Ключевые слова: робототехнические устройства, методы неразрушающего контроля, роботизация нефтегазовой промышленности, трубопроводный транспорт.
Из-за большого количества отказов трубопроводов, очень часто происходят аварии, сопровождающиеся разливом нефти и нефтепродуктов, которые негативно сказываются на экологическом состоянии, а также могут привести к производственным травмам персонала [4]. Для сокращения количества аварийных ситуаций на объектах транспортировки, применяют различные методы неразрушающего контроля [5, 6], которые позволяют при минимальных расходах и простоях оборудования проверить надежность объекта. Но при этом, существующие методы неразрушающего контроля имеют ряд недостатков, такие как необходимость постоянного присутствия человека для проведения контроля и невозможность в реальном времени оценить состояние трубопровода. В связи с существующими методами контроля, количество аварийных ситуациях на трубопроводах не уменьшается. Основными причинами, по которым происходит аварии на трубопроводах, представлены на рисунке 1 [1, 4, 7, 8].
РИСУНОК 1. Основные причины отказов трубопроводов
Для предотвращения аварийных ситуаций на трубопроводах применяют большое количество инновационных методов контроля состояния трубопровода. Так, авторами [9] предлагается проводить мониторинг многолетних мерзлых грунтов для предотвращения аварий и чрезвычайных ситуаций на магистральных нефтепроводах.
Развитие технологий не стоит на месте и требует все новых разработок. Так, авторы [10] разработали модель робота для внутритрубной диагностики, который представлен на рисунке 2.
РИСУНОК 2. Робот для внутритрубной диагностики [10]
1, 2 – несущие основания; 3, 4 – валы; 5 – муфта; 6, 7 – направляющие гайки; 8 – опорная балка; 9, 10 – шарниры; 11 – тяга; 12 – соединительный шарнир; 13 – платформа; 14 – мотор – редуктор; 15 – гусеничный движитель; 16, 17 - вычислительные инструменты; 18, 19 – источники питания; 20 – видеокамера; 21, 22 – световой прожектор
Перемещение робота по внутреннему пространству трубы осуществляется с помощью гусениц, которые приводятся в движение с помощью мотор-редуктора. Для того чтобы данный робототехнический комплекс являлся универсальным к различным диаметрам трубопровода, на нем установлена видеокамера, которая передает информацию в электронно-вычислительные инструменты для регулировки с помощью валов длину вылета ног под нужный диаметр.
Разработка прототипа
После изучения основных методов диагностики внутритрубного пространства, авторами принято решение о проектировании внутритрубного работа-диагноста на основе прототипа, представленного выше. В отличии от патентного робота, у разрабатываемого робота, не будет использоваться шарико-винтовая передача, это связано с тем, что такой вид передачи не сможет корректно работать продолжительный период в нефтегазовой отрасли, так как перекачиваемая среда забьет внутри передаточное пространство, что приведет робот в непригодность. Для корректировки гусениц под нужный диаметр трубопровода, установим датчик, идентифицирующий разность диаметров. Ультразвуковой метод был выбран в качестве основного диагностического метода. Для полной автономности, к роботу подведется кабель питания, что также поспособствует увеличению мощности двигателя, установленного в робототехническом комплексе.
Разработка робототехнического комплекса следует начинать с расчета и проектировки деталей, которые будут обеспечивать движение нашего комплекса, а именно с расчета ширины гусеницы и диаметра опорного катка. Исходные данные для расчета представлены в таблице 1 и на рисунке 3.
ТАБЛИЦА 1. Исходные данные для расчета ширины гусеницы и диаметра опорного катка
РИСУНОК 3. Расчетная схема ширины гусеницы и опорного катка
Исходя из рекомендаций [11], примем число гусеничных катков равным 5. Ширина гусениц рассчитывается по формуле (1):
(1)
где – ширина гусеницы, мм; – масса робота в сборе, кг; – ускорение свободного падения, 9,81 м/с; – длина опорной части поверхности гусеницы, мм; – удельное давление на опорную поверхность, МПа.
Расчет диаметра вершин опорного катка производился по формуле (2):
(2)
где – число катков, штук; – отношение расстояния между осями рядом стоящих катков к их диаметру [11].
Так как, при расчете ширины гусеницы мы получили 79,9мм, то по ГОСТ 6639-69 [12] мы приняли данный параметр равный 80 мм. Полученные данные представлены в таблице 2.
