Внутритрубный инспекционный снаряд с управляемой скоростью движения

Изобретение относится к внутритрубным снарядам для обследования магистральных трубопроводов с повышенной стабилизацией скорости перемещения. Снаряд с управляемой скоростью движения содержит цилиндрический корпус с передней и задней опорой в виде кольцевых манжет между корпусом и трубопроводом, датчик скорости перемещения снаряда, блок управления и привод 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. 3 ил.

 

Устройство относится к внутритрубным снарядам для обследования магистральных трубопроводов с повышенной стабилизацией скорости перемещения.

Известны дефектоскопы для внутритрубного обследования трубопроводов (патент RU № 2102738, МПК G 01 N 27/87). Снаряд снабжен байпасным патрубком для перепуска транспортируемого по обследуемому трубопроводу продукта и системой автоматического регулирования скорости перемещений, содержащих датчик скорости перемещения, блок управления с датчиком скорости и регулирующий орган в виде взаимодействующего со стенкой трубопровода тормозного устройства.

Недостатком этого снаряда является регулировка скорости только за счет сил трения, которые приводят к повышенному износу стенок трубопровода и контактной поверхности тормозного устройства. Кроме того, введение электромагнита для тормозного устройства требует больших затрат энергии, а мощность аккумуляторов ограничена.

Известен контейнер трубопроводной пневмотранспортной установки (А.с. SU № 117353, МПК В 65 G 65/06, БИ № 31, 1985 г.), содержащий корпус с торцовым уплотнением и каналами для сообщения областей высокого и низкого давлений в трубопроводе, симметрично расположенные относительно продольной оси корпуса стабилизирующие элементы и поворотную относительно этой оси заслонку с противовесом для перекрытия входных отверстий каналов. Стабилизирующие элементы представляют собой закрепленные вдоль корпуса контейнера радиальные пластины, выполненные с уплотнением на ее свободной продольной кромке, при этом пластины установлены под острым углом одна к другой в направлении задней части контейнера.

Применение стабилизатора улучшает процесс прохождения криволинейных участков трассы без снижения скорости и уменьшает износ бандажей ходовых колес. Однако это устройство не позволяет управлять скоростью при прямолинейном движении и на криволинейных участках в вертикальной плоскости.

Скребок для очистки внутренней поверхности трубопровода с изменяемой скоростью (патент USA №5208936 от 11.05.1993, МКИ B 08 В 9/04) состоит из цилиндрического корпуса с первым и вторым открытым торцом кольцевого уплотнения между трубопроводом и корпусом, запорного элемента, расположенного внутри корпуса для блокирования потока жидкости, проходящей через корпус, но проходящей через многочисленные вторые отверстия, причем первые отверстия включают устройства, входящие в контакт со вторыми отверстиями, которые представляют собой перепускные каналы, определяющие величины потока проходящей жидкости, датчики скорости скребка, средства управления, привода и средств закрытия. Первые и вторые отверстия расположены по окружности вокруг первой и второй пластин, а перепускные каналы включают многочисленные трубки, образуют центральную полость между соответствующими трубками первых и вторых отверстий.

При максимальном перепуске газа это устройство не позволяет стабилизировать скорость внутритрубного снаряда из-за пластин, блокирующих поток газа, и большой эллипсности в поперечном сечении участков трубопровода, на поворотных участках в вертикальной плоскости. Стабилизация скорости в магнитных дефектоскопах становится актуальной проблемой, и особенно необходима там, где происходит отстройка от нее в блоке цифровой обработки (Абакумов А.А., Абакумов А.А. (мл.) Магнитная диагностика газонефтепроводов. - М.: Энергоатомиздат. - 2001. - с.395).

