Внутритрубное транспортное устройство и способ перемещения его в магистральном трубопроводе с заданной равномерной скоростью

Изобретение относится к технологии строительства и эксплуатации магистральных трубопроводов в части контроля и диагностики их состояния и используется для буксирования контрольного и диагностического аппарата с заданной равномерной скоростью, обеспечивающей надлежащие точность и эффективность его работы. Устройство содержит корпус, манжету, центрирующие колеса, движители с электромеханическим обратимым приводом и аккумулятором, пружинный механизм прижатия движителей к поверхности перемещения, датчик скорости перемещения, блок контроля и управления, утилизатор энергии, веерную заслонку с электромеханическим приводом, датчик давления рабочей среды. Способ перемещения устройства включает подачу потока рабочей среды к устройству, создание перепада давления рабочей среды на нем, перемещение его усилием, создаваемым перепадом давления, и осевым усилием, создаваемым движителями, приводимыми в движение электромеханическим приводом с электрическим аккумулятором при воздействии их на поверхность трубопровода, а также контролирование скорости перемещения устройства и восстановление до нормы величины скорости в случае отклонения ее величины от заданной и поддержание ее на заданном уровне. Корректирование величины скорости осуществляют регулированием величины перепада давления рабочей среды и непосредственно усилия, создаваемого перепадом, и включением привода движителей на один из режимов работы: «холостой» ход, двигательный и генераторный режимы. При недостаточности регулирующих воздействий на поток рабочей среды для восстановления величины скорости перемещения до заданной подключают привод на одном из режимов: двигательный - для ускорения устройства, генераторный - для торможения. На генераторном режиме осуществляют подзарядку аккумулятора. При полной зарядке аккумулятора энергия торможения направляется в утилизатор энергии, где в виде тепла рассеивается в потоке рабочей среды. Изобретение обеспечивает повышение качества, точности и эффективности диагностики состояния магистрального трубопровода за счет перемещения устройства с заданной равномерной скоростью и поддержания ее величины на заданном уровне на всем пути следования устройства. 2 н.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к области строительства и эксплуатации магистральных трубопроводов в части контроля и диагностики их состояния и может быть использовано для буксирования контрольного и диагностического аппарата с заданной равномерной скоростью, обеспечивающей надлежащие точность и эффективность его работы.

Известно устройство для перемещения в трубопроводе (RU патент № 2080945 С1, В08В 9/04, 10.06.1997 г.), содержащее корпус и двухзвенный механизм шагового перемещения, включающий силовые цилиндры перемещения одного звена относительно другого, центрирующие и опорные элементы с силовыми цилиндрами. Питание цилиндров осуществляется от внешней насосной станции, так же как и управление от внешнего устройства. Способ перемещения устройства в трубопроводе заключается в том, что попеременно закрепляют одно из звеньев относительно трубопровода и перемещают относительно его другое звено, свободное от закрепления.

Недостатками способа и устройства являются:

- неравномерность скорости перемещения устройства в моменты переключения силовых цилиндров,

- отсутствие контроля скорости перемещения и средств корректирования ее,

- невозможность применения в магистральных трубопроводах по причине нереальности подачи по магистральным линиям энергопитания устройству от внешнего источника на расстояния, присущие магистральным трубопроводам, измеряемые десятками километров.

Известно внутритрубное транспортное средство (RU патент № 2093281 С1, В08В 9/04, 20.04.1997), содержащее корпус, средство перемещения в виде нескольких движителей с электромеханическим приводом и средство прижатия движителей к поверхности перемещения, причем средство перемещения выполнено в виде двух колес, контактирующих с противолежащими участками поверхности перемещения, а средство прижатия выполнено в виде соединяющей их U-образной пластинчатой пружины с разновеликими плечами, при этом энергопитание осуществляется от бортового источника.

Способ перемещения средства в трубопроводе заключается в том, что воздействуют вращаемыми приводом колесами на поверхность трубопровода, с усилием прижатых к ней, в результате чего возникает реакция поверхности трубопровода, приложенная к средству, перемещающая его по трубопроводу.

