АППАРАТ ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ ТЕХНИЧЕСКОГО ОБСЛУЖИВАНИЯ И РЕМОНТНЫХ РАБОТ НА ТРУБОПРОВОДЕ ПОД ВОДОЙ
DEVICE FOR PERFORMANCE OF MAINTENANCE AND REPAIR WORK ON PIPELINE UNDER WATER

Изобретение относится к области технического обслуживания и ремонта линейно протяженных подводных объектов, а именно к техническому обслуживанию и ремонту (ТО и Р) подводных трубопроводов. Проблема ТО и Р подводных трубопроводов обостряется по мере все более широкого освоения шельфа в условиях отсутствия удовлетворительных аппаратов для ТО и Р.
Известен кессон для ремонта подводных трубопроводов (патент RU №2203360, МПК Е02В 23/00, приоритет от 20.02.2002 г.). Кессон представляет собой камеру, состоящую из двух разъемных частей, верхней и нижней, которые снабжены продольными и поперечными ребрами жесткости, расположенными снаружи камеры. Для установки кессона на трубопровод он снабжен сменными кольцами, соединенными с камерой болтовыми соединениями и выполненными из накладного стального листа и полуобечайки. Для уплотнения трубопровода и сменных колец использована листовая резина. На верхней части камеры кессона установлена шахта для входа водолаза в камеру. Камера снабжена грузоподъемными рамами и откидными площадками для обслуживания.
Однако конструкция кессона несовершенна, поскольку проблематично в подводной траншее завести нижнюю часть камеры под трубопровод без касаний, задиров, ударов, вмятин и царапин трубопровода, трудоемко отцентрировать ее по отношению к трубопроводу и еще более сложно собрать и герметично соединить под водой ее разъемные части с установкой уплотнений.
Известно устройство для проведения ремонтных работ на трубопроводе (патент RU №2159890, МПК F16L 55/18, приоритет от 29.04.1999 г.). Устройство состоит из полого корпуса с днищами с противоположно расположенными арочными вырезами, поворотного днища, выполненного в виде тонкостенной усеченной цилиндрической емкости, усиленной внутренними бандажами и ребрами, образующими цилиндрическую ферму, с закругленными несущими торцами с ответными арочными вырезами. Корпус и поворотное днище снабжены наростами по арочным вырезам. В корпусе установлены ролики, направляющие поворотное днище. По всей поверхности сопряжения поворотного днища с корпусом и нижней частью трубопровода проходит линия надувных уплотнительных элементов. По сопряженной поверхности корпуса с верхней частью трубопровода по обоим торцам также установлены надувные уплотнительные элементы. По сопряженным уплотнительным элементам установлены прижимы. Устройство также содержит самоцентрирующиеся надстройки с вложенными уплотнениями и опорными балками, талрепами и страховочными приспособлениями.
Недостатком устройства служит то, что уплотнения выполнены надувными. Это не исключает возможности их разрыва, прокола и, как следствие, разгерметизации камеры, поэтому невозможно применять их для ремонта трубопровода, особенно на больших глубинах. Жесткое соединение камеры с трубопроводом без устройства фиксации концов трубопровода в первоначальном положении при вырезке дефектного участка не позволяет использовать ее для ремонта трубопроводов с врезкой катушки.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому решению является камера для проведения ремонтных работ на подводном трубопроводе (патент RU №2269057, МПК F16L 55/18, приоритет от 05.07.2004 г.). Камера содержит полый корпус и поворотное днище в виде усеченных цилиндрических обечаек с гибко соединенными с ними несущими торцевыми элементами, охватывающими трубопровод, устройство поворота днища вокруг трубопровода, привод которого расположен на наружной поверхности корпуса, а на поворотном днище установлены зацепы для его реверсивного поворота и удержания по отношению к корпусу. В корпусе расположены направляющие поворотного днища и уплотняющие манжетные элементы - продольные и радиальные, снабженные в местах стыков узлами приема герметика, устройства подтопления продольных манжет. Камера снабжена центраторами для установки и удержания камеры на трубопроводе и для снятия эллипсности трубопровода в зоне арочных вырезов. Кроме того, камера снабжена надстройкой, состоящей из разъемной шахты обслуживания и площадки обслуживания.
