Устройство для диагностики внутренней поверхности вращающихся трубопроводов Российский патент 2024 года по МПК F16L55/32 F16L101/30 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, предназначено для осуществления диагностических процедур на внутренней поверхности трубопроводов (в частности судовых валопроводов), спорадически чередующих режим вращения на различных скоростях в различных направлениях с режимом остановки, и направлено на обеспечение раннего обнаружения дефектов и повышение точности их локализации.

Исходя из теоретически возможных способов оценки состояния трубопроводов, существует две группы технических решений, обеспечивающих выполнение соответствующих диагностических процедур.

Технические решения первой группы основаны на анализе косвенных индикаторов наличия дефектов, в частности, анализе динамических характеристик трубопровода, в том числе характеристик вибраций.

В частности, из уровня техники известен телеметрический комплекс технического диагностирования судового валопровода (патент RU 2761142, опубл. 06.12.2021), который содержит измерительный блок, оснащенный регистратором сигналов с твердотельным накопителем для записи данных измерительных модулей, статорный блок, блок приема и регистрации, блок питания и средств визуализации. Измерительный блок неподвижно закреплен на вращающейся части объекта измерений (вале). Измерительные модули получают данные с датчиков и измерительных преобразователей (тензорезисторов, акселерометров, виброметров), закрепленных на вале, обрабатывают и фильтруют их; анализ этих данных позволяет сформировать прогноз наличия дефектов.

Недостатком технических решений первой группы является их существенная чувствительность к действиям сторонних факторов, искажающих прогноз наличия дефекта. Кроме того, такие системы не позволяют уверенно обнаруживать дефекты внутренней поверхности на ранних стадиях их развития.

Вторая группа технических решений основана на анализе прямых индикаторов наличия дефектов путем оценки характеристик внутренней поверхности посредством применения датчиков ультразвуковой диагностики, электромагнитной диагностики, систем технического зрения и др.

В частности, из уровня техники известна роботизированная платформа для внутритрубной диагностики (патент RU 194854, опубл. 25.12.2019), которая представляет собой подвижное устройство, состоящее из двух соединенных оснований, каждое из которых опирается на поверхность трубопровода тремя опорами посредством закрепленных на их концах колес с независимым приводом. Каждое из колес способно совершать вращательные движения как в продольном, так и в поперечном направлении. В качестве контрольно-инструментальных средств использованы датчики ультразвукового контроля и датчики электромагнитного контроля.

Недостатком этого технического решения является избыточная сложность конструкции, влекущая за собой ограниченную проходимость и риск застопоривания при вращении трубопровода.

Частично указанный недостаток устранен в техническом решении, наиболее близком по своей сути к заявляемому и принятом за прототип - внутритрубном роботе для диагностики трубопроводов (патент RU 2773721, опубл. 08.06.2022), который представляет собой подвижное устройство в виде соединенных между собой двух несущих оснований, каждое из которых выполнено в форме цилиндра, при этом каждое основание содержит расположенные относительно друг друга под углом 120 градусов три опорные ноги и внутри каждого несущего основания расположены электронно-вычислительный инструмент, соединенный с источником питания, электродвигатель с валом вращения, несущие основания соединены посредством валов вращения через соединительную муфту, на каждом валу вращения установлена направляющая гайка, при этом вал вращения и направляющая гайка образуют шарико-винтовую передачу, каждая опорная нога представляет собой рычажный механизм, соединённый с направляющей гайкой, на конце опорной ноги установлена платформа, на которой расположены электромотор-редуктор гусеничного движителя и гусеничный движитель.

Благодаря такой конструкции устройство может перемещаться в трубопроводах любой конфигурации и пространственной ориентации.

Недостатками прототипа является ограничение его функциональных возможностей при передвижении внутри трубопровода при его вращении из-за наличия всего лишь трех точек опор каждой части устройства на исследуемый трубопровод и невозможности в связи с этим изменения конфигурации рычажного механизма любой опорной ноги. Кроме этого, продолжительность автономного функционирования устройства ограничена ресурсом встроенного источника питания, а в случае использования внешнего подвода электроэнергии исключается возможность применения робота во вращающихся трубопроводах.

