ТРАНСПОРТНОЕ СРЕДСТВО ДЛЯ ДВИЖЕНИЯ В ТРУБОПРОВОДЕ И СПОСОБ ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТ В ТРУБОПРОВОДЕ
IN-PIPE MOTOR UNIT AND METHOD OF WORKING INSIDE PIPELINE

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к транспортному средству для движения в трубопроводе, также называемому трубопроводным тягачом или трубопроводным транспортным средством и предназначенному для транспортировки по трубопроводу измерительных и рабочих инструментов. Такие устройства используются в особенности в нефтяной и газовой промышленности, но могут использоваться и в других областях, например для осмотра и чистки водопроводных, канализационных и вентиляционных труб. Изобретение также относится к способу выполнения работ в трубопроводе с использованием транспортного средства, предназначенного для движения в трубопроводе.
ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Существует несколько разновидностей транспортных средств для движения в трубопроводе, основанных на различных технических решениях. Некоторые транспортные средства используют для продвижения вперед текучую среду, текущую по трубопроводу, или перемещаются, двигаясь подобно червяку. В других транспортных средствах для движения по трубопроводу используются колеса или ленты.
Из патента США №5551349 известно транспортное средство для движения в трубопроводе, содержащее два соосно установленных колесных узла, закрепленных на каждом конце шасси. Каждый колесный узел содержит несколько удлиненных роликов (колес), расположенных под углом вокруг ступицы. Ролики подвешены на обоих концах на пружинном устройстве, прижимающем их к стенке трубопровода. Ролики в каждом колесном узле наклонены в противоположные стороны и вращаются двигателями, расположенными внутри шасси, в противоположных направлениях. Это обеспечивает поступательное движение транспортного средства в трубопроводе.
Известные транспортные средства для движения в трубопроводе имеют несколько недостатков. Один из них состоит в том, что они имеют довольно низкую силу тяги, в основном из-за небольшой поверхности контакта колес со стенкой трубопровода. Это значит, что транспортные средства могут хорошо работать в горизонтальных трубопроводах, но обладают очень ограниченной способностью подниматься по трубопроводам, расположенным с большим наклоном. Это также значит, что их возможности по транспортировке рабочих грузов очень ограничены, т.е. они не могут буксировать по трубопроводу очень тяжелые инструменты или кабели. Другой недостаток известных транспортных средств состоит в том, что они плохо проходят изогнутые или Т-образные участки трубопровода, так как элементы, несущие колеса, могут зацепиться за различные углы или отходящие стенки в трубопроводе.
ЦЕЛИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Целью настоящего изобретения является создание транспортного средства для движения в трубопроводе, которое может двигаться по трубопроводу, имеющему участки с большими углами наклона.
Другой целью изобретения является создание транспортного средства, которое может проходить в трубопроводе крутые повороты или тройники, не застревая.
Следующей целью изобретения является создание транспортного средства, которое может двигаться быстрее и с большей степенью точности, чем существующие устройства.
Еще одной целью изобретения является создание транспортного средства, которое имеет большую, чем известные транспортные средства, силу тяги при одинаковых размерах и даже обеспечивает возможности интерполяции.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Указанные цели достигаются посредством транспортного средства для движения в трубопроводе согласно п.1 формулы изобретения.
Согласно второму аспекту изобретения, предложен способ выполнения работ в трубопроводе с использованием транспортного средства, описанный в п.19 формулы изобретения.
Предпочтительные варианты осуществления изобретения описаны в зависимых пунктах формулы.
Согласно изобретению, транспортное средство снабжено осесимметричными колесами, имеющими большой и малый концы, т.е. колесами конической или чашевидной формы, которые установлены на колесных плечах своими большими концами.
Согласно предпочтительным вариантам осуществления изобретения, колеса транспортного средства выполнены из мягкого материала с упругими свойствами, а колесный узел содержит два колеса на каждом колесном плече, обращенные большими концами друг к другу.
Под понятием "свободный конец колесного плеча" имеется в виду тот конец плеча, который не прикреплен к ступице, т.е. конец, на котором установлено колесо (колеса). Под понятием "несколько" имеется в виду число, большее единицы.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Далее изобретение описано подробно со ссылками на чертежи.
На фиг.1 показано в аксонометрии транспортное средство для движения в трубопроводе, согласно изобретению.
