ВНУТРИТРУБНЫЙ СНАРЯД НА ГАЗОВОЙ ПОДУШКЕ

Полезная модель относится к трубопроводному транспорту и в особенности к обеспечению контроля состояния в магистральных газопроводах методами бесконтактной дефектоскопии.
Известно устройство (RU №2009726 В08В 9/04 опубл. 30.03.1994) для очистки внутренней поверхности труб действующих магистральных трубопроводов, содержащее полый цилиндрический контейнер с укрепленными на нем двумя эластичными манжетами для перекрытия сечения очищаемой трубы, контейнер снабжен патрубком, имеет в задней стенке отверстие, в котором размещен один конец патрубка, другой конец которого расположен над нижней частью внутренней поверхности очищаемой трубы, причем передняя стенка контейнера имеет множество отверстий, общая площадь которых в 10 и более раз превышает сечение патрубка. Контейнер снабжен двумя несущими колесами с горизонтальными осями вращения для перемещения устройства, к переднему торцу контейнера прикреплена одна манжета, диаметр которой равен внутреннему диаметру очищаемой трубы, а к его заднему торцу прикреплены два опорных колеса с вертикальными осями для касания поверхности трубы в двух точках, лежащих на горизонтальном диаметре трубы.
Это устройство обеспечивает поток газа, засасывающего предметы, лежащие на внутренней части трубы газопровода за счет колес и манжет, а так же всасывающего патрубка. Но не используется для газового взвешивания контейнеров. При этом на стенки трубопровода оказывают воздействие большие силы трения от колес, манжет.
Известен дефектоскоп-снаряд для внутритрубной дефектоскопии (RU №2109206 МПК F17D5/00, В08В 9/04 опубл. 20.04.1998), содержащий электрически связанные между собой блоки источников излучения, блоки чувствительных элементов, систему управления, систему определения координат, систему обработки и регистрации информации и систему электропитания. Дефектоскоп-снаряд содержит механизм, состоящий из двух модулей с гидроприводом осевого возвратно-поступательного перемещения одного модуля относительно другого. Каждый модуль имеет опорные органы с узлами их радиального перемещения для фиксации в трубопроводе. Один из модулей снабжен выполненным с возможностью вращения в потоке транспортируемого продукта аэродинамическим винтом, вал которого соединен с валом гидронасоса, связанного рабочими магистралями через электрогидроклапаны с гидроприводом осевого возвратно-поступательного перемещения одного модуля относительно другого, с гидроприводами вращения блоков чувствительных элементов, с гидроприводом вращения электрогенератора системы электропитания, с гидроприводами узлов радиального перемещения опорных органов.
Опорные органы выполнены в виде колес, снабженных тормозами мгновенного действия, например ленточными, с гидроприводом, связанным рабочими магистралями через электрогидроклапаны с гидронасосом.
На узлах радиального перемещения опорных колес закреплены кривошипно-кулисные механизмы, кулисы которых через кривошипы, установленные на осях опорных колес, связаны с поршнями регуляторов скорости, полости которых соединены между собой через ограничители расхода.
В этом решении осуществляется отбор мощности с аэродинамического винта гидронасоса. Подзарядка аккумулятора реализуется с помощью электрогенератора, вращающегося от гидроэлектропривода, соединенного рабочей магистралью с гидронасосом. Недостаток - большие силы трения скольжения в местах контактного взаимодействия колес с трубой.
Дефектоскоп-снаряд для внутритрубной дефектоскопии не используется для газового взвешивания контейнеров.
Аппарат на воздушной подушке с дополнительной аэродинамической поддержкой корпуса (RU 2456185 МПК B60V 1/08 опубл. 20.07.2012), содержащий корпус, кабину водителя, центральный воздухозаборник с направляющими лопатками, внутри которого размещен осевой нагнетатель воздуха, ресивер с обшивкой, двойные кольцевые каналы, соединенные с ресивером. Двигатель, через разобщительную муфту соединен с осевым нагнетателем воздуха. Передние и задние движители горизонтального перемещения, пневматически соединены с ресивером. Передние и задние вертикальные сопла, соединены с ресивером. Колесное посадочное шасси, механизмы управления расположены сверху на некотором расстоянии от корпуса. На вертикальных стойках закреплена аэродинамическая платформа, выполненная в форме двух прямоугольных плит, изготовленных из легкого и прочного материала, наложенных симметрично друг на друга и соединенных между собой болтами. На верхней поверхности верхней плиты выполнены квадратные ячейки, расположенные рядами в продольном и поперечном направлениях, каждая из которых представляет собой воронкообразное углубление с двумя противоположными вертикальными плоскостями, между которыми расположены две противолежащие плоскости, наклоненные внутрь под углом друг к другу. В месте их соединения имеется сквозной вертикальный щелевидный канал, по ширине равный ширине ячейки, на некотором расстоянии от которого сверху прикреплена пластина. На верхней поверхности нижней плиты выполнены открытые сверху продольные каналы, пневматически соединенные между собой перемычками и с вертикальными щелевидными каналами ячеек верхней плиты, выходные концы которых соединены с центральным выходным отверстием, расположенным на нижней поверхности нижней плиты с центральным воздухозаборником. Механизмы управления аппаратом в пространстве кинематически связаны с передними и задними вертикальными соплами. Механизмы управления движением аппарата связаны с заслонками движителей горизонтального перемещения. Сверху на некотором расстоянии от верхней прямоугольной плиты на стойках закреплен настил для грузового контейнера, а к нижней прямоугольной плите прикреплено гибкое ограждение.
