Способ введения плети пластмассовых труб в восстанавливаемый трубопровод и устройство с вибратором для осуществления способа

Изобретение относится к трубопроводному строительству и используется в бестраншейной технологии восстановления изношенных трубопроводов методом введения и установки "трубы в трубу" путем протягивания в полость трубопровода плети труб тяговым тросом. Изобретение предусматривает вибрационное воздействие на плеть и тяговый трос для нивелирования локальных деформаций стенки трубопровода для снижения силы трения плети о стенки трубопровода. Позволяет увеличить допустимую по условиям прочности длину протягиваемой плети. 3 н.п. ф-лы, 6 ил.

 

Изобретение относится к трубопроводному транспорту и используется в бестраншейной технологии восстановления изношенных трубопроводов методом введения и установки «трубы в трубу». Одной из основных проблем в осуществлении метода является операция проталкивания или протягивания плети пластмассовых труб в восстанавливаемый трубопровод, суть проблемы заключается в снижении силы сопротивления проталкиванию или протягиванию плети. Величина силы сопротивления определяется в основном трением плети о стенки восстанавливаемого трубопровода и значительно может увеличиться при наличии местных искажений геометрически правильной формы профиля трубопровода при его деформации под воздействием случайных внетрубных сил. Величина силы сопротивления не должна превышать допустимой величины предела прочности плети, что является определяющим фактором в ограничении допустимой длины плети. При снижении силы трения возможно значительное увеличение длины плети, а значит, и длины участка восстанавливаемого трубопровода.

Известен способ введения в ремонтируемый участок трубопровода через открытый котлован полиэтиленовых труб с последовательным наращиванием с помощью сварки рабочего полиэтиленового трубопровода. Способ осуществляется путем проталкивания полиэтиленовых труб в полость восстанавливаемого трубопровода и последовательной сварки их друг с другом устройством, включающим гидравлический домкрат, тележку, переключатель, электронагреватель и зажимные хомуты (Агапчев В.И., Виноградов Д.А., Фаттахов М., Бестраншейные технологии восстановления и сооружения трубопроводов. - Уфа: изд-во Уфимского государственного нефтяного технического университета, 2005. - С.17-18, рис.2.2).

Недостатком известного способа является повышенная сила сопротивления проталкиванию рабочего полиэтиленового трубопровода в полость восстанавливаемого трубопровода по сравнению с приемом протягивания трубопровода в полость за конец. Это объясняется следующим образом: под воздействием продольного усилия сжатия полиэтиленовый трубопровод теряет продольную устойчивость и изгибается до касания стенок восстанавливаемого трубопровода враспор. В местах касания возникает дополнительная сила трения.

Недостатком известного устройства является повышенная трудоемкость вспомогательных операций при сварке трубопровода в котловане.

Известен способ введения плети полиэтиленовых труб в полость восстанавливаемого трубопровода, включающий крепление конца плети к тяговому тросу, заранее проложенному в полости, и протягивание ее через восстанавливаемый участок.

Способ осуществляют с помощью устройства, включающего защитные элементы полиэтиленовых труб (лепестки), операционную камеру, оголовок, калибр, вертлюг, трос и тяговое устройство (Агапчев В.И., Виноградов Д.А., Фаттахов М., Бестраншейные технологии восстановления и сооружения трубопроводов. - Уфа: Уфимский государственный нефтяной технический университет, 2005. - С.17-35, рис.2.7).

Недостатком известного способа является большая сила трения плети о стенки трубопровода, особенно при наличии локальных деформаций его стенок. Силу трения возможно снизить путем воздействия на плеть вибрацией, а также путем нивелирования локальных деформаций стенок трубопровода.

Из техники известно, что при воздействии вибрации на одно из пары сопрягаемых тел в направлении, нормальном к поверхности сопряжения, сила трения по этой поверхности многократно падает по величине.

Локальные деформации стенки восстанавливаемого стального трубопровода, незафиксированные калибром при очистке полости трубопровода, увеличивают силу трения плети о стенки трубопровода за счет того, что в местах соприкосновения плети с локальными деформированными участками стенки трубопровода возникают удельные давления, сравнимые по величине с модулем упругости пластмассы, это вызывает местные искажения формы пластмассовой трубы, ведущие к росту силы трения.

