СПОСОБ СРЕЗАНИЯ НАРУЖНОГО ГИДРОИЗОЛЯЦИОННОГО ПОКРЫТИЯ ТРУБОПРОВОДОВ Российский патент 1997 года по МПК B08B9/02 

Изобретение относится к способам, предназначенным для очистки магистральных трубопроводов транспортировки жидких или газообразных продуктов от отслужившего свой срок гидроизоляционного покрытия при проведении ремонтно-восстановительных работ по переизоляции труб.

Способ предусматривает совокупность операций по очистке большой номенклатуры широко применяемых наружных гидроизоляционных покрытий нефтегазопроводов преимущественно на полиэтиленовой, поливинилхлоридной, бутилкаучуковых основах (возможно, битумных) и других материалов, допускающих их резание.

По состоянию на конец 1993 г. в каталогах механизмов и машин, применяемых для строительства трубопроводов, отсутствуют некоторые машины, необходимые для осуществления цикла работ по переизоляции наружных гидроизоляционных покрытий магистральных нефтегазотрубопроводов стандартных диаметров до 1420 мм и, в частности, машин, осуществляющих снятие отслужившего свой срок покрытия. По данным НИИГАЗПРОМа, потребность в ремонте газопроводных магистралей России в 1996-2000 гг. составляет 21 тыс. км ежегодно из 220 тыс. км, находящихся в эксплуатации, а потребность в экстренном ремонте 800 км ежегодно, что эквивалентно площади 2.560.000 м²/год.

Заявленный способ и разработанный на его основе комбайн для снятия покрытий претендуют на разработку и внедрение в газовую промышленность высокопроизводительных новых технологий, способных выполнить эту задачу для большинства труб, изоляция которых выполнена ленточной намоткой или экструзионным способом, практически для большинства материалов.

Известен способ снятия гидроизоляционного покрытия термическим разложением материалов струями термогазогенератора (1).

Известен способ срезания наружного гидроизоляционного покрытия трубопроводов режущим инструментом, прижимаемым к трубе, имеющим форму тела вращения с лезвием, режущая кромка которого имеет форму окружности и разрезает покрытие трубы по винтовым траекториям движения на стружки в процессе орбитального со скоростью и переносного вдоль трубы со скоростью движений, придаваемых инструменту (2).

Указанные способы обладают недопустимо низкой производительностью, громоздкостью оборудования, большими удельными энергозатратами на единицу обрабатываемой площади.

Наибольшая производительность при минимальных энергозатратах достигается снятием покрытия механическими способами, разрезанием на стружки.

Основная задача состоит в разработке способа срезания покрытия, удовлетворяющему требованиям по производительности, непрерывности процесса и другим эксплуатационным требованиям.

В общей постановке задачи сущность способа срезания покрытия с трубы состоит в комбинации типа применяемого инструмента, взаимного положения инструмента и обрабатываемой трубы, видов применяемых движений инструмента относительно обрабатываемого материала покрытия и их скоростных характеристик, параметров, определяющих прижатие инструмента к обрабатываемому материалу.

Цель изобретения состоит в повышении полноты, качества очистки и достижения уровня производительности процесса по снятию покрытия, оцениваемое поступательной скоростью перемещения режущего устройства по трубе, соизмеримой со скоростью намотки покрытий на магистральных трубопроводах действующими машинами.

Цель достигается тем, что при орбитальном вращении кольцевой справки вокруг оси трубы и поступательном перемещении ее вдоль трубы режущему инструменту, имеющему форму кольцевого лезвия, подвешенному к оправке с помощью устройства с двумя степенями свободы, сообщают одновременно к названным:
орбитальному движению со скоростью в точке контакта режущего инструмента с трубой
поступательному перемещению инструмента со скоростью V_x два дополнительных движения в задаваемых направлениях, определяющими в сумме движение лезвия режущего инструмента относительно обрабатываемого слоя покрытия трубы:
вращательное движение относительно продольной оси инструмента, направленной под углом α к плоскости орбитального движения справки и под углом b к плоскости касательной трубе, проходящей через точку контакта лезвия с трубой, с тангенциальной скоростью лезвия
движение поворота продольной оси инструмента по углу β относительно перпендикулярной поперечной оси (отстоящей от плоскости лезвия на некотором расстоянии L) действием прикладываемого момента определенной величины, направленного в сторону прижатия лезвия режущего инструмента к металлу трубы.

При этом орбитальная скорость V_y движения лезвия режущего инструмента относительно металла трубы составляет 068-1,8 м/с, относительная скорость перемещения инструмента по оси трубы V_x:V_y составляет 0,03-0,07, относительная тангенциальная скорость лезвия инструмента при вращательном движении его по продольной оси V_т:V_y составляет 1,2-1,9, угол между векторами скоростей V_т и V_y составляет 90^°+α = 105-110^° а прикладываемый момент прижатия режущего лезвия инструмента к трубе в направлении угла β составляет 1,3-1,7 величины среднего значения момента отжатия, обусловленного усилием резания снимаемого слоя покрытия.

