ПРОБКОВЫЙ КРАН С БЛОКОМ ТЕЛЕМЕТРИИ
PLUG VALVE WITH TELEMETRY UNIT

Изобретение относится к задвижкам, снабженным телеметрическими узлами, с подключенными к их измерительным входам оптическими датчиками для измерения толщины стенок патрубков, датчиками температуры и давления текучих сред, а также кислотности или щелочности растворов. Устройство может быть полезно для исследования стойкости запорной арматуры, использующейся  для перекрытия движения рабочей среды в трубопроводах и нефтепроводах.
Из уровня техники известен пробковый кран (RU192276U1, МПК B60T 17/04, F16K 5/04, опубл. 11.09.2019), снабженный изолированной зоной управления потоком рабочей среды. Кран содержит полый корпус, подвижный запирающий элемент, выполненный в виде цилиндрической пробки, и уплотнительный элемент с герметизирующими элементами, установленный по обе стороны от цилиндрической пробки. При этом подвижный запирающий элемент установлен в корпусе крана на подшипниках, установленных коаксиально относительно вертикальной оси пробки, а уплотнительный элемент выполнен с возможностью упругой деформации и изменения степени кривизны под давлением рабочей среды.
Недостатком известного пробкового крана является отсутствие в его конструкции узлов, позволяющих выполнять открытие и закрытие крана автоматически, кроме того конструкция корпуса крана не предусматривает технологических отверстий для установки в них датчиков, обеспечивающих возможность контроля рабочей среды, а также определения состояния и степени износа внутренних поверхностей патрубков корпуса крана.
Наиболее близким техническим решением к заявленному изобретению и выбранным в качестве прототипа признано устройство для осуществления способа экстренной диагностики трубопроводов высокого давления (RU2442072C1, МПК F17D 5/02, G01N 29/14, опубл. 10.02.2012). Способ с помощью известного устройства (RU2221230C2, МПК G01M 3/24, F17D 5/02, опубл. 10.01.2004) позволяет осуществлять выявление коррозионных дефектов в магистральных трубопроводах для транспортировки углеводородов, к одним из которых относится локальное утончение стенки трубы до толщины менее 50% от номинала. Устройство диагностики содержит, по крайней мере, два акустических датчика, выходы которых через фильтры и аналого-цифровые преобразователи соединены с входами многоканального блока приема и обработки информации, выход которого соединен с входом микропроцессорной системы контроля состояния трубопровода, снабженной узлом анализа данных и определения аварийных точек на трубопроводе, а также модулем индикации, позволяющим установить место аварии и интенсивность течи на аварийном участке.
Недостатком известного устройства диагностики является сложность его адаптации для использования в качестве узла телеметрии пробкового крана. Кроме того, применение в составе устройства акустических датчиков не обеспечивает требуемую достоверность измерения толщины стенок патрубков крана.
Технической задачей, на решение которой направлено заявленное изобретение, является обеспечение возможности проведения с помощью задвижки, снабженной блоком телеметрии, экспериментов по определению среднего ресурса пробковых кранов, применяемых в составе манифольдов, при проведении операций, связанных с интенсификацией добычи нефти.
Указанная задача решена тем, что пробковый кран содержит корпус, выполненный заодно с входным патрубком и выходным патрубком, при этом внутри корпуса установлен запорный элемент, выполненный в виде цилиндрической пробки с центральным отверстием. Для контроля текущего состояния толщины стенок входного и выходного патрубков в них установлены первый и второй дальномеры, а для возможности мониторинга текучей среды в трубопроводе внутри входного и выходного патрубков установлены первый и второй датчики давления, дополнительно в выходной патрубок установлен датчик температуры и датчик кислотности и щелочности растворов, при этом выходы упомянутых датчиков подключены к цифровым и аналоговым измерительным входам блока телеметрии, снабженного модулем беспроводной связи.
