СПОСОБ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ ВНУТРИТРУБНОГО ТРАНСПОРТНОГО СНАРЯДА В МАГИСТРАЛЬНОМ ТРУБОПРОВОДЕ С ЗАДАННОЙ РАВНОМЕРНОЙ СКОРОСТЬЮ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF IN-LINE TRANSPORT OF PIG IN MAIN PIPELINE WITH PRESET UNIFORM SPEED AND DEVICE TO THIS END

Изобретение относится к области строительства и эксплуатации магистральных трубопроводов в части контроля и диагностики их состояния и может быть использовано для буксирования контрольного и диагностического аппаратов с заданной равномерной скоростью, обеспечивающей надлежащие точность и эффективность его работы.
Известно устройство для перемещения в трубопроводе (RU, патент №2080945, В08В 9/04, 10.06.1997 г.), содержащее корпус и двухзвенный механизм шагового перемещения, включающий силовые цилиндры перемещения одного звена относительно другого, центрирующие и опорные элементы с силовыми цилиндрами. Питание цилиндров осуществляется по гидромагистрали от внешней насосной станции, так же как и управление по электрокабелю от внешнего устройства. Способ перемещения устройства в трубопроводе включает подвод гидравлической энергии и управляющих импульсов от внешних, вне трубопровода, источников и осуществляют тем, что попеременно закрепляют одно из звеньев относительно трубопровода и перемещают относительно его другое звено, свободное от закрепления.
Недостатками способа и устройства являются:
- неравномерность скорости перемещения устройства в моменты переключения силовых цилиндров,
- отсутствие контроля скорости перемещения и средств корректирования ее,
- невозможность применения в магистральных трубопроводах, по причине нереальности, подачи по магистральным линиям энергии и управляющих импульсов устройству от внешних источников на расстояния, присущие магистральным трубопроводам, измеряемые в иных случаях десятками километров.
Известно внутритрубное транспортное средство (RU, патент №2093281, В08В 9/04, 20.04.1997), содержащее корпус, средство перемещения в виде нескольких движителей с электромеханическим приводом и средство прижатия движителей к поверхности перемещения, при этом средство перемещения выполнено в виде двух колес, контактирующих с противолежащими участками поверхности перемещения, а средство прижатия выполнено в виде соединяющей их U-образной пластинчатой пружины с разновеликими плечами, при этом энергопитание осуществляется от бортового источника.
Способ перемещения средства в трубопроводе заключается в том, что воздействуют вращаемыми приводом колесами на поверхность трубопровода, с усилием прижатыми к ней, в результате чего возникает реакция поверхности трубопровода, приложенная к средству, перемещающая его по трубопроводу.
Недостатками способа и устройства являются:
- отсутствие контроля скорости перемещения и устройств на нем для ее корректирования,
- невозможность применения в магистральных трубопроводах по причинам: первая - из-за больших расстояний обследуемых участков трубопровода, измеряемых десятками километров, нереально обеспечить энергопитание транспортного средства от аккумуляторов энергии в силу их ограниченности и конечности ее запасов; вторая - энергопитание от автономных источников типа двигателей внутреннего сгорания неосуществимо, потому что рабочая среда в трубопроводе может быть жидкой или бескислородной газовой.
Известны поршни-разделители типа ОПР-М-Э, ПР ("Очистка и испытания магистральных трубопроводов"; Е.М.Климовский, Ю.В.Колотилов; Москва, "Недра", 1987), содержащие корпус и закрепленные на нем герметизирующие элементы из эластомеров. Способ перемещения поршней-разделителей по трубопроводу заключается в том, что создают на них перепад давления рабочей среды воздействием потока ее, который подают в начале обследуемого участка магистрального трубопровода от внешнего источника к поршню-разделителю, при открытом конце участка, при этом усилие, создаваемое перепадом давления, приложено к поршню-разделителю и перемещает его по трубопроводу.
