УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СКОРОСТИ И НАПРАВЛЕНИЯ ДВИЖЕНИЯ ГРУНТА ОТНОСИТЕЛЬНО ПОДЗЕМНОГО ТРУБОПРОВОДА

Устройство для измерения скорости и направления движения грунта относительно подземного трубопровода относится к нефтяной и газовой промышленности и может быть использована при эксплуатации трубопроводов, расположенных в оползневых массивах, для принятия своевременных мер по их защите при перемещениях грунта, вызванных нарушением весового баланса в результате сезонного оттаивания, насыщения грунта водой или иными причинами.
Известно устройство для измерения направления и скорости движения грунта относительно подземного трубопровода содержащее корпус, соединенный с ним посредством сферического шарнира измерительный рычаг с измерительным наконечником на одном, выступающем из корпуса конце, двухкоординатный узел отсчета перемещений, размещенный внутри корпуса и взаимодействующий с другим концом измерительного рычага, причем измерительный наконечник выполнен в виде двух взаимно перпендикулярных пластин, жестко закрепленных на измерительном рычаге и параллельных его оси, а двухкоординатный узел отсчета перемещений включает постоянный магнит, закрепленный на измерительном рычаге, и два феррозонда, расположенные под углом 90° друг к другу и соединенные через преобразователи магнитного поля с регистрирующим устройством. (1) (Патент RU 2205919, кл. С2 7 E02D 1/00, G01B 5/00, опубл. 2003 г.).
Недостатком известного устройства является малый диапазон и низкая точность измерения перемещений при работе устройства в связных грунтах. Часть измерительного рычага с пластинами находится в грунте, который при своем смещении оказывает сопротивление угловым перемещениям рычага. С увеличением угла наклона рычага уменьшается эффективная площадь пластин, на которую воздействует давление грунта, что уменьшает и силу, вращающую рычаг. По мере увеличения наклона возрастает сила, растягивающая рычаг, а сила давления рычага на грунт соответственно уменьшается. Поэтому при определенном угле наклона силы сопротивления повороту рычага уравновесят силы, вращающие его, и движение рычага прекратится, хотя перемещение грунта будет происходить. Очевидно, что этот угол наклона, соответствующий концу диапазона измерения данным устройством, определяется механическими свойствами грунта, формой и геометрическими размерами рычага и связанных с ним пластин. После достижения максимального угла наклона показания на выходе устройства становятся постоянными и получение информации о перемещениях грунта станет невозможным.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к заявляемому устройству для измерения скорости и направления движения грунта относительно подземного трубопровода, является устройство для измерения скорости и направления движения грунта относительно подземного трубопровода (2) (Патент на изобретение RU 2338031, кл. Е02D 1/00, G01B 5/00, опубл. 2008 г.). Оно содержит корпус, измерительный рычаг, шарнир, узел отсчета перемещений, размещенный внутри корпуса и взаимодействующий с первым концом измерительного рычага, регистрирующий блок, соединенный с выходами узла отсчета перемещений, датчик удлинения измерительного рычага, последний выполнен телескопическим из N звеньев, причем первый, выдвигающийся, конец измерительного рычага жестко соединен с корпусом, второй посредством шарнира связан с трубой газонефтепровода, а выход датчика удлинения измерительного рычага соединен с одним из входов регистрирующего блока. Датчик удлинения состоит из многооборотного потенциометра, барабана, намотанного на барабан тросика, конец которого жестко связан со вторым концом измерительного рычага, а ось барабана соединена с осью многооборотного потенциометра, выход которого является выходом датчика удлинения измерительного рычага.
Недостатком известного устройства является низкая надежность, которая в значительной степени определяется конструктивным исполнением измерительного рычага, выполненного в этом устройстве телескопическим по типу труба в трубе, и напрямую зависит от точности и легкости перемещения его звеньев друг относительно друга.
С одной стороны, при небольших зазорах между трубами (звеньями), перемещение последних друг относительно друга будет затруднено, что естественно резко снижает чувствительность измерительного рычага к смещению грунта, а, следовательно, и точность измерений устройства в целом.
С другой стороны, при увеличении зазоров между трубами (звеньями) появится значительный люфт угловых перемещений измерительного рычага, наличие которого резко снизит точность измерения угла поворота, а внутрь измерительного рычага будет поступать из грунта вода и частицы самого грунта.
При длительном нахождении измерительного рычага в грунте, возможна коррозия особенно в местах соединения звеньев, что дополнительно приводит к увеличению сил трения (сил сопротивления перемещению) между этими элементами.
