Внутритрубный инспекционный снаряд с управляемой скоростью движения

Изобретение относится к внутритрубным снарядам для обследования трубопроводов. Техническим результатом изобретения является повышение качества, стабилизация скорости движения снаряда. Во внутритрубном инспекционном снаряде с управляемой скоростью движения, содержащем кольцевой корпус, манжеты, подогнанные по окружности к корпусу, множество проходов вдоль корпуса, которые расположены периферически на расстоянии друг от друга, устройство изменения перепадов давления в виде элементов с относительным движением от привода по оси, четыре прохода выполнены в виде цилиндрических поверхностей, расположенных через 90°, а элементы выполнены в виде обтекаемого параболического тела вращения с конусным краем, дугообразными клиньями и секторными отверстиями, которое установлено подвижно на направляющей через пружины на часть корпуса. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к внутритрубным снарядам для обследования магистральных трубопроводов с повышенной стабилизацией скорости движения.

Известен дефектоскоп для внутритрубного обследования трубопроводов (патент RU №2102738, МПК G01N 27/82, G01N 27/87). Снаряд снабжен байпасным патрубком для перепуска транспортируемого по обследуемому трубопроводу продукта и системой автоматического регулирования скорости перемещений, содержащей датчик скорости перемещения, блок управления с задатчиком 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 пневмотраспортной установки (А.с. SU №117353, МПК В65G 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 в контейнере стабилизатора улучшает процесс прохождения горизонтальных 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.

Известен скребок для очистки внутренней поверхности трубопровода с изменяемой скоростью (патент USA №5208936 от 11.05.1993, МКИ В08В 9/04), который 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 и 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, проходящие между соответствующими трубками первых и вторых отверстий, и образуют центральную полость. Это устройство не позволяет стабилизировать скорость внутритрубного снаряда при максимальном перепуске газа из-за пластин, блокирующих поток газа.

Известен аппарат обследования трубопровода с переменной скоростью (Патент США №6370721 от 16.04.2002, МКИ В08В 9/55 - прототип), содержащий цилиндрический корпус, кольцевую изоляцию, подогнанную по окружности к корпусу, множество проходов, тянущихся вдоль корпуса. Проходы расположены периферически на определенном расстоянии друг от друга. Используется элемент в виде диффузора для выборочного зацепления с проходами за счет относительного движения их по оси, что изменяет размер отверстия проходов. Эта конструкция имеет при полностью открытой позиции максимум 50% отверстий, а теоретически можно увеличить до 66%.

Эта конструкция аппарата плохо управляемая и не имеет возможности автоматически поддерживать заданную скорость снаряда без электропривода, достаточно сложна и при этом необходимо большое усилие от электропривода.

Задачей изобретения является повышение качества стабилизации скорости движения при эффективном перепуске газа и упрощении конструкции. Поставленная задача достигается за счет того, что во внутритрубном инспекционном снаряде с управляемой скоростью движения, содержащем кольцевой корпус, манжеты, подогнанные по окружности к корпусу, множество проходов вдоль корпуса, которые расположены периферически на расстоянии друг от друга, устройство изменения перепадов давления - в виде элементов с относительным движением от привода по оси, четыре прохода выполнены в виде цилиндрических поверхностей, расположенных через 90°, а элементы выполнены в виде обтекаемого параболического тела вращения с конусным краем, дугообразными клиньями и секторными отверстиями, которое установлено подвижно на направляющей через пружины на часть корпуса. При этом начальная и рабочая площадь живого сечения входного отверстия составляет 40 и 25% соответственно от торцевой поверхности снаряда. Кроме того, привод выполнен в виде реверсивного взрывобезопасного электродвигателя, который соединен через реечную передачу с направляющей параболического тела вращения.

На фиг.1 представлена схема внутритрубного снаряда; на фиг.2 - сечение по А-А; на фиг.3 - вид Б.

Снаряд состоит из цилиндрического корпуса 1 с цилиндрическими проходами 2. Параболическая головная часть снаряда 3 с секторными вырезами 4 и дугообразными клиньями 5 установлена на направляющей в виде ступенчатого вала 6 в отверстии корпуса 1 с цилиндрической пружиной сжатия 7 и упорным диском 8. На лыске вала 6 установлена рейка 9, которая через червячное колесо 10 соединяется с взрывобезопасным электродвигателем 11, закрепленным на торцевой части корпуса. В корпусе 1 имеются полости для установки блока питания 12 и датчиков с компьютером 13. Снаряд установлен на манжетах 14 с одометрическими колесами 15 в трубе газопровода 16.

