ЗАГЛУШКА ТРУБОПРОВОДОВ С МАНИПУЛЯТОРОМ
PIPE CAP WITH MANIPULATOR

Заглушка трубопроводов с манипулятором относится к строительству трубопроводов и ремонту действующих подводных провисающих и оголенных участков нефтепроводов, газопроводов, водоводов. В настоящее время существуют подводные способы ремонта, но большинство из них предполагает ремонт трубопроводов на небольшой глубине. Авария на нефтяной скважине в Мексиканском заливе показала, что эффективных способов ремонта трубопроводов на большой глубине не существует.
Целью изобретения является создание устройства для ремонта трубопроводов на больших глубинах.
Известен способ ремонта, защищенный патентом RU 2292509. На участке ремонта оголенного участка подводного трубопровода формируют донную поверхность мягкой тарой с инертным материалом. На поверхность укладывают ковер из гибкого прочного материала, закрепляют на ковре вертикальные стержни, холмообразно укладывают на ковер инертный материал, упакованный в мягкую тару, и перекрывают уложенный материал сплошным верхним ковром. Соединяют края нижнего ковра с верхним и закрепляют вертикальными стержнями.
К недостаткам этого способа относятся: большая трудоемкость по подготовке донной поверхности, а также невозможность проведения таких работ на больших глубинах.
Известен способ ремонта, защищенный патентом 2342492. Кессон для ремонта подводных трубопроводов содержит камеру в виде короба с открытыми дном, приспособление для фиксации камеры на трубопроводе и средство для фиксации камеры относительно грунта. При помощи предлагаемого кессона можно быстро и качественно ремонтировать поврежденные газопроводы в водоемах глубиной до 60 м.
К недостаткам данных способов относится невозможность проведения таких работ на больших глубинах.
Предлагаемое изобретение позволяет ремонтировать оголенные участки подводных трубопроводов на больших глубинах установкой заглушки на участке трубопровода с дефектом или заменой на новый трубопровод.
Сущность предлагаемого изобретения состоит в том, что заглушка напоминает трубу, внутренний диаметр которой соответствует внешнему диаметру аварийного трубопровода, конструктивно она состоит из сегментов, которые перед обхватом аварийного трубопровода отклоняются от центра диаметра трубы на петлях с осями, параллельными продольной оси трубопровода. После соприкосновения заглушки с аварийным трубопроводом сегменты переводятся в положение обхвата аварийного трубопровода и полностью замыкают контур вокруг аварийного трубопровода, а стыки герметизируются тампонажными смесями.
Установка заглушки вблизи дна будет затруднена, т.к. грунт ограничивает перемещение механизмов установки и самой заглушки.
Сущность предлагаемого изобретения состоит в том, что для установки заглушки на трубопровод вблизи дна предлагается манипулятор с достаточно большими габаритами и потому большой амплитудой перемещения подвижных элементов, обеспечивающих установку заглушки. Это позволяет на большой глубине допускать неточности при установке манипулятора, без ухудшений условий установки заглушки на аварийном трубопроводе.
Техническим результатом будут возможность ремонта трубопроводов под водой на любых глубинах, где есть работающие трубопроводы, без остановки работы трубопроводной системы, без спуска под воду людей в качестве водолазов, без применения кессонов, батискафов и других глубоководных субмарин; возможность замены изношенных или аварийных участков трубопроводов.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является получение устройства для ремонта или замены трубопроводов под водой на больших глубинах.
На фиг.1, 2, 3 и 4 показан разрез трубопровода плоскостью, перпендикулярной оси трубопровода. На фиг.5 - место I от фиг.4 - стык сегментов и замок. На фиг.6, 7, 8, 9 и 10 - различные варианты разреза А-А от фиг.4. На фиг.11, 12, 13 и 14 - варианты приспособлений фиксации заглушки. На фиг.15, 16 и 17 - виды на манипулятор спереди, сбоку и сверху. На фиг.18 - разрез Б-Б от фиг.17 узлового механизма. На фиг.19 - трехмерное изображение заглушки с манипулятором до стыковки с отрезанным участком ремонтируемого трубопровода.
На фиг.1 к имеющему повреждение аварийному трубопроводу 1 подводится заглушка, состоящая из отклоняемых сегментов. Сегмент 2 является основным, к нему шарнирно закреплены сегменты, левый 3 и правый 4, петлями 5. Внутренний радиус сегментов больше внешнего радиуса трубопровода 1, между заглушкой и трубопроводом небольшой зазор. Для улучшения захвата трубопровода в конструкции заглушки предусмотрены направляющие 6, которые вместе с боковыми сторонами сегментов 3 и 4 образуют приспособление для улавливания трубопровода. Разворот такого приспособления на много больше диаметра трубопровода 1, и это облегчает завод заглушки в плотное соприкосновение с трубопроводом 1 в место стыковки. На фиг.2 - заглушка в месте стыковки с трубопроводом. На фиг.3 механизмы 7 переводят левый и правый сегменты в положение обхвата трубопровода 1. На фиг.4 заглушка охватывает трубопровод 1, образовав замкнутую наружную трубу. На фиг.5 замок 8 фиксирует сегменты заглушки в охваченном состоянии.
