РЕГУЛЯТОР СКОРОСТИ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ ВНУТРИТРУБНЫХ ИНСПЕКТИРУЮЩИХ СНАРЯДОВ
PIPELINE PIG SPEED REGULATOR

Изобретение относится к области неразрушающего контроля, в частности к внутритрубной диагностике, и может быть использовано для стабилизации на необходимом уровне скорости перемещения в трубопроводах различного вида внутритрубных инспектирующих снарядов.        Известно устройство для управления скоростью движения внутритрубных инспектирующих снарядов (ВИС) фирмы RosenGroup, устанавливаемое на магнитных снарядах-дефектоскопах этой фирмы (Review of Advanced In-Line Inspection Solutions for Gas Pipelines Adobe PDF Review of Advanced In-Line Inspection Solutions for Gas Pipelines Thomas Beuker, Dr. Hubert Lindner, Dr. Stephan Brockhaus 17-November-2010 www.ppsaonline.com/papers/10-Aberdeen/2010-07-Rosen-slides.pdf). Известное устройство представляет собой трубу-байпас с эластичными манжетами на наружной поверхности. В полости трубы-байпаса может перетекать газ, транспортируемый по газопроводу, создавая на самом снаряде перепад давления, толкающая сила от которого может быть меньше силы трения манжет снаряда о стенку трубы. В головной части трубы-байпаса установлено несколько управляемых клапанов в виде щелей, перекрываемых заслонками, и устройство привода заслонок клапанов. Клапаны и их привод вынесены на специальных опорах за пределы полости трубы так, чтобы сечение отверстий открытых клапанов было равно или превышало сечение полости трубы-байпаса. В хвостовой части устройства расположены в специальном обтекаемом контейнере батареи питания и электронная аппаратура. В процессе работы клапаны могут вращаться вокруг центральной оси байпасной трубы. Изменением угла поворота клапанов регулируется сечение перепускного канала, образованного трубой-байпасом и системой клапанов. Газ, выходящий из клапанов, устремляется вперед по направлению транспортировки и в сторону стенки трубы. Изменение сечения перепускных отверстий регулирует перепад давления газа на инспектирующем снаряде и, следовательно, толкающую снаряд силу.
Недостатком известного устройства является ограниченный диапазон работы регулятора скорости и относительно невысокая стабильность поддерживаемой скорости. Кроме того, известное устройство не имеет средств для его выталкивания потоком газа из трубы при отказе источника электропитания. Устройство стабилизирует скорость на уровне 2 м/с при скоростях транспортировки газа от 2 м/с до 12 м/с. За пределами этого диапазона регулятор не работает и скорость движения инспектирующего снаряда становится равной скорости транспортировки газа в трубопроводе.
Известен также «Внутритрубный инспектирующий снаряд с управляемой скоростью движения» (Патент RU 2293612), состоящий из цилиндрического корпуса с передней и задней опорой в виде кольцевых манжет между корпусом и трубопроводом, датчика скорости перемещения снаряда, блока управления и привода для настройки перепуска газа. В устройство введена байпасная система из шести двухконтурных секций перепуска газа с центральным каналом с соплом и каналом второго контура с соплом в виде дефлектора и дросселя, закрепленных в одном модуле на корпусе снаряда. Изобретение обеспечивает стабилизацию в заданных пределах скорости перемещения дефектоскопа за счет процессов истечения газового потока в соплах. Недостатком известного устройства является узость диапазона скоростей транспортировки газа, в котором регулятор обеспечивает поддержание требуемой скорости движения снаряда. Наиболее близким к предлагаемому является «Внутритрубный инспектирующий снаряд-дефектоскоп с регулируемой скоростью движения» (Патент RU 2369783). Известный Внутритрубный снаряд-дефектоскоп с регулируемой скоростью движения содержит цилиндрический корпус, состоящий из двух модулей с возможностью осевого возвратно-поступательного перемещения одного относительного другого, манжеты, колесные опоры, проходные отверстия вдоль корпуса, реверсивный гидропривод, систему управления, заключенную в герметичный контейнер, одометры, дополнительно содержит дополнительный герметичный контейнер, устройство для изменения перепадов давления между передним и задним модулями, при этом гидропривод снабжен четырьмя гидродвигателями, снабженными датчиками перемещений, введен дополнительный электропривод, при этом подвижный задний модуль снаряда выполнен в виде передней и задней стальных стенок с отверстиями, соединенными между собой периферическим полым цилиндром с утолщениями, в которые вставлены штанги, с передней стороны имеющие конусные клапаны, а с задней - узлы их крепления к задней стенке, на наружной поверхности цилиндрического корпуса заднего модуля укреплен полиуретановый полый цилиндр с передней и задней манжетами для обеспечения возможности осевого возвратно-поступательного перемещения заднего модуля относительно цилиндрической опорной внутренней поверхности в задней части переднего модуля, при этом дополнительный герметичный контейнер соединен соосно с внутренней цилиндрической частью корпуса, внутри