Положительным техническим результатом, обеспечиваемым раскрытой выше совокупностью признаков устройства, является возможность исследования с его помощью стойкости запорной арматуры, использующейся  для перекрытия движения рабочей среды в трубопроводах и нефтепроводах при проведении операций, связанных с интенсификацией добычи нефти, в частности, гидравлического разрыва пласта, осуществляющихся с применением проппанта под рабочим давлением до 105 МПа. Дополнительным положительным результатом от применения устройства является возможность контролировать с  его помощью температуру и кислотность рабочей среды в трубопроводах с возможностью передачи телеметрических данных удаленной автоматизированной системе управления технологическим процессом в режиме реального времени.
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 приведен разнесенный вид пробкового крана в изометрической проекции; на фиг. 2 приведена структурная схема телеметрического блока.
Пробковый кран с блоком телеметрии устроен следующим образом.
Основой пробкового крана является корпус 1, выполненный заодно с входным 2 патрубком с резьбой, снабженным торцовым уплотнением 3 и выходным 4 патрубком, с зафиксированной на его внешней поверхности стопорным сегментом 5 и стопорным кольцом 6 гайкой 7. Внутри корпуса на вкладышах 8, 9, снабженных уплотнениями, 10 установлен запорный элемент 11, выполненный в виде цилиндрической пробки с центральным отверстием, выполненным перпендикулярно продольной оси пробки, при этом на нижней и верхней галтелях пробки установлены герметизирующие металлические 12, 13 и пластиковые 14, 15 уплотнения. Снизу корпус 1 закрыт крышкой 16, закрепленной на нижней торцовой поверхности корпуса 1 болтами 17. Для обеспечения возможности смазки внутренней полости крана в крышке установлена съемная пресс-масленка 18. В верхней части корпуса 1 на шипе  цилиндрической пробки через переходник 19 посредством шпоночного соединения 20 закреплен ведущий вал 21, установленный в адаптере 22, зафиксированном на верхнем торце корпуса 1  болтовым соединением 23, 24. При этом вал 21 соединен с выходным валом редуктора 25, закрепленного болтовым соединением 26, 27 на внешней поверхности адаптера, а входной вал редуктора 35 может быть соединен с ручным маховиком 28 или с выходным валом электродвигателя.
Рассмотренная выше конструкция пробкового крана и его основных узлов обеспечивает надежное перекрытие поступающей в корпус 1 со стороны входного 2 патрубка водного кислотного раствора, при давлении рабочей среды до 105 МПа.
Для контроля текущего состояния толщины стенок входного 2 и выходного 4 патрубков в них установлены первый и второй дальномеры 29, 30, а для возможности мониторинга текучей среды в трубопроводе внутри входного 2 и выходного 4 патрубков установлены первый и второй датчики давления 31, 32, дополнительно в выходной патрубок 4 установлен датчик температуры 33 и датчик кислотности и щелочности растворов 34. Упомянутые датчики введены в патрубки через технологические каналы диаметром 16 мм и резьбой М20х2.5.
2
Выходы датчиков подключены к цифровым и аналоговым  измерительным входам блока телеметрии, закрепленного в герметичном кожухе (на фигурах условно не показан) на внешней поверхности корпуса 1 пробкового крана и выполнен на основе микроконтроллера 35, в качестве которого может быть  использована микросхема STM8L152 (STM8 8-bit MCUs // St.com URL: http://www.st.com/en/microcontrollers/stm8-8-bit-mcus.html?querycriteria= productId=SC1244 (дата обращения: 09.02.2022)), содержащего микропроцессорное ядро 36, соединенное с помощью системной шины с FLASH-памятью программ 37, SRAM-памятью данных 38, последовательной асимметричной шине для подключения низкоскоростных периферийных компонентов, представляющей собой IC-интерфейс 39, реализующий цифровые измерительные входы блока телеметрии, многоканальным аналого-цифровым преобразователем (ADC) 40, линии (ADC0÷ADC3) которого, снабженные операционными усилителями, являются аналоговыми измерительными входами блока телеметрии, энергонезависимой электрически перепрограммируемой памятью EEPROM 41, универсальным синхронно-асинхронным приемопередатчиком USART 42 и интерфейсом ввода-вывода общего назначения, сгруппированного в четыре GPIO-порта ввода-вывода 43, 44, 45, 46.
