СТЕНД ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ОБОРУДОВАНИЯ И ПРОЦЕССОВ БЕСТРАНШЕЙНОГО РЕМОНТА ТРУБОПРОВОДОВ
BENCH TO EXAMINE EQUIPMENT AND PROCESSES OF TRENCHLESS REPAIR OF PIPELINES

Изобретение относится к строительной и нефтегазовой отраслям промышленности, а также к коммунальному хозяйству и может быть использовано для исследования оборудования и процессов ремонта трубопроводов способами нанесения внутритрубных покрытий с применением комбинированного рукава.
Известен стенд (а.с. СССР 1167275, кл. E02F 5/18, G01M 19/00; опубл. 1985 г.) для испытания и исследования рабочих органов для бестраншейной прокладки коммуникаций, содержащий короб с имитируемым грунтом, в одной из стенок которого выполнено отверстие для рабочего органа, прижимной узел, состоящий из винтовых домкратов с прижимными плитами и устройством для измерения усилия прижатия плит (динамометрическое кольцо), узел подачи рабочего органа с гидродомкратом и нажимной плитой, люнет, а также датчики напряжений и деформаций.
Известный стенд применим только для исследования процессов прокладки коммуникаций, поэтому его недостатком является невозможность исследования оборудования и процессов бестраншейного ремонта трубопроводов.
Также известен являющийся по технической сущности наиболее близким к предлагаемому решению стенд (патент на изобретение РФ 2318196, МПК G01M 19/00; E02F 5/18; опубл. 2008 г.) для испытания и исследования рабочих органов для бестраншейной замены трубопроводов, содержащий короб с имитируемым грунтом и отверстием в одной из его стенок, источник тягового усилия в виде узла подачи рабочего органа с гидродомкратом и прижимной узел, включающий прижимные плиты и устройство для измерения усилия прижатия плит. При этом узел подачи рабочего органа снабжен вторым гидродомкратом и швеллером, соединенным с динамометром растяжения и с тягой. Прижимной узел выполнен в виде гидродомкратов, а прижимные плиты расположены одна над другой с установленным между ними устройством для измерения усилия прижатия плит, выполненным в виде динамометра сжатия, а в стенке короба, противоположной стенке с отверстием, выполнено второе отверстие, расположенное против первого, причем между стенками короба и грунтом размещены листы из пористой резины. При этом в грунте установлена труба, имитирующая старый трубопровод, через которую пропущена тяга, присоединенная к передней части рабочего органа, а к задней части рабочего органа присоединена труба, имитирующая новый трубопровод, к которой через фланец закреплен груз переменного веса.
Известный стенд применим только для испытания и исследования рабочих органов оборудования, а также и процессов, используемых только в группе способов бестраншейного ремонта трубопроводов путем замены трубопроводов и не применим для исследования оборудования и процессов бестраншейного ремонта трубопроводов способами другой группы, в частности способами нанесения внутритрубных покрытий с использованием комбинированного рукава. При этом известным стендом не могут быть исследованы такие виды применяемого при ремонте трубопроводов оборудования, как вакуум-насос, пылесос и комбинированный рукав, обладающий функциями оборудования и материала покрытия. Указанным стендом также не могут быть исследованы и процессы, входящие в способы нанесения внутритрубных покрытий с использованием комбинированных рукавов, в частности процессы протягивания через трубопровод троса, ввода рукава в трубопровод, твердения материала покрытия труб и др.
Задачей изобретения является обеспечение возможности исследования оборудования и процессов бестраншейного ремонта трубопроводов способами нанесения внутритрубных покрытий с применением комбинированного рукава.
Поставленная задача решается таким образом, что в стенде для исследования оборудования и процессов бестраншейного ремонта трубопроводов, содержащем основание, установленную на нем трубу, источник тягового усилия, блок, перекинутый через него трос, к концу которого подвешен груз переменного веса, согласно изобретению труба выполнена съемной с возможностью моделирования трубопроводов различного диаметра, имеющих отводы с различными углами и радиусами и переходы с различными размерами и формой сужений, при этом внутри трубы на ее конце закреплен съемный горообразный рукав, срединная часть которого соединена с другим концом троса, а в качестве источника тягового усилия использован вакуум-насос или пылесос, соединенный с трубой, для создания в ней разрежения, шлангом через переход и тройник с вакуумметром. При этом труба может быть выполнена из прозрачного материала, а рукав - с возможностью моделирования заготовки внутритрубного покрытия путем изменения его материала, толщины и количества слоев. Также к концу троса может быть подвешен динамометр, второй конец которого прикреплен к полу стендового помещения.
На чертеже схематично показан предлагаемый стенд для исследования оборудования и процессов бестраншейного ремонта трубопроводов.
