УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ПРОХОЖДЕНИЯ ДЕФЕКТОСКОПОМ РАВНОПРОХОДНЫХ ТРОЙНИКОВ БЕЗ ОСТАНОВОК Российский патент 2008 года по МПК G01N27/82 F17D5/06 

Изобретение относится к области неразрушающего контроля, в частности к устройствам для внутритрубной диагностики состояния стенок труб нефте-, газо-, продуктопроводов, и может быть использовано при мониторинге действующих газопроводов-отводов.

Известен внутритрубный снаряд-дефектоскоп КРОТ (Газовая промышленность №11, 1988 г.), позволяющий выявлять поперечные трещины, коррозионные поражения и эрозионный износ труб. Известный дефектоскоп состоит из стального корпуса, передних и задних эластичных манжет, намагничивающей системы цилиндрического типа с размещенными на поверхности цилиндра между магнитными полюсами сенсорными узлами в виде полиуретановых ласт с укрепленными в них преобразователями магнитного поля в электрический сигнал и помещенными внутри герметичного контейнера электронной аппаратурой, накопителем информации и химическими источниками тока. Для устойчивости движения в полости трубопровода тянущее усилие в дефектоскопе формирует передняя манжета, а в задней выполнены перепускные отверстия. Недостатком известного устройства является ограниченность эксплуатационных возможностей: известный дефектоскоп при работе в газопроводах-отводах, имеющих малый (дебит) расход газа, часто останавливается на равнопроходных отводах, когда передняя тянущая манжета выходит на отверстие в стенке трубы, через которое приварена боковая нитка. В этом положении дефектоскопа газ протекает через перепускные отверстия в задней манжете и обтекает переднюю манжету по полости приваренного сбоку отвода. Тянущий перепад передних манжет в этом случае пропадает, а толкающий перепад задних манжет оказывается недостаточным для движения дефектоскопа, и дефектоскоп останавливается в отводе. Требуется изменение режима работы компрессорной станции для обеспечения увеличенного расхода газа и приведения в движение дефектоскопа. Движение начинается скачкообразно - от полной остановки до рывка со скоростью в несколько десятков метров в секунду. Такая скорость не позволяет вести магнитный контроль состояния стенки трубы. Нормальная для магнитного контроля скорость 3-4 м/с устанавливается через 50-100 метров движения. Этот участок трубы оказывается непроверенным.

Известен также «Внутритрубный инспекционный снаряд» (патент RU №2205397 от 27.05.2003 г.). Известный «Внутритрубный инспекционный снаряд» состоит из нескольких герметичных корпусов, на поверхности которых установлены группы эластичных манжет - передней и задней, магнитные поисковые блоки, колеса одометров. В полости гермоконтейнеров размещается регистрирующая аппаратура и источники электропитания. Причем в каждой из манжет, кроме той, что стоит первой в головной секции снаряда, выполнены перепускные отверстия для обеспечения тянущего усилия в головной части снаряда, чем обеспечивается устойчивость движения многосекционного снаряда внутри магистрального газопровода. Недостатком известного устройства является прекращение его движения в полости газопровода при попадании передней манжеты на равнопроходной тройник, через который к основной трубе подсоединяется боковой отвод. Для перемещения дефектоскопа с отвода требуется увеличение дебита нагнетающей компрессорной станции. Трогание и движение после страгивания снаряда происходит на повышенной скорости. Превышение скорости может составлять 5-10 значений номинальной величины. При этом стенка трубы на участке с повышенной скоростью движения не промагничивается и результаты контроля не могут быть использованы для оценки технического состояния трубы. Протяженность такого участка может доходить до 100-200 метров.

Известен также «Магнитный проходной дефектоскоп» (патент RU №2176081 от 20.11.2001 г.). Известный дефектоскоп содержит несколько секций, несущих на себе эластичные манжеты и диагностическое оборудование. В передней части передней секции установлена ведущая эластичная манжета, а также центрирующие конические манжеты. На других секциях также установлены эластичные манжеты. Для обеспечения функции тянущей передней (на дефектоскопе) манжете в манжетах, следующих за передней, или в теле металлических секций выполняются перепускные отверстия, через которые давление транспортируемого продукта передается на первую манжету. Такая конструкция обеспечивает устойчивое движение дефектоскопа по линейной части магистрального трубопровода.

Однако применение такой конструкции невозможно на газопроводах-отводах, содержащих равнопроходные отводы. Как известно, газопроводы-отводы имеют непостоянный расход газа, что определяется изменением отбора газа потребителем - городом или отдельным предприятием. При таком режиме попадание передней манжеты в равнопроходной отвод резко снижает ее силу тяги, и дефектоскоп останавливается против отводного канала. Для возобновления необходимого тягового усилия требуется увеличение отбора газа потребителем из трубопровода, что может произойти через длительное время (иногда более 12 часов). В течение этого времени аппарат простаивает в трубопроводе.