него установлены электродвигатель гидронасоса, электропривод распределителя, бачок с жидкостью и система компьютерного управления гидродвигателями, на четырех наружных гранях контейнера установлены четыре гидродвигателя, штоки которых связаны эластичными узлами соединения с задней крышкой заднего модуля снаряда, при этом на штоках установлены датчики перемещения, выходы которых соединены с соответствующими входами системы управления. Недостатками известного устройства являются: сложность конструкции и узость диапазона скоростей транспортировки газа, в котором реализуется стабилизация скорости движения внутритрубного снаряда-дефектоскопа с регулируемой скоростью движения, присутствие больших бросков скорости при наезде на поперечные швы, а также невозможность автоматического перекрытия байпаса при отказе системы управления гидроприводом или при пропадании электрического питания на борту инспектирующего снаряда, что приводит к его застреванию на неизвестном участке трассы трубопровода и приводит к затратам на поиск и принудительное выталкивание снаряда из трубы.
Цель изобретения - обеспечение высокой точности поддержания номинальной скорости движения внутритрубного инспектирующего снаряда в широком диапазоне скоростей транспортировки газа или другого продукта и обеспечение гарантированной возможности выталкивания инспектирующего снаряда к камере приема трубопровода потоком транспортируемого продукта с использованием конструктивных решений самого снаряда при отказе источника питания.
Указанная цель достигается тем, что в «Устройство для стабилизации скорости перемещения внутритрубного инспектирующего снаряда» (далее регулятор), состоящее из цилиндрического полого корпуса, байпасных цилиндрических проходных каналов, модуля управления перепуском газа с аксиально перемещаемыми затворами запорных клапанов, первой и второй полиуретановых манжет, гидропривода, бортовой электронной аппаратуры, одометрического измерителя скорости движения устройства и системы электронного управления, введены группа заслонок шарнирных секторных и электроуправляемый сбросной клапан, причем, байпасный перепускной канал выполнен в виде полости в цилиндрическом корпусе самого инспектирующего снаряда, а модуль управления перепуском газа выполнен в виде цилиндрического корпуса с группой вертикальных щелей в передней части и группой горизонтальных щелей на цилиндрической его поверхности с цилиндрической шиберной задвижкой в передней его части, жестко соединенной с наружной поверхностью скользящей трубы, продольно перемещаемой по наружной поверхности гидравлического цилиндра, в полости которого размещен поршень гидравлического актуатора, соединенный со штоком, который имеет на открытом конце радиально выступающий штифт, проходящий в продольную щель в корпусе гидроцилиндра и имеющий шарнирное зацепление со скользящей трубой, на внешней поверхности которой жестко укреплены одним концом радиальные ребра, вторые концы которых жестко соединены с внутренней поверхностью цилиндрической шиберной задвижки, а в передней части скользящей трубы укреплены шарниры, к которым присоединены узкой своей частью лепестковые шарнирные заслонки, на широкой части которых укреплены шарниры рычагов упорных, соединенных одним концом с шарнирами на секторных шарнирных заслонках, а вторые концы рычагов упорных соединены с соответствующими шарнирами упорными, укрепленными на корпусе регулятора, в передней полости которого установлены источники электропитания, бортовая электронная аппаратура и система гидропривода, состоящая из электродвигателя, насоса, бака, клапана обратного, клапана предохранительного, клапана рабочего управляемого, клапана сбросного электроуправляемого, причем катушка соленоида клапана сбросного электроуправляемого соединена одним своим выводом с первым проводом системы электропитания бортовой электронной аппаратуры, второй провод которой соединен с отрицательным выводом бортовой батареи электропитания, положительный вывод которой соединен с соответствующим выводом устройства включения питания, второй вывод которого соединен со вторым выводом катушки соленоида, при этом, выходной патрубок клапана сбросного электроуправляемого соединен с наливным отверстием бака, а входной патрубок клапана сбросного электроуправляемого соединен с выходным патрубком насоса и с рабочим патрубком гидроцилиндра, в полости высокого давления которого расположен поршень, а в полости низкого давления установлена возвратная пружина, а на штоке гидроцилиндра установлен зуб, перемещающий скользящую трубу с цилиндрической шиберной задвижкой и с заслонками секторными шарнирными. Предлагаемый регулятор, выполненный в виде модуля контроля скорости (МКС), вызван практической необходимостью обеспечения диагностики технического состояния стенок газопроводов с определенной скоростью, при которой гарантируется качество диагностической информации и устранения затрат на извлечение из трубопровода инспектирующего снаряда, случайно остановившегося в трубе из-за отказа бортовой аппаратуры или источника питания.