Недостатками способа и устройства являются:

- отсутствие контроля скорости перемещения и устройств на нем для ее корректирования,

- невозможность применения в магистральных трубопроводах по причинам: первая - из-за больших расстояний обследуемых участков трубопровода, измеряемых десятками километров, нереально обеспечить энергопитание транспортного средства от аккумуляторов энергии в силу их ограниченности и конечности ее запасов и вторая - энергопитание от автономных источников типа двигателей внутреннего сгорания неосуществимо, потому что рабочая среда в трубопроводе может быть жидкой или бескислородной газовой.

Данные средство и способ близки к изобретению по технической сущности и достигаемым техническим результатам.

Известны поршни - разделители типа ОПР-М-Э, ПР ("Очистка и испытания магистральных трубопроводов"; Е.М.Климовский, Ю.В.Колотилов; Москва: Недра, 1987), содержащие корпус и закрепленные на нем герметизирующие элементы из эластомеров. Способ перемещения поршней-разделителей по трубопроводу заключается в том, что создают на них перепад давления рабочей среды воздействием потока ее, который подают в начале обследуемого участка магистрального трубопровода от внешнего источника к поршню-разделителю, при открытом конце участка, при этом усилие, создаваемое перепадом давления, приложено к поршню-разделителю и перемещает его по трубопроводу.

Недостатком способа является большая неконтролируемая и никак некорректируемая неравномерность скорости перемещения устройства: на спуске трубопровода по рельефу местности возможны ускорения или рывок поршня-разделителя, на подъеме - замедления или остановка его, на горизонтальном участке все эти явления возможны перед и за местом искажения правильной геометрической формы сечения трубы, даже в пределах допустимой нормы. Это самым серьезным образом сказывается на точности, качестве и эффективности работы контролирующего и диагностирующего состояние трубопровода аппарата, буксируемого в нем поршнем-разделителем.

Недостатком устройства является большая сила трения герметизирующих устройств о поверхность трубопровода, что приводит к необходимости значительного повышения давления рабочей среды перед поршнем-разделителем.

Известен поршень-разделитель, используемый при заполнении полости магистрального трубопровода водой (SU а.с. № 1427148, F17D 5/02, 30.09.1988), содержащий однонаправленный скребок, включающий корпус с герметизирующими манжетами, и устройство для согласования скорости перемещения поршня-разделителя со скоростью поступления потока рабочей среды

Способ перемещения поршня-разделителя в трубопроводе заключается в том, что от внешнего источника в начале обследуемого участка подают поток жидкой рабочей среды к поршню-разделителю при открытом конце участка воздействием потока создают перепад давления рабочей среды на скребке и также создают тормозящее усилие на устройстве согласования относительно трубопровода, которое настраивают на заданную величину в зависимости от рельефа местности, по которой проложен трубопровод, с тем, чтобы уравнять скорость перемещения поршня-разделителя со скоростью поступления потока рабочей среды. Усилие, создаваемое перепадом давления, приложено к поршню-разделителю и перемещает его по трубопроводу.

Недостатками способа и поршня-разделителя являются:

- отсутствие контроля скорости перемещения поршня-разделителя и средств на нем для корректирования скорости,

- невозможность применения поршня-разделителя в газовой рабочей среде,

- неравномерность скорости перемещения, обусловленная нестабильностью величины силы трения тормозных башмаков устройства для регулирования скорости о поверхность трубопровода.

Известный поршень-разделитель и способ его перемещения наиболее близки к изобретению по технической сущности и достигаемым техническим результатам.

Технической задачей изобретения является внутритрубное транспортное устройство, конструкция которого и способ перемещения его в магистральном трубопроводе с заданной равномерной скоростью создают благоприятные условия работы, способствующие контрольно-диагностическому аппарату контролировать и диагностировать состояние магистрального трубопровода с высоким качеством, точностью и эффективностью в жидкой или газовой рабочих средах путем обеспечения заданной равномерной скорости перемещения аппарата в трубопроводе, буксируемого внутритрубным транспортным устройством.

Техническая задача по внутритрубному транспортному устройству, содержащему корпус, манжету из эластомера, центрирующие подпружиненные колеса, движители в виде облицованных по наружной поверхности эластомером колес с электромеханическим приводом и электрическим аккумулятором, пружинный механизм прижатия движителей к поверхности перемещения, решается согласно изобретению тем, что внутритрубное транспортное устройство содержит датчик скорости перемещения устройства по трубопроводу, блок контроля и управления, утилизатор энергии, веерную заслонку с электромеханическим приводом, датчик давления рабочей среды, а электромеханический привод движителей выполнен обратимым и включает мотор-генератор.

