Устройство для измерения скорости и направления движения грунта относительно подземного трубопровода

Устройство для измерения скорости и направления движения грунта относительно подземного трубопровода относится к нефтяной и газовой промышленности и может быть использована при эксплуатации трубопроводов, расположенных в оползневых массивах. Устройство для измерения скорости и направления движения грунта относительно подземного содержит корпус, измерительный рычаг, шарнир, узел отсчета перемещений, размещенный внутри корпуса и взаимодействующий с первым, выдвижным звеном измерительного рычага, регистрирующий блок, соединенный с выходами узла отсчета перемещений, датчик удлинения измерительного рычага, последний выполнен телескопическим из N звеньев, причем первое, выдвижное звено измерительного рычага жестко соединено с корпусом, второе посредством шарнира связано с трубой газонефтепровода, а выход датчика удлинения измерительного рычага соединен с одним из входов регистрирующего блока, датчик удлинения состоит из многооборотного потенциометра, барабана, намотанного на барабан тросика, а ось барабана соединена с осью многооборотного потенциометра, выход которого является выходом датчика удлинения измерительного рычага, при этом второе звено измерительного рычага, конец которого связан с трубой газонефтепровода, выполнено из двух частей с возможностью регулировки его длины в процессе монтажа устройства и дополнительно снабжено перегородкой, на которой соосно закреплены направляющий стержень и гофрированная трубка, другим концом направляющий стержень связан с тросиком датчика удлинения измерительного рычага, а второй конец гофрированной трубки связан с первым выдвижным звеном измерительного рычага, в месте сопряжения звеньев измерительного рычага установлен подшипник скольжения и уплотнительное кольцо.

Устройство для измерения скорости и направления движения грунта относительно подземного трубопровода относится к нефтяной и газовой промышленности и может быть использована при эксплуатации трубопроводов, расположенных в оползневых массивах, для принятия своевременных мер по их защите при перемещениях грунта, вызванных нарушением весового баланса в результате сезонного оттаивания, насыщения грунта водой или иными причинами.

Известно устройство для измерения направления и скорости движения грунта относительно подземного трубопровода содержащее корпус, соединенный с ним посредством сферического шарнира измерительный рычаг с измерительным наконечником на одном, выступающем из корпуса конце, двухкоординатный узел отсчета перемещений, размещенный внутри корпуса и взаимодействующий с другим концом измерительного рычага, причем измерительный наконечник выполнен в виде двух взаимно перпендикулярных пластин, жестко закрепленных на измерительном рычаге и параллельных его оси, а двухкоординатный узел отсчета перемещений включает постоянный магнит, закрепленный на измерительном рычаге, и два феррозонда, расположенные под углом 90° друг к другу и соединенные через преобразователи магнитного поля с регистрирующим устройством. (1) (Патент RU 2205919, кл. С2 7 E02D 1/00, G01B 5/00, опубл. 2003 г.).

Недостатком известного устройства является малый диапазон и низкая точность измерения перемещений при работе устройства в связных грунтах. Часть измерительного рычага с пластинами находится в грунте, который при своем смещении оказывает сопротивление угловым перемещениям рычага. С увеличением угла наклона рычага уменьшается эффективная площадь пластин, на которую воздействует давление грунта, что уменьшает и силу, вращающую рычаг. По мере увеличения наклона возрастает сила, растягивающая рычаг, а сила давления рычага на грунт соответственно уменьшается. Поэтому при определенном угле наклона силы сопротивления повороту рычага уравновесят силы, вращающие его, и движение рычага прекратится, хотя перемещение грунта будет происходить. Очевидно, что этот угол наклона, соответствующий концу диапазона измерения данным устройством, определяется механическими свойствами грунта, формой и геометрическими размерами рычага и связанных с ним пластин. После достижения максимального угла наклона показания на выходе устройства становятся постоянными и получение информации о перемещениях грунта станет невозможным.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к заявляемому устройству для измерения скорости и направления движения грунта относительно подземного трубопровода, является устройство для измерения скорости и направления движения грунта относительно подземного трубопровода (2) (Патент на изобретение RU 2338031, кл. Е02D 1/00, G01B 5/00, опубл. 2008 г.). Оно содержит корпус, измерительный рычаг, шарнир, узел отсчета перемещений, размещенный внутри корпуса и взаимодействующий с первым концом измерительного рычага, регистрирующий блок, соединенный с выходами узла отсчета перемещений, датчик удлинения измерительного рычага, последний выполнен телескопическим из N звеньев, причем первый, выдвигающийся, конец измерительного рычага жестко соединен с корпусом, второй посредством шарнира связан с трубой газонефтепровода, а выход датчика удлинения измерительного рычага соединен с одним из входов регистрирующего блока. Датчик удлинения состоит из многооборотного потенциометра, барабана, намотанного на барабан тросика, конец которого жестко связан со вторым концом измерительного рычага, а ось барабана соединена с осью многооборотного потенциометра, выход которого является выходом датчика удлинения измерительного рычага.

