устройство для центровки и зажима трубчатых изделий, содержащее средства измерения в режиме реального времени и регулирования влагосодержания

Формула изобретения

1. Устройство для центровки и зажима труб, предпочтительно выполненных из легированной стали, устанавливаемых встык для сварки в защитной атмосфере для формирования трубопровода, содержащее средства для зажима и центровки двух труб, подлежащих сварке, с герметичными перегородками, ограничивающими камеру с защитной атмосферой в области поверхности стыка, и средства подачи инертного газа для создания защитной атмосферы в области поверхности стыка, отличающееся тем, что оно содержит средства измерения в режиме реального времени влагосодержания защитной атмосферы и средства регулирования в режиме реального времени указанного влагосодержания в соответствии с указанными измерениями для поддержания влагосодержания указанной атмосферы ниже заданного порогового значения.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве средств регулирования в режиме реального времени влагосодержания оно содержит средства регулирования расхода и/или давления подачи инертного газа, при этом средства измерения в режиме реального времени влагосодержания защитной атмосферы предусматривают подачу в режиме реального времени управляющих команд для указанных средств регулирования для поддержания влагосодержания ниже заданного порогового значения.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве средств регулирования в режиме реального времени влагосодержания оно содержит средства удаления влаги из защитной атмосферы, представляющие собой средства подачи солей в указанную атмосферу или средства нагревания, связанные со средствами удаления влаги.

4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что оно содержит средства управления в режиме реального времени указанными средствами удаления влаги, действующие в зависимости от измеренного влагосодержания защитной атмосферы.

5. Устройство по любому из пп.1-4, отличающееся тем, что критическое пороговое значение влагосодержания составляет 60%, предпочтительно 50%.

6. Устройство по любому из пп.1-4, отличающееся тем, что оно содержит средства управления сваркой с возможностью их активации при влагосодержании ниже заданного порогового значения начала цикла, которое ниже критического порогового значения влагосодержания.

7. Устройство по любому из пп.1-4, отличающееся тем, что оно содержит средства отправки сообщения об отклонениях внешнему блоку контроля и управления сварочной установки в случае превышения критического порогового значения влагосодержания и если продолжительность этого превышения меньше заданного периода времени.

8. Устройство по п.7, отличающееся тем, что содержит средства автоматической остановки сварки, если продолжительность превышения критического порогового значения больше заданного периода времени.

9. Устройство по любому из пп.1-4, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит средства измерения в режиме реального времени содержания О₂ в защитной атмосфере и средства обработки в режиме реального времени измерений содержания О₂ с возможностью генерирования управляющих команд для средств регулирования расхода и/или давления подачи инертного газа для поддержания содержания О₂ ниже критического порогового значения, предпочтительно 5000 ppm (миллионных долей).

10. Устройство по любому из пп.1-4, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит средство измерения в режиме реального времени давления защитной атмосферы в виде датчика давления и средства обработки в режиме реального времени измерений давления с возможностью генерирования управляющих команд для средств регулирования расхода и/или давления подачи инертного газа для поддержания давления ниже заданного критического порогового значения, предпочтительно 12 мбар.

11. Устройство по любому из пп.1-4, отличающееся тем, что оно содержит средства измерения температуры, предусмотренные в камере с инертной атмосферой.

12. Устройство по любому из пп.1-4, отличающееся тем, что средства подачи инертного газа установлены с возможностью его подачи непосредственно у поверхности стыка на радиальном расстоянии не более 30 мм относительно внутренней стенки свариваемых торцов, при этом средства подачи выполнены в виде трубки или змеевика, имеющих множество прорезей или отверстий для распыления инертного газа однородно в направлении поверхности стыка.

13. Способ сварки труб, предпочтительно выполненных из легированной стали, в защитной атмосфере для формирования трубопровода, в котором внутрь двух свариваемых труб вводят устройство для центровки и зажима указанных труб, подают инертный газ к области поверхности стыка между ними для создания защитной атмосферы в указанной области, отличающийся тем, что центровку и зажим труб осуществляют с использованием устройства по пп.1-14, при этом в режиме реального времени измеряют влагосодержание защитной атмосферы, сравнивают указанные проведенные измерения с заданным критическим пороговым значением влагосодержания, а затем регулируют в режиме реального времени влагосодержание из условия поддержания его значения ниже заданного критического порогового значения.