На фиг.6 видно, что заглушка имеет несколько секций. В секции 9 размещается приспособление 10 для фиксации заглушки на трубопроводе 1. В секции 11 размещаются направляющие 6, механизмы 7, трубопровод 12 для подачи смесей, обеспечивающих герметизацию стыков (тампонажные или цементирующие, композиционные или полимерные смеси, герметики или другие, далее именуемые тампонажными смесями), участок трубопровода 1 с дефектом 13. В секции 14 размещаются кольцевые уплотнители 15, обеспечивающие герметизацию стыка заглушки и трубопровода 1 удержанием в момент затвердения тампомажных смесей, подаваемых по трубопроводу 12.
На фиг.7 показан вариант заглушки, закрывающий отрезанный участок трубопровода 1. Такой вид заглушек может применяться, когда необходимо полностью перекрыть действующий трубопровод. Если нефть, газ или другие материалы, перекачиваемые по трубопроводу, далее именуемые перекачиваемыми материалами, создают большое давление в трубопроводе 1, то оно окажет серьезные помехи в момент фиксации и герметизации заглушки, в этом случае целесообразно применять заглушки, аналогичные фиг.8, с временным отводом 16 и вентилем 17 для снятия давления перекачиваемого материала, с диаметром лучше больше диаметра трубопровода 1. Здесь в момент установки заглушки вентиль 17 открывается, и перекачиваемый материал будет удаляться, не создавая помех затвердению тампонажных смесей, а после фиксации заглушки и завершения герметизации стыков вентиль 17 закрывается, и выход перекачиваемого материала прекращается. Трубопровод 12 и временный отвод 16 лучше устанавливать на основной сегмент заглушки, т.к. он не будет перемещаться при охвате. На фиг.9 показан вариант заглушки, когда требуется заменить участок аварийного трубопровода в месте изгиба с установкой вентиля. Здесь заглушка соединена с участком нового трубопровода 18 со встроенным вентилем 19. На фиг.10 показан вариант заглушки, когда требуется в месте дефекта трубопровода заменить часть трубопровода и установить тройник с вентилем 20, для отвода перекачиваемого материала к дополнительному потребителю. Далее временный отвод, новый трубопровод и тройник с вентилями или без вентилей будем называть отводами.
Фиксация заглушки на трубопроводе 1 может осуществляться различными способами. На фиг.11 показан вариант засверливания в тело трубопровода 1. Приспособление 10 напоминает дрель со сверлом 21, сверло рассверливает в трубопроводе 1 отверстие и остается в нем, обеспечивая собой фиксацию заглушки на трубопроводе. На фиг.12 приспособление аналогично предыдущему, но здесь применяется не сверло, а фреза 22, которая делает запил на трубопроводе 1 и остается в нем, обеспечивая фиксацию. На фиг.13 показан вариант приспособления, где штыри 23 под действием пружины 24 входят в поврежденные участки и дефекты на трубопроводе 1 и фиксируют заглушку на трубопроводе 1. На фиг.14 показан вариант приспособления, где штыри 25 "вбиваются" в тело трубопровода 1 за счет заряда 26 (аналогично известному вбиванию металлических дюбелей в железобетонные стены с помощью спец. пистолетов).
Секции 14 с уплотнительными кольцами 15 призваны сдержать смыв тампонажных смесей на период их затвердения, пока перекачиваемый материал из секций заглушки удаляется через отводы. Зазоры вдоль шарнирных петель до спуска заглушки под воду можно закрыть изнутри прочным гибким материалом. Стык между левым и правым сегментами можно выполнить с минимальным зазором, или стыковые кромки сегментов выполнить, как показано на фиг.5 или аналогично, также на стыках можно применять различного рода уплотнители. В некоторых случаях, при необходимости, можно заполнить тампонажной смесью всю секцию 11.
Приспособления для улавливания позволяют устанавливать заглушки на оголенные и провисающие участки аварийных трубопроводов на любой глубине.
Серьезные осложнения при установке заглушки будет оказывать дно (грунт). В таких случаях целесообразно, если возможно, размыть грунт вблизи аварийного участка. Но если это невозможно, то для точной установки заглушки на больших глубинах предлагается применять манипулятор.
Каркас манипулятора (фиг.15, 16, 17 - виды спереди, сбоку и сверху соответственно) состоит из нескольких стоек 27, связанных жестко продольными 28 и поперечными 29 элементами. Для устойчивости манипулятора на неровном дне стойки имеют возможность увеличивать или уменьшать свою длину за счет самовыдвигаемых опор 30. Для управления установкой заглушки на каркасе имеются подвижные элементы. По продольным элементам 28 могут перемещаться подвижные направляющие 31 благодаря узловым механизмам 32. В свою очередь по подвижным направляющим 32 благодаря узловым механизмам 32 могут перемещаться держатели 33 подъемников 34. Поршни 35 подъемников могут поднимать и опускать поворотные узлы 36 с направляющим рельсом 37. Узлами 38 крепятся за рельс заглушка с трубопроводами 12 и 18. На фиг.18 узловой механизм, благодаря колесам с ребордой, перемещается по продольным элементам 28 (двигатель и трансмиссия не показаны). Подвижные элементы могут быть любой другой конструкции. Перемещаться подвижные элементы могут под воздействием различных устройств, например электродвигателей с трансмиссиями, гидронасосов с собственными трубопроводами и прочими. Кроме того, для установки заглушки необходимы различные управляющие элементы, обеспечивающие работу механизмов (например, блок управления механизма 7) и всех других приспособлений, которые обобщенно далее будем называть элементами системы управления. Т.к. элементы системы управления не являются предметом изобретения, они не описываются подробно.
