ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ЗАЩИТЫ ВНУТРЕННЕЙ ПОВЕРХНОСТИ ТРУБОПРОВОДА ПОЛИМЕРНЫМ МАТЕРИАЛОМ Российский патент 1999 года по МПК F16L58/10 

Изобретение относится к обработке внутренних поверхностей трубопроводов, в частности к устройствам для нанесения полимерного материала с целью защиты магистральных трубопроводов от коррозии и увеличения их несущей способности.

Известно устройство по авторскому свидетельству 673802, содержащее полый параболоид с форсунками, наклонно закрепленными на поверхности его широкой части.

Недостатком данного изобретения является его ограниченная сфера применения - малая длина участка покрытия.

Задача изобретения состоит в расширении эксплуатационных возможностей устройства - обеспечении нанесения полимерных покрытий значительной протяженности - до нескольких километров.

Указанная цель решается за счет создания термомеханического комплекса, состоящего из нескольких взаимосвязанных модулей, включающих в себя узел отделения полимерного материала из потока газа, экструдера с распределительным и выглаживающим устройствами, турбогенератора, электронагревателей, ходовых тележек, очистного узла, трансмиссии, тормозного узла, датчиков и блока управления
На фиг. 1 изображена принципиальная схема термомеханического комплекса, состоящего из нескольких взаимосвязанных модулей, при взаимодействии со стенками трубопровода на участке с максимальной кривизной.

На фиг. 2 приведена схема трансмиссии блока катков тележки ходовой части комплекса.

На фиг. 3 в поперечном сечении трубопровода показана схема проходного редуктора одного из катков.

На фиг. 4 показана схема передачи крутящего момента от блока катков к суммирующему дифференциальному устройству привода экструдера.

На фиг. 5 изображен привод к очистному узлу.

На фиг. 6 приведена схема установки на статоре экструдера его распределительного устройства и ситообразного устройства отделения полимерного материала от потока газа.

На фиг. 7 изображен вариант уплотненной компоновки термомеханического комплекса.

По трубопроводу 1 (фиг. 1) транспортируется поток газа 2 с полимерным материалом 3 в виде тел с полым внутренним объемом, например, отрезки труб малого диаметра, полые шары с отверстиями, спирали и т.д. (фиг. 6). Внутри трубопровода 1 находится термомеханический комплекс 4, состоящий из взаимодействующих модулей: очистного 5, газогенераторного (энергоснабжающего) 6, экструдера 7, отделителя полимерного материала от газового потока 8. Модули установлены на взаимосвязанных тележках 9 ходовой части с катками 10. Тележки 9 взаимосвязаны ограничителями перемещений 11.

Каждый каток 10 жестко взаимосвязан с цилиндрической шестерней 12. Между шестернями 12 расположены паразитные шестерни 13. Взаимозацепленные шестерни 12 и 13 образуют ряды шестерен-гитары. Каждая гитара проходным редуктором 14 одного из катков 10 (фиг. 2 и 3) сообщается с валами карданной передачи 15. Проходной редуктор состоит из двух планетарных механизмов, соединенных последовательно. Водило 16 первого планетарного механизма взаимосвязано с катком 10 и цилиндрической шестерней 12 гитары. Сателлиты 17 взаимозацеплены с эпициклическим колесом 18, закрепленном на тележке 9, и солнечной шестерней 19, которая валом 20 взаимосвязана с водилом 21 другого планетарного механизма. Сателлиты 22 этого механизма взаимозацеплены с эпициклическим колесом 23, закрепленном относительно корпуса 24 конических редукторов, и солнечной шестерней 25, которая закреплена на одном валу с конической шестерней 26. Шестерни 26 проходных редукторов зацеплены с шестернями 27 карданной передачи 15 (фиг. 2-4). Карданная передача 15 коническими шестернями 28 и 29, валом 30 соединяется с дифференциальным (суммирующим) механизмом 31 (фиг. 4). Шестерня 32, закрепленная на валу 30, зацеплена с колесом 33, которое трубчатым валом закреплено с шестерней 34 дифференциала. Сателлиты 35 взаимозацеплены с шестернями 34 и расположены на крестовине (оси) 36, закрепленной на валу 37 привода экструдера 7. Муфта 38 блокировки дифференциала расположена на венце трубчатого вала шестерни 34. Аналогично устроен привод от других блоков катков 10, расположенных по периферии внутренней поверхности трубопровода 1 (фиг. 3 и 4), как для привода экструдера 7, так и очистного узла 5 (фиг. 1 и 2). Возможно непосредственное соединение колеса 33 с валом 37 при однопоточной схеме передачи усилия без дифференциала.