Недостатком способа является большая неконтролируемая и никак некорректируемая неравномерность скорости перемещения устройства: на спуске трубопровода по рельефу местности возможны ускорения или рывок поршня-разделителя, на подъеме - замедления или остановка его, на горизонтальном участке все эти явления возможны перед и за местом искажения правильной геометрической формы сечения трубы, даже в пределах допустимой нормы. Это самым серьезным образом сказывается на точности, качестве и эффективности работы контролирующего и диагностирующего состояние трубопровода аппарата, буксируемого в нем поршнем-разделителем.
Недостатком устройства является большая сила трения герметизирующих устройств о поверхность трубопровода, что приводит к необходимости значительного повышения давления рабочей среды перед поршнем-разделителем.
Известен поршень-разделитель, используемый при заполнении полости магистрального трубопровода водой (SU, а.с. №1427148, F17D 5/02, 30.09.1988), содержащий внешний источник жидкой рабочей среды, однонаправленный скребок, включающий корпус с герметизирующими манжетами, и устройство согласования скорости перемещения поршня-разделителя со скоростью поступления потока рабочей среды.
Способ перемещения поршня-разделителя в трубопроводе заключается в том, что от внешнего источника в начале обследуемого участка подают поток жидкой рабочей среды к поршню-разделителю, при открытом конце участка, воздействием потока создают перепад давления рабочей среды на скребке и также создают тормозящее усилие на устройстве согласования скорости относительно трубопровода, которое заранее настраивают на заданную максимальную величину в зависимости от рельефа местности, по которой проложен трубопровод, с тем, чтобы уравнять скорость перемещения поршня-разделителя со скоростью поступления потока рабочей среды, путем регулирования величины тормозящего усилия в пределах заданной максимальной величины. Усилие, создаваемое перепадом давления, приложено к поршню-разделителю и перемещает его по трубопроводу.
Недостатками способа и поршня-разделителя являются:
- отсутствие контроля скорости перемещения поршня-разделителя и средств на нем для корректирования скорости,
- невозможность применения поршня-разделителя в газовой рабочей среде,
- неравномерность скорости перемещения, обусловленная нестабильностью величины силы трения тормозных башмаков устройства согласования скорости о поверхность трубопровода.
Известный поршень-разделитель и способ его перемещения наиболее близки к изобретению по технической сущности и достигаемым техническим результатам.
Технической задачей изобретения является способ перемещения внутритрубного транспортного снаряда в магистральном трубопроводе, с воздушной или газовой средой, с заданной равномерной скоростью, создающей благоприятные условия работы контрольно-диагностического аппарата, обеспечивающие контроль и диагностирование состояния магистрального трубопровода с высоким качеством, точностью и эффективностью путем подачи энергии извне, в виде потока среды с заданным давлением для перемещения снаряда в трубопроводе, и преобразования части энергии потока в гидравлическую и электрическую для создания контролируемого тормозного усилия снаряда о стенки трубопровода с целью корректировки величины скорости в случае ее отклонения от заданной и устройство для осуществления способа.
Техническая задача по способу перемещения внутритрубного транспортного снаряда в магистральном трубопроводе с заданной равномерной скоростью, включающему подачу от внешнего источника, в начале обследуемого участка трубопровода с открытым концом, потока рабочей среды к внутритрубному транспортному снаряду, создание перепада давлений рабочей среды на нем и перемещение его усилием, создаваемым перепадом давлений, а также создание тормозящего усилия на внутритрубном транспортном снаряде относительно поверхности трубопровода, величина которого зависит от характеристики рельефа местности, по которой участок трубопровода проложен, решается согласно изобретению тем, что рабочую среду применяют воздушную или газовую, величину давления потока которой заранее задают в зависимости от рельефа местности, контролируют скорость перемещения снаряда, в случае отклонения величины последней от заданной корректируют ее путем изменения величины тормозящего усилия, для чего часть энергии потока рабочей среды преобразуют в гидравлическую и электрические виды энергии, которые используют для создания тормозящего усилия.