Описание изобретения к патенту

Настоящее изобретение относится к устройству для центровки и зажима трубчатых изделий, типа устанавливаемых встык для сварки труб из легированной стали, с целью формирования трубопроводов, устойчивых к коррозии и предназначенных для транспортировки газа, нефти или воды.

При строительстве трубопровода стыкуют торец трубы с торцом строящегося трубопровода для соединения их посредством сварки. Таким образом, оказывается возможным выполнить трубопровод желаемой длины за счет простого добавления труб. Внешнее сварочное устройство обычно перемещается вдоль строящегося таким образом трубопровода и выполнения необходимых сварных швов, тогда как внутреннее устройство соответствующим образом перемещается внутри трубопровода.

Такое внутреннее устройство позволяет при добавлении новой трубы приваривать ее, совмещая ее ось с осью строящегося трубопровода абсолютно точно, и, таким образом, точно совмещать соответствующие торцы трубы и трубопровода перед сваркой и поддерживать их в совмещенном положении в процессе сварки. Устройство для центровки и зажима такого типа обычно называется "зажим" и, в частности, раскрывается в ЕР 0249079, ЕР 1123774, а также в ЕР 0767719.

Сварочное устройство, расположенное снаружи труб из нержавеющей или из легированной стали, находится, следовательно, там, где их подвергают сварке снаружи. Во время первого прохода, именуемого проходом внедрения, важно, чтобы сварочная ванна не вступала в контакт с активным газом, то есть газом неинертным, таким как воздух или кислород, во избежание окисления, в то время, когда они нагреты до температур сварки. На практике при выполнении сварки в кислородсодержащей атмосфере полученный трубопровод гораздо более чувствителен к коррозии. Также с целью защиты сварочной ванны внешнее сварочное устройство содержит средства, позволяющие создавать непосредственно во время сварки газовую защиту из инертного газа для защиты указанной сварочной ванны.

Однако можно заметить, что подобная внешняя защита остается недостаточной. Действительно, во время прохода внедрения сварочная ванна со стороны, обращенной к сварке, контактирует с атмосферой, не лишенной кислорода. В патентном документе ЕР 0193812 предложено устройство центровки и внутреннего зажима, содержащее средства, обеспечивающие непроницаемую камеру в области стыка между двумя трубами с инертной атмосферой в этой области и вытесняющие кислород, содержащийся в этой камере, за счет подачи туда инертного газа, такого как аргон. Для того чтобы поддерживать эту защитную атмосферу на протяжении всего процесса сварки, поток аргона в непроницаемой камере поддерживается непрерывно. Подобное устройство, таким образом, позволяет создавать бескислородную атмосферу в области сварки.

Однако устройство такого типа имеет по меньшей мере два важных недостатка, а именно:

- чтобы гарантировать подобную защитную атмосферу, требуется очень большой расход потребляемого инертного газа, при этом подача инертного газа непрерывна на протяжении всего процесса сварки. Это потребление не только имеет высокую стоимость, но также требует значительных запасов инертного газа, что может вызвать проблемы со снабжением газом и громоздкими размерами устройства,

- очень высокое влагосодержание может вызвать дефекты во время выполнения первого прохода в процессе сварки, эти дефекты представляют собой поры, типа окалины или каверн. Эти дефекты в зависимости от своей природы и размеров могут привести к весьма дорогостоящим ремонтным работам.

В документе US 5425492 предложено очищающее устройство, подающее очищающий газ в область выполняемой сварки, в частности, для того, чтобы удалить активные газы из внутреннего пространства в области сварки. Для того чтобы поддерживать достаточный поток очищающего газа, измеряют давление во внутреннем пространстве, а измеренные данные подают на регулятор, регулирующий подачу газа во внутреннее пространство пошаговым способом. Однако внутреннее пространство в области поверхности стыка весьма обширно, а подача очищающего газа происходит не в поверхности стыка, а по краям этого внутреннего пространства так, чтобы поток очищающего газа был бы ламинарным и доходил вдоль стенок внутреннего пространства до места сварки. В результате расход очищающего газа, необходимый для поддержания достаточной защитной атмосферы, остается несмотря на предложенное регулирование довольно значительным. Кроме того, поскольку давление измеряют по краям указанного пространства и вблизи устройств подачи очищающего газа, можно полагать, что оно не отражает давление в области стыка, что, в свою очередь, не может привести к эффективному регулированию в режиме реального времени. Также совершенно не ставится вопрос об измерении влагосодержания.

