УСТРОЙСТВО СЛЕЖЕНИЯ И КОНТРОЛЯ
TRACKING AND MONITORING DEVICE

Область техники
Изобретение относится к области транспортировки газа с помощью трубопроводов и может быть реализовано на газопроводах для выявления внутренних дефектов труб газопроводов под давлением и последующего их ремонта. Устройство слежения и контроля может быть широко использовано для контроля и видеофиксации состояния внутренних поверхностей трубопроводов и сосудов, а также для дистанционного визуального наблюдения за процессами механической обработки в трубопроводах, состоянием элементов запорной арматуры и контрольно-измерительных приборов. Применение устройства слежения и контроля возможно практически в любом подлежащем инспекции месте трубопровода под давлением.
Уровень техники
Известен «Способ выявления дефектов труб газопровода» по патенту на изобретение Российской Федерации RU 2211998, опубликованному 10.09.2003, позволяющий проводить внутритрубную инспекцию труб газопроводов, не оборудованных стационарными камерами запуска и приема внутритрубных диагностических и очищающих снарядов, для выявления дефектов труб газопроводов. Способ выявления дефектов труб газопровода включает выбор участка газопровода, подлежащего внутритрубной инспекции, пропуск внутритрубных инспекционных снарядов по выбранному участку газопровода через камеры запуска и приема, выполненные в виде труб, присоединительный диаметр которых соответствует диаметру газопровода, снабженные отсечными кранами и затворами и временно подключенные к действующему газопроводу через свечные обвязки линейных кранов, граничащих с участком, подлежащим инспекции. Положительным эффектом применения этого изобретения является возможность проводить выборочный капитальный ремонт участков газопровода, не оборудованных стационарными камерами запуска и приема инспекционных снарядов, путем организации выборочного внутритрубного диагностического обследования газопроводов. Выполнение дополнительных камер запуска и приема в виде труб, присоединительный диаметр которых соответствует диаметру газопровода, является технически сложным и дорогостоящим мероприятием. При этом на значительной площади происходит нарушение однородности поверхности трубопровода, чреватое возникновением повреждений и утечек газа, негативно влияющих на длительную безопасную эксплуатацию газопровода.
Известен «Блок просмотровой камеры» по патенту на изобретение США US 4977418, опубликованному 11.12.1990. Блок просмотровой камеры предназначен для использования при осмотре внутренней части сосуда под высоким давлением снаружи через прозрачное окно, выполненное в стенке сосуда. Он содержит камеру видеонаблюдения, установленную в прочном корпусе, который жестко и герметично прикреплен к стенке сосуда. Камера может быть сфокусирована удаленным оператором, имеющим возможность просмотра и видеозаписи получаемых изображений. Блок просмотровой камеры позволяет наблюдать процессы внутри сосуда под высоким давлением и с высокой температурой, как в реальном масштабе времени, так и в видеозаписи. Основным недостатком этого устройства является ограниченный сектор наблюдения, который определяется сектором обзора камеры и размерами прозрачного окна в стенке сосуда, которое по соображениям безопасности не может быть большим.
Известна «Система инспекции трубопровода» по патенту на изобретение США US 9599571, опубликованному 21.03.2017. Эта система предназначена для безопасной инспекции газопроводов под давлением с доставкой камеры в зону проведения наблюдения внутри трубопровода путем проталкивания. Система содержит камеру, прикрепленную к концу упругого толкающего прутка, намотанного на барабан для удобного развертывания и переноски. При управляемом оператором вращении барабана камера перемещается по трубопроводу и передает изображение на монитор. Входная труба узла доступа в трубопровод размещена под острым углом к трубопроводу для облегчения герметичного ввода камеры и толкающего прутка. Направляющий башмак на конце входной трубы обеспечивает плавный переход камеры и толкателя при входе в трубопровод. Автоматически развертываемая и упирающаяся в стенку трубопровода система позиционирования камеры позволяет размещать камеру на расстоянии от внутренней поверхности трубопровода. В случае трубопровода малого размера она центрирует камеру внутри трубопровода. Основным недостатком систем инспекции трубопроводов с перемещением камеры внутри способом проталкивания является невозможность точного позиционирования и стабилизации положения камер только с помощью гибкого толкающего прутка. Применения дополнительных технических средств позиционирования и стабилизации положения камеры требует бурения в стенке трубопровода отверстий большего диаметра для их внедрения в трубопровод, а также применения более сложных и дорогостоящих узлов крепления к трубопроводу и узлов доступа в трубопровод.
