КОМПЛЕКС ДЛЯ ПЛАЗМЕННО-ДУГОВОЙ ОЧИСТКИ НАРУЖНОЙ ПОВЕРХНОСТИ МАГИСТРАЛЬНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ

Область техники
Предлагаемый комплекс относится к трубопроводному транспорту и может найти применение в нефтяной и газовой промышленности, а так же в коммунальном и водном хозяйстве для очистки наружной поверхности трубопроводов от грязи, окалины, ржавчины и старой изоляции.
Данный комплекс может быть использован при выполнении ремонтных работ магистральных нефте- и газопроводов.
При производстве ремонтных работ трубопровод извлекают из траншеи. Для его диагностики в первую очередь его необходимо очистить от старой битумной, резино-битумной, полимерной или другой изоляции. При этом на поверхности трубы не должно быть остатков старой изоляции. После ремонта трубопровода на него наносят новое изолирующее покрытие. При этом для надежного сцепления защитного покрытия с поверхностью трубы, труба должна быть очищена до чистого металла, т.е. должны быть удалены все оксиды (ржавчина и окалина) и любые масляные и жировые пятна. Для такой очистки и предназначен предлагаемый комплекс плазменно-дуговой очистки наружной поверхности трубопровода.
Предшествующий уровень техники
Известные устройства для очистки наружной поверхности трубопроводов основаны:
- На использовании щеток и рамы с вмонтированным приводом, обеспечивающих возвратно-поступательное перемещение щеточного узла вдоль трубы, а так же средства для возвратно-поступательного перемещения очищаемой трубы (авторской свидетельство СССР №640.772, патенты РФ №№2.093.280, 2.145.911, 2.212.959, патент США №4.771.499 и другие)
- На использовании скребков, рамы, привода и коленных опор (авторское свидетельство СССР №1.645.048, патенты РФ №№2.113.288, 2.219.004, патент США №6.158.074 и другие)
- На использовании клетей с размещенными в них обдирающими валками с установленным на валках инструментом, снабженные приводом вращения валков (авторские свидетельства СССР №№168.894, 192.152, 607.863, 668.576, патент РФ№2.383.403 и другие)
- На использовании дробеструйных аппаратов и устройства автоматического выравнивания трассовой самодвижущей машины (авторское свидетельство СССР №№112.900, 333.030, 1.549.735, патенты РФ №№2.134.191, 2.148.522, 2.165.350, 2.170.167, 2.173.650, 2.240.223, 2.281.850, патенты США №№5.056.27, 5.107.633, 5.267.417 и другие
- На использовании роторных машин, резцов и рычагов (авторское свидетельство СССР №№1.329.845, 1.528.582, патенты РФ №№2.128.092, 2.132.245, 2.163.172, патент США №5.603.136 и другие)
- На использовании рамы с ходовыми колесами, механизма привода рабочих органов и пульта управления (авторское свидетельство СССР №995.908, патенты РФ №№2.145.911, 2.219.003, патент США №4.306.914 и другие)
Из известных устройств наиболее близким к предлагаемому является «трассовая самодвижущая машина для очистки дробью труб, нефтегазопроводов (патент РФ №2 281 850, B24C 3/06, 2006)
Известное устройство содержит раму (корпус), на которой смонтированы механизмы продольного перемещения корпуса и углового перемещения рабочих органов очистки (струйных аппаратов), устройство автоматического выравнивания корпуса на трубе по вертикали, шкаф с электроаппаратурой и с пультом управления.
Устройство обеспечивает очистку труб любого диаметра от грязи и старой изоляции. Рама выполнена разъемной на шарнире с возможностью установки ее на трубопровод сверху вниз с последующим скреплением в нижней части.
Рабочими органами, посредством которых осуществляется очистка трубопровода являются струйные аппараты, в которых потоком струи воздуха или механически (центробежными турбинами) ускоряются твердые частицы (металлическая дробь, кусочки абразива или песок) в направлении поверхности трубы. Очистка поверхности трубы осуществляется в результате взаимодействия струи «факела» высокоэнергетичных частиц (дробь, абразивы, песок) из струйных аппаратов с поверхностью трубы. Струйные аппараты равномерно распределены по периметру очищаемой трубы с возможностью маятникового отклонения струй относительно поверхности трубы перпендикулярно оси трубы.
