Поршень очистной дисковый двунаправленный

 

Изобретение относится к очистке внутренней поверхности трубопроводов и может быть использовано для разделения разносортных нефтепродуктов при их последовательной перекачке, а также для вытеснения воздуха или удаления воды из полости трубопровода при гидроиспытаниях. Поршень очистной дисковый двунаправленный содержит трубчатый, заглушенный с обоих концов корпус, оснащенный по концам блоками дисков, стянутых каждый из них в пакет между фланцем, закрепленным на корпусе, и прижимным кольцом, состоящий из полиуретановых или из какого-либо другого прочного гибкого эластомера дисков: одного направляющего или направляющих, с диаметром, равным или меньшим на некоторую величину внутреннего диаметра трубопровода, одного или более уплотнительных с диаметром, большим внутреннего диаметра трубопровода на натяг, и промежуточных, разделяющих дистанционно между собой направляющие, расположенные ближе других к концам корпуса, и уплотнительные диски. Направляющие и уплотнительные диски имеют кромки, примыкающие к трубопроводу, угол заострения которых меньше 90^o, образованный на периферии дисков с обеих сторон кольцевыми выемками, имеющими в поперечном сечении форму неравнобедренного треугольника, причем у уплотнительных дисков величина угла заострения кромок обратно пропорциональна натягу. Изобретение повышает энергетическую эффективность очистки, обеспечивает расширение технологических возможностей, износостойкость чистящих элементов. 1 з.п.ф-лы, 7 ил.

Изобретение относится к очистке внутренней поверхности трубопроводов и может быть использовано для разделения разносортных нефтепродуктов при их последовательной перекачке, а также для вытеснения воздуха или удаления воды из полости трубопровода при гидроиспытаниях.

Известно очистное устройство, способное двигаться в обоих направлениях в трубе (патент США N 3685083, кл. В 08 В 9/04, 1972 г.), состоящее из удлиненного корпуса, по крайней мере одного уплотняющего узла (а наиболее целесообразно из двух противоположно направленных), смонтированного на упомянутом корпусе, этот уплотняющий узел включает в себя чередующиеся твердые и мягкие уплотнительные кольца, послойной расположенные между жесткими поддерживающими деталями в виде фланцев, стянутые болтами, причем один из фланцев жестко закреплен на корпусе, другой, оборудованный направляющим воротником, имеет возможность двигаться вдоль корпуса, при работе за счет давления рабочей среды мягкие уплотнительные кольца сжимаются вдоль оси между твердыми давлением подвижного фланца, выступают наружу и тесно входят в уплотнение со стенкой трубы.

Известное устройство имеет ряд недостатков: - сужена возможность применения устройства в трубопроводах с различной толщиной стенки трубы, поскольку изменение толщины стенки трубы в сторону уменьшения снижает потенциальные возможности мягкого уплотнительного кольца расширяться под сжатием и тесно входить в уплотнение со стенкой трубы. Жесткие же кольца изначально рассчитаны на посадку в трубу без натяга. Поэтому для каждой толщины стенки трубопровода необходимо подбирать каждый раз уплотнительные твердые и мягкие кольца нужного диаметра, поскольку возможность перекрытия всего диапазона толщин стенок трубопровода и компенсации износа выступающей части мягкого кольца за счет увеличения мягкого кольца при его деформации при сжатии вдоль оси ограничена внутренним трением материала (в отличие от жидких сред), а увеличение возможности за счет утолщения мягкого уплотнительного кольца нецелесообразно с экономической точки зрения; - энергетически неэффективен процесс очистки стенок трубопровода от твердых отложений на них, поскольку очистка производится методом сдвига, а не срезания потому, что мягкие уплотнительные кольца не имеют четко выраженной режущей кромки прижатой к стенке трубы, а жесткие уплотнительные кольца, кромка которых вначале пробега прижата к стенке, а далее по мере износа между кромкой и стенкой появляется зазор, сдвигают, а не срезают отложения со стенки трубопровода, поскольку угол заострения кромки жесткого кольца равен 90^o. Усилия на сдвиг материала, как известно из практики, всегда значительно больше, чем усилия на срез материала. Усилия на сдвиг отложений значительно большие, чем на их срез жесткими кольцами, создают более значительное усилие на очистном устройстве, что в свою очередь ведет к более значительному перепаду давлений рабочей среды на устройстве, а значит к более значительным затратам энергии на подачу рабочей среды, чем в случае, если бы очистка отложений со стенок трубопровода осуществлялась методом среза.