Устройства, применяемые для перепуска газа в трубопроводах замкнутого объема идентичны клапанам дросселирования. Скорость истечения газового потока на режимах, близких к критическому истечению газа, чувствительна к изменению поперечного сечения канала (Абрамович Г.Н. Прикладная газовая динамика. М.: Наука, 1969 г. - с.138). Известны соотношения, например, изменение сечения канала на 1% изменяет скорость газового потока на ≈10%, т.е. в числах Маха соответственно от М=0,9 до М=1,0, что приводит к пульсации скорости движения при перемещении магнитного дефектоскопа. Аэродинамические нагрузки, которые действуют на дефектоскоп, уравновесить механическими устройствами или энергетическими преобразователями в трубопроводах замкнутого объема есть задача трудоемкая в реализации и является сложной технической проблемой.

Задачей изобретения является стабилизация в заданных пределах скорости перемещения магнитного дефектоскопа за счет процессов истечения газового потока в соплах, предлагаемых к применению для массового перепуска газа в байпасной системе дефектоскопа.

Эта цель достигается за счет того, что во внутритрубном инспекционном снаряде с управляемой скоростью движения, содержащем цилиндрический корпус, с передней и задней опорой в виде кольцевых манжет между корпусом и трубопроводом, датчик скорости перемещения снаряда, блок управления и привод для настройки перепуска газа, введена байпасная система из шести двухконтурных секций перепуска газа с центральным каналом с соплом и со вторым каналом контура с соплом в виде дефлектора и дросселя с использованием рабочих процессов эжектора при малых перепадах давления, закрепленных на обтекателе корпуса секции и несущей стенке, представляющие собой единое целое с конструкцией снаряда-дефектоскопа в одном модуле. Регулирующий орган согласованных режимов истечения газовых потоков в каналах позволяет эффективно управлять аэродинамическими нагрузками при движении дефектоскопа в трубопроводе.

На фиг.1 изображен предлагаемый внутритрубный инспекционный снаряд с управляемой скоростью движения, на фиг.2 - вид двухконтурной системы перепуска газа, на фиг.3 - вид модуля байпасной системы.

Снаряд содержит цилиндрический корпус 1, датчики информации дефектов 2, магнитопровод 3, переднюю опору в виде кольцевой манжеты 4, заднюю опору в виде кольцевой манжеты 5, байпасную систему 6, входной канал 7, термоконтейнер 8 с электрическим оборудованием, блок управления байпасной системой 9 из шести двухконтурных секций перепуска газа, выходной канал 10, одометрические датчики скорости перемещения снаряда 11. Двухконтурная система перепуска газа состоит из корпуса центрального канала 12, дефлектора (устройство для прохода второго газового потока) 13, дросселя 14, входного обтекателя 15, центрального канала первого контура 16, наружного канала управляемого второго контура 17.

Центральный канал характеризуется параметрами: входной диаметр, входная площадь центрального канала всех секций, радиус входа центрального канала, угол сужения входной части сопла, критический диаметр центрального канала, критическая площадь всех секций, угол расширения выходной части сопла, выходной диаметр, выходная площадь центрального канала.

Дроссельное устройство имеет параметры: конструктивный наружный диаметр дросселя, диаметр отверстия, их количество, площадь дросселя всех секций, коэффициент дросселирования устройства.

Второй канал характеризуется параметрами: диаметр образующей обечайки, радиус округления образующей обечайки, начальный диаметр внутреннего конуса, конечный диаметр внутреннего конуса, радиус скругления, переход на конус, угол образующей конуса, площадь второго канала в среднем сечении, выходной диаметр диффузорного участка, угол диффузорности, площадь выходного сечения диффузора второго канала, общая площадь выходного сечения первого и второго каналов.

Работает внутритрубный инспекционный снаряд следующим образом. При движении снаряда-дефектоскопа по трубопроводу на опорах 4 и 5 датчики информации 2 регистрируют магнитные поля рассеяния дефектов металла стенок трубы за счет изменения магнитного потока в корпусе 1 и магнитопроводе 3. В основу модуля снаряда-дефектоскопа положен магнитный метод дефектоскопии, анализирующий магнитные поля рассеяния дефектов металла стенок трубопроводов. В гермоконтейнере 8 электронный накопитель хранит всю информацию по техническому состоянию исследуемого трубопровода. В модуле электрического оборудования гермоконтейнера 8 происходит также настройка пределов изменения скорости движения снаряда, фиксируемой одометрическими датчиками 11. В байпасной системе 6 за счет входного канала 7, двухконтурной системы перепуска газа и блока управления байпасной системой 9 происходит стабилизация скорости движения снаряда за счет истечения газовых потоков с согласованными массовыми расходами газа через центральный канал 16 и второй контур 17 в корпусе 12.