На фиг.2 показан другой вариант выполнения транспортного средства для движения в трубопроводе, согласно изобретению.
На фиг.3 показано транспортное средство согласно фиг.1 со снятым одним колесом, чтобы были видны крепежные детали.
На фиг.4 показана воображаемая поверхность, ограничивающая транспортное средство согласно варианту, представленному на фиг.1.
На фиг.5 показано транспортное средство при прохождении тройника в трубопроводе.
На фиг.6 показаны три альтернативных колеса, подходящие для всех вариантов выполнения транспортного средства согласно изобретению.
На фиг.7а и 7b показано в двух ситуациях положение колесного плеча и колеса для специфического варианта выполнения транспортного средства согласно изобретению.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
На фиг.1 показано транспортное средство согласно изобретению при прохождении изогнутого участка трубопровода. Транспортное средство содержит шасси 1 с первым колесным узлом 2а, установленным на одном конце, и вторым колесным узлом 2b, установленным на другом конце. Каждый колесный узел 2а, 2b имеет ступицу 3а, 3b (фиг.3), несущую несколько колесных плеч 4, отходящих от нее подобно спицам. На каждом плече 4 установлено по меньшей мере одно свободно вращающееся колесо 5. Внутри шасси расположены электроприводы для вращения колесных узлов в противоположных направлениях для движения транспортного средства по трубопроводу.
Каждое колесо 5 представляет собой осесимметричное тело с малым концом и большим концом. Это значит, что колесо может иметь форму усеченного конуса, половины эллипсоида или чаши. На фиг.2 показаны колеса в виде чаш, имеющих форму половины эллипсоида. Такая форма колес, выполненных предпочтительно из упругого материала, обеспечивает плавное распределение давления со стороны колес на стенки трубопровода, предотвращая его повреждение.
Согласно фиг.1, колеса 5 в каждом колесном узле установлены на колесных плечах 4 парами так, что большие концы колес каждой пары обращены друг к другу. Преимущество такой установки колес в том, что облегчается прохождение изогнутых участков трубопровода, поскольку на малом конце каждого колеса нет металлических деталей, которые могут касаться стенки трубопровода. На фиг.1 показано, что на каждом конце транспортного средство имеется один колесный узел 2а или 2b, а каждое из колес ("колес-двойников") каждой пары, установленных на каждом плече большими концами друг к другу, может свободно вращаться вокруг своей оси 6 независимо от другого колеса этой пары колес. При движении транспортного средства по прямолинейному участку трубопровода скорость вращения колес в каждой паре будет примерно одинаковой, а при прохождении изогнутых участков скорость вращения каждого колеса в паре может изменяться независимо от скорости другого.
Как лучше видно на фиг.3, колеса 5 установлены на осях 6, отходящих от каждого колесного плеча 4, и каждое колесо 5 может свободно вращаться вокруг своей оси 6 независимо от другого. Каждое колесо 5 может быть прикреплено к соответствующему плечу 4 или к оси 6 посредством быстроразъемного механизма. Как альтернатива, такой быстроразъемный механизм может соединять колесное плечо со ступицей или ступицу со средствами передачи энергии, например с валом электродвигателя. Такой механизм облегчает работу в полевых условиях, так как оператору может понадобиться менять колеса в соответствии с обстоятельствами, например в случае трубопроводов разного диаметра, при наличии в трубопроводе крутых изгибов или если стенка трубопровода покрыта скользким наростом.
На фиг.2 показан вариант, в котором на каждом плече установлено только одно колесо, и имеются два колесных узла 2а1 и 2а2 на переднем конце транспортного средства, обычно вращающихся в противоположных направлениях, и два колесных узла 2b1 и 2b2 на заднем конце транспортного средства, обычно вращающихся в противоположных направлениях. Наличие "двойных" колесных узлов, т.е. двух колесных узлов на каждом конце транспортного средства, не является обязательным условием для случая, когда колесные плечи имеют по одному колесу, но обеспечивает большее тяговое усилие и потому для некоторых применений транспортного средства является предпочтительным. Специалистам должно быть понятно, что "двойные" колесные узлы предполагают наличие "двойных" ступиц, одна из которых частично охватывает другую.