Кроме того, особенно при работе в связных и каменистых грунтах, при активизации оползня, в измерительном рычаге могут возникнуть значительные изгибающие моменты, которые также увеличивают силу трения и могут привести к заклиниванию его выдвижного звена.
В связи с тем, что в известном устройстве тросик датчика удлинения измерительного рычага закреплен непосредственно в месте соединения измерительного рычага с нефтегазопроводом, на обратном ходе он может скручиваться и изгибаться в виде петель, а также, учитывая подверженность внутренних полостей измерительного рычага этого устройства загрязнению и коррозии, ставится под сомнение и возможность его повторного использования на другом участке трубопровода.
Кроме того, в этом устройстве регулировка установочной длины измерительного рычага при его креплении к нефтегазопроводу, который может располагаться на различной глубине, производится путем выдвижения второго звена измерительного рычага с одновременным выдвижением тросика, датчика удлинения измерительного рычага на неконтролируемую длину, а это требует введения специальных установочных поправок, что также снижает надежность работы устройства.
Указанные недостатки проявляются в еще большей степени при увеличении количества звеньев измерительного рычага, предусмотренного в данном устройстве с целью расширения диапазона измерений.
Задачей настоящей полезной модели является повышение надежности работы и точности измерений устройства, а также обеспечение возможности его многократного использования.
Сущность настоящей полезной модели заключается в том, что в известном устройстве для измерения скорости и направления движения грунта относительно подземного трубопровода содержащем корпус, измерительный рычаг, шарнир, узел отсчета перемещений, размещенный внутри корпуса и взаимодействующий с первым, выдвижным звеном измерительного рычага, регистрирующий блок, соединенный с выходами узла отсчета перемещений, датчик удлинения измерительного рычага, последний выполнен телескопическим из N звеньев, причем первое, выдвижное звено измерительного рычага жестко соединено с корпусом, второе посредством шарнира связано с трубой газонефтепровода, а выход датчика удлинения измерительного рычага соединен с одним из входов регистрирующего блока, датчик удлинения состоит из многооборотного потенциометра, барабана, намотанного на барабан тросика, а ось барабана соединена с осью многооборотного потенциометра, выход которого является выходом датчика удлинения измерительного рычага, согласно полезной модели, второе звено измерительного рычага, конец которого связан с трубой газонефтепровода, выполнено из двух частей с возможностью регулировки его длины в процессе монтажа устройства и дополнительно снабжено перегородкой, на которой соосно закреплены направляющий стержень и гофрированная трубка, другим концом направляющий стержень связан с тросиком датчика удлинения измерительного рычага, а второй конец гофрированной трубки связан с первым выдвижным звеном измерительного рычага, в месте сопряжения звеньев измерительного рычага установлен подшипник скольжения и уплотнительное кольцо, при этом обе части второго звена измерительного рычага соединены между собой посредством самотормозящегося резьбового соединения, а профиль гофрированной трубки в сечении имеет треугольную форму.
На фиг.1 представлено предлагаемое устройство для измерения скорости и направления движения грунта относительно подземного трубопровода.
На фиг.2 изображен измерительный рычаг 2.
На фиг.3 изображен датчик 6 удлинения измерительного рычага 2.
Устройство для измерения скорости и направления движения грунта относительно подземного трубопровода содержит корпус 1 цилиндрической формы, измерительный рычаг 2, выполненный телескопическим, шарнир 3, узел 4 отсчета перемещений, выполненный на основе акселерометров, размещенный внутри корпуса 1 и взаимодействующий с первым выдвижным звеном измерительного рычага 2, регистрирующий блок 5, соединенный с выходами узла 4 отсчета перемещений, датчик 6 удлинения измерительного рычага, тросик 7.
Измерительный рычаг 2 состоит из выдвижного звена 8, конец которого жестко связан с корпусом 1 и второго звена, выполненного составным из двух частей 9 и 10, соединенных с помощью резьбового соединения, причем первая часть 9 этого звена посредством шарнира 3, через шарнирное основание 11 связана с трубой 12 нефтегазопровода, а вторая часть 10 - имеет перегородку 13, на которой соосно закреплены направляющий стержень 14 и гофрированная трубка 15.
Вторым концом гофрированная трубка 15 жестко соединена с выдвижным звеном 8, а второй конец направляющего стержня 14 связан с тросиком 7 датчика удлинения 6. Размеры гофрированной трубки 15 и диаметр выдвижного звена 8 подобраны таким образом, что внутренний объем измерительного рычага 2 (полость А на фиг.2) при перемещении его выдвижного звена 8 остается неизменным.
Для уменьшения сопротивления растяжению профиль гофрированной трубки 15 в сечении имеет треугольную форму.