Данное устройство наиболее целесообразно к применению для разделения разносортных сред и вытеснения воздуха или воды при гидроиспытаниях трубопровода.

Известно сочлененное (шарнирное) устройство для трубопроводов, относящееся к очистным устройствам (патент Великобритании GB 2265433 А от 29.09.93, F 16 L 55/26, В 08 В 9/04), состоящее по меньшей мере из двух идентичных трубчатых секций, расположенных по одной линии, у каждой из которых имеются прочные гибкие манжеты в форме колец, прикрепленных к наружной стенке секций. Секции контактируют друг с другом внутренними своими концами и механически соединены с помощью гибкой эластичной сцепки, проходящей по оси внутри полостей секций и закрепленной по внешним концам секций во втулках и заставляющей противоположные растягивающие усилия давить на секции, и тем самым прилегающие концы секций стягиваются вместе.

Известное устройство имеет недостаток: - энергетически неэффективен процесс очистки устройством стенок трубопровода от твердых отложений, поскольку угол заострения кромок колец, примыкающих к стенке трубопровода, равен 90^o, поэтому кольца сдвигают отложения, но не срезают. Усилия сдвига отложений значительно больше усилий срезания, что приводит к более значительным затратам энергии на процесс очистки стенок трубопровода, чем в случае очистки методом срезания.

Известно устройство для очистки внутренней поверхности трубопровода (патент РФ N 2129924 С1, кл. В 08 В 9/04), выполненное в виде двух секций - головной и хвостовой, шарнирно соединенных между собой. В каждой из секций имеется полый корпус с соплами в его головной части и соосно установленные на нем блоки из очистных и центрирующих дисков. Между блоками головной секции расположен очистной узел. Корпус в хвостовой части каждой секции снабжен глухой торцевой стенкой и ближайший к ней диск хвостового блока имеет диаметр, меньший внутреннего диаметра трубопровода, и образует совместно со стенкой трубопровода кольцевой канал. При этом остальные диски хвостового блока по их периферии снабжены сквозными отверстиями. В корпусе имеется канал, сообщающий через отверстия в дисках и кольцевой канал участки полости трубопровода, расположенные перед и позади секции. Блоки очистных и центрирующих дисков, установленные в головной части каждой секции, представляют собой пакет из очистных дисков, диаметр которых соответствует наружному диаметру трубопровода, центрирующих дисков, диаметр которых соответствует внутреннему диаметру трубопровода, и прокладочных дисков. Все диски выполнены из полиуретана.

Недостатком известного изобретения является то, что очистка стенок трубопровода (в данном случае от парафинсодержащих отложений), организованная без учета требований теории и практики резания материалов, крайне энергетически неэффективна, поскольку осуществляется сдвигом ("сгребанием") отложений, а не срезанием. Это поясняется следующим образом: при запасовке устройства очистные диски 1' деформируются и края диска 1' отклоняются (см. фиг 1'), между касательной 2' к передней поверхности 3' края диска 1' в месте касания его кромки 4' к стенке трубопровода 5' и нормалью 6' к стенке трубопровода 5' образуется угол γ, называемый в теории резания главным передним углом, в данном случае он имеет отрицательную величину, (см. Токарная обработка. В.Н.Фещенко, Р.Х.Махмутов. М.: Высшая школа, 1990 г.), потому что угол заострения кромки 4' диска 1' равен 90^o (угол между касательной 1' и внешней поверхностью диска 7'). Угол резания δ (угол между касательной 2' и стенкой трубопровода 5') больше 90^o.