Количество колесных плеч в колесном узле может быть различным в зависимости от размера (диаметра) трубопровода, конкретного применения, количества колесных узлов в транспортном средстве и т.д. В колесном узле по меньшей мере два колесных плеча и редко их бывает больше двенадцати. Обычно предпочтительно, чтобы в каждом колесном узле было от трех до шести колесных плеч.
При использовании предлагаемого транспортного средства в трубопроводе с крутыми изгибами колесные узлы должны иметь такую специфическую конструкцию, что воображаемая оболочка, ограничивающая колеса, представляет собой как можно более сжатый эллипсоид или сферу (которая по существу является частным случаем эллипсоида). Если транспортное средство используется на довольно прямых участках, "оболочка" может быть цилиндрической или близкой к цилиндрической. Можно сказать, что в общем случае "оболочка" колес имеет форму эллипсоида. Отметим, что эта воображаемая оболочка охватывает колеса, когда они прижаты к стенке трубопровода и соответственно деформированы. Это показано на фиг.4. Черные зоны 7 соответствуют поверхностям контакта или поверхностям участков, которыми каждое колесо опирается на стенку трубопровода. Серые сферы представляют собой воображаемые оболочки, ограничивающие каждый колесный узел 2а, 2b.
На фиг.5 показано, что предлагаемое транспортное средство может проходить в трубопроводе мимо тройника, не застревая в нем. Это достигается благодаря особому распределению контактных точек на стенке трубопровода. Как указано выше, колеса, установленные на одном колесном плече, могут по меньшей мере временами иметь разные скорости вращения, и при прохождении тройника одно колесо пары колес даже может на какое-то время остановиться (не находясь в контакте со стенкой трубы), тогда как другое колесо на этом же колесном плече будет продолжать вращаться.
Для придания колесам требуемых свойств их изготавливают предпочтительно из упругого материала, например из упругого полимерного материала. Полимерный материал может быть вспененным. Материалом для колес также может быть композит с армирующими волокнами. Как альтернатива или как дополнение, колеса могут содержать материалы, которые могут влиять на их механические свойства, такие как трение, прочность и износостойкость. Например, могут быть добавлены мелкие твердые частицы для увеличения трения относительно некоторых поверхностей. Частицы могут быть из любых подходящих материалов, например из металла, оксидов металла, дробленой ореховой скорлупы и т.п.
На фиг.6 показаны три колеса разной конструкции, которые можно использовать во всех вариантах выполнения транспортного средства согласно изобретению. Колесо А является по существу сплошным и имеет довольно гладкую поверхность. На колесе В выполнено кольцевое углубление 9, которое увеличивает способность колеса деформироваться, т.е. ослабляет его, чтобы оно больше деформировалось в результате прижима. На наружной поверхности колеса имеются канавки. Для увеличения трения о стенку трубопровода наружная поверхность колеса может иметь другой рельеф, отличный от канавок. Колесо С аналогично колесу В, но для повышения способности деформироваться в нем вместо кольцевого углубления 9 выполнены отдельные отверстия 10. На наружной поверхности колеса С тоже имеются канавки для улучшения его механических характеристик, в особенности в отношении трения. В не показанном на чертежах варианте колесо выполнено со спицами и полностью идентично колесу С за исключением того, что отверстия не круглые. В общем случае предпочтительно, чтобы каждое колесо транспортного средства имело по меньшей мере одну полость вокруг его оси вращения.
При деформации поверхность контакта колеса со стенкой трубопровода увеличивается. Благодаря большой поверхности контакта возникает большая сила трения каждого колеса со стенкой трубы. При таком движении давление на боковую стенку увеличивается пропорционально силе тяги. Даже если сила тяги будет больше, чем у известных транспортных средств, движущихся в трубопроводе, мягкие колеса не будут повреждать стенку трубы.
Другое преимущество колес этого типа состоит в том, что при большей площади контакта для них требуется сравнительно небольшое предварительное давление на внутреннюю стенку трубы. Благодаря этому уменьшается общее количество энергии, необходимой для движения транспортного средства.
Для дополнительного увеличения гибкости транспортного средства каждое плечо может быть выполнено упругим, например в виде плоской пружины. Как альтернатива, каждое плечо может быть шарнирно соединено со ступицей и подпружинено и/или каждое колесо может быть соединено с колесным плечом посредством пружины.