Из US 4541055 известно устройство обработки деталей посредством лазера и, в частности, компьютерное управляющее устройство для указанной обработки, в котором изделие, подлежащее обработке, находится в камере для обработки, а подача инертного газа регулируется. Осуществляют регулирование содержания кислорода и влагосодержания посредством измерения содержания кислорода и воды в камере, но эти измерения не предусматривают обеспечения регулирования расхода или давления очищающего газа для обеспечения состояния, позволяющего или не позволяющего осуществлять сварку, расход газа для каждой фазы сварки фиксирован. В результате, как только влагосодержание превысит заданное значение, лазерную обработку прекращают. Кроме того, условия такого способа лазерной сварки весьма далеки от сварки труб встык для изготовления трубопроводов.

Для преодоления этих недостатков согласно настоящему изобретению предложено устройство центровки и зажима, позволяющее создавать защитную атмосферу для сварки внутри труб, подлежащих сварке, которое также позволяет контролировать и регулировать указанную защитную атмосферу, для обеспечения оптимальных условий.

Кроме того, целью настоящего изобретения является устройство центровки и зажима труб преимущественно из легированной стали, с торцами, соединенными встык для сварки с целью создания трубопровода, содержащее, в частности, средства центровки и зажима двух труб, подлежащих свариванию, а также средства для герметичного закрытия, образующие камеру с инертной атмосферой в области поверхности стыка и средства подачи инертного газа для создания защитной атмосферы в области поверхности стыка, характеризующееся также тем, что оно содержит по меньшей мере одно средство измерения в режиме реального времени влагосодержания в защитной атмосфере и средство регулирования в режиме реального времени указанного влагосодержания, в зависимости от указанных измерений с целью поддержания влагосодержания в указанной атмосфере ниже заданного значения.

Также преимущество заявленного устройства заключается в том, что заявленное устройство позволяет создавать и поддерживать оптимальные условия сварки (защитная атмосфера, лишенная влаги).

Подобная газовая защита позволяет получить оптимальное качество проникающего шва при таких способах сварки, как дуговая сварка плавящимся электродом в атмосфере инертного или активного газа (MIG/MAG), сварка неплавящимся электродом и т.д. посредством регулирования расхода инертного газа и/или давления подачи для поддержания влагосодержания в указанной защитной атмосфере ниже заданного значения, чтобы гарантировать хорошие условия сварки без необходимости непрерывной подачи инертного газа. Устройство, следовательно, является экономически выгодным и способствует повышению плотности проникающего шва.

Данные измерений влагосодержания записываются и обрабатываются в режиме реального времени, чтобы обеспечивать в режиме реального времени регулирование давления подачи и/или расхода инертного газа, также эти данные можно направлять на управляющее устройство вне трубопровода посредством передающих средств проводного типа, инфракрасного, радио- или любого другого подходящего средства (средств).

В соответствии с первым вариантом реализации изобретения заявленное устройство предпочтительно содержит средства обработки в режиме реального времени измерений влагосодержания и средства регулирования влагосодержания, содержащие средства регулирования в режиме реального времени расхода и/или давления инертного газа, при этом обработка указанных данных (измерений) позволяет создавать в режиме реального времени команды, направляемые при необходимости указанным средствам регулирования для поддержания влагосодержания ниже заданного критического порогового значения.

Согласно второму варианту исполнения устройства согласно изобретению последнее содержит средства обработки в режиме реального времени измерений влагосодержания, а также средства регулирования в режиме реального времени влагосодержания, средства удаления влаги из защитной атмосферы, например, такие, как средства подачи солей в указанную атмосферу, нагревательные средства, соединенные со средствами удаления влаги.

Устройство предпочтительно также содержит средства управления указанными средствами удаления влаги, способные работать в режиме реального времени в зависимости от измерений влагосодержания в камере с инертной атмосферой.

