регулятор скорости перемещения внутритрубных инспектирующих снарядов

Формула изобретения

Устройство для стабилизации скорости перемещения внутритрубного инспектирующего снаряда (далее регулятор), состоящее из цилиндрического полого корпуса, байпасных цилиндрических проходных каналов, модуля управления перепуском газа с аксиально перемещаемыми затворами запорных клапанов, первой и второй полиуретановых манжет, гидропривода, бортовой электронной аппаратуры, одометрического измерителя скорости движения устройства и системы электронного управления, отличающееся тем, что в него введены группа заслонок шарнирных секторных и электроуправляемый сбросной клапан, причем байпасный перепускной канал выполнен в виде полости в цилиндрическом корпусе самого инспектирующего снаряда, а модуль управления перепуском газа выполнен в виде цилиндрического корпуса с группой вертикальных щелей в передней части и группой горизонтальных щелей на цилиндрической его поверхности с цилиндрической шиберной задвижкой в передней его части, жестко соединенной с наружной поверхностью скользящей трубы, продольно перемещаемой по наружной поверхности гидравлического цилиндра, в полости которого размещен поршень гидравлического актуатора, соединенный со штоком, который имеет на открытом конце радиально выступающий штифт, проходящий в продольную щель в корпусе гидроцилиндра и имеющий шарнирное зацепление со скользящей трубой, на внешней поверхности которой жестко укреплены одним концом радиальные ребра, вторые концы которых жестко соединены с внутренней поверхностью цилиндрической шиберной задвижки, а в передней части скользящей трубы укреплены шарниры, к которым присоединены узкой своей частью лепестковые шарнирные заслонки, на широкой части которых укреплены шарниры рычагов упорных, соединенных одним концом с шарнирами на секторных шарнирных заслонках, а вторые концы рычагов упорных соединены с соответствующими шарнирами упорными, укрепленными на корпусе регулятора, в передней полости которого установлены источники электропитания, бортовая электронная аппаратура и система гидропривода, состоящая из электродвигателя, насоса, бака, клапана обратного, клапана предохранительного, клапана рабочего управляемого, клапана сбросного электроуправляемого, причем катушка соленоида клапана сбросного электроуправляемого соединена одним своим выводом с первым проводом системы электропитания бортовой электронной аппаратуры, второй провод которой соединен с отрицательным выводом бортовой батареи электропитания, положительный вывод которой соединен с соответствующим выводом устройства включения питания, второй вывод которого соединен со вторым выводом катушки соленоида, при этом выходной патрубок клапана сбросного электроуправляемого соединен с наливным отверстием бака, а входной патрубок клапана сбросного электроуправляемого соединен с выходным патрубком насоса и с рабочим патрубком гидроцилиндра, в полости высокого давления которого расположен поршень, а в полости низкого давления установлена возвратная пружина, а на штоке гидроцилиндра установлен зуб, перемещающий скользящую трубу с цилиндрической шиберной задвижкой и с заслонками секторными шарнирными.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области неразрушающего контроля, в частности к внутритрубной диагностике, и может быть использовано для стабилизации на необходимом уровне скорости перемещения в трубопроводах различного вида внутритрубных инспектирующих снарядов. Известно устройство для управления скоростью движения внутритрубных инспектирующих снарядов (ВИС) фирмы RosenGroup, устанавливаемое на магнитных снарядах-дефектоскопах этой фирмы (Review of Advanced In-Line Inspection Solutions for Gas Pipelines Adobe PDF Review of Advanced In-Line Inspection Solutions for Gas Pipelines Thomas Beuker, Dr. Hubert Lindner, Dr. Stephan Brockhaus 17-November-2010 www.ppsaonline.com/papers/10-Aberdeen/2010-07-Rosen-slides.pdf). Известное устройство представляет собой трубу-байпас с эластичными манжетами на наружной поверхности. В полости трубы-байпаса может перетекать газ, транспортируемый по газопроводу, создавая на самом снаряде перепад давления, толкающая сила от которого может быть меньше силы трения манжет снаряда о стенку трубы. В головной части трубы-байпаса установлено несколько управляемых клапанов в виде щелей, перекрываемых заслонками, и устройство привода заслонок клапанов. Клапаны и их привод вынесены на специальных опорах за пределы полости трубы так, чтобы сечение отверстий открытых клапанов было равно или превышало сечение полости трубы-байпаса. В хвостовой части устройства расположены в специальном обтекаемом контейнере батареи питания и электронная аппаратура. В процессе работы клапаны могут вращаться вокруг центральной оси байпасной трубы. Изменением угла поворота клапанов регулируется сечение перепускного канала, образованного трубой-байпасом и системой клапанов. Газ, выходящий из клапанов, устремляется вперед по направлению транспортировки и в сторону стенки трубы. Изменение сечения перепускных отверстий регулирует перепад давления газа на инспектирующем снаряде и, следовательно, толкающую снаряд силу.

