ГИДРОМОНИТОР РЕВЕРСИВНЫЙ ДЛЯ ОЧИСТКИ НАПОРНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ
HYDRAULIC MONITOR REVERSIBLE FOR CLEANING OF PRESSURE PIPELINES

Изобретение относится к нефтяной отрасли и водохозяйственному комплексу, но может быть использовано и в других отраслях, где по трубопроводам давлением рабочего агента подаются жидкие продукты. В результате их перекачки в таком продуктопроводе образуются отложения в виде осадков и солей перекачиваемого жидкого продукта.
Отложения, обладая адгезией с трубой, нарастают на ее внутренней поверхности, твердеют и уменьшают пропускную способность трубопровода.
Предлагаемое изобретение предназначено для очистки от отложений напорных трубопроводов.
Для очистки напорных трубопроводов используются так называемые гидробародинамические мониторы. Это устройства, основным элементом которых является полусферическая манжета, содержащиеся пружинящие пластины расположенные в два слоя по полусфере в шахматном порядке и образующие конусные канавки. С внутренней стороны полусфера покрыта водозадерживающей оболочкой. Манжета в сопряжении с трубой, пластинами, сходящимися в вершине полусферы, образует конусные щели. При подаче на манжету со стороны ее внутренней поверхности рабочего жидкого агента, как правило, это вода, но могут быть и другие жидкости, в конусных щелях по периметру манжеты образуются высокоскоростные гидромониторные струи, которые действуют по типу брандспойта по внутреннему периметру трубопровода и разрушают отложения.
Под давлением рабочего агента гидромонитор передвигается по очищенной части трубопровода. Разрушенные и измельченные впереди гидромонитора отложения напором рабочего агента выбрасываются из трубопровода наружу через шламовыпуски.
Известны такие гидромониторы. Так, гидромонитор по пат. РФ №2055652, B08B, 9/04, от 12.03.92 г. содержит манжету из пружинящих пластин, образующих полусферу. Пластины расположены в шахматном порядке и образуют клиновидные канавки. Пластины закреплены на полом штоке, который выходит вперед из вершины полусферы. Полый шток оканчивается ограничителем хода - кавитатором.
При работе устройство под действием напора воды, очищая трубу, передвигается вперед до тех пор, пока твердые отложения не остановят устройство. Ограничитель хода - кавитатор упирается в отложения и устройство стоит на месте до тех пор, пока не размоет отложения.
Ограничителем хода является решетка или крестовина, которые, разрушая струи, обладающие скоростью и давлением (гидробородинамические струи), создают кавитацию струй, что усиливает эффект разрушения отложений и очистки труб.
Недостатком устройства является то, что оно работает только при движении вперед. Если же устройство застряло и его нужно выдавить из трубы в обратном направлении, то пластины, образующие манжету, упираются в оставшиеся отложения или стыки труб и устройство заклинивает. Для его извлечения из трубопровода необходимо вскрыть трубопровод. Возникает аварийная ситуация.
Если же трубопровод проходит под дном реки или озера, под дорогой, или другими преградами, устройство извлечь невозможно.
Известен гидромонитор (см. пат. РФ №2008105, B08B, 9/04 от 12.08.91 г. - прототип), состоящий из струеформирующей манжеты, в которой вода поступает в клиновидные щели и разгоняется в них. На выходе из клиновидных щелей вода обладает большой кинетической энергией и размывает отложения, находящиеся в трубе по ходу движения гидромонитора.
При остановке устройства в трубопроводе ему сообщают возвратно-поступательное перемещение путем повышения и понижения давления в очищенной части трубопровода и работы возвратной пружины, размещенной на полом штоке.
Недостатком устройства также является то, что при подаче воды в обратном направлении с противоположного конца трубопровода гидромониторные струи не образуются, и остановившееся устройство при движении назад не очищает поверхность трубопровода от оставшихся отложений и заклинивает.
Это снижает функциональные возможности гидромонитора.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является расширение функциональных возможностей гидромонитора, который имеет варианты исполнения.
Технический результат достигается тем, что гидромонитор по первому варианту выполнен в виде двух манжет, направленных друг к другу навстречу внутренними поверхностями и образующих эллипсоид вращения или сферу, конусные канавки которых совпадают, а по второму варианту - две манжеты направлены друг к другу наружными поверхностями, образующими гидромонитор катушечной формы.
При этом при смене направления подачи рабочего агента на гидромонитор он работает одинаково, эффективно двигаясь вперед или назад. По одному и тому же месту трубопровода гидромонитор может пройти вперед и назад несколько раз, очищая трубопровод, а также выйти из трубопровода через приемную камеру.
Гидромонитор по первому варианту снабжен перфорированным патрубком, снабженным обратным клапаном. Патрубок проходит по оси симметрии манжет, которые имеют опоры скольжения по патрубку, а на патрубке перед каждой опорой установлены ограничители хода манжет.