При таких величинах углов γ,δ отложения не срезаются, а сдвигаются, при этом у кромки 4' диска 1' отложения нагромождаются и уплотняются и при достаточно слежавшихся, затвердевших и хорошо приставших к стенке трубопровода 5' отложениях возможен даже пропуск отложений за диск 1', поскольку между касательной 2' и стенкой трубопровода 5' образуется клин из затвердевших отложений с углом α, который отклоняет край диска 1' и пропускает его над собой. Энергетически процесс сдвига по сравнению со срезом не эффективен, поскольку усилия на сдвиг значительно больше усилий на срез материала, а значит и затраты энергии на очистку в этом случае значительно больше, чем в случае очистки методом срезания отложений со стенок трубопровода.

Подобная же картина наблюдается и у диска центрирующего 8' (см. фиг. 2') с одним исключением, главный передний угол γ равен 0^o, а углы резания δ, заострения β в этом случае равны 90^o, что в принципе сущность процесса не меняет.

Кроме того, известное устройство не может быть использовано для раздельной перекачки разносортных нефтепродуктов и вытеснения воздуха или воды при гидроиспытаниях трубопровода, поскольку по причине особенностей конструкции устройства, полости трубопровода перед и за устройством сообщаются между собой. Устройство также не обладает свойством двунаправленности.

Ближайшим аналогом изобретения является поршень очистной двунаправленный, содержащий трубчатый, заглушенный с обоих концов корпус, оснащенный блоками дисков, стянутых в пакет между фланцами, закрепленными на корпусе, и прижимным кольцом, состоящий из гибких дисков эластомерных, направляющих и уплотнительных, причем направляющие диски в пакетах расположены ближе других к концам корпуса и имеют диаметр, равный или меньший диаметра внутренней поверхности трубопровода (см. патент GB N 1298241, кл. В 08 В 9/04, 1972).

Этому устройству присущи те же недостатки, что и вышеуказанному.

Техническим результатом изобретения является повышение энергетической эффективности очистки стенок трубопровода от слежавшихся, затвердевших отложений путем замены сдвига срезанием отложений, расширение возможностей очистного устройства по применению для трубопроводов с различной толщиной стенок, повышение износостойкости чистящих элементов, осуществление возможности применения очистного устройства в двух направлениях в одном и том же трубопроводе без его перезапасовки, а также возможность использования очистного устройства в качестве разделителя для разнородных сред.

Указанный результат достигается тем, что поршень очистной дисковый двунаправленный для очистки внутренней поверхности трубопроводов и разделения разнородных сред содержит трубчатый, заглушенный с обоих концов корпус, оснащенный по концам блоками дисков, стянутых каждый из них в пакет между фланцем, закрепленным на корпусе, и прижимным кольцом, состоящий из полиуретановых или из какого-либо другого прочного гибкого эластомера дисков; одного направляющего или направляющих с диаметром, равным или меньшим на некоторую величину внутреннего диаметра трубопровода, одного или более уплотнительных с диаметром, большим внутреннего диаметра на натяг, и промежуточных, разделяющих дистанционно между собой направляющие, расположенные ближе других к концам корпуса, и уплотнительные диски, при этом кромки направляющих и уплотнительных дисков, примыкающие к стенке трубопровода с обеих сторон дисков, имеют угол заострения менее 90^o, образованный на периферии дисков с обеих сторон кольцевыми выемками, имеющими в поперечном сечении форму неравнобедренного треугольника, причем у уплотнительных дисков величина угла заострения кромок обратно пропорциональна натягу. Направляющие и уплотнительные диски армированы вдоль их плоскостей стеклосеткой или какой-либо другой высокопрочной гибкой сеткой в несколько слоев, посредине и у поверхности дисков.