Техническая задача по способу перемещения внутритрубного транспортного устройства в магистральном трубопроводе с заданной равномерной скоростью, включающему подачу от внешнего источника в начале обследуемого участка трубопровода с открытым концом потока рабочей среды, газовой или жидкой, с контролируемыми расходом и давлением к внутритрубному транспортному устройству, создание перепада давления рабочей среды на нем и перемещение его усилием, создаваемым перепадом давления, и осевым усилием, создаваемым воздействием движителей внутритрубного транспортного устройства на поверхность трубопровода, приводимыми в движение электромеханическим приводом с электрическим аккумулятором, решается согласно изобретению тем, что контролируют скорость перемещения устройства, и в случае отклонения величины от заданной корректируют ее, для чего регулируют перепад давления на нем и непосредственно усилие, создаваемое перепадом, восстанавливают заданную величину скорости, а при отсутствии результата регулирования переключают электромеханический привод движителей с «холостого хода» для увеличения скорости на двигательный режим с потреблением приводом электрической энергии от аккумулятора и регулируют ее потребление, для замедления - на генераторный режим с подачей вырабатываемой приводом электрической энергии на зарядку аккумулятора или же при полной зарядке аккумулятора на утилизацию ее для рассеивания в потоке рабочей среды и регулируют выработку энергии, при этом включают в работу или выключают устройство по наличию или отсутствию в трубопроводе давления рабочей среды сверх заданного минимального уровня.

Сущность изобретения поясняется чертежами.

На фиг.1 изображены продольные разрезы А-А, Б-Б устройства, на фиг 2 - поперечный разрез В-В устройства, на фиг.3 - вид Г с торца устройства.

Внутритрубное транспортное устройство, в дальнейшем тексте "устройство", установленное в магистральном трубопроводе 1, содержит корпус 2, состоящий из ствола 3 с закрепленными на нем перегородкой 4 и полым силовым элементом 5, манжету 6 из эластомера, движители, выполненные в виде облицованных по наружной поверхности эластомером, колес 7 с приводом 8, включающим конические гипоидные редукторы 8а, упругие компенсирующие муфты 8б, раздаточный цилиндрический редуктор 8в, размещенный в полом силовом элементе 5, электрический мотор-генератор 8г, и с электрическим аккумулятором 9, размещенным в отсеке 2а корпуса 2. Устройство содержит также блок 10 контроля и управления приводом 8, также размещенный в отсеке 2а, пружинный механизм 11 прижатия колес 7 к поверхности трубопровода 1, подпружиненные центрирующие колеса 12, утилизатор энергии 13, выполненный в виде оребренного трубчатого электрического нагревателя (ТЭНа), веерную заслонку 14 с электромеханическим приводом 14а, установленную на перегородку 4, для чего в ней выполнены окна, на перекрываемые заслонкой 14, датчик 15 скорости перемещения устройства по трубопроводу 1, установленный на силовом элементе 5 и кинематически сообщенный с раздаточным редуктором 5в, а также датчик 16 давления рабочей среды. Устройство сцеплено с буксируемым им по трубопроводу 1 контролирующим и диагностирующим состояние трубопровода 1 аппаратом 17.

Колеса 7 установлены в щеках 7а, одним концом соединенных с пружинным механизмом 11, состоящим из тарельчатых пружин 11а на направляющей 11б, ограничивающих максимальный ход пружин 11a, другим концом установленных с возможностью качания на силовом элементе 5. Для минимизации угловых, радиальных и осевых смещений полумуфт муфты 8б одна относительно другой при качании щек 7а муфта 8б размещена так, чтобы ее центр совпадал с осью качания щек 7а. Пружинный механизм 11 установлен на втулке 18, посаженной на нагрузочный винт 19, предназначенный для регулирования величины силы прижатия колес 7 к поверхности трубопровода 1. Блок 10 контроля и управления приводом 8 аналогичен широко известным существующим системам контроля и управления электроавтомобилей.