Это устройство применяется для аэродинамической поддержки транспорнтых средств с плоскими поверхностями и не может использоваться для цилиндрических газовых трубопроводов.
Известен внутритрубный снаряд-дефектоскоп с резирвированными датчиками дефектов и одометрами (RU №2406082 МПК G01N 27/24 опубл. 10.12.2010 - прототип), содержащий цилиндрический контейнер, манжеты, колесные опоры, блок источников электрического питания, магниточувствительные датчики, входящие в состав датчиков дефектов и одометров, система управления, блок электроники, с управляющим компьютером, с процессором и аналого-цифровыми преобразователями и интерфейсом, трехкомпонентный гироскопический измеритель угловой скорости, трехкомпонентный измеритель кажущегося ускорения, при этом магниточувствительные элементы образуют два концентрических ряда, раезнесенных вдоль продольной оси контейнера. Гидропривод снабжен четырьмя гидродвигателями, снабженными датчиками перемещений.
Это устройство не обеспечивает бесконтактный газовый подвес снаряда.
Задача изобретения - обеспечение бесконтактного подвеса внутритрубного снаряда в трубопроводе, практически исключающего силы сухого трения между снарядом и стенкой трубопровода. Такой подвес снаряда обеспечивает большую безызностность в условиях применения полимерных покрытий в магистральных морских трубопроводах, тем самым повышает надежность работы.
Данный результат достигается тем, что внутритрубный снаряд на газовой подушке, в состав которого входят контейнер с опорами, а также блок чувствительных элементов, источник электрического питания и блок электроники, компьютерная система управления, распределитель. Новым является то, что введены компрессор с нагнетателем и распределителем газа, многоэлементные газовые опоры с соплами и тарелками, расположенные по окружности контейнера на внешних выступающих частях его цилиндрических стенок, а источник электрического питания дополнительно содержит устройство подзарядки с генератором электрического напряжения и преобразователь напряжения, где обмотки генератора соединены с входом преобразователя напряжения, один выход которого соединен с компрессором, второй - с аккумуляторной батареей, при этом аккумуляторная батарея, преобразователь напряжения, блок чувствительных элементов и блок электроники закреплены в нижней части контейнера на опорной площадке со смещением вниз для обеспечения нижней маятниковости контейнера.
Устройство для подзарядки выполнено в виде аэродинамического пинта, расположенного на одном валу с генератором электрического напряжения.
Сопла газовых опор соединены с нагнетателем газоподводящими трубками.
Преобразователь напряжения и блок чувствительных элементов соединены через аналого-цифровые преобразователи и интерфейс с управляющим компьютером.
Полезная модель поясняется чертежами, где на фиг.1 - общий вид устройства, фиг.2 - вид сбоку с разрезом, фиг.3 - функциональная электрическая схема соединений блоков.
На фиг.1 и фиг.2 приняты следующие обозначения: 1 - магистральный трубопровод; 2 - контейнер; 3 - левая стенка контейнера; 4 - правая стенка контейнера; 5 - сопло газовой опоры;; 6 - впускная камера контейнера; 7 - опорная перегородка с отверстиями; 8 - аэродинамический винт; 9 - ротор; 10 - статор генератора напряжения; 11 - вал; 12 - опоры вала; 13 - компрессор с нагнетателем; 14 - распределитель (коллектор) газа; 16 - газоподводящие трубки; 17 - опорная площадка контейнера; 18 - блок чувствительных элементов; 19 - блок электроники, включающий в свой состав управляющий компьютер и накопитель информации, (например, в виде флэш-памяти), интерфейс, аналогово-цифровые преобразователи, устройства ввода-вывода информации; 20 - преобразователь напряжения; 21 - аккумуляторная батарея; 22 - отверстия в левой стенке для впуска газа под давлением Q; 23 - тарелка на левой стенке, 24 - тарелка на правой стенке.
