ВНУТРИТРУБНЫЙ ДИАГНОСТИЧЕСКИЙ СНАРЯД С РЕГУЛИРУЕМОЙ СКОРОСТЬЮ ДВИЖЕНИЯ ДЛЯ ОБСЛЕДОВАНИЯ ТРУБОПРОВОДОВ
IN-LINE SMART PIG WITH ADJUSTABLE SPEED FOR INSPECTION OF PIPELINES

Изобретение относится к нефтедобывающей промышленности, в частности к приборам и аппаратам для внутритрубной диагностики трубопроводов, преимущественно газопроводов низкого давления, предназначенных для перекачки попутного нефтяного газа, а именно к снарядам с  регулируемой скоростью движения.
Известен «Аппарат внутритрубного контроля и способ перемещения его в магистральном газопроводе с заданной равномерной скоростью». Аппарат содержащит гермоотсек, опирающийся на внутреннюю поверхность газопровода подпружиненными опорными элементами, выполненными в виде мотор-генератор-колес, размещенные снаружи и внутри гермоотсека, систему поиска дефектов, информационно-вычислительную систему, систему регулирования скорости перемещения, систему определения координат, систему электропитания с аккумуляторной батареей, датчик давления рабочей среды. Каждое мотор-генератор-колесо выполнено с возможностью обеспечения тормозного, двигательного и пассивного режимов работы, а система регулирования скорости перемещения использует для регулирования скорости аппарата внутритрубного контроля информацию о скоростях вращения роторов мотор-генератор-колес (патент РФ №2451867, опубл. 27.05.2012).
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 не обеспечит качественный сбор диагностических данных после срыва снаряда со стопора, а именно участок трубопровода, пройденный с огромной скоростью, останется «слепым». В подобном случае для регулировки скорости требуется мгновенное срабатывание клапанов, 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», который содержит цилиндрическое основание с опорными узлами для его соосного размещения в трубопроводе, закрепленные на основании блок-привод продольного перемещения, блок энергоснабжения, блок регистрации информации и дефектоскопический блок с узлами намагничивания стенок трубопровода и систему автоматического регулирования скорости перемещения, содержащую датчик скорости перемещения, блок управления скоростью перемещения и регулирующий орган в виде взаимодействующего со стенкой трубопровода тормозного устройства - многосекционного кольцевого электромагнита. Основание выполнено в виде байпасного патрубка для перепуска транспортируемого по трубопроводу продукта (патент РФ №2102738, опубл. 1998, МПК G01N 27/87, G01N 27/82).
Общими признаками, присущими прототипу и заявляемому техническому решению, являются: корпус-основание  с опорными,  центрирующими элементами,  измерительные приборы и система управления скоростью движения в виде расположенного в корпусе-основании центрального байпасного канала, включающая в себя систему экстренного торможения.
Основным недостатком устройства по прототипу является высокий расход энергии батарей при торможении, что увеличивает массу снаряда, а значит его инерционность, то есть удлиняет время разгона и торможения снаряда.
2
N
L
N⋅L =
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.
Кроме того, использование упрощенной формы байпасного канала, обуславливающей высокое сопротивлением течению газа, затрудняет регулировку скорости снаряда, и приводит к частичной потере диагностической информации.
Задачей настоящего изобретения является разработка энергоэкономичного инспекционного снаряда уменьшенной массы с устройством регулирования скорости, обеспечивающего сбор диагностической информации равномерно по длине газопровода низкого (до 10 атм) давления.
Поставленная задача была решена за счет того, что в известном внутритрубном диагностическом снаряде с  регулируемой скоростью движения для обследования трубопроводов, содержащем корпус-основание с опорными, центрирующими элементами, измерительные приборы и систему управления скоростью движения в виде расположенного в корпусе-основании центрального байпасного канала, включающую в себя систему экстренного торможения, снаряд выполнен в виде шарнирно соединенных между собой трех отдельных секций - аккумуляторной, секции измерительных приборов и секции управления скоростью движения с байпасным каналом, выполненным в форме сопла Лаваля, соединенного с дополнительными периферийными каналами для уменьшения области отрывного течения в расширяющейся зоне сопла, и поворотной, регулирующей степень открытия канала, заслонки, установленной в узком месте центрального байпасного канала, и механически связанной с валом электропривода, причем зона примыкания периферийных каналов к центральному каналу выполнена в виде камеры-улитки.
Признаками заявляемого технического решения, отличными от  прототипа, являются: снаряд выполнен в виде шарнирно соединенных между собой трех отдельных секций - аккумуляторной, секции измерительных приборов и секции управления скоростью движения с байпасным каналом, выполненным в форме сопла Лаваля, соединенного с дополнительными периферийными каналами для уменьшения области отрывного течения в расширяющейся зоне сопла, и поворотной, регулирующей степень открытия канала, заслонки, установленной в узком месте центрального байпасного канала, и механически связанной с валом электропривода, причем зона примыкания периферийных каналов к центральному каналу выполнена в виде камеры-улитки.