Изобретение поясняется чертежами. На Фиг.1 схематически показан общий вид регулятора в составе инспектирующего внутритрубного снаряда. На Фиг.2 показан вид спереди. На Фиг.3 показан вид на крепление заслонок шарнирных секторных при удаленном корпусе регулятора и при двух удаленных заслонках шарнирных секторных. На Фиг.4 показана схема гидравлической системы регулятора. Состав устройства «Устройство для стабилизации скорости перемещения внутритрубного инспектирующего снаряда» (далее регулятор) показано на Фиг.1. На чертежах: корпус внутритрубного инспектирующего снаряда - 1, эластичные манжеты внутритрубного инспектирующего снаряда (ВИС) - 2, корпус регулятора - 3, фланец крепления регулятора к корпусу ВИС - 3ф, корпус гидравлического актуатора (ГА) - 4, поршень ГА - 5, шток ГА - 6, пружина ГА - 7, труба - 8 основания цилиндрической шиберной заслонки (ЦШЗ), ребра - 9, цилиндрическая шиберная заслонка - 10, заслонка шарнирная секторная - 11, вертикальная щель перепуска (ВЩП) - 12, горизонтальная щель перепуска (ГЩП) - 13, рычаг упорный - 14, первый шарнир - 15, второй шарнир - 16, зуб - 17, паз - 18, одометр - 19, блок бортовой электронная аппаратура - 20 с источниками электропитания, гидростанция - 21, обтекатель - 22, третий шарнир - 23, сигнальный провод - 24, труба газопровода - 25, струя газового потока - 26.
Состав гидравлической системы показан на Фиг.4. На чертеже 4.1 - электронная система бортовой аппаратуры регулятора, 4.2 - электродвигатель, 4.3 - гидронасос, 4.4 - клапан обратный, 4.5 - гидроцилиндр, 4.6 - пружина, 4.7 - бак, 4.8 - клапан управляемый, 4.9 - клапан предохранительный, 4.10 - клапан сбросной электроуправляемый, 4.11 - соленоид клапана сбросного электроуправляемого, 4.12 - батарея питания электронной бортовой аппаратуры, 4.13 - контактная система бортового выключателя электропитания.
Работа устройства. В регуляторе вертикальные щели перепуска ВЩП - 12 и горизонтальные щели перепуска ГЩП - 13 в корпусе - 3 закрыты заслонками шарнирными секторными - 11 и цилиндрической шиберной задвижкой ЦШЗ - 10 соответственно. Пружина - 7 в гидроцилиндре - 4 отжимает поршень - 5 в сторону головной части ВИС, зуб - 17 на штоке - 6 находится в зацеплении с пазом трубы - 8 и толкает ее вперед. Труба - 8 перемещается вперед и вместе с ней перемещаются ребра - 9, на которых укреплена цилиндрическая шиберная заслонка ЦШЗ - 10. ЦШЗ - 10, будучи выдвинутой к головной части корпуса - 3 регулятора, перекрывает горизонтальные щели перепуска газа ГЩП - 13. У основания ребер - 9 на трубе - 8 укреплены шарниры - 23, на которых может поворачиваться заслонка шарнирная секторная - 11. В верхней части заслонки шарнирной секторной - 11 укреплены шарниры - 16, с которыми соединен одним концом упорный рычаг - 14. Второй конец упорного рычага - 14 соединен с шарниром - 15, жестко укрепленным на головной части корпуса - 3 регулятора. При перемещении от упругой силы пружины - 7 через зуб - 17 штока - 6 гидроцилиндра - 4 на трубу - 8 перемещение трубы - 8 приводит к смещению вперед шарнира - 23 и основания заслонки шарнирной секторной - 11. Упираясь верхней своей частью через шарнир - 16 в упорный рычаг - 14, заслонка шарнирная секторная при перемещении вперед осуществляет перемещение по радиусу трубы своей верхней части и прикрывает вертикальную перепускную щель - 12. Таким образом, в регуляторе, находящемся в отключенном состоянии, все перепускные щели закрыты. В гидравлической системе (Фиг.4) запорная пробка клапана сбросного электроуправляемого - 4.10 отведена пружиной в правую (по Фиг.4) сторону и жидкость из гидроцилиндра - 4.5 может перетекать в бак - 4.7. Пружина - 4.6 сдвигает поршень гидроцилиндра - 4.5 влево до отказа. Далее по Фиг.1. Зуб - 17 на штоке - 6 гидроцилиндра - 4 под действием пружины - 7 смещает трубу - 8 влево (по Фиг.1). Вместе с трубой - 8 смещаются ребра - 9 и закрепленная на них цилиндрическая шиберная заслонка - 10. Цилиндрическая шиберная заслонка - 10 закрывает горизонтальные перепускные щели - 13. Заслонки шарнирные секторные - 11 также смещаются в носовую часть ВИС и закрывают вертикальные перепускные щели - 12. Перетекание транспортируемого по трубе продукта через байпас ВИС перекрыто. Гидродинамическое сопротивление ВИС максимальное.
