ШАГАЮЩАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ТРАНСПОРТИРОВАНИЯ И УКЛАДКИ НЕФТЕГАЗОВЫХ ТРУБ НА МОРСКОМ ДНЕ
WALKING INSTALLATION FOR TRANSPORTATION AND LAYING OF OIL AND GAS PIPES ON THE SEABED

Изобретение относится к горному делу, в частности к устройствам для подводной добычи полезных ископаемых. Устройство может быть использовано также для прокладки нефтегазовых труб на морском дне и на суше, геологоразведочных изысканий, освоения торфяных месторождений, при строительстве в сложных геологических условиях.
Известны устройства для перемещения добычных рабочих органов под водой с помощью канатов или тележек гусеничного, колесного и шнекового типа (Шагающие машины для освоения ресурсов морского дна. Л., 1987 г., с. 12-17).
Недостатками этих устройств являются сложность обеспечения требуемых траекторий движения рабочих органов при системах сплошной разработки полезных ископаемых, а также нарушение экологии при оставлении следов гусениц, колес и шнеков.
Известно добычное шагающее устройство для подводной разработки полезных ископаемых, способное переносить рабочий орган по определенным траекториям (авторское свидетельство SU №1027343, опубл. 07.07.1983 г.), включающее ферму, установленную на двух опорах, рабочий орган с тяговой тележкой и механизм поворота.
Недостатком добычного шагающего устройства является то, что рабочий орган может совершать только возвратно-поступательные движения относительно продольной оси фермы между опорами фермы. Такое исполнение значительно ограничивает зону, охватываемую рабочим органом, и снижает производительность установки.
Известна установка для разработки конкреций илов и россыпей со дна морей и океанов (авторское свидетельство SU №1099081, опубл. 23.06.1984 г.), у которой рама снабжена механизмом поперечного заноса одного конца относительно другого.
Недостатком установки является несущая рама, опирающаяся на две лыжи, которые создают дополнительные сопротивления повороту установки и не позволяют вести сплошную разработку морского дна, так как значительно ограничена зона возможного перемещения установки.
Известна шагающая установка для взятия проб со дна морей и океанов (авторское свидетельство SU №1151675, Е21С 45/00, опубл. 23.04.85), содержащая рабочий орган, ферму, тяговую тележку рабочего органа с возможностью продольного возвратно-поступательного движения, два опорных стола с вертикальными и горизонтальными шарнирами и механизмы поворота.
Недостатком устройства является то, что рабочий орган выполнен в виде многосекционных камерных пробоотборников, не позволяющих осуществлять захват груза, в частности нефтегазовых труб, что значительно ограничивает функциональные возможности установки.
Известно добычное шагающее устройство для подводной разработки полезных ископаемых (авторское свидетельство SU №471452, опубл. 25.05.1975 г.), включающее ферму, установленную на двух опорах, состоящих из платформы и телескопических штанг, рабочий орган и систему управления. Ферма подвешена к нижней поверхности платформ опор и шарнирно с ними связана, снабжена кронштейнами с роликами, взаимодействующими с кулаками, установленными на платформах опор подвижно, а рабочий орган снабжен тяговой тележкой для перемещения его по ферме.
Недостаток данного устройства заключается в том, что рабочий орган имеет ограниченную подвижность, так как отсутствует возможность поворота рабочего органа относительно продольной оси фермы, что снижает функциональные возможности установки в целом.
Известно шагающее устройство для подводной добычи полезных ископаемых (патент РФ №2601880, опубл. 10.11.2016), принятое за прототип, включающее ферму, опоры с платформами, телескопические штанги, рабочий орган, систему управления, при этом ферма снабжена противовесом с барабаном, охватываемым на один полный оборот гибким элементом, например тросом, жестко закрепленным на левом и правом концах фермы.
Недостаток данного устройства заключается в том, что не обеспечивается возможность перемещения рабочего органа как вдоль фермы, так и поворота относительно оси фермы на любой угол, что значительно ограничивает функциональные возможности установки, кроме того, рабочий орган не имеет средства захвата груза.
Техническим результатом является устранение указанных недостатков, а именно повышение степени подвижности рабочего органа, т.е. обеспечение движения рабочего органа вдоль продольной оси фермы и поворота относительно оси фермы, а также создания возможности захвата груза, например нефтегазовых труб.
