Пат139798 (Патенты Деулина Е.А часть 3)

Авторы: Деулин Е.А.,.Машуров С.С. Коновалов П. И,

Название изобретения № 2005139 798

Устройство для защиты внутренних поверхностей магистральных трубопроводов от наводораживания

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к области вакуумной техники и технологий связанных с использованием вакуума как технологической среды используемой при создании надежных распределительных и транспортных систем ОАО «Газпром» .

Уровень техники

Цель изобретения -создание работающих внутри трубы вакуумных технологических устройств, зачищающих внутреннюю поверхность трубы от загрязнений и создающих на этой поверхности защитный слой, защищающий рабочие объемы металлических (в основном стальных) труб магистральных трубопроводов за счет плазменной очистки и нанесения защитых покрытий от проникновения в материал трубы водорода , вызывающего в дальнейшем «коррозионное растрескивание под напряжением» (КРН) стенок трубы и её усталостное или механическое разрушение со временем, в первую очередь в зонах около сварных швов ( ¹²³ ),

В настоящее время для предотвращения процессов развития КРН используются следующие технические решения:

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

-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 (⁴ ) . В настоящее время существует множество методов нанесения тонкопленочных защитных покрытий в вакууме ( ^{5 6} ) а также известны решения , обеспечивающие производство метало керамических .приборов, защищенных от наводораживания ( ⁷ ).К сожалению существующие вакуумные методы нанесения защитных покрытий на участках действующих магистральных газопроводов в настоящее время неприемлемы из за отсутствия устройств для реализации вакуумных технологических процессов (⁸ ), внутри трубы газопровода. Кроме того, даже в существующем вакуумном технологическом оборудовании ( ⁹ ), оборудование для нанесения тонких защитных покрытий в настоящее время не располагает техническими решениями, которые могли бы в одном объеме и в одном технологическом цикле реализовать зачистку и нанесение защитных покрытий поверхности. Естественно, что нет подобных решений, реализуемых внутри объема рабочей трубы нефте или газопроводов. Прототипом предлагаемого изобретения можно считать линию, выполненную в форме ряда цилиндрических камер-труб большого диаметра (400-600 мм), где в одном технологическом цикле но в разных камерах реализуется несколько различных вакуумных технологических процессов ( ¹⁰). Отличием этого прототипа от предлагаемого изобретения является то, что в прототипе не удается в одном технологическом цикле и в одной зоне реализовать зачистку и нанесение защитных покрытий на внутренней цилиндрической поверхности обрабатываемой зоны.

Сущность изобретения

Предлагаемое изобретение основано на использовании нового метода создания герметичного технологического вакуумного объема внутри потенциально опасной зоны трубопровода, склонной к наводораживанию а также на использовании технологических устройств, обеспечивающих защиту внутренней поверхности трубы от наводораживания. Герметичный объем создается внутри трубы между вводимыми в трубу герметичными дисками (тарелями). Герметизации конструктивных зазоров, образующихся между внутренней (кольцевой) поверхностью рабочей трубы и герметичными дисками ( тарелями) формирующими герметичный вакуумный технологический объем внутри рабочей трубы достигается использованием атмосферного давления, сжимающего тарели с нажимными дисками и поджимающего уплотнительные прокладки к внутренней поверхности трубы.

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 источниеом наводораживания ( ¹¹ ,¹² ). Другим путем предотвращения процесса «наводораживания» является покрытие поверхности защищаемого металла трубы слоем защитной пленки в которой водород не растворяется. Осаждение защитной пленки на ювенильную поверхность реализуется в электронике как правили на высоковакуумном или сверхвысоковакуумном технологическом оборудовании (¹³ ) (¹⁴ ), где очистка поверхности до ювенильного состояния решается вакуумными методами в связи с требованиями т.н. «Вакуумной Гигиены » ( ¹⁵). Для очистки «грязной» поверхности газо- или нефте- подающей трубы может использоваться плазменный метод, (¹⁶ ), который позволяет в считанные минуты очистить поверхность трубы покрытой слоями окисных пленок, окалины, следами механической обработки даже в низком или в среднем вакууме.