Тормозное устройство 39 расположено на роторе экструдера 7 и взаимосвязано с блоком управления 40. Очистное устройство 41 карданной передачей 42 взаимосвязано с валом 37, который механически связан с другими элементами трансмиссии (фиг. 1 и 5). Ситообразный конус 43 с выглаживающим устройством 44, расположенным на периферии конуса 43, подвижно закреплен на шаровой опоре 45 статора экструдера 7. На наружной стороне экструдера 7 размещено распределительное устройство полимерного материала 46. Распределительное устройство может быть различных типов: разделено на несколько секторов, смещенных по ходу относительно друг друга, кольцеобразное около внутренней поверхности трубопровода с каналами подвода полимерного материала от экструдера, с вращающимися относительно экструдера наконечниками и т. д., при этом должен быть обеспечен проход потока газа вокруг этого устройства. Разделительное устройство 8 также может быть различным: ситообразный конус 43, аэродинамические направляющие - смещенные по ходу воронки с каналами между воронками для прохода газа, совмещение нескольких устройств (фиг. 7) и т.д. Очистное устройство 41 может быть оснащено лопастями 47 с изменяемым углом атаки. Ходовые тележки 9 допускают установку упругих устройств 48 прижатия катков 10 к поверхности трубопровода 1 (фиг.5) с ограничителями 49 перемещения тележки 9 относительно ходовой части комплекса.

Возможна различная компоновка комплекса: развернутая и плотная. При развернутой компоновке ТМК (фиг. 1) на первой по ходу движения ходовой тележке 9 располагается очистной модуль 5 с очистным узлом 41 и его приводом, на следующей по ходу движения тележке установлен турбогенератор 6, далее расположена тележка с экструдером 7, его распределительным устройством 46, тормозным устройством 39. На шаровой опоре 45 статора экструдера 7 установлен отделитель полимерного материала 8 с ситообразным устройством 43 и выглаживающим устройством 44. При плотной компоновке ТМК (фиг. 7) очистной модуль 5 и турбогенератор 6 располагаются на одной ходовой тележке 9.

Работа термомеханического комплекса осуществляется следующим образом.

Подготовка комплекса к работе.

В приемник трубопровода 1, отключенный от потока газообразного агента 2 (природный газ или воздух), вводится термомеханический комплекс (ТМК) 4, при этом тормозное устройство 39, (фиг. 1) удерживает ТМК неподвижно относительно трубопровода 1 за счет сил трения катков 10. Тормозное усилие, созданное устройством 39, прижатым к ротору экструдера 7 по сигналу блока управления 40, передается валом 37 на дифференциальный блок 31.

В блоке 31 усилие разделяется на несколько потоков, каждый из которых включает крестовину 36 (фиг. 4), сателлиты 35, шестерню 34, колесо 33, шестерню 32, вал 30, шестерни 29 и 28, передающие усилие на карданную передачу 15. Карданная передача 15 распределяет усилие на несколько конических редукторов 24, каждый из которых разделяет это усилие на два параллельных потока (фиг.2 и 3). От шестерен 27 и 26 тормозной момент поступает на проходной редуктор 14, состоящий из двух планетарных механизмов. Солнечная шестерня 25 сателлитами 22 передает увеличенное усилие на водило 21 и вал 20. Солнечная шестерня 19 другого планетарного механизма, закрепленная на валу 20, сателлитами 17 передает вторично увеличенное тормозное усилие на водило 16. От водила 16 усилие поступает на каток 10, размещенный на проходном редукторе 14, а также по шестерням 12 и 13 гитары на остальные катки 10 ходовой тележки 9 модуля 7. Аналогично заторможены другие модули ТМК.

Экструдер 7 загружен полимерным материалом 3, начальный участок трубопровода 1 предварительно подготовлен - очищен и смазан клеем.

Начальный этап работы.