Снаряд работает следующим образом. Через четыре дугообразных прохода 2 цилиндрического корпуса 1 протекает газ во время движения газа и снаряда в трубопроводе с выдвижной головной частью 3, обращенной в сторону набегающего газа. Головная часть снаряда 3 представляет собой обтекаемое полусферическое или параболическое тело вращения, которое имеет четыре секторных выреза 4 для прохождения газа сквозь головную часть снаряда. С задней стороны головной части снаряда 3 имеются четыре дугообразных клина 5, которые при поступательном перемещении головной части относительно корпуса снаряда входят в дугообразные проходы 2 корпуса снаряда за счет пружины 7 или электродвигателя 11.

С помощью поступательного перемещения головной части относительно корпуса снаряда регулируется площадь живого (открытого) сечения для прохода газа через корпус снаряда 1. Тем самым изменяется сила лобового сопротивления, действующая на весь снаряд со стороны газа, движущегося в трубопроводе, и регулируется скорость движения снаряда в трубопроводе.

Суммарная площадь сечения четырех проходов в корпусе снаряда составляет 40% от торцевой поверхности снаряда. Площадь сечения головной части снаряда без секторных вырезов 4 в нем составляет 60% площади сечения трубопровода.

Перемещение головной части относительно корпуса снаряда осуществляется с помощью взрывобезопасного электродвигателя с приводом 11 и рейки 9 с червячным колесом 10. При этом электродвигатель 11 запитывается блоком 12 и управляется одометром 15, блоком управления с компьютером 13. Между дном отверстия корпуса снаряда и головной частью 3 помещается пружина 7, длина и жесткость которой подбирается таким образом, чтобы при рабочем давлении в трубопроводе и рабочей скорости движения газа в трубопроводе 30 км/час с учетом силы трения манжет и щеток о внутреннюю стенку трубопровода снаряд двигался со скоростью 3-4 м/с. В этом случае живое сечение открытой части проходов в корпусе снаряда составляет порядка 25% от торцевой поверхности снаряда. Наличие такой пружины позволяет с меньшим усилием со стороны электродвигателя регулировать перемещение головной части снаряда относительно корпуса снаряда 1 до упорного диска 8.

Обтекаемая форма головной части снаряда уменьшает силу лобового сопротивления, действующую на нее со стороны движущегося газа. Протяженность дугообразных клиньев составляет 3-3,5 ширины проходов в корпусе снаряда. Все это вместе улучшает условия регулирования скорости движения снаряда в рабочем трубопроводе высокого давления.

При равномерном движении снаряда в рабочем газопроводе выполняется равновесие между лобовой силой сопротивления, действующей на снаряд со стороны движущегося газа, и силой трения снаряда о внутреннюю стенку трубы 16.

Сила лобового сопротивления F_c, действующая на головную часть и корпус снаряда, определяется по формуле

где ρ - плотность газа; w - скорость газа относительно снаряда; ζ₁, ζ₂ - коэффициенты сопротивления для головной части и корпуса снаряда, зависящие от живого сечения проходов, т.е. от отношения открытой площади сечения проходов к общей площади проходов; S₁, S₂ - площади сечения головной части и закрытой части сечения корпуса снаряда.

Сила трения снаряда о внутреннюю стенку трубы F_тр зависит от условия взаимодействия между снарядом и стенкой трубопровода, и определяется расчетным методом или экспериментально.

Тогда имеем уравнение для определения скорости:

Отсюда

Обозначим через ν скорость движения газа в трубопроводе, а через V - скорость движения снаряда. Тогда скорость снаряда относительно газа w определяется по формуле

Из (3) и (4) определяется скорость движения снаряда

Формула (5) показывает, что для заданной конструкции снаряда и заданных данных о плотности газа и его скорости движения в трубопроводе скорость снаряда зависит от коэффициента живого сечения проходов в снаряде, а он зависит от взаимного положения головной части и корпуса снаряда, так как дугообразные клинья перекрывают проходы в корпусе и уменьшают площадь живого сечения проходов.