В заявляемом способе (см. чертеж) снятие гидроизоляционного покрытия 1 с трубы 2 осуществляется путем применения комплекса операций по разрезанию его на стружки 3, располагаемые по винтовым линиям в количестве, равном числу режущих ножей 4, имеющих продольную ось вращения 5. Продольная ось 5 ножа 4 с помощью радиально упорных подшипников установлена на рычажном устройстве 6, которое с помощью поперечной оси 7 подвески (перпендикулярно оси 5) в свою очередь сочленено с кронштейном 8, закрепленным на кольцевом диске 9 (являющимся справкой), охватывающим трубу и приводимым во вращение относительно продольной оси трубы механизмом от источника мощности. Режущий нож выполнен в форме трубы 10, на плоском торце которого образовано замкнутое режущее лезвие 11 клинового профиля с острой кромкой, плоскостью которого отстоит от оси 7 на расстоянии "L".

Таким образом, нож 4, подвешенный с помощью устройств 6, 7, 8 к кольцевому диску 9, имеет две степени свободы: вращение относительно продольной оси 5, угловой поворот относительно поперечной оси 7.

Привод вращения ножей 4 относительно осей 5 кинематически связан с приводом вращения кольцевого диска 9.

Отличительными особенностями предлагаемого способа срезания гидроизоляционного покрытия являются:
реализация операций по сравнению стружек путем следующих действий в совокупности:
а придание ножам четырех видов движений относительно обрабатываемой поверхности, а именно движений по координатам xΦωβ, где x координата перемещения ножа по оси трубы, v угловая координата кругового поворота кольцевого диска 9 относительно оси трубы, w угловая координата кругового поворота ножа относительно продольной оси 5, b угловая координата поворота продольной оси ножа относительно поперечной оси 7,
б задание необходимых скоростей в точке контакта ножа с трубой по модулю и взаимному их угловому положению и соотношений между ними, определяющих режим резания,
в задание необходимого момента на рычажном устройстве 6 относительно оси 7 подвески в плоскости угла b пружинным механизмом 12, определяющим усилие прижатия лезвия ножа 11 к металлической поверхности трубы,
г задание угловых параметров, определяющих углы резания ножа.

Задаваемыми движениями по подпункту "а" являются:
поступательное движение ножа в направлении продольной оси трубы со скоростью подачи V_x, реализуемое перемещением кольцевого ротора 9 относительно трубы,
круговое орбитальное движение ножа относительно обрабатываемой поверхности трубы приданием вращения кольцевому ротору 9 относительно собственной оси подвески на каретке (совпадающей в идеале с продольной осью трубы) с угловой скоростью и соответственно с орбитальной скоростью в точке соприкосновения ножа с трубой где R радиус трубы.

вращательное движение ножа относительно продольной оси его подвески 5 с угловой скоростью от привода, кинематически связанным с приводом поворота кольцевого ротора 9, определяющее тангенциальную скорость лезвия ножа относительно трубы где r радиус лезвия ножа, i_o коэффициент передачи кинематики,
поворот продольной оси ножа относительно поперечной оси по углу β под действием момента, прилагаемого к рычагу 6, направленным в сторону прижатия лезвия к трубе.

Основной задаваемой скоростью, определяющей режим резания по подпункту "б" является орбитальная скорость V_y.

По данным предварительных испытаний некоторых обрабатываемых материалов покрытий труб на экспериментальной установке, ее величина находится в пределах 0,8-1,8 м/с, что эквивалентно 48-108 м/мин.

Соотношения между другими составляющими скоростей, определяющих режим резания, составляют:
v_x: v_y= 0,03-0,07 параметр, определяющий производительность обработки, зависящий от отношения числа режущих ножей к диаметру трубопровода, характеристик стойкости ножей и других факторов,
1,2-1,9 конструктивный параметр устройства резания, имеющий оптимальное значение по комплексному критерию, учитывающему энергозатраты на резание, характеристики стойкости лезвий ножей и другие факторы.

Другим важным отличительным признаком заявляемого способа по подпунктам "в"-"г" является то, что положение продольной оси подвески 5 ножа относительно кольцевого диска не является фиксированным. Направление продольной оси вращения трубчатого ножа относительно обрабатываемой поверхности, задающее углы резания по подпункту "г", определяют два следующих угла:
-α 15-20^o конструктивный угловой параметр, определяющий наклон продольной оси вращения ножа к плоскости орбитального движения, или угол между скоростями v_x и v_т,
-β 3-5^o изменяющийся в процессе обработки угол наклона продольной оси вращения ножа к плоскости касательной к образующей трубы, проходящей через точку контакта ножа с трубой.

