ВНУТРИТРУБНЫЙ ДИАГНОСТИЧЕСКИЙ СНАРЯД ДЛЯ ГАЗОПРОВОДОВ
IN-LINE INTELLIGENT PIG FOR GAS PIPELINES

Изобретение относится к нефтедобывающей промышленности, в частности к приборам и аппаратам для внутритрубной диагностики газопроводов низкого давления, предназначенных для перекачки попутного нефтяного газа, и направлено на разработку конструкции инспекционного снаряда, обеспечивающего непрерывный съем диагностических данных при его перемещении внутри трубопровода.
В настоящее время диагностика газопроводов осуществляется внутритрубными снарядами, приводимыми в движение перекачиваемым газом. Необходимым условием качественной диагностики является постоянство скорости снарядов. Если трубопровод не содержит неоднородностей (стопоров), то движение такого снаряда происходит с постоянной скоростью. Однако, при наличии неоднородностей, движение становится неравномерным: чем ниже давление в трубопроводе, тем не равномернее движение снаряда. Из опыта известно, что для обеспечения движения снаряда с постоянной скоростью необходимо, чтобы давление в трубопроводе было не менее 30 атм. В трубопроводах для попутного нефтяного газа давление, обычно, не превышает 10 атм. Диагностика таких трубопроводов существующими моделями внутритрубных диагностических снарядов затруднительна, а порой и не возможна. Во-первых, это объясняется тем, что при неравномерном движении снаряда не все дефекты трубопровода могут быть обнаружены. Во-вторых, при ускорении снаряда возрастают силы его взаимодействия со стенками трубопровода, что может привести к разрушению, как снаряда, так и трубопровода.
Известен «Аппарат внутритрубного контроля и способ перемещения его в магистральном газопроводе с заданной равномерной скоростью»  (патент РФ №2451867, опубл. 27.05.2012), в котором предлагается корректировать скорость движения диагностического снаряда путем включения в его состав устройства мотор-генератор-колесо, которое может работать в трех режимах: как двигатель, тормоз или пассивное устройство.
Недостатком данного аппарата является постоянный механический контакт активных (соединенных с приводом) колес диагностического снаряда с корпусом трубопровода, сопровождающийся износом контактирующих поверхностей и необходимость комплектации снаряда мощной батареей, обеспечивающей его движение внутри трубопровода.
Известны «Внутритрубный инспекционный снаряд с управляемой скоростью движения» (патент РФ №2318158, опубл. 27.02.2008) и «Внутритрубный инспекционный снаряд-дефектоскоп с регулируемой скоростью движения» (патент РФ №2369783, опубл. 10.10.2009), в которых предлагается использовать четыре периферийных цилиндрических байпасных канала, закрытых клапанами, которые открываются электроприводом, путем их выдвижения в направлении оси каналов (вращательное движение штока клапанов преобразуется в их поступательное движение). Клапаны после их открытия остаются на оси канала.
Такое решение недостаточно, поскольку для регулировки скорости требуется мгновенное срабатывание клапанов при срыве снаряда со стопора, что не может обеспечить вращательное движение штока клапанов. Кроме того, за цилиндрическими каналами и клапанами устанавливается нестационарное течение, поэтому будут не стационарны силы, действующие на снаряд. Это затруднит стабилизацию его скорости.
Наиболее близким к заявляемому изобретению по совокупности существенных признаков и достигаемому эффекту  является «Дефектоскоп-снаряд для внутреннего обследования трубопроводов» (патент РФ №2102738, опубл. 1998). Дефектоскоп-снаряд снабжен байпасным патрубком для перепуска транспортируемого по обследуемому трубопроводу продукта и системой автоматического регулирования скорости перемещения, содержащей датчик скорости перемещения, блок управления скоростью перемещения и регулирующий орган в виде взаимодействующего со стенкой трубопровода тормозного устройства - многосекционного кольцевого электромагнита. Данное устройство принято за прототип.