Технической проблемой, на решение которой направлено изобретение, является низкий уровень автономности, энергозависимость и невозможность полнофункциональной эксплуатации существующих устройств во вращающихся трубопроводах.

Техническим результатом предложенного изобретения является создание полностью автономного устройства для диагностики внутренней поверхности трубопровода, способного функционировать внутри вращающихся в произвольном направлении и с произвольной скоростью трубопроводов и создание возможности для их беспрерывной диагностики.

Указанный технический результат достигается тем, что заявленное устройство состоит из основной и вспомогательной частей, выполненных в корпусах цилиндрической формы, части устройства соединены друг с другом с помощью резьбовой втулки, на корпусах каждой из частей размещены две группы подпружиненных шаровых опор, при этом дальние относительно резьбовой втулки шаровые опоры в каждой из частей устройства выполнены с тормозящими колодками, каждая из частей содержит тормозящую сервомашину, которая соединена с шаровыми опорами с тормозящими колодками, электрогенератор с закрепленным на его валу подвесом с грузом, зарядное устройство, источник питания и микроконтроллер, основная часть устройства дополнительно содержит средство для передачи информации микроконтроллеру вспомогательной части, ходовую сервомашину с зубчатой передачей, соединенную с резьбовой втулкой, приёмопередатчик данных, систему диагностических датчиков и сервомашину системы диагностических датчиков, а вспомогательная часть устройства дополнительно содержит средство для приема информации от микроконтроллера основной части.

В одном из вариантов изобретения система диагностических датчиков состоит из ультразвукового, оптического и профилометрического датчиков.

В одном из вариантов изобретения средство для передачи информации от микроконтроллера основной части выполнено на основе светодиода, а средство приема информации микроконтроллером вспомогательной части - на основе фотодиода.

Выполнение частей устройства в корпусах цилиндрической формы и расположение на каждом из них двух групп подпружиненных шаровых опор позволяют увеличить количество точек контакта корпуса устройства с внутренней поверхностью исследуемого трубопровода, что делает возможным осуществление диагностики внутренней поверхности трубопроводов, спорадически чередующих режим вращения на различных скоростях в различных направлениях с режимом остановки.

Соединение основной и вспомогательной частей устройства с помощью резьбовой втулки, расположение в основной части ходовой сервомашины с зубчатой передачей, расположение на корпусе каждой из частей устройства двух групп подпружиненных шаровых опор, при этом выполнение в каждой из частей устройства дальних относительно резьбовой втулки шаровых опор с тормозящими колодками и соединение тормозящей сервомашины с шаровыми опорами с тормозящими колодками, позволяют обеспечивать возможность перемещения каждой части в продольном относительно диагностируемого трубопровода направлении, а также возможность их совместного с трубопроводом вращения, что обеспечивает автономность функционирования устройства.

Расположение в каждой из частей устройства электрогенератора с закрепленным на его валу подвесом с грузом, зарядного устройства и источника питания, позволяет преобразовывать энергию вращения трубопровода в электрическую энергию и накапливать её, что обеспечивает энергонезависимость устройства и обеспечивает возможность беспрерывной диагностики трубопровода.

Наличие в основной части устройства микроконтроллера и приемопередатчика данных позволяет обрабатывать первичную диагностическую информацию встроенными вычислительными средствами устройства и передавать информацию о зонах расположения дефектов иерархически вышерасположенным системам мониторинга трубопровода, что обеспечивает возможность беспрерывной диагностики трубопровода.

Таким образом, предложенное устройство может быть использовано для диагностики внутренней поверхности вращающихся трубопроводов, а предложенная конфигурация позволяет значительно повысить уровень автономности устройства и длительность проведения диагностики относительно известных аналогов.

Сущность изобретения и его техническая реализуемость поясняются фигурами, на которых изображены:

• на фиг. 1 - структурная схема устройства для диагностики внутренней поверхности вращающихся трубопроводов в разрезе;

• на фиг. 2 - процесс продольного перемещения устройства для диагностики внутренней поверхности вращающихся трубопроводов.