В заявляемом способе положение оси 7 и направление вектора угловой скорости должны быть такими, при которых угол между векторами скоростей v_y и v_т должен составлять величину, равную 90^°+α Это необходимо для того, чтобы подвод лезвия ножа к обрабатываемому покрытию трубы осуществлялся в направлении снизу вверх, т.е. с чистой внутренней стороны на грязную наружную.

Усилия резания (включая трение), действующие на нож, передаются через узлы его подвески к кольцевому диску в виде трех взаимно перпендикулярных моментов и равнодействующей силы:
момента относительно оси вращения 5 M_ω уравновешиваемому моментом вращения кольцевого диска 9 от механического привода (кинематически движения по координатам w и Φ связаны между собою),
момента относительно оси 7 M_отж действующим в плоскости угла b направленным в сторону отжима лезвия ножа от поверхности трубы,
момента, перпендикулярного указанным двум и равнодействующей силы, воспринимаемые цапфами оси 7, передаваемые через кронштейн 8 кольцевому диску 9 и уравновешиваемые усилием его перемещения по оси трубы и боковой реакцией в узлах подвески кольцевого диска к каретке.

Моменту относительно оси 7 подвески ножа M_отж противодействует момент прижима M_приж>M_отж, гарантирующий контакт ножа с металлом трубы регулировкой степени сжатия пружины 12. Величина момента M_приж должна во всех случаях превышать M_отж, значение которого зависит от свойства материала покрытия трубы, толщины снимаемого слоя, степени затупления лезвия ножа и других факторов (устанавливается в конкретных случаях подбором). Разность моментов M_приж и M_отж уравновешивается моментом от усилия в точке контакта ножа с металлом трубы.

Соотношение между моментом прижатия и средним значением момента отжатия должно удовлетворять требованию: M_приж/M_отж= 1,3-1,7.

Предложенные технические решения позволяют:
производить срезание стружек на полную глубину покрытия до металла трубы с оставлением минимальных винтовых слоев между шагом дорожек от смежных ножей, с высокой производительностью,
компенсировать в процессе орбитального движения ножей отклонения радиуса обрабатываемой поверхности по металлу трубы, обусловленные плавным отклонениями формы трубы в поперечном сечении от идеального круга за счет овальности трубы и радиальных биений относительно оси вращения кольцевого ротора, местных отклонений поверхности, обусловленные изъявлениями от коррозии и других факторов, приводящих к колебаниям угла b относительно номинального значения -β_o а также отклонений поверхности в зоне продольных и поперечных сварных швов.

Важным качеством предложенного способа является некоторая приспособленность к преодолению препятствий на пути движения ножа в направлении вектора скорости v_л в форме плавных выступаний над поверхностью трубы бугорков сварных швов, не срезая их. При сложном движении ножа относительно трубы его лезвие подходит к продольному сварному шву со скоростью наползая на бугор шва под острым углом ψ = 12÷15^° что способствует более плавному преодолению препятствия.

Аналогичным образом преодолеваются выступания поперечных сварных швов трубы.

Таким образом, в определенной мере наличие на трубе выступающих над поверхностью продольных и поперечных сварных швов не дискредитирует предлагаемый способ, что является существенным качеством, позволяющим производить очистку наружного гидроизоляционного покрытия трубы в непрерывном рабочем процессе.

Совокупность операций по снятию с трубы наружного гидроизоляционного покрытия предложенным способом путем разрезания его на стружки со скоростями v_o v_т по модулю и направлениям и прижатием режущего лезвия ножа к трубе прилагаемым моментом, превышающим момент отжатия, можно интерпретировать как комбинацию, реализующую следующие известные способы обработки:
1. Срезание сегментных клиновидных стружек резанием в направлении движения ножа вдоль по винтовой линии со скоростью эквивалентного по принципу работы нечто среднему между строганием рубанком, обработкой скребковым шабером, токарной обработкой с углами режущего лезвия к направлению вектора скорости ψ = α-γ задним углом резца b и углом заточки лезвия на клин -λ
2. Срезание стружек в поперечном по отношению к винтовой линии направлению резанием, аналогичным действию ножа (пиле) со скоростью резания лезвия и скоростью, эквивалентной скорости подачи v_п= v_ocosψ.
При этом в точке контакта ножа с поверхностью трубы движение лезвия ножа относительно обрабатываемого покрытия эквивалентно обработке, аналогичным фрезерованию в направлении v_л и со скоростью, равной векторной сумме скоростей v_o и v_т со следующими характеристиками обработки:
окружной скоростью фрезы
углом наклона лезвия фрезы к скорости v_л, равным углу между скоростями v_т и v_л.