В предпочтительном варианте, показанном на фиг.7, колесное плечо 4 содержит поворотный шарнир 11, позволяющий ему свободно двигаться (наклоняться) в определенном направлении. При правильном проектировании эта свобода движения плеча не сказывается отрицательно на движении транспортного средства. В случае движения транспортного средства без тяжелого груза колесные плечи поворачиваются незначительно или мало, как показано на фиг.7а с помощью линии "Н", которая на фиг.7а расположена параллельно находящейся выше стенке трубопровода. Движение происходит направо.
На фиг.7b показана ситуация, когда транспортное средство тянет за собой тяжелый груз, двигаясь тоже направо. Здесь колесное плечо 4 имеет значительный наклон и заднее колесо каждой пары колес прижимается к стенке трубы с большей силой, чем в ситуации фиг.7а. Чем больше нагружено транспортное средство, тем больше угол наклона колесных плеч и тем больше трение между колесами и стенкой трубопровода. При надлежащих конструкции и размерах транспортного средства и колес и при надлежащей твердости/упругости колес колеса сами толкают плечи назад в нейтральное положение, когда транспортное средство перестает тянуть груз. Поэтому нет необходимости в пружине для удерживания или позиционирования (повторного позиционирования) колесных плеч.
Чтобы при застревании транспортного средства в трубопроводе в месте изгиба или в месте, где имеются другие препятствия, его было можно силой вытащить обратно, предпочтительно, чтобы по меньшей мере некоторые колесные плечи имели по «слабому звену», срезному штифту или т.п., которое ломалось бы при определенной тянущей назад силе. Слабое звено наиболее предпочтительно выполнено так, чтобы в трубопроводе не оставалось отломанных частей, например, чтобы плечи, когда возникает указанная тянущая назад сила, не ломались, а складывались. В вариантах осуществления, в которых плечи снабжены шарниром, слабым звеном может быть по меньшей мере один срезной штифт на одном или нескольких звеньях, чтобы плечо (плечи) могло складываться на шасси, например, при вытаскивании разрывного кабеля с силой, превышающей прочность срезного штифта (срезных штифтов).
В предпочтительных вариантах осуществления изобретения транспортное средство содержит средство интерполяции, т.е. каждым колесным узлом можно управлять отдельно, например, с помощью компьютера, чтобы транспортное средство могло перемещаться в соответствии с заданным характером движения. Характер движения транспортного средства может предусматривать простой поворот вокруг его продольной оси, сочетание осевого перемещения и вращения, например вращение вокруг продольной оси в сочетании с перемещением вперед и назад, так что траектория движения представляет собой определенную геометрическую кривую на внутренней поверхности трубопровода, в котором находится транспортное средство. Интерполяция используется, если транспортное средство применяется, например, для осмотра или обслуживания внутренней части трубопровода или для проведения таких работ как сварка, пайка, склеивание, сверление, распилевание, завинчивание или свинчивание, полировка, промывка и т.п. Специалистам понятно, что для выполнения этих операций транспортное средство должно быть оснащено соответствующими инструментами (которые не относятся к настоящему изобретению). Могут использоваться любые подходящие по назначению инструменты, которые могут разместиться в трубопроводе и которыми можно управлять извне.
В варианте, показанном на фиг.1, колесные плечи жестко соединены со ступицей колеса, т.е. колеса расположены под фиксированным углом к оси шасси (и трубопровода). Этот угол определяет передаточное отношение устройства, т.е. скорость за один оборот колесного узла и тяговую силу (или скорее тяговый момент).
В другом варианте осуществления изобретения колесное плечо установлено на ступице с возможностью поворота, т.е. плечо может свободно поворачиваться на ограниченный угол для регулировки его положения относительно трубы. В дополнение или как альтернатива, может быть предусмотрена возможность регулировки угла поворота оси вращения колес либо оператором с помощью соответствующего механического инструмента до установки транспортного средства в трубопровод, либо при нахождении транспортного средства в трубопроводе с помощью размещенного в ступице двигателя с дистанционным управлением.
Транспортному средству согласно изобретению не требуются отдельные регулировочные средства, такие как пружины или т.п., что позволяет очень упростить конструкцию. Благодаря упругости материала колес они могут компенсировать изменения диаметра трубопровода или неровности его стенок.