По второму варианту две манжеты, содержащие пружинные пластины, расположенные в шахматном порядке, обращены друг к другу навстречу наружными поверхностями, образуют гидромонитор катушечной формы, внутри которого по оси размещен патрубок с обратным клапаном.
Более подробно сущность изобретения будет описана ниже.
На фиг.1 представлен схематический чертеж гидромонитора реверсивного для очистки напорных трубопроводов, выполненного по первому варианту.
На фиг.2 представлена разновидность первого варианта.
На фиг.3 представлен схематический чертеж гидромонитора, выполненного по второму варианту.
Гидромонитор по первому варианту (см. фиг.1) состоит из двух манжет 1 и 2, обращенных друг к другу навстречу внутренними поверхностями так, что манжеты образуют сферу или эллипсоид вращения, а пружинные пластины, расположенные в два слоя в шахматном порядке по наружной поверхности двух манжет, соединены между собой так, что конусная канавка одной манжеты является продолжением зеркально идентичной канавки на другой манжете (см. вид А), то есть расширяющаяся канавка сопрягается с сужающейся и наоборот. Манжеты 1 и 2 являются главным элементом гидромонитора. Слева и справа манжеты 1 и 2 имеют опоры скольжения 3, которые позволяют манжетам сжиматься и разжиматься, то есть принимать форму эллипсоида вращения или сферы. Манжеты 1 и 2 внутри покрыты водозадерживающей покрышкой 4. При оси симметрии внутри манжет 1 и 2 проходит подвижный патрубок 5 с ограничителями хода манжет 6 и отверстиями 7. Манжеты 1 и 2 могут быть выполнены из полимера, например полиуретана, и составлять единое целое тело, то есть сферу или эллипсоид вращения.
Патрубок 5 в сторону рабочего ходе гидромонитора снабжен кавитатором 8, выполненным, например, в виде крестовины и закрыт подпружиненным обратным клапаном 9, выполненным, например, в виде диска. Кавитатор 8 выполняет также функцию ограничителя хода гидромонитора, когда он упирается в отложения.
На фиг.1 показан также трубопровод 10 и отложения 11. На фиг.2 показана разновидность гидромонитора по фиг.1 Гидромонитор (см. фиг.2) в средней части имеет цилиндрическую вставку 12, канавки 13 которой имеют прямолинейный вид.
На фиг.3 показан второй вариант гидромонитора реверсивного для напорных трубопроводов.
Гидромонитор состоит из двух манжет 1 и 2, которые обращены друг к другу встречно наружными поверхностями и имеет катушечную форму. Манжеты 1 и 2 с возможностью перемещения неподвижно закреплены на патрубке 14, снабженном подпружиненным обратным клапаном 9 и кавитатором 8, который во всех вариантах выполняет функцию ограничителя хода гидромонитора. Манжеты 1 и 2 также могут быть выполнены из полимера.
Работает гидромонитор по фиг.1 следующим образом.
В трубопроводе 10 при остановленном потоке жидкого продукта (нефть, вода, соки, патока и другие жидкости и их смеси) вырезают часть трубы так, чтобы в эту приемную камеру мог войти монитор. Заходную часть трубы и приемную камеру (на фиг.1, 2, 3 не показано) очищают от отложений таким образом, чтобы устройство разместилось в трубе как показано на фиг.1. Далее приемную камеру закрывают. Манжеты 1 и 2 упруго соприкасаются с трубопроводом 10, а ограничитель хода - кавитатор 8 упирается в отложения 11. Примем рабочим агентом для очистки трубопровода 10 воду, которая применяется чаще всего.
Воду под давлением подают на устройство.
На фиг.1 показано стрелками. При перепаде давления перед монитором и после него, равном на практике (0,2÷0,6) МПа, монитор начинает движение, а в конусных щелях между трубопроводом 10 и манжетой 1 вода разгоняется, как в сопле, образуя гидробародинамические брандспойтные струи.
Известно, что скорость выхода струи из конусной щели (см. Вид А фиг.1) тем выше, чем выше скорость входа воды в конусную щель. Скорость выхода струи определяется формулой равенства расхода воды на входе и выходе из щели:
где S1 - поперечная площадь входа в щель,
S2 - поперечная площадь выхода из щели,
V1 - скорость входа воды в щель,
V2 - скорость выхода воды из щели.
Из формулы (1) видно, чем выше скорость V1, тем выше и V2.
При этом кинетическая энергия струи возрастает еще резче. Так, например, при повышении скорости V1 с 1 м/с до 1,3 м/с (т.е. в 1,3 раза) при S1/S2=2 кинетическая энергия струи при выходе из узкой части щели возрастает в 1,8 раза, то есть почти в 2 раза.
Таким образом, эффективность работы устройства зависит от скорости вхождения рабочего агента в конусную щель - сопло.