Использование дефектоскопов с автоматом поддержания скорости («Дефектоскоп-снаряд для внутритрубных обследований трубопроводов», патент RU №2102738 от 20.01.1998 г.) на газопроводах-отводах не дает требуемого результата, так как расход газа в газопроводе-отводе мал, непостоянен и недостаточен для работы стабилизатора скорости, основанного на принципе перепуска газа помимо тянущих манжет.

Цель изобретения - расширение эксплуатационных возможностей устройства (обеспечение прохождения равнопроходных тройников без остановок).

Указанная цель достигается тем, что в известное устройство, состоящее из герметичного контейнера, передней эластичной манжеты, задней эластичной манжеты с перепускными отверстиями, магнитных поисковых блоков, датчиков магнитного поля, одометрических колес, источника электропитания и электронной регистрирующей аппаратуры, размещенных внутри гермоконтейнера, введены клапаны и пружины, причем клапаны установлены на перепускные отверстия задней манжеты запирающей частью навстречу поступающему газу, а пружины поставлены так, чтобы клапаны были открыты при малом перепаде давления на задней манжете.

Анализ найденных в результате поиска патентных, информационных и каталожных материалов по фондам научно-технической библиотеки позволяет сделать вывод, что предлагаемое изобретение не известно из уровня техники, т.е. оно является новым.

Кроме того, предлагаемое устройство не следует явным образом из анализируемых источников, т.е. имеет изобретательский уровень. Рассматриваемое техническое устройство для контроля состояния стенок труб востребовано практикой, так как при обследовании газопроводов-отводов наблюдаются застревание снарядов-дефектоскопов на равнопроходных тройниках. Если учесть, что газопровод-отвод работает на газораспределительную станцию и расход газа в трубе не может быть увеличен, то легко заметить бесполезное простаивание снаряда-дефектоскопа в трубе в течение нескольких суток до того момента, когда увеличится отбор газа городом, снабжаемым газом от газораспределительной станции (ГРС). Это ведет к потере выгоды предприятием, проводящим диагностику газопровода-отвода: простой снаряда в трубе сокращает возможность выполнения большого объема работ. Кроме того, остановка дефектоскопа в тройнике сопровождается нарастанием давления с подающей стороны до момента резкого страгивания дефектоскопа, сопровождающегося ростом скорости движения выше значений, допустимых для магнитного метода контроля. При этом участок трубы в несколько десятков метров остается всегда практически неконтролируемым.

Применение снаряда-дефектоскопа предлагаемой конструкции позволит проводить контроль технического состояния стенок труб газопроводов без остановок на равнопроходных тройниках и увеличить сплошность контроля трубы. Это является подтверждением того, что предлагаемое устройство промышленно применимо.

Изобретение поясняется чертежами. На фиг.1 показан общий вид устройства.

Устройство состоит из герметичного контейнера 1, магнитных поисковых блоков 2 с преобразователем магнитного поля в электрический сигнал 3, электронной регистрирующей аппаратуры 4, датчиков пройденного пути 5, передней полиуретановой манжеты 6, задней полиуретановой манжеты 7 с клапанами 8 и пружинами 9.

Стенка обследуемой трубы на чертеже помечена номером 10, поток газа - 11.

Возможное конструкторское решение клапана показано на фиг.2. Клапан состоит из основания 8-1, центрирующего цилиндра 8-2, прикрепленного к основанию 8-1 с помощью нескольких стержней 8-3, штока 8-4, перемещающегося на скользящей посадке в центрирующем цилиндре 8-2, и прикрепленного к штоку 8-4 затвора 8-5. Пружина 9 препятствует закрыванию затвора 8-5. Газ 11, протекая через открытое отверстие клапана, оказывает на затвор 8-5 клапана давление, пропорциональное квадрату скорости газа. Пружина 9 препятствует перемещению затвора 8-5. При увеличении перепада давления газа на манжете скорость перетока газа через отверстие клапана возрастает. Давление на затвор 8-5 при этом в соответствии с законами гидродинамики возрастает во второй степени относительно изменения скорости перетока газа. Когда сила давящего на затвор газа превысит силу сжатия пружины 9, препятствующей перемещению затвора 8-5, затвор переместится и перекроет отверстие. Переток газа прекратится, и все его давление окажется приложенным к задней манжете.

Работает устройство следующим образом.

Дефектоскоп вводится в трубопровод через стандартную камеру для запуска очистных поршней. После заполнения камеры газом 11 и открывания крана, отсекающего камеру от линейной части магистрального трубопровода, поток газа 11 из камеры устремляется в трубу 10. На передней манжете 6 дефектоскопа возникает перепад давления, толкающий все устройство вперед, по ходу газа. Передняя манжета 6 перекрывает трубу плотно и переток газа через щели между трубой 10 и манжетой 6 незначителен. Поток газа через отверстия в задней манжете 7 небольшой и его скорость мала. Перепад давления на клапане, установленном в потоке газа через отверстие в манжете 7, невелик, и клапан открыт силою пружины 9.