Для минимизации трения подвижных частей измерительного рычага 2 установлены два подшипника скольжения 16 и 17, а для защиты внутренней полости измерительного рычага от попадания влаги уплотнительное кольцо 18 и сальниковое уплотнение 19.
Устройство погружено в грунт 20 и закреплено на трубе 12 любым известным способом.
Датчик 6 удлинения измерительного рычага состоит из многооборотного потенциометра 21, барабана 22, тросика 7, намотанного на барабан 22, ось барабана 22 соединена с осью многооборотного потенциометра 21, выход которого подключен к одному из входов регистрирующего блока 5. Ось барабана 22 и потенциометра 21 находится на опорах 23. Датчик 6 удлинения измерительного рычага размещен в корпусе 1.
При установке на трубу 12 длина измерительного рычага 2 регулируется с помощью резьбового соединения двух составных частей 9 и 10, а выдвижное звено 8 устанавливается на минимальную высоту (т.е. выдвижное звено 8 входит в составную часть 10 второго звена, а гофрированная трубка 15 сжата), при этом движок потенциометра 21 датчика 6 удлинения измерительного рычага находится в начальном положении, а сопротивление потенциометра 21 близко к нулю.
Измерительный рычаг 2 при установке на трубу приводится в вертикальное положение.
Устройство работает следующим образом.
При активизации оползня грунт 20 воздействует на корпус 1 устройства и наклоняет измерительный рычаг 2 в направлении движении грунта. Узел отсчета перемещений, выполненный на основе акселерометров, путем измерения составляющих ускорения силы тяжести Земли по трем координатным осям вычисляет угол отклонения измерительного рычага 2 от начального вертикального положения и угол между проекцией оси измерительного рычага на горизонтальную плоскость и осью трубопровода.
Информация об угловых перемещениях поступает в регистрирующий блок 5.
Перемещение грунта S определяется по формуле:
0
где, l - начальная длина измерительного рычага 2;
Δl - приращение длины измерительного рычага 2;
α - угол отклонения измерительного рычага 2 от первоначального вертикального положения.
где, k - коэффициент преобразования датчика удлинения (мм/Ом);
ΔR - изменение сопротивления потенциометра 21.
0
В начальной стадии оползневого процесса при небольших смещениях Δl~0 и перемещение грунта определяется углом отклонения а: S=l sinα.
При дальнейшем развитии процесса взаимодействие грунта будет приводить как к наклону, так и к удлинению измерительного рычага 2 за счет выдвижения его первого звена. При этом гофрированная трубка 15 будет растягиваться, перемещаясь вдоль направляющего стержня 14, а барабан 22 датчика 6 удлинения измерительного рычага 2 под действием натяжения тросика 7 начинает вращаться вместе с осью многооборотного потенциометра 21. сигнал об изменении омического сопротивления потенциометра 21, связанного с удлинением измерительного рычага 2, передается в регистрирующий блок 5.
mах
После достижения максимального, для данного типа грунта, угла наклона α измерительного рычага 2 будет происходить только удлинение измерительного рычага. При этом, перемещение грунта определяется формулой
По результатам измерения перемещений вычисляют скорость движения грунта и направление смешения, производят оценку напряженно-деформированного состояния трубопровода, что позволяет своевременно принять меры по обеспечению безопасности труборовода.
Введенные в конструкцию устройства гофрированная трубка 15, подшипники скольжения 16 и 17 с уплотнительным кольцом 18 и сальником 19 защищают измерительный рычаг 2 от попадания внутрь него влаги и частиц грунта, как со стороны нефтегазопровода, так и со стороны датчика 6 удлинения измерительного рычага, и способствуют свободному перемещению без перекосов выдвижного звена 8 измерительного рычага при активизации оползня, как в прямом, так и в обратном направлениях.
Наличие в устройстве направляющего стержня 14 позволяет закрепить тросик 7 в верхней части измерительного рычага 2 непосредственно вблизи датчика 6, а это предотвращает его изгибы и образование петель на обратном ходе, а также устраняет необходимость введения установочной поправки.
Выполнение второго звена измерительного рычага 2 составным из двух частей позволяет регулировать и одновременно фиксировать его длину при креплении к нефтегазопроводу, располагаемому на любой глубине, без предварительного (установочного) выдвижения его первого выдвижного звена 8.
Использование в устройстве в совокупности всех этих отличительных признаков и позволяет повысить надежность работы и точность измерений устройства, а также обеспечить возможность его многократного использования.
Источники информации:
1. Патент RU 2205919, кл. Е02D 1/00, G01B 5/00, опубл. 2003 г.
2. Патент RU №2338031, кл. Е02D 1/00, G01B 5/00, опубл. 2008 г.