Недостатком конструкции является то, что и корпус камеры, и поворотное днище выполнены из трех частей - центральной цилиндрической части и двух торцевых элементов (эллиптических днищ), соединенных с центральной частью гибкой связью с помощью фланцев и прокладок. Это создает дополнительные участки, требующие уплотнения, с одной стороны, а с другой - не решает полностью проблем, возникающих при ремонте с врезкой катушки.
Вторая ступень привода устройства поворота поворотного днища расположена на наружной поверхности корпуса, а на поворотном днище установлены зацепы для его реверсивного поворота и удержания по отношению к корпусу. Таким образом, привод находится внутри зоны герметизации камеры. Такая конструкция препятствует герметичной установке продольных манжетных уплотнений, снижает прочностные характеристики корпуса и усложняет изготовление поворотного днища.
Фиксация поворотного днища относительно корпуса осуществляется звездочками цепной передачи, что явно нетехнологично, поскольку возможно возникновение значительного люфта, не позволяющего выдержать постоянство зазора между поворотным днищем и корпусом.
Герметизацию зазора между корпусом камеры и поворотным днищем выполняют продольными резиновыми манжетами, которые вводят в зазор с помощью устройств подтопления, включающих в себя, в том числе, по три гидроцилиндра (с каждой стороны камеры) и рычажный механизм. Такая конструкция предполагает выполнение продольных вырезов в корпусе камеры по всей его длине, что снижает прочностные характеристики корпуса.
Зазор, необходимый для возможности монтажа камеры на трубопровод, герметизируется при помощи радиальных манжетных уплотнений, устанавливаемых в торцевых зонах как корпуса, так и поворотного днища. При этом остается неуплотненный участок на стыке радиальных манжетных уплотнений. Заполнение этого участка герметиком при отсутствии замкнутой полости нецелесообразно из-за значительных утечек герметика.
Для демонтажа камеры по окончании работы, а именно для обратного поворота поворотного днища, в начале движения необходимо применение двигателя с большим пусковым моментом, поскольку возможно заиливание ремонтного котлована, а также для преодоления тормозного усилия схватывания герметика.
Целью изобретения является создание аппарата для проведения технического обслуживания и ремонтных работ на трубопроводе под водой с повышенными техническими возможностями и надежностью.
В результате решения данной задачи появляется возможность получения технических результатов, состоящих в том, что предлагаемый аппарат обеспечивает безопасность и облегчение условий работы персонала по ТО и Р трубопровода, снижает трудоемкость монтажа аппарата на трубопровод, позволяет выполнять ремонтные работы на трубопроводе под водой, включая вырезку - врезку отдельных участков трубопровода, сокращает финансовые и материальные затраты.
Поставленная цель достигается тем, что в аппарате для проведения ТО и Р на трубопроводе под водой, содержащем полые корпус и поворотное днище в виде цилиндрических обечаек с продольными вырезами и опорными наростами по торцам, охватывающими трубопровод по арочным вырезам, устройство поворота поворотного днища относительно корпуса вокруг трубопровода, радиальные уплотняющие элементы, систему подачи герметика, центраторы с тросами для установки аппарата на трубопроводе и для снятия эллипсности трубопровода в зоне арочных вырезов, надстройку в виде разъемной, из нескольких царг, шахты обслуживания и площадку обслуживания, согласно изобретению поворотное днище выполнено цельносварным, с вваренным в него донным клапаном, у корпуса один опорный нарост выполнен цельносварным с цилиндрической частью, а второй - на фланцевом соединении с цилиндрической частью, с установленными на днище настилом для удобства работы ремонтной бригады и люком донного клапана, корпус выполнен из двух частей, с применением жесткого фланцевого соединения, одна из которых представляет собой торцевой элемент с арочным вырезом и фланцем и опорным наростом, а другая - цилиндрическую обечайку с продольным вырезом с приваренными к ней торцевым элементом с арочным вырезом и опорным наростом с одной стороны и фланцем с другой, что обеспечивает возможность сборки и разборки аппарата без огневых работ; вторая ступень привода устройства поворота поворотного днища расположена вне корпуса и выполнена в виде открытых двухступенчатых цевочных передач с круглым зубом, прикрытых защитными кожухами. Такая конструкция исключает необходимость в уплотнении между корпусом и поворотным днищем в зоне сцепления последнего с приводом, не оказывает отрицательного влияния на прочностные характеристики корпуса и упрощает изготовление поворотного днища. Тип передачи выбран из соображений ее работы в заиленной воде с содержанием песка (в пульпе), в болотной жиже и т.п.