Для проведения внутритрубной инспекции внутритрубный инспектирующий снаряд 1 вводится в камеру запуска трубопровода 25 (в нашем случае это газопровод). После повышения давления в камере запуска происходит включение бортовых источников питания и начинает работать бортовая аппаратура. Включение происходит так (Фиг.4). После повышения давления газа в камере запуска до оговоренной величины замыкается контакт - 4.13. Ток от бортового источника электропитания - 4.12 протекает через соленоид - 4.11 клапана сбросного электроуправляемого - 4.10 к бортовой электронной аппаратуре - 4.1. Так как конденсаторы фильтров электропитания электронной бортовой аппаратуры - 4.1 в исходном состоянии не заряжены, то ток их заряда достигает максимума, превышающего в десятки раз номинальное значение тока, потребляемого электронной бортовой аппаратурой. Соленоид - 4.11 включен последовательно в цепь питания бортовой электронной аппаратуры - 4.1 как дроссель фильтра импульсных помех, создаваемых цифровыми устройствами бортовой аппаратуры. Бросок тока включения питания бортовой электронной аппаратуры - 4.1 создает сильное магнитное поле внутри соленоида и якорь соленоида, соединенный со штоком клапана сбросного электроуправляемого - 4.10, втягивается внутрь соленоида - 4.11, преодолевая усилие пружины клапана сбросного электроуправляемого - 4.10. При этом пробка клапана сбросного электроуправляемого - 4.10 перемещается из крайнего правого положения в крайнее левое (по Фиг.4) и перекрывает каналы перетока жидкости в клапане сбросном электроуправляемом - 4.10. При снижении тока в цепи питания электронной аппаратуры до номинального значения клапан сбросной электроуправляемый - 4.10 останется в том же самом положении и будет продолжать перекрывать прямой слив жидкости из полости гидроцилиндра - 4.5 в бак - 4.7. (Притянутое положение якоря соленоида к его ярму при снижении магнитного потока объясняется резким снижением магнитного сопротивления в магнитной цепи соленоида при притянутом к ярму якоре из-за резкого уменьшения немагнитного зазора между подвижным якорем и ярмом соленоида).
ВИС находится в покое. Скорость его движения нулевая. Сигналы с одометра - 19 (Фиг.1) отсутствуют. После открывания отсечного крана на газопроводе газ начинают пропускать в большом объеме в камеру запуска. Поток газа давит на манжеты - 2 и закрытый корпус - 1 ВИС. ВИС приходит в движение. Появляются сигналы с одометра - 19. Эти сигналы поступают в бортовую электронную аппаратуру - 20, где обрабатываются. При обнаружении момента превышения скоростью движения ВИС заданного номинала из бортового компьютера бортовой электронной аппаратуры - 20 выдаются управляющие сигналы в гидростанцию - 21. Включается насос - 4.3 (Фиг.4). Жидкость из бака - 4.7 насосом - 4.3 через обратный клапан - 4.4. подается в рабочий цилиндр - 4.5 и давит на поршень. Поршень - 5 (Фиг.1) начинает перемещаться в сторону размещения пружины - 7 и давит на шток - 6. Шток - 6 толкает зуб - 17 и сжимает пружину - 7. Зуб - 17 через паз - 18 толкает трубу - 8 в хвостовую часть ВИС - 1. Труба - 8 перемещает ЦШЗ - 10 и отодвигает нижнюю часть заслонки - 11 к кормовой части ВИС. Отодвигающаяся ЦШЗ -10 приоткрывает горизонтальную щель перепуска - 13, а заслонка шарнирная секторная - 11, удерживаемая через шарнир - 16 рычагом - 14, начинает наклоняться и перемещаться своей нижней частью к корме ВИС - 1. Вертикальная щель перепуска - 12 также начинает приоткрываться. Поток газа из полости ВИС - 1 и щелей ВПЩ - 12 и ГПЩ - 13 в корпусе - 3 регулятора начинает перетекать в трубу впереди ВИС - 1. При этом благодаря наклону заслонки шарнирной секторной - 11, поток газа - 