На фиг. 1 изображен схематично общий вид поршня очистного дискового двунаправленного; на фиг. 2 - общий вид поршня в трубопроводе; на фиг. 3 - узел А - сечение диска направляющего вдоль оси по периферии и кольцевым выемкам; на фиг. 4 - узел Б - сечение диска уплотнительного вдоль оси по периферии и кольцевым выемкам; на фиг. 5 - узел В - в процессе срезания отложений со стенок трубопровода кромкой диска направляющего; на фиг. 6 - узел Г в процессе срезания отложений со стенок трубопровода кромкой диска уплотнительного; на фиг. 7 - положение кромки диска уплотнительного после некоторого износа.

Поршень очистной дисковый двунаправленный (в дальнейшем поршень см. фиг. 1) состоит из трубчатого корпуса 1, заглушенного в обоих концов торцевыми пластинами 2, в которые вварены петли 3, служащие для протаскивания поршня. На обоих концах корпуса 1 между фланцем 4, скрепленным с корпусом 1 прижимным кольцом 5 с помощью шпилек 6 и гаек 7, зажаты диски направляющие 8 и диски уплотнительные 9, разделенные между собой дистанционно дисками промежуточными 10. Диски уплотнительные 9 и направляющие 8 изготавливаются из полиуретана, как из наиболее известного в практике износостойкого прочного и упругого эластомера, но при определенных обстоятельствах могут изготавливаться из любого другого близкого полиуретану по характеристике эластомера. Диски промежуточные могут изготавливаться из полиэтилена, полиуретана или любого достаточно прочного и гибкого эластомера. Фланцы 4 подкреплены косынками 11 и проушинами 12, служащими для строповки поршня.

На фиг. 2 показан поршень, запасованный в трубопровод 13, и показан процесс очистки стенок трубопровода 13 от отложений 14. При запасовке диски уплотнительные 9, диаметр которых больше внутреннего диаметра трубопровода 13 на "натяг", деформируются, причем края дисков 9 изгибаются в сторону, обратную направлению движения. Диски 9 являются не только уплотнительными, но также выполняют функцию чистящих элементов. Диски направляющие 8, диаметр которых равен или на некоторую величину меньше внутреннего диаметра трубопровода 13, при запасовке не деформируются, и служат для направления и центрации поршня в целом в трубопроводе 13 и поэтому расположены в самых крайних по отношению к дискам 9 положениях по концам корпуса 1.

Диски 8, кроме того, служат для первичной очистки стенок трубопровода 13 от отложений 14, поэтому для восприятия без значительной деформации усилий чистки, толщина их значительно больше толщины дисков 9, которые усилия чистки воспринимают за счет сил упругости сдеформированного диска 9 и сил давления рабочей среды в трубопроводе 13 за поршнем.

Отложения 14, которые смогли пройти через зазоры между стенкой трубопровода 13 и диском 8, образовавшиеся за счет разницы внутреннего диаметра трубопровода 13 и диска 8 или же за счет износа последнего, окончательно дочищаются дисками 9. При пробеге определенного участка трубопровода 13 в камере приема и запуска (не показаны) не требуется перезапасовки поршня и его тут же можно отправить в обратном направлении, причем неизношенной стороной дисков 9, поскольку изгиб дисков 9 будет уже в другую сторону, чем и осуществляется двунаправленность поршня. Разница диаметров дисков 9 и внутреннего диаметра трубопровода 13, т. н. "натяг" служит не только для компенсации износа дисков 9 за счет упругости материала сдеформированного диска 9, но и для расширения возможности применения поршня в трубопроводах 13 с различными толщинами стенок, т.к. изменение толщины стенок трубопровода 13 компенсируется величиной изгиба диска 9 за счет упругости материала сдеформированного диска 9.