Технический результат достигается тем, что ферма установки снабжена зубчатой рейкой и продольными направляющими, а рабочий орган выполнен в виде наружной и внутренней труб, концентрически установленных относительно фермы и друг друга, при этом внутренняя труба снабжена приводным зубчатым колесом, взаимодействующим с зубчатой рейкой фермы, а также кольцевыми направляющими, зубчатым венцом и ходовыми колесами, которые подвижно связаны с продольными направляющими фермы, а на наружной трубе установлены приводная шестерня, входящая в зацепление с зубчатым венцом, и ролики, связанные с кольцевыми направляющими внутренней трубы с возможностью вращательного движения, при этом на наружной трубе жестко закреплен телескопический манипулятор захвата груза, например нефтегазовых труб.
Шагающая установка для транспортирования и укладки нефтегазовых труб на морском дне поясняется следующими фигурами:
фиг. 1 - общий вид установки;
фиг. 2 - вид сверху на установку;
фиг. 3 - сечение фермы;
фиг. 4 - сечение рабочего органа;
фиг. 5 - сечение рабочего органа (рабочий орган повернут на 90°);
фиг. 6 - вид сбоку на рабочий орган;
фиг. 7 - вид реечного зацепления;
фиг. 8 - положение рабочего органа в начале цикла захвата трубы;
фиг. 9 - рабочий орган в момент захвата трубы;
фиг. 10 - установка в начале цикла шагания;
фиг. 11 - установка в конце цикла шагания;
фиг. 12 - положение установки в вертикальной плоскости (противовес с барабаном на прямолинейном участке фермы);
фиг. 13 - положение установки в вертикальной плоскости (противовес на правой консоли);
фиг. 14 - положение установки в вертикальной плоскости после поворота относительно правой опоры, где:
1 - несущая ферма;
2 - опора;
3 - рабочий орган;
4 - зубчатая рейка;
5 - продольная направляющая;
6 - прямолинейный участок фермы;
7 - левая консоль;
8 - правая консоль;
9 - наружная труба;
10 - внутренняя труба;
11 - приводное зубчатое колесо;
12 - ходовые колеса;
13 - продольная ось;
14 - наружная поверхность внутренней трубы;
15 - кольцевая направляющая;
16 - зубчатый венец;
17 - приводная шестерня;
18 - ролик;
19 - телескопический манипулятор;
20 - нефтегазовая труба;
21 - опорный стол;
22 - телескопическая штанга;
23 - опорный башмак;
24 - поворотная платформа;
25 - вилка;
26 - шарнирное соединение;
27 - противовес с барабаном;
28 - гибкий элемент (трос);
29 - пакет нефтегазовых труб;
30 - поверхность морского дна;
31 - привод шестерни;
32 - привод зубчатого колеса.
Шагающая установка для транспортирования и укладки нефтегазовых труб на морском дне включает несущую ферму 1 (фиг. 1), установленную на двух опорах 2 и рабочий орган 3.
Несущая ферма 1 снабжена зубчатой рейкой 4 и продольными направляющими 5 (фиг. 3). Несущая ферма 1 имеет прямолинейный участок фермы 6, а концы фермы изогнуты вверх, образуя симметричные консоли, левую 7 и правую 8 (фиг. 1, 2). Рабочий орган 3 (фиг. 4, 5) выполнен в виде наружной 9 и внутренней 10 труб, концентрически расположенных относительно несущей фермы 1 и друг друга.
Внутренняя труба 10 снабжена приводным зубчатым колесом 11, взаимодействующим с зубчатой рейкой 4 несущей фермы 1 и ходовыми колесами 12 (фиг. 6, 7). Ходовые колеса 12 взаимодействуют с продольными направляющими 5 фермы с возможностью возвратно-поступательного движения относительно продольной оси 13 фермы. На наружной поверхности внутренней трубы 14 рабочего органа жестко закреплены кольцевые направляющие 15 и установлен зубчатый венец 16.
На наружной трубе 9 рабочего органа 3 размещена приводная шестерня 17, входящая в зацепление с зубчатым венцом 16 внутренней трубы 10. Кроме того, наружная труба 9 снабжена роликами 18, взаимодействующими с кольцевыми направляющими 15 (фиг. 4,6) внутренней трубы 10, что обеспечивает возможность поворота наружной трубы 9 относительно внутренней трубы 10. На наружной трубе 9 жестко закреплен телескопический манипулятор 19 захвата груза (в частности, нефтегазовых труб 20).
