JP2011509883A - パイプ内走行装置及びパイプライン内で動作を実行するための方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、パイプライン走行装置とも呼ばれるパイプ内走行装置に関する。走行装置は、反対方向に回転して、走行装置をパイプラインに沿って移動させるか、又は互いに独立してより複雑な運動を実行する第１（２ａ）及び第２（２ｂ）のホイールアセンブリを含む。各ホイールアセンブリ（２ａ、２ｂ）は、ホイールアーム（４）の自由端に多数のホイール（５）を含み、各ホイール（５）は、シャーシ（１）の軸に対して角度を付けられた回転軸を有する。各ホイール（５）は、大径端及び小径端を有する回転対称体として形成され、大径端によって片側のみでホイールアーム（４）に取り付けられる。

Description

本発明は、パイプライントラクタ又はパイプライン走行装置とも呼ばれるパイプ内走行装置に関し、これは、パイプライン内部を進み、測定機器及びツールを搬送する装置である。そのような装置は、油及びガス産業で特に用いられるが、他の分野、たとえば送水管、下水管又は通気管を検査して洗浄するための用途も見られる場合がある。本発明の第２の態様は、パイプライン走行装置を用いることによって、パイプライン内で動作を実行するための方法に関する。

これまでに、異なる技術に基づいて何種類ものパイプライン走行装置が作られてきた。いくつかは、推進力（ピグ）用にパイプライン内を流れる流体を用いるか、又はワーム的運動により移動する。他は、パイプラインにそって移動するためのホイール又はベルトを用いる。

Ｂｏｄｉｚｎの米国特許第５，５５１，３４９号からは、シャーシの各端に取り付けられた２つの同軸に調整されたホイールアセンブリを含むパイプライン走行装置が周知である。各ホイールアセンブリは、ハブを中心として角度をなして位置付けられた、多数の細長いローラ（ホイール）を含む。各ローラは、パイプライン壁にローラを押し付けるばね機構によって両端で懸架される。各ホイールアセンブリのローラは、反対方向に傾けられ、シャーシ内部のモータによって反対方向に回転する。これが、パイプライン内部での直進運動を引き起こす。

今日のパイプライン走行装置は、多数の欠点を有する。１つは、かなり低いトラクション力を有することであり、これは主に壁に対するホイールの接地面が狭いことに起因する。このことは、これらが水平なパイプラインでは良好に動作するが、急勾配のパイプラインを上るには非常に限定された能力を有する。このことはまた、これらが非常に限られたワークロードのみしか運べない、すなわちこれらがパイプラインに沿って重いツール又はケーブルを引きずることができないことを意味する。別の欠点は、これらは、パイプライン内の湾曲部又はＴ字セクションを通過することになったときに、非常に制限されることであり、すなわちホイールを搭載しているエレメントが、異なる角度又は壁と離れることによりブロックされることがあることである。

本発明の目的は、パイプライン内の勾配領域に沿って進むことができるパイプ内走行装置を提供することである。

別の目的は、ブロックされることなくシャープな湾曲部又はＴ字湾曲部を通ることができる走行装置を提供することである。

さらなる別の目的は、既存のユニットよりも高速に進み、高度な精度を有する走行装置を提供することである。

さらにまた別の目的は、そのサイズに関連して、より多い引きづり力の能力を提供し、さらに書き込みの機能を与える走行装置を提供することである。

これは、請求項１に記載したようなパイプ内走行装置により達成される。

第２の実施形態によれば、本発明は、請求項１９に記載の、パイプライン走行装置で動作を実行するための方法を提供する。

本発明の好ましい実施形態は、従属項によって開示される。

本発明によれば、走行装置は、大径端及び小径端を有する、すなわち円錐又はカップ形状の回転対称ホイールを装備し、これらはその大径端のホイールアームに取り付けられる。

本発明の有利な実施形態は、弾性特性を有する柔らかな材料で作られたホイールと、各ホイールアームで２つのホイールのバック同士が付き合わされるアセンブリとを含む。

本明細書で用いられる意味での「ホイールアームの自由端」は、ハブに取り付けられていない側のホイールアームの端、すなわちホイールが取り付けられている側の端部を意味する。本明細書で用いられる意味での「複数」は、１より多いことを意味する。

