ВНУТРИТРУБНОЕ ТРАНСПОРТНОЕ СРЕДСТВО С АВТОНОМНЫМ ИСТОЧНИКОМ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ

Изобретение относится к обслуживанию магистральных трубопроводов большого диаметра (газо- и нефтепроводов) и может найти применение в снарядах-дефектоскопах для диагностики состояния трубопроводов в процессе эксплуатации.

Известно внутритрубное транспортное средство с автономным источником электроэнергии, содержащее корпус, в котором установлены электрогенератор, механически связанный с опорными колесами, и аккумуляторная батарея (см. патент Российской Федерации 2079042 C1, F 17 D 5/00, 3/00, 10.05.1997). Электрогенератор подпитывает аккумуляторную батарею во время перемещения транспортного средства по трубопроводу, однако его мощность зависит от скорости перемещения транспортного средства и уменьшается со снижением указанной скорости. Качество инспекции выше при малых скоростях перемещения транспортного средства, но при этом возрастает потребление электроэнергии диагностическим оборудованием, и подключение электрогенератора к опорным колесам не способствует высококачественной инспекции трубопровода.

Известно также внутритрубное транспортное средство с автономным источником электроэнергии, содержащее шасси, имеющее размещенный по оси трубопровода корпус, узлы подвески опорных колес и энергоустановку, включающую электрогенератор с гидроприводом, подключенным к гидронасосу, приводимому во вращение закрепленным на корпусе ветровым колесом (см. патент Российской Федерации 2109206 С1, F 17 D 5/00, В 08 В 9/04, 20.04.1998). В данном изобретении мощность электрогенератора в меньшей степени зависит от скорости перемещения транспортного средства. Однако многоступенчатое преобразование энергии скоростного напора транспортируемого продукта в электрическую энергию снижает эффективность энергоустановки, а также повышает ее вес. Кроме того, ветровое колесо обладает низкой эффективностью преобразования скоростного потока транспортируемого продукта в механическую энергию.

Наиболее близким к настоящему изобретению по совокупности существенных признаков является внутритрубное транспортное средство с автономным источником электроэнергии, содержащее шасси, имеющее кольцевой проточный корпус с открытыми торцами, закрепленные на указанном корпусе узлы подвески опорных колес, удерживающие шасси по оси трубопровода, уплотняющие элементы на внешней поверхности кольцевого корпуса, формирующие негерметичный кольцевой отсек для оборудования, электрогенератор с осевой турбиной, работающей на транспортируемом продукте, и установленное в проточной части кольцевого корпуса устройство регулирования ее проходного сечения с дистанционно управляемым приводом. Энергетические потребности оборудования, размещенного на данном транспортном средстве, обеспечиваются при работе в номинальном режиме от блока питания (аккумуляторной батареи) и резервного электрогенератора с приводом от осевой турбины, работающей на транспортируемом продукте. Электрогенератор с осевой турбиной установлены в проточной части кольцевого корпуса за устройством регулирования ее проходного сечения (см. патент Российской Федерации 2069288 C1, F 17 D 5/02, от 20.11.1996, фиг.7). В данном изобретении основным источником электроэнергии является аккумуляторная батарея, а резервный электрогенератор используется только в аварийной ситуации при заклинивании транспортного средства в трубопроводе, что существенно снижает возможности данного транспортного средства, в частности уменьшаются длительность инспекции и протяженность контролируемого участка трубопровода. В принципе, возможно использование резервного электрогенератора и при работе в номинальном режиме, но эффективность его будет низкая, так как используемая в данном изобретении осевая турбина представляет собой ветровое колесо с присущими ему недостатками. Кроме того, расположение осевой турбины за управляемым запорно-регулирующим устройством снижает эффективность преобразования энергии набегающего потока в электрическую энергию, так как существенная часть ее теряется при дросселировании транспортируемого продукта на запорно-регулирующем устройстве, и приводит к появлению дополнительных вибрационных нагрузок на осевой турбине, поскольку она размещается в вихревом следе за управляемым запорно-регулирующим устройством. Данное внутритрубное транспортное средство может использоваться только в моноблочном виде, так оно выполняется с открытыми торцами, что исключает подсоединение к нему других внутритрубных транспортных средств и препятствует расширению диагностических возможностей снаряда-дефектоскопа.

Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является создание внутритрубного транспортного средства, обеспечивающего выработку электроэнергии, достаточную для питания диагностического и запоминающего оборудования, имеющего меньшую зависимость от скорости перемещения транспортного средства в трубопроводе и более полно использующего потенциальную энергию транспортируемого продукта. Другой задачей изобретения является создание внутритрубного транспортного средства, имеющего пониженный уровень вибрационных нагрузок. Еще одной задачей изобретения является создание внутритрубного транспортного средства, обеспечивающего защиту энергетического, диагностического и запоминающего оборудования от воздействия транспортируемого продукта.

Поставленные технические задачи решаются тем, что внутритрубное транспортное средство с автономным источником электроэнергии, содержащее шасси, имеющее кольцевой проточный корпус с открытыми торцами, закрепленные на указанном корпусе узлы подвески опорных колес, удерживающие шасси по оси трубопровода, уплотняющие элементы на внешней поверхности кольцевого корпуса, формирующие негерметичный кольцевой отсек для оборудования, электрогенератор с осевой турбиной, работающей на транспортируемом продукте, и установленное в проточной части кольцевого корпуса устройство регулирования ее проходного сечения с дистанционно управляемым приводом согласно изобретению оснащено цилиндрическим корпусом с герметичным отсеком для оборудования, установленным внутри кольцевого корпуса по его оси, и охватывающей указанный цилиндрический корпус обечайкой, разделяющей кольцевую проточную часть на внешний кольцевой канал, в котором установлено устройство регулирования проходного сечения проточной части кольцевого корпуса, и внутренний кольцевой канал для питания осевой турбины, при этом турбина установлена на торце цилиндрического корпуса, а электрогенератор размещен в герметичном отсеке и соединен с турбиной через бесконтактную магнитную муфту.

Осевую турбину целесообразно выполнить с внешним диаметром меньше диаметра цилиндрического корпуса и установить ее соосно с ним, при этом внутренний кольцевой канал желательно оснастить конфузорным участком на входе в осевую турбину.

Торец цилиндрического корпуса целесообразно оснастить сужающимся обтекателем, образующим внутреннюю поверхность конфузорного участка на входе в осевую турбину.

Внутренний кольцевой канал может быть оснащен выходным коническим диффузором, установленным за осевой турбиной и присоединенным к обечайке конфузорным заборником транспортируемого продукта.

Устройство регулирования проходного сечения проточной части кольцевого корпуса оснащено приводом возвратно-поступательного перемещения и двумя коническими диафрагмами, собранными из двухзвенных механизмов, образованных трапецеидальными лепестками, шарнирно сочлененными друг с другом большими основаниями и закрепленными малыми основаниями на двух силовых кольцах, при этом одно силовое кольцо жестко закреплено на обечайке, другое силовое кольцо установлено на цилиндрическом корпусе с возможностью продольного перемещения и кинематически связано с приводом, внутренняя полость устройства регулирования проходного сечения проточной части кольцевого корпуса соединена с полостью кольцевого проточного патрубка, а конфузорный заборник транспортируемого продукта расположен во внутренней полости указанного устройства.

Транспортное средство может быть оснащено размещенным на торце цилиндрического корпуса устройством для подсоединения к нему дополнительного внутритрубного транспортного средства.