Отправлять команды регулирующим средствам можно посредством электрической проводной связи, радиопередачи, инфракрасного или любого другого подходящего средства.

Согласно особенно предпочтительной реализации изобретения средства регулирования расхода инертного газа и/или давления подачи указанного инертного газа также действуют в зависимости от измеренного содержания кислорода О₂ в указанной защитной атмосфере, чтобы поддерживать содержание О₂ в указанной атмосфере ниже заданного критического порогового значения.

С этой целью заявленное устройство также содержит средства измерения в режиме реального времени содержания О₂ в защитной атмосфере, например контактирующие с внутренней частью камеры с инертной атмосферой, и средство обработки предпочтительно в режиме реального времени измерений содержания О₂, при этом обработка указанных данных (измерений) позволяет генерировать управляющие команды для средств регулирования расхода и/или давления подачи инертного газа для поддержания содержания О₂ при необходимости ниже критического порогового значения. Предпочтительно критическое пороговое значение составляет 0,005 ppm (миллионных долей) O₂.

Также можно предусмотреть средство измерения в режиме реального времени давления, такое как датчик давления, позволяющий измерять давление внутри защитной атмосферы, и средство обработки в режиме реального времени измерений давления, причем обработка указанных данных (измерений) позволяет генерировать управляющие команды для средств регулирования расхода и/или давления подачи инертного газа с целью поддержания давления ниже заданного критического порогового значения. Предпочтительно критическое пороговое значение составляет 12 миллибар.

К заданному критическому пороговому значению, ниже которого должно находится влагосодержание, предпочтительно - 60%, можно добавить пороговое значение начала цикла, меньшее, нежели критическое пороговое значение, чтобы сварочный цикл начинался бы только при влагосодержании ниже, чем указанное пороговое значение начала цикла.

Также можно предусмотреть контрольное пороговое значение, превышающее критическое пороговое значение, при достижении которого подается команда средствам остановки сварки для полной остановки сварочного цикла. То же самое относится к содержанию О₂ и давлению.

Таким образом, когда средства измерения влагосодержания, а также, в некоторых случаях - средства измерения содержания O₂ и/или давления, получают значения влагосодержания, содержания О₂, давления, которые ниже заданных критических пороговых значений и предпочтительно ниже пороговых значений начала цикла, внешнее средство управления сваркой активизируется, а сварочный цикл запускается. Затем этот сварочный цикл протекает до тех пор, пока измеряемые значения влагосодержания и опционально содержания О₂ и давления остаются ниже критического порогового значения.

Если во время сварки средства регулирования расхода и/или давления подачи инертного газа не позволяют поддерживать значения влагосодержания, а также при необходимости содержания О₂ и давления ниже критических пороговых значений, и если продолжительность превышения критического порогового значения меньше заданного интервала, то можно предусмотреть средство отправки сообщения об отклонениях внешнему блоку контроля и управления сварочной установки.

Если продолжительность превышения порогового значения для подачи аварийного сигнала превышает заданное время, то активизируется средство автоматической остановки сварки, а сварочный цикл может быть остановлен автоматически.

Отправку команд средствам регулирования можно осуществлять посредством проводной электрической связи, радиопередачи, инфракрасного или любого другого пригодного средства.

Предпочтительно средства обработки содержат по меньшей мере средства регистрации критического порогового значения, порогового значения начала цикла и контрольного порогового значения, а также средства сравнения осуществляемых измерений с указанными зарегистрированными значениями. Пороговые значения, таким образом, могут быть выбраны пользователем и запрограммированы в зависимости от условий работы.

Герметичные перегородки, ограничивающие камеру с инертной атмосферой, предпочтительно представляют собой уплотнения, такие как надувные уплотнения, или уплотнения с кромками другого типа, или также надувные манжеты. С одной стороны, преимущество такой камеры с инертной атмосферой состоит в уменьшении объема инертного газа, предназначенного к подаче для получения желаемой газовой атмосферы, а с другой стороны - в снижении времени, необходимого для достижения такого содержания и/или заданного давления, также называемого временем создания инертной атмосферы.