На заявленных фигурах приняты следующие обозначения:

1 - Тормозящая сервомашина;

2 - Электрогенератор с закрепленным на его валу подвесом с грузом;

3 - Зарядное устройство;

4 - Источник питания;

5 - Дополнительный микроконтроллер;

6 - Фотодиод;

7 - Резьбовая втулка;

8 - Светодиод;

9 - Основной микроконтроллер;

10 - Ходовая сервомашина с зубчатой передачей;

11 - Приёмопередатчик данных;

12 - Сервомашина системы диагностических датчиков;

13 - Система диагностических датчиков;

14 - Подпружиненные шаровые опоры;

15 - Подпружиненные шаровые опоры с тормозящими колодками.

Устройство для диагностики внутренней поверхности вращающихся трубопроводов состоит из основной и вспомогательной частей, выполненных в корпусах цилиндрической формы и соединенных друг с другом резьбовой втулкой 7, которая выполнена с возможностью вращения. Основная часть содержит систему диагностических датчиков 13, состоящую из ультразвукового, оптического и профилометрического датчиков, основной микроконтроллер 9, который выполнен с возможностью обеспечения управления согласованным перемещением механических узлов устройства, а также с возможностью сбора и обработки диагностической информации, поступающей с системы диагностических датчиков 13, и приемопередатчик данных 11, который выполнен с возможностью обеспечения передачи полученной от основного микроконтроллера 9 информации на внешние иерархически вышерасположенные системы мониторинга состояния трубопровода и приема команд управления от них.

Кроме этого, в корпусе основной части размещены ходовая сервомашина 10, которая выполнена с возможностью обеспечения поворота резьбовой втулки 7, соединяющей основную часть и вспомогательную часть, а также сервомашина системы диагностических датчиков 12, которая соединена с системой диагностических датчиков 13 и выполнена с возможностью обеспечения углового перемещения системы диагностических датчиков 13 в задаваемый микроконтроллером 9 сектор.

Вспомогательная часть содержит дополнительный микроконтроллер 5, который выполнен с возможностью обеспечения управления ее механическими узлами в соответствии с командами, поступающими от микроконтроллера 9 по каналу обмена информацией, состоящему из светодиода 8 и фотодиода 6, расположенных на торцах резьбовой втулки 7, соединяющей основную часть и вспомогательную часть устройства.

По краям корпусов вспомогательной и основной частей устройства расположены подпружиненные шаровые опоры 14 и подпружиненные шаровые опоры с тормозящими колодками 15, при этом шаровые опоры с тормозящими колодками 15 расположены ближе к дальнему от резьбовой втулки краю корпуса. Также в составе каждой части предусмотрены тормозящие сервомашины 1, которые соединены с шаровыми опорами с тормозящими колодками 15 и выполнены с возможностью обеспечения застопоривания шаровых опор с тормозящими колодками 15, и их свободного вращения в зависимости от подаваемых микроконтроллерами 5 и 9 управляющих сигналов.

Также в состав каждой части устройства входит электрогенератор 2 на основе машины постоянного тока, на валу которого закреплен подвес с грузом, зарядное устройство 3 и источник питания 4 (см. фиг. 1).

Функционирование предлагаемого устройства для диагностики внутренней поверхности вращающихся трубопроводов осуществляется следующим образом.

Устройство полностью помещается внутрь исследуемого трубопровода. После начала вращения системы «трубопровод - корпус устройства», статоры электрогенераторов 2, в свою очередь, начинают вращаться относительно своих роторов, что позволяет электрогенераторам 2 продуцировать электроэнергию, которая, посредством зарядных устройств 3 аккумулируется в источниках питания 4 и в дальнейшем может быть использована для осуществления диагностики трубопровода и продольного перемещения внутри него.

Микроконтроллер 9 после подачи электропитания выполняет инициализацию и приступает к выполнению основного алгоритма работы, заключающегося в выполнении следующей последовательности действий:

1. Микроконтроллер 9 посредством приемопередатчика данных 11 ожидает поступления от иерархически вышерасположенной системы мониторинга состояния трубопровода команды на сканирование участка трубопровода заданной протяженности в заданном направлении.

2. Получив команду, микроконтроллер 9, управляя сервомашиной 12, выполняет посекторное сканирование текущего слоя внутренней поверхности трубопровода:

2.1. Микроконтроллер 9 выдает команду сервомашине 12 установить начальное угловое положение.