Однако давление рабочего агента - воды на все поперечное сечение манжеты 2 создает при этом и большую силу и обе манжеты могут быть продвинуты в сужение трубы и заклинить там. Этого можно избежать, если внутри манжет 1 и 2 по оси симметрии выполнить сквозной канал в виде патрубка 5, куда будет сбрасываться лишний расход воды. При этом сила, обеспечивающая движение всего гидромонитора, не изменится и скорость его движения остается также неизменной. Скорость же вхождения воды в конусные щели при этом будет более высокой, что соответственно вызовет увеличение скорости воды на выходе из конусной щели и увеличение кинетической энергии струи.
Известно также, что основная часть отложений 11 удаляется силой скоростного напора струи, но при этом происходит и обтекание струей воды наростов отложений, в которых возникает перепад давления между внутренним и поверхностным давлением нароста. Внутреннее давление «отстреливает» нарост от трубы. Этому помогают кавитационные схлопывания парогазовых пузырьков, которые образуются при разрушении некоторой части струй.
На кавитаторе 8, который также выполняет и роль ограничителя хода гидромонитора, так как упирается в отложения 11, вода через патрубок 5 и отверстия 7 попадает также и внутрь манжет 1 и 2 и прижимает их к трубопроводу 10. Водозадерживающая оболочка 4 задерживает быстрое протекание воды через нее. Зазор между ограничителями хода манжет 6 и задней опорой скольжения 3 по патрубку 5 исчезает. Сфера из манжет 1 и 2 превращается в эллипсоид вращения. Кавитатор 8 обеспечивает также устойчивое горизонтальное положение гидромонитора при движении его по трубопроводу 10. Сфера превращается в эллипсоид так же и при уменьшении диаметра трубопровода.
Для лучшего прохождения гидромонитора малых радиусов трубопровода 10 патрубок 5 может быть выполнен составным на шарнирах.
При смене направления подачи рабочего агента, когда устройство требуется извлечь на поверхность через ту же приемную камеру, куда оно вводилось изначально, сужающиеся щелевые канавки переходят в расширяющиеся и наоборот.
При этом эллипсоид вращения из манжет 1 и 2 передвигается по патрубку 5 и занимает положение, показанное на фиг.1. Ограничитель и опора скольжения 3 манжеты 2 образуют впереди зазор. Клапан 9 закрывает патрубок 5, сила давления на устройство слева возрастает и устройство также в режиме гидромонитора начинает движение в обратном направлении.
При желании один и тот же участок трубопровода можно пройти вперед и назад несколько раз, что улучшает очистку трубопровода.
Таким образом, гидромонитор стал реверсивным. При этом эффективная работа гидробарадинамических струй при прямом и обратном ходе гидромонитора осталась высокой, что расширило его функциональные возможности и обеспечило достижение технического результата.
Работа устройства по фиг.2 отличается от работы устройства по фиг.1 тем, что средняя часть сферы имеет прямолинейный участок 12, который повышает курсовую устойчивость гидромонитора, при прямом и при обратном ходе, а прямолинейные канавки 13, имея большую площадь соприкосновения с трубопроводом 10, очищают его не только гидравлическими струями, но и механически скоблением. Разновидность этого гидромонитора также достигает технического результата.
Гидромонитор реверсивный по второму варианту (фиг.3) работает следующим образом.
При рабочем ходе внутренняя поверхность манжеты 2 выполняет функцию ускорителя потока воды, как конусная заходная часть сопла, то есть конфузор сопла. Далее вода попадает в патрубок 14, который выполняет функцию сопла брандспойта, разрушающего отложения. Манжета 2 и трубопровод 10 формируют гидробародинамические струи, которые обжимают манжету 1 по ее максимальному периметру. При этом края манжеты 1 начинают вибрировать, излучая вибрации, которые помогают разрушать отложения, а струи начинают кавитировать.
Кавитация, завихрения и большой динамический напор разрушают отложения 11 трубопровода 10.
Кавитатор 8, выполняющий также функцию ограничителя хода гидромонитора, так как упирается в отложения 11 не позволяет гидромонитору заклинить в отложениях 11. Для большей гарантии от заклинивания концы пластин, расположенные со стороны открытого торца манжеты, по всей образующей поверхности манжеты и у обеих манжет отогнуты внутрь манжеты (см. фиг.3).
При смене направления подачи рабочего агента клапан 9 патрубка 14 закрывается. Сила давления рабочего агента на манжету 1 возрастает. При этом возрастает и скорость перемещения устройства в обратном направлении. Манжета 2 обжимается по периметру струями манжеты 1 и устройство возвращается в исходную точку.
Для лучшего прохождения малых радиусов поворота трубопровода 10 патрубок 14 также может быть выполнен составным на шарнирах.
Для лучшей курсовой устойчивости устройства расстояние между манжетами 1 и 2 может увеличиваться. При этом манжета 1 передвигается по патрубку 14 и фиксируется.
Таким образом, гидромонитор по фиг.3 также является реверсивным, что расширяет его функциональные возможности и достигается технический результат.