Каждая из опор 2 (левая и правая) состоит из опорного стола 21 (фиг. 5), снабженного телескопическими штангами 22 с опорными башмаками 23, и поворотной платформы 24, выполненной с вилками 25 (фиг. 1), образуя шарнирное соединение 26 несущей фермы 1 с опорами 2.
Внутри несущей фермы 1 размещен противовес с барабаном 27 (фиг. 1), охватываемым на один полный оборот гибким элементом (тросом) 28, жестко закрепленным на левом и правом концах несущей фермы 1.
Работа шагающей установки с манипулятором рассмотрена на примере укладки нефтегазовых труб и осуществляется следующим образом.
Пакеты (фиг. 8) нефтегазовых труб 29 для проведения нефтепровода предварительно раскладывают на поверхности морского дна 30 с плавсредства (не показано). Пакеты труб могут располагаться как справа, так и слева от оси установки.
В начале цикла рабочий орган 3 располагается у левой опоры 2 (фиг. 10) шагающей установки рядом с пакетом нефтегазовых труб 29, при этом телескопический манипулятор 19 занимает положение (фиг. 8). При включении привода шестерни 31 (фиг. 6) осуществляют поворот наружной трубы 9 с телескопическим манипулятором 19 относительно внутренней трубы 10 (фиг. 9), в положение удобное для захвата трубы, при этом ролики 18 катятся по кольцевым направляющим 15. В указанном положении телескопический манипулятор 19 захватывает нефтегазовую трубу 20. Далее производят поворот телескопического манипулятора 19 с нефтегазовой трубой 20 (фиг. 5).
После этого включают (фиг. 6) привод зубчатого колеса 32 и перемещают рабочий орган с манипулятором, удерживающим нефтегазовую трубу 20, в направлении продольной оси 13 несущей фермы 1 на требуемое расстояние в пределах прямолинейного участка фермы 6 (фиг. 11). При этом ходовые колеса 12 перемещаются по продольным направляющим 5 несущей фермы 1. Далее включают привод шестерни 31 и поворачивают рабочий орган 3 с телескопическим манипулятором 19, опуская груз (нефтегазовую трубу 20) на поверхность морского дна 30 в новом положении, определяемом направлением трассы будущего нефтепровода.
Процесс укладки труб продолжается до тех пор, пока рабочий орган 3 не достигнет правой опоры 2 (фиг. 11), т.е. все трубы в пределах прямолинейного участка 6 фермы будут уложены.
Для продолжения процесса укладки труб включают механизм шагания установки, а именно включают привод (не показан) противовеса с барабаном 27 (фиг. 12) и перемещают его на конец правой консоли 8 (фиг. 13). При этом левая опора 2 отрывается от поверхности морского дна и происходит поворот несущей фермы 1 в вертикальной плоскости относительно центра шарнирного соединения 26 правой опоры 2. В указанном положении включают привод поворота (не показан) поворотной платформы 24 (фиг. 5) правой опоры 2 и осуществляют поворот несущей фермы 1 в горизонтальной плоскости. Величина угла поворота определяется направлением трассы прокладываемого трубопровода и может быть равна 180°.
Далее включают привод противовеса с барабаном 27 и перемещают его в сторону левой консоли 7. Как только противовес смещается от конца правой консоли 8, нарушается условие равновесия системы и поднятая левая опора 2 опускается и устанавливается на морском дне в новом положении (фиг. 14). Начинают новый цикл установки нефтегазовых труб последовательным перемещением рабочего органа 3 с манипулятором вдоль несущей фермы 1 по продольным направляющим 15 и поворотом манипулятора относительно оси фермы. По окончании отработки очередной заходки цикл шагания повторяется.
Движение шагающей установки для транспортирования и укладки нефтегазовых труб изменением положения ее центра масс перемещением противовеса с одной консоли на другую в соединении с перемещением рабочего органа вдоль оси фермы и поворотом его относительно оси фермы позволяет производить укладку нефтегазовых труб по трассе сложной (практически любой) конфигурации, а также использовать при ремонте нефтегазопроводов вырезку поврежденного участка с установкой новой трубы. Кроме того, шагающая установка позволяет перемещать любые грузы (например, рабочий инструмент, штанги, трубы и т.п.) на морском дне, а также применяется при освоении торфяных месторождений, при строительстве в сложных геологических условиях и т.п.