Известны «Устройство и способ для инспекции трубопровода» по заявке на изобретения США US 2004/0006448, опубликованной 08.01.2004. По совокупности общих существенных признаков техническое решение по указанной заявке на изобретение выбрано в качестве прототипа.
Устройство для инспекции трубопровода содержит
- узел крепления к трубопроводу, обеспечивающий жесткое и герметичное присоединение к трубопроводу,
- узел запорной арматуры, жестко и герметично прикрепленный к узлу крепления к трубопроводу,
- узел бурения сквозного отверстия в стенке трубопровода в месте присоединения узла крепления к трубопроводу через узел запорной арматуры и узел крепления к трубопроводу,
- узел доступа в трубопровод, обеспечивающий управляемое проникновение во внутреннюю часть трубопровода через узел запорной арматуры и узел крепления к трубопроводу,
- шток, выполненный в виде полой трубки, размещенный в узле доступа в трубопровод, частично погруженный во внутренне пространство трубопровода с возможностью перемещения по отношению к узлу крепления к трубопроводу,
- узел уплотнения, обеспечивающий герметичность в узле доступа в трубопровод при перемещении штока,
- узел сброса давления из внутренней части узла доступа в трубопровод,
узел сочленения, прикрепленный к концу штока, предназначенного для погружения во внутреннее пространство трубопровода,
- камеру, прикрепленную к узлу сочленения и предназначенную для прохождения через узел доступа к трубопроводу, узел запорной арматуры и узел крепления к трубопроводу во внутреннюю часть трубопровода,
- узел привода, обеспечивающий управляемое перемещение штока с камерой внутри трубопровода вдоль оси штока на расстояние, равное величине внутреннего диаметра трубопровода, и вокруг оси штока на 360 градусов,
- источник света для освещения внутренней части трубопровода,
- блок вывода информации,
- электрический кабель, соединяющий камеру с блоком вывода информации, проложенный через внутреннюю полость трубки штока.
Устройство для инспекции трубопровода позволяет проводить визуальное наблюдение внутри трубопровода под давлением, например действующего газопровода, с сохранением его работоспособности без предварительного отключения.
Основными недостатками прототипа являются низкая точность позиционирования камеры внутри трубопровода под давлением из-за высокого выталкивающего воздействия на шток внутритрубного давления, которое через шток передается непосредственно на технические средства перемещения штока. Отсутствие в прототипе механизма фиксации камеры в требуемом положении в трубопроводе осложняет длительную эффективную работу с ним. Прототип не обладает высокой надежностью в связи с тем, что для поворота камеры и размещения ее в горизонтальном положении используется механизм с электродвигателем, находящийся внутри трубопровода. При отказе этого механизма практически невозможно извлечь устройство из трубопровода через относительно малое отверстие в стенке трубопровода без разрушения камеры. Для извлечения из трубопровода штока с камерой, расположенной в рабочем горизонтальном положении, требуется бурение в стенке трубопровода отверстия большого диаметра. Это снижает экономические показатели в связи с высокой стоимостью такой врезки.
Большие габаритные размеры прототипа ограничивают его практическое применение на трубопроводах с малым диаметром трубопровода.
Сущность изобретения
Использование данного устройства слежения и контроля обеспечивает высокую точность позиционирования камеры внутри трубопровода, увеличивает надежность и безопасность, а также снижает затраты на проведение инспекции трубопровода под давлением.