Известный способ и устройство наиболее близки к заявляемому изобретению. Недостатком известного устройства является отсутствие в его конструкции источника вибрации и приспособлений для воздействия на локальные деформированные участки стенки трубопровода.

Известен вибратор, содержащий корпус с выносной камерой, патрубками подвода и отвода рабочей жидкости и дебалансный ротор, размещенный в выносной камере и выполненный двухлопастным с лопастями различной площади, причем лопасть с большой площадью установлена с возможностью перекрытия входного и выходного патрубков, а центр тяжести ротора смещен относительно оси вращения в направлении одной из лопастей (а.с. SU №1513255 А1, F15B 21/22, 17.02.1988).

Недостатком вибратора является неэффективное и неполное использование энергии потока рабочей жидкости. Часть потока проходит между лопастями и не участвует в выработке ротором механической энергии, а ротор, относящийся к гидравлическим двигателям типа мельничное колесо с самым низким КПД из всех известных двигателей, неэффективно преобразует располагаемую кинетическую энергию потока в механическую энергию вращения ротора.

Известен вибратор, содержащий корпус с размещенными в его полости приводом типа сегнерово колесо, выполненный в виде диска с центральным подводящим каналом и соплами и снабженный запитывающим каналом, при этом вибратор снабжен осью, закрепленной на диске, и подвижной втулкой, установленной с зазором относительно оси (а.с. SU №1551850 А1, F15B 21/12, 15.06.1988).

Недостатком вибратора является неполное использование энергии сжатого воздуха, заключающееся в том, что энергия выхлопных струй воздуха, имеющих достаточно высокую абсолютную скорость, не утилизируется и рассеивается без пользы в окружающем пространстве.

Известный вибратор наиболее близок к заявляемому изобретению.

Технической задачей изобретения является способ введения плети пластмассовых труб в восстанавливаемый трубопровод, устройство с вибратором для осуществления способа, осуществляющие введение путем протягивания в полость восстанавливаемого трубопровода плети пластмассовых труб максимально возможной длины, достигаемой за счет снижения силы трения плети и тягового троса о стенки трубопровода введением плети и троса в вибрацию в поперечном направлении и нивелирования локальных деформированных участков стенки стального трубопровода вибрационным воздействием устройства, которое выполняет протягивание плети, вибрационное воздействие на плеть и тяговый трос и локальные деформированные участки трубопровода, источником которого являются вибраторы, использующие эффективно и с максимально возможной степенью полноты энергию сжатого воздуха.

Техническая задача по способу введения плети пластмассовых труб в восстанавливаемый трубопровод, включающему крепление конца плети к тяговому тросу, заранее проложенному в полости трубопровода, и протягивание плети через восстанавливаемый участок трубопровода, решается согласно изобретению тем, что плеть и трос подвергают вибрации в поперечном направлении и нивелируют локальные деформированные участки стенки стального трубопровода путем приложения к ним вибрационного усилия враспор с противоположной деформированному участку стенкой.

Техническая задача решается также тем, что устройство для осуществления способа введения плети пластмассовых труб в восстанавливаемый трубопровод, содержащее защитные элементы, операционную камеру, оголовок, калибр, вертлюг, тяговый трос и тяговое устройство, согласно изобретению включает компрессор и гибкий пневмопровод, проложенный в полости плети и подключенный к оголовку для подачи сжатого воздуха в его полость от компрессора, в оголовке размещены два вибратора, приводимые в действие сжатым воздухом и размещенные: передний - в передней части оголовка, прикрепленной посредством вертлюга к тяговому тросу, задний - в задней части оголовка, прикрепленный к концу плети; а на задней части оголовка насажен сдвижной подпружиненный калибр, скрепленный поводком с задним вибратором, установленным с возможностью его смещения вдоль оси, при этом выхлопные отверстия для отработавшего воздуха за вибраторами направлены вперед по ходу оголовка под углом 45-60° к его оси, причем выхлопные отверстия за задним вибратором сообщены со входом переднего вибратора и глушатся калибром при его сдвиге.