Разработана программа на ЭВМ для расчета скорости движения снаряда в трубопроводе при различных расположениях головной части и корпуса снаряда. Расчеты показали, что если проходы в корпусе снаряда полностью открыты, то сила лобового сопротивления снаряда меньше силы трения снаряда о внутреннюю стенку трубопровода. В этом случае снаряд не движется. При приближении головной части к корпусу снаряда проходы в корпусе частично перекрываются, сила лобового сопротивления увеличивается и снаряд начинает движение вдоль трубопровода.

Коэффициент гидравлического сопротивления ζ₁ и ζ₂, входящие в формулы (1)-(5), выражаются через площади открытого сечения прохода S₃, всего сечения прохода S₄ и сечения трубы S₀ по формулам [Справочник по гидравлическим сопротивлениям. // И.Е.Идельчик: М. - Машиностроение, 1975. - С.125]:

где R - радиус сечения трубопровода; r₁ и r₂ - радиусы нижней и верхней границ дугообразных проходов; C_x1=0,15, С_х2=0,2, τ=0,2 - коэффициенты, учитывающие форму головной части снаряда.

Второе слагаемое в формуле (7) учитывает взаимное влияние головной части и корпуса снаряда друг на друга.

Если через Δp обозначить разность давлений газа между передним и задним торцом корпуса снаряда, то Δp определяется по формуле:

Как показывают проведенные расчеты, величина Δр мало изменяется с изменением площади открытой части сечения прохода и скорости движения снаряда в трубопроводе при неизменных рабочем давлении и рабочей скорости движения газа в трубопроводе. Расчеты показывают, что сила, действующая со стороны движущегося газа на головную часть снаряда, составляет 10-15% от суммарной газодинамической силы, действующей на весь снаряд. Это обстоятельство и наличие пружины, расположенной между головной частью снаряда и корпусом, позволяет прилагать меньшие усилия для перемещения головной части снаряда относительно корпуса, благодаря чему производится управление скоростью движения снаряда в трубопроводе без электропривода в некоторых пределах.

При этом

здесь , С - жесткость пружины, i - передаточное отношение редуктора, U - напряжение. К - коэффициент.

Поскольку величина S₃ зависит от Δх, то можно подобрать длину и жесткость пружины таким образом, чтобы обеспечить нужную скорость движения снаряда V в трубопроводе, при заданной рабочей скорости движения газа в трубопроводе и рабочем давлении в нем. В этом случае пружина без участия электродвигателя будет обеспечивать нужную скорость движения снаряда.

Аналогичные результаты приведены в работе Лурье М.В. "Газодинамическое сопротивление при движении поршня в трубе" (Изв. ВУЗов "Нефть и газ", 1976 - №8 - С.67-70) в виде зависимости асимптотического значения разности давлений на торцах поршня

,

где ρ₀ - плотность газа,

ζ - коэффициент, отражающий газодинамическое сопротивление зазора между корпусом и трубой,

V_c - скорость снаряда.

Применение предлагаемого внутритрубного инспекционного снаряда с управляемой скоростью движения позволит существенно повысить качество ее регулирования за счет введения обратной связи от перепада давлений от привода с пружиной.

1. Внутритрубный инспекционный снаряд с управляемой скоростью движения, содержащий кольцевой корпус, манжеты, подогнанные по окружности к корпусу, множество проходов вдоль корпуса, которые расположены периферически на расстоянии друг от друга, устройство изменения перепадов давления в виде элементов с относительным движением от привода по оси, отличающийся тем, что четыре прохода выполнены в виде цилиндрических поверхностей, расположенных через 90°, а элементы выполнены в виде обтекаемого параболического тела вращения с конусным краем, дугообразными клиньями и секторными отверстиями, которое установлено подвижно на направляющей через пружины на часть корпуса.

2. Снаряд по п.1, отличающийся тем, что начальная и рабочая площадь живого сечения входного отверстия составляет 40 и 25% соответственно от торцевой поверхности снаряда.

3. Снаряд по п.1, отличающийся тем, что привод выполнен в виде реверсивного взрывобезопасного электродвигателя, который соединен через реечную передачу с направляющей параболического тела вращения.