Входное отверстие трубопровода 1 герметизируют и подключают систему перекачки газообразного агента 2, тормозное устройство 39 удерживает ТМК 4 неподвижно относительно трубопровода 1. Поток газа 2 проходит через ситообразный конус 43 (фиг. 1), обтекает распределительное устройство 46 экструдера 7 и вращает лопасти турбогенератора 6 за счет перепада давления. Электрическая энергия, вырабатываемая турбогенератором 6, преобразуется в тепловую энергию электронагревателями, расположенными в экструдере 7 и его распределительном устройстве 46. Тепловая энергия используется для нагрева полимерного материала 3. В качестве полимерного материала используют полиолефины, например, полиэтилен. Полиэтилен низкого давления (ПЭНД) требует температуру нагрева 220-250^oC. ПЭНД термически переводится в вязкотекучее состояние, по сигналу датчика о готовности полимера к экструдированию блок управления 40 и тормозное устройство 39 уменьшают силу прижатия фрикционных элементов к ротору экструдера 7 и обеспечивают начало движения ТМК за счет аэродинамических сил потока газа.

Работа ТМК - нанесение полимерного слоя на внутреннюю поверхность трубопровода
Предварительно подготовленный ПЭНД в виде полых тел 3 (коротких отрезков полимерной трубы малого диаметра, полых шаров с отверстиями, спиралей и т.д. ) подается в трубопровод из специального резервуара с регулируемым расходом материала и за счет энергии газового потока поступает к ТМК. Ситообразный конус 43 отделяет полые тела 3 из ПЭТН от потока газа 2 (фиг.1 и 6), которые поступают во внутреннюю полость экструдера 7 (предэкструдер-накопитель полимерного материала). Шнек предэкструдера сжимает полые тела, уплотняет полимерную массу, на конечном этапе предэкструдера (около дифференциального блока 31) направление движения полимерной массы меняется на противоположное. По наружной поверхности статора ротор экструдера со своим уплотняющим шнеком дополнительно сжимает ПЭНД, давление сжатия и тепловая энергия от электронагревателей и тормозного устройства 39 переводят полимерную массу в вязкотекучее состояние. Распределительным устройством 46 вязкотекучая полимерная масса наносится на внутреннюю поверхность трубопровода 1, выглаживающим устройством 44, расположенным на периферии конуса 43, еще не затвердевшая полимерная масса дополнительно уплотняется, а ее поверхность выравнивается. Полимерный слой, нанесенный на внутреннюю поверхность трубопровода, быстро остывает, отдавая тепло потоку газа, и отвердевает.

ТМК 4 движется по трубопроводу 1 за счет кинетической энергии потока газа 2, толкающей комплекс, оказывающий аэродинамическое сопротивление потоку газа. Скорость движения ТМК 4 по трубопроводу 1 регулируется изменением силы прижатия фрикционных элементов тормозного устройства 39 к поверхности ротора экструдера 7. Блок 40 управляет тормозным устройством 39 в зависимости от наличия полимерного материала в накопителе, толщины наносимого полимерного слоя - расхода материала, а также по команде оператора. Вращение шнеков экструдера и предэкструдера, а также очистного устройства 41 осуществляется механическим приводом от трансмиссии катков 10 ходовых тележек 9 аналогично описанному ранее случаю передачи тормозного усилия, но в обратном направлении.

Силы трения, возникающие в контакте катков 10 с поверхностью трубопровода 1, по гитаре шестерен 12 и 13 (фиг. 2) поступают на проходной редуктор 14 одного из катков. Скорость перемещения ТМК 4 невысока, а усилия от сил трения значительны, для оптимизации условий нагружения элементов трансмиссии необходимо редуцирование тормозного момента. Это редуцирование происходит в проходном редукторе 14, состоящем из двух последовательно установленных планетарных механизмов. Механизмы работают в ускоряющем режиме, скорость вращения увеличивается, но тормозной момент и усилия в приводе снижаются.

Крутящий момент от гитары шестерен по шестерне 12 поступает на водило 16 (фиг. 3), которое также воспринимает нагрузку от расположенного на редукторе 14 катка 10. Сателлиты 17, расположенные на осях водила 16, обкатываясь по эпициклическому колесу 18, зафиксированному относительно ходовой тележки 9, передают уменьшенное усилие на солнечную шестерню 19. Эта шестерня валом 20 передает усилие на водило 21 другого планетарного механизма, работающего в аналогичном режиме. Водило 21 увлекает сателлиты 22, которые обкатываясь по эпициклическому колесу 24, зафиксированному относительно корпуса конических редукторов 24, вращают солнечную шестерню 25. Если применить планетарные механизмы с внутренним параметром, равным трем, то получим увеличение скорости вращения в 16 раз, например, вместо двух - тридцать два оборота в минуту, и уменьшение крутящего момента, например, вместо 400 Н.м - 25 Н.м. Внутренний параметр планетарного механизма равен отношению числа зубьев эпициклического, колеса к числу зубьев солнечной шестерни.