1
Все указанные блоки и приборы закреплены на контейнере 2 и на опорной площадке 17 контейнера (фиг.1 и фиг.2, 3). При этом на левой стенке 3 контейнера 2, давление газа Q выше, чем давление Q на его правой стенке. В соответствии с этим на левой стенке 3 выполнены отверстия 22 для впуска газа. Подача газа в выходные сопла 5 опорных элементов (всего 16) обеспечивает всплытие контейнера. На валу 11 закреплен винт 8 с ротором 9 генератора напряжения. За генератором напряжения установлена опорная перегородка с отверстиями. Для прохода газа в компрессор 13, закрепленный на опорной площадке 17. Выход компрессора связан с камерой нагнетателя 14, также закрепленной на указанной опорной площадке 17. Газоподводящие трубки 16 связывают камеру нагнетателя с соплами 5 газовых опор и тарелками 23 и 24. Магниточувствительные элементы, которые в прототипе вмонтированы в гибкие ласты, в данном снаряде закрепляются неподвижно на контейнере чувствительными частями как можно ближе к поверхности трубопровода 1.
Контейнер 2 является стальным. Часть его является герметичной. На радиально выступающих частях левой 3 и правой 4 стенок контейнера 2 закреплены многоэлементные газовые опоры. Каждый опорный элемент состоит из тарелок 23 или 24, в каждой из них имеется сопла 5. На фиг.2, показано по 8 тарелок 23, 24 на левой стенке контейнера, т.е по 8 элементов опор. Тарелки могут быть выполнены армированными из полиуретана. Сопло 5, соединено с помощью газоподводящих трубок 16 с распределителем 14. Распределитель 14 соединен с компрессором 13. Восемь тарелок 23 на левой выступающей в радиальном направлении цилиндрической части левой стенки 3 и восемь тарелок 24 на выступающей цилиндрической правой стенке 4 образуют два ряда многоэлементной газовой опоры. Приемная часть компрессора расположена со стороны впускной камеры контейнера 6, жестко соединенной с контейнером и сужающейся в сторону нагнетателя 13. В левой стенке 3 с отверстиями и в опорной перегородке 7 с отверстиями (в обоих случаях отверстия служат для пропуска газа) в опорах 12, например, шарикоподшипниковых, установлен вал 11 с закрепленным аэродинамическим винтом 8, служащий для привода его и ротора 9 генератора напряжения, установленного на одном валу с винтом 8. Винт 8 приводится во вращение от набегающего потока газа под действием разности давлений Q-Q1, где Q1 - давление газа справа от снаряда. Генератор напряжения, состоящий из ротора 9 и обмотки статора 10, служит для подзарядки аккумуляторной батареи 21 через посредство преобразователя напряжения 20. Обмотка статора 10 соединена с преобразователем напряжения 20, один из выходов которого соединен с аккумуляторной батареей для его зарядки, другие выходы связаны с чувствительными элементами 18, с блоком электроники 19 и другими устройствами. Блок 20, аккумуляторная батарея 21 закреплены в нижней части контейнера. Закрепление узлов 18 и 19 выполнены на опорной площадке 17, на других частях и конструкция контейнера выполнены с нижними смещениями. В силу выполнения указанных размещений узлов (18-21) снаряд имеет нижнюю маятниковость с плечом е. (фиг.1). Это предотвращает переворот снаряда вокруг продольной оси и ограничивает углы крена при движении. Преобразователь напряжения 20 либо выпрямляет и усиливает переменное напряжение с обмотки 10, либо просто усиливает (если генератор 9, 10 постоянного тока). В том и другом случаях преобразователь напряжения 20 соединен электрически с аккумуляторной батареей 21, являющейся источником электрического питания, с целью ее зарядки. Он же в начальный и последующие моменты времени после включения внутритрубного снаряда на газовой опоре подключает все электрические блоки и узлы, к аккумуляторной батарее 21 и к другим его выходам.
Компрессор 13 состоит из электрического двигателя, обмотка управления которого изображена на фиг.1, а также из нагнетателя, соединенного с газораспределителем 14. Электрический двигатель приводит по вращение, например, рабочее колесо нагнетателя осевого типа с крыльчаткой. На его выходе создается повышенное давление, и через камеру 14 по газоподводящим трубкам 16 подводится через сопла 5 в шестнадцать тарелок 23, 24, образующих опорные элементы камерного типа (книга Ежи Бень, «Модели и любительские суда на воздушной подушке», Л. Судостроение, 1983 г.).
Блок чувствительных элементов 18 содержит трехкомпонентный гироскопический измеритель угловых скоростей (ТГИУС), трехкомпонентный измеритель кажущихся ускорений (ТИКУ). Блок ТГИУС может быть выполнен на основе трех волоконно-оптических, микромеханических или других малогабаритных, в том числе прецизионных гироскопов. Блок ТИКУ может быть выполнен на основе кварцевых акселерометров с замкнутым контуром обратной связи, микромеханических и других. Кроме того на элементах опор 4, на контейнере 2 могут быть установлены бесконтактные одометры и датчики дефектов электромагнитного типа или на основе датчиков Холла или магниточувствительных микросенсоров матричного типа.