Указанный положительный эффект достигается за счет того, что
- узел крепления к трубопроводу выполнен в виде штуцера, первый конец которого приварен снаружи к трубопроводу, а на втором конце выполнена внешняя резьба,
- узел запорной арматуры выполнен в виде шарового крана, жестко и герметично прикрепленного ко второму концу штуцера с помощью резьбового соединения,
- узел доступа в трубопровод выполнен в виде основания со сквозным круглым отверстием, имеющего форму пластины, а также жестко и герметично прикрепленного к нему снизу адаптера, имеющего форму цилиндра, охватывающего отверстие в основании, нижний конец которого жестко и герметично присоединен к шаровому крану с помощью резьбового соединения,
- узел привода выполнен в виде двух вертикальных стоек, расположенных перпендикулярно основанию узла доступа, верхние концы которых жестко прикреплены к верхней плите, расположенной параллельно основанию узла доступа, а нижние концы жестко прикреплены к основанию узла доступа, и корпуса-гайки, имеющего четыре сквозных отверстия, через два из которых пропущены две вертикальные стойки, через третье отверстие, снабженное внутренней резьбой, пропущен ходовой винт, нижний конец которого прикреплен к основанию узла доступа на вращающейся опоре, а верхний конец пропущен через сквозное отверстие в верхней плите и снабжен маховиком для вращения ходового винта вокруг его оси, а в четвертое отверстие вставлена втулка штока с поворотной ручкой, к которым прикреплен верхний конец штока с возможностью вращения вокруг его оси,
- узел уплотнения выполнен в виде манжеты, вставленной в канавку, выполненную в нижней части основания вокруг сквозного отверстия, имеющей внутренний диаметр меньше по величине, чем диаметр штока,
- узел сочленения выполнен в виде пружинного механизма, содержащего
- поворотный наконечник цилиндрической формы с размещенной внутри него камерой и защитным стеклом камеры, прикрепленный к штоку с помощью шарнирного соединения, ось поворота которого расположена перпендикулярно продольной оси штока и пересекается с ней,
- толкатель, выполненный с виде стержня, размещенного внутри пружины, верхние концы которых совмещены в головке толкателя, вставленной в паз, проделанный в нижней части штока, и прикрепленной к штоку с помощью установочного винта с возможностью качания вокруг его продольной оси, которая расположена перпендикулярно продольной оси штока и со смещением от нее,
- втулку толкателя, закрепленную в шарнирном соединении, продольная ось которой расположена параллельно оси вращения шарнирного соединения и перпендикулярно продольной оси поворотного наконечника со смещением от нее, имеющую сквозное отверстие, через которое пропущен нижний конец стержня, с диаметром меньше внутреннего диаметра пружины,
- втулку, охватывающую шток и выполненную с возможностью свободного скольжения по штоку, имеющую внешний диаметр, больше диаметра сквозного отверстия в трубопроводе, а внутренний диаметр меньше внешнего диаметра кольцеобразного выступа с прямоугольным сечением, размещенного на внешней поверхности поворотного наконечника.
В устройстве слежения и контроля внешний диаметр поворотного наконечника узла сочленения выполнен равным по величине внешнему диаметру штока.
В устройстве слежения и контроля продольная ось стержня толкателя в исходном положении выполнена параллельной продольной оси штока и смещена от нее на расстояние равное 0,3 от внешнего диаметра штока.
В устройстве слежения и контроля узел сброса давления из внутренней части узла доступа в трубопровод выполнен в виде шарового крана, жестко и герметично установленного в нижней части основания.
В устройстве слежения и контроля узел сброса давления из внутренней части узла доступа в трубопровод выполнен в виде шарового крана, жестко и герметично установленного в нижней части адаптера.
В устройстве слежения и контроля нижний конец ходового винта прикреплен к основанию узла доступа на вращающейся опоре, выполненной в виде шарового подшипника, установленного вертикально.