Общими признаками, присущими прототипу и заявляемому техническому решению, являются: корпус с системой манжет и центрирующих колес, размещенные в корпусе измерительные приборы и  система управления скоростью движения, содержащая систему торможения.
2
N
L
N⋅L =
Основным недостатком известного устройства, принятого за прототип, является высокий расход энергии батарей при торможении. Действительно, при типичных условиях: масса снаряда 600 кг, ускорение при торможении 10 м/с, время торможения 1 с, получим, что сила торможения 6000 Н, а усилие прижатия электромагнитного тормоза к стенке трубопровода  = 20000 Н (коэффициент трения 0,3). Перемещение магнита порядка  = 5 см. Энергия, расходуемая батареей, составит порядка 1000 Дж. Мощность – порядка 1 кВт на одно торможение одним тормозом. Минимальное число тормозов равно двум. Видно, что электромагнитное торможение требует применения аккумулятора большой емкости. Это дополнительно увеличивают массу и себестоимость снаряда, и дополнительно затрудняет регулировку скорости.
Задачей настоящего изобретения является разработка внутритрубного диагностического снаряда для газопроводов низкого давления (до 10 атм.), приводимого в движение прокачиваемым по трубопроводу газом, имеющего систему управления для поддержания постоянной скорости движения при прохождении участков трубопровода, содержащих стопоры.
Поставленная задача была решена за счет того, что известный внутритрубный диагностический снаряд для газопроводов, содержащий корпус с манжетами и центрирующими колесами, измерительные приборы и  систему управления скоростью движения, включающую систему торможения,   согласно изобретению выполнен в виде трех отдельных секций -аккумуляторной,  измерительных приборов и  управления скоростью движения,  соединенных между собой шарнирами, при этом в секции управления скоростью движения  расположен байпасный канал, профиль которого  в продольном сечении имеет обтекаемую форму, в узкой части байпасного канала  установлена заслонка,  выполненная в виде поворотного затвора для регулирования площади сечения байпасного канала, а система торможения  состоит, по крайней мере, из двух пар клиньев, расположенных по периферии в диаметрально противоположных точках снаряда, каждая пара состоит из внутреннего  и внешнего клина, при этом внутренний клин жестко закреплен на снаряде в осевом направлении и установлен с возможностью перемещения в поперечном направлении, внешний клин, имеет шарнирное закрепление и установлен с возможностью перемещения, как в продольном направлении, так и перпендикулярно оси снаряда.
Признаки заявляемого технического решения, отличительные от  прототипа: снаряд выполнен в виде трех отдельных секций - аккумуляторной,  измерительных приборов и  управления скоростью движения,  соединенных между собой шарнирами; в секции управления скоростью движения  расположен байпасный канал; профиль байпасного канала  в продольном сечении имеет обтекаемую форму; в узкой части байпасного канала  установлена заслонка,  выполненная в виде поворотного затвора для регулирования площади сечения байпасного канала;  система торможения  состоит, по крайней мере, из двух пар клиньев, расположенных по периферии в диаметрально противоположных точках снаряда, каждая пара состоит из внутреннего  и внешнего клина, при этом внутренний клин жестко закреплен на снаряде в осевом направлении и установлен с возможностью перемещения в поперечном направлении, внешний клин, имеет шарнирное закрепление и установлен с возможностью перемещения, как в продольном направлении, так и перпендикулярно оси снаряда.
Разделение диагностического снаряда на секции обеспечивает его геометрическую проходимость. Регулирование скорости снаряда осуществляется путем открытия и закрытия центрального байпасного канала, перекрытого заслонкой, которая выполнена в виде поворотного затвора. Профиль байпасного отверстия выполнен в виде обтекаемого тела. Дополнительное регулирование скорости снаряда, при его ускорении при срыве со стопора, осуществляется системой механических тормозов.
Сущность изобретения поясняется чертежами, представленными на фиг.1-3.