ТАБЛИЦА 2. Результаты расчета ширины гусеницы и диаметра опорного катка
Для того чтобы подобрать мотор-редуктор для привода опорного катка гусеничного движителя рассчитаем необходимое число оборотов вала, учитывая скорость передвижения робота внутри трубопровода. Исходные данные для расчета приведены в таблице 3 и на рисунке 4.
ТАБЛИЦА 3. Исходные данные для расчета числа оборотов вала мотор-редуктора
РИСУНОК 4. Расчетная схема числа оборотов вала
Посчитаем угловую скорость вращения крайней точки опорного катка по формуле (3), а необходимое число оборотов по формуле (4):
(3)
где – радиус опорного катка, м.
(4)
В таблице 4 приведены полученные значения для угловой скорости и числа оборотов катка.
ТАБЛИЦА 4. Полученные значения для угловой скорости и числа оборотов катка
На основе полученных значений проведен подбор мотор-редуктора, в результате которого выбран одноступенчатый червячный мотор-редуктор NMRV 030 компании ООО ТПК «Техпривод», идеально подходящий по всем параметрам. Основные параметры мотор-редуктора приведены в таблице 5.
ТАБЛИЦА 5. Параметры мотор-редуктора NMRV 030
Для подсчета основных геометрических параметров опорного катка учитываться, что опорный каток по геометрическим и кинематическим характеристикам представляет из себя подобие шкива ременной передачи с зубчатыми ремнями, тогда по рекомендации [11], на основе значения диаметра опорного катка, применяем следующие геометрические параметры впадин профиля зубьев приведенные в таблице 6, а также по формуле 5 и 6 рассчитаем делительный диаметр и диаметр впадин опорного катка.
(5)
где, m – модуль зацепления, мм; z – число зубьев.
(6)
где, – высота зуба, мм
ТАБЛИЦА 6. Геометрические параметры впадин зубьев опорного катка
Для бесперебойной работы проектируемого робототехнического комплекса произведем проверочный расчет по напряжению в зубьях гусеницы по формуле (7):
(7)
где, – коэффициент динамической нагрузки; – число зубьев на дуге обхвата опорного катка (число зубьев в зацеплении); – ширина площадки сдвига гусеницы; – коэффициент, учитывающий конструктивные параметры зубьев гусеницы и опорного катка.
Для бесперебойной работы комплекса, полученное значение напряжение должно удовлетворять условию прочности (8):
(8)
где – допускаемое касательное напряжение:
Условие прочности соблюдается, что говорит о возможности бесперебойной работы робототехнического комплекса. Стоит отметить, что сравнительно малое значение расчетного напряжения сдвига обусловлена тем, что нагрузки, испытываемые при зацеплении очень малы.
После расчета параметров гусеничного движителя переходим к проектированию и конструированию узла, обеспечивающего вращение опорного катка, передающееся от выбранного мотор-редуктора.
Основной идей проектируемой конструкции служит то, что вращение от электродвигателя мотор-редуктора передается не на прямую к опорному катку, а к специальной детали, называемой фланцем, которая в свою очередь, передает крутящий момент опорному катку.
Конструкция будет состоять из следующих деталей:
-
втулки для разгруза вала от радиальных нагрузок;
-
двух подшипников качения (шариковых радиальных);
-
дистанционной втулки, обеспечивающей фиксацию подшипников, друг относительно друга;
-
фланца, передающего крутящий момент опорному катку;
-
опорного катка, находящегося в зацеплении с зубьями гусеницы;
-
заглушки, обеспечивающей герметизацию полости установки подшипников качения;
-
сквозной крышки, с установленной манжетой внутри;
-
крепежных винтов.
Подбор шариковых радиальных подшипников проводился по ГОСТ 8338-75 [14], с помощью которого подобран шариковый радиальный подшипник сверхлегкой серии, с обозначением 1000806.
Основные параметры, выбранного подшипника представлены в таблице 6.
ТАБЛИЦА 6. Геометрические параметры впадин зубьев опорного катка
Поскольку диаметр вала мотор-редуктора равен 25 мм – подберем по ГОСТ 1139-80 [15] параметры шлицов. Так как диаметр равен 25 мм, то следует подбирать шлицы с внешним диаметром (диаметром вершин) меньше 25 мм. Исходя из стандарта, выбираем шлицы средней серии с параметрами, указанными в таблице 7.