Техническая задача по устройству для осуществления способа перемещения внутритрубного транспортного снаряда по магистральному трубопроводу с заданной равномерной скоростью, содержащему внешний источник рабочей среды, корпус с герметизирующей манжетой из эластомера и устройство согласования скорости, решается согласно изобретению тем, что устройство включает источник воздуха, например турбокомпрессорный агрегат (ТКА) на базе авиадвигателя, или же источник природного газа, наделенные возможностью регулировать давление подаваемой в трубопровод среды и сообщенные с заглушенным началом обследуемого участка магистрального трубопровода, внутритрубный транспортный снаряд, содержащий сцепное устройство, передние и задние центрирующие колеса с пружинными механизмами и гидроприводами прижатия их к поверхности магистрального трубопровода и гидросистему, состоящую из гидробака, гидроаккумуляторов, гидронасоса с приводом через цепную передачу от заднего центрирующего колеса, теплообменника, блока электрогидроаппаратуры управления гидросистемой, гидроцилиндров прижатия к поверхности трубопровода башмаков устройства согласования скорости, при этом снаряд содержит также микропроцессор, управляющий им через электросистему, состоящую из электрогенератора с приводом, через цепную передачу от заднего центрирующего колеса, электроаккумулятора, блока управления, датчиков скорости и давления.
Сущность изобретения поясняется чертежами: фиг.1 - общий вид устройства, на фиг.2 изображен на выноске А с фиг.1 продольный разрез снаряда, фиг 3, 4, 5 - виды Б, В, поперечный разрез Г-Г снаряда, фиг.6 - вид Д на башмак устройства согласования скорости, фиг.7 - структурная механическая и электрогидравлическая схемы снаряда.
Устройство для осуществления способа перемещения внутритрубного транспортного снаряда в магистральном трубопроводе с заданной равномерной скоростью, в дальнейшем тексте "Устройство" и "Снаряд", содержит (см. фиг.1) источник 1 воздуха, например турбокомпрессорный агрегат (ТКА) на базе авиадвигателя, или источник 1 природного газа, например отвод от близко расположенного магистрального газопровода, наделенные возможностью регулировать давление подаваемой по трубе 2 в магистральный трубопровод 3 рабочей среды. Источник 1 сообщен с заглушенным началом обследуемого участка 4 магистрального трубопровода 3, в котором размещен снаряд 5. Противоположный конец участка 4 магистрального трубопровода 3 открыт.
Приоритет источнику 1 рабочей среды подобного типа отдан по причине того, что величина производительности его гарантированно обеспечивает осуществление способа перемещения снаряда 5 в магистральном трубопроводе 3.
Снаряд 5 (см. фиг.2) включает корпус 6 с герметизирующей манжетой 7 из эластомера, закрепленной на щите 8 корпуса 6. К щиту 8 посредством поводков 9 прикреплены башмаки 10 устройства согласования скорости 11. Башмаки 10 рабочей обкладкой 12, выполненной из фрикционного материала на подкладке 13 из эластомера, прижимают к поверхности магистрального трубопровода 3 гидроцилиндрами 14.
В плане на виде D (фиг.6) башмак 10 имеет форму правильного пятиугольника, обращенного острым углом по движению снаряда 5, с целью устранения загрязнений с пути башмака 10.
Сзади снаряда 5 имеется сцепное устройство 15 с эластомерными амортизаторами. На снаряде 5 имеются передние 16 центрирующие колеса с пружинным механизмом 17 в комплекте с гидроприводом 18 для прижатия их к поверхности магистрального трубопровода 3. Имеются также задние 19 центрирующие колеса с пружинным механизмом 20 в комплекте с гидроприводом 21 для прижатия их к поверхности магистрального трубопровода 3.
Снаряд 5 (см. фиг.2, 3, 4, 5, 7) включает гидросистему 22, состоящую из гидробака 23, гидроаккумуляторов 24, гидронасоса 25, теплообменника 26, блока электрогидроаппаратуры 27, включающего комплект управляющей и регулирующей гидроаппаратуры с электроприводом, для управления гидросистемой 22. Привод гидронасоса 25 осуществляют через цепную передачу 28, с промежуточным блоком звездочек 29, от заднего центрирующего колеса 19. Гидросистема 22 включает также гидроцилиндры 14 и гидроприводы 18, 21.