本発明のパイプライン走行装置を示す斜視図である。 本発明のパイプライン走行装置の別の実施形態を示す斜視図である。 １つのホイールが取り除かれて、ハードウェアの取り付けの詳細を示す、図１の走行装置を示す。 図１に示された本発明の実施形態の走行装置を覆う仮想表面を示す。 パイプライン内のＴ字分岐点を通過する走行装置を図示する。 本発明のパイプライン走行装置のすべての実施形態に好適な３つの代替ホイールの詳細な設計を示す。 本発明のパイプライン走行装置の特定の実施形態における一つの状態のホイールアームとホイールの機能を示す。 本発明のパイプライン走行装置の特定の実施形態における他の状態のホイールアームとホイールの機能を示す。

ここで本発明は、添付の図面を参照して、より詳細に説明される。

図１は、パイプラインの湾曲部を通過しているときの、本発明の実施形態を示す。走行装置は、一端に取り付けられた第１のホイールアセンブリ２ａと、他端に取り付けられた第２のホイールアセンブリ２ｂとを備えるシャーシ１を含む。各ホイールアセンブリ２ａ、ｂは、ハブ３ａ、ｂ（図３）を含み、スポークとしてハブから突出している多数のホイールアーム４を保持している。各ホイールアーム４には、少なくとも１つの自由に回転するホイール５が取り付けられている。シャーシ内部のモータ駆動部は、ホイールアセンブリを反対方向に回転させて、パイプに沿って走行装置を前進させるように適合される。

各ホイール５は、小径端と大径端とを有する回転対称体である。このことは、ホイールが、たとえば円錐コーン、半楕円体又は半カップ形状であってもよいことを意味する。図２に示されたホイールは、半楕円体のカップ形状である。この特殊な設計のホイールは、好ましくは弾性材料から作られ、圧力を分散させ、パイプ壁上の接地面を増大させるが、穏やかな方法であるので、パイプの破損を防止する。

図１では、各ホイールアセンブリは、各ホイールアーム４に、２つの対をなすホイール５のバック同士が付き合わされる状態で、すなわち、各対のホイールの大径端が互いに対面するように取り付けられた状態で図示される。このようなホイールの取り付け方法は、パイプラインの湾曲部を通過する場合に有利であるのは、パイプライン壁に接触する場合がある各ホイールの小径端に、ハードウェアが取り付けられていないからである。図１に示すように、走行装置の各端に、１つのホイールアセンブリ２ａ／２ｂがある。本実施形態においても、任意の所与のホイールアーム上にバック同士が付き合わされて取り付けられた一対のホイールの任意の２つのホイール（「ツイン」）の各自が、そのツインの回転と関係なく、それぞれのピン６を中心として自由に回転できる。パイプラインの直線部を進むとき、「ツインホイール」の各自の回転速度はほぼ同じである一方で、湾曲部に進入すると各ツインホイールの回転は、独自に変化する場合がある。

図３にもっともよく見られるように、ホイール５は、各ホイールアーム４から突出するピン６上に取り付けられ、各ホイール５は、それぞれのピン６を中心として独自に自由にスピンする。ホイール５は、簡易脱着機構によってホイールアーム４又はピン６に枢着させてもよい。代替として、そのような簡易脱着機構は、ハブにホイールアームを、又は動力供給手段、たとえばモータ駆動軸にハブを接続させてもよい。そのような機構は、フィールドで、操作者が直面する状況、たとえば異なるパイプ径に適合するようにホイールを換える必要がある場合、パイプラインに急な湾曲部がある場合や、又はパイプライン壁が何らかの滑りやすい発生物で覆われている場合、に便利である。

図２は、各ホイールアームに１つのみホイールが取り付けられた走行装置の実施形態を示す。本実施形態では、走行装置の前端に、通常は互いに反対の回転方向で動作する２つのホイールアセンブリ２ａ１及び２ａ２があり、走行装置の後端に、通常は互いに反対の回転方向で動作する２つのホイールアセンブリ２ｂ１及び２ｂ２がある。ホイールアームごとに１つのホイールがある場合、「２つの」組のホイールアセンブリは、要件ではないが、より強いトラクション力を提供するため、いくつかの用途には好ましい。当業者においては、２つの組のホイールアセンブリが、一方が他方を部分的に囲む二組のハブを必要とすることが理解されよう。

ホイールアセンブリのホイールアームの数は、パイプラインのサイズ（直径）、特定の用途、走行装置のホイールアセンブリの数等に応じて変更してもよい。一般に、ホイールアセンブリには少なくとも２つのホイールアームがあり、めったに１２個を超えない。普通は、ホイールアセンブリごとに３〜６個のホイールアームが好ましい。

