DE102016106421A1

DE102016106421A1 - Reinigungsverfahren für Steigrohre und Einrichtung hierfür

Info

Publication number: DE102016106421A1
Application number: DE102016106421.1A
Authority: DE
Inventors: Evgeny Senokosov; Andrey Senokosov; Mikhail Ushakov
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2016-04-08
Filing date: 2016-04-08
Publication date: 2017-10-12
Also published as: DE202016008333U1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Reinigungsverfahren für Steigrohre mit der Einwirkung eines Kaltplasma-Strahls eines Plasmatrons oder mehrerer Kaltplasma-Strahlen mehrerer Plasmatronen auf die zu reinigende Oberfläche, mit Vergasung und thermischer Dissoziation der Reinigungsabfallprodukte sowie mit nachfolgender Rekombination der Reinigungsabfallprodukte unter Bildung von einfachsten Wasser- und Kohlendioxid-Molekülen. Die Steigrohre und die Plasmatronen werden zueinander verschoben. Die Außenfläche des Steigrohrs wird mit einem oder mehreren Kaltplasma-Strahlen von einem oder mehreren Plasmatronen gereinigt, bis die Grenzschicht zwischen Asphalt-, Harz- und Paraffinablagerungen innerhalb des Steigrohrs und dessen Innenwand angeschmolzen ist.

Description

Erfindungsgebiet
Die Erfindung bezieht sich auf die Oberflächenbehandlung und -reinigung von Erdölausrüstungen, z. B. Pumpgestängen und Steigrohren, nach deren Benutzung, um eine Werkstoffprüfung und Reparatur der Erdölausrüstungen durchzuführen. Das Verfahren kann beim Instandsetzen von Pumpgestängen und Steigrohren in der Erdöl- und Gasindustrie weit eingesetzt werden.
Stand der Technik
Unter den zurzeit angewendeten Reinigungsverfahren für die Oberfläche von Teilen der Erdölausrüstung sind mechanische, chemische, elektrochemische und thermische Verfahren am meisten verbreitet.
Unter den mechanischen Reinigungsverfahren können insbesondere Folgende genannt werden:

1. Verfahren, bei denen der Einsatz von Wasser und Dampf unter Druck bei einer Temperatur zwischen 900 und 1000°C liegt (Erfinderzertifikat Nr. 141843; 208651; B 21 B 45/08, 1962; Patent RU 1674689 , B 21 B 45/02, 1988; Patent US 2442485 , B 21 B 45/02, 1948 u. a. m.),
2. Druckluftverfahren (Erfinderzertifikat 105495, B 24 C 3/16, 1956; 1609627, B 24 C 3/16, 1989 usw.),
3. Verfahren, wobei die Erzeugnisse bis auf die Versprödungstemperatur der Beschichtungen der Erdölausrüstung abgekühlt werden, um die Beschichtung danach mechanisch zu entfernen (Erfinderzertifikat N 648293, B 08 B 3/10, 1975; N 1712006, B 08 B 9/02, 1992; Patent RU 2060063 , B 08 B 9/02, 1992 usw.).

Die Mängel der genannten und aller anderen Verfahren, denen der Einsatz von Fräserbürsten, Bürsten, Meißeln und dergleichen zugrunde liegt, sind eine geringe Reinigungsqualität und -leistung bei hohem Aufwand.
Unter den chemischen und elektrochemischen Verfahren sind Folgende zu nennen:

1. Verfahren, bei denen die Bauteiloberfläche mit einem organischen Lösemittel, z. B. Benzin, behandelt und anschließend mit einem weichen Putzlappen abgewischt wird (Erfinderzertifikat N 870505, C 23 G 5/02, 1981; Patent EP 0294245 , C 23 F 3/00, 1988). Die Mängel dieses Verfahrens sind die Giftigkeit sowie die Explosions- und Brandgefahr von Benzin. Daher ist eine breite Anwendung des Verfahrens in den Produktionsabläufen zu vermeiden.
2. Verfahren, wonach Hydrochlorid angewendet wird (Erfinderzertifikat N 1790629, C 23 G 5/00, 1991; D. Barl, H. Mudroch. Verfahren zur chemischen und elektrochemischen Metalloberflächenbehandlung. M., 1961). Der Prozess wird in einem abgedichteten Raum durchgeführt. Danach wird das Bauteil bei einer Temperatur von 100–120°C getrocknet, bis das Chloralhydrat völlig verdampft ist. Die Mängel des Verfahrens sind seine Schwierigkeit und der Bedarf an spezieller Ausrüstung sowie ungenügende Verfügbarkeit und hoher Preis des benutzten Reagens.
3. Verfahren mit aufeinanderfolgender Behandlung in einem organochlorhaltigen Lösemittel und in einer Wasserlösung (Erfinderzertifikat Nr. 440450, 1518412, 1792454 usw.).
4. Verfahren, bei denen Säure-, Alkali- oder ihre Salzlösungen angewendet werden (Erfinderzertifikat NN 1388461, C 23 G 3/00, 1986; N 17691819, C 23 G 3/00, 1990; Feuersichere technische Reinigungsmittel. M., 1983 usw.).
5. Verfahren, bei denen die Bauteiloberfläche in einem chlorwasserstoffhaltigen Dampfmedium behandelt wird, wobei solche Dämpfe aus einem Reaktionsgemisch gewonnen werden (Erfinderzertifikat NN 1781323, C 23 G 5/00, 1989; 461167, C 23 G 5/02, 1972; N 382776, C 23 G 5/00, 1970).