Стенд для исследования оборудования и процессов бестраншейного ремонта трубопроводов включает основание 1, на котором установлены съемная труба 2, имитирующая (моделирующая) подлежащий восстановлению трубопровод, и блок 3. Через этот блок перекинут трос 4, соединенный одним концом с грузом 5 переменного веса, а другим - со срединной частью съемного горообразного рукава 6, моделирующего заготовку внутреннего покрытия трубопровода. Противоположный конец рукава 6 с выворотом закреплен на трубе 2 хомутом 7. Противоположный от выхода рукава конец трубы 2 через переход 8 и тройник 9 с вакуумметром 10 соединен шлангом 11 с источником 12 тягового усилия, в качестве которого использован вакуум-насос или пылесос. Труба 2 и тройник 9 установлены на основание 1 с использованием опор 13-15 и хомутов 16, 17, а блок 3 - с использованием кронштейна 18. Для исключения случайного чрезмерного подъема груза 5 на основании 1 закреплен ограничитель 19 с установленным на нем концевым выключателем (не показан), отключающим электродвигатель источника тягового усилия при касании ограничителя 19 грузом 5. Для снижения шума, в случае падения груза 5 при отключении двигателя источника тягового усилия, на полу стендового помещения под грузом размещен резиновый коврик 20. Для изучения характера движения горообразного рукава 6 и механизма его складкообразования труба 2 может быть выполнена из прозрачного материала. Для исследования конструкции рукава он может быть выполнен с возможностью моделирования заготовки внутритрубного покрытия путем изменения его материала, толщины и количества слоев. Вместо груза 5 может быть установлен динамометр (не показан), один конец которого соединен с тросом 4, а другой прикреплен к полу стендового помещения или зафиксирован в руке оператора.
Стенд для исследования оборудования и процессов бестраншейного ремонта трубопроводов работает следующим образом.
Предварительно выполняют подготовительные работы. При этом на основание 1 устанавливают трубу 2 с исследуемыми значениями диаметра, а также характеристиками отводов и переходов. К концу такой трубы хомутом 7 крепят конец съемного горообразного рукава 6. Второй конец этого рукава глушат скруткой (не показана) и присоединяют к тросу 4, соединенному через блок 3 с грузом 5 переменного веса. Источник 12 тягового усилия в виде вакуум-насоса или пылесоса подключают к электросети и шлангом 11 соединяют с тройником 9.
Непосредственная работа стенда в общем случае заключается в следующем.
Осуществляют пуск электродвигателя источника 12 тягового усилия и встроенным в этот источник регулятором (не показан) обеспечивают необходимое разрежение воздуха в трубе 2, контролируемое вакуумметром 10. При достижении требуемого разрежения горообразный рукав 6 начнет втягиваться в трубу 2, а груз 5 подниматься до ограничителя 19 и срабатывания концевого выключателя электродвигателя источника 12 тягового усилия. В каждом опыте должны фиксироваться разрежение воздуха, вес груза 5 и скорость его подъема, рассчитываемая через замеры времени и высоты подъема этого груза.
В зависимости от конкретной задачи исследования с использованием стенда на основание 1 могут быть установлены трубы 2 различного диаметра с отводами и переходами конкретных параметров или без них, а также различных размеров и конструкций съемные рукава 6 в пропитанном полимерным составом или непропитанном состоянии. При этом на стенде могут быть исследованы оборудование и процессы бестраншейного ремонта трубопроводов способами нанесения внутритрубных покрытий с использованием комбинированных рукавов. В качестве оборудования могут быть исследованы вакуум-насос, пылесос и сам комбинированный рукав, обладающий функциями не только материала покрытия, но также оборудования и оснастки. В качестве процессов стенд позволяет исследовать с учетом влияния различных факторов: ввод рукава в трубопровод; твердение покрытия; производительность комплекса оборудования; протягивание через трубопровод вспомогательных устройств (троса, видеокамеры для контроля качества покрытия и др.). Поскольку основным продуктом любой исследовательской работы являются зависимости ряда целевых функций от различных факторов влияния, то стенд разработан с возможностью проведения исследований таких целевых функций, как производительность оборудования; разрежение воздуха, создаваемое источником тягового усилия для ввода комбинированного рукава; прочность, шероховатость и адгезия покрытия к стенкам трубопровода; сопротивление вывороту комбинированного рукава, его тяговые свойства и др. В качестве основных факторов влияния могут исследоваться факторы оборудования (мощность и разрежение вакуум-насоса или пылесоса), технологического процесса (длина захватки, свойства технологических материалов, марки и пропорции между компонентами полимерного связующего, длительность твердения материала покрытия, давление прижатия тканевой оболочки к стене трубопровода, температура воздуха в трубопроводе и др.) и трубопровода (диаметр, длина, параметры отводов и переходов и др.). Для решения конкретной исследовательской задачи должен составляться по известным методикам экспериментальный план с указанием целевых функций, факторов влияния, известных способов и неуказанных на чертеже приборов их измерения или расчета значений этих функций и факторов, интервалов и количества уровней варьирования каждого фактора, количества повторов опыта, необходимых для получения с требуемой точностью каждой точки исследуемой зависимости. Полученные с применением стенда зависимости могут быть использованы для выбора оборудования (вакуум-насоса или пылесоса и др.) и оптимальных параметров технологии восстановления трубопроводов способами нанесения внутритрубных покрытий с использованием комбинированного рукава (длины захватки, разрежения воздуха, нагрузки на рукав и др.).