2.2. После фиксации вала сервомашины 12 в заданном положении, микроконтроллер 9 регистрирует сигналы каждого измерительного канала системы диагностических датчиков 13.

2.3. Микроконтроллер 9 выполняет цифровую обработку кортежа сигналов, полученных системой диагностических датчиков 13, и дополняет карту состояния текущего участка поверхности трубопровода картой отсканированного участка.

2.4. Если сервомашина 12 выполнила полный оборот, осуществляется переход к п. 3 алгоритма, в противном случае микроконтроллер 9 выдает команду сервомашине 12 переместиться на заданную величину углового шага (значение величины углового шага настраивается при пусконаладке системы и определяется дуговой протяженностью зоны охвата поверхности системой диагностических датчиков), после чего осуществляется переход к п. 2.2 алгоритма.

3. После того, как сервомашина 12 выполнила полный оборот, микроконтроллер 9 рассчитывает протяженность оставшегося неотсканированным продольного участка трубопровода.

4. В случае если рассчитанная протяженность нулевая, осуществляется переход к п. 6 алгоритма, в противном случае микроконтроллер 9, управляя тормозящей сервомашиной 1 основной части, передавая микроконтроллеру 5 посредством оптического канала связи между светодиодом 8 и фотодиодом 6, работающих в инфракрасном диапазоне спектра, команды управления тормозящей сервомашиной 1 вспомогательной части, и управляя ходовой сервомашиной 10, обеспечивает согласованное продольное перемещение основной и вспомогательной частей устройства вдоль трубопровода в заданном направлении на заданную величину (значение величины продольного перемещения настраивается при пусконаладке системы и определяется горизонтальной протяженностью зоны охвата поверхности системой диагностических датчиков).

5. После продольного перемещения устройства внутри трубопровода в новое положение, начинается посекторное сканирование очередного участка внутренней поверхности трубопровода посредством перехода на п. 2 настоящего алгоритма.

6. После полного сканирования заданного продольного участка трубопровода, на отсканированной карте этого участка известными математическими методами поиска и обнаружения объектов осуществляется выявление зон дефектов, их классификационных признаков и значений местоположения благодаря встроенному программному обеспечению микроконтроллера 9. Информация о выявленных дефектах посредством приемопередатчика данных 11 передается на иерархически вышерасположенную систему мониторинга состояния трубопровода, после чего осуществляется возврат на п. 1 настоящего алгоритма.

Микроконтроллер 5 после подачи электропитания выполняет инициализацию и приступает к выполнению вспомогательного алгоритма работы, заключающегося в выполнении следующей последовательности действий:

1. Микроконтроллер 5 находится в режиме ожидания команды от микроконтроллера 9 по каналу обмена информацией, состоящему из светодиода 8 и фотодиода 6, работающих в инфракрасном диапазоне спектра.

2. При получении команды микроконтроллер 5 обеспечивает управление тормозящей сервомашиной 1 вспомогательной части, после чего вновь переходит к п. 1 своего алгоритма в режим ожидания команды от микроконтроллера 9.

Тормозящие сервомашины 1 основной и вспомогательной частей устройства могут либо освобождать шаровые опоры 15 от тормозных колодок, прижимаемых к ним пружинами, либо возвращать тормозные колодки в исходное состояние. В первом случае обеспечивается возможность продольного передвижения соответствующей части, во втором - ее фиксация в текущей позиции и возможность вращения совместно с трубопроводом.

Процесс продольного перемещения устройства для диагностики внутренней поверхности трубопровода включает пять стадий (см. фиг. 2):

1. Микроконтроллер 9 передает команды заблокировать шаровые опоры 15 основной части и разблокировать шаровые опоры 15 вспомогательной части; микроконтроллер 5, получив команду, исполняет ее. В результате вспомогательная часть получает возможность продольного перемещения, а основная часть остается застопоренной.

2. Микроконтроллер 9, управляя ходовой сервомашиной 10, обеспечивает поворот резьбовой втулки 7 на заданный угол в заданном направлении, тем самым смещая корпус вспомогательной части вдоль корпуса трубопровода. Величина угла поворота и однозначно определяемая им дистанция продольного смещения корпуса вспомогательной части определяется при пусконаладке системы исходя из горизонтальной протяженности зоны охвата поверхности системой диагностических датчиков.

