УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВАКУУМНО-ПЛОТНОЙ ГЕРМЕТИЗАЦИИ ВНУТРЕННИХ ОБЪЕМОВ МАГИСТРАЛЬНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ
DEVICE FOR VACUUM-TIGHT SEALING INTERIOR OF MAIN PIPELINES

Изобретение относится к области вакуумной техники и технологий, связанных с использованием вакуума как технологической среды при очистке поверхности труб и нанесении на поверхность труб магистральных трубопроводов защитных покрытий.
В настоящее время для предотвращения процессов развития «коррозионного растрескивания под напряжением» (КРН) используются следующие технические решения:
- использование труб с заводским изоляционным покрытием на участках трубопроводов с внешними условиями, благоприятными для протекания процесса КРН стенок трубы;
- переизоляция участков действующих магистральных газопроводов (МГ), подверженных КРН, изоляционными покрытиями, исключающими их отслоение в процессе эксплуатации. Процесс восстановления работоспособности газопроводов путем замены труб и переизоляции участков трубопроводов, пораженных КРН, в настоящее время находится в начальной стадии (см., например, Карпов С.В. Перспектива решения проблемы КРН магистральных трубопроводов. - Четырнадцатая международная деловая встреча «Диагностика-2004", Москва, 2004, с.3-15).
Существует множество методов нанесения тонкопленочных защитных покрытий в вакууме (см., например, Handbook of Thin Film Technology /Ed by L.I.Maissei and R.Gland/ Mc.Graw Hill HOOK Company. 1970. V1. - 668 pp. или Handbook of Thin Film Technology /Ed by L.I. Maissei and R.Gland/ Mc.Graw Hill HOOK Company. 1970. V2. - 766 pp.).
Также известны решения, обеспечивающие реализацию вакуумных технологических процессов в больших герметизированных объемах, образованных цилиндрическими корпусами, близкими по геометрии формы к магистральным газопроводам и нефтепроводам, (см. авторское свидетельство SU №171930, кл. H01J 9/48, 01.01.1965).
К сожалению, существующие вакуумные методы нанесения защитных покрытий на участках действующих магистральных газопроводов в настоящее время неприемлемы из-за отсутствия устройств для вакуумно-плотной герметизации внутренних объемов магистральных трубопроводов (см., например, Рот А. Вакуумные уплотнения. - М.: Энергия, 1974. - 235 с.), внутри которых должна производиться защита поверхности, что не позволяет получить требуемое разряжение внутри герметизируемого объема рабочей трубы.
Известны устройства для вакуумно-плотной герметизации внутренних объемов, имеющих кольцевую форму и использующих радиальную деформацию уплотнительных колец за счет использования силы осевого нагружения и осевого сжатия этих колец (см., например, Пипко А.И. и др. Конструирование и расчет вакуумных систем, Москва, Энергия, 1970, табл.3-4, схемы 7, 8), однако они также не приспособлены для использования на газопроводах и нефтепроводах.
Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является устройство для герметизации внутренних объемов магистральных трубопроводов, содержащее герметичные дисковые металлические перегородки с кольцевыми уплотнениями, посредством которых дисковые металлические перегородки соединены с трубой, и нажимные кольца, сжимающие кольцевые уплотнения с деформацией последних в радиальном сечении, достаточной для перекрытия высоты микронеровностей уплотняемого профиля поверхности трубы (см. авторское свидетельство SU №1252604, кл. F16L 55/18, 23.08.1986).
Данное устройство позволяет герметично перекрывать трубопровод. Однако оно не приспособлено для создания вакуумно-плотноизолированных объемов внутри трубопровода для проведения очистки его стенок и нанесения на них защитного покрытия.
Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является создание вакуумно-плотных герметизирующих устройств, защищающих рабочие объемы металлических (в основном стальных) труб магистральных трубопроводов, в которых производится вакуумная плазменная очистка и нанесение защитных покрытий от проникновения в материал трубы водорода, благоприятствующего в дальнейшем КРН стенок трубы и ее усталостному или механическому разрушению со временем, в первую очередь, в зонах около сварных швов.
Техническим результатом, достигаемым в результате реализации изобретения, является повышение качества защитных покрытий, наносимых на стенки магистральных трубопроводов.
Указанная задача решается, а технический результат достигается за счет того, что устройство для вакуумно-плотной герметизации внутренних объемов магистральных трубопроводов содержит герметичные дисковые металлические перегородки с кольцевыми уплотнениями, посредством которых дисковые металлические перегородки соединены с трубой, и нажимные кольца, сжимающие кольцевые уплотнения с деформацией последних в радиальном сечении, достаточной для перекрытия высоты микронеровностей уплотняемого профиля поверхности трубы, при этом оно снабжено осевыми упорами для нагружения нажимных колец, приводами стяжки дисковых металлических перегородок с нажимными кольцами, плазменным очистным устройством и многокомпонентным магнетронным испарителем, при этом металлические перегородки образуют два смежных вакуумных объема, один для плазменного очистного устройства, а другой для многокомпонентного магнетронного испарителя, причем устройство снабжено системами напуска рабочих газов в зону очистки и в зону нанесения покрытия и выполнено с возможностью формирования противоположно направленных сил, возникающих в результате разницы атмосферного давления и давления вакуума, действующей на наружные дисковые металлические перегородки, взаимно передаваемых кольцевым уплотнениям, которые посредством приводов стяжки дисковых металлических перегородок с нажимными кольцами предварительно радиально деформированы.
Создание вакуумно-плотных герметичных объемов внутри рабочей трубы с помощью предлагаемого устройства герметизации создает основу для процесса формирования защитной пленки методами осаждения в вакууме. Для предотвращения процесса «наводораживания», т.е. процесса растворения атомов водорода в материале стенки трубы (атомы которого обычно сорбируются на поверхности), поверхность защищаемого металла должна быть «ювенильной», т.е. совершенно чистой от сорбата - слоя молекул водородосодержащих газов, являющихся источником наводораживания (см. Deulin Е.А., "Exchange of gases at friction in vacuum", ECASIA '97 /John Wiley & Sons/ Nov. 1997, pp.1170-1175 или E.A.Deulin, S.A.Goncharov, J.L. de Segovia and R.A.Nevshoupa, "Mechanically stimulated solution of adsorbed hydrogen and deuterium in steel" /Surface and Interface Analysis./ 30 (2000) pp.635-637).
Осаждение защитной пленки на ювенильную поверхность реализуется в электронике, как правило, на высоковакуумном или сверхвысоковакуумном технологическом оборудовании (см. Вакуумное оборудование тонкопленочной технологии производства изделий электронной техники; Под ред. проф. Л.К.Ковалева и Н.В.Василенко. - Т.1. Сиб. Аэрокосм. Акад., 1995. - 265 с. или Вакуумное оборудование тонкопленочной технологии производства изделий электронной техники; Под ред. проф. Л.К.Ковалева и Н.В.Василенко. - Т.2. Сиб. Аэрокосм. Акад., 1996. - 416 с.), где очистка поверхности до ювенильного состояния решается вакуумными методами в связи с требованиями т.н. «Вакуумной Гигиены» (см. Розанов Л.Н. Вакуумная техника: Учебник для вузов. - Москва, Высшая школа, 1990, 320 с.). Для очистки «грязной» поверхности газопроводов или нефтепроводов может использоваться плазменный метод, который позволяет в считанные минуты очистить поверхность трубы, покрытую слоями окисных пленок, окалиной, следами механической обработки, даже в низком или в среднем вакууме.