Количество струйных аппаратов обеспечивает очистку сплошного кольцевого участка поверхности трубы, а поступательное движение всей машины вдоль трубы обеспечивает ее очистку.
Все перечисленные устройства, предназначенные для очистки магистральных трубопроводов, имеют существенные недостатки:
- Всякая механическая очистка (щетки, скребки, дробь, абразивы и песок) не обеспечивает высокое качество очистки, особенно в зимнее время много грязи и следов защитного покрытия остается на поверхности труб.
- В результате механической очистки повреждается поверхность трубы, частично срезается валик сварного шва, что ухудшает прочность трубы,
- Механическая очистка скребками и металлическими щетками требует частой замены режущего инструмента,
- Очистка дробью песком и абразивами требует много расходных материалов, приводит к большим потерям расходных материалов и загрязнению окружающей среды,
- Все механические устройства для очистки труб низкопроизводительны, не обеспечивают высокого качества и вредны для обслуживающего персонала и окружающей среды.
Существенными признаками заявляемой полезной модели, совпадающими с аналогом являются:
- Наличие разъемной рамы, передвижной мобильной электростанции, передвижного транспортного средства для доставки комплекса очистки к месту работы, наличие роторов. Которые расположены концентрично трубе с возможностью углового вращательного движения, наличие на очистной машине приводов вращательного движения роторов и линейного перемещения всей очистной машины вдоль трубы, наличие шкафа с электроаппаратурой и пульта управления.
Сущность полезной модели
11
2
Сущность полезной модели выражается в применении принципиально нового способа очистки металлической поверхности трубы от любых загрязнений. Этот способ заключается в кратковременном воздействии низкотемпературной плазмы с температурой порядка 10000°С и плотностью энергии 10 Вт/м на очищаемую поверхность трубы.
2
2
При указанной температуре и плотности энергии все известные химические соединения мгновенно испаряются или сублимируют. Сложные органические молекулы битума, полиэтилена и других веществ, входящих в состав защитных покрытий трубопроводов, и оксиды (окалина и ржавчина) диссоциируют, образуя высокотемпературный газ из возбужденных атомов углерода, водорода и кислорода. В этом газе в свою очередь интенсивно протекают химические реакции рекомбинации с образованием простейших безопасных химических соединений типа CO и HO.
Такому превращению канцерогенных молекул в простейшие безопасные соединения способствует использование в качестве плазмообразующих рабочих тел углеводородов и добавок водорода.
На этом принципе сегодня работают термические установки по утилизации химического оружия и токсичных химических соединений. (М.Н. Бернадинер, А.П. Шурыгин «Огневая переработка и обезвреживание промышленных отходов». М.: Химия, 1990.)
Использование пропановых или ацетиленовых горелок при очистке трубопроводов не приводит к такому эффекту в силу низкой температуры и плотности энергии в струе продуктов горения этих горелок. Наоборот, это приводит к газификации сложных органических молекул, которые являются вредными, например, при низкотемпературном (обычном) сжигании мусора, что приводит только к загрязнению окружающего пространства.
Существенными признаками полезной модели являются применение генераторов низкотемпературной плазмы в качестве рабочего инструмента для очистки магистрального трубопровода от старой изоляции и любых других загрязнений.
Генераторы плазмы применены двух типов. Первый тип - это факельные генераторы низкотемпературной плазмы. Газо- или парообразное плазмообразующее рабочее тело под давлением подается в генератор. Под воздействием мощного электродугового разряда поток газа или пара превращается в реактивном сопле факельного генератора в высокоскоростной поток окислительной, нейтральной или восстановительной плазмы - факел. Удаление любых загрязнений с поверхности трубы происходит за счет сканирования одного или нескольких плазменных факелов по поверхности очищаемой трубы. Для этого факельные генераторы устанавливают на роторы очистной машины, которые с помощью приводов совершают круговое и поступательное движение вдоль трубы.