Скорость газа через отверстие в манжете может быть найдена при известной величине перетока Q_o газа через переднюю манжету 6 из задней части дефектоскопа в переднюю часть трубы 10. Эта скорость зависит от величины сечения F_o отверстия

V_o=Q_o/F_o

Обычно переток газа через неплотности не превышает Q_o=(0.001-0.005)Q основного поставляемого по трубе объема газа Q. При этом скорость потока через отверстие выразится формулой

V_o=0,002Q_o/F_o

Если F₁ - площадь клапана, установленного в потоке газа, проходящего через отверстие, то на клапан будет действовать динамический напор величиной:

Предположим, что дефектоскоп, двигаясь в трубе, подошел к тройнику, как это показано на фиг.1. В этом случае переток газа через переднюю манжету становится равным величине основного потока Q_o=Q, поставляемого по трубе газа. Скорость потока газа через отверстие в этом случае резко возрастает до величины

V₁=Q/F_o

Скоростной напор на клапан достигнет величины

Отношение P₁/P_o=1/4·10^-4=2500 показывает резкое увеличение напора газа на клапан при вхождении передней манжеты на боковой отвод равнопроходного тройника. Если сила пружины, удерживающей клапан в открытом состоянии, меньше силы скоростного напора P₁, то клапан закроется, и весь перепад давления будет действовать на заднюю манжету 7. Дефектоскоп будет проталкиваться через тройник задней манжетой 7 до тех пор, пока задняя манжета 7 не достигнет бокового отвода в тройнике. При этом перепад давления на задней манжете пропадет и будет действовать на переднюю манжету 6. Клапан откроется пружиной, и функционирование устройства будет происходить по описанному алгоритму.

Пример.

Рассмотрим упрощенно взаимодействие с клапаном перетекающего через отверстие газа без учета краевых явлений на отверстии и клапане.

Газ под давлением 50 кг/см². Плотность 0,707×50=35 кг/м³.

Труба Ду 700 мм. Расход при скорости 5 м/с Q=250 м³/c.

Переток через переднюю манжету Q_o=0,002Q=0,5 м³/c.

Площадь отверстия клапана F_o=0,01 м².

Площадь поверхности клапана, взаимодействующей с потоком F₁=0,005 м².

Коэффициент динамического сопротивления зададим равным с=1.

Ускорение силы тяжести g=10 м/с².

Сила давления на клапан в нормальном режиме движения Р_о=(10,005·35·0,25)/(2·10·0,0001)=0,04375/0,002=21,875 кг.

Сила давления на клапан при вхождении передней манжеты в диаметр отводной трубы:

Р₁=(1·0,005·35·250²)/(2·10·0,0001)=10937,5/0,002=5·10⁶ кг.

Из примера видно, что давление на клапан сильно возрастает и, если была установлена открывающая клапан пружина с усилием 50-100 кг, то клапан под воздействием динамического напора газа обязательно закроется, и все давление транспортируемого газа будет действовать на заднюю манжету.

Изобретение относится к области неразрушающего контроля и может быть использовано для проверки технического состояния стенок труб магистральных нефте-, газо- и продуктопроводов. Технический результат: обеспечение безостановочного прохождения дефектоскопом через равнопроходные тройники в газопроводах-отводах с малым и неравномерным расходом газа. Сущность: устройство состоит из герметичного контейнера, передней эластичной манжеты, задней эластичной манжеты с перепускными отверстиями, поисковых блоков, одометрических колес, источников электропитания и электронной регистрирующей аппаратуры, размещенных внутри гермоконтейнера. На перепускные отверстия задней манжеты установлены клапаны запирающей частью навстречу поступающему газу. В клапанах установлены пружины. Пружины обеспечивают открытое состояние клапанов при малом перепаде давления газа на задней манжете, создаваемом в трубопроводе. При вхождении передней манжеты на боковой отвод равнопроходного тройника пружины обеспечивают закрытие клапанов. 2 ил.

Устройство для обеспечения прохождения дефектоскопом равнопроходных тройников без остановок, состоящее из герметичного контейнера, передней эластичной манжеты, задней эластичной манжеты с перепускными отверстиями, магнитных поисковых блоков, датчиков магнитного поля, одометрических колес, источников электропитания и электронной регистрирующей аппаратуры, размещенных внутри гермоконтейнера, отличающееся тем, что в него введены клапаны и пружины, причем клапаны установлены на перепускные отверстия задней манжеты запирающей частью навстречу поступающему газу, а пружины, установленные в клапанах, выполнены с возможностью обеспечения открытого состояния клапанов при малом перепаде давления газа на задней манжете, создаваемом в трубопроводе, и закрытого состояния клапанов при увеличении перепада давления газа на задней манжете при вхождении передней манжеты на боковой отвод равнопроходного тройника.