В устройстве слежения и контроля в камере дополнительно установлен электронный модуль инфракрасного диапазона для получения тепловых изображений внутренней части трубопровода.
Краткое описание чертежей
В дальнейшем изобретение поясняется конкретными примерами его выполнения со ссылками на прилагаемые рисунок (Фигура 1), на котором представлен общий вид устройства слежения и контроля, и рисунок (Фигура 2), на котором показан узел сочленения устройства слежения и контроля в исходном положении (Фигура 2А) и в рабочем положении с приведенной в горизонтальное положение камерой (Фигура 2Б).
Осуществление изобретения
Устройство слежения и контроля 1 (Фигура 1) содержит узел крепления к трубопроводу, выполненный в виде штуцера 2, первый конец которого приварен снаружи к трубопроводу 3 в месте инспекции, а на втором конце выполнена внешняя резьба.
Узел запорной арматуры выполнен в виде шарового крана 4, жестко и герметично прикрепленного ко второму концу штуцера 2 с помощью резьбового соединения.
Узел доступа в трубопровод выполнен в виде основания 5 со сквозным круглым отверстием, имеющего форму пластины, а также жестко и герметично прикрепленного к нему снизу адаптера 6, имеющего форму цилиндра, охватывающего отверстие в основании, нижний конец которого жестко и герметично присоединен к шаровому крану 4 с помощью резьбового соединения.
Узел привода выполнен в виде двух вертикальных стоек 7, расположенных перпендикулярно основанию 5, верхние концы которых жестко прикреплены к верхней плите 8, расположенной параллельно основанию 5, а нижние концы жестко прикреплены к основанию 5, и корпуса-гайки 9, имеющей четыре сквозных отверстия, через два из которых пропущены две вертикальные стойки 7, через третье отверстие, снабженное внутренней резьбой, пропущен имеющий внешнюю резьбу ходовой винт 10, нижний конец которого прикреплен к основанию 5 на вращающейся опоре, а верхний конец пропущен через сквозное отверстие в верхней плите 8 и снабжен маховиком 11 для вращения ходового винта 10 вокруг его оси, а в четвертое отверстие вставлена втулка 12 штока 13 с поворотной ручкой 14, к которым прикреплен верхний конец штока 13 с возможностью вращения вокруг его оси.
Узел уплотнения выполнен в виде манжеты 15, вставленной в канавку, выполненную в нижней части основания 5 вокруг сквозного отверстия, имеющей внутренний диаметр меньше по величине, чем диаметр штока 13. Узел уплотнения обеспечивает герметичность в узле доступа в трубопровод при перемещении штока 13 в нем,
Узел сброса давления выполнен в виде шарового крана 16, жестко и герметично установленного в нижней части основания 5.
Узел сочленения выполнен в виде пружинного механизма, содержащего поворотный наконечник 17 (Фигура 1) с размещенной внутри него камерой 18 и защитным стеклом камеры 19, прикрепленный к штоку 13 с помощью шарнирного соединения 20, ось поворота которого расположена перпендикулярно продольной оси штока 13 и пересекается с ней. Шарнирное соединения 20 обеспечивает перевод поворотного наконечника 17 из исходного вертикального положения в рабочее горизонтальное положение и обратно с поворотом на 90 градусов. На штоке 13 размещена втулка 21, охватывающая шток и выполненная с возможностью свободного скольжения по штоку. Втулка 21 имеет внешний диаметр, превышающий диаметр сквозного отверстия в трубопроводе 3, а внутренний диаметр меньше внешнего диаметра кольцеобразного выступа с прямоугольным сечением 22, размещенного на внешней поверхности поворотного наконечника 17.
Электрические сигналы изображения внутри трубопровода 3 (Фигура 1), получаемые с помощью камеры 18 передаются по кабелю 23, проложенному по внутренней полости штока 13, пропущенному через разъем 24 и стакан разъем 25 на блок вывода информации 26. Для повышения качества изображения на штоке 13 установлен модуль подсветки 27.