Технико-экономическими качествами предлагаемого способа, определяющими его эффективность, являются:
высокая производительность обработки по площади снятия покрытия в единицу времени -πDv_x
относительно малые энергозатраты на обработку за счет сниженных усилий резания,
реализация возможности снятия покрытий на трубе, имеющей выступающие продольные и поперечные сварные швы,
высокая степень полноты снятия покрытия (до 93-95%), что позволяет применить известные менее производительные способы удаления оставшихся тонких слоев путем их зачистки, например щеточными устройствами,
относительно высокая стойкость ножа за счет обновления его режущего лезвия в зоне контакта с трубой и обрабатываемым покрытием, за счет принудительно вращения ножа относительно его продольной оси,
реализация возможности снятия покрытия на трубе, наружная поверхность которой загрязнена прилипшим сухим или вязким грунтом благодаря тому, что контактная поверхность режущего лезвия ножа входит в обрабатываемый материал с чистой стороны и практически не взаимодействует с грунтом, прилипшим к наружной поверхности.

Изобретение поясняется графическими и текстовыми материалами:
1. Чертеж, на котором представлена принципиальная схема устройства, реализующего предложенный способ в сочетании с параметрами и характеристиками операций, составляющих сущность способа.

2. Текстовое приложение к чертежу, на котором расшифрованы обозначенные параметры и характеристики способа.

Разработана проектная докуменьация на устройство по снятию наружного гидроизоляционного покрытия с трубопроводов предложенным способом.

На чертеже представлены следующие обозначения:
"O" точка контакта цилиндрического лезвия ножа с металлом трубы,
OX ось, проходящая через точку "O" по образующей трубы,
OY ось, проходящая через точку "O", касательная окружности трубы,
OZ ось, пересекающая с осью трубы, перпендикулярная осям OX, OY,
S-S продольная ось вращения трубчатого ножа,
XOY плоскость, касательная труба, проходящая через точку "O",
ZOY плоскость орбитального движения ножей,
ZOS' плоскость, проходящая через продольную ось вращения ниже и ось OZ,
α угол между плоскостями ZOY и ZOS',
b угол между продольной осью ножа и плоскостью XOY,
v угол поворота кольцевого диска относительно оси подвески,
w угол поворота трубчатого ножа относительно оси S-S,
v_x=OF осевая скорость подачи ножей,
скорость орбитального движения ножа,
скорость "невращающегося" ножа относительно трубы,
тангенциальная скорость лезвия вращающегося ножа,
v_п= OC = v_ocosψ поперечная скорость резания вращающегося ножа в проекции на плоскости XOY, перпендикулярно v_т,
абсолютная скорость лезвия ножа относительно трубы,
r, R радиусы соответственно лезвия ножа, трубы,
угол винтовой линии стружки,
ψ = (α-γ) угол между скоростями V_o и V_n,
шаг винтовой линии стружки.

ширина стружки,
n число режущих ножей,
L расстояние от плоскости режущей кромки ножа до поперечной оси подвески.

Использование: очистка магистральных трубопроводов. Сущность изобретения: способ срезания наружного гидроизоляционного покрытия трубопроводов режущим инструментом, который прижимают к трубе и вращают по винтовой линии. Плоскость, проходящую через кромку режущего лезвия инструмента, устанавливают под углом альфа 15-20^o к линии, проходящей через точку контакта инструмента с трубой в направлении образующей цилиндра трубы. Режущему инструменту в дополнение к орбитальному и переносному движениям придают посредством привода вращательное движение по кругу с угловой скоростью w₅ кинематически связанное с угловой скоростью (фи) орбитального движения при отношении тангенциальной скорости кромки лезвия к скорости орбитального движения V_т/V_y= 1,2-1,3 в направлении вращения по углу w, при которой реализуется острый угол между векторами скоростей: v_т и v_x. 1 ил.

Способ срезания наружного гидроизоляционного покрытия трубопроводов режущим инструментом, прижимаемым к трубе, имеющим форму теловращения лезвием, режущая кромка которого имеет форму окружности и разрезает покрытие трубы по винтовой траектории движения на стружки в процессе орбитального со скоростью и переносного вдоль трубы со скоростью v_x движений, придаваемых инструменту, отличающийся тем, что плоскость, проходящая через кромку режущего инструмента, установлена под углом α_o=15-20^° к линии, проходящей через точку контакта инструмента с трубой в направлении образующей цилиндра трубы, а режущему инструменту в дополнение к орбитальному и переносному движениям придают посредством привода вращательное движение по кругу с угловой скоростью кинематически связанное с угловой скоростью орбитального движения при отношении тангенциальной скорости кромки лезвия к скорости орбитального движения V_т/V_y 1,2 1,9 в направлении вращения по углу при котором реализуют острый угол между векторами скоростей v_т и v_x.