Техническая задача по вибратору в составе устройства для осуществления способа введения плети пластмассовых труб в восстанавливаемый трубопровод, включающему корпус с размещенным в его полости приводом типа сегнерова колеса с соплами, подводящим и запитывающим каналами, выполненным в виде цилиндра, втулку и ось, решается согласно изобретению тем, что цилиндр закреплен с помощью втулки на оси с возможностью вращения, центр тяжести цилиндра смещен от оси вращения, выполненное единственным сопло направлено под острым углом к торцу цилиндра в замкнутую камеру, выполненную в торце, плотно примыкающую к перегородке корпуса, в которой выполнены выхлопные отверстия, причем торец цилиндра также плотно с возможностью перемещения примыкает к перегородке, а дисбаланс цилиндра направлен в сторону, противоположную местоположению выхода выхлопных отверстий относительно оси, сообщенных с камерой.

Сущность изобретения поясняется чертежами: Фиг.1 - общий вид устройства; Фиг.2 - общий вид оголовка в разрезе А-А; Фиг.3 - сечение Б-Б оголовка; Фиг.4 - сечение В-В по оси вибратора; Фиг.5 - цилиндрическое сечение Г-Г вибратора; Фиг.6 - сечение Д-Д по цилиндру вибратора.

Устройство для осуществления способа введения плети пластмассовых труб в восстанавливаемый трубопровод содержит (см. Фиг.1, 2) оголовок 1, соединенный в передней своей части по ходу движения с помощью вертлюга 2 с тяговым тросом 3. В задней своей части оголовок 1 скреплен с протягиваемой в восстанавливаемый трубопровод 4 плетью 5 пластмассовых труб через операционную камеру 6 по защитным элементам 7. Трос 3 заранее проложен в полости восстанавливаемого трубопровода 4. В полости плети 5 проложен пневмопровод 8, сообщенный с полостью корпуса 9 оголовка 1 и запитываемый компрессором (условно не показан). Вертлюг 2 закреплен в передней части оголовка 1 в резьбовой расточке 1а корпуса 9 с помощью разрезной резьбовой корончатой вставки 2а. Конец плети 5 закреплен на резьбовом штуцере 10 с помощью конуса 11, поджатого гайкой 12 и контргайкой 13 к конусу 10а штуцера 10. Между конусами 10 и 10а зажат соответственно сформованный конец плети 5. К штуцеру 10 присоединен пневмопровод 8.

Трос 3 присоединен свободным концом к тяговому устройству (условно не показано). Штуцер 10 ввернут в крышку 14 оголовка 1 с воздухоподводящими каналами, которая на резьбе ввернута в корпус 9, и законтрен гайкой 15. В задней части оголовка 1 на корпус 9 с возможностью перемещения насажен сдвижной калибр 16, подпружиненный пружиной 17. Ход калибра 17 S в одну сторону ограничен резьбовым кольцом 18, в другую сторону - пружиной 17, сжимаемой до соприкосновения витков. В полости корпуса 9 установлены передний вибратор 19 и задний вибратор 20.

Вибраторы 19 и 20 по конструкции идентичны и могут различаться незначительно лишь размерами, но принципиально они одинаковы. Корпус 9 является корпусом вибраторов 19, 20. Вибратор 19 или 20 состоит из цилиндра 21 (см. Фиг.2-6), имеющего дисбаланс, вызванный специальным распределением его массы относительно оси. Цилиндр 21 плотно насажен на втулку 22, с помощью которой с возможностью вращения закреплен от осевого смещения на оси 23. Ось 23 заднего вибратора 20 с возможностью осевого перемещения посажена в крышку 14 и перегородку 24 корпуса 9, ось 23 переднего вибратора 19 плотно посажена в соединительную резьбовую втулку 9а с воздухоподводящими каналами, соединяющую воедино корпус 9 из двух частей и в перегородку 25 корпуса 9. Заодно с осью 23 заднего вибратора 20 выполнен поводок 26, связывающий задний вибратор 20 через шпильки 27, с возможностью перемещения посаженные в крышку 14, резьбовое кольцо 18 с калибром 16.