Для того чтобы нейтрализовать испарившиеся частицы загрязнений, их струями генераторов плазмы направляют в зазор между еще неочищенной частью трубы и охлаждаемым концентричным трубе кожухом. Кожух размещен впереди очистной машины и механически скреплен с рамой очистной машины. Факелы генераторов низкотемпературной плазмы направлены под острым углом к поверхности трубы в сторону продольного движения очистной машины по трубопроводу.
Второй тип генераторов плазмы - генераторы плазмы финишной очистки. Они предназначены для финишной, т.е. чистовой очистки поверхности трубы до металлического блеска от оксидов (окалины и ржавчины) под нанесение нового защитного покрытия. Они представляют собой специальные плоские электроды с подачей через них плазмообразующих рабочих тел.
Принцип их действия заключается в генерации нейтральной или восстановительной низкотемпературной плазмы в тонком зазоре между электродом и поверхностью трубы (труба при этом является вторым электродом), предварительно очищенной факельными генераторами от старой изоляции и другой грязи. Электроды финишной очистки перемещают над поверхностью трубы, предварительно очищенной факельными генераторами плазмы. В основе работы электродов финишной очистки лежит термическая химическая реакция восстановления оксидов и известный эффект катодного распыления (Ильященко Д.П., Томас К.И. Технология сварочного производства, М: 2011 г.). Электроды финишной очистки размещены на роторах.
В зависимости от количества загрязнений, прочности и состава старого защитного покрытия подбирается мощность факельных генераторов низкотемпературной плазмы и электродов финишной очистки, схема их размещения на роторах и количество.
Принцип работы плазменно-дуговой очистки позволяет использовать комплекс в любое время года, любых погодных условиях и в сложном рельефе местности.
Перечень фигур чертежей
На фиг. 1 и фиг. 2 представлены схемы комплекса для плазменно-дуговой очистки наружной поверхности магистральных трубопроводов:
1. Транспортное средство.
2. Передвижная электростанция.
3. Роторы углового перемещения генераторов плазмы и электродов.
4. Приводы углового перемещения роторов и линейного перемещения очистной машины.
5. Система хранения и подачи плазмообразующих рабочих тел.
6. Шкаф с электроаппаратами.
7. Пульт управления.
8. Факельный генератор низкотемпературной плазмы.
9. Система подачи плазмообразующих рабочих тел.
10. Емкость хранения плазмообразующих рабочих тел для факельных генераторов низкотемпературной плазмы.
11. Емкость для хранения плазмообразующих рабочих тел для электродов финишной очистки.
12. Магистральный трубопровод.
13. Кожух дожигания.
14. Электроды финишной очистки.
15. Кольцевые коллекторы подачи жидкости или газов в зазор между кожухом и поверхностью очищаемой трубы.
16. Форсунки распыления жидкости или газа кольцевого коллектора.
17. Поддон с насосами подачи воды в коллекторы.
18. Корпус очистной машины.
19. Погрузочный механизм.
20. Штанга крепления кожуха дожигания к корпусу очистной машины.
Комплекс для плазменно-дуговой очистки наружной поверхности магистральных трубопроводов при транспортировке находится на транспортном средстве повышенной проходимости 1. На нем же находится передвижная электростанция 2. Кроме этого на транспортном средстве могут находиться система подачи плазмообразующих рабочих тел 9, емкости хранения плазмообразующих рабочих тел для факельных генераторов низкотемпературной плазмы 10 и емкости для хранения плазмообразующих рабочих тел для электродов финишной очистки 11.
Транспортное средство 1 может быть снабжено перегрузочным устройством 19 для установки очистной машины 18 на магистральный трубопровод 12. Это же перегрузочное устройство может служить поддерживающим элементом во время работы очистной машины 18.
Перед работой очистная машина 18 устанавливается на магистральный трубопровод 12 таким образом, чтобы кожух очистки 13 размещался впереди очистной машины 18 по ходу ее движения по магистральному трубопроводу 12.
На корпусе очистной машины 18 размещены ротор или несколько роторов 3 углового вращения вокруг трубопровода 12, приводы 4 углового перемещения роторов 3 и линейного перемещения корпуса очистной машины 18 по трубопроводу 12, системы хранения и подачи 5 в генераторы низкотемпературной плазмы 8 или электроды финишной очистки 14.