2
При этом к IC-интерфейсу 39 (последовательной асимметричной шине) подключены первый и второй дальномеры 29, 30, выполненные в виде лазерных датчиков расстояния VL53L0X (Датчик расстояния лазерный VL53L0X // MCU Store. URL: https://mcustore.ru/store/datchiki-i-sensory/datchik-rasstoyaniya-lazernyj-vl53l0x-gy-530/?gclid=Cj0KCQiA89zvBRDoARIsAOIePbAKYLBUlgB sySS-4FmwgHK5KG8k2w9CO0-86m76K25SK7HJMBKzRFgaAoVHEALw_wcB (дата обращения: 09.02.2022)), к линиям ADC0÷ADC3 аналого-цифрового преобразователя 40 подключены датчики давления 31, 32, датчик температуры 33 и датчик кислотности и щелочности растворов 34. В качестве датчиков давления 31, 32 может быть использован преобразователь давления модели РТМ-М (РТМ-М преобразователь давления // Orleks.ru. URL: https://www.orleks.ru/datchiki-davleniya-s-unificirovannym-vyhodnym-signalom/rtm-m-preobrazovatel-davleniya/ (дата обращения: 10.12.2020)), в качестве датчика температуры 33 может быть применен преобразователь термоэлектрический разборный, унифицированный модели ТПК (Преобразователи термоэлектрические разборные, унифицированные ТПК, ТПL с термометрической вставкой типа ВТ // Энергоавтоматика. URL: https://kipia.ru/catalog/izmeritelnye-pribory/izmerenie-temperatury/termopreobrazovateli/5-preobrazovateli-termoelektricheskie/ (дата обращения: 10.12.2020)) с термометрической вставкой, а в качестве датчика кислотности и щелочности растворов может быть применен погружной щуп с буферным раствором pH=7,0 (Датчик кислотности жидкости (Troyka-модуль) // Амперка. URL: https://amperka.ru/product/troyka-ph-sensor (дата обращения: 14.02.2022)). К универсальному синхронно-асинхронному приемопередатчику USART 42 подключен модуль беспроводной связи 47, выполненный в виде радиомодуля в качестве которого может использоваться микросхема HC-12 с UART-интерфейсом (HC-12: радиомодуль c UART-интерфейсом на 433 МГц // Записки программиста. URL: https://eax.me/hc-12 (дата обращения: 09.02.2022)), к первому GPIO-порту ввода-вывода 43 подключен силовой выход 48, выполненный с возможностью подключения к электродвигателю (на фигурах условно не показан),  представляющий собой шестиканальную сборку на основе ключей Дарлингтона, в качестве которой может использоваться микросхема ULN2003 (Микросхема ULN2003. Описание, схема подключения // Joyta.ru. Все для радиолюбителя. URL: https://www.joyta.ru/4575-mikrosxema-uln2003-opisanie-i-sxemy-primeneniya/ (дата обращения: 09.02.2022)), ко второму GPIO-порту ввода-вывода 44 подключен символьный LCD-дисплей 49 на основе контроллера HD44780 (HD44780 // All-Audio.pro. Статьи, схемы, справочники. URL: https://all-audio.pro/c14/instruktsii/ hd44780.php#simvol-nyy-lcd-displey-16x2-hd44780 (дата обращения: 09.02.2022)), а к третьему GPIO-порту ввода-вывода 45 подключена клавиатура 50, содержащая шестнадцать клавиш, а четвертый GPIO-порт ввода-вывода 46 оставлен в качестве резерва.
Пробковый кран с блоком телеметрии работает следующим образом.