В цилиндре 21 выполнены запитывающий 28 и подводящий 29 каналы, подающие сжатый воздух из полости корпуса 9 к соплу 30, под острым углом α к торцу 31 цилиндра 21, направленным в замкнутую камеру 32, выполненную в торце 31 и плотно примыкающую к перегородке 24 или 25. Торец 31 плотно с возможностью перемещения примыкает к перегородке 24 или 25.

В перегородках 24 и 25 выполнены выхлопные отверстия 33 и 34, выходящие наружу корпуса 9, направленные вперед по ходу под углом 45-60° к оси. Выхлопные отверстия 33, 34, выполненные во множественных количествах в перегородках 24, 25, равномерно распределены по окружности и поочередно парами сообщаются при работе с камерой 32. Торец 31 и перегородка 24 или 25 разделены прокладкой из антифрикционного материала, из которого выполнена также втулка 22. Вход запитывающего канала 28 направлен под острым углом β к торцу цилиндра 21, определяемым треугольником скоростей: V₀₁ - осевая составляющая скорости воздуха на входе; U - скорость вращения цилиндра 21; V_отн.1 - относительная скорость воздуха на входе в запитывающий канал 28. Вход выхлопного отверстия 33 или 34 направлен под острым углом γ к торцу 31, определяемым треугольником скоростей: V_отн.2 - относительная скорость воздуха из сопла 30; U - скорость вращения цилиндра 31; V_абс.- абсолютная скорость воздуха на входе в выхлопные отверстия 33 или 34. Конструкция вибратора 19 или 20 выполнена таким образом, что дисбаланс цилиндра 31 направлен в обратную сторону местоположению выхода наружу выхлопных отверстий 33 или34 относительно оси, сообщенных с камерой 32. Цилиндр 31 с каналами запитывающим 28, подводящим 29 и соплом 30 является приводом типа сегнерово колесо.

Способ введения плети пластмассовых труб в восстанавливаемый трубопровод осуществляется устройством и вибраторами 19 и 20 следующим образом. Тяговое устройство начинает протягивать плеть 5 в полость восстанавливаемого трубопровода 4. Тяговая нагрузка, определяемая силой трения плети 5 о стенки трубопровода 4, растягивает плеть 5 и тяговый трос 3. Оголовок 1 служит для передачи тягового усилия от троса 3 к плети 5. Растянутые плеть 5 и трос 3 представляют собой растянутую струну. При работе задний вибратор 20 вовлекает оголовок 1 в вынужденные колебания, а он, в свою очередь, в вынужденные колебания - растянутую струну: плеть 5 и трос 3. Из техники известно, что при скольжении по поверхности вибрирующего тела сила трения тела о поверхность значительно ниже, чем при скольжении этого тела по поверхности в отсутствие вибрации. Длина протягиваемой плети 5 определяется тяговой нагрузкой, приложенной к ней, которую плеть 5 может выдержать по условиям прочности. Поэтому при снижении силы трения плети 5 о стенки трубопровода 4, а значит, тяговой нагрузки, возможно увеличить допустимую по условиям прочности длину протягиваемой плети 5. Работа вибратора 20 осуществляется следующим образом: сжатый воздух от компрессора по пневмопроводу 8 поступает по воздухоподводящим каналам резьбовой крышки 14 в полость корпуса 9 оголовка 1 и далее по запитывающему 28 и подводящему 29 каналам к соплу 30, где разгоняется до скорости звука. Сила реакции струи воздуха из сопла 30 вращает цилиндр 21. Струя воздуха поступает в камеру 32 и далее в выхлопные отверстия 33 и выбрасывается за пределы корпуса 9 в полость трубопровода 4. Радиальная, относительно оголовка 1, составляющая силы реакции струи воздуха R_в на выходе из выхлопных отверстий 33, сообщенных в текущий момент времени с камерой 32, совпадает по направлению с неуравновешенной силой инерции R_И цилиндра 21, вызванный его дисбалансом, и в сумме составляют возмущающую силу вибратора 20 R_Σ, вектор которой вращается вокруг оси с частотой вращения цилиндра 21 и возбуждает вибрацию оголовка 1 и далее плети 5 и троса 3. Передний вибратор 19 не вращается, поскольку в полости корпуса 9 перед ним давление воздуха равно статическому давлению в струе воздуха в выхлопных отверстиях 33, сообщенных с полостью, и незначительно отличается от давления окружающего воздуха в полости трубопровода 4, разницы давлений недостаточно для приведения вибратора 19 в действие.