本発明の走行装置が急な湾曲部を有するパイプラインで用いられる場合、ホイールアセンブリは、ホイールに外接する仮想エンベロープが、より小型な楕円か又は球体として成形される特定の設計が与えられるべきである。球体は、実際には楕円の特殊なケースであることに留意されたい。走行装置が、ほとんど直線の延伸部のみで用いられる場合、「エンベロープ」は円筒であるか又は円筒に近くてもよい。一般的なケースでは、ホイール「エンベロープ」は、いわゆる楕円体形状を有する。仮想エンベロープは、ホイールがパイプライン壁に押し付けられ、結果としてそれらの形状が変形した場合、ホイールに外接することに留意されたい。

これは、図４に図示されている。黒い領域７は、パイプライン壁上で各ホイールにより占有される面領域又は接地面である。グレーのボールは、各ホイールアセンブリ２ａ、ｂに外接する仮想エンベロープである。

図５は、本発明のパイプライン走行装置が、スタックすることなくＴ字を通過する能力を有していることを図示する。このことは、パイプ壁上における各接触ポイントが特殊に分散していることに起因する。先に述べたように、同一のホイールアーム上のホイールは、少なくとも一時的に異なる回転速度を呈し、Ｔ字を通過するとき、２対のうち１つのホイールがさらに、結果として静止する（パイプ壁と接触しない）一方で、同じホイールアーム上の他方のホイールは、依然として回転している。

所望の特性を達成するために、ホイールは好ましくは弾性材料、たとえば弾性ポリマー材料から作られる。このポリマー材料は、発泡状であることができる。また、材料は、強化用繊維との合成であることもできる。これに代えて、又は加えて、ホイールは、ホイールの機械的性質、たとえば摩擦、強度及び耐磨耗性に影響を与えるために適した材料を含んでもよい。１つの非限定的な例は、小さく硬質な粒子を含み、所定の表面に対する摩擦を増大させることである。そのような粒子は、任意の好適な材料、たとえば数例を挙げると、金属、金属酸化物、及び粉砕された堅果の殻であることができる。

図６は、それらのいずれもが本発明のパイプライン走行装置のすべての実施形態に有用である３つの異なるホイール設計を示す。ホイールＡは、実質的に小型であり、どちらかと言えば滑らかな表面を有する。ホイールＢは、環状のくぼみ９を備え、これはホイールの変形可能特性に寄与し、すなわち圧力を受けたときに所望のように軟化させて、より高度な変形を可能にする。その外面は、溝を備える。また、溝以外のパターンを適用して、たとえばパイプライン壁に対する摩擦を増大させてもよい。ホイールＣは、ホイールＢとの類似点を有するが、環状のくぼみ９の代わりに多数の分離した穴１０を有し、変形可能特性を向上させている。ホイールＣはまた、その外面に溝を有し、特に摩擦に対するその機械的特性を改善させている。図示しない設計は、スポークを備えるものであることができ、穴が丸穴から逸脱した外形を有する可能性があることを除き、特に設計Ｃに非常に類似している。概括的に言うと、本発明の走行装置のホイールは、その回転軸を中心として、好ましくは少なくとも１つのキャビティを含んでもよい。

ホイールは変形すると、パイプライン壁に対する大きな接地面を得る。大きな接地面に起因して、各ホイールは、パイプライン壁に対する大きなトラクション力を提供できるだろう。

この推進方法によれば、側壁に対する圧力は、トラクション力の必要性に応じて増大する。使用可能なトラクション力が従来技術のパイプライン走行装置に比して増大しても、柔らかなホイールによってパイプ壁の損傷が防止される。

このタイプのホイールによる別の利点は、より広い接地面を与え、パイプ内壁に対してより少ない事前圧力を要する。同様にこれは、走行装置を駆動させるために要するエネルギ総量を低減させる。

走行装置の柔軟性をさらに高めるために、各ホイールアームを弾性的にして、たとえば板ばねで形成してもよい。これに代えて、各アームは、ハブに蝶着されてばねを搭載していてもよく、及び／又は各ホイールがばねマウントのアームに接続されていてもよい。