Сущность изобретения заключается в том, что транспортируемый продукт, используемый для питания осевой турбины, приводящей электрогенератор, подается к турбине в обход устройства регулирования проходного сечения проточной части кольцевого корпуса, так как проточная часть кольцевого корпуса разделена обечайкой на два кольцевых канала, указанное устройство установлено во внешнем канале, а для питания осевой турбины используется гладкий внутренний кольцевой канал, прилегающий к цилиндрическому корпусу. Таким образом, на осевой турбине срабатывается почти весь перепад давления, возникающий при протекании транспортируемого продукта через шасси транспортного средства, что способствует более полному использованию потенциальной энергии транспортируемого продукта. Вырабатываемая электрогенератором мощность слабо зависит от скорости перемещения транспортного средства, так как при малой скорости его перемещения, когда почти полностью открыто устройство регулирования проходного сечения проточной части кольцевого корпуса, скорость транспортируемого продукта во внешнем и внутреннем кольцевых каналах будет определяться скоростью его перекачки в инспектируемом трубопроводе. Современные скорости перекачки транспортируемого продукта в магистральных трубопроводах достаточно высоки, чтобы обеспечить надежное электроснабжение диагностического и запоминающего оборудования. Увеличение скорости перемещения транспортного средства приводит к частичному перекрытию внешнего кольцевого канала устройством регулирования проходного сечения проточной части кольцевого корпуса, при этом возрастает перепад давления на указанном устройстве и соответственно возрастает перепад давления на внутреннем кольцевом канале и осевой турбине привода электрогенератора и расход транспортируемого продукта через осевую турбину. Поэтому изменение скорости транспортного средства относительно транспортируемого продукта не вызовет снижение мощности осевой турбины и, соответственно, не приведет к снижению выработки электроэнергии электрогенератором. Размещение турбины для привода электрогенератора в отдельном канале снижает вибрационные нагрузки на турбину, так как при любом исполнении устройства регулирования проходного сечения проточной части кольцевого корпуса турбина будет находиться вне вихревого следа. Оснащение транспортного средства цилиндрическим корпусом с герметичным отсеком для оборудования позволяет более рационально разместить диагностическое, запоминающее и энергетическое оборудование, в частности в герметичном отсеке размещается электрогенератор, являющийся наиболее опасным агрегатом при эксплуатации транспортного средства в потоке транспортируемого продукта.

Выполнение осевой турбины с внешним диаметром меньше диаметра цилиндрического корпуса, установка ее соосно с цилиндрическим корпусом и оснащение внутреннего кольцевого канала конфузорным участком на входе в осевую турбину позволяет улучшить характеристики проточной части турбины за счет увеличения высоты ее лопаток и дает возможность более полно использовать потенциальную энергию транспортируемого продукта.

Оснащение торца центрального отсека сужающимся обтекателем, образующим внутреннюю поверхность конфузорного участка на входе в осевую турбину, обеспечивает снижение потерь на входе в осевую турбину.

Более полному использованию потенциальной энергии транспортируемого продукта способствует также наличие конического диффузора за осевой турбиной и присоединенного к обечайке конфузорного заборника транспортируемого продукта.

Снижению вибрационных нагрузок на внутритрубное транспортное средство способствует также выполнение устройства регулирования проходного сечения проточной части кольцевого корпуса симметричным относительно центрального тела с плавным изменением проходного сечения внешнего кольцевого канала при работе данного устройства.

Наличие в составе шасси размещенного на торце цилиндрического корпуса устройства для подсоединения к нему дополнительного внутритрубного транспортного средства позволяет использовать его как в виде моноблока, так и в сцепке с другими внутритрубными транспортными средствами.

На фиг. 1 изображено предлагаемое транспортное средство с автономным источником электроэнергии, общий вид; на фиг.2 - место А на фиг.1 в увеличенном масштабе; на фиг.3 - место Б на фиг.1 в увеличенном масштабе с двумя положениями устройства регулирования проходного сечения проточной части кольцевого корпуса: сплошной линией - при максимальном перекрытии проходного сечения, пунктирной - в промежуточном положении; на фиг.4 - вид В на фиг.3; на фиг.5 - разрез Г-Г на фиг.3.

Внутритрубное транспортное средство содержит шасси, включающее в себя кольцевой проточный корпус 1 с открытыми торцами 2 и 3, на котором закреплены узлы 4 подвески опорных колес 5, удерживающие шасси по оси трубопровода 6, и уплотняющие элементы 7 в виде эластичных манжет, перекрывающих зазор между корпусом 1 и стенкой 8 трубопровода с образованием негерметичного кольцевого отсека 9. Кольцевой отсек 9 предназначен в основном для размещения взаимодействующих со стенкой 8 трубопровода чувствительных элементов диагностического оборудования (не показаны).

По оси кольцевого корпуса 1 установлен цилиндрический корпус 10 с герметичным отсеком 11, во внутренней полости которого размещены диагностическое, запоминающее и энергетическое оборудование, которое нуждается в защите от воздействия транспортируемого продукта. Между корпусами 1 и 10 образуется кольцевая проточная часть 12, обеспечивающая перепуск транспортируемого продукта при проведении инспекции трубопровода.