Недостатком известного устройства является ограниченный диапазон работы регулятора скорости и относительно невысокая стабильность поддерживаемой скорости. Кроме того, известное устройство не имеет средств для его выталкивания потоком газа из трубы при отказе источника электропитания. Устройство стабилизирует скорость на уровне 2 м/с при скоростях транспортировки газа от 2 м/с до 12 м/с. За пределами этого диапазона регулятор не работает и скорость движения инспектирующего снаряда становится равной скорости транспортировки газа в трубопроводе.

Известен также «Внутритрубный инспектирующий снаряд с управляемой скоростью движения» (Патент RU 2293612), состоящий из цилиндрического корпуса с передней и задней опорой в виде кольцевых манжет между корпусом и трубопроводом, датчика скорости перемещения снаряда, блока управления и привода 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. Недостатком известного устройства является узость диапазона скоростей транспортировки газа, в котором регулятор обеспечивает поддержание требуемой скорости движения снаряда. Наиболее близким к предлагаемому является «Внутритрубный инспектирующий снаряд-дефектоскоп с регулируемой скоростью движения» (Патент RU 2369783). Известный Внутритрубный снаряд-дефектоскоп с регулируемой скоростью движения содержит цилиндрический корпус, состоящий из двух модулей с возможностью осевого возвратно-поступательного перемещения одного относительного другого, манжеты, колесные опоры, проходные отверстия вдоль корпуса, реверсивный гидропривод, систему управления, заключенную в герметичный контейнер, одометры, дополнительно содержит дополнительный герметичный контейнер, устройство для изменения перепадов давления между передним и задним модулями, при этом гидропривод снабжен четырьмя гидродвигателями, снабженными датчиками перемещений, введен дополнительный электропривод, при этом подвижный задний модуль снаряда выполнен в виде передней и задней стальных стенок с отверстиями, соединенными между собой периферическим полым цилиндром с утолщениями, в которые вставлены штанги, с передней стороны имеющие конусные клапаны, а с задней - узлы их крепления к задней стенке, на наружной поверхности цилиндрического корпуса заднего модуля укреплен полиуретановый полый цилиндр с передней и задней манжетами для обеспечения возможности осевого возвратно-поступательного перемещения заднего модуля относительно цилиндрической опорной внутренней поверхности в задней части переднего модуля, при этом дополнительный герметичный контейнер соединен соосно с внутренней цилиндрической частью корпуса, внутри него установлены электродвигатель гидронасоса, электропривод распределителя, бачок с жидкостью и система компьютерного управления гидродвигателями, на четырех наружных гранях контейнера установлены четыре гидродвигателя, штоки которых связаны эластичными узлами соединения с задней крышкой заднего модуля снаряда, при этом на штоках установлены датчики перемещения, выходы которых соединены с соответствующими входами системы управления. Недостатками известного устройства являются: сложность конструкции и узость диапазона скоростей транспортировки газа, в котором реализуется стабилизация скорости движения внутритрубного снаряда-дефектоскопа с регулируемой скоростью движения, присутствие больших бросков скорости при наезде на поперечные швы, а также невозможность автоматического перекрытия байпаса при отказе системы управления гидроприводом или при пропадании электрического питания на борту инспектирующего снаряда, что приводит к его застреванию на неизвестном участке трассы трубопровода и приводит к затратам на поиск и принудительное выталкивание снаряда из трубы.