Устройство для вакуумно-плотной герметизации внутренних объемов магистральных трубопроводов построено таким образом, что три подвижные герметичные дисковые металлические перегородки герметично уплотняют «грязную» трубу и образуют два рабочих смежных вакуумных объема внутри трубы, что позволяет одновременно работающим в смежных вакуумных объемах плазменному очистному устройству и многокомпонентному магнетронному испарителю работать так, что слой сорбата не успевает образоваться на очищенной поверхности до начала процесса нанесения защитной пленки.
На фиг.1 схематически представлено устройство для вакуумно-плотной герметизации внутренних объемов магистральных трубопроводов.
На фиг.2 более детально представлена конструкция и принцип действия устройства для вакуумно-плотной герметизации внутренних объемов магистральных трубопроводов.
Устройство для вакуумно-плотной герметизации внутренних объемов магистральных трубопроводов для нанесения защитных покрытий на металлические поверхности магистральных трубопроводов (см. фиг.1) содержит защищаемую трубу 1 нефтепровода или газопровода, дисковую металлическую перегородку 2 многокомпонентного магнетронного испарителя 3, промежуточную дисковую металлическую перегородку 4, плазменное очистное устройство 5, дисковую металлическую перегородку 6 плазменного очистного устройства 5, систему откачки плазменного вакуумного объема 7, систему откачки испарительного вакуумного объема 8, систему напуска 9 рабочих газов в зону очистки и систему напуска 10 рабочего газа в зону нанесения покрытия.
Более подробно принцип действия и схема устройства для вакуумно-плотной герметизации внутренних объемов магистральных трубопроводов представлена на фиг.2, где показаны 2 - герметичная дисковая металлическая перегородка, 11 - кольцевые уплотнения - эластомерные (резиновые) кольца, 12 - нажимное кольцо, 13 - осевой упор для нагружения нажимного кольца 16, 14 - осевой упор для нагружения нажимного кольца 12, 16 - нажимное кольцо, 17 - привод стяжки дисковой металлической перегородки 4 с нажимным кольцом 15, 18 - привод стяжки дисковой металлической перегородки 2 с нажимным кольцом 12, 4 - промежуточная дисковая металлическая перегородка, 15 - нажимное кольцо, 19 - вакуумные вводы вращения приводов стяжки, 6 - герметичная дисковая металлическая перегородка.
Три подвижные герметичные дисковые металлические перегородки 2, 4 и 6 вместе с многокомпонентным магнетронным испарителем 3 и плазменным очистным устройством 5 располагают в трубе 1 и таким образом образуют два рабочих смежных вакуумных объема внутри трубы 1. С помощью приводов стяжки 17 и 18 дисковых металлических перегородок 2, 4 и 6 соответственно, с нажимными кольцами 12, 15 и 16 производят герметизацию вакуумных объемов, образованных дисковыми металлическими перегородками 2, 4 и 6. С помощью системы откачки плазменного вакуумного объема 7 и системы откачки испарительного вакуумного объема 8 в вакуумных объемах формируют требуемую величину разрежения. В результате тремя подвижными герметичными дисковыми металлическими перегородками 2, 4 и 6 образовано два рабочих смежных вакуумных объема внутри трубы, что позволяет одновременно работающим в смежных вакуумных объемах плазменному очистному устройству 5 и многокомпонентному магнетронному испарителю 3 производить вакуумную плазменную очистку и нанесение защитного покрытия от проникновения в материал трубы 1 водорода, в первую очередь в зонах около сварных швов, а слой сорбата не успевает образоваться на очищенной поверхности трубы 1 до начала процесса нанесения защитного покрытия. После обработки поверхности трубы 1 и нанесения на ее поверхность защитного покрытия производят перемещение устройства. В результате очищается новый участок поверхности трубы, а на очищенный участок трубы 1 наносится защитное покрытие.
Настоящее изобретение может быть использовано при создании надежных распределительных и транспортных систем газа и нефти, в частности систем, используемых ОАО «Газпром» и «Оргнефтегаз».