Сила трения плети 5 о стенки трубопровода 4 может значительно увеличиться при наличии локальных деформированных участков стенки стального трубопровода 4. Величина их не препятствует прохождению контрольного калибра при очистке трубопровода 4, но оказывают значительное влияние на величину силы трения плети 5 о стенки трубопровода 4. Это объясняется следующим образом. Локальные деформации стенки стального трубопровода 4 имеют случайные причины образования и в основном вызваны внетрубными случайными силовыми воздействиями, например наложение трубопровода 4 при укладке его в траншею на скальный осколок или кирпич, что гарантированно приводит к деформации локального участка стенки трубопровода 4, выражающейся в образовании выступа 4а стенки внутрь полости в основном резко выраженной с острыми углами формы. В местах соприкосновения натянутой плети 5 с этими участками удельное давление сравнимо по величине с модулем упругости пластмассы плети 5, выступ 4а частично вминается в стенку плети 5, сила трения плети 5 о стенку трубопровода 4 на этом участке сопряжения плети 5 и трубопровода 4 может многократно возрасти. Калибр 16 имеет цилиндрический поясок 16а со скосами 16б. Диаметр пояска 16а превышает диаметр контрольного калибра и равен внутреннему диаметру трубопровода 4 за вычетом незначительного диаметрального зазора, необходимого для обеспечения свободы вынужденных колебаний оголовка 1. При протягивании плети 5 оголовком 1 калибра 16 застревает на локальном деформированном участке и сдвигает под воздействием тягового усилия троса 3, сжимая пружину 17 вплоть до соприкосновения ее витков. Одновременно с калибром 16 на величину хода S сдвигается задний вибратор 20. Юбка 16в калибра 16 перекрывает выходы выхлопных отверстий 33, торец 31 с камерой 32 цилиндра 21 отрываются на величину S от перегородки 24 и сжатый воздух по зазору между цилиндром 21 и корпусом 9 устремляется из полости корпуса 9 перед задним вибратором 20 по выхлопным отверстиям 33 в полость корпуса 9 перед передним вибратором 20 и далее по воздухопроводящим каналам соединительной резьбой втулки 9а непосредственно к переднему вибратору 19. Вибратор 19 начинает работать таким же образом, как и вибратор 20, который в это время оставлен. Калибр 16 расклинивается тяговым усилием троса 3 между локальным деформированным участком стенки трубопровода 4 и противолежащей локальному участку стенкой. Воздействие возмущающей силы R_Σ переднего вибратора 19 на локальный деформированный участок увеличивается в раз, где: L - расстояние до точки М на скосе 16б пояска 16а, соприкасающемся с локальным деформированным участком, от точки приложения R_Σ; k - расстояние между точкой М и Z - мгновенным центром поворота оголовка против хода часовой стрелки. Вибрационное усилие Р, действующее на выступ 4а локального деформированного участка, равное: начинает нивелировать выступ 4а. Сила реакции - Р воздействует на противолежащую стенку, но поскольку действие распространяется через цилиндрический поясок 16а на большую площадь стенки, то не может сдеформировать ее. Сила Р является геометрической суммой нормальной силы N, действующей со стороны скоса 16б в точку М на выступ 4а, и силой трения F скоса 16б о выступ 4а. Удельное давление пояска 16а на стенку не превышает предел пропорциональности материала трубопровода 4. Контактное давление в точке М скоса 16б на выступ 4а превышает предел текучести материала, поэтому выступ 4а нивелируется. Вектор возмущающей силы R_Σ переднего вибратора 19 вращается вокруг оси с частотой вращения цилиндра 21 вибратора 19. При повороте на 180° вектор R_∑ поворачивает оголовок 1 по ходу часовой стрелки вокруг мгновенного центра поворота уже в точке М и калибр 16 также расклинивается тяговым усилием троса 3 враспор между выступом 4а и противолежащей ему стенкой. Тяговое усилие троса 3 постоянно держит калибр 16 в контакте с выступом 4а и не допускает перемещения назад калибра 16 под воздействием осевой составляющей реакции - Р. И так продолжается до тех пор, пока выступ 4а не будет сглажен и расстояние между выступом 4а и противолежащей ему стенкой не будет равно диаметру цилиндрического пояска 16а. Оголовок 1 вместе с калибром 16 протягивается тросом 3 далее, калибр 16 освобождается от контакта со сглаженным (снивелированным) выступом 4а локального деформированного участка стенки трубопровода 4 и под действием пружины 17 возвращается в исходное положение, а вместе с ним и цилиндр 21 заднего вибратора 20 примыкает торцом 31 к перегородке 24 корпуса 9. При этом юбка 16в освобождает выход выхлопных отверстий 33, и задний вибратор 20 вступает в работу, а передний вибратор 19 отключается. Плеть 5 протягивается далее по трубопроводу 4 до конца, удельное давление в местах соприкосновения натянутой плети 5 и снивелированных выступов 4а локальных деформированных участков стенки теперь во много раз меньше модуля упругости пластмассы плети 5 и не оказывает заметного влияния на величину силы трения плети 5 о стенку трубопровода 4.