Блок вывода информации 26 выполнен в виде кейса с монитором, панелями управления, встроенным видеорегистратором, Wi-Fi маршрутизатором, твердотельным накопителем для хранения видеоинформации и встроенным аккумулятором.
Узел сочленения дополнительно содержит толкатель 28 (Фигура 2А и Б), выполненный в виде стержня 29, размещенного внутри пружины 30, верхние концы которых совмещены в головке толкателя 31, вставлены в паз, проделанный в нижней части штока 13, и прикреплены к штоку с помощью установочного винта 32 с возможностью качания вокруг его продольной оси, которая расположена перпендикулярно продольной оси штока со смещением от нее. В качестве пружины 30 использована винтовая пружина сжатия. В исходном поднятом положении штока 13 пружина 30 сжата, а в опущенном в трубопровод положении штока 13 ив рабочем горизонтальном положении поворотного наконечника 17 разжата. Втулка толкателя 33, закреплена в шарнирном соединении 20. Ее продольная ось расположена параллельно оси вращения шарнирного соединения 20 и перпендикулярно продольной оси поворотного наконечника 17 со смещением от нее. Втулка толкателя 33 имеет сквозное отверстие, через которое пропущен нижний конец стержня 29 с возможностью свободного перемещения в нем. Диаметр сквозного отверстия во втулке толкателя 33 выполнен меньше внутреннего диаметра пружины 30. Поэтому нижний конец пружины 30 упирается во втулку толкателя 33.
В исходном поднятом положении штока 13 (Фиг. 2А) пружина 30 сжата. Сила упругости пружины 30 оказывает давление на втулку толкателя 33. Благодаря смещению продольной оси втулки толкателя 33 от оси поворота шарнирного соединения 20 возникает момент вращения в сочленении 20. Развороту поворотного наконечника 17 препятствует втулка 21, частично охватывающая шток 13 снизу и поворотный наконечник 17 сверху. От сползания втулки 21 вниз по штоку 13 удерживает кольцеобразный выступ с прямоугольным сечением 22, размещенный на внешней поверхности поворотного наконечника 17. При опускании штока 13 в трубопровод нижняя часть штока, шарнирное соединение 20 и верхняя часть поворотного наконечника 17 выходят из втулки 21. Под действием вращающего момента поворотный наконечник 17 устанавливается в рабочее горизонтальное положение.
Способ применения устройства слежения и контроля для проведения инспекции трубопровода под давлением включает следующие действия. Приваривают первый конец штуцера 2, имеющего диаметр 25 мм, снаружи к трубопроводу 3 в необходимом месте (Фигура 1). Устанавливают шаровой кран 4 на второй конец штуцера 2, обеспечивая жесткость и герметичность с помощью резьбового соединения. Монтируют на шаровой кран 4 специализированную буровую машину для врезки и открывают его. Сверлят специализированной буровой машиной для врезки сквозное отверстие в трубопроводе 3 корончатой фрезой диаметром 22 мм, которая проходит через шаровой кран 4 и штуцер 2. После извлечения корончатой фрезы перекрывают шаровой кран 4 и демонтируют буровую машину для врезки. Устанавливают остальные узлы устройства слежения и контроля в собранном виде (Фигура 1) на кран 4 и открывают его. Опускают шток 13 в трубопровод 3 путем вращения маховика 11 (Фигура 1) через винтовую передачу, включающую ходовой винт 10 и корпус-гайку 9. Упирают втулку 21, внешний диаметр которой больше диаметра сквозного отверстия в трубопроводе 3, в стенку трубопровода 3. Выводят нижнюю часть штока 13, шарнирное соединение 20 и верхнюю часть поворотного наконечника 17 из втулки 21. Переводят находящийся в трубопроводе 3 поворотный наконечник 17 из исходного вертикального положения в рабочее горизонтальное положение с помощью пружинного механизма узла сочленения. В процессе проведения инспекции трубопровода 3 регулируют положения поворотного наконечника 17 с камерой 18 по вертикали за счет вращения маховика 11, а по горизонтали - путем поворота ручки 14, связанной с втулкой 12 штока 13.