好ましい変形では、図７を参照すると、ホイールアームの設計は、回転継手１１を含み、ホイールアーム４が、定義された方向に自由に運動することを可能にする。適切に設計された場合、この運動の自由度は、走行装置の運動能力にマイナスには影響しない。走行装置が何の重荷重もなく進んでいる状況では、ホイールアームは、図７ａによって示されるような小さな又はわずかな傾斜しか呈さない。特に注目すべきは、７ａで上のパイプライン壁と平行な補助線Ｈである。運動方向は右向きである。

図７ｂでは、走行装置の後ろから重荷重に引っ張られる場合が示され、運動方向は引き続き右向きである。ここで、ホイールアーム４が著しく傾斜し、それに応じて各対のホイールの後部ホイールが、図７ａの状況と比較して増大した圧力によって、パイプライン壁に押し付けられる。荷重が走行装置を引っ張るほど、ホイールアームの傾斜が大きくなり、ホイールとパイプライン壁との間の摩擦グリップ力が大きくなる。走行装置及びホイールの適切な設計及びサイズによって、かつホイールの適切な硬さ／弾力性によって、引っ張り動作が終了したときにホイール自体がホイールアームをニュートラルな位置に押し戻す。したがって、ばねによりホイールアームを保持又は（再度）位置付ける必要がない。

本発明のパイプライン走行装置が、湾曲部かあるいは他の障害物によりパイプラインにスタックする場合に好ましいのは、ホイールアームの少なくともいくつかが、一定のレベルの後ろ向きの引っ張り力で外れるシヤーピン等の「弱いリンク」を備え、それによって走行装置が強制的に引き出されることを可能にすることである。もっとも好ましいのは、弱いリンクが、たとえば上述の引っ張り力が加えられたとき、アームが壊れずに折れ曲がることを可能にすることによって、パイプライン内に欠けた部品が残らないような方法で設計されることである。ホイールアームがヒンジを備える実施形態では、弱いリンクは、１つ以上の連結における少なくとも１つのシヤーピンの形状を有し、たとえばシヤーピンの強度を超える力でアンビリカルケーブルを引っ張るとき、当該アームがシャーシに対して折れ曲がることを可能にしてもよい。

本発明の好ましい実施形態では、走行装置は書き込みのための手段を含み、すなわち各ホイールアセンブリが、たとえばコンピュータによって個別に制御されて、走行装置が所定のパターンに従って動くことを可能にしてもよい。そのようなパターンは、その縦軸を中心とした単純な回転、軸方向及び回転運動の組み合わせであってよく、たとえば、走行装置が位置する配管内部の定義された幾何学的曲線を「描く」ような、前後運動と組み合わせた縦軸を中心とした回転運動であることができるが、これらに限定されない。書き込みを伴う関連用途は、単位動作、たとえば溶接、ろう付け、接着、穴あけ、のこ引き、ねじ留め、研磨、フラッシング等を使用したパイプライン内部の検査及びメンテナンスを伴う用途を含むが、これらに限定されない。当業者においては、そのような動作を実行することを可能にするために、走行装置はそれらに適したツールを備える必要があるが、そのようなツールは、本発明の一部ではないことが認識されよう。遠隔操作を可能にし、パイプライン内部に適合するものであれば、本目的に好適な任意のツールを用いることができる。

図１に示された実施形態では、アームは、ホイールハブに強固に取り付けられ、すなわちシャーシ（及びパイプライン）の縦軸に対して固定された角度を有するホイールを提供している。この角度は、装置のギア比、すなわちホイールアセンブリの回転毎の速度及びトラクション力（又はむしろトラクションモーメント）を決定する。

本発明のさらなる実施形態では、ホイールアームは、ハブ上に回転可能に取り付けられる。そして、アームは、限られた角度の中で自由に回転でき、それ自体をパイプに合わせて調整する場合がある。加えて、又はこれに代えて、装置がパイプライン内に送り出される前に、操作者がホイールに当該タスクのための適正な角度を与えることを可能にする好適な機械的マウントを用いることによるか、あるいはハブに、装置がパイプラインに沿って進むときに角度を調節することを可能にする遠隔操作モータ駆動部を組み込むことによって、ホイールの回転軸角度を調整可能にしてもよい。

本発明のパイプライン走行装置は、ばね等のような別個の調節の可能性を要さないため、非常に堅固な構成が可能になる。弾性材料のホイールは、パイプラインの壁の直径及び表面変化を吸収する。

Claims (20)