Все элементы устройства, особенно связанные с электричеством, подготовлены к условиям работы в жидкой и газовой рабочих средах. Мотор-генератор 8г может работать как в режиме двигателя, так и в режиме генератора. Система охлаждения мотора-генератора 8г, а также других электрических приводов, требующих охлаждения, предназначена для работы как в жидкой рабочей среде, так и в газовой, и практически может быть воплощена как централизованная закрытая система вентиляции объектов охлаждения с последующей утилизацией излишков тепла рассеиванием в окружающем пространстве через теплообменник.

Электрический аккумулятор 9 выбран сухого типа, поскольку устройство не может иметь определенной ориентации относительно вектора силы тяжести. Утилизатор энергии 13 оборудован дефлекторами 13а и 13б для направления потока рабочей среды на ТЭН. Центрирующие колеса 12 прижаты к поверхности трубопровода 1 пластинчатыми пружинами 12а.

Способ перемещения внутритрубного транспортного устройства по магистральному трубопроводу с заданной равномерной скоростью осуществляется следующим образом.

В начале обследуемого участка трубопровода 1 от внешнего источника подают поток жидкой или газовой рабочей среды с контролируемыми расходом и давлением к устройству. По сигналу датчика 16 при давлении рабочей среды сверх заданного минимального уровня включают в работу устройство.

Перегородкой 4 и манжетой 6 создают перепад давления рабочей среды, создаваемым им усилием перемещают устройство по трубопроводу 1. Колеса 7, прижатые механизмом 11 к поверхности трубопровода 1, начинают вращаться и передают вращение приводу 8.

Датчик скорости 15 замеряет скорость вращения колес 7, то есть скорость перемещения устройства, и данные об этом поступают в блок 10 контроля и управления приводом 8. Блок 10 работает по заранее составленной и заложенной в него программе действий. Величину скорости сравнивают в блоке 10 с заданной, на которую настроили блок 10. Усилием от воздействия потока рабочей среды на устройство преодолевают силу трения манжеты 6 о поверхность трубопровода 1, усилие на вращение привода 8 на "холостом" ходу, на буксирование аппарата 16, усилие на вращение центрирующих колес 12.

При отставании величины скорости перемещения от заданной подают команду приводу 14 веерной заслонки 14 на ее закрытие, если она открыта. При опережении - на открытие, если она закрыта. Закрытие или открытие заслонки 14 уменьшает или увеличивает пропуск рабочей среды через окна перегородки 4, что приводит к росту или уменьшению перепада давления рабочей среды и, следовательно, к росту или уменьшению усилия воздействия потока на устройство. В газовой рабочей среде реакция на манипуляции заслонкой 14 происходит очень медленно, вследствие большого объема рабочей среды в трубопроводе 1 от начала участка до устройства и большой сжимаемости газа.

При жидкой среде реакция наступает достаточно быстро по причине отсутствия практически сжимаемости жидкости. Изменение перепада давления приводит к изменению величины усилия воздействия потока рабочей среды на устройство. Кроме того, манипуляции с заслонкой 14 изменяют площадь окон перегородки 4 от нуля до максимума и обратно, то есть изменяется "парусность" перегородки 4, иначе ее площадь, на которую действует изменяемый перепад давления рабочей среды как жидкой, так и газовой.

Таким образом, изменяется непосредственно усилие, действующее на устройство, вне зависимости от изменения перепада давления.