Транспортное средство имеет охватывающую цилиндрический корпус обечайку 13, разделяющую кольцевую проточную часть 12 на внешний кольцевой канал 14 и внутренний кольцевой канал 15. Транспортное средство оснащено осевой турбиной 16, имеющей внешний диаметр меньше диаметра цилиндрического корпуса. Турбина установлена на торце цилиндрического корпуса соосно с ним и соединена с помощью бесконтактной магнитной муфты 17 с размещенным внутри герметичного отсека 11 электрогенератором 18. Внутренний кольцевой канал 15 имеет конфузорный участок 19, расположенный на входе в осевую турбину и образованный обечайкой 13 и сужающимся обтекателем 20 на торце цилиндрического корпуса. За осевой турбиной установлен конический диффузор 21. На входе во внутренний кольцевой канал 15 имеется присоединенный к обечайке 13 конфузорный заборник 22 транспортируемого продукта.

Внутритрубное транспортное средство оснащено устройством 23 регулирования проходного сечения проточной части 12 кольцевого корпуса 1, представляющим собой две конические диафрагмы 24 и 25. Конические диафрагмы собраны из двухзвенных механизмов 26, образованных трапецеидальными лепестками 27 и 28, сочлененными друг с другом большими основаниями с помощью шарнира 29 типа "ухо-вилка". Малые основания трапецеидальных лепестков 27 и 28 закреплены на силовых кольцах 29 и 30 с помощью шарниров. Силовое кольцо 29 жестко закреплено на обечайке 13 и неподвижно относительно цилиндрического корпуса. Силовое кольцо 30 установлено подвижно относительно цилиндрического корпуса 10 и снабжено каретками 31 с опорными роликами 32, а цилиндрический корпус 10 - продольными направляющими 33, по которым перемещаются опорные ролики. Силовое кольцо 30 установлено с зазором 34 относительно стенки цилиндрического корпуса 10 и через указанный зазор полость проточной части 12 соединена с внутренней полостью 35 устройства 23. Входное сечение внутреннего кольцевого канала 15 расположено во внутренней полости устройства 23.

Каретки 31 соединены с помощью тяг 36 с приводом 37 возвратно-поступательного перемещения. Привод 37 может быть любого типа и при необходимости частично может располагаться в герметичном отсеке 11 цилиндрического корпуса.

На противоположном от турбины торце цилиндрического корпуса 10 имеется вилка 38, с помощью которой к предлагаемому транспортному средству может быть подсоединено дополнительное внутритрубное транспортное средство. В предлагаемом примере реализации внутритрубное транспортное средство предназначено для использования в качестве головного (тянущего) модуля снаряда-дефектоскопа и имеет на переднем торце шасси диффузорное устройство 39.

Транспортное средство может быть оснащено любым вспомогательным электротехническим оборудованием, буферными аккумуляторами, преобразовательно-распределительными устройствами и т.д.

При проведении инспекции магистрального трубопровода транспортное средство перемещается внутри него со скоростью 0,1-1,5 м/с, определяемой регламентом инспекции. Транспортируемый продукт поступает в проточную часть 12 кольцевого корпуса 1, а затем часть его протекает по внешнему кольцевому каналу 14. Лепестки 27 и 28 конических диафрагм 24 и 25 устройства 23 регулирования проходного сечения проточной части кольцевого корпуса находятся в положении, соответствующем скорости перемещения транспортного средства, и частично перекрывают внешний кольцевой канал. Часть транспортируемого продукта протекает во внутреннюю полость 35 устройства 23 регулирования проходного сечения проточной части кольцевого корпуса и через конфузорный заборник 22 поступает во внутренний кольцевой канал 15 и далее к осевой турбине 16. Прошедший через турбину транспортируемый продукт возвращается в трубопровод через конический диффузор 21. Мощность осевой турбины выбирается достаточной для выработки электрогенератором 18 электроэнергии, обеспечивающей питание диагностического и запоминающего оборудования снаряда-дефектоскопа.

Внутритрубное транспортное средство с автономным источником электроэнергии изготавливается из материалов, совместимых с транспортируемым продуктом и широко используемых в нефтехимической и газовой промышленности. При наличии в цилиндрическом корпусе герметичного отсека снижаются требования по защищенности энергетического оборудования, а также диагностической и регистрирующей аппаратуры, что дает возможность использовать для инспекции магистральных трубопроводов современную компьютерную технику.

Данное транспортное средство может использоваться в составе снаряда-дефектоскопа. Наличие герметичного центрального отсека позволяет разместить в нем любое диагностическое оборудование, а чувствительные элементы могут быть размещены в кольцевом пространстве между эластичными манжетами.