Управляет работой снаряда 5 микропроцессор 30 через блок 31 управления электросистемой 32, состоящей из электроаккумулятора 33, датчика 34 скорости, датчика 35 давления и электрогенератора 36 с приводом через цепную передачу 37, с промежуточным блоком звездочек 38, от заднего центрирующего колеса 19.
В случае невозможности обеспечить цепными передачами 28, 37 необходимые передаточные отношения между задними центрирующими колесами 19 и гидронасосом 25 и электрогенератором 36 в кинематические цепочки приводов последних встраивают соответствующие мультипликаторы.
Промежуточные блоки 29 и 38 посажены на осях качания вилок 39, в которых установлены на валах 40 колеса 19. На концах валов 40 закреплены ведущие звездочки 41 цепных передач 28, 37. Гидросистема 22 и электросистема 32 скомпонованы в задней части снаряда 5. Между ними и манжетой 7 установлено устройство согласования скорости 11.
Способ перемещения внутритрубного транспортного снаряда в магистральном трубопроводе с заданной равномерной скоростью осуществляют "устройством" следующим образом: источником 1 подают воздух или газ в начало обследуемого участка 4 магистрального трубопровода 3 под постоянным давлением, величина "Р" которого заранее рассчитана, исходя из характеристики рельефа местности, по которой проложен участок 4 магистрального трубопровода 3 по формуле, выведенной из условия равновесия сил, действующих на снаряд 5:
откуда после преобразований получаем, имея в виду, что:  при подъеме трассы магистрального трубопровода 3 вверх; t=1 - коэффициент трения эластомера манжеты 7 о стальную поверхность магистрального трубопровода 3;
где
mp
f, D - поперечная площадь полости и внутренний диаметр магистрального трубопровода 3;
S - ширина юбки 42 манжеты 7, трущейся о поверхность магистрального трубопровода 3;
G - вес снаряда 5;
F - сила трения башмаков 10 устройства согласования скорости 11 о поверхность магистрального трубопровода 3;
max
α - максимальный угол подъема магистрального трубопровода 3 в пределах его обследуемого участка 4;
k=0,9-0,8 - поправочный коэффициент, учитывающий силу трения качения центрующих колес 16, 19 и затраты на привод гидронасоса 25 и электрогенератора 36.
Датчик 35 давления рассчитан на срабатывание при величине давления рабочей среды перед снарядом 5 в обследуемом участке 4-0,1 Р.
При достижении этой величины датчик 35 давления подает электроимпульс в блок 31 управления электросистемы 32, запитываемой от электроаккумулятора 33, микропроцессор 30 подает через блок 31 управления команду блоку электрогидроаппаратуры 27 на включение гидроприводов 18 и 21, которые выводят центрирующие колеса 16 и 19 из "холостого" положения: центрирующие колеса 16 и 19 сдвинуты к центру и не контактируют с поверхностью магистрального трубопровода 3; в рабочее: прижатие к поверхности с усилием, определяемым предварительной загрузкой пружинных механизмов 17, 20. Такая же команда поступает на гидроцилиндры 14 для перевода башмаков 10 устройства согласования скорости 11 из "холостого" положения в рабочее: прижим башмаков 10 к поверхности магистрального трубопровода 3 с минимальным, начальным, усилием. Аналогично по прохождении обследуемого участка 4 снаряд 5 подают в приемную камеру, где давление рабочей среды падает по величине ниже 0,1 Р, датчик 35 давления подает электроимпульс на выработку команды микропроцессором 30 гидросистеме 22 на перевод центрирующих колес 16, 19 и башмаков 10 из рабочего положения в "холостое". Все эти действия осуществляют за счет энергии, накопленной в гидроаккумуляторах 24 и электроаккумуляторе 33, для облегчения монтажных операций по "запасовке" снаряда 5 в магистральный трубопровод 3 и по извлечению снаряда 5 из приемной камеры.