ТАБЛИЦА 7. Параметры шарикового радиального подшипника 1000806
С помощью программы «SolidWorks» спроектируем следующие модели деталей:
- модель подшипника 1000806;
- модель дистанционной втулки;
- модель вала мотор-редуктора со шлицами;
- модель фланца;
- модель заглушки;
- модель сквозной крышки;
- модель опорного катка;
- модель втулки для разруза вала.
Проектировка всех моделей деталей проводилась по основным геометрическим размерам, взятым из стандартов или расчётов. Сборка узла опорного катка в размере представлена на рисунке 5.
РИСУНОК 5. Модель сборки узла опорного катка
1 – вал; 2 – втулка для разгруза; 3 – шариковые радиальные подшипники; 4 – фланец; 5 заглушка; 6 – сквозная крышка; 7 – опорный каток
Расчет шлицевого соединения, с помощью которого передаётся крутящий момент от вала привода до опорного катка, на смятие необходим для понимания возможности применения выбранного при моделировании типа шлицевого соединения. Необходимые для расчета исходные данные приведены в таблице 8.
ТАБЛИЦА 9. Исходные данные для расчета шлицевого соединения
Высота зуба вычисляется по формуле (9).
(9)
Средний диаметр шлицов вычисляется по формуле (10).
(10)
Допускаемое напряжения на смятие теоретически принимается равным 150 МПа, но на практике чаще используют значение в 120 МПа.
То есть допускаемое напряжение на смятие равно:
Расчетное значение напряжения на смятие вычисляется по формуле (11):
(11)
где, – напряжение смятия; – коэффициент, учитывающий неравномерность распределения нагрузки в соединении.
В таблице 9 приведены результаты расчета шлица.
ТАБЛИЦА 9. Исходные данные для расчета шлицевого соединения
Условие прочности, необходимое для работы шлицевого соединения (12):
(12)
Условие соблюдается, значит шлицы подобраны верно и проходят по нагрузке.
Так как вращение от фланца передаётся за счет крепления к опорному катку посредством винтов, посчитаем нагрузку, которая возникает при передаче вращения.
Исходными данные для расчёта представлены в таблице 10 и на рисунке 6.
РИСУНОК 6. Расчетная схема резьбового соединения
Допускаемое напряжение на растяжение рассчитывается по формуле (13).
(13)
Сила затяжки, необходимая для закрепления винтов, рассчитывается по формуле (14):
(14)
где – сила затяжки винтов; – испытываемый крутящий момент; – диаметр расположения винтов. Условие прочности вычисляется по формуле (15):
(15)
где – расчетное значение напряжения на растяжение,
Одной из заключительной стадии проектирования робототехнического комплекса является моделирования гусеничного узла, для этого с помощью программы «SolidWorks» спроектируем следующие модели деталей:
- модель гусеницы;
- модель направляющего катка;
- модель оси направляющего катка;
- модель опоры гусеничного движителя;
На рисунке 7 представлена сборка гусеничного узла.
РИСУНОК 7. Расчетная схема резьбового соединения
Итоговая модель представлена на рисунке 8.
РИСУНОК 8. Готовая модель робототехнического комплекса
Для того чтобы робот мог своевременно поднимать и опускать гусеничные движители, которые работают синхронно от блока управления, установленного в корпусе устройства, нужно установить специальный локатор, сигнализирующий об изменении диаметра трубопровода – лидар, представленный на рисунке 9.
РИСУНОК 9. Лидар для робота
Данное устройство, за счет сканирования пространства вокруг себя, будет понимать, как изменяется расстояние от объектов, в нашем случае он будет понимать разницу в проходных диаметрах трубопроводов. С помощью данного сканирования гусеничные движители будут подстраиваться под тот или иной проходные диаметры.
К технологической операции, которую будет выполнять смоделированный робот, можно отнести ультразвуковой метод неразрушающего контроля, с помощью датчика, установленного спереди робота по ходу его движения в трубопроводе.
Следующим шагом, определимся с расстоянием, которое будет проходить робот в момент эксплуатации непосредственно внутри труб. На основе изученной информации о практике эксплуатации подобных робототехнических устройств, делаем вывод, что работ будет проходить расстояние около 50 метров. Причем, автономная работа робота будет затруднена. Поэтому было принято решение питать его не от аккумулятора, а от кабеля, тянущегося за ним. К достоинствам такого выбора служит то, что при внештатной ситуации, робота можно будет вытащить за тянущийся за ним кабель, без потерь. При подборе кабеля для робота следует учитывать потенциальные нагрузки, возникающие при эксплуатации робототехнического устройства. Характеристики, необходимые для кабеля питания робота представлены в таблице 11.
