УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЦЕНТРОВКИ И ЗАЖИМА ТРУБЧАТЫХ ИЗДЕЛИЙ, СОДЕРЖАЩЕЕ СРЕДСТВА РЕГУЛИРОВАНИЯ РАСХОДА ГАЗА ДЛЯ КОНТРОЛЯ ЗА СОДЕРЖАНИЕМ КИСЛОРОДА
DEVICE TO CENTER AND CLAMP TUBULAR ARTICLES THAT COMPRISES GAS FLOW RATE CONTROL APPLIANCES INTENDED FOR OXYGEN CONTENT CONTROL

Настоящее изобретение относится к устройству для центровки и зажима трубчатых изделий, в частности 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, выполняя необходимые сварные швы, 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, раскрыто в ЕР 0249079, ЕР 1123774, а также в ЕР 0767719.
Сварочное устройство, расположенное снаружи труб из нержавеющей или из легированной стали, расположено, 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 недостаточна. Действительно, во время прохода внедрения сварочная ванна со стороны, обращенной к сварке, контактирует с атмосферой, не лишенной кислорода. В 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 нeпpoницaeмoй камере поддерживается непрерывно. Подобное устройство, таким образом, позволяет создавать бескислородную атмосферу в области сварки. Устройство такого типа известно также из ЕР 1207003.
Также известны устройства, оснащенные приспособлениями для измерения содержания кислорода, позволяющие определить наличие достаточной защитной атмосферы для начала сварочного цикла.
Также в документе GB 2355425 предложено устройство центровки и зажима, в котором можно предусмотреть гибкую трубку и соответствующее соединение, посредством которых подается газ для вытеснения кислорода, при этом источник газа содержит клапаны, позволяющие регулировать поток вытесняющего газа. Датчик, предназначенный для измерения отношения газ/кислород, установлен на зажим или снаружи в области отверстия, через которое выходит кислород/газ. Этот датчик позволяет непрерывно контролировать величину данного отношения и посылать данные на соответствующее управляющее устройство до тех пор, пока не установится такое отношение, при котором можно начинать сварку. Во время сварки измерение отношения газ/кислород продолжается для того, чтобы удостовериться, что данное отношение имеет допустимое значение, но в описанном решении не предложены средства управления расходом газа во время сварки в зависимости от результатов подобных измерений.
В решении по WO 96/111765 предложено устройство, используемое для сварки концов труб, содержащее средства, предусматривающие возможность перекрытия части внутреннего пространства трубы и средства подачи защитного газа, состоящие из радиально расположенных форсунок, которые подают газ в виде ламинарного или квазиламинарного потока, проходящего в области поверхности стыка. Средства измерения содержания кислорода в газе выполнены в виде иглы, острие которой расположено позади поверхности сварки так, чтобы содержание кислорода в газе, протекающем через область сварки, всегда было ниже такового в этой точке. Данное измерение служит только для определения начала времени сварки.
В решении по US 4541055 предложено устройство обработки деталей лазером и, в частности, устройство автоматизированного управления для подобной обработки. Согласно данному решению в камеру обработки помещают обрабатываемую деталь в то время, как поступление неактивного газа контролируют и поддерживают на постоянном уровне. Управление осуществляют с помощью измерения содержания кислорода и воды в камере. Однако эти измерения не служат основой для регулирования расхода или давления вытесняющего газа, а предназначены для начала или прекращения сварки в зависимости от его содержания. Таким образом, во время сварки расходом вытесняющего газа управляют в зависимости от фазы сварки, а отбор проб на содержание кислорода автоматически прерывается во время сварки.
Однако устройства такого типа имеют по меньшей мере два существенных недостатка, а именно:
- чтобы гарантировать наличие подобной защитной атмосферы, требуется очень большой расход потребляемого инертного газа, при этом подача инертного газа непрерывна на протяжении всего процесса сварки. Это потребление не только связано с большими затратами, но также требует значительных запасов инертного газа, что может вызвать проблемы со снабжением газом и привести к громоздким размерам устройства;
- по мере выполнения прохода внедрения камера с инертной атмосферой постепенно становится все более непроницаемой, а непрерывная подача инертного газа создает в указанной камере избыточное давление, которое может вызвать такие нарушения, как вогнутый профиль сварного шва, который может стать причиной брака, в зависимости от длины и глубины вогнутого профиля.