Недостатком известного устройства является низкая надежность, которая в значительной степени определяется конструктивным исполнением измерительного рычага, выполненного в этом устройстве телескопическим по типу труба в трубе, и напрямую зависит от точности и легкости перемещения его звеньев друг относительно друга.

С одной стороны, при небольших зазорах между трубами (звеньями), перемещение последних друг относительно друга будет затруднено, что естественно резко снижает чувствительность измерительного рычага к смещению грунта, а, следовательно, и точность измерений устройства в целом.

С другой стороны, при увеличении зазоров между трубами (звеньями) появится значительный люфт угловых перемещений измерительного рычага, наличие которого резко снизит точность измерения угла поворота, а внутрь измерительного рычага будет поступать из грунта вода и частицы самого грунта.

При длительном нахождении измерительного рычага в грунте, возможна коррозия особенно в местах соединения звеньев, что дополнительно приводит к увеличению сил трения (сил сопротивления перемещению) между этими элементами.

Кроме того, особенно при работе в связных и каменистых грунтах, при активизации оползня, в измерительном рычаге могут возникнуть значительные изгибающие моменты, которые также увеличивают силу трения и могут привести к заклиниванию его выдвижного звена.

В связи с тем, что в известном устройстве тросик датчика удлинения измерительного рычага закреплен непосредственно в месте соединения измерительного рычага с нефтегазопроводом, на обратном ходе он может скручиваться и изгибаться в виде петель, а также, учитывая подверженность внутренних полостей измерительного рычага этого устройства загрязнению и коррозии, ставится под сомнение и возможность его повторного использования на другом участке трубопровода.

Кроме того, в этом устройстве регулировка установочной длины измерительного рычага при его креплении к нефтегазопроводу, который может располагаться на различной глубине, производится путем выдвижения второго звена измерительного рычага с одновременным выдвижением тросика, датчика удлинения измерительного рычага на неконтролируемую длину, а это требует введения специальных установочных поправок, что также снижает надежность работы устройства.

Указанные недостатки проявляются в еще большей степени при увеличении количества звеньев измерительного рычага, предусмотренного в данном устройстве с целью расширения диапазона измерений.

Задачей настоящей полезной модели является повышение надежности работы и точности измерений устройства, а также обеспечение возможности его многократного использования.

Сущность настоящей полезной модели заключается в том, что в известном устройстве для измерения скорости и направления движения грунта относительно подземного трубопровода содержащем корпус, измерительный рычаг, шарнир, узел отсчета перемещений, размещенный внутри корпуса и взаимодействующий с первым, выдвижным звеном измерительного рычага, регистрирующий блок, соединенный с выходами узла отсчета перемещений, датчик удлинения измерительного рычага, последний выполнен телескопическим из N звеньев, причем первое, выдвижное звено измерительного рычага жестко соединено с корпусом, второе посредством шарнира связано с трубой газонефтепровода, а выход датчика удлинения измерительного рычага соединен с одним из входов регистрирующего блока, датчик удлинения состоит из многооборотного потенциометра, барабана, намотанного на барабан тросика, а ось барабана соединена с осью многооборотного потенциометра, выход которого является выходом датчика удлинения измерительного рычага, согласно полезной модели, второе звено измерительного рычага, конец которого связан с трубой газонефтепровода, выполнено из двух частей с возможностью регулировки его длины в процессе монтажа устройства и дополнительно снабжено перегородкой, на которой соосно закреплены направляющий стержень и гофрированная трубка, другим концом направляющий стержень связан с тросиком датчика удлинения измерительного рычага, а второй конец гофрированной трубки связан с первым выдвижным звеном измерительного рычага, в месте сопряжения звеньев измерительного рычага установлен подшипник скольжения и уплотнительное кольцо, при этом обе части второго звена измерительного рычага соединены между собой посредством самотормозящегося резьбового соединения, а профиль гофрированной трубки в сечении имеет треугольную форму.