Цель изобретения - обеспечение высокой точности поддержания номинальной скорости движения внутритрубного инспектирующего снаряда в широком диапазоне скоростей транспортировки газа или другого продукта и обеспечение гарантированной возможности выталкивания инспектирующего снаряда к камере приема трубопровода потоком транспортируемого продукта с использованием конструктивных решений самого снаряда при отказе источника питания.

Указанная цель достигается тем, что в «Устройство для стабилизации скорости перемещения внутритрубного инспектирующего снаряда» (далее регулятор), состоящее из цилиндрического полого корпуса, байпасных цилиндрических проходных каналов, модуля управления перепуском газа с аксиально перемещаемыми затворами запорных клапанов, первой и второй полиуретановых манжет, гидропривода, бортовой электронной аппаратуры, одометрического измерителя скорости движения устройства и системы электронного управления, введены группа заслонок шарнирных секторных и электроуправляемый сбросной клапан, причем, байпасный перепускной канал выполнен в виде полости в цилиндрическом корпусе самого инспектирующего снаряда, а модуль управления перепуском газа выполнен в виде цилиндрического корпуса с группой вертикальных щелей в передней части и группой горизонтальных щелей на цилиндрической его поверхности с цилиндрической шиберной задвижкой в передней его части, жестко соединенной с наружной поверхностью скользящей трубы, продольно перемещаемой по наружной поверхности гидравлического цилиндра, в полости которого размещен поршень гидравлического актуатора, соединенный со штоком, который имеет на открытом конце радиально выступающий штифт, проходящий в продольную щель в корпусе гидроцилиндра и имеющий шарнирное зацепление со скользящей трубой, на внешней поверхности которой жестко укреплены одним концом радиальные ребра, вторые концы которых жестко соединены с внутренней поверхностью цилиндрической шиберной задвижки, а в передней части скользящей трубы укреплены шарниры, к которым присоединены узкой своей частью лепестковые шарнирные заслонки, на широкой части которых укреплены шарниры рычагов упорных, соединенных одним концом с шарнирами на секторных шарнирных заслонках, а вторые концы рычагов упорных соединены с соответствующими шарнирами упорными, укрепленными на корпусе регулятора, в передней полости которого установлены источники электропитания, бортовая электронная аппаратура и система гидропривода, состоящая из электродвигателя, насоса, бака, клапана обратного, клапана предохранительного, клапана рабочего управляемого, клапана сбросного электроуправляемого, причем катушка соленоида клапана сбросного электроуправляемого соединена одним своим выводом с первым проводом системы электропитания бортовой электронной аппаратуры, второй провод которой соединен с отрицательным выводом бортовой батареи электропитания, положительный вывод которой соединен с соответствующим выводом устройства включения питания, второй вывод которого соединен со вторым выводом катушки соленоида, при этом, выходной патрубок клапана сбросного электроуправляемого соединен с наливным отверстием бака, а входной патрубок клапана сбросного электроуправляемого соединен с выходным патрубком насоса и с рабочим патрубком гидроцилиндра, в полости высокого давления которого расположен поршень, а в полости низкого давления установлена возвратная пружина, а на штоке гидроцилиндра установлен зуб, перемещающий скользящую трубу с цилиндрической шиберной задвижкой и с заслонками секторными шарнирными. Предлагаемый регулятор, выполненный в виде модуля контроля скорости (МКС), вызван практической необходимостью обеспечения диагностики технического состояния стенок газопроводов с определенной скоростью, при которой гарантируется качество диагностической информации и устранения затрат на извлечение из трубопровода инспектирующего снаряда, случайно остановившегося в трубе из-за отказа бортовой аппаратуры или источника питания.