ТАБЛИЦА 11. Исходные данные для расчета резьбового соединения
Заключение
Разработанный робототехнический комплекс позволяет в режиме реального времени проводить внутритрубную диагностику труб диаметром 800 и 900мм методом ультразвукового контроля. Данный комплекс позволяет повысить безопасности трубопроводного объекта, что приведет к сокращению числа аварий и как следствие, повысить эффективность любого предприятия.
Литература
1. Прыгаев, А. К. Анализ отказов промысловых трубопроводов и разработка метода защиты от коррозии / А. К. Прыгаев, Ю. С. Дубинов, М. С. Танасенко // Территория Нефтегаз. – 2024. – № 3-4. – С. 60-65.
2. Мещеряков, С. В. Анализ методов ликвидации последствий аварийных разливов мазута / С. В. Мещеряков, Ю. Д. Гаврилова, Е. А. Брагина // Защита окружающей среды в нефтегазовом комплексе. – 2025. – № 5(326). – С. 5-11.
3. Внедрение углеродных модификаторов в состав лакокрасочных покрытий для повышения стойкости к различным видам смачивания / Ю. С. Дубинов, А. К. Прыгаев, М. С. Танасенко, П. Е. Александрина // Оборудование и технологии для нефтегазового комплекса. – 2025. – № 5(149). – С. 73-79.
4. Воробьев, Ю. Л. Системные аварии и катастрофы в техносфере России / Ю. Л. Воробьев, В. А. Акимов, Ю. И. Соколов. – Москва : Всероссийский научно-исследовательский институт по проблемам гражданской обороны и чрезвычайных ситуаций МЧС России, 2012. – 308 с. – ISBN 978-5-93970-075-7.
5. Методы неразрушающего контроля трубопроводов / П. О. Журавлев, А. А. Потапов, Г. Н. Мартыненко, Д. Ю. Агапов // Градостроительство. Инфраструктура. Коммуникации. – 2020. – № 1(18). – С. 27-33.
6. Алешин, Н. Физические методы неразрушающего контроля сварных соединений: Учебное пособие / Н. Алешин. - М.: Машиностроение, 2013. - 576 c
7. К вопросу о коррозии промысловых трубопроводов / С. М. Ватузов, И. М. Ванчугов, К. С. Резанов [и др.] // Проблемы сбора, подготовки и транспорта нефти и нефтепродуктов. – 2023. – № 5(145). – С. 106-122.
8. Зуев И. К. Характеристики аварий, происходящих на нефтяных трубопроводах / И. К. Зуев // Магистральные трубы. — 2019. — № 7.— С. 12 – 14. – Текст : непосредственный
9. Ревазов, А. М. Предотвращение аварий и чрезвычайных ситуаций на магистральных нефтепроводах на основе мониторинга многолетнемерзлых грунтов / А. М. Ревазов, Р. Г. Бикмасов // Защита окружающей среды в нефтегазовом комплексе. – 2025. – № 1(322). – С. 21-27.
10. Патент № 2773721 C1 Российская Федерация, МПК B25J 9/00, F17D 5/00, F16L 101/30. Внутритрубный робот для диагностики трубопроводов : № 2021133924 : заявл. 22.11.2021 : опубл. 08.06.2022 / Е. В. Поезжаева, Д. Н. Кучев, Е. Ю. Тонков, М. А. Веснин ; заявитель федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Пермский национальный исследовательский политехнический университет".
11. Проектирование гусеничного движителя: Учебно-метод. пособие для студ. машиностроит. спец. /А.С. Хомичев – Мн.: БНТУ, 2021. – 32 с.
12. ГОСТ 6639 – 69. Основные нормы взаимозаменяемости. Нормальные линейные размеры.
13. Каталог ООО ТПК «ТЕХПРИВОД». – Текст : электронный // Мотор - редуктора для приводов оборудования: [сайт]. – 2020. — URL: https://tehprivod.su/katalog/ (дата обращения: 11.11.2025).
14. ГОСТ 8338 – 75. Подшипники шариковые радиальные. Основные размеры.
15. ГОСТ 1139 – 80. Соединения шлицевые прямобочные. Размеры и допуски.