Непосредственный контакт поворотного днища с корпусом (опора вращения) выполнен по принципу подшипников скольжения с применением переходных втулок между опорно-поворотными наростами поворотного днища и опорными наростами корпуса аппарата, например, из бронзы, капролактама или другого материала необходимой прочности с приемлемым коэффициентом трения скольжения. В другом варианте исполнения втулок возможно нанесение на трущиеся части опорных наростов корпуса и опорно-поворотных наростов поворотного днища покрытия, обеспечивающего приемлемое скольжение, например применение баббитовой заливки, для чего на внутренней поверхности опорного нароста корпуса выполняют, например, пазы типа «ласточкин хвост», в которые заливают баббит, что позволяет обеспечить постоянство зазора между поворотным днищем и корпусом и усовершенствовать работу радиальных уплотняющих элементов между аппаратом и трубопроводом.
Для герметизации зазора между корпусом и поворотным днищем к ним по всему периметру аппарата, включая торцевые элементы, приварены полки со скосами, которые центрируют поворотное днище относительно корпуса в заданном положении. В полках выполнены продольные канавки, образующие замкнутые полости, заполняемые герметиком, и отверстия для выхода вытесняемой им воды, что позволяет исключить продольные манжетные уплотнения и устройства их подтопления, исчезают продольные вырезы в корпусе аппарата, что повышает его прочность; монтажный зазор между аппаратом и трубопроводом герметизируется при помощи радиальных уплотняющих элементов в виде разрезных манжет специального сечения. Пространство между манжетами представляет собой замкнутую полость, заполняемую герметиком; подача герметика в продольные и радиальные полости герметизации осуществляется с помощью гидро- или пневмоцилиндров, установленных по всему периметру аппарата. Полезный объем цилиндров заполняется герметиком непосредственно перед монтажом аппарата (на берегу). Привод цилиндров выполнен от узла создания давления (насосная станция, компрессор и т.д.), установленного на площадке обслуживания, с помощью рукавов высокого давления. Для удержания поворотного днища в рабочем положении на корпусе установлено устройство фиксации поворотного днища, представляющее собой гидро- или пневмоцилиндры высокого давления с рычажным механизмом, количество которых устанавливается расчетом. При этом усилие, создаваемое устройством фиксации поворотного днища, больше усилия, создаваемого узлом создания давления для привода цилиндров подачи герметика.
Фиксация концов трубопровода при вырезке дефектного участка осуществляется устройством, закрепленным на корпусе аппарата и предотвращающим снижение жесткости трубопровода и недопустимое смещение его концов. Устройство опирается о дно водного объекта с помощью регулируемых, например гидравлических, опор и одновременно служит для разгрузки трубопровода от веса аппарата.
Для обратного поворота поворотного днища при демонтаже аппарата на корпусе установлено устройство страгивания поворотного днища относительно корпуса при заиливании ремонтного котлована и для преодоления тормозного усилия схватывания герметика, представляющее собой гидро- или пневмоцилиндры высокого давления импульсного действия с рычажным механизмом, количество которых устанавливается расчетом. При этом усилие, создаваемое устройством страгивания поворотного днища, всегда больше, чем сумма тормозного усилия схватывания герметика и усилия преодоления заиливания ремонтного котлована при любом сроке работы аппарата под водой; для контроля возможных протечек в рабочей зоне аппарата после откачки из него воды в шахте обслуживания установлен трубопровод для спуска лота с датчиком уровня и наличия воды.