Изобретение поясняется чертежами. На Фиг.1 схематически показан общий вид регулятора в составе инспектирующего внутритрубного снаряда. На Фиг.2 показан вид спереди. На Фиг.3 показан вид на крепление заслонок шарнирных секторных при удаленном корпусе регулятора и при двух удаленных заслонках шарнирных секторных. На Фиг.4 показана схема гидравлической системы регулятора. Состав устройства «Устройство для стабилизации скорости перемещения внутритрубного инспектирующего снаряда» (далее регулятор) показано на Фиг.1. На чертежах: корпус внутритрубного инспектирующего снаряда - 1, эластичные манжеты внутритрубного инспектирующего снаряда (ВИС) - 2, корпус регулятора - 3, фланец крепления регулятора к корпусу ВИС - 3ф, корпус гидравлического актуатора (ГА) - 4, поршень ГА - 5, шток ГА - 6, пружина ГА - 7, труба - 8 основания цилиндрической шиберной заслонки (ЦШЗ), ребра - 9, цилиндрическая шиберная заслонка - 10, заслонка шарнирная секторная - 11, вертикальная щель перепуска (ВЩП) - 12, горизонтальная щель перепуска (ГЩП) - 13, рычаг упорный - 14, первый шарнир - 15, второй шарнир - 16, зуб - 17, паз - 18, одометр - 19, блок бортовой электронная аппаратура - 20 с источниками электропитания, гидростанция - 21, обтекатель - 22, третий шарнир - 23, сигнальный провод - 24, труба газопровода - 25, струя газового потока - 26.

Состав гидравлической системы показан на Фиг.4. На чертеже 4.1 - электронная система бортовой аппаратуры регулятора, 4.2 - электродвигатель, 4.3 - гидронасос, 4.4 - клапан обратный, 4.5 - гидроцилиндр, 4.6 - пружина, 4.7 - бак, 4.8 - клапан управляемый, 4.9 - клапан предохранительный, 4.10 - клапан сбросной электроуправляемый, 4.11 - соленоид клапана сбросного электроуправляемого, 4.12 - батарея питания электронной бортовой аппаратуры, 4.13 - контактная система бортового выключателя электропитания.

Работа устройства. В регуляторе вертикальные щели перепуска ВЩП - 12 и горизонтальные щели перепуска ГЩП - 13 в корпусе - 3 закрыты заслонками шарнирными секторными - 11 и цилиндрической шиберной задвижкой ЦШЗ - 10 соответственно. Пружина - 7 в гидроцилиндре - 4 отжимает поршень - 5 в сторону головной части ВИС, зуб - 17 на штоке - 6 находится в зацеплении с пазом трубы - 8 и толкает ее вперед. Труба - 8 перемещается вперед и вместе с ней перемещаются ребра - 9, на которых укреплена цилиндрическая шиберная заслонка ЦШЗ - 10. ЦШЗ - 10, будучи выдвинутой к головной части корпуса - 3 регулятора, перекрывает горизонтальные щели перепуска газа ГЩП - 13. У основания ребер - 9 на трубе - 8 укреплены шарниры - 23, на которых может поворачиваться заслонка шарнирная секторная - 11. В верхней части заслонки шарнирной секторной - 11 укреплены шарниры - 16, с которыми соединен одним концом упорный рычаг - 14. Второй конец упорного рычага - 14 соединен с шарниром - 15, жестко укрепленным на головной части корпуса - 3 регулятора. При перемещении от упругой силы пружины - 7 через зуб - 17 штока - 6 гидроцилиндра - 4 на трубу - 8 перемещение трубы - 8 приводит к смещению вперед шарнира - 23 и основания заслонки шарнирной секторной - 11. Упираясь верхней своей частью через шарнир - 16 в упорный рычаг - 14, заслонка шарнирная секторная при перемещении вперед осуществляет перемещение по радиусу трубы своей верхней части и прикрывает вертикальную перепускную щель - 12. Таким образом, в регуляторе, находящемся в отключенном состоянии, все перепускные щели закрыты. В гидравлической системе (Фиг.4) запорная пробка клапана сбросного электроуправляемого - 4.10 отведена пружиной в правую (по Фиг.4) сторону и жидкость из гидроцилиндра - 4.5 может перетекать в бак - 4.7. Пружина - 4.6 сдвигает поршень гидроцилиндра - 4.5 влево до отказа. Далее по Фиг.1. Зуб - 17 на штоке - 6 гидроцилиндра - 4 под действием пружины - 7 смещает трубу - 8 влево (по Фиг.1). Вместе с трубой - 8 смещаются ребра - 9 и закрепленная на них цилиндрическая шиберная заслонка - 10. Цилиндрическая шиберная заслонка - 10 закрывает горизонтальные перепускные щели - 13. Заслонки шарнирные секторные - 11 также смещаются в носовую часть ВИС и закрывают вертикальные перепускные щели - 12. Перетекание транспортируемого по трубе продукта через байпас ВИС перекрыто. Гидродинамическое сопротивление ВИС максимальное.