Использование изобретения позволяет увеличить допустимую по условиям прочности длину плети 5, протягиваемой в восстанавливаемый трубопровод 4. Изобретение может быть использовано для устранения вмятин на стальных трубах изнутри.

1. Способ введения плети пластмассовых труб в восстанавливаемый трубопровод, включающий крепление конца плети к тяговому тросу, заранее проложенному в полости трубопровода и протягивание плети через восстанавливаемый участок трубопровода, отличающийся тем, что плеть и трос подвергают вибрации в поперечном направлении и нивелируют локальные деформированные участки стенки стального трубопровода путем приложения к ним вибрационного усилия в распор с противоположной деформированному участку стенкой.

2. Устройство для введения плети пластмассовых труб в восстанавливаемый трубопровод, содержащее защитные элементы, операционную камеру, оголовок, калибр, вертлюг, тяговый трос и тяговое устройство, отличающееся тем, что оно включает компрессор и гибкий пневмопровод, проложенный в полости плети и подключенный к оголовку для подачи сжатого воздуха в его полость от компрессора, в оголовке размещены два вибратора, приводимые в действие сжатым воздухом, и размещенные: передний - в передней части оголовка, прикрепленного посредством вертлюга к тяговому тросу, задний - в задней части оголовка, прикрепленного к концу плети; а на задней части оголовка насажен сдвижной подпружиненный калибр, скрепленный поводком с задним вибратором, установленным с возможностью его смещения вдоль оси, при этом выхлопные отверстия для отработавшего воздуха за вибраторами направлены вперед по ходу оголовка под углом 45-60° к его оси, причем выхлопные отверстия за задним вибратором сообщены со входом переднего вибратора и глушатся калибром при его сдвиге.

3. Вибратор для осуществления способа введения плети пластмассовых труб в восстанавливаемый трубопровод, включающий корпус с размещенным в его полости приводом типа сегнерова колеса с соплами, подводящим и запитывающим каналами, выполненный в виде цилиндра, втулку и ось, отличающийся тем, что цилиндр закреплен на оси с возможностью вращения, центр тяжести цилиндра смещен от оси вращения, выполненное единственным сопло направлено под острым углом к торцу цилиндра в замкнутую камеру, выполненную в торце, плотно примыкающую к перегородке корпуса, в которой выполнены выхлопные отверстия, причем торец цилиндра также плотно с возможностью перемещения примыкает к перегородке, а дисбаланс цилиндра направлен в сторону, противоположную местоположению выхода выхлопных отверстий относительно оси, сообщенных с камерой.