Anlagen und Ausrüstung zur Durchführung der genannten Verfahren setzen große Produktionsflächen voraus. Die beim Ätzen freigesetzten Dämpfe sind nicht nur für das Bedienungspersonal gesundheitsschädlich, sondern wirken sich auch auf die Produktionsanlagen und Werkskonstruktionen zerstörend aus. Darüber hinaus müssen Abfälle der gebrauchten Säuren und Alkalien entsorgt werden. Folglich müssen zusätzliche kostenintensive Maßnahmen für den Umweltschutz ergriffen werden.
Aus dem Stand der Technik sind weitere Verfahren und Einrichtungen zur Oberflächenbehandlung und -reinigung von Metallwerkstücken bekannt (Erfinderzertifikat RU 171056 , B 23 K 9/00, 1963; RU 476041 , B 08 B 1/00, 1973; RU 719710 , B 08 B 3/10, 1977; RU 935141 , B 08 B 3/10, 1980; RU 1272725 , C 22 B 9/10, 1985; RU 1695704 , C 23 C 14/02, 1987; RU 1770420 , C 23 B 9/20, 1990; RU 1812239 , C 23 C 14/02, 1990; Patente RU 2030232 , B 21 B 45/04, 1990; RU 2034094 , C 23 C 8/36, 1993; Patente US 5143561 , B 21 B 45/06, 1992, Patent FR 2664510 , B 21 B 37/08, 1992, V. P. Stiblenko, I. V. Sitnikov. Verwendung der Hochfrequenz-Lichtbogenentladung unter Normaldruck, um Metalloberflächen zu reinigen und zu aktivieren. Plasmaverfahren. Wissenschaftliche Sammelwerke. Kiev, 1990 usw.).
Der der vorliegenden Erfindung nächstkommende Stand der Technik der Gesamtheit seiner wesentlichen Merkmale nach sind ein Verfahren und eine Einrichtung aus dem Patent RU 2171721 ”Verfahren zur Erzeugnisoberflächenbehandlung und Einrichtung hierfür”, Prioritätsdatum 23.02.1999. Die Erfinder sind E. S. Senokosov, A. E. Senokosov, V. I. Dikarev und E. E. Nikitina.
Gemäß diesem Stand der Technik erfolgen die Reinigung von Erdölausrüstungen (Pumpgestängen, Steigrohren usw.) und die Entfernung von Kohlenwasserstoffen (Erdöl, Paraffinen, Asphaltenen), Sand, Mineralablagerungen, Oxiden und sonstigen Verschmutzungen mittels grober mechanischer Reinigung einschließlich ihrer nachfolgenden Erwärmung in Vakuumräumen, Rütteleinwirkung, um den Schmutz abzuschütteln, Oberflächenreinigung durch Lichtbogenentladungen, wobei die zu reinigenden Erzeugnisse als Kathoden dienen und wobei der Schmutz auf einem Schrägboden gesammelt wird.
Das im Prototyp beschriebene Verfahren und die Einrichtung weisen einige wesentliche Mängel auf, nämlich:

– Die Nutzung von Vakuum zur Reinigung von Erdölausrüstungen ist kostenintensiv, gefährlich, wenn Vakuumräume mit Kohlenwasserstoffdämpfen gefüllt werden, und setzt eine überdurchschnittliche Qualifikation des Bedienungspersonals voraus.
– Aufgrund des zyklischen Ablaufs (Aufgabe, Vakuumbehandlung, Reinigung, Lufteinfüllung und wieder Aufgabe) wird keine hohe Leistungsfähigkeit sichergestellt.
– Das Gestänge und die Steigrohre werden bei ihrer Kathoden-Lichtbogen-Reinigung als Kathoden verwendet; die Gefahr hier besteht darin, dass unkontrolliertes und unerwünschtes Oberflächenhärten mit Kathodenbrennflecken zustande kommt, wobei Martensitstrukturen gebildet werden.

Der der vorliegenden Einrichtung nächstkommende Stand der Technik der Gesamtheit seiner wesentlichen Merkmale nach ist das Kleinpatent RU 143764 ”Anlage zur Reinigung der Außenfläche von Fernleitungen”, Prioritätsdatum 09.08.2013, Erfinder: G. A. Fokin, V. N. Sivokon', N. E. Ilyin usw. Nach diesem Patent wird die Rohroberfläche mit Hochgeschwindigkeits-Plasmaströmungen von Fackel- oder Strahl-Plasmatronen gereinigt. Dabei werden beliebige Verunreinigungen auf der Rohroberfläche unter der Wirkung von Hochtemperatur-Plasmastrahlen geschmolzen, vergast und durch den Strahlfluss von der Oberfläche entfernt. Zur Reinigung kann bzw. können ein oder mehrere Plasmatronen verwendet werden, die über der zu reinigenden Oberfläche bewegt werden.
Der Prototyp hat folgende Mängel:

– Während der Oberflächenreinigung bleiben viele Abfälle in Form von alten Rohrbeschichtungsbruchstücken zurück, die getrennt entsorgt werden müssen.
– Der Prototyp ermöglicht es nicht, die Innenräume von Kleinrohren, z. B. Steigrohren, zu reinigen.
– Beim Prototyp ist es nicht möglich, die Rohre umweltfreundlich zu reinigen; darüber hinaus ist es sehr schwer, flüchtige und gasförmige Abfälle abzufangen.
– niedrige Leistungsfähigkeit,
– hohe Reinigungskosten.