1. 縦軸を有するシャーシ（１）と、
   前記シャーシ（１）の第１の端に取り付けられた第１のホイールアセンブリ（２ａ）と、
   前記シャーシ（１）の第２の端に取り付けられた第２のホイールアセンブリ（２ｂ）と、
   を含み、
   各ホイールアセンブリは（２ａ，２ｂ）は、シャーシ（１）の縦軸に対して角度を付けられた回転軸を有する多数のホイール（５）を含み、
   前記第１及び第２のホイールアセンブリを互いに独立した方向に回転させるための回転手段と
   を含むパイプ内走行装置であって、
   各ホイール（５）が、大径端及び小径端を有する回転対称体であり、
   各ホイール（５）は、その大径端が、ホイールアーム（４）上に片側取り付けされる、
   走行装置。
2. 各ホイールアセンブリ（２）が、ハブ（３）によって、長手方向に向けられた回転手段に取り付けられ、そこから半径方向に延伸される複数のホイールアーム（４）を含み、
   各ホイールアーム（４）の自由端が、ピン（６）によってホイールアーム（４）に回転可能に取り付けられた、少なくとも１つのホイール（５）を備える、
   請求項１記載の走行装置。
3. 走行装置の各端に２つのホイールアセンブリ（２ａ１、２ａ２、２ｂ１、２ｂ２）と、ホイールアーム（４）に取り付けられた１つのホイール（５）とを有する、
   請求項２記載の走行装置。
4. 走行装置の各端に各々１つのホイールアセンブリ（２ａ、２ｂ）と、
   各ホイールアーム（４）に取り付けられた２つのホイール（５）とがあり、
   前記２つのホイールの大径端が互いに対面する、
   請求項２記載の走行装置。
5. 各ホイールアセンブリ（２ａ、２ｂ）の少なくとも１つのホイールアーム（４）が、ホイールアームの自由端が自由に運動することを可能にする回転継手（１１）を備える、
   請求項１記載の走行装置。
6. ホイール（５）が、各ホイールアセンブリ（２ａ、２ｂ）に配置されて、ホイール（５）の母線が、仮想の楕円のエンベロープによって外接される、
   請求項４記載の走行装置。
7. ホイール（５）が、本質的に弾性特性を有する柔軟な材料で作られる、
   請求項１記載の走行装置。
8. ホイール（５）が、異なる機械的特性を有する材料から作られるコアと外層とを含む、
   請求項７記載の走行装置。
9. ホイール（５）が、回転軸の周囲に少なくとも１つのキャビティ（９、１０）を含む、
   請求項７記載の走行装置。
10. ホイール（５）が、１つ又は複数のポリマー材料で製造され、
    ホイールの機械的特性に影響するために適した少なくとも１つの材料をさらに含む、
    請求項７記載の走行装置。
11. ホイール（５）が、パイプライン壁に対するホイール摩擦を増大させるように配置されたパターンを有する表面を有する、
    請求項７記載の走行装置。
12. ホイールアーム（４）が弾性的である、
    請求項１記載の走行装置。
13. 前記ホイールアセンブリ（２ａ、２ｂ）のハブ（３）に、各ホイールアーム（４）を接続するための柔軟なエレメントをさらに含む、
    請求項１記載の走行装置。
14. ホイール（５）の容易な取り外しを可能にするための、簡易着脱機構をさらに含む、
    請求項１記載の走行装置。
15. シャーシに対して前記回転軸の角度を調節するための手段をさらに含む、
    請求項１記載の走行装置。
16. ホイールアセンブリに、及び／又はホイールにホイールアームを接続する弱いリンクをさらに含む、
    請求項１記載の走行装置。
17. 各ホイールアセンブリが個別に制御することを可能にすることで、走行装置が所定のパターンに従って運動することを可能にする書き込みのための手段を含む、
    請求項１記載の走行装置。
18. 走行装置が、パイプラインの検査及びメンテナンス、及びパイプライン内に位置する機材の較正及び修理から選択された１以上の動作に好適な少なくとも１つのツールを付加的に備える、
    請求項１７記載の走行装置。
19. 請求項１のパイプライン走行装置がその手段として用いられる、
    パイプライン内部で動作を実行するための方法。
20. 前記動作が、パイプラインの検査及びメンテナンスに加えて、パイプライン内に位置する機器又は機材の較正及び修理から選択される、
    請求項１９記載の方法。