На фиг.1 представлено предлагаемое устройство для измерения скорости и направления движения грунта относительно подземного трубопровода.

На фиг.2 изображен измерительный рычаг 2.

На фиг.3 изображен датчик 6 удлинения измерительного рычага 2.

Устройство для измерения скорости и направления движения грунта относительно подземного трубопровода содержит корпус 1 цилиндрической формы, измерительный рычаг 2, выполненный телескопическим, шарнир 3, узел 4 отсчета перемещений, выполненный на основе акселерометров, размещенный внутри корпуса 1 и взаимодействующий с первым выдвижным звеном измерительного рычага 2, регистрирующий блок 5, соединенный с выходами узла 4 отсчета перемещений, датчик 6 удлинения измерительного рычага, тросик 7.

Измерительный рычаг 2 состоит из выдвижного звена 8, конец которого жестко связан с корпусом 1 и второго звена, выполненного составным из двух частей 9 и 10, соединенных с помощью резьбового соединения, причем первая часть 9 этого звена посредством шарнира 3, через шарнирное основание 11 связана с трубой 12 нефтегазопровода, а вторая часть 10 - имеет перегородку 13, на которой соосно закреплены направляющий стержень 14 и гофрированная трубка 15.

Вторым концом гофрированная трубка 15 жестко соединена с выдвижным звеном 8, а второй конец направляющего стержня 14 связан с тросиком 7 датчика удлинения 6. Размеры гофрированной трубки 15 и диаметр выдвижного звена 8 подобраны таким образом, что внутренний объем измерительного рычага 2 (полость А на фиг.2) при перемещении его выдвижного звена 8 остается неизменным.

Для уменьшения сопротивления растяжению профиль гофрированной трубки 15 в сечении имеет треугольную форму.

Для минимизации трения подвижных частей измерительного рычага 2 установлены два подшипника скольжения 16 и 17, а для защиты внутренней полости измерительного рычага от попадания влаги уплотнительное кольцо 18 и сальниковое уплотнение 19.

Устройство погружено в грунт 20 и закреплено на трубе 12 любым известным способом.

Датчик 6 удлинения измерительного рычага состоит из многооборотного потенциометра 21, барабана 22, тросика 7, намотанного на барабан 22, ось барабана 22 соединена с осью многооборотного потенциометра 21, выход которого подключен к одному из входов регистрирующего блока 5. Ось барабана 22 и потенциометра 21 находится на опорах 23. Датчик 6 удлинения измерительного рычага размещен в корпусе 1.

При установке на трубу 12 длина измерительного рычага 2 регулируется с помощью резьбового соединения двух составных частей 9 и 10, а выдвижное звено 8 устанавливается на минимальную высоту (т.е. выдвижное звено 8 входит в составную часть 10 второго звена, а гофрированная трубка 15 сжата), при этом движок потенциометра 21 датчика 6 удлинения измерительного рычага находится в начальном положении, а сопротивление потенциометра 21 близко к нулю.

Измерительный рычаг 2 при установке на трубу приводится в вертикальное положение.

Устройство работает следующим образом.

При активизации оползня грунт 20 воздействует на корпус 1 устройства и наклоняет измерительный рычаг 2 в направлении движении грунта. Узел отсчета перемещений, выполненный на основе акселерометров, путем измерения составляющих ускорения силы тяжести Земли по трем координатным осям вычисляет угол отклонения измерительного рычага 2 от начального вертикального положения и угол между проекцией оси измерительного рычага на горизонтальную плоскость и осью трубопровода.

Информация об угловых перемещениях поступает в регистрирующий блок 5.

Перемещение грунта S определяется по формуле:

где, l₀ - начальная длина измерительного рычага 2;

l - приращение длины измерительного рычага 2;

- угол отклонения измерительного рычага 2 от первоначального вертикального положения.