Сущность изобретения поясняется чертежами, представленными на фиг 1-3. На фиг. 1 изображен общий вид инспекционного снаряда, на фиг. 2 – продольное сечение секции управления движением снаряда и вид на снаряд со стороны входа потока, на фиг. 3 – общий вид поворотной заслонки, на фиг. 4 – поперечное сечение дополнительного периферийного канала в зоне соединения с центральным байпасным каналом, на фиг. 5 – входная зона периферийных каналов.
Инспекционный снаряд  (фиг. 1) выполнен в виде трех отдельных секций – аккумуляторной 1,  измерительных приборов 2 и  управления скоростью движения 3, соединенных между собой шарнирами 4. Такой вид соединения позволяет секциям 1 - 3 поворачиваться друг относительно друга. Аккумуляторная секция 1 и секция измерительных приборов 2 центрируются в трубе, например, пассивными колесами 5. Секция управления 3 центрируется и уплотняется, например, манжетами 6.
Секция управления скоростью движения 3 (фиг.2) состоит из корпуса-основания 7 с центральным байпасным каналом 8 и системой экстренного торможения (на фиг. не показана). В продольном сечении байпасный канал 8 имеет форму сопла Лаваля, которая позволяет минимизировать силу сопротивления движению снаряда в потоке газа. В узкой части байпасного канала 8 установлена поворотная заслонка 9 для регулирования площади сечения канала 8. Поворотная заслонка 9 (фиг.3) представляет собой круглую пластину 10, закрепленную по своему диаметру на вертикальной оси 11, соединенной с помощью, например, конической зубчатой передачи 12 с валом электропривода 13. Ось 11 опирается на подшипники 14 и имеет элемент фиксации положения 15.
Дополнительные периферийные байпасные каналы 16 служат для предотвращения течения в расширяющейся части центрального байпасного канала 8. Открытие периферийных каналов 16 регулируется входным клапаном 17. Зона примыкания периферийного канала 16 к центральному каналу 8 выполнена в виде камеры-улитки 18. Входной клапан 17 (фиг.5)  состоит из оси 19, закрывающей и открывающей крышки 20. Камера-улитка 18 (фиг.4) состоит из закручивающей камеры 21 и выходной решетки 22. Форма выходной решетки 22 повторяет профиль центрального байпасного канала 8 и имеет в конструкции отверстия 23.
Система экстренного торможения (на фиг. не показана) выполнена аналогично подушке безопасности автомобиля и состоит из двух элементов: инерционного датчика ускорения  (подпружиненного шарика, замыкающего электрический контакт  при превышении снарядом критической величины ускорения) и механического тормоза: тормозной колодки, прижимаемой к внутренней стенке газопровода давлением газа, заполняющего эластичный мешок из баллона, вентиль  которого открывается при замыкании электрического контакта датчика ускорения.
Инспекционный снаряд с устройством регулирования скорости 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 появлении неровностей сила трения становится переменной, нарушается баланс между силой трения и силой давления. Уравновешивание сил осуществляют управлением силой давления путем открытия заслонки 9.
При повышении скорости снаряда, электропривод 13 поворачивает вал заслонки 11, тем самым открывает центральный байпасный канал 8. Газ поступает на вход центрального канала 8, сжимается и проходит через зазор между заслонкой 9 и зауженной частью центрального канала 8 в расширяющуюся часть канала, при этом понижается давление газа вдоль стенок расширяющейся части центрального байпасного канала 8. Одновременно, за счет течения газа, на крышке 20 входного клапана 17 возникает перепад давления, благодаря которому входной клапан 17 поворачивается относительно оси 19 и открывает вход периферийного канала 16. Газ проходит по каналу 16 и поступает в камеры-улитки 18, где поток закручивается и равномерно распределяется по выходной решетке 22, через которую поступает в расширяющуюся часть центрального байпасного канала 8. Таким образом, сила, действующая со стороны газа на стенки снаряда, уменьшается и снаряд замедляется.
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, наряду с полным открытием заслонки 9 центрального байпасного канала 8, срабатывает система экстренного торможения (на фиг. не показана). Металлический шарик инерционного датчика ускорения, входящего в систему экстренного торможения, при резком ускорении системы за счет своей инерции смещается в седло электрического контакта, замыкая тем самым электрическую цепь, открывающую вентиль баллона с газом. Газ заполняет эластичный мешок, который, в свою очередь, прижимает тормозную колодку к внутренней стенке газопровода, и снаряд тормозится.
Таким образом, в предлагаемом инспекционном снаряде регулировка скорости путем изменения положения заслонки в центральном байпасном канале не требует больших затрат энергии и позволяет выполнять сбор диагностических данных равномерно по длине трубопровода, кроме того снаряд имеет уменьшенную массу по сравнению с прототипом (за счет исключения ёмкого аккумулятора, предназначенного для торможения системы).