На фиг. 1 изображен общий вид диагностического снаряда, на фиг. 2 – секция управления движением, на фиг. 3 – система торможения.
Диагностический снаряд  (фиг. 1) выполнен в виде трех отдельных секций – аккумуляторной 1,  измерительных приборов 2 и  управления движением 3,  соединенных между собой шарнирами 4. Такой вид закрепления позволяет секциям 1 -3 поворачиваться друг относительно друга. Аккумуляторная секция 1 и секция измерительных приборов 2 центрируются в трубе пассивными колесами 5. Секция управления 3 центрируется и уплотняется манжетами 6.
Секция управления 3 (фиг.2) состоит из корпуса 7 с центральным байпасным каналом 8 и системой торможения. В продольном сечении профиль байпасного канала 8 имеет обтекаемую форму, чтобы минимизировать взаимодействие с потоком газа. В узкой части байпасного канала 8 установлена поворотная заслонка 9, выполненная в виде поворотного затвора для регулирования площади сечения байпасного канала 8.
Система торможения (фиг.3) состоит, по крайней мере, из двух пар клиньев, расположенных по периферии в диаметрально противоположных точках снаряда. Каждая пара состоит из внутреннего 10 и внешнего клина 11 (или якоря). Внутренний клин 10 жестко закреплен на снаряде в осевом направлении и установлен с возможностью перемещения в поперечном направлении.
На контактирующую с внутренней стенкой трубы 12 поверхность якоря 11 установлена резиновая накладка 13. Внешний клин 11 шарниром 14 закреплен к рычагу 15, который в свою очередь закреплен к корпусу 7. Внешний клин 11 установлен с возможностью перемещения, как в продольном направлении, так и перпендикулярно оси снаряда.
На фиг. 3 позицией 16 показан электропривод, 17- шток; 18 – второй электропривод; 19-пружина.
Диагностический снаряд работает следующим образом.
При прокачке газа на снаряде создается перепад давления. Силы давления перемещают снаряд вдоль трубы. На прямолинейных участках трубопровода, при отсутствии неровностей или стопоров на его внутренних стенках, сила трения постоянна и уравновешивается силами давления. Снаряд движется с постоянной скоростью. При наличии неоднородностей, сила трения становится переменной, управление силой давления осуществляется путем приоткрытия заслонки 9. Открытие заслонки осуществляется с помощью электропривода 16.
Если снаряд натыкается на препятствие и останавливается, а прокачка газа продолжается, то растет перепад давления на снаряде. Когда стопор, под действием сил давления разрушается, снаряд начинает ускоренное движение, что может привести к потере диагностической информации. В этот момент срабатывает механический тормоз: шток 17 с помощью электропривода 18 прижимает внутренний клин 10 к якорю 11, который, через резиновую прокладку 13, соприкасается со стенкой трубопровода 12. Одновременно с этим происходит растяжение пружины 19, которая вернет якорь 11 в прежнее положение, после отвода клина 10. При соприкосновении якоря 11 со стенкой трубопровода его скорость движения вдоль трубопровода уменьшается. Диагностический снаряд, продолжая двигаться с прежней скоростью, прижимает внутренний клин 10 к якорю 11. Клинья скользят по поверхности соприкосновения, что усиливает прижатие внешнего клина (якоря) к поверхности трубопровода, снаряд останавливается. Торможение возникает из-за смещения клиньев, вызванного торможением внешнего клина (якоря) о стенку трубопровода и инерции снаряда.
После остановки, открывается заслонка 9 в центральном байпасном канале 8. Давление на переднем и заднем торце снаряда начинают выравниваться.
Снятие снаряда с механического тормоза происходит путем радиального перемещения штока 17 и образования зазора между клиньями 10 и 11. При этом внешний клин (якорь) 11 за счет пружины  19 отодвигается от стенки трубопровода 12 и не препятствуют дальнейшему движению снаряда.
Таким образом, использование заявляемой конструкции позволяет регулировать скорость движения снаряда внутри нефтегазового трубопровода.