Первоначально кран собирают, затем в технологические каналы патрубков 2 и 4 крана устанавливают датчики 29, 30, 31, 32, 33 и 34, герметизируют их,  выходы датчиков 29, 30 подключают к цифровым входам блока телеметрии, выходы датчиков 31, 32, 33 и 34 подключают к аналоговым входам упомянутого блока. В случае применения в качестве привода редуктора 25 электродвигателя силовой выход 48 телеметрического блока коммутируют с линией питания электродвигателя. После выполнения указанных действий кран закрепляют на трубопроводной арматуре, используя резьбу входного патрубка 2 и гайку 7 выходного патрубка 4.
В случае применения в составе крана ручного маховика 28 операции открытия и закрытия крана выполняют вручную, в случае применения в составе крана электродвигателя открытие и закрытие крана осуществляют с помощью блока телеметрии, при этом микроконтроллер 35 на основе управляющей программы, хранящейся во FLASH-памяти программ 37, управляет силовым выходом 48 и, соответственно, скоростью и направлением вращения вала электродвигателя, посредством формирования ШИМ-сигнала на выходе первого GPIO-порта 43.
После открытия крана, когда центральное отверстие запорного элемента 11 соосно трубопроводу, перед началом технологической операции связанной с гидравлическим разрывом пласта (ГРП), микроконтроллер 35 в соответствии с управляющей программой осуществляет опрос дальномеров 29 и 30, определяя внутренний диаметр патрубков 2 и 4, косвенно измеряя тем самым толщину их стенок. После начала технологического процесса ГРП и поступления рабочего кислотного раствора с проппантом в корпус крана, микроконтроллер итерационно осуществляет опрос датчиков 31, 32, 33, 34, измеряя тем самым давление во входном 2 и выходном 4 патрубках, а также температуру рабочей среды и ее кислотность. Измеренные значения параметров рабочей среды буферизируются в SRAM-памяти данных и передаются по каналу беспроводной связи удаленной автоматизированной системе управления технологическим процессом (АСУ ТП). При превышении минимальных или максимальных значений температуры, давления и/или кислотности раствора АСУ ТП может автоматически принять решение об остановке технологической операции, сигнализировать об этом оператору и/или передать управляющую команду на аварийное закрытие крана по каналу беспроводной связи. Во все время осуществления операции закрытия крана микроконтроллер 35 опрашивает датчики 31 и 32, измеряя давление во входном 2 и выходном 4 патрубках, сравнивает полученные значения и, в случае если после перевода запорного элемента 11 в положении «закрыто» в выходном патрубке 4 не фиксируется падение давления рабочей среды по отношению к давлению во входном 2 патрубке, микроконтроллер 35 передает по каналу беспроводной связи автоматизированной системе управления технологическим процессом сигнал об аварийном состоянии крана.
После успешного окончания технологического процесса ГРП микроконтроллер выполняет повторный  опрос дальномеров 29 и 30, определяя внутренний диаметр патрубков 2 и 4, фиксируя их износ. Полученные таким образом данные сохраняются в памяти EEPROM и могут использоваться в дальнейшем при построении статистических регрессионных моделей для прогнозирования динамики истончения стенок патрубков крана и времени его наработки на отказ. Во все время технологического процесса микроконтроллер индицирует моментальные измеренные значения давления, температуры и кислотности рабочего раствора с помощью LCD-дисплея 49.
Параметры управляющей программы (уставки) микроконтроллера 35, например частота опроса датчиков, могут быть изменены до начала и после окончания технологического процесса ГРП с помощью клавиатуры 50 с использованием для отображения информации LCD-дисплея 49.
Таким образом, рассмотренный в настоящей заявке пробковый кран с блоком телеметрии, является высокотехнологичным прибором, позволяющим удаленно отслеживать параметры рабочего кислотного раствора с проппантом при осуществлении гидравлического разрыва пласта, а также контролировать изменение внутреннего диаметра патрубков крана, что позволяет оперативно оценивать работоспособность крана без необходимости его демонтажа и проведения измерений толщины  стенок патрубков вручную.