На фиг. 3 показана периферия диска направляющего 8 в увеличенном масштабе в сечении вдоль оси. Кромки 15 диска 8, примыкающие в процессе работы к стенке трубопровода 13, имеют угол заострения β меньше 90^o за счет кольцевых выемок 16, имеющих в сечении форму неравнобедренного треугольника.

На фиг. 4 показана периферия диска уплотнительного 9 в увеличенном масштабе в сечении вдоль оси. Кромки 17 диска 9, примыкающие в процессе работы к стенке трубопровода 13, имеют угол заострения β меньше 90^o за счет кольцевых выемок 18, имеющих в сечении форму неравнобедренного треугольника.

Кольцевые выемки 16 диска 8 и 18 диска 9 ослабляют сечение дисков 8 и 9 у периферии, а поскольку утолщение дисков 8 и 9 экономически нецелесообразно, к тому же возрастает жесткость диска 9 и необходимая сила деформации дисков 9 при запасовке поршня в трубопровод 13, что ведет к росту силы трения поршня о стенку трубопровода 13, поэтому диски 8 и 9 при сохранении их толщины или даже уменьшении ее армируются вдоль их плоскости несколькими слоями (один или два в середине и два около поверхности дисков 8, 9) стеклосетки 19 или какой-либо другой прочной и гибкой сетки. При сохранении необходимой гибкости диски 8 и 9 приобретают нужную прочность в сечении у периферии. К тому же армирование дисков 8 и 9 помимо их упрочнения, как видно из практики с конвейерными лентами из резины, приводит к значительному росту их износостойкости, в качестве примера можно взять аналогию с фтоторопластом Ф-4 и композициями на его основе (см. Уплотнения и уплотнительная техника - Справочник. А.И.Голубев и Л.А.Кондаков. М.: Машиностроение, 1986 г., стр.96, таблица 2, 11). Композиция на основе фторопласта - 4 с наполнителем стекловолокно - 15%-Ф- 4С15 имеет относительную износостойкость по сравнению с чистым фторопластом-4 в 250 раз большую.

Работа дисков 8, 9 осуществляется следующим образом: см. фиг. 5, 6, 7, теорию и практику резания материалов (см. Токарная обработка. В.Н.Фещенко и Р.Х.Махмутов. М.: Высшая школа, 1990 г.). Диск 8 своей кромкой 15 при движении поршня под давлением рабочей среды в трубопроводе 13 за счет угла заострения β подрезает отложения 14 от стенки трубопровода 13, отделяет их, заворачивая поверхностями 20, 21 кольцевой выемки 16 в виде стружки вперед, разрыхляя и собирая отходы впереди. Жесткости диска 8 и твердости его материала вполне достаточно для осуществления процесса срезания, например, слежавшихся, затвердевших парафинсодержащих отложений 14. Если угол заострения β будет равен 90^o, то процесс срезания отложений 14 вырождается в сдвиг отложений 14 диском 8, при этом отложения 14 перед диском 8 уплотняются, многократно увеличивая силы, погребные для сдвига отложений 14.

Силы, потребные для сдвига, да еще с учетом уплотнения отложений 14, многократно больше сил, потребных для срезания отложений 14. Этим самым подтверждается энергетическая эффективность очистки путем срезания. На усилия срезания отложений 14 влияют величины главного переднего угла γ (угол между поверхностью 20 и нормалью 22 к поверхности стенки трубопровода 13 γ = 90°-β, чем меньше угол заострения β, тем больше γ и меньше силы, потребные на срезание) и угла резания δ (δ=β, чем меньше угол резания δ, тем меньше усилия срезания).