На Рис.1 чертежей приложенных к заявке представлен двухкамерный вариант устройства для вакуумноплотной герметизации внутренних объемов магистральных трубопроводов построенного таким образом , ,что три подвижные дисковые перегородки- тарели (поз.2,4,6 ) герметично уплотняют «грязную» трубу ( поз.1) и образуют два рабочих вакуумных объема внутри трубы что позволяет одновременно работающим в смежных вакуумных объемах плазменному очистному устройству (поз. 5 ) и многокомпонентному магнетронному испарителю ( поз. 3 ) работать так , что слой сорбата не успевает образоваться на очищенной поверхности после перемещения центральной перегородки- тарели (поз.4) вправо до начала процесса нанесения защитной пленки устройством 3.

Существующие конструкции кольцевых вакуумных уплотнений (^{17 18 19}) могли бы гарантировать надежную работу «устройства вакуумноплотной герметизации внутренних объемов магистральных трубопроводов» если бы были известны уствойства, обеспечивающие герметичное вакуумноплотное соединение подвижных внутритрубных тарелей с трубой с помощью этих уплотнений.

На Рис.2 чертежей приложенных к заявке, представлена схема технического решения, позволяющего в одном объеме и в одном технологическом цикле реализовать очистку и нанесение защитных покрытий на поверхности обрабатываемой трубы. До настоящего времени не известно подобных решений, реализуемых внутри объема рабочей трубы нефте или газопроводов. Аналогом предлагаемого изобретения можно считать установки нанесения тонких покрытий выполненные в форме конических либо цилиндрических держателей обрабатываемых изделий, где в одном технологическом цикле в разных зонах реализуется несколько различных вакуумных технологических процессов ( ^{20 21}).Недостатком этих аналогов от предлагаемого изобретения является то, что в них не удается в одном технологическом цикле и в одной зоне реализовать зачистку и нанесение защитных покрытий на внутренней цилиндрической поверхности обрабатываемой зоны.

Осуществление изобретения

Изобретение должно быть осуществлено в процессе монтажа (сборки) магистральных трубопроводов в полевых условиях, путем нанесения защитных покрытий на внутреннюю поверхность околосварной зоны собираемого трубопровода ( обычно освобождаемую от пленок и покрытий в процессе сварки в полевых условиях) с помощью упоминаемых в описании заявки устройств: магнетронного испарителя и устройства плазменной очистки , работающих в едином технологическом цикле в вакууме, создаваемом в околосварной (поперечной) зоне трубопровода в соответствии со схемой , представленной на Рис.2 чертежей по заявке с помощью устройств и элементов, поз. 3,12. Работа указанных в описании изобретения устройств должна производиться в полевых условиях на последнем (по ходу текущей сборки магистрального трубопровода) звене трубопровода. Защитная (стеклоподобная ) пленка нанометровой толщины с одной стороны является сверхпрочным покрытием, защищенным от механического разрушения, (как все покрытия нанометровой толщины), а с другой стороны, является нерастворяющей и непроницаемой средой для водорода, движущегося в составе газа внутри трубы, защищая трубу от водородного охрупчивания и коррозионного растрескивания (КТР) в процессе многолетней эксплуатации трубопровода.

Формула изобретения

Устройство для защиты внутренних поверхностей магистральных трубопроводов от наводораживания , состоящее из плазменного и напылительного технологических инструментов , решающих задачи плазменной очистки обрабатываемой поверхности и вкуумного нанесения защитного покрытия.на обрабатываемую поверхность, а также состоящее из

герметичных металлических дисков герметично присоединяемых к корпусу вакуумного объема с помощью кольцевых уплотнений, кольцевых уплотнительных прокладок, нажимных колец, сжимающих кольцевую уплотнительную прокладку до образования её деформации в радиальном направлении, достаточной для перекрытия высоты микронеровностей уплотняемого профиля поверхности трубы,