Таким образом, внутритрубный инспекционный снаряд с управляемой скоростью движения, оборудованный байпасной системой 6 с изменяющейся степенью двухконтурности, датчиками скорости перемещения снаряда 11, блоком управления и привода устройством 9, передней манжетой 4 и задней манжетой 5, обеспечивает требуемую скорость движения дефектоскопа за счет перепуска газа, при этом сохраняет эксплуатационные режимы перекачки газа в трубопроводах.

Двухконтурная модификация перепуска газа, интегрированная с конструкцией снаряда-дефектоскопа в одном модуле, выполнена с применением стационарных профильных каналов по принципу двухконтурного истечения газа:

- центральный поток - через канал первого контура с соплом 16;

- внешний поток - через канал второго контура с соплом 17.

Эжекторная система второго контура выполнена в виде дефлектора 13, дросселя 14, закрепленных на обтекателе 15 корпуса снаряда.

В байпасной системе реализованы аэродинамические принципы газовых потоков «геометрического» сопла совместно с «расходным» соплом. Введение двухконтурной конструкции трубчатых каналов удовлетворяет условию массового перепуска газа через стационарные каналы: внутренний контур имеет критический и сверхкритические режимы истечения; внешний контур настроен на докритический режим истечения. Каждый контур находится в согласованном режиме истечения газовых потоков по массовым расходам. Для стабилизации скорости движения снаряда-дефектоскопа дросселируется вторичный газовый поток внешнего контура. Ограниченный расход газа при дросселировании «расходного» сопла используется для совершения технической работы по перемещению снаряда. Аэродинамическая эффективность газового потока наступает при положительной составляющей импульса газа, динамика движения дефектоскопа задается степенью двухконтурности байпасной системы.

Механизм истечения газовых потоков в рабочей секции идентичный процессам в ступени эжектора с критическими режимами работы. Особенность работы ступени определяется характером течения в начальном участке смесительной камеры, то есть наличием сечения в котором может происходить запирания эжектора. При этом газовый поток центрального сопла заполняет все сечение второго канала, на режиме запирания приведенный расход второго потока равен нулю.

На аппарат воздействует суммарный импульс второго газового потока, поэтому аппарат приходит в движение, перемещение может происходить с высоким градиентом приращения скорости, следовательно, режим запирания в рабочей секции не должен встречаться при проведении диагностического контроля трубопроводов.

Рабочая схема системы перепуска газа имеет 6 (шесть) секций, в каждой применяется расчетное сверхзвуковое сопло и расходное сопло с докритическим истечением газового потока. При малых углах профилирования сверхзвукового сопла (γ=10°...12°) можем принять постоянными параметры центрального газового потока по всей площади выходного сечения без особых погрешностей для расчета. Применение сверхзвукового сопла позволяет при заданных начальных параметрах и расходах газа получить конструкцию секции с меньшей площадью камеры смешения, иметь меньшие потери энергии газового потока и исключить перерасширения центрального потока в сечении запирания.

Реактивная сила газового потока, двигающая снаряд определяется по формуле:

где

ΔР - перепад давления на снаряде, скорость газа в трубопроводе, скорость движения снаряда, К_у - коэффициент утечек газа.

Приведенная скорость газового потока и газодинамические функции равна

R_Г=51,2 - кгс·м/кг·К - газовая постоянная для газа; k_г - показатель адиабаты для газа; q(λ_тр) - приведенная плотность потока массы газа; z(λ_тр) - приведенный полный импульс газового потока, S_тр - площадь трубы, W_тр - скорость газа.