Для проведения внутритрубной инспекции внутритрубный инспектирующий снаряд 1 вводится в камеру запуска трубопровода 25 (в нашем случае это газопровод). После повышения давления в камере запуска происходит включение бортовых источников питания и начинает работать бортовая аппаратура. Включение происходит так (Фиг.4). После повышения давления газа в камере запуска до оговоренной величины замыкается контакт - 4.13. Ток от бортового источника электропитания - 4.12 протекает через соленоид - 4.11 клапана сбросного электроуправляемого - 4.10 к бортовой электронной аппаратуре - 4.1. Так как конденсаторы фильтров электропитания электронной бортовой аппаратуры - 4.1 в исходном состоянии не заряжены, то ток их заряда достигает максимума, превышающего в десятки раз номинальное значение тока, потребляемого электронной бортовой аппаратурой. Соленоид - 4.11 включен последовательно в цепь питания бортовой электронной аппаратуры - 4.1 как дроссель фильтра импульсных помех, создаваемых цифровыми устройствами бортовой аппаратуры. Бросок тока включения питания бортовой электронной аппаратуры - 4.1 создает сильное магнитное поле внутри соленоида и якорь соленоида, соединенный со штоком клапана сбросного электроуправляемого - 4.10, втягивается внутрь соленоида - 4.11, преодолевая усилие пружины клапана сбросного электроуправляемого - 4.10. При этом пробка клапана сбросного электроуправляемого - 4.10 перемещается из крайнего правого положения в крайнее левое (по Фиг.4) и перекрывает каналы перетока жидкости в клапане сбросном электроуправляемом - 4.10. При снижении тока в цепи питания электронной аппаратуры до номинального значения клапан сбросной электроуправляемый - 4.10 останется в том же самом положении и будет продолжать перекрывать прямой слив жидкости из полости гидроцилиндра - 4.5 в бак - 4.7. (Притянутое положение якоря соленоида к его ярму при снижении магнитного потока объясняется резким снижением магнитного сопротивления в магнитной цепи соленоида при притянутом к ярму якоре из-за резкого уменьшения немагнитного зазора между подвижным якорем и ярмом соленоида).