На роторе или нескольких роторах 3 размещены факельные генераторы низкотемпературной плазмы 8 и электроды финишной очистки 14 с возможностью углового вращения над очищаемой поверхностью трубопровода 12. В передней части очистной машины 18 по ходу ее перемещения по трубопроводу 12 размещен кожух дожигания 13 сопряженный с корпусом очистной машины 18. Между очищаемым трубопроводом 12 и внутренней поверхностью кожуха 13 есть зазор А. Кожух 13 имеет систему охлаждения и коллекторы 15, к которым подведена жидкость или газ. Коллекторы по периметру имеют форсунки 16, направленные в зазор А между кожухом дожигания 13 и внешней поверхностью трубопровода 12. На корпусе очистной машины 18 размещен шкаф с электроаппаратами 6 для управления всеми электроагрегатами очистной машины. Пульт управления 7 для управления работой всего комплекса очистки трубопровод. Поддон 17 размещен под кожухом дожигания 13 для сбора остатков загрязнений с поверхности трубопровода 12. Корпус дожигания 13 закреплен на корпусе очистной машины 18 штангой 20.
Работа комплекса
2
2
Для проведения ремонта или профилактического осмотра на участок магистрального трубопровода 12 с помощью транспортного средства 1 доставляются очистная машина 18, передвижная электростанция 2 и другие системы. Очистная машина 18 с помощью погрузочного механизма 19 устанавливается на трубопровод 12. От передвижной электростанции 2 осуществляется питание электроэнергией всех токоприемников. Для очистки трубопровода от старой изоляции включают факельные генераторы низкотемпературной плазмы 8. Под воздействием струй плазмы, имеющих температуру до 10000°C, любые вещества на поверхности трубы газифицируются, и под воздействием напора струи поступают в зазор А между кожухом дожигания 13 и внешней поверхностью трубопровода 12. В этом зазоре под воздействием высокотемпературных струй плазмы продукты разложения сгорают с образованием простейших соединений типа CO и HO. поскольку генераторы 8 находятся на вращающихся роторах 3, а те в свою очередь на корпусе очистной машины 18, то воздействию факельной плазмы подвергается вся поверхность трубопровода 12, угловое движение генераторов 8 и поступательное движение корпуса очистной машины 18 обеспечивают приводы 4. Несгоревшие остатки загрязнений и старой изоляции собираются в поддоне 17 с водой. Вода из поддона 17 с помощью насоса (не показан) подается в коллекторы 15 и форсунки 16 для гашения пламени и удаления аэрозольных частиц из области дожигания. В отдельных случаях в коллекторы могут подаваться газы для управления процессом дожигания.
С помощью факельных генераторов плазмы 8 поверхность трубопровода 12 очищается от всех видов загрязнений кроме оксидов (окалины и ржавчины). Очистка поверхности трубопровода 12 от оксидов осуществляется электродами финишной очистки 14, которые также находятся на роторах 3, и сканируют электроды над всей поверхностью трубопровода 12. Для обеспечения работы факельных генераторов низкотемпературной плазмы 8 и электродов финишной очистки 14 в них подаются плазмообразующие рабочие тела из емкостей 10, 11 и 5 с помощью систем подачи 9 и 5.
С пульта управления 7 осуществляется управление электроаппаратами в шкафу 6, а именно всеми факельными генераторами 8, электродами финишной очистки 14, передвижной электростанцией 2, скоростью углового и продольного перемещения рабочих органов очистки, осуществляется управление и контроль над системами подачи плазмообразующих рабочих тел, управляются все вспомогательные системы.
Предлагаемый комплекс для плазменно-дуговой очистки наружной поверхности магистральных трубопроводов изготовлен, и прошел всесезонные и всепогодные испытания в ООО «Газпром трансгаз Санкт-Петербург». Очистке от старой изоляции и любых других загрязнений подверглись трубопроводы диаметром 1020 мм. Очистной комплекс по всем показателям превзошел все существующие машины механической очистки трубопроводов.