УСТРОЙСТВО ДЛЯ НАНЕСЕНИЯ ЗАЩИТНЫХ ПОКРЫТИЙ НА ВНУТРЕННЮЮ ПОВЕРХНОСТЬ МАГИСТРАЛЬНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ Российский патент 2009 года по МПК F16L58/02 

Устройство для нанесения защитных покрытий на внутреннюю поверхность магистральных трубопроводов

Изобретение относится к области вакуумной техники и технологий, связанных с использованием вакуума как технологической среды при очистке поверхности труб и нанесении на поверхность труб магистральных трубопроводов защитных покрытий.

В настоящее время для предотвращения процессов развития «коррозионного растрескивания под напряжением» (КРН) используются следующие технические решения:

- использование труб с заводским изоляционным покрытием на участках трубопроводов с внешними условиями, благоприятными для протекания процесса КРН стенок трубы;

- переизоляция участков действующих магистральных газопроводов (МГ), подверженных КРН, изоляционными покрытиями, исключающими их отслоение в процессе эксплуатации. Процесс восстановления работоспособности газопроводов путем замены труб и переизоляции участков трубопроводов, пораженных КРН, в настоящее время находится в начальной стадии (см., например, Карпов С.В. Перспектива решения проблемы КРН магистральных трубопроводов. - Четырнадцатая международная деловая встреча «Диагностика-2004", Москва, 2004, с.3-15).

Существует множество методов нанесения тонкопленочных защитных покрытий в вакууме (см., например, Handbook of Thin Film Technology / Ed by L.f.Maissei and R. Gland / Mc. Graw Hill HOOK Company. 1970. VI. - 668 pp. или Handbook of Thin Film Technology / Ed. by L.I.Maissei and R.Gland / Mc.Graw Hill HOOK Company. 1970. V2. - 766 pp.).

Также известны решения, обеспечивающие реализацию вакуумных технологических процессов в больших герметизированных объемах, образованных цилиндрическими корпусами, близкими по геометрии формы к магистральным газопроводам и нефтепроводам (см. авторское свидетельство SU №171930, кл. Н01J 9/48, 01.01.1965).

Существующие вакуумные методы нанесения защитных покрытий на участках действующих магистральных газопроводов в настоящее время неприемлемы из-за отсутствия устройств для вакуумно-плотной герметизации внутренних объемов магистральных трубопроводов (см., например, Рот А. Вакуумные уплотнения. М.: Энергия, 1974. - 235 с.), внутри которых должна производиться защита поверхности, что не позволяет получить требуемое разряжение внутри герметизируемого объема рабочей трубы.

Известны устройства для вакуумно-плотной герметизации внутренних объемов, имеющих кольцевую форму и использующих радиальную деформацию уплотнительных колец, за счет использования силы осевого нагружения и осевого сжатия этих колец (см., например, Пипко А.И. и др. Конструирование и расчет вакуумных систем, Москва, Энергия, 1970, табл.3-4, схемы 7, 8), однако они также не приспособлены для использования на газопроводах и нефтепроводах.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является устройство для нанесения защитных покрытий на внутреннюю поверхность магистральных трубопроводов, содержащее размещенные в трубе средство для очистки внутренней поверхности трубопровода и средство для нанесения покрытия на внутреннюю поверхность трубопровода (см. патент RU №2213653, кл. В233 13/00, 10.10.2003).

Данное устройство позволяет наносить защитные покрытия на внутреннюю поверхность трубопровода, однако не способно герметично перекрывать трубопровод и не приспособлено для создания вакуумно-плотно изолированных объемов внутри трубопровода для проведения эффективной очистки его стенок, что ведет к снижению качества нанесения на них защитного покрытия.

Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является создание вакуумно-плотных герметизирующих устройств, защищающих рабочий объем металлических (в основном стальных) труб магистральных трубопроводов, в которых производится вакуумная плазменная очистка и нанесение защитных покрытий от проникновения в материал трубы водорода, благоприятствующего в дальнейшем КРН стенок трубы, и ее усталостное или механическое разрушение со временем, в первую очередь, в зонах около сварных швов.

Техническим результатом, достигаемым в результате реализации изобретения, является повышение качества защитных покрытий, наносимых на внутренние стенки магистральных трубопроводов.

Указанная задача решается, а технический результат достигается за счет того, что устройство для нанесения защитных покрытий на внутреннюю поверхность магистральных трубопроводов содержит размещенные в трубопроводе средство для очистки внутренней поверхности трубопровода и средство для нанесения покрытия на внутреннюю поверхность трубопровода, причем устройство снабжено, по крайней мере, двумя герметичными дисковыми металлическими перегородками, соединенными с трубопроводом кольцевыми уплотнениями, нажимными кольцами, сжимающими кольцевые уплотнения с деформацией последних в радиальном сечении, достаточной для перекрытия высоты микронеровностей уплотняемого профиля внутренней поверхности трубопровода, осевыми упорами для нагружения нажимных колец, приводами стяжки дисковых металлических перегородок с нажимными кольцами, при этом средство для очистки внутренней поверхности трубопровода выполнено в виде плазменного очистного устройства, а средство для нанесения покрытия на внутреннюю поверхность трубопровода выполнено в виде многокомпонентного магнетронного испарителя, причем плазменное очистное устройство и многокомпонентный магнетронный испаритель закреплены на одном вращающемся вокруг оси трубопровода устройстве с возможностью направления рабочих ионных пучков в противоположных направлениях и по траекториям, взаимно перекрывающим друг друга, а устройство снабжено системой откачки и системой напуска рабочих газов в зону, образованную в трубопроводе между герметичными дисковыми металлическими перегородками, и выполнено с возможностью формирования противоположно направленных сил, возникающих в результате разницы атмосферного давления и давления вакуума, действующей на наружные дисковые металлические перегородки, взаимно передаваемых кольцевым уплотнениям, которые посредством приводов стяжки дисковых металлических перегородок с нажимными кольцами предварительно радиально деформированы.

Создание вакуумно-плотного герметичного объема внутри рабочей трубы с помощью предлагаемого устройства герметизации создает основу для процесса формирования защитной пленки методами осаждения в вакууме. Для предотвращения процесса «наводораживания», т.е. процесса растворения атомов водорода в материале стенки трубы (атомы которого обычно сорбируются на поверхности), поверхность защищаемого металла должна быть «ювенильной», т.е. совершенно чистой от сорбата - слоя молекул водородосодержащих газов, являющихся источником наводораживания (см. Deulin E.A., "Exchange of gases at friction in vacuum", ECASIA ′97 / John Wiley & sons /, Nov. 1997, p.p.1170-1175 или E.A.Deulin. S.A.Goncharov, J.L.de Segovia and R.A.Nevshoupa, "Mechanically stimulated solution of adsorbed hydrogen and deuterium in steel" / Surface and Interface Analysis /. 30 (2000) p.p.635-637).

Осаждение защитной пленки на ювенильную поверхность реализуется в электронике, как правило, на высоковакуумном или сверхвысоковакуумном технологическом оборудовании (см. Вакуумное оборудование тонкопленочной технологии производства изделий электронной техники.: Под ред. проф. Л.К.Ковалева и Н.В.Василенко. - т.1, Сиб. Аэрокосм. Акад. 1995. - 265 с. или Вакуумное оборудование тонкопленочной технологии производства изделий электронной техники; Под ред. проф. Л.К.Ковалева и Н.В.Василенко. - т.2, Сиб. Аэрокосм. Акад. 1996. - 416 с.), где очистка поверхности до ювенильного состояния решается вакуумными методами в связи с требованиями т.н. «Вакуумной Гигиены» (см. Розанов Л.Н. Вакуумная техника: Учебник для вузов. - Москва, Высшая школа, 1990, 320 с.). Для очистки «грязной» поверхности газопроводов или нефтепроводов может использоваться плазменный метод, который позволяет в считанные минуты очистить поверхность трубы, покрытую слоями окисных пленок, окалиной, следами механической обработки, даже в низком или в среднем вакууме.