В натурных условиях внутритрубное покрытие выполняют способами комбинированного рукава, изготавливаемого либо из ворсовой ткани, ламинированной полиэтиленовой пленкой, либо из несвязанных друг с другом тканевой оболочки и пленочного рукава. Для исследований с использованием предлагаемого стенда комбинированный рукав, в зависимости от задачи исследования, может моделироваться либо тканевой оболочкой и пленочным рукавом совместно, либо только одним из этих элементов. В натурных условиях ворсовую ткань или тканевую оболочку комбинированного рукава пропитывают полимерным связующим. При моделировании же процесса, в зависимости от задачи исследования, элементы комбинированного рукава могут вводиться в модель трубопровода - трубу 2 как в сухом, так и в пропитанном состоянии. Комбинированный рукав в процессе его ввода в трубопровод имеет горообразную форму в виде вытянутого полутора.
В зависимости от решаемой задачи исследования конкретный порядок работы стенда может видоизменяться, что показано в приведенных ниже примерах.
Пример 1. Исследование с использованием стенда процесса ввода комбинированного рукава в восстанавливаемый трубопровод с определением зависимости максимальных тяговых усилий рукава от диаметра трубопровода в диапазоне ⌀ 100-300 мм при максимально создаваемом пылесосом разрежении 0,02 МПа, толщине стенок тканевой оболочки (из полиамидной ткани) 1 мм и пленочного рукава 0,15 мм для случая, когда оболочка находится в сухом непропитанном полимерным составом состоянии, а в трубопроводе отсутствуют отводы, переходы и сквозные дефекты.
2
Исследование с использованием стенда выполняли в следующей последовательности: а) последовательно устанавливали на основание 1 стенда трубы 2 различного диаметра (⌀ 100; 150; 200; 250; 300 мм) в исследуемом диапазоне его изменения (⌀ 100-300 мм); б) при установке каждой трубы на ее конце закрепляли горообразный рукав 6 наружным диаметром, равным внутреннему диаметру трубопровода; в) в каждом случае трубу 2 стенда соединяли с переходом 8, а срединную часть рукава - с тросом 4; г) для каждого диаметра трубы 2 последовательным увеличением веса регулируемого груза 5 определяли максимально возможный поднимаемый вес, равный максимальному тяговому усилию рукава (⌀ 100-58 Н; ⌀ 150-152 Н; ⌀ 200-284 Н; ⌀ 250-456 Н; ⌀ 300-666 Н); д) все полученные точки нанесли на поле координат с осями «диаметр трубопровода D - тяговое усилие S»); е) с использованием стандартной офисной программы Excel подобрали наиболее точно описывающее полученную зависимость (коэффициент корреляции 0,92) уравнение параболы вида S=0,071 D при D=100-300 мм, где D - диаметр трубопровода, мм; S - тяговое усилие рукава, Н; ж) расчетом определили максимально допустимую длину захватки для каждого диаметра трубы, исходя из возможности протягивания рукава замеренным максимальным тяговым усилием с учетом массы и трения рукава о стенку трубы, при этом получили для ⌀ 100, 150, 200, 250, 300 мм длину захватки L, соответственно равную 185, 322, 452, 580, 707 м; з) провели анализ полученных результатов и сделали следующие выводы: 1) выявленная зависимость максимального тягового усилия рукава от диаметра трубопровода является параболической с вершиной в начале координат и выпуклостью вниз; коэффициент в уравнении параболы характеризует конструкцию рукава и его эффективность; 2) рекомендуется выполнять ремонт трубопроводов диаметром ⌀ 100, 150, 200, 250, 300 мм при максимально возможной длине захватки, соответственно равной 185, 322, 452, 580, 707 м для случая использования однослойных рукавов и пылесоса с разрежением 0,02 МПа; 3) в случае необходимости использования двухслойных рукавов для ремонта трубопроводов указанной выше номенклатуры диаметров пылесос должен быть заменен на вакуум-насос с разрежением 0,03 МПа, так как при ремонте трубопроводов диаметром ⌀ 100 мм ввод двухслойных рукавов по условию необходимого тягового усилия становится невозможным.