Солнечная шестерня 25 жестко связана с конической шестерней 26, которая шестерней 27 передает усилие карданной передаче 15.

Аналогично на карданную передачу 15 поступает крутящий момент от других блоков катков 10 (фиг. 2-4). Суммарный крутящий момент от карданной передачи 15 коническими шестернями 28,29 и валами 30 распределяется на привод экструдера 7 и очистного устройства 41.

Возможен как однопоточный, так и многопоточный привод. При однопоточном приводе усилие от вала 30 коническими шестернями 32 и 33 передается на вал 37. Один вал приводит в действие ротор экструдера 7, другой - карданной передачей 42 очистное устройство 41 (фиг. 5). Если используется несколько рядов из блоков катков 10, то они прижимаются к поверхности трубопровода упругим устройством 48, а усилия суммируются дифференциальным блоком 31 (фиг. 3). От пары конических шестерен 32, 33 усилие поступает на шестерню 34, сателлиты 35, крестовину 36 и вал 37. Каждая карданная передача 15 имеет индивидуальный привод до шестерни 34, затем усилия суммируются сателлитами 35. Для ТМК малой производительности целесообразно использовать однопоточный привод, при высокой производительности можно применять два дифференциала (четыре силовых потока). Дифференциальный привод позволяет обеспечить правильную кинематику прохождения криволинейных участков трубопровода (фиг. 1), т.к. каждая ветвь катков 10 со своей карданной передачей 15 не имеет жесткой связи с приводными валами 37, а взаимодействует через сателлиты 35 с аналогичной ветвью катков, движущейся по другому радиусу. Для прохождения отводов трубопровода, когда часть катков не будет иметь контакта с поверхностью трубы, что приведет к снижению усилия в этой силовой цепи трансмиссии и связанной с ней через дифференциал другой силовой цепи, необходимо применять дифференциалы повышенного трения, например, установить фрикционные элементы между внутренними шестернями 33, или блокировать дифференциал муфтой 38.

Для повышения усилия на валах 37 привода экструдера 7 и очистного узла 41 на этом узле возможна установка лопастей 47 с регулируемым углом атаки. Также допустима установка электродвигателей и редукторов для привода этих валов.

Электроэнергия турбогенератора 6. используется для нагрева полимерной массы в экструдере 7 и его распределительном устройстве 46, для питания блока управления 40 с его датчиками и исполнительными устройствами и устройства внешней связи с оператором, для питания электродвигателей.

При прохождении криволинейных участков трубопровода ограничители перемещений 11 (фиг. 1 и 7 внизу) допускают ограниченные перемещения тележек 9 относительно друг друга, при этом на участках с минимальным радиусом кривизны трубопровода тележки между собой имеют непосредственный контакт. При прохождении отводов, когда катки 10 не имеют контакта с трубопроводом, ходовые тележки 9 удерживаются также ограничителями перемещений 49 (фиг. 5).

Возможна эксплуатация ТМК на холостом ходу, без нанесения полимерного слоя. В режиме холостого хода ТМК перемещается до участка требующего нанесения слоя полимера, по команде оператора блок управления 40 переводит ТМК на рабочий режим. После нанесения полимерного слоя на заданном участке трубопровода ТМК переводится на режим холостого хода.

Заключительный этап работы - выведение ТМК из трубопровода
ТМК направляется в очередной по ходу движения приемник трубопровода, это приемник вместе с находящимся в нем ТМК герметизируется от потока газа, затем открывается люк сообщения приемника с атмосферой и ТМК выводится из приемника трубопровода.