По мере роста давления среды до величины Р снаряд 5 начинает двигаться и набирает скорость перемещения, равную заданной в программе микропроцессора 30. Датчик скорости 34, посаженный на вал электрогенератора 36, постоянно передает данные о величине скорости перемещения в блок 31 управления. Микропроцессор 30 сравнивает их с заданной величиной скорости и в зависимости от малейшего отклонения в ту или иную сторону на подъеме или спуске трубопровода или по иной причине, выдает команды увеличить усилие прижима башмаков 10 или уменьшить. При этом сила трения башмаков 10 о поверхность магистрального трубопровода 3 увеличивается или уменьшается по величине, вследствие чего скорость снаряда поддерживают в заданных пределах. Таким образом, производят согласование скорости перемещения снаряда 5 в магистральном трубопроводе 3 с величиной заданной скорости, заложенной в программе микропроцессора 30.
Величина усилия прижима башмаков 10 зависит от величины деформации упругой подкладки 13. Толщина подкладки 13 незначительна и также незначительно по величине перемещение башмака 10 для достижения необходимой величины деформации подкладки 13 с целью получения заданной микропроцессором 30 величины усилия прижима башмака 10 к поверхности магистрального трубопровода 3. Поэтому подачу гидросмеси в гидроцилиндр 14 устройства согласования скорости 11 осуществляют блоком электрогидроаппаратуры 27 по команде микропроцессора 30 в микроскопических количествах. Этот фактор в основном определяет быстродействие системы регулирования тормозящего действия устройства согласования скорости 11: датчик скорости 34 - блок 31 управления электросистемой 32 - микропроцессор 30 - блок электрогидроаппаратуры 27 гидросистемы 22; что является необходимым и достаточным условием обеспечения равномерности скорости перемещения снаряда 5 в заданных пределах.
Упругая подкладка 13 обеспечивает также равномерность прижатия рабочей обкладки 12 к поверхности магистрального трубопровода 3.
При перемещении снаряда 5 гидронасос 25 непрерывно перекачивает гидросмесь из гидробака 23 в блок электрогидроаппаратуры 27, который сбрасывает ее через теплообменник 26 в гидробак 23, поддерживая минимальное давление за гидронасосом 25, обеспечивающее покрытие гидравлических потерь в сети и теплообменнике 26, через который при этом прокачивают рабочую среду воздействием перепада давлений рабочей среды до и за манжетой 7.
Тепло, выделившееся в гидронасосе 25 таким образом, утилизируют, и температура гидросмеси в гидробаке 23 всегда будет в пределах нормы. Работу гидроцилиндра 14, гидроприводов 18 и 21 обеспечивают запасом гидроэнергии, накопленной в гидроаккумуляторах 24. При падении давления гидросмеси в гидроаккумуляторах 24 ниже допустимого уровня блок электрогидроаппаратуры 27 прекращает сброс гидросмеси от гидронасоса 25 в гидробак 23 и направляет ее в гидроаккумуляторы 24. После их полной зарядки сброс гидросмеси в гидробак 23 возобновляют. Сброс гидросмеси из гидроцилиндра 14 и гидроприводов 18, 21 осуществляют также через теплообменник 26 в гидробак 23.
Электрогенератор 36 при перемещении снаряда 25 непрерывно вырабатывает электроэнергию, потребляемую электросистемой 32 полностью на подзарядку электроаккумулятора 33. Между подзарядками электрогенератор 36 полностью электрически отключают.
Транспортирование с равномерной заданной скоростью контрольно-диагностического внутритрубного аппарата, или иного агрегата, осуществляют буксировкой за сцепное устройство 15, эластомерные амортизаторы которого сглаживают малейшие колебания величины скорости перемещения снаряда 5.
Использование изобретения позволит с высоким качеством и точностью проводить контроль и диагностику магистрального трубопровода.