Alle vorgenannten Nachteile werden durch die vorliegende Erfindung behoben.
Wesen der Erfindung
Das beanspruchte Reinigungsverfahren und die Einrichtung hierfür ermöglichen es, Steigrohre innen und außen mit minimalen Abfällen und umweltfreundlich zu reinigen.
Pumpgestänge und Steigrohre sind sehr wichtige Baugruppen bei der Erdöl- und Gasgewinnung aus Tiefschichten der Erde. Ihre Festigkeit und Zuverlässigkeit sorgen für die Stabilität der Erdöl- und Gasgewinnung. Ihre mehrmalige Wiederverwendbarkeit nach der Reparatur legt die Erdöl- und Gaskosten fest, denn sie sind der Bestandteil ihres Preises. Somit ist das Ziel der Erfindung die Steigerung der Reinigungsleistung des Pumpgestänges und der Steigrohre während der Reparaturarbeiten, die Sicherstellung einer hohen Festigkeit und Zuverlässigkeit dieser Erzeugnisse sowie die Verringerung der Selbstkosten bei der Reparatur von Steigrohren und Pumpgestängen.
Gemäß dem vorliegenden Verfahren und der Einrichtung erfolgt die Oberflächenreinigung von Steigrohren und Pumpgestängen und die Entfernung von Verunreinigungen (Öl, Paraffinen, Asphaltenen, Mineralablagerungen, Oxide usw.) durch die kurzzeitige Einwirkung eines kalten Plasmas mit einer Temperatur zwischen 6000–20000°C und mit einer Energiedichte von 10¹¹ W/m² auf der zu reinigenden Oberfläche.
Bei einer solchen Temperatur und Wärmeenergiedichte verdampfen oder sublimieren alle bekannten chemischen Elemente und ihre Verbindungen von der zu reinigenden Oberfläche augenblicklich, wodurch eine saubere Oberfläche zurückbleibt.
Ein solcher Reinigungsprozess läuft mit einer hohen Reinigungsleistung ab. Er ist von Wetterbedingungen (Hitze, Frost) unabhängig und umweltfreundlich, denn alle organischen Moleküle dissoziieren unter der Hochtemperatur (6000–20000°C), das heißt, sie zerfallen in ihre Bestandteile C, O₂, H₂-Atome. Infolge einer Rekombination (nachfolgender Verbrennung) bilden diese aus zusammengesetzten krebserzeugenden Molekülen die einfachsten gefahrlosen Verbrennungsprodukte wie CO₂ und H₂O.
Zu dieser Verwandlung der krebserzeugenden Moleküle in die einfachsten ungefährlichen Verbindungen trägt die Nutzung von Kohlenwasserstoffen, Luft, Sauerstoff, Alkohol, Azeton und ihren Mischungen als plasmabildende Arbeitskörper bei.
Dieser Grundsatz liegt heutzutage dem Betrieb von wärmetechnischen Anlagen für die Entsorgung von chemischen Waffen und giftigen chemischen Verbindungen zugrunde (M. N. Bernadiner. A. P. Shuryguin. Abfallverwertung mit Feuer und Entsorgung von Industrieabfällen. M.: Chemie, 1990).
Der Einsatz von Propan- oder Azetylengasbrennern ergibt bei der Reinigung von Steigrohren keinen solchen Effekt aufgrund der niedrigen Temperatur und Energiedichte im Strahl der Verbrennungsprodukte dieser Brenner. Im Gegenteil, es führt zur Vergasung von schadhaften zusammengesetzten organischen Molekülen. Eine solche Situation liegt z. B. bei einer kalten (konventionellen) Müllverbrennung vor, wobei nur eine Umweltverschmutzung verursacht wird.
Somit besteht das Wesen des vorliegenden Reinigungsverfahrens nicht darin, dass die Oberflächenreinigung von Metallrohren durch eine rein mechanische Schmutzentfernung erfolgt, bei der feste Teilchen in einem Druckluftstrahl (Sand- und Schrotstrahlreinigung) gegen die Oberfläche aufprallen. Bei diesem Reinigungsverfahren handelt es sich darum, dass zuerst eine Hochtemperatureinwirkung eines Plasmastroms auf die Schmutzteilchen an der Oberfläche vorgenommen wird und dass ein Plasmastrahl anschließend diese Schmutzteilchen von der Oberfläche wegbläst (mittels Verdampfung oder Sublimation). Am wirksamsten erweist sich diese Reinigungsart, wenn der Plasmastrahl schräg zur Oberfläche der Steigrohre einfällt. Die gesamten auf der Steigrohroberfläche vorhandenen Verunreinigungen werden vergast und gehen von der Oberfläche weg. Dabei erfolgt die Oberflächenreinigung praktisch auf der molekularen oder atomaren Ebene. Der Vorgang läuft rasch ab; daher kommt das Rohrmaterial nicht dazu, sich bis auf Hochtemperaturen zu erwärmen.
Dementsprechend schmelzen die Kohlenwasserstoffe (Öl, Paraffin, Asphaltene usw.) bei kurzzeitiger Plasma-Einwirkung auf die zu reinigende Oberfläche und vergasen sofort. Mineralablagerungen und Oxidkrusten platzen aufgrund des Wärmeschocks auf der Oberfläche. Ihre Adhäsionsbindung zur Metalloberfläche der Erzeugnisse wird aufgelöst. Die gasförmigen Abfallprodukte der Reinigung sowie Teilchen von Mineralablagerungen und Oxiden werden unter der Wirkung der die zu reinigende Oberfläche umströmenden Hochgeschwindigkeitsplasmaströmung von dieser Oberfläche entfernt.
Danach fließen diese Abfallprodukte über die Gasleitungen des Lüftungssystems zu den Filtern, in denen die Reinigungsabfallprodukte abgefangen und anschließend zusammen mit den Filtern entsorgt werden.
Gemäß dem vorliegenden Reinigungsverfahren werden die durch Asphalt-, Harz-, Paraffinablagerungen, Rost (Oxide), Mineralablagerungen und Erdöl verunreinigten Steigrohre in eine Durchlaufkammer für die äußere Rohrreinigung gefördert. Die Durchlaufkammer hat einen Ein- und einen Austritt und ein Fahrwerk, um die Steigrohre durch die Durchlaufkammer fortschreitend, axial-radial und reversierbar zu transportieren. Der Innenraum der Durchlaufkammer ist mit einem Lüftungssystem verbunden, um gasförmige Reinigungsabfallprodukte abzuleiten. Darüber hinaus ist der Innenraum der Durchlaufkammer mit einer Abfallsammelanlage verbunden, um flüssige und Festabfallprodukte zu sammeln. Die Wände der Durchlaufkammer sind mit Kanälen versehen, um ihr Gehäuse zu kühlen, wenn es während des Betriebs warm wird, oder um es zu erwärmen, um die Aufnahme von Asphalt-, Harz- und Paraffinablagerungen in einer Wanne und danach in einer Mündung zur Ausgabe in einen Sammelbehälter zu erleichtern.
