем является манжета, колеса в количестве не менее трех облицованы эластомером и закреплены каждый на валу со шлицевыми концами, посаженном в подшипники на коромысле, при этом оба шлицевых конца вала сопряжены каждый с узлом трения, состоящим из монолитного с коромыслом корпуса с внутренними шлицами и вентиляционными щелями, гидроцилиндра в торце корпуса, пружинных узлов, фрикционных дисков, тормозных дисков в количестве двух и более штук, образованных каждый из двух скрепленных между собой пластин со щелью между ними, расположенных в створе со щелями в корпусе, образующих в совокупности с тормозными дисками утилизатор тепла, сообщенный узлом перепуска с полостью трубопровода перед манжетой.
Сущность изобретения поясняется чертежами: фиг.1 - общая схема устройства; фиг.2 - общий вид снаряда, продольный разрез А-А; фиг.3 - разрез Б-Б по оси колеса; фиг.4 - выноска В с фиг.3; фиг.5 - поперечный разрез Г-Г снаряда; фиг.6 - поперечный разрез Д-Д узла трения.
Устройство для осуществления способа перемещения внутритрубного транспортного снаряда в магистральном трубопроводе с заданной равномерной скоростью, в дальнейшем тексте «Устройство», содержит внешний источник 1 рабочей среды, снаряд 2 в магистральном трубопроводе 3, состоящий из корпуса 4, с закрепленной на нем манжетой 5 из эластомера, являющейся движителем снаряда 2, колес 6, облицованных эластомером, подпружиненных к поверхности перемещения, внутренней поверхности трубопровода 3, пружинным механизмом 7, ограниченным в крайнем положении в возможности раздвигаться и подпружинивать, соединенным через шарниры 8 с коромыслами 9, установленными на корпусе 4 в шарнирах 10. Пружинный механизм 7 через его шарнирный узел 11 связан регулируемой тягой 12 с гидроцилиндром 13 одностороннего действия, с пружиной 14, установленными в корпусе 4. Регулируемая тяга 12 с талрепом 15 крепится сферическими шарнирами 16 с гидроцилиндром 13 и с шарнирным узлом 11, оснащенным рым-болтом 17. Колеса 6 в количестве не менее трех закреплены каждое на валу 18 со шлицевыми концами 19, посаженном в подшипники 20 на коромысле 9. На каждый шлицевой конец 19 посажен узел трения 21, состоящий из монолитного с коромыслом 9 корпуса 22 с внутренними шлицами 23 и вентиляционными щелями 24, гидроцилиндра 25, пружинных узлов 26, содержащих каждый по две шайбы, выполненных из антифрикционного материала, распертых пружинами 27 и собранных воедино дистанционными ограничителями 28, фиксирующими максимальную толщину пружинных узлов 26, и из двух или более фрикционных дисков 29, сопряженных со шлицами 23, и тормозных дисков 30, сопряженных со шлицевыми концами 19. На корпусе 4 и на зафиксированном шлицами 23 от проворота гидроцилиндре 25 закреплены фрикционные накладки 31, так же как и на фрикционных дисках 29. Тормозные диски 30 образованы каждый из двух скрепленных между собой пластин 32 со щелью 33 между ними, расположенных в створе со щелями 24 в корпусе 22. Щели 33, тормозные диски 30, вентиляционные щели 24 в совокупности образуют утилизатор 34 тепла, сообщенный узлом перепуска 35 с полостью трубопровода 3 перед снарядом 2. На корпусах 22 закреплены с возможностью передачи крутящего момента от колес 6 гидронасос 36 с мультипликатором, компрессор 37 с мультипликатором, электрогенератор 38 с мультипликатором, являющимися электромеханическим приводом. В отсеке 39 на корпусе 4 установлены: гидросистема 40, оснащенная электромагнитными гидроклапанами и гидроаппаратами, пневмогидроаккумулятором, баком с теплообменником и системой трубопроводов, датчиками, связанная с гидронасосом 36; пневмосистема 41, оснащенная электромагнитными пневмоклапанами и пневмоаппаратами, ресивером, датчиками, системой трубопроводов, связанная с компрессором 37; электросистема 42, оснащенная электроаппаратами, системой коммутации, электроаккумулятором, реле, датчиками, системой проводов, связанная с электрогенератором 38, выполняющим также функцию датчика 43 скорости перемещения; датчик давления 44; блок контроля и управления с микропроцессором 45, запитанный от электросистемы 42, от которой также запитаны исполнительная аппаратура гидросистемы 40 и пневмосистемы 41, имеющие между собой функциональную связь и дублирующие друг друга.
Способ перемещения внутритрубного транспортного снаряда в магистральном трубопроводе осуществляют устройством следующим образом: внешним источником 1 подают поток рабочей среды в полость трубопровода 3 к снаряду 2 с давлением и расходом, обеспечивающими равенство скорости фронта потока заданной скорости перемещения снаряда 2 и равенство усилия, создаваемого перепадом давления на нем, силе его сопротивления перемещению, складывающейся из сил трения манжеты 5, трения качения колес 6 о поверхность трубопровода 3, усилий на привод всех механизмов снаряда 2 и покрытия их механических потерь, а также усилия на движение снаряда 2 по подъему участка трубопровода 3. Невозможно добиться постоянным регулированием внешнего источника 1 адекватности текущих параметров подаваемой им рабочей среды, текущим условиям постоянно меняющегося места участка трубопровода 3, где в этот момент перемещается снаряд 2. Поэтому величину объемного расхода потока подаваемой рабочей среды устанавливают максимально рассчитанной на момент прохождения снарядом 2 конца участка с учетом теплообмена потока со стенками трубопровода 3 и расходом рабочей среды на утилизацию энергии торможения, а величину давления устанавливают также максимальной, рассчитанной на этот же момент, приняв угол подъема максимальным из всех на обследуемом участке и приняв величину потерь давления по всей его длине.