В камере с инертной атмосферой можно предусмотреть средства для измерения температуры, в частности, для измерения окружающей температуры, при которой работает датчик влагосодержания, и для проверки того, что эта температура совместима с диапазоном использования указанного датчика.

В соответствии с предпочтительной реализацией устройства согласно изобретению средства подачи инертного газа установлены на устройстве таким образом, чтобы указанная подача происходила непосредственно у поверхности стыка, на радиальном расстоянии не более 30 мм относительно внутренней стенки свариваемых торцов, при этом средства подачи типа трубки/змеевика, содержащей множество прорезей или отверстий для подачи, или типа пористой стальной пластинки (пористая сталь), позволяют распылять инертный газ однородно в направлении поверхности стыка.

В соответствии с одним из вариантов реализации устройства согласно изобретению последнее оснащено средствами проверки калибровки средств измерения влагосодержания, включающими в себя подачу дополнительного инертного газа, причем инертный газ для этой второй подачи откалиброван по содержанию влаги, например, 40%, и предпочтительно содержится во внешнем баллоне на устройстве, и подается по трубе непосредственно к средствам измерения влагосодержания, а также средства, позволяющие переключаться с одной подачи на другую таким образом, что, когда откалиброванный по влаге инертный газ очень кратковременно проходит через средства измерения, можно проверить калибровку средств измерения.

Устройство согласно изобретению может работать при любом положении труб, подлежащих сварке, при горизонтальных трубах для сварки на земле или в море, под водой на малой глубине, или при вертикальных трубах для их сварки в море на большой глубине под водой.

Устройство согласно изобретению может также содержать опорные подкладки, поддерживающие сварочную ванну при выполнении этапа внедрения, такая опорная подкладка может быть выполнена из материала керамического типа или металла, такого как медь или сплав меди.

Изобретение также относится к способу изготовления устройства согласно изобретению, в котором указанное устройство вводят внутрь двух свариваемых труб для центровки и зажима указанных труб, подают инертный газ к области поверхности стыка между ними для создания защитной атмосферы в области у поверхности стыка, характеризующемуся тем, что в режиме реального времени измеряют влагосодержание защитной атмосферы, сравнивают указанные проведенные измерения с заданным критическим пороговым значением влагосодержания, а затем регулируют в режиме реального времени влагосодержание так, чтобы поддерживать его значение ниже заданного критического порогового значения.

Ниже изобретение раскрывается более подробно со ссылками на графические материалы, в которых на единственной фигуре схематично представлено устройство согласно изобретению.

Как схематично показано на единственной фигуре, устройство содержит средства подачи инертного газа, включающие в себя резервуар инертного газа, а также резервуар эталонного газа 2. Первый клапан Е0 с электроприводом позволяет выбирать тот или иной из резервуаров. На единственной фигуре выбрана подача инертного газа для создания защитной атмосферы в области поверхности стыка.

Также предусмотрено средство 3 регулирования давления. На схеме представлен второй клапан Е1 с электроприводом, направляющий инертный газ непосредственно к третьему клапану Е2 с электроприводом, направляющему газ к камере 4 для инертной атмосферы, образованной в области поверхности стыка. В этой камере 4 предусмотрен датчик 5 температуры, а также датчик 6 влажности.

Посредством клапана Е3 с электроприводом газ направляют в ячейку 8 для измерения содержания О₂. Фильтр 7 можно расположить перед ячейкой 8. Когда ячейка 8 определяет, что содержание кислорода О ₂ превышает заданное критическое пороговое значение, подается обратная команда на регулятор 9 давления.

Ячейка 8 также посредством клапана Е4 с электроприводом связана со вспомогательным насосом 10.

Этот вспомогательный насос позволяет удостовериться, что газ, анализируемый ячейкой 8, точно соответствует газу, содержащемуся в камере 4, также насос 10 позволяет создавать контролируемое разрежение за ячейкой 8, чтобы гарантировать минимальный расход.

Также можно предусмотреть датчик 11 давления.

Разумеется, изобретение не ограничено раскрытой выше реализацией, но, напротив, в объем его правовой охраны попадают все варианты, в частности варианты выбора критических пороговых значений, задаваемых в зависимости от условий сварки и атмосферы, в которой осуществляют сварку.