где, k - коэффициент преобразования датчика удлинения (мм/Ом);

R - изменение сопротивления потенциометра 21.

В начальной стадии оползневого процесса при небольших смещениях l~0 и перемещение грунта определяется углом отклонения а: S=l₀ sin.

При дальнейшем развитии процесса взаимодействие грунта будет приводить как к наклону, так и к удлинению измерительного рычага 2 за счет выдвижения его первого звена. При этом гофрированная трубка 15 будет растягиваться, перемещаясь вдоль направляющего стержня 14, а барабан 22 датчика 6 удлинения измерительного рычага 2 под действием натяжения тросика 7 начинает вращаться вместе с осью многооборотного потенциометра 21. сигнал об изменении омического сопротивления потенциометра 21, связанного с удлинением измерительного рычага 2, передается в регистрирующий блок 5.

После достижения максимального, для данного типа грунта, угла наклона _mах измерительного рычага 2 будет происходить только удлинение измерительного рычага. При этом, перемещение грунта определяется формулой

По результатам измерения перемещений вычисляют скорость движения грунта и направление смешения, производят оценку напряженно-деформированного состояния трубопровода, что позволяет своевременно принять меры по обеспечению безопасности труборовода.

Введенные в конструкцию устройства гофрированная трубка 15, подшипники скольжения 16 и 17 с уплотнительным кольцом 18 и сальником 19 защищают измерительный рычаг 2 от попадания внутрь него влаги и частиц грунта, как со стороны нефтегазопровода, так и со стороны датчика 6 удлинения измерительного рычага, и способствуют свободному перемещению без перекосов выдвижного звена 8 измерительного рычага при активизации оползня, как в прямом, так и в обратном направлениях.

Наличие в устройстве направляющего стержня 14 позволяет закрепить тросик 7 в верхней части измерительного рычага 2 непосредственно вблизи датчика 6, а это предотвращает его изгибы и образование петель на обратном ходе, а также устраняет необходимость введения установочной поправки.

Выполнение второго звена измерительного рычага 2 составным из двух частей позволяет регулировать и одновременно фиксировать его длину при креплении к нефтегазопроводу, располагаемому на любой глубине, без предварительного (установочного) выдвижения его первого выдвижного звена 8.

Использование в устройстве в совокупности всех этих отличительных признаков и позволяет повысить надежность работы и точность измерений устройства, а также обеспечить возможность его многократного использования.

Источники информации:

1. Патент RU 2205919, кл. Е02D 1/00, G01B 5/00, опубл. 2003 г.

2. Патент RU 2338031, кл. Е02D 1/00, G01B 5/00, опубл. 2008 г.

1. Устройство для измерения скорости и направления движения грунта относительно подземного трубопровода, содержащее корпус, измерительный рычаг, шарнир, узел отсчета перемещений, размещенный внутри корпуса и взаимодействующий с первым выдвижным звеном измерительного рычага, регистрирующий блок, соединенный с выходами узла отсчета перемещений, датчик удлинения измерительного рычага, последний выполнен телескопическим из N звеньев, причем первое выдвижное звено измерительного рычага жестко соединено с корпусом, второе посредством шарнира связано с трубой газонефтепровода, а выход датчика удлинения измерительного рычага соединен с одним из входов регистрирующего блока, датчик удлинения состоит из многооборотного потенциометра, барабана, намотанного на барабан тросика, а ось барабана соединена с осью многооборотного потенциометра, выход которого является выходом датчика удлинения измерительного рычага, отличающееся тем, что второе звено измерительного рычага, конец которого связан с трубой газонефтепровода, выполнено из двух частей с возможностью регулировки его длины в процессе монтажа устройства и дополнительно снабжено перегородкой, на которой соосно закреплены направляющий стержень и гофрированная трубка, другим концом направляющий стержень связан с тросиком датчика удлинения измерительного рычага, а второй конец гофрированной трубки связан с первым выдвижным звеном измерительного рычага, в месте сопряжения звеньев измерительного рычага установлен подшипник скольжения и уплотнительное кольцо.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что обе части второго звена измерительного рычага соединены между собой посредством самотормозящегося резьбового соединения.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что профиль гофрированной трубки в сечении имеет треугольную форму.