Расход и давление потока подаваемой рабочей среды сохраняют постоянной величины на все время прохождения снарядом 2 обследуемого участка трубопровода 3, что обеспечивает благоприятные условия для стабильной работы внешнего источника 1 и минимальные затраты энергии и рабочей среды на осуществление способа. Гидросистему 40 настраивают на работу от ее пневмогидроаккумулятора, запасы энергии которого периодически возобновляют включением в работу гидронасоса 36, постоянно находящегося в режиме ожидания: работа без напора «на себя». Пневмосистему 41 настраивают на работу от ее ресивера, запасы воздуха в котором периодически возобновляют включением в работу компрессора 37, постоянно находящегося в режиме ожидания: работа без напора «на себя».
Электросистему 42 настраивают на работу от ее электроаккумулятора, который периодически подзаряжают включением в работу электрогенератора 38, постоянно находящегося в режиме ожидания: отключен от нагрузки. Полной зарядки электроаккумулятора электросистемы 42 должно хватить при выходе из строя электрогенератора 38 для работы электросистемы 42 на все время прохождения снарядом 2 всего обследуемого участка трубопровода 3, так же как и мощности электрогенератора 38 при выходе из строя электроаккумулятора. При выходе из строя гидронасоса 36 пневмосистему 41 подключают к гидросистеме 40 с тем, чтобы полностью использовать запас гидросмеси в пневмогидроаккумуляторе гидросистемы 40 для работы гидросистемы 40 на все время прохождения снарядом 2 всего обследуемого участка трубопровода 3, так же должно хватить мощности гидронасоса 36 при выходе из строя пневмогидроаккумулятора для работы гидросистемы 40. Запаса воздуха в ресивере пневмосистемы 41 должно хватить для обеспечения аварийной работы гидросистемы 40 при выходе из строя компрессора 37, так же должно хватить мощности компрессора 37 при выходе из строя ресивера для обеспечения аварийной работы гидросистемы 40. Подобное дублирование функций аппаратуры и взаимосвязь систем позволяют значительно повысить надежность работы снаряда, гарантировать с высокой степенью вероятности прохождение снарядом 2 с заданной равномерной скоростью перемещения всего обследуемого участка трубопровода 3.
Снаряд 2 «запасовывают» в трубопровод 3, в который внешним источником 1 подают к снаряду 2 поток рабочей среды. Снаряд 2 подготовлен к работе. Колеса 6 в исходном положении, пружинным механизмом 7 под воздействием пружины 14 сведены к центру и не касаются стенок трубопровода 3. Датчик давления 44 дает сигнал о наличии потока рабочей среды в полости трубопровода 3 в блок контроля и управления 45, по команде которого гидросистема 40 приводит в действие гидроцилиндр 13, последним переводят колеса 6 в рабочее положение и подпружинивают этим колеса 6 к поверхности перемещения с усилием, величину которого регулируют талрепом 15. Воздействием усилия, создаваемого перепадом давления рабочей среды, снаряд 2 начинают перемещать. Во время перемещения снаряда 2 по обследуемому участку поддерживают равенство усилия перемещения силе сопротивления перемещения снаряда 2 подтормаживанием его следующим образом: сигнал от датчика скорости перемещения 43 поступает в блок контроля и управления 45, микропроцессор которого регистрирует и сравнивает его с заданной величиной скорости и заданной величиной ускорения. Блок контроля и управления 45 по результатам регистрации отклонений и сравнения выдает команду гидросистеме 40 на работу гидроцилиндра 25 узла трения 21, на сжатие между собой фрикционных 29 и тормозных 30 дисков, пружинных узлов 26 между ними и регулирование силы сжатия. Торможением колес 6 создают путем воздействия на поверхность трубопровода 3 усилие, которым приводят в соответствие скорость и ускорение перемещения снаряда 2 заданным величинам и тем самым поддерживают неравномерность скорости в допустимых пределах. После приведения в норму скорости и допустимой неравномерности перемещения снаряда 2 блок контроля и управления 45 дает команду гидросистеме 40 на перевод гидроцилиндра 25 в исходное положение, что выполняют посредством пружинных узлов 26, которые раздвигают между собой фрикционные 29 и тормозные 30 диски. Блоком контроля и управления 45 постоянно отслеживают соответствие скорости перемещения и допустимой неравномерности ее заданным их величинам и при необходимости посредством узла трения 21 поддерживают подтормаживанием колес 6 это соответствие необходимое количество времени. Механическую энергию торможения в узле трения 21 преобразуют в тепло, которое утилизируют постоянной продувкой рабочей среды через щели 33 тормозных дисков 30 посредством узла перепуска 35. По окончании перемещения снаряда 2 по обследуемому участку трубопровода 3 прекращают подачу потока рабочей среды внешним источником 1, по сигналу датчика давления 44 блоку контроля и управления 45, по его команде гидросистеме 40 приводят гидроцилиндр 14 в исходное положение, что выполняют посредством пружины 14, и сводят колеса 6 к центру.
Возможна установка на снаряде 2 акустического приспособления для дистанционного отключения всех систем 40, 41, 42, в случае выхода их из строя, для обеспечения беспрепятственной эвакуации снаряда 2 из трубопровода 3.
Использование изобретения на практике позволит с заданной равномерной скоростью перемещения транспортировать контрольно-диагностический аппарат по магистральному трубопроводу, что является залогом его качественной и эффективной работы, экономно расходовать энергию потока рабочей среды и уменьшить ее нерациональные потери.