Суммарная составляющая реактивной силы от двух газовых потоков двухконтурной модификации перепуска газа при активном дросселировании второго контура равна:

Расход газа второго контура при дросселировании «расходного» сопла падает пропорционально уменьшению проходной площади дефлектора, одновременно увеличиваются потери и соответственно уменьшается коэффициент восстановления полного давления газа при истечении газа через дефлектор.

Расход газа, ограниченный дросселем «расходного» сопла, способен производить техническую работу, является источником той силы, которая может перемещать снаряд. При полном перепуске газа через двухконтурную модификацию центральный газовый поток истекает с трансзвуковой скоростью из шести «геометрических» сопел, вторичный газовый поток свободно истекает из шести кольцевых каналов «расходных» сопел. При дросселировании вторичного газового потока газ накапливается перед снарядом, равномерная нагрузка от рабочего давления газа распределяется на торцевой поверхности снаряда, возникает эквивалентная сила газового потока. Эта сила определяется значением рабочего давления в трубопроводе и некоторой эквивалентной площадью снаряда.

Пневмопривод второго канала выполнен цилиндрической камерой с осевым размером - L₁, а внутренний диаметр ограничен корпусом магнитопровода. Левая стенка - диафрагма имеет группу отверстий для заполнения камеры газом, правая стенка является дополнительной опорой секций сопла, на стенке установлен клапан разгрузки. В камере установлены силовые пружины, которые закрывают дроссельное устройство второго канала.

При подаче давления в камеру запасовки магистрального трубопровода камера «сопла» заполняется газом через сепаратор диафрагмы дроссельного устройства. Давление газа перед диафрагмой и в камере «сопла» уравновешиваются, дроссель удерживается в исходном положении пружиной камеры. Рабочее давление в камере через жиклерное отверстие действует на поршень, совместно с его пружиной удерживает клапан разгрузки в закрытом положении.

Давление нарастает постепенно, достигает значения ≈20 кгс/см² и открывает шариковый клапан. После открытия шарикового клапана давление газа над поршнем упадет вследствие дроссельного действия жиклера по сравнению с давлением, и основной клапан приподнимется, а давление P'₁ понизится до величины, при которой расход газа через шариковый клапан будет равен количеству газа, которое поступит через жиклерное отверстие. Изменением усилия предварительного сжатия пружины шарикового клапана можно изменять регулировку клапана разгрузки. При увеличении усилия сжатия пружины шарикового клапана давление, при котором произойдет открытие клапана разгрузки, повысится, соответственно повысится и рабочее давление перед поршнем клапана разгрузки. До тех пор, пока рабочее давление не повысится до величины Р'1, основной клапан будет закрыт и расход газа через клапан разгрузки определится расходом через шариковый клапан. При достижении давления величины Р'1 рабочее давление сохраняется постоянным независимо от величины расхода газа через предохранительный клапан и жиклерное отверстие.

Давление газа, действующее на основной клапан, преодолевает усилие предварительной затяжки пружины, клапан сместится со своего седла и открывает проход для газа из камеры «сопла». Давление в камере понизится, на левой стенке - диафрагме появится усилие в направлении действия неуравновешенной силы, т.е.

где p₁ - давление газа перед секциями «сопла»; p'₁ - давление газа в камере пневмопривода; F_диаф - площадь диафрагмы; Р_пр - усилие затяжки пружины; S_п - усилие трения покоя основного клапана.

Разработан и изготовлен полномасштабный модуль байпасной системы с двухконтурной модификацией для снаряда-дефектоскопа размерностью трубопровода Ду=1400 мм.

Внутритрубный инспекционный снаряд с управляемой скоростью движения, содержащий цилиндрический корпус, с передней и задней опорой в виде кольцевых манжет между корпусом и трубопроводом, датчик скорости перемещения снаряда, блок управления и привод для настройки перепуска газа, отличающийся тем, что 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.