Блок электроники 19 также установлен на контейнере 2 и предназначен для записи и хранения во флэш-памяти большого объема записываемой во время движения информации от трехкомпонентного гироскопического измерителя угловой скорости, трехкомпонентного измерителя кажущегося ускорения, одометров, датчиков дефектов и других (Схема фиг.3).
Работает устройство следующим образом. После запасовки внутритрубного снаряда на газовой подушке (ВСГП) в камеру запуска подключают его электрическое питание. Управляющий компьютер, находящийся в блоке электроники 19, через интервал времени, больший времени заполнения камеры газом, включает все блоки. Они работают от аккумуляторной батареи 21. Двигатель компрессора начинает вращаться, за счет чего нагнетатель начинает подавать газ в компрессор 13 и через камеру распределителя 14 по газоподводящим трубкам 16 газ через сопла 5 подводится во внутренние полости отдельных элементов опор тарелок 4. Вначале в нижних опорных элементах зазоров практически нет, а в верхних опорах - зазоры увеличенные. По этой причине они могут быть перекрыты путем перекрытия газоподводящих трубок, расположенных выше диаметральной горизонтальной плоскости контейнера 1 по сигналам ТИКУ и ТКИУС с помощью управляющего компьютера 19. Под действием нагнетаемого с повышенным давлением газа в опоры камерного типа, образованных тарелками 4 газовых опор и внутренней поверхностью трубопровода 2, создается подъемная сила на передней 23 и задней 24 опорах. В результате этого снаряд всплывает и, под действием разности давлений Q на задней и Q1 на передней стенке начинает двигаться. Он не имеет контактного взаимодействия с трубопроводом 1 и передвигается в сторону действия разностной силы, обусловленной разностью давлений слева и справа от снаряда. За счет указанной разности давлений при движении ВСП возникает вращение винта 8, который, вращая вал 11 с ротором 9 генератора напряжений 9, 10, приведет к выработке напряжения в обмотке 10. Преобразователь напряжения 20 служит для подключения зарядного устройства к аккумуляторной батарее 21. Этим самым обеспечивается подпитка аккумулятора и работоспособность снаряда в течение длительного времени. При движении снаряда приборы блока чувствительных элементов измеряют пройденное расстояние, угловые скорости и кажущиеся ускорения, пройденное расстояние и другие параметры. Измеренная и закодированная информация записывается в блоке электроники во флэш-память.
После преодоления снарядом отрезка трассы, на котором производились измерения, он вводится в камеру приема, электрическое питание отключают. Газ из камеры удаляют, и снаряд опускается на нижнюю часть трубы. Снаряд разгерметизируют, вынимают блок с флэш-памятью и с помощью специальных стационарных компьютеров, алгоритмов и программ обрабатывают записанную информацию. В итоге получают данные о координатах трассы трубопровода, радиусов и углов кривизны ее изгибов, углов на местности и других необходимых параметрах.
Мощность двигателя привода нагнетателя можно определить по формуле (книга Ежи Бень «Модели и любительские суда на воздушной подушке» Л. Судостроение 1983 с.28).
где р0 - плотность газа вокруг снаряда,
p - плотность сжатого газа,
G - вес снаряда,
G0=G/m,
m - число несущих опор,
- площадь подушки (тарелки);
Ε - коэффициент сжатия,
h - высота над поверхностью, равная допуску на диаметр,
- диаметр тарелки,
n - число тарелок по окружности,
d - диаметр снаряда,
nu - КПД
Общая мощность на снаряде равна N0=2nN
3
3
Расчет по формуле (1) при р0=(0,73-0,75 кг/м3*(75)=60 кг/м), p=63 кг/м, G=127 кг, для профилемера 300 m=4, Ε=(0,5-0,8), h=1 мм по СТО Газпром 2-2.2-180-2007, n=8, d=0,3 м показывает, что общая мощность нагнетателя равна 49,6 Вт, а при h равной 2 мм - 99,2 Вт
При G=1550 кг, для профилемера 1400 m=4, Ε=(0,5-0,8); h=4 мм по СТО Газпром 2-2.2-180-2007, n=8, d=1.4 м показывает, что общая мощность нагнетателя равна 40 Вт.
Технико-экономический эффект состоит в том, что в снаряде на газовой подушке отсутствует контакт с трубой, в силу чего практически нет сухого трения и как следствие износа опор. К тому же скорость его движения может значительно превышать скорость применяемых снарядов-дефектоскопов с колесами и контактными манжетами. Повышается производительность определения параметров трубопровода и срок службы снаряда из-за отсутствия контактных напряжений в полимерной пленке и в его опорах.