Предлагаемая схема дает возможность устанавливать манипулятор возле аварийного трубопровода с небольшим отклонением, которое компенсируется большой амплитудой перемещения подвижных элементов, например, если стойки манипулятора разнесены, предположим, на 5 метров, то можно утверждать, что при установке манипулятора допустимы отклонения ±2 метра от аварийного участка трубопровода. Чем больше габариты каркаса, тем большая погрешность допустима при установке манипулятора на фунт. Конструкция манипулятора может быть и иной, с применением других подвижных элементов, механизмов и роботов, целесообразно, чтобы каркас манипулятора являлся платформой, на которой можно разместить и перемещать с большой амплитудой в продольном, поперечном и вертикальном направлении различные подвижные элементы, а также заглушку, элементы системы управления и, при необходимости, оборудование, облегчающее установку заглушки, например видеокамеры, осветительные и другие приборы, далее именуемые другим оборудованием. Применение манипулятора как компенсатора погрешностей, обусловленных большой удаленностью и глубиной, установленного на грунт, упрощает установку заглушки. Важно отметить, что на каркасе манипулятора можно предусмотреть установку боковых стенок и верхних крышек с устройствами, аналогичными отводам, далее именуемыми оболочками. Если манипулятор с оболочкой установить непосредственно над аварийным трубопроводом, то после выполнения всех действий по установке заглушки при необходимости можно залить тампонажный раствор внутрь оболочки, образуя своеобразный саркофаг, что с еще большей гарантией обеспечит герметичность и прочность места ремонта аварийного трубопровода. Следует отметить, что оболочкой можно образовывать емкости для возведения саркофага на весь контур манипулятора, на отдельную часть или несколько частей (два и более саркофага) манипулятора, а также емкости, выходящие за внешний контур манипулятора. Число оболочек может быть две и более.
Пояснение и чертежи дают представление о конструкции заглушки и технологии ее установки. Заглушки и их компоненты могут иметь разные варианты исполнения, количество сегментов может быть разным, но не менее двух; замков, обеспечивающих фиксацию сегментов заглушки в охваченном состоянии, может быть два и более, разных по конструкции; приспособлений, облегчающих улавливание трубопровода, может быть два и более различных конструкций; секций может быть две и более; приспособлений для фиксации заглушки на трубопроводе может быть два и более различных конструкций; механизмов, обеспечивающих охват трубопровода, может быть два и более разных конструкций, в т.ч. устанавливаемые снаружи заглушки; количество кольцевых уплотнителей может быть два и более; трубопроводов для подачи тампонажной смеси может быть два и более различных конструкций; варианты герметизации стыков между трубопроводом и заглушкой могут быть различными; варианты герметизации стыков между сегментами также могут быть разными; тампонажные смеси могут быть разными; заглушка может быть глухой или с двумя и более отводами различных конструкций; заглушка может быть выполнена для установки на аварийный трубопровод или на срез трубопровода.
Очевидно, заглушку можно установить с помощью различных приспособлений и механизмов, но для улучшения установки заглушки вблизи дна предлагается манипулятор.
Манипулятор и его элементы могут быть разных конструкций: число и конструкция элементов каркаса может быть любым; число опор может быть различным; конструкция выдвигаемых опор и способ их выдвижения может быть любым; конструкция оболочки может быть различной; состав, число и конструкция подвижных элементов манипулятора может быть любым; число и конструкция элементов системы управления могут быть различными; состав, число и конструкции другого оборудования могут быть различными.
Перечислить и описать разнообразия нереально, тем более, что разнообразия могут быть применены в разном сочетании.
Технический результат достигается благодаря тому, что:
конструкция крупногабаритного манипулятора позволяет выполнять работы дистанционно на любых глубинах, где есть работающие трубопроводы, с достаточной точностью, без спуска под воду людей в качестве водолазов, без применения кессонов, батискафов и других глубоководных субмарин. Конструкция отводов позволяет выполнять работы без остановки работы трубопроводной системы по перекачке материалов по аварийному трубопроводу. Конструкция сегментных заглушек дает возможность замены изношенных или аварийных участков трубопроводов на ремонтируемых (заменяемых) аварийных участках трубопроводов.
Технический результат достигается. Предлагаемое изобретение позволяет производить ремонт и замену аварийных трубопроводов под водой на больших глубинах. Все компоненты могут быть изготовлены промышленным способом за короткое время.