На фиг.1 и 2 представлен общий вид аппарата для проведения технического обслуживания и ремонтных работ на трубопроводе под водой (главный вид и вид сбоку соответственно), на фиг.3 - кинематическая схема устройства поворота поворотного днища, на фиг.4 - узлы подачи герметика в продольную полость герметизации, на фиг.5 - устройство фиксации поворотного днища относительно корпуса в рабочем положении и устройство страгивания поворотного днища относительно корпуса при демонтаже аппарата, на фиг.6 - донный клапан с приводом, на фиг.7 - радиальный уплотняющий элемент и контакт поворотного днища с корпусом через переходную втулку, на фиг.8 - манжета радиального уплотняющего элемента.
Аппарат состоит из следующих основных частей:
- полого корпуса 1, представляющего собой конструкцию, состоящую из цилиндрической обечайки с продольным вырезом, к которой с одной стороны приварен торцевой элемент 2 с арочным вырезом и опорным наростом, а с другой - фланец 3 для крепления второго торцевого элемента 4 с арочным вырезом и опорным наростом. К верхней части корпуса 1 приварено основание надстройки 5 для крепления комплекта царг 6, к нижней части - опорные лапы 7, выполняющие только транспортную функцию. Соединение нижней царги 6 с основанием надстройки 5 и царг 6 между собой может быть выполнено любым герметичным способом (фланцевое соединение с прокладкой, хомутовый затвор и т.п.);
- полого поворотного днища 8, представляющего собой конструкцию, состоящую из цилиндрической обечайки с продольным вырезом и приваренных к ней по торцам, например, эллиптических днищ с арочными вырезами и опорно-поворотными наростами. На поворотном днище 8 установлено основание 9 люка донного клапана, с которым шарнирно соединена крышка 10 люка с опорным элементом 11, имеющим сферическую выемку. В закрытом положении крышка люка удерживается механическим и ручным приводами. Гидро- или пневмоцилиндр 12 механического привода закреплен на нижней царге 6 в отдельном отсеке 13 шахты и имеет шток 14 со сферическим концом. Также на днище установлен разборный настил 15;
- двух центраторов-захватов 16 с двумя направляющими тросами или штангами 17 каждый, которые проходят через втулки 18, приваренные к корпусу 1 аппарата;
- устройства поворота поворотного днища 8, включающего в себя приводной двигатель любого принципа действия (гидромотор, электродвигатель и т.п.) 19, редуктор 20 и две двухступенчатые открытые цевочные передачи 21, расположенные вне корпуса 1 аппарата с двух его сторон, и прикрытые защитными кожухами. В кожухах расположены подшипниковые опоры валов цевочных передач. Ведомое колесо второй ступени цевочной передачи выполнено в виде зубчатого сектора для возможности монтажа аппарата на трубопровод, валом для этого колеса служит опорно-поворотный нарост поворотного днища 8;
- устройства фиксации концов трубопровода в первоначальном положении при вырезке дефектного участка, состоящего из двух частей, каждая из которых представляет собой трубный узел 22 того же сечения, что и трубопровод, к концам которого приварены несущие металлоконструкции 23 с захватами 24. Каждая часть соединена с корпусом 1 аппарата с помощью шарниров 25, а с трубопроводом - с помощью захватов 24. Между собой захваты 24 соединены штоками (гидравлическими, пневматическими или винтовыми), например штоками гидроцилиндров 26. На трубных узлах 22 установлены люки 27 с механическим (гидравлическим или пневматическим) приводом для впуска - выпуска воздуха и воды, а также выдвижные регулируемые, например гидравлические или пневматические опоры 28;
- радиальных уплотняющих элементов для уплотнения монтажного зазора между аппаратом и трубопроводом, состоящих из двух разрезных манжет 29 каждый, закрепленных в канавках опорно-поворотных наростов 30 поворотного днища 8 болтами 31; длина каждой манжеты равна длине окружности трубопровода с припуском на соответствующую разделку концов;