отличающееся тем, что с целью обеспечения эффективности процесса нанесения защитного покрытия на подготовленный к эксплуатации трубопровод, обеспечения надежности устройства , для облегчения и упрощения его конструкции и для обеспечения надежной герметизации соединений наружного диаметра крайних (внешних) тарелей с внутренней поверхностью трубы с помощью радиальной деформации уплотнительных прокладок используются противоположно направленные силы, возникающие в результате разницы атмосферного давления и давления в камере от действия вакуума, действующие на наружные тарели, взаимно передаваемые кольцевым уплотнительным прокладкам, при этом предварительная радиальная деформация уплотнительных кольцевых прокладок, необходимая для создания предварительного вакуума и исходной надежной герметизации соединений наружного диаметра всех тарелей с внутренней поверхностью трубы создается с помощью независимых приводов стяжки тарелей с нажимными кольцами., при этом как плазменное так и осаждающее защитную пленку технологические устройства закреплены на одном вращающемся устройстве ,при этом источники рабочих ионных пучков направлены в противоположных направлениях и двигаются по траекториям взаимно покрывающим друг друга и расположенным на внутренней цилиндрической поверхности обрабатываемой трубы, при этом рабочий вакуум и технологическая последовательность работы технологических устройств определяются вакуумной системой поддержания требуемой величины рабочего давления и его стехиометрии.

1Стеклов О.И. Прочность сварных конструкций в агрессивных средах.- М, «Машиностроение», 1976.- 200с

2

3 Арчаков Ю.И. Водородная коррозия стали.- М..- Металлургияю- 1985.-452 с

4 Карпов С.В.Перспектива решения проблемы КРН магистральных трубопроводов .- Четырнадцатая международная деловая встреча «Диагностика-2004», Москва 2004 СС.3-15

5 Handbook of Thin Film Technology/ Ed by L.I.Maissei and R. Gland/ Mc. Graw Hill HOOK Company. 1970. V1.-668 pp.

6 Handbook of Thin Film Technology/ Ed by L.I.Maissei and R. Gland/ Mc. Graw Hill HOOK Company. 1970. V2.-766 pp.

7 Черепнин Н.В. Основы очистки, обезгаживания и откачки в вакуумной технике. М.: Советское радио, 1967.- 408 с.

8 Рот А. Вакуумные уплотнения. М:. Энергия, 1974.- 235 с.

9 ПанфиловЮ.В. и др.,Оборудование производства интегральных микросхем и промышленные роботы: Учебник-.М.: Радио и Связь, 1988.- 320 с

10 А.С.№ 171930 (СССР) Механизированная поточная установка\ Пипко А.И., Плисковский В.Я. Векшинский С.А. и др.

11 Deulin E.A., “Exchange of gases at friction in vacuum”, ECASIA ’97 / John Wiley & sons /, Nov. 1997, p.p. 1170-1175.

12 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

13 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.

14 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.

15 Розанов Л.Н. Вакуумная техника: Учебн. Для вузов.- М.: Высш. Шк. 1990.-320 с.

16 Сартов Т.Э.Авт.проц. удаления дефектного слоя сложн. Поверхностей избират. Разрядом в вакууме.- 1990.-160 с

17 Панфилов Ю.В. Расчет вакуумных и фрикционных характеристик эластомерных вводов.\\ Изв.ВУЗов, Машиностроение.-1983.-№1.- сс. 66-70

18 Деулин Е.А. Панфилов Ю.В.Анализ конструкций вакуумных уплотнений сальникового типа Известия вузов.Машиностроение, 1978. № 4. , С. 37-42

19 Рудзит Я.А. Микрогеометрия и контактное взаимодействие поверхностей.- Рига; Зинтане, 1975.- 216 с

20 Патент РФ № 2073744. Установка для нанесения покрытий в вакууме Е.Н.Ивашов и др. Опубл. 20.02.97.- Б.И.№5

21 А.С.№ 479826 СССР. Вакуумная установка для нанесения покрытий. – Л.К.Ковалев и др. Опубл. 1976., Б.И.№29