Пример 2. Определение оптимальной рабочей нагрузки на комбинированный рукав при буксировке его срединной частью различных устройств и оснастки (видеокамеры при диагностировании трубопровода, троса при его протаскивании через трубопровод для выполнения различных операций). Исходные данные: максимально возможное разрежение, обеспечиваемое пылесосом, 0,025 МПа; диаметр трубы ⌀ 100 мм; рукав пленочный полиэтиленовый с толщиной стенки 0,15 мм.
Оптимальную рабочую нагрузку на рукав определили с использованием стенда путем построения зависимости отдаваемой рукавом мощности от рабочей нагрузки. Снятие тяговой характеристики горообразного пленочного рукава 6 выполняли в следующей последовательности: а) в соответствии с исходными данными на основание 1 стенда установили требуемых размеров трубу 2 ⌀ 100 мм, один ее конец через переход 8, тройник 9 и шланг 11 соединили с пылесосом 12, а на противоположном конце трубы 2 закрепили горообразный пленочный рукав 6 и соединили его с тросом 4; б) последовательно устанавливали грузы весом 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80 Н, включали двигатель пылесоса 12 и при заданном разрежении для каждого груза 5 измеряли время его подъема на заданную высоту, после чего расчетом определяли скорость и затраченную мощность, как произведение веса груза на скорость; в) в координатах «вес груза - тяговая мощность рукава» нанесли полученные точки, с использованием стандартной компьютерной программы Excel нашли уравнение полученной зависимости и по нему построили график этой зависимости, имеющей форму параболы выпуклостью вверх, пересекающей ось абсцисс в двух точках (в начале координат и при наибольшем тяговом усилии); г) провели анализ полученной зависимости с выявлением наиболее важных ее параметров (максимальная тяговая мощность рукава равна 80 Вт, ей соответствующее оптимальное тяговое усилие рукава 55 Н, наибольшее тяговое усилие при наименьшей тяговой мощности 80 Н); д) по результатам проведенного исследования сделали следующие выводы: 1) выявленная зависимость тяговой мощности торообразного рукава от рабочей нагрузки описывается несимметричной параболой, имеющей выпуклость вверх и пересекающей ось абсцисс в двух точках, одна из которых находится в начале координат, а вторая - справа от него и характеризует максимально возможное тяговое усилие рукава, при этом абсцисса вершины параболы находится между этими точками и соответствует оптимальной рабочей нагрузке на рукав; 2) для заданных исходных данных определены наиболее важные параметры процесса: максимальная тяговая мощность рукава равна 80 Вт, его оптимальное тяговое усилие 55 Н, максимальное тяговое усилие 80 Н; 3) процесс применения торообразного рукава в качестве тягового средства с целью обеспечения наибольшей производительности рекомендуется вести при полученных оптимальных параметрах; 4) рассмотренный здесь пример может быть использован в качестве краткой методики определения оптимальных параметров работы торообразного рукава при различных исходных данных.
Пример 3. Исследование процесса твердения внутритрубного композиционного покрытия с целью определения зависимости характеристик покрытия (прочности, шероховатости) от давления разрежения воздуха, времени твердения, материала технической ткани, вида и содержания компонентов полимерного связующего.
Здесь кратко приведем только основные методические положения требуемого исследования, которое предлагается вести в следующей последовательности: а) пропитанную выбранным полимерным составом тканевую оболочку модели 6 комбинированного рукава вместе с пленочным рукавом вводим в трубу 2, создаем в ней то или иное (в соответствии с планом эксперимента) разрежение воздуха и выдерживаем при нем до окончания твердения полимерного связующего (1-3 суток); б) извлекаем затвердевшее внутритрубное покрытие из трубы 2 стенда (для облегчения извлечения между трубой и покрытием перед вводом пропитанного рукава 6 рекомендуется помещать дополнительный смазанный антифрикционной смазкой пленочный рукав) и разрезаем это покрытие на образцы для проведения испытаний известными способами на прочность и шероховатость; в) для построения необходимых зависимостей изготавливаем указанные выше образцы при различных исходных данных, проводим известными способами испытания образцов, анализируем полученные результаты исследования и делаем соответствующие выводы.
Предлагаемый стенд позволяет исследовать необходимые для бестраншейного ремонта трубопроводов оборудование и процессы нанесения внутритрубных покрытий с применением комбинированного рукава. При этом, поскольку известные стенды подобного назначения отсутствуют, то исследование может быть выполнено либо с использованием предлагаемого стенда, либо с использованием натурных образцов оборудования непосредственно в производственных условиях. В случае применения предлагаемого стенда, могут быть существенно сокращены сроки, трудоемкость и затраты на проведение исследований, а также найдены оптимальные параметры технологии и оборудования, определение которых в производственных условиях, как правило, невозможно.