In den Wänden der Durchlaufkammer zur Außenreinigung von Steigrohren ist bzw. sind ein und mehr Strahl- oder Fackel-Plasmatronen eingebaut (Patent RU 143764 vom 09.08.2013. G. A. Fokin, V. N. Sivokon', N. E. Il'yin usw.) und zwar so, dass die Oberfläche der verunreinigten Steigrohre oder Pumpgestänge durch die Hochgeschwindigkeits-Plasmastrahlen der Plasmatronen gereinigt wird, wenn die Steigrohre oder Pumpgestänge durch die Durchlaufkammer transportiert werden. Dabei werden die Steigrohre oder Pumpgestänge selbst erwärmt. Die Reinigung der Außenoberfläche wird so gestaltet, dass die Innenwand des Steigrohrs gegen den Abschluss der Reinigung hin die Schmelztemperatur von Asphalt-, Harz- und Paraffin-Ablagerungen erreicht. Danach werden die Asphalt-, Harz- und Paraffin-Ablagerungen über die angeschmolzene und am Umfang von den Asphalt-, Harz- und Paraffin-Ablagerungen flüssige Grenzschicht aus dem Steigrohr leicht ausgestoßen. Bei Versuchen dauerte das weniger als eine Minute lang, und in manchen Fällen fiel der Kern von Asphalt-, Harz- und Paraffin-Ablagerungen unter der Schwerkraft aus den Steigrohren hinaus. Dieses Verfahren ist insbesondere in der Winterzeit wirksam, wenn die Asphalt-, Harz- und Paraffin-Ablagerungen innerhalb der Steigrohre bei tiefen Temperaturen (unter Null) sehr fest werden und an die Innenwand des Steigrohrs stark gebunden sind. Unter solchen Umständen lässt sich der Ablagerungskern sogar manchmal nicht ausbohren, weil er Sand enthält.
In der Praxis ist der Innenraum der Steigrohre nicht immer durch Asphalt-, Harz- und Paraffin-Ablagerungen verunreinigt. Oft sammeln sich hier andere Verunreinigungen (Mineralablagerungen, Rostkrusten usw.). Um diese zu entfernen, reicht es manchmal, das Steigrohr auf eine hohe Temperatur, allerdings max. 650°C, zu erwärmen. Dieser Grenzwert ist vorgesehen, um eine willkürliche Wärmebehandlung, z. B. Härten, zu vermeiden. Normalerweise werden solche Wärmebehandlungen möglich, wenn die erreichte Temperatur die Temperatur einer Phasen- und Gefügeänderung überschreitet. Solche Änderungen sind möglich, wenn der Stahl über 700°C erhitzt wird (J. P. Solntsev, E. I. Prjykhin, F. Vojtkun. Werkstoffkunde, M. MISIS, 1999. S. 217). Werden Steigrohre auf 650°C erhitzt, so verlieren alle kristallinen Mineralablagerungen und Rostkrusten jegliche Bindung an das Rohrmetall und lassen sich leicht zerkleinern. Darum können sie problemlos dem Rohr entnommen werden. Genau darauf sind das Verfahren und die Einrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung abgezielt.
Nach der Außenreinigung in der Durchlaufkammer werden die Steigrohre zum Innenreinigungsbereich transportiert. Hier werden die Asphalt-, Harz- und Paraffin-Ablagerungen aus dem Innenraum der Steigrohre hinausgestoßen. Die Ablagerungen werden durch einen mechanischen Kolben, durch Dampfdruck, Druckgas, Druckflüssigkeit oder durch Schwerkraft bei geneigten Steigrohren ausgestoßen. Die Asphalt-, Harz- und Paraffin-Ablagerungen werden in einen Entsorgungsbehälter ausgestoßen.
Da die Reste der Asphalt-, Harz- und Paraffin-Ablagerungen, Mineralablagerungen und sonstigen Verunreinigungen an der Innenwand der Steigrohre noch zurückbleiben können, werden die Steigrohre zu einem Feinreinigungsbereich transportiert.
Die Aufgaben der Feinreinigung des Innenraums der Steigrohre sind die Vergasung, die thermische Dissoziation (Aufspaltung) der Asphalt-, Harz- und Paraffin-Ablagerungen und danach die Hochtemperatur-Verbrennung mit anschließender Entnahme von gasförmigen, aerosolartigen und staubartigen Abfallprodukten der Innenreinigung aus dem Innenraum des Steigrohrs sowie ihre Abführung in die Rauchabsaugung und dann durch die Filter ins Freie.
Dafür wird ein Strahl-Plasmatron im Feinreinigungsbereich in das Rohr eingeführt, oder das Steigrohr wird auf ein an einer Stange befestigtes Plasmatron aufgezogen. Im Zuge der Bewegung des Plasmatrons innerhalb des Steigrohrs werden die Reste von Asphalt-, Harz- und Paraffin-Ablagerungen aufgrund der Zusammenwirkung zwischen dem Plasmastrahl und den Innenwänden verdampft, aufgespaltet und im Innenraum des Steigrohrs verbrannt. Damit die Kohlenwasserstoffe völlig verbrennen, werden neben dem Plasmatron noch Luft, Sauerstoff oder andere Gase (gleichläufig oder konzentrisch mit dem Plasmastrahl) in das Rohr eingeführt. Diese sorgen für die vollständige Hochtemperaturverbrennung der Reste der Asphalt-, Harz- und Paraffin-Ablagerungen. Das ähnelt dem Verbrennungsvorgang in der Reaktionskammer eines Hybrid-Raketentriebwerks (Große Sowjetische Enzyklopädie, 3. Auflage, M. Sowetskaja Enzyklopädia, 1971, S. 1357).
Infolge der Hochtemperatur-Wechselwirkung zwischen dem Plasmastrahl sowie den Verbrennungsprodukten der Asphalt-, Harz- und Paraffin-Ablagerungen und der Innenwand der Steigrohre und durch den Wärmeschock platzen die Mineralablagerungen und Oxidkrusten und lösen sich von den Innenwänden ab. Dann werden sie mit dem Fluss von Verbrennungsprodukten zu einer Gasleitung hinausgetragen. Die Gasleitung ist mit dem freien Ende des Steigrohrs verbunden. Somit werden die Abfallprodukte dem Lüftungssystem sowie dem Sammelsystem für die Reinigungsabfallprodukte zugeführt. Dafür wird das freie Ende des Steigrohrs mit der Gasableitungsbaugruppe vor der Feinreinigung verbunden, oder diese Baugruppe wird aufgezogen und mit dem Steigrohr dicht zusammengefügt. Gasförmige Reinigungsabfallprodukte sind heiß. Deswegen sind die Gasableitungsbaugruppe und die Gasleitung mit einer Zwangskühlung der Wände und des Gehäuses versehen. Alternativ werden, um die Hochtemperaturströmung abzukühlen, in diese Hochtemperaturströmung Flüssigkeit, Dampf oder Gase, z. B. Wasser, Wasserdampf oder Luft, eingespritzt.
Sollten die Steigrohre beim Transport zwischen den Innenreinigungsbereichen verunreinigt werden, so wird am Austritt des Bereichs für die Innen-Feinreinigung der Steigrohre eine zusätzliche Durchlaufkammer für die Außenreinigung der Steigrohre aufgestellt. Bei dieser Durchlaufkammer handelt es sich um eine Kopie der Eintritts-Durchlaufkammer zur Reinigung der Außenoberfläche der Steigrohre. Allerdings hat diese zusätzliche Durchlaufkammer eine geringere Kapazität.
Kurzfassung der Figuren
Das Verfahren zur Reinigung der Steigrohre und die Einrichtung hierfür werden nun näher anhand von Ausführungsbeispielen erläutert. Die in den Figuren verwendeten Bezugszeichen sind folgende:
Bezugszeichenliste