- системы подачи герметика, состоящей из узла создания давления (насосной станции, компрессора, газовых баллонов и др.), расположенного на площадке обслуживания (не показаны), комплекта рукавов высокого давления 32 и узлов подачи герметика в замкнутые полости герметизации, расположенные по периметру аппарата (продольные) и между аппаратом и трубопроводом (радиальные). Узел подачи герметика представляет собой гидро- или пневмоцилиндр 33, закрепленный на корпусе 1 аппарата, с арматурой 34 для подсоединения рукава высокого давления 32. Пресс-масленка 35 установлена на корпусе 1 камеры для предотвращения самопроизвольного вытекания герметика из цилиндра 33 внутрь аппарата. При этом объем цилиндров 33 выбирается так, что и при отказе работы части цилиндров 33 суммарный объем герметика, подаваемого в зоны герметизации, будет достаточным для полной герметизации аппарата;
- устройства фиксации поворотного днища 8 относительно корпуса 1 в рабочем положении во время подачи и схватывания герметика, при этом усилие от штока гидро- или пневмоцилиндра 36 к поворотному днищу 8 передается, например, при помощи рычажного механизма, состоящего из рычага 37, опоры 38 и оси вращения 39;
- устройства страгивания поворотного днища 8 относительно корпуса 1 при демонтаже аппарата, при этом усилие от штока гидро- или пневмоцилиндра 40 к поворотному днищу 8 передается строго по направлению вращения, например, при помощи рычажного механизма, состоящего из рычага 41, опоры 42 и оси вращения 43;
- трассы линий жизнеобеспечения - электропитания (освещение), откачки воды, вентиляции и рукавов высокого давления механических приводов цилиндров и устройства поворота поворотного днища 8. Трасса проходит по отдельному отсеку 13 шахты обслуживания. В отсеке 13 также установлен трубопровод для спуска лота с датчиком наличия воды (не показан). Для вывода рукавов высокого давления из нижней царги 6 наружу используется панель разъемов;
- для герметизации аппарата в продольном направлении к корпусу 1, включая торцевые элементы 2 и 4, и к поворотному днищу 8 по всему периметру приварены полки 44, имеющие скосы. Скосы центрируют поворотное днище 8 относительно корпуса 1 в заданном положении. В полках 44 выполнены продольные канавки, образующие замкнутые полости, заполняемые герметиком, отверстия для подачи герметика из цилиндров 33 и отверстия для выхода вытесняемой герметиком из полостей герметизации воды, при этом отверстия для выхода воды расположены между отверстиями для подачи герметика;
- опорами вращения поворотного днища 8 относительно корпуса 1 являются своеобразные подшипники скольжения. Функцию цапф выполняют опорно-поворотные наросты 30 поворотного днища 8. Функцию вкладышей - опорные наросты 45 корпуса 1 аппарата с переходной втулкой 46;
- для спуска и подъема обслуживающего персонала и оборудования в шахте обслуживания установлены лифт (клеть) и аварийная лестница (не показаны).
Опорами аппарата в целом служат:
- при транспортировке - опорные лапы 7;
- при монтаже на трубопровод - сегменты-опоры 47;
- при ремонте - выдвижные регулируемые опоры 28.
Аппарат работает следующим образом. Перед спуском аппарата поворотное днище 8 устанавливают продольным вырезом вниз с помощью устройства поворота; крышка 10 люка донного клапана находится в открытом положении под действием собственного веса; закрывают люки 27 на трубных узлах 22 устройства фиксации концов трубопровода; заполняют цилиндры 33 герметиком и подсоединяют их с помощью арматуры 34 к рукавам высокого давления 32. Монтаж аппарата на трубопровод осуществляют с помощью грузоподъемных механизмов, установленных на плавсредстве.
В первую очередь опускают центраторы-захваты 16 с тросами или штангами 17 и закрепляют их на трубопроводе на заданном расстоянии друг от друга. Далее опускают аппарат в собранном для монтажа виде, используя в качестве направляющих, например, тросы или штанги 17 центраторов-захватов 16, предварительно пропустив их через втулки 18. По мере спуска аппарата в воду собирают надстройку, устанавливая ее на основании 5 корпуса 1 и соединяя между собой царги 6 и разъемы линий жизнеобеспечения.