Использование: для защиты магистральных трубопроводов от коррозии и увеличения их несущей способности. Термомеханический комплекс состоит из нескольких взаимодействующих модулей: очистного, турбогенератора, экструдера с распределительным устройством и модуля отделения полимерного материала от потока газа. Модули установлены на ходовых тележках с обрезиненными катками, которые механически связаны с приводами экструдера и очистного узла, скорость их вращения регулируется тормозным устройством с блоком управления. Перемещение и работа термомеханического комплекса осуществляются за счет кинетической энергии потока газа в трубопроводе. Термомеханический комплекс обеспечивает улучшение эксплуатационных характеристик магистрального трубопровода за счет нанесения полимерного слоя на его внутреннюю поверхность без использования внешних по отношению к трубопроводу дополнительных источников энергии, причем допускает возможность нанесения слоя полимера на заранее заданных участках трубопровода. Устройство вводят в трубопровод, кинетическая энергия перекачиваемого по трубопроводу газа преобразуется турбогенератором в электрическую и кинетическую энергию перемещения устройства. Гранулы наносимого покрытия перемещаются потоком газа в трубопроводе, улавливаются ситообразным конусом и поступают в экструдер, где электронагревателями гранулы полимерного материала размягчаются, переходят в вязкотекучее состояние. Распределительным устройством полимерный материал наносится на внутреннюю поверхность трубопровода, и выравнивается выглаживающим устройством. Расширяет технологические возможности при коррозионной защите трубопроводов. 8 з.п.ф-лы, 7 ил.

1. Термомеханический комплекс для защиты внутренней поверхности трубопровода полимерным материалом, содержащий установку, перемещаемую по трубопроводу, отличающийся тем, что подаваемый из специального резервуара с регулируемым выходом полимерный материал предварительно пластифицируется в виде полых объемных тел с отверстиями, например, короткие отрезки полимерных труб малого диаметра, кольца, спирали, шары и т.д., автономный термомеханический комплекс состоит из нескольких взаимосвязанных модулей, очистного турбогенератора, экструдера с распределительным устройством и модуля отделения полимерного материала от газового потока, модули установлены на ходовых тележках с катками, имеющими упругую окантовку, например обрезиненные катки, катки каждой тележки взаимосвязаны зубчатыми передачами с карданной передачей, которая имеет механическую связь с приводом экструдера и приводом очистного устройства, на роторе экструдера установлено тормозное устройство, связанное с блоком управления, взаимодействующим с датчиками наличия полимерного материала в экструдере и толщиной наносимого полимерного слоя, а также с пультом управления оператора, турбогенератор электросетью связан с электронагревателями, установленными в экструдере и его распределительном устройстве, которое выполнено в виде наконечников, закрепленных на роторе экструдера, ситообразное разделительное устройство с отверстиями меньшего размера, чем заранее подготовленные тела из полимерного материала, установлено на входе термомеханического комплекса и шарнирно взаимосвязано со статором экструдера, очистное устройство установлено на выходе термомеханического комплекса по ходу движения газового потока и шарнирно взаимосвязано с механическим приводом, ходовые тележки, расстояние между крайними катками которых меньше диаметра трубопровода, взаимосвязаны ограничителями перемещений, ходовые тележки имеют ограничители перемещений тележек относительно несущей системы - каркаса модулей. 2. Термомеханический комплекс по п.1, отличающийся тем, что один из катков каждого ряда ходовой тележки оснащен редуктором, например, двумя планетарными механизмами. 3. Термомеханический комплекс по пп.1 и 2, отличающийся тем, что ряды катков ходовых тележек имеют упругие прижимающие устройства с ограничителями перемещений. 4. Термомеханический комплекс по пп.1-3, отличающийся тем, что несколько рядов катков ходовых тележек имеют механическую связь с карданными передачами, которые механически связаны с дифференциальными суммирующими узлами привода экструдера и очистного устройства. 5. Термомеханический комплекс по пп.1-4, отличающийся тем, что очистной узел имеет лопасти с регулируемым углом атаки. 6. Термомеханический комплекс по пп.1-5, отличающийся тем, что распределительное устройство экструдера выполнено в виде ряда секторов, смещенных относительно друг друга по ходу потока газа. 7. Термомеханический комплекс по пп.1-6, отличающийся тем, что распределительное устройство экструдера выполнено в виде кольца, расположенного в поперечном сечении трубопровода на его внутренней поверхности с каналами подвода полимерного материала от экструдера к кольцу. 8. Термомеханический комплекс по пп.1-7, отличающийся тем, что устройство отделения полимерного материала от потока газа выполнено в виде концентрических воронок, смещенных относительно друг друга по ходу потока газа. 9. Термомеханический комплекс по пп.1-8, отличающийся тем, что турбогенератор взаимосвязан с электродвигателями, которые взаимодействуют с редукторами механически взаимосвязанными с приводами экструдера и очистного узла.