1: verunreinigtes Ausgangs-Steigrohr
2: Fahrwerk zum Transport des Steigrohrs durch die Durchlaufkammer für die Außenreinigung
3: Entlüftungsanlage mit Filtern
4: System zur Einführung von Gas, Dampf und/oder Flüssigkeit in den Innenraum der Durchlaufkammer
5: Kühlungssystem der Durchlaufkammer
6: Strahl-Plasmatronen für die Außenreinigung der Steigrohre
7: Gehäuse der Durchlaufkammer für die Reinigung
8: Steigrohr während der Außenreinigung
9: Fahrwerk zum Transport des Steigrohrs aus der Durchlaufkammer des Außenreinigungsbereichs zum Innenreinigungsbereich
10: außen gereinigtes Steigrohr
11: Einrichtung für Gas-, Dampf- oder Flüssigkeitszufuhr, um Asphalt-, Harz- und Paraffin-Ablagerungen aus dem Steigrohr auszustoßen
12: Einrichtung zur Bewegung eines Kolbens zur Steigrohrinnenreinigung und Entfernung von Asphalt-, Harz- und Paraffin-Ablagerungen
13: Kolbenstange
14: Kolben (Bürste)
15: Steigrohr im Innenreinigungsbereich
16: bewegliche Sammelanlage für feste und flüssige Reinigungsabfallprodukte aus dem Innenraum des Steigrohrs
17: Fahrwerk für das Steigrohr
18: Fahrwerk zur reversierbaren Bewegung des Plasmatrons für die Innen-Feinreinigung des Steigrohrs
19: Gas- und Flüssigkeitszufuhrsystem für die Gas- und Flüssigkeitsversorgung, koaxial oder gleichläufig mit dem Plasmastrahl
20: Plasmatron für die Innenreinigung des Steigrohrs
21: Abdichtbaugruppe am Eintritt des Plasmatrons in das Steigrohr
22: Koppel- und Verfahrvorrichtung zum Verfahren der Sammelanlage für die Reinigungsabfallprodukte
23: Filter in der Absauganlage zur Entfernung von aerosolartigen und gasförmigen Reinigungsabfallprodukten aus Steigrohren
24: Gasableitungsbaugruppe für flüssige und gasförmige Abfallprodukte im Bereich der Innenreinigung der Steigrohre
25: System zur Einführung und Zerstäubung von Gas, Wasser und Wasserdampf in einer Gasleitung
26: Kühlungssystem für Gasleitungswände
27: Fahrwerk zum Verfahren der Steigrohre auf dem Plasmatron während der Fein-Innenreinigung der Steigrohre
28: Steigrohr im Bereich der Feinreinigung
29: Gas- und Flüssigkeitszufuhrleitungen, koaxial oder gleichläufig mit dem Plasmastrahl
30: Filter
31: Gehäuse der Durchlaufkammer zur Außenreinigung der Steigrohre
32: Entlüftungsanlage (Lüftungssystem)
33: Kühlungssystem der Durchlaufkammer für Außenreinigung
34: gereinigtes Steigrohr
35: Strahl-Plasmatronen für die Außen-Feinreinigung
A.: Plasmastrahlen von Plasmatronen