В конце спуска аппарат оказывается в предварительно вырытом котловане, опираясь на трубопровод сегментами-опорами 47. После этого, для разгрузки трубопровода от веса аппарата, из трубных узлов 22 устройства фиксации выпускают воздух, открыв люки 27. Трубные узлы 22 заполняются забортной водой и тонут, поворачиваясь вокруг шарниров 25. Захваты 24 сходятся вокруг трубопровода, центруются и фиксируются штоками цилиндров 26. С помощью регулируемых опор 28 аппарат устанавливается на дне водного объекта.
При необходимости с помощью центраторов-захватов 16 устраняют эллипсность трубопровода в зонах его контакта с аппаратом.
По команде водолаза включают привод устройства поворота поворотного днища 8. Вращение с вала приводного двигателя 19 через редуктор 20 передается на цевочные передачи 21, которые в свою очередь плавно приводят во вращение поворотное днище 8 по опорно-поворотным наростам 45 корпуса 1, и оно занимает рабочее положение (продольным вырезом вверх, скосы полок 44 входят друг в друга), что фиксируется концевыми выключателями (не показаны). При этом манжеты радиальных уплотняющих элементов 29, закрепленные болтами 31 в канавках опорно-поворотных наростов 30 поворотного днища 8, занимают свои места в канавках опорных наростов 45 корпуса 1, принимая форму кольца. Скосы планок 44 образуют замковое соединение и центрируют поворотное днище 8 относительно корпуса 1 в заданном положении.
Фиксируют поворотное днище 8 относительно корпуса 1 в рабочем положении, включая цилиндры 36, их штоки упираются в рычаги 37, которые передают усилие на поворотное днище 8, вращаясь на осях 39 относительно опор 38.
С помощью узла создания давления по рукавам высокого давления 32 в цилиндры 33 узлов подачи герметика нагнетают рабочую среду, которая давит на поршень цилиндра 33, вытесняя герметик в масленку 35. Из масленки 35 герметик поступает в полости герметизации. Герметик выдерживают до схватывания, затем штоком 14 цилиндра 12 фиксируют крышку 10 люка донного клапана через опорный элемент 11 в закрытом положении, откачивают воду и проверяют аппарат на отсутствие протечек лотом с датчиком (не показан), при этом остаточный уровень воды в аппарате не должен быть выше настила 15. Основание 9 люка донного клапана установлено на поворотном днище 8 радиально, но со смещением от вертикальной оси аппарата. Крышка 10 люка выполнена не круглой, а вытянутой формы по направлению к штоку 14 и с усом, для того чтобы, с одной стороны, шток 14 не задевал трубопровод при своем движении, а с другой, чтобы верхняя точка поворотного днища 8 в монтажном положении находилась внутри отверстия основания 9 люка донного клапана.
Подают электроэнергию для освещения, свежий воздух, вентилируют аппарат, устанавливают настил 15. Крышку 10 люка донного клапана фиксируют в закрытом положении вручную, а шток 14 цилиндра 12 механического привода поднимают в шахту для удобства проведения ремонтных работ. Устанавливают ремонтное оборудование и производят ремонт.
После окончания ремонта, перед поворотом поворотного днища 8 в монтажное положение, аппарат заполняется водой через донный клапан для выравнивания внутреннего и внешнего давлений. Начало поворота (страгивание поворотного днища 8 относительно корпуса 1) обеспечивают включением цилиндров 40 устройства страгивания поворотного днища, их штоки упираются в рычаги 41, которые передают усилие на поворотное днище 8 строго по направлению вращения, вращаясь на осях 43 относительно опор 42. Далее включают приводной двигатель 19 привода устройства поворота поворотного днища 8 на реверс и приводят поворотное днище 8 в монтажное положение (продольным вырезом вниз).
На следующем этапе штоки цилиндров 26 устройства фиксации концов трубопровода выводятся из зацепления, вода из трубных узлов 22 через нижние люки 27 (верхние люки закрыты) вытесняется сжатым воздухом, подаваемым от компрессора, установленного на площадке обслуживания. Обе части устройства всплывают, захваты 24 освобождают трубопровод. Аппарат готов к подъему. Во время подъема аппарата донный клапан остается открытым для выхода воды из шахты. Разборка шахты осуществляется в обратной последовательности.