Устройство для вакуумно-плотной герметизации внутренних объемов магистральных трубопроводов построено таким образом, что две подвижные герметичные дисковые металлические перегородки герметично уплотняют «грязную» трубу и образуют рабочий вакуумный объем внутри трубы, что позволяет одновременно работающим в нем плазменному очистному устройству и многокомпонентному магнетронному испарителю, закрепленным на одном вращающемся вокруг оси трубопровода устройстве, работать так, что рабочие ионные пучки направлены в противоположных направлениях и по траекториям, взаимно перекрывающим друг друга. Как результат слой сорбата не успевает образоваться на очищенной поверхности до начала процесса нанесения защитной пленки внутренней поверхности обрабатываемого участка магистрального трубопровода.

На чертеже схематически представлено устройство для нанесения защитных покрытий на внутреннюю поверхность магистральных трубопроводов.

Устройство для нанесения защитных покрытий на внутреннюю поверхность магистральных трубопроводов содержит размещенные в трубопроводе 1 средство для очистки внутренней поверхности трубопровода 1 и средство для нанесения покрытия на внутреннюю поверхность трубопровода 1. Устройство снабжено, по крайней мере, двумя герметичными дисковыми металлическими перегородками 2 и 3, соединенными с трубопроводом 1 кольцевыми уплотнениями 4 и 5, нажимными кольцами 6 и 7, сжимающими кольцевые уплотнения, соответственно, 4 и 5 с деформацией последних в радиальном сечении, достаточной для перекрытия высоты микронеровностей уплотняемого профиля внутренней поверхности трубопровода 1, осевыми упорами 8 и 9 для нагружения нажимных колец, соответственно, 6 и 7, приводами стяжки (на чертеже) дисковых металлических перегородок 2 и 3, соответственно, с нажимными кольцами 6 и 7. Средство для очистки внутренней поверхности трубопровода 1 выполнено в виде плазменного очистного устройства 10, а средство для нанесения покрытия на внутреннюю поверхность трубопровода 1 выполнено в виде многокомпонентного магнетронного испарителя 11. Плазменное очистное устройство 10 и многокомпонентный магнетронный испаритель 11 закреплены на одном вращающемся вокруг оси трубопровода 1 устройстве 12, содержащем систему подвода питающего напряжения и охлаждающей жидкости и выполненном с возможностью направления рабочих ионных пучков, соответственно плазменного очистного устройства 10 и многокомпонентного магнетронного испарителя 11 в противоположных направлениях и по траекториям, взаимно перекрывающим друг друга. Кроме того, устройство 12 снабжено системой откачки 13 и системой напуска 14 рабочих газов в зону, образованную в трубопроводе 1 между герметичными дисковыми металлическими перегородками 2 и 3, и выполнено с возможностью формирования противоположно направленных сил, возникающих в результате разницы атмосферного давления и давления вакуума, действующей на наружные дисковые металлические перегородки 2 и 3, взаимно передаваемых кольцевым уплотнениям 4 и 5, которые посредством приводов стяжки дисковых металлических перегородок 2 и 3 с нажимными кольцами 6 и 7 предварительно радиально деформированы.