3. Микроконтроллер 9 освобождает шаровые опоры 15 основной части и передает команду заблокировать шаровые опоры 15 вспомогательной части; микроконтроллер 5, получив команду, исполняет ее. В результате вспомогательная часть оказывается застопорена, а основная часть получает возможность продольного перемещения.

4. Микроконтроллер 9, управляя ходовой сервомашиной 10, обеспечивает поворот резьбовой втулки на заданный угол в направлении, противоположном заданному в п. 2, тем самым смещая корпус основной части вдоль корпуса трубопровода в направлении вспомогательной части.

5. Микроконтроллер 9 стопорит шаровые опоры 15 основной части. В результате и вспомогательная часть, и основная часть оказываются застопорены, механическая система приведена в исходное состояние.

Таким образом, из рассмотренного следует, что заявляемое изобретение технически осуществимо и обеспечивает достижение технического результата, заключающегося в создании полностью автономного устройства для диагностики внутренней поверхности трубопровода, способного функционировать внутри вращающихся в произвольном направлении и с произвольной скоростью трубопроводов, и создание возможности для беспрерывной диагностики трубопровода.

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и предназначено для диагностики внутренней поверхности вращающихся трубопроводов, в частности судовых валопроводов. Устройство состоит из основной и вспомогательной частей, выполненных в корпусах цилиндрической формы. Части устройства соединены друг с другом с помощью резьбовой втулки и содержат электрогенератор с закрепленным на его валу подвесом с грузом, зарядное устройство, источник питания и микроконтроллер. Основная часть устройства дополнительно содержит средство для передачи информации микроконтроллеру вспомогательной части, ходовую сервомашину с зубчатой передачей, соединенную с резьбовой втулкой, приёмопередатчик данных, систему диагностических датчиков и сервомашину системы диагностических датчиков. Вспомогательная часть устройства дополнительно содержит средство для приема информации от микроконтроллера основной части. На корпусах каждой из частей размещены две группы подпружиненных шаровых опор. Дальние относительно резьбовой втулки шаровые опоры выполнены с тормозящими колодками. Технический результат: полная автономность устройства для диагностики внутренней поверхности трубопровода, способного функционировать внутри вращающихся в произвольном направлении и с произвольной скоростью трубопроводов. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Устройство для диагностики внутренней поверхности вращающихся трубопроводов, состоящее из основной и вспомогательной частей, выполненных в корпусах цилиндрической формы, части устройства соединены друг с другом при помощи резьбовой втулки, которая выполнена с возможностью вращения и по торцам которой размещены средства для передачи информации, на корпусах обеих частей расположены две группы подпружиненных шаровых опор, при этом дальние относительно резьбовой втулки шаровые опоры в каждой из частей устройства выполнены с тормозящими колодками, каждая из частей устройства содержит тормозящую сервомашину, соединенную с шаровыми опорами с тормозящими колодками и выполненную с возможностью торможения шаровых опор с тормозящими колодками, электрогенератор с закрепленным на его валу подвесом с грузом, зарядное устройство, источник питания и микроконтроллер, а основная часть устройства дополнительно содержит ходовую сервомашину с зубчатой передачей, которая выполнена с возможностью обеспечения поворота резьбовой втулки, приёмопередатчик данных, систему диагностических датчиков и сервомашину системы диагностических датчиков, расположенную между тормозящей сервомашиной и боковой плоскостью корпуса и которая выполнена с возможностью обеспечения углового перемещения системы диагностических датчиков.

2. Устройство для диагностики внутренней поверхности вращающихся трубопроводов по п. 1, отличающееся тем, что система диагностических датчиков состоит из ультразвукового, оптического и профилометрического датчиков.

3. Устройство для диагностики внутренней поверхности вращающихся трубопроводов по п. 1, отличающееся тем, что средство для передачи информации от микроконтроллера основной части выполнено на основе светодиода, а средство для приема информации микроконтроллером вспомогательной части – на основе фотодиода.