Ausführung der Erfindung
Gemäß der vorliegenden Erfindung werden die außen und innen verunreinigten Steigrohre 1 mit Hilfe eines Fahrwerks 2 in ein Gehäuse einer Reinigungs-Durchlaufkammer 7 gefördert. Hier wird die Außenoberfläche der Steigrohre mittels der Strahlen A von Plasmatronen 6 gereinigt und erwärmt. Während der Außenreinigung der Steigrohre mittels der Strahlen A der Plasmatronen 6 in der Durchlaufkammer werden Reinigungsabfallprodukte stark erhitzt. Um die Temperatur der Reinigungsabfallprodukte zu senken und ihr Nachbrennen zu vermeiden, ist in der Entlüftungsanlage mit Filtern 3 und innerhalb der Durchlaufkammer 7 ein System 4 vorgesehen, um der Strömung der Reinigungsabfallprodukte Gas-, Dampf- und/oder Flüssigkeiten (Wasser, Dampf, CO₂, N₂ usw.) zuzuführen. Das Gehäuse der Durchlaufkammer 7 ist mit einer Kühlung 5 versehen. Danach kommt das erwärmte Steigrohr 10 in den Innenreinigungsbereich. Hier werden Asphalt-, Harz- und Paraffin-Ablagerungen mit Hilfe einer Einrichtung 12 zur Bewegung einer Kolbenstange 13 und eines Kolbens 14 oder mit Hilfe von einer Einrichtung 11 mittels Druckgases, Dampfes oder Flüssigkeit aus dem Innenraum des Steigrohrs 15 hinausgestoßen. Außerdem werden Asphalt-, Harz- und Paraffin-Ablagerungen durch die Schwerkraft bei geneigten Steigrohren entfernt (die Kippvorrichtung ist auf dem Schema nicht abgebildet). Während der Reinigung mit Hilfe des Kolbens wird der Kolben 14 in das Steigrohr mit Hilfe der Einrichtung 12 eingeführt, oder das Steigrohr 15 wird mit Hilfe eines Fahrwerks 17 auf den Kolben 14 aufgeschoben. Feste oder flüssige Verunreinigungen werden in einer Sammelanlage 16 für feste und flüssige Abfallprodukte gesammelt. Die Sammelanlage kann mit Hilfe eines Fahrwerks 22 zusammen mit dem Steigrohr 15 verschoben werden, ohne dass die Verbindungsdichtheit verletzt wird.
Danach wird das Steigrohr 10 zum Feinreinigungsbereich transportiert. Hier wird ein Strahl-Plasmatron 20 in das Steigrohr mit Hilfe eines reversierbaren Fahrwerks 18 eingefahren. Alternativ wird das Steigrohr 28 auf das Strahl-Plasmatron 20 mit Hilfe eines Fahrwerks 27 aufgeschoben. Unter der Wirkung des Plasmastrahls verdampfen die Reste der Asphalt-, Harz- und Paraffin-Ablagerungen von den Innenwänden des Steigrohrs, und sie gehen in gasförmigem Zustand über die Gasableitungsbaugruppe 24 und das Filtersystem 23 in die Entlüftungsanlage hinaus. Die Gasableitungsbaugruppe 24 ist mit dem zu reinigenden Steigrohr 28 dicht verbunden. Dabei kann die Gasableitungsbaugruppe 24 zusammen mit dem Steigrohr mittels des Fahrwerks 22 verschoben werden, wenn sie auf das Strahl-Plasmatron 20 aufgeschoben werden muss, ohne die Dichtheit der Verbindung zu verletzen. Die Versuche der Erfinder haben Folgendes gezeigt: Die Zufuhr von Luft und Brenngasen in den Bereich des Plasmastrahls des Plasmatrons 20 oder gleichläufig damit in den Innenraum des Steigrohrs regt eine intensive Hochtemperaturverbrennungsreaktion der Asphalt-, Harz- und Paraffin-Ablagerungen innerhalb des Rohrs an, ähnlich wie es in der Reaktionskammer eines Hybrid-Raketentriebwerks der Fall ist. Brenngase, Flüssigkeiten und Luft werden aus dem Zufuhrsystem 19 über verschiedene Leitungen 29 in den Bereich des Plasmastrahls des Plasmatrons 20 oder koaxial damit in den Innenraum des Steigrohrs gefördert. Dadurch wird die Innenreinigungsintensität und -leistung des Steigrohrs und die Entfernung der Asphalt-, Harz- und Paraffin-Ablagerungen schlagartig erhöht, weil die Hochgeschwindigkeitsströmung der Verbrennungsprodukte im Rohr heftig ist. Diese Hochgeschwindigkeitsströmung streift beliebige Mineralablagerungen, Sand und Oxide von den Innenwänden der Steigrohre ab. Ähnlich wie beim Hybrid-Raketentriebwerk kann die Geschwindigkeit dieser Hochtemperaturströmung einige Hundertmeter pro Sekunde erreichen. Diese Strömung kommt vollständig in die Gasableitungsbaugruppe 24 hinein, die mit dem Steigrohr 28 dicht zusammengefügt ist. Die für die Einführung des Plasmatrons 20 in das Steigrohr zuständige Stange am Eintritt des Plasmatrons 20 wird durch die Abdichtbaugruppe 21 abgedichtet. Dadurch wird der Reinigungsvorgang umweltfreundlich und in einem geschlossenen Raum durchgeführt. Das Gehäuse der Gasableitungsbaugruppe 24 ist mit einer Zwangskühlung 26 versehen. Um die Temperatur der Verbrennungsprodukte am Austritt in der Gasableitungsbaugruppe 24 zu senken, ist ein System 25 zur Einführung und Zerstäubung von Flüssigkeiten, Dampf und Gasen (H₂O, CO₂, N₂ usw.) in den Verbrennungsprodukten vorgesehen.
Nach der Innenreinigung des Steigrohrs durch das Strahl-Plasmatron 20 können die Reinigungsabfallprodukte das Steigrohr außen beim Transport zwischen den einzelnen Reinigungsbereichen eventuell unkritisch verunreinigen. In diesem Fall lässt man das Steigrohr durch eine Durchlaufkammer 31 für Außenreinigung zusätzlich laufen. Diese zusätzliche Durchlaufkammer hat eine Absaugung für Reinigungsabfallprodukte, um diese in die Entlüftungsanlage 32 über die Filter 30, die Strahl-Plasmatronen 35 und das Gehäusekühlungssystem 33 abzuleiten. Das saubere Steigrohr 34 wird am Austritt zur weiteren Reparatur abtransportiert.
Die Firma ZAO PETROPLASMA (Aktiengesellschaft PETROPLASMA), deren Eigentümer und Mitarbeiter die Erfinder sind, führt Forschungs- und Entwicklungsarbeiten sowie Versuchs- und Konstruktionsprojekte im Bereich von Plasmamaschinen zur Reinigung von Metalloberflächen und zur Entfernung von Zunder, Rost und beliebigen sonstigen Verunreinigungen seit mehr als zehn Jahren durch (Plasma-Lichtbogenreinigung von Metallerzeugnissen, E. S. Senokosov, A. E. Senokosov, Metallurg Heft 4, 2005.-S. 44; Patent RU 143764 vom 09.08.2013 usw.).
Die Experimente unter Einsatz von Strahl-Plasmatronen gemäß der vorliegenden Erfindung zeugen davon, dass die Entfernung von Asphalt-, Harz- und Paraffin-Ablagerungen und beliebigen sonstigen Verschmutzungen auf Steigrohren 3- bis 5-fach produktiver und umweltfreundlich abläuft. Die Menge der Abfallprodukte wird bedeutend kleiner. Die Reinigungskosten sinken 2- bis 3-fach. Das vorliegende Verfahren und die Einrichtung hierfür erwiesen sich als zweckmäßig und nützlich.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