Две подвижные герметичные дисковые металлические перегородки 2 и 3 вместе с многокомпонентным магнетронным испарителем 11 и плазменным очистным устройством 10 располагают в трубопроводе 1 и таким образом образуют зону для формирования вакуумного объема внутри трубопровода 1. С помощью приводов стяжки дисковых металлических перегородок 2 и 3, соответственно, с нажимными кольцами 6 и 7 производят герметизацию зоны между герметичными дисковыми металлическими перегородками. С помощью системы откачки 13 формируют в зоне требуемую величину разряжения, что позволяет одновременно работающим плазменному очистному устройству 10 и многокомпонентному магнетронному испарителю 11 производить вакуумную плазменную очистку и нанесение защитного покрытия от проникновения в материал трубопровода 1 водорода, в первую очередь в зонах около сварных швов, а слой сорбата не успевает образоваться на очищенной поверхности трубопровода 1 до начала процесса нанесения защитного покрытия. После обработки внутренней поверхности трубопровода 1 и нанесения на ее поверхность защитного покрытия производят перемещение устройства для нанесения защитных покрытий на внутреннюю поверхность магистральных трубопроводов 1. В результате очищается новый участок внутренней поверхности трубопровода 1 и на него наносится защитное покрытие.

Настоящее изобретение может быть использовано при создании надежных распределительных и транспортных систем газа и нефти, в частности систем, используемых ОАО «Газпром» и «Оргнефтегаз».

Устройство предназначено для нанесения защитных покрытий на внутреннюю поверхность магистральных трубопроводов. Устройство содержит размещенные в трубопроводе средство для очистки внутренней поверхности трубопровода и средство для нанесения покрытия на внутреннюю поверхность трубопровода, причем устройство снабжено, по крайней мере, двумя герметичными дисковыми металлическими перегородками, при этом средство для очистки внутренней поверхности трубопровода выполнено в виде плазменного очистного устройства, а средство для нанесения покрытия на внутреннюю поверхность трубопровода выполнено в виде многокомпонентного магнетронного испарителя, причем плазменное очистное устройство и многокомпонентный магнетронный испаритель закреплены на одном вращающемся вокруг оси трубопровода устройстве с возможностью направления рабочих ионных пучков в противоположных направлениях и по траекториям, взаимно перекрывающим друг друга. Устройство снабжено системой откачки и системой напуска рабочих газов в зону, образованную в трубопроводе между герметичными дисковыми металлическими перегородками. Технический результат - повышение качества защитных покрытий, выполняемых на стенках магистральных трубопроводов. 1 ил.

Устройство для нанесения защитных покрытий на внутреннюю поверхность магистральных трубопроводов, содержащее размещенные в трубопроводе средство для очистки внутренней поверхности трубопровода и средство для нанесения покрытия на внутреннюю поверхность трубопровода, отличающееся тем, что оно снабжено, по крайней мере, двумя герметичными дисковыми металлическими перегородками, соединенными с трубопроводом кольцевыми уплотнениями, нажимными кольцами, сжимающими кольцевые уплотнения с деформацией последних в радиальном сечении, достаточной для перекрытия высоты микронеровностей уплотняемого профиля внутренней поверхности трубопровода, осевыми упорами для нагружения нажимных колец, приводами стяжки дисковых металлических перегородок с нажимными кольцами, при этом средство для очистки внутренней поверхности трубопровода выполнено в виде плазменного очистного устройства, а средство для нанесения покрытия на внутреннюю поверхность трубопровода выполнено в виде многокомпонентного магнетронного испарителя, причем плазменное очистное устройство и многокомпонентный магнетронный испаритель закреплены на одном вращающемся вокруг оси трубопровода устройстве с возможностью направления рабочих ионных пучков в противоположных направлениях и по траекториям, взаимно перекрывающим друг друга, а устройство снабжено системой откачки и системой напуска рабочих газов в зону, образованную в трубопроводе между герметичными дисковыми металлическими перегородками, и выполнено с возможностью формирования противоположно направленных сил, возникающих в результате разницы атмосферного давления и давления вакуума, действующей на наружные дисковые металлические перегородки, взаимно передаваемых кольцевым уплотнениям, которые посредством приводов стяжки дисковых металлических перегородок с нажимными кольцами предварительно радиально деформированы.