Аналогично процесс срезания происходит и с диском 9 (см. фиг. 6), но величины угловой γ и δ здесь зависят также и от угла μ отклонения краев диска 9 при его деформации, т.е. от "натяга", чем больше натяг, тем больше μ. Поэтому, исходя из формул: γ = 90°-(β+μ), δ = β+μ следует вывод, что с увеличением "натяга", т. е. величины разницы насколько диаметр диска 9 больше внутреннего диаметра трубопровода 13, нужно уменьшать угол заострения β кромки 17 диска 9, чтобы углы γ и δ имели величины, обеспечивающие процесс срезания отложений 14. Жесткости диска 9, твердости его материала, а также силы реакции диска 9 при его деформации вполне достаточно для срезания, например, слежавшихся, затвердевших парафинсодержащих отложений 14; при износе диска 9 уменьшается "натяг", и как следствие сила реакции диска при его деформации, уравновешивающая силы срезания, т.е. уменьшается μ, что ведет к увеличению γ и уменьшению δ, вызывает уменьшение сил срезания и хорошо согласовывается с уменьшением силы реакции диска 9 при его деформации, т.е. равновесие сил срезания и противостоящей им силы реакции диска 9 при его деформации автоматически самоподдерживается. При угле заострения β кромки 17 диска 9, равном 90^o-μ, процесс срезания вырождается в сдвиг отложений 14, при этом резко возрастают силы, потребные для очистки, тем более, что при этом происходит уплотнение отложений 14 перед диском 9. Силы эти многократно превышают силы срезания отложений 14, что еще раз подтверждает энергетическую эффективность очистки стенок трубопровода 13 путем срезания отложений 14. При угле заострения кромки β 17 диска 9, равном 90^o, угол γ принимает отрицательную величину, а угол резания δ становится больше 90^o, что вызовет помимо процесса сдвига и уплотнения отложений 14 образование перед диском 9 клина из отложений 14 с углом, равным 90^o-μ, который отогнет край диска 9 и пропустит его над собой, тем самым осуществится пропуск отложений 14 за диск 9. Поскольку конструкция поршня не предусматривает сообщение полостей трубопровода за и перед ним и уплотнительные диски 9 за счет реакции деформации надежно и плотно обеспечивают и поддерживают контакт со стенкой трубопровода, возможно использование поршня для разделения разносортных нефтепродуктов при их последовательной перекачке и для вытеснения воздуха или воды из трубопровода 13 при его гидроиспытаниях.

Использование изобретения позволит энергетически эффективно проводит очистку стенок трубопровода от отложений, расширить возможности очистных устройств по применению в трубопроводах с различной толщиной стенок, повысить износостойкость чистящих элементов, осуществить возможность применения очистных устройств в двух противоположных направлениях в одном и том же трубопроводе без их перепасовки и использовать очистное устройство как разделитель разнородных сред.

Формула изобретения

1. Поршень очистной дисковый двунаправленный для очистки внутренней поверхности трубопроводов и разделения разнородных сред, содержащий трубчатый, заглушенный с обоих концов корпус, оснащенный по концам блоками дисков, стянутых каждый из них в пакет между фланцем, закрепленным на корпусе, и прижимным кольцом, состоящий из полиуретановых или из какого-либо другого прочного гибкого эластомера дисков: одного направляющего или направляющих с диаметром, равным или меньшим на некоторую величину внутреннего диаметра трубопровода, одного или более уплотнительных с диаметром, большим внутреннего диаметра трубопровода на натяг, и промежуточных, разделяющих дистанционно между собой направляющие, расположенные ближе других к концам корпуса, и уплотнительные диски, при этом кромки направляющих и уплотнительных дисков, примыкающие к стенке трубопровода с обеих сторон дисков, имеют угол заострения менее 90^o, образованный на периферии дисков с обеих сторон кольцевыми выемками, имеющими в поперечном сечении форму неравнобедренного треугольника, причем у уплотнительных дисков величина угла заострения кромок обратно пропорциональна натягу.

2. Поршень очистной дисковый двунаправленный по п.1, в котором направляющие и уплотнительные диски армированы вдоль их плоскостей стеклосеткой или какой-либо другой гибкой высокопрочной сеткой в несколько слоев: посредине и у поверхности дисков.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7