RU 1674689 [0003]
US 2442485 [0003]
RU 2060063 [0003]
EP 0294245 [0005]
RU 171056 [0007]
RU 476041 [0007]
RU 719710 [0007]
RU 935141 [0007]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

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Claims

Reinigungsverfahren für Steigrohre mit der Einwirkung eines Kaltplasma-Strahls eines Plasmatrons oder mehrerer Kaltplasma-Strahlen mehrerer Plasmatronen auf die zu reinigende Oberfläche, mit Vergasung und thermischer Dissoziation der Reinigungsabfallprodukte sowie mit nachfolgender Rekombination der Reinigungsabfallprodukte unter Bildung von einfachsten Wasser- und Kohlendioxid-Molekülen, wobei die Steigrohre und die Plasmatronen zueinander verschoben werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenfläche des Steigrohrs mit einem oder mehreren Kaltplasma-Strahlen von einem oder mehreren Plasmatronen gereinigt wird, bis die Grenzschicht zwischen Asphalt-, Harz- und Paraffinablagerungen innerhalb des Steigrohrs und dessen Innenwand angeschmolzen ist.
Reinigungsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Steigrohr während der Reinigung auf max. 650°C erwärmt wird.
Reinigungsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Asphalt-, Harz- und Paraffinablagerungen nach der Außenreinigung und der Erwärmung des Steigrohrs auf die Schmelztemperatur der Grenzschicht zwischen den Asphalt-, Harz- und Paraffin-Ablagerungen und der Innenwand des Steigrohrs aus dem Innenraum entfernt werden.
Reinigungsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahl eines Plasmatrons oder die Strahlen mehrerer Plasmatronen in einem spitzen Winkel zur zu reinigenden Außenfläche des Steigrohrs ausgerichtet wird bzw. werden.
Reinigungsverfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass Asphalt-, Harz- und Paraffinablagerungen mittels Druckgases, Dampfes oder Flüssigkeit aus dem Rohrinnenraum entfernt werden.
Reinigungsverfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass Asphalt-, Harz- und Paraffinablagerungen mittels eines Kolbens aus dem Rohrinnenraum entfernt werden.
Reinigungsverfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Steigrohr schräg gestellt wird und dass die Asphalt-, Harz- und Paraffinablagerungen aus dem Rohrinnenraum durch Schwerkraft entfernt werden.
Reinigungsverfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Strahl-Plasmatron in das Steigrohr eingefahren wird und/oder das Steigrohr auf das Strahl-Plasmatron aufgeschoben wird, so dass die thermodynamische Einwirkung des Plasmastrahls auf die Innenfläche des Steigrohrs ermöglicht ist, und dass die Reinigungsabfallprodukte nach der Innenreinigung über das freie Rohrende entfernt werden.
Reinigungsverfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein offenes Ende des Steigrohrs an eine Gasleitung angeschossen wird, um das Abpumpen der flüssigen und der gasförmigen Reinigungsabfallprodukte aus dem Innenraum des Steigrohrs zu ermöglichen.
Reinigungsverfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenraum des Steigrohrs um eine Stange am Eintritt des Plasmatrons abgedichtet ist.
Reinigungsverfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass als plasmabildender Arbeitskörper Flüssigkeit, Dampf und/oder Gas für das Strahl-Plasmatron verwendet wird.
Reinigungsverfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass Wände der Gasleitung zwangsweise gekühlt werden.
Reinigungsverfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass Gas, Wasser oder Wasserdampf im Innenraum der Gasleitung zerstäubt wird.
Reinigungsverfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass als plasmabildender Arbeitskörper Luft, Sauerstoff, Inertgase, Stickstoff, Kohlenwasserstoffgase, Kohlendioxidgas, Wasserstoff und ihre Mischungen für das Strahl-Plasmatron eingesetzt werden.
Reinigungsverfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass als plasmabildender Arbeitskörper Wasser, Alkohol, Azeton, flüssige Kohlenwasserstoffe und ihre Mischungen beim Strahl-Plasmatron eingesetzt werden.
Reinigungsverfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass Sauerstoff, Luft, Gase, Dampf und/oder Aerosole von flüssigen Kohlenwasserstoffen und/oder Wasser gleichläufig und/oder koaxial mit dem Plasmastrahl des Plasmatrons dem Innenraum des Steigrohrs zugeführt werden.
Reinigungsverfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Steigrohr am Abschluss des gesamten verfahrenstechnischen Reinigungsablaufs zusätzlich in einer Durchlaufkammer durch einen oder mehrere Strahlen eines oder mehrerer Plasmatronen gereinigt wird.
Einrichtung zur Reinigung von Steigrohren mit mindestens einem Plasmatron, einem System zur Stromversorgung, mit einer Kühlung, Speicherung und Zuführung eines plasmabildenden Arbeitskörpers und mit einem System zum Verschieben des Steigrohrs und/oder des Plasmatrons zueinander, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung mit einer Durchlaufkammer am Eintritt versehen ist, dass wenigstens ein Plasmatron oder mehrere Plasmatronen in den Wänden der Durchlaufkammer an ihrem Umfang angeordnet ist bzw. sind, so dass der Plasmastrahl auf die Außenfläche des Steigrohrs einwirken kann.
Einrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenraum der Durchlaufkammer mit einer Absaugung und Filtern verbunden ist.
Einrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Wände der Durchlaufkammer mit Kanälen versehen sind, um die Durchlaufkammer zu kühlen oder zu erwärmen.
Einrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Wannengeometrie und/oder die Gehäusetemperatur der Durchlaufkammer derart ausgebildet sind, dass asphalt-paraffinhaltige Reinigungsabfallprodukte geschmolzen und diese im flüssigen Zustand von den Wänden in der Ablassmündung gesammelt werden..
Einrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass ein Fahrwerk sich in oder außerhalb der Durchlaufkammer befindet, dass die reversierbare, fortschreitende und/oder axial-radiale Bewegung des Steigrohrs zum Strahl oder den Strahlen des Plasmatrons oder der Plasmatronen innerhalb der Durchlaufkammer ermöglicht ist.
Einrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Eintritts-Durchlaufkammer mit Gas- oder Flüssigkeitszufuhrleitungen versehen ist, um Gas oder Flüssigkeit dem Innenraum durch einen Spalt zwischen dem Steigrohr und der Innenwand der Durchlaufkammer zuzuführen.
Einrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass sie mindestens mit einem Fahrwerk versehen ist, um das Steigrohr aus der Durchlaufkammer des Außenreinigungsbereichs zu Innenreinigungsbereichen zu transportieren.
Einrichtung nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenreinigungsbereich eine Sammelanlage für Reinigungsabfallprodukte aus dem Innenraum des Steigrohrs enthält, wobei das freie Ende des Steigrohrs mit der Sammelanlage dicht zusammengefügt werden kann und/oder dass die Sammelanlage aufgeschoben und mit dem freien Ende des Steigrohrs verbunden sowie zusammen mit dem Steigrohr verschoben werden kann.
Einrichtung nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenreinigungsbereich einen Kolben enthält, der es ermöglicht, die inneren Verunreinigungen aus dem Steigrohr in die Sammelanlage für feste und flüssige Reinigungsabfallprodukte mechanisch auszustoßen und/oder dass der Innenreinigungsbereich ein Fahrwerk für das Steigrohr enthält, um das Steigrohr auf den Kolben über die gesamte Steigrohrlänge aufzuschieben.
Einrichtung nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenreinigungsbereich eine Einrichtung enthält, so dass die inneren Verunreinigungen aus dem Steigrohr in die Sammelanlage für die Reinigungsabfallprodukte mit Hilfe von Dampf, Druckgasen oder Druckflüssigkeiten ausgestoßen werden können.
Einrichtung nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Innenreinigungsbereich für Steigrohre ein Bereich zur Innen-Feinreinigung folgt, dass der Innen-Feinreinigungsbereich eine Gasableitungsbaugruppe enthält, so dass ein Ende des Steigrohrs mit der Gasableitungsbaugruppe verbunden werden kann, oder dass die Gasableitungsbaugruppe aufgeschoben und mit dem Steigrohr verbunden werden kann.
Einrichtung nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass sie ein Strahl-Plasmatron und ein Fahrwerk enthält und dass das Fahrwerk derart ausgebildet ist, dass es das Plasmatron in den Innenraum des Steigrohrs über die gesamte Länge des freien Endes des Steigrohrs reversierbar einfährt.
Einrichtung nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass sie mit einem an einer Stange befestigten Plasmatron versehen ist, dass das Plasmatron axial am Steigrohr befestigt ist und dass die Einrichtung ein Fahrwerk enthält, um das Steigrohr auf das Strahl-Plasmatron über die ganze Länge oder einen Abschnitt des Steigrohrs aufzuschieben, so dass die Gasableitungsbaugruppe zusammen mit dem Steigrohr verschoben werden kann, ohne dass die Verbindungsdichtheit verletzt wird.
Einrichtung nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasableitungseinrichtung und die Gasleitung mit einer Zwangskühlung und/oder mit einem Einspritzsystem versehen sind, um Flüssigkeiten, Dampf und/oder Gas in die Strömung der aerosolartigen und gasförmigen Reinigungsabfallprodukte einzuspritzen.
Einrichtung nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasableitungsbaugruppe mit einer Entlüftungsanlage dicht verbunden ist, die Filter für aerosolartige und gasförmige Reinigungsabfallprodukte enthält.
Einrichtung nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, dass als plasmabildender Arbeitskörper Gase, Flüssigkeiten, Pasten und ihre Mischungen für das Strahl-Plasmatron oder die Plasmatronen verwendet werden.
Einrichtung nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, dass Gas- und Flüssigkeitszufuhrleitungen an das Plasmatron angeschlossen sind, die eine Gas- und Flüssigkeitszufuhr koaxial und/oder gleichläufig mit dem Plasmastrahl ermöglichen.
Einrichtung nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, dass sie am Austritt eine Durchlaufkammer mit einem oder mehreren Strahl-Plasmatronen aufweist, so dass die Außenreinigung des Steigrohrs ermöglicht ist, und dass die Durchlaufkammer mit einer Entlüftungsanlage und mit Filtern verbunden ist.