В итоге реакция на регулирование, в сумме, перепада давления и непосредственно усилия наступает немедленно, вслед за манипуляцией заслонкой 14 как при жидкой, так и газовой рабочей среде, но условием осуществимости такой функциональной зависимости является то, что величина площади окон перегородки 4 должна быть сравнима с величиной площади поперечного сечения трубопровода и реально может составлять 0,25-0,3 от величины площади сечения. Закрытие заслонки 14 приводит к росту величины усилия воздействия потока на устройство и, следовательно, к увеличению скорости его перемещения. Если после закрытия заслонки 14 величина скорости перемещения устройства не достигла заданной, тогда переключают привод 8 на двигательный режим, электрическую энергию подают от аккумулятора 9 мотору-генератору 8г и устройство разгоняют приводом 8 до заданной величины скорости перемещения и поддерживают ее регулированием потока электрической энергии вплоть до изменения условий. При опережении величиной скорости перемещения заданного значения подают блоком 10 команду приводу 14а на открытие заслонки 14, при этом снижается величина перепада давления рабочей среды на устройстве, парусность перегородки и величина усилия воздействия потока на устройство, вследствие чего снижается скорость перемещения устройства. Если после открытия заслонки 14 скорость перемещения не снизилась по величине до заданной, тогда переключают привод 8 на генераторный режим и тормозят устройство до заданной величины скорости перемещения и поддерживают ее регулированием потока вырабатываемой электрической энергии вплоть до изменения условий. Электрическую энергию, вырабатываемую мотором-генератором 8г, направляют блоком 10 на зарядку аккумулятора 9, в случае полной его зарядки энергию направляют в утилизатор энергии 13, где она превращается в тепло в ТЭНе, которое рассеивается с ребер утилизатора 13 в потоке рабочей среды из окон 4а перегородки 4. В программе действия блока 10 имеется "особый" режим для зарядки аккумулятора 9 в случае его разрядки до минимально допускаемого уровня. На участке трубопровода, расположенном на длинном спуске рельефа местности, сведения о котором заранее заложены в память блока 10, переключают привод 8 на генераторный режим, скорость перемещения поддерживают манипуляцией заслонкой 14 и производят зарядку аккумулятора 9. По приходе устройства на конец участка, в приемную камеру величина давления рабочей среды падает, и по сигналу датчика давления 16 выключают блок 10 и устройство извлекают из приемной камеры. Нагрузочным винтом 19 не только регулируют силу прижатия колес 7 в контакте с поверхностью трубопровода 1, но отводят их к центру, освобождая от контакта при запасовке устройства в пусковую камеру,

Применение изобретения позволит осуществить перемещение устройства в магистральном трубопроводе с заданной равномерной скоростью и поддержание ее величины на заданном уровне, что обеспечивается, с одной стороны, применением движителей с электромеханическим приводом, практически немедленно реагирующим на минимальное отклонение величины скорости перемещения от заданной и экстренно корректирующим ее соответствующим образом, с другой - энергией потока рабочего тела, используя которую также поддерживают величину скорости перемещения на заданном уровне путем регулирования перепада давления рабочей среды на устройстве и непосредственно усилия воздействия потока на него. Энергию потока, кроме того, используют на восполнение запаса энергии для работы устройства.

Буксирование устройством контролирующего и диагностирующего состояние трубопровода аппарата с заданной равномерной скоростью создает условия, способствующие его работе с высокой точностью, качеством и эффективностью.

1. Внутритрубное транспортное устройство, содержащее корпус, манжету из эластомера, центрирующие подпружиненные колеса, движители в виде облицованных по наружной поверхности эластомером колес с электромеханическим приводом и электрическим аккумулятором, пружинный механизм прижатия движителей к поверхности перемещения, отличающееся тем, что содержит датчик скорости перемещения устройства по трубопроводу, блок контроля и управления, утилизатор энергии, веерную заслонку с электромеханическим приводом, датчик давления рабочей среды, а электромеханический привод движителей выполнен обратимым и включает мотор-генератор.

2. Способ перемещения внутритрубного транспортного устройства в магистральном трубопроводе с заданной равномерной скоростью, включающий подачу от внешнего источника в начале обследуемого участка трубопровода с открытым концом потока рабочей среды, газовой или жидкой, с контролируемыми расходом и давлением, к внутритрубному транспортному устройству, создание перепада давления рабочей среды на нем и перемещение его усилием, создаваемым перепадом давления, и осевым усилием, создаваемым воздействием движителей внутритрубного транспортного устройства на поверхность трубопровода, приводимых в движение электромеханическим приводом с электрическим аккумулятором, отличающийся тем, что контролируют скорость перемещения устройства и, в случае отклонения величины от заданной, корректируют ее, для чего регулируют перепад давления на нем и непосредственно усилие, создаваемое перепадом, восстанавливают заданную величину скорости, а при отсутствии результата регулирования переключают электромеханический привод движителя с «холостого хода» для увеличения скорости на двигательный режим с потреблением приводом электрической энергии от аккумулятора и регулируют ее потребление, для замедления на генераторный режим с подачей вырабатываемой приводом электрической энергии на зарядку аккумулятора или же при полной зарядке аккумулятора - на утилизацию ее для рассеивания в потоке рабочей среды и регулируют выработку энергии, при этом включают в работу или выключают устройство по наличию или отсутствию в трубопроводе давления рабочей среды сверх заданного минимального уровня.