ВИС находится в покое. Скорость его движения нулевая. Сигналы с одометра - 19 (Фиг.1) отсутствуют. После открывания отсечного крана на газопроводе газ начинают пропускать в большом объеме в камеру запуска. Поток газа давит на манжеты - 2 и закрытый корпус - 1 ВИС. ВИС приходит в движение. Появляются сигналы с одометра - 19. Эти сигналы поступают в бортовую электронную аппаратуру - 20, где обрабатываются. При обнаружении момента превышения скоростью движения ВИС заданного номинала из бортового компьютера бортовой электронной аппаратуры - 20 выдаются управляющие сигналы в гидростанцию - 21. Включается насос - 4.3 (Фиг.4). Жидкость из бака - 4.7 насосом - 4.3 через обратный клапан - 4.4. подается в рабочий цилиндр - 4.5 и давит на поршень. Поршень - 5 (Фиг.1) начинает перемещаться в сторону размещения пружины - 7 и давит на шток - 6. Шток - 6 толкает зуб - 17 и сжимает пружину - 7. Зуб - 17 через паз - 18 толкает трубу - 8 в хвостовую часть ВИС - 1. Труба - 8 перемещает ЦШЗ - 10 и отодвигает нижнюю часть заслонки - 11 к кормовой части ВИС. Отодвигающаяся ЦШЗ -10 приоткрывает горизонтальную щель перепуска - 13, а заслонка шарнирная секторная - 11, удерживаемая через шарнир - 16 рычагом - 14, начинает наклоняться и перемещаться своей нижней частью к корме ВИС - 1. Вертикальная щель перепуска - 12 также начинает приоткрываться. Поток газа из полости ВИС - 1 и щелей ВПЩ - 12 и ГПЩ - 13 в корпусе - 3 регулятора начинает перетекать в трубу впереди ВИС - 1. При этом благодаря наклону заслонки шарнирной секторной - 11, поток газа - 26 изменяет свое направление от продольного в продольно-радиальное, что позволяет плавно менять гидравлическое сопротивление заслонки шарнирной секторной - 11 потоку газа - 26. Это создает возможность регулировать скорость движения ВИС более точно и плавно, по сравнению с возможностью, которую дает применение только лишь цилиндрической шиберной задвижки - 10. Перетекание газа через открывшиеся щели снижает перепад давления на ВИС и скорость его движения начинает уменьшаться. Перепускные щели ВПЩ - 12 и ГПЩ - 13 будут открываться до тех пор, пока электронная бортовая аппаратура - 20 не обнаружит достижение номинального значения скорости движения ВИС - 1. В этот момент из бортового компьютера бортовой электронной аппаратуры - 20 в систему управления гидравлической станции - 21 будет выдан сигнал, по которому (Фиг.4) насос - 4.3 гидросистемы отключится. Приток жидкости в гидроцилиндр - 4.5 прекратится, обратный клапан - 4.4 не даст жидкости вытекать в бак - 4.7 через насос - 4.3, а клапаны предохранительный - 4.9 и клапан сбросной электроуправляемый - 4.10 закрыты и тоже не дают жидкости вытекать в бак - 4.7. Поршень - 5 (Фиг.1) останется в том положении, при котором была достигнута требуемая скорость движения ВИС - 1. Если скорость движения ВИС - 1 начнет снижаться, то бортовой компьютер выдаст в систему управления гидравлической станции - 21 сигнал, по которому откроется клапан управляемый - 4.8 (Фиг.4) и жидкость из гидроцилиндра - 4.5 под давлением на поршень пружины - 4.7 будет вытекать. Электродвигатель - 4.2 отключен и насос - 4.3 не дает напора жидкости. Поршень - 5 и шток - 6 (Фиг.1) начнут перемещаться влево. Зубом - 17 через паз - 18 будет перемещаться влево труба - 8, а вместе с ней и цилиндрическая шиберная заслонка - 10 и заслонки шарнирные секторные - 11. ЦШЗ - 10 и заслонки шарнирные секторные - 11 начнут перекрывать щели перепуска ВПЩ - 12 и ГПЩ - 13. Заслонки шарнирные секторные - 11 будут изменять не только поток газа - 26, но и направление потока газа - 26, проходящего через них, направляя его в сторону стенки трубы, что приводит к более плавному регулированию скорости движения ВИС. Увеличение гидродинамического сопротивления регулятора приведет к увеличению перепада давления на ВИС и будет способствовать повышению скорости его движения.

Практические проверки на магистральных трубопроводах (Акт трассовых испытаний МКС - 1420) показали, что броски скорости ВИС с использованием предлагаемой системы невелики и существенно ниже по сравнению с регулятором, выполненным только с использованием цилиндрической шиберной задвижки. В случае аварийного пропадания электропитания ток в обмотке соленоида - 4.11 (Фиг.4) пропадает и резко падает сила притяжения якоря соленоида к его ярму. Пружина клапана сбросного электроуправляемого - 4.10 возвратит шток и вместе с ним пробку клапана в крайнее правое (по Фиг.4) положение. В клапане сбросном электроуправляемом - 4.10 откроется канал, по которому жидкость под давлением на поршень пружины - 4.6 из гидроцилиндра - 4.5 сможет вытекать в бак - 4.7. При перемещении поршня - 5 (Фиг.1) со штоком - 6 влево (по Фиг.1) зуб - 17 переместит за паз - 18 трубу - 8 и вместе с ней ЦШЗ - 10 и заслонки шарнирные секторные - 11 в положение, перекрывающее как вертикальные щели перепуска - 12, так и горизонтальные щели перепуска - 13. Гидродинамическое сопротивление ВИС - 1 станет максимальным и ВИС - 1 со скоростью транспортировки газа будет выталкиваться к камере приема. При штатном возвращении в камеру приема отключение системы произойдет аналогично тому, что было при аварии источника питания, но уже под управлением бортового компьютера.