26 изменяет свое направление от продольного в продольно-радиальное, что позволяет плавно менять гидравлическое сопротивление заслонки шарнирной секторной - 11 потоку газа - 26. Это создает возможность регулировать скорость движения ВИС более точно и плавно, по сравнению с возможностью, которую дает применение только лишь цилиндрической шиберной задвижки - 10. Перетекание газа через открывшиеся щели снижает перепад давления на ВИС и скорость его движения начинает уменьшаться. Перепускные щели ВПЩ - 12 и ГПЩ - 13 будут открываться до тех пор, пока электронная бортовая аппаратура - 20 не обнаружит достижение номинального значения скорости движения ВИС - 1. В этот момент из бортового компьютера бортовой электронной аппаратуры - 20 в систему управления гидравлической станции - 21 будет выдан сигнал, по которому (Фиг.4) насос - 4.3 гидросистемы отключится. Приток жидкости в гидроцилиндр - 4.5 прекратится, обратный клапан - 4.4 не даст жидкости вытекать в бак - 4.7 через насос - 4.3, а клапаны предохранительный - 4.9 и клапан сбросной электроуправляемый - 4.10 закрыты и тоже не дают жидкости вытекать в бак - 4.7. Поршень - 5 (Фиг.1) останется в том положении, при котором была достигнута требуемая скорость движения ВИС - 1. Если скорость движения ВИС - 1 начнет снижаться, то бортовой компьютер выдаст в систему управления гидравлической станции - 21 сигнал, по которому откроется клапан управляемый - 4.8 (Фиг.4) и жидкость из гидроцилиндра - 4.5 под давлением на поршень пружины - 4.7 будет вытекать. Электродвигатель - 4.2 отключен и насос - 4.3 не дает напора жидкости. Поршень - 5 и шток - 6 (Фиг.1) начнут перемещаться влево. Зубом - 17 через паз - 18 будет перемещаться влево труба - 8, а вместе с ней и цилиндрическая шиберная заслонка - 10 и заслонки шарнирные секторные - 11. ЦШЗ - 10 и заслонки шарнирные секторные - 11 начнут перекрывать щели перепуска ВПЩ - 12 и ГПЩ - 13. Заслонки шарнирные секторные - 11 будут изменять не только поток газа - 26, но и направление потока газа - 26, проходящего через них, направляя его в сторону стенки трубы, что приводит к более плавному регулированию скорости движения ВИС. Увеличение гидродинамического сопротивления регулятора приведет к увеличению перепада давления на ВИС и будет способствовать повышению скорости его движения.
Практические проверки на магистральных трубопроводах (Акт трассовых испытаний МКС - 1420) показали, что броски скорости ВИС с использованием предлагаемой системы невелики и существенно ниже по сравнению с регулятором, выполненным только с использованием цилиндрической шиберной задвижки. В случае аварийного пропадания электропитания ток в обмотке соленоида - 4.11 (Фиг.4) пропадает и резко падает сила притяжения якоря соленоида к его ярму. Пружина клапана сбросного электроуправляемого - 4.10 возвратит шток и вместе с ним пробку клапана в крайнее правое (по Фиг.4) положение. В клапане сбросном электроуправляемом - 4.10 откроется канал, по которому жидкость под давлением на поршень пружины - 4.6 из гидроцилиндра - 4.5 сможет вытекать в бак - 4.7. При перемещении поршня - 5 (Фиг.1) со штоком - 6 влево (по Фиг.1) зуб - 17 переместит за паз - 18 трубу - 8 и вместе с ней ЦШЗ - 10 и заслонки шарнирные секторные - 11 в положение, перекрывающее как вертикальные щели перепуска - 12, так и горизонтальные щели перепуска - 13. Гидродинамическое сопротивление ВИС - 1 станет максимальным и ВИС - 1 со скоростью транспортировки газа будет выталкиваться к камере приема. При штатном возвращении в камеру приема отключение системы произойдет аналогично тому, что было при аварии источника питания, но уже под управлением бортового компьютера.