Возвращают устройство слежения и контроля в исходное положение в обратном порядке. Поднимают шток 13 вверх вместе с развернутым на 90 градусов по отношению к продольной оси штока поворотным наконечником 17 путем вращения маховика 11. Приводят в соприкосновение поворотный наконечник 17 со стенкой трубопровода 2 и нижним краем сквозного отверстия в трубопроводе 3. Постепенно разворачивают поворотный наконечник 17 за счет упора в нижний край сквозного отверстия в трубопроводе 3 и переводят его из рабочего горизонтального положения в исходное вертикальное положение. Сжимают пружину 30, нижний край которой упирается во втулку толкателя, закрепленную в шарнирном соединении 20 путем разворота поворотного наконечника 17 (Фигура 2А). Поднимают втулку 21, опирающуюся снизу на кольцеобразный выступ с прямоугольным сечением 22 на поворотном наконечнике 17, вместе со штоком 13 вверх. Переводят шток 13 в крайнее верхнее положение до упора во внутреннюю верхнюю плоскость полости адаптера 6, при котором верхняя часть поворотного наконечника 17 входит во втулку 21 снизу, нижняя часть штока 13 входит во втулку 21 сверху, запирая шарнирное соединение 20. При этом происходит разворот и совмещение продольной оси поворотного наконечника 17 с продольной осью штока 13. Закрывают шаровой кран 4. Открывают шаровой кран 16 для сброса остаточного давления газа во внутренней части узла доступа. Снимают устройство слежения и контроля с трубопровода 3 и разбирают его для удобства хранения и транспортировки. Устанавливают заглушку в штуцер 2 с использованием специализированной буровой машины. Снимают шаровой кран 4 и устанавливают крышку на приваренный к трубопроводу 3 штуцер 2 с помощью резьбового соединения.
Устройство слежения и контроля обладает высокой точностью позиционирования камеры внутри трубопровода, поскольку ввод штока 13 с камерой 18 в трубопровод 3 и его позиционирование по вертикали осуществляется с помощью передачи винт-гайка, преобразующей вращательное движение ходового винта 10 в поступательное движение корпуса-гайки 9 и прикрепленного к нему штока 13. Данная конструкция обеспечивает любое требуемое позиционирование камеры в трубопроводе, а также надежно предотвращает самопроизвольное перемещение штока.
В устройстве слежения и контроля за счет конструктивных элементов и их взаимосвязей полностью компенсировано негативное выталкивающее воздействие на шток внутритрубного давления. Вертикальная нагрузка от давления среды в трубопроводе последовательно передается на шток 13, корпус-гайку 9, ходовой винт 10, основание 5, адаптер 6, шаровой кран 4, штуцер 2 и сварной шов, прикрепляющий штуцер 2 к трубопроводу 3.
Использование для доступа в трубопровод приварного штуцера диаметром 25 мм значительно снижает стоимость врезки и позволяет применять указанное устройство на трубопроводах с малым диаметром до 50 мм.
Отверстие в стенке трубопровода диаметром 22 мм, которого достаточно для проведения инспекции с помощью устройства слежения и контроля, не оказывает существенное влияние на прочностные характеристики трубопровода и практически не ухудшает надежность и безопасность дальнейшей длительной эксплуатации трубопровода после проведения инспекции. Указанное отверстие не препятствует прохождению в трубопроводе диагностических и очистительных снарядов.
Устройство слежения и контроля может быть использовано для инспекции газопроводов с рабочим давлением до 10 Мпа.
Благодаря небольшим массогабаритным характеристикам устройства и незначительным усилиям, необходимым для установки и управления устройством, работу с ним выполняет один оператор.
Устройство слежения и контроля может быть использовано на газопроводах подземного залегания и для инспекции сосудов под давлением, например химических реакторов.