Также из US-A-5435479 известно устройство зажима и центровки, позволяющее удерживать вместе две свариваемые трубы во время операции сварки, осуществляемой в инертной атмосфере. Инертный газ распределяют через коллектор одинаково в области каждого зажима, а давление газа точно контролируют, чтобы обеспечить наилучшее качество сварки. Давление следует поддерживать достаточно высоким во избежание загрязнения атмосферы кислородом (окисление сварки) и в то же время достаточно низким во избежание перемещения расплавленного металла при сварке. Давление измеряют в коллекторе датчиком давления, а регулятор расхода считывает результаты измерения и затем регулирует расход, поддерживая в коллекторе постоянное давление. Однако поскольку давление измеряют в области коллектора, то не получают данных непосредственно о давлении инертного газа в области поверхности стыка, так что имеется риск возникновения избыточного давления в области поверхности стыка, поскольку измеряют именно давление внутри коллектора и именно оно служит для сравнения при регулировании расхода газа.
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.
Для устранения вышеописанных недостатков настоящим изобретением предлагается устройство центровки и зажима, позволяющее создавать защитную атмосферу для сварки внутри труб, подлежащих сварке, а также контролировать и регулировать указанную защитную атмосферу.
2
2
Таким образом, целью настоящего изобретения является устройство центровки и зажима труб, предпочтительно из легированной стали, с торцами, соединенными в стык для сварки с целью формирования трубопровода, содержащее, в частности, средства центровки и зажима двух труб, подлежащих свариванию, при необходимости средства герметичного закрытия, образующие камеру с инертной атмосферой в области поверхности стыка и средства распределения инертного газа для создания защитной атмосферы в области поверхности стыка, отличающееся тем, что оно включает также приспособления для регулирования расхода инертного газа и/или давления подачи инертного газа в зависимости от содержания О, измеряемого в указанной защитной атмосфере, и/или от давления, измеряемого в указанной защитной атмосфере, с тем, чтобы поддерживать содержание О в указанной атмосфере ниже заданного порогового значения и/или давление указанной атмосферы ниже заданного порогового значения.
2
2
Таким образом, преимущество устройства состоит в том, что оно позволяет задавать и поддерживать оптимальные условия сварки (атмосфера, лишенная кислорода О) путем регулирования расхода и/или давления инертного газа, подаваемого как в зависимости от содержания в защитной атмосфере О, так и в зависимости от давления указанной защитной атмосферы в камере с инертной атмосферой в области поверхности стыка.
2
Подобная газовая защита позволяет получить оптимальное качество сварного шва при таких способах сварки, как дуговая сварка плавящимся электродом в атмосфере инертного или активного газа (MIG/MAG), электродуговая сварка неплавящимся (вольфрамовым) электродом и т.д., сварка неплавящимся электродом и т.д. посредством регулирования расхода инертного газа и/или давления подачи так, чтобы поддерживать содержание О и/или давление в указанной защитной атмосфере ниже заданного значения с тем, чтобы обеспечить хорошие условия сварки без необходимости непрерывной подачи инертного газа. Следовательно, устройство является экономически выгодным и способствует улучшению профиля сварного шва.
2
Предпочтительно пороговое значение содержания О выбирают равным 5000 ppm (миллионных долей), а пороговое значение давления 12 миллибар.
2
2
2
Предпочтительно устройство содержит средства измерения в реальном времени содержания О внутри защитной атмосферы, например внутри камеры с инертной атмосферой, и средства обработки, предпочтительно в реальном времени, результатов измерений содержания О. Обработка подобной информации (данных измерений) позволяет при необходимости подавать в реальном времени управляющие команды средствам регулирования расхода и/или давления подачи инертного газа для поддержания содержания О ниже заданного порогового значения.
Устройство может также содержать средства измерения давления в реальном времени, например датчик давления, позволяющий измерять давление защитной атмосферы или внутри камеры с инертной атмосферой, и средства обработки, предпочтительно в реальном времени, данных измерения давления. Обработка подобной информации (данных измерений) позволяет подавать в реальном времени команды управления средствам регулирования расхода и/или давления подачи инертного газа для поддержания значения давления ниже заданного порогового значения.
2
Предпочтительно данные измерений давления и/или содержания Орегистрируются и обрабатываются в реальном времени, обеспечивая, таким образом, регулировку давления подачи и/или расхода инертного газа в реальном времени в течение цикла сварки с целью поддержания оптимальных условий для сварки. Данные можно передавать также на устройство автоматизированного управления, расположенное снаружи изготавливаемого трубопровода, с помощью проводных, инфракрасных, радио или любых других подходящих средств связи.
2
2
Помимо порогового значения, ниже которого не должно понижаться содержание О и/или давление, можно задавать значение начала цикла, которое меньше порогового значения, для того, чтобы цикл сварки не мог бы начаться в условиях, когда содержание О и/или давление ниже указанного значения начала цикла. Также можно предусмотреть контрольное значение, которое выше порогового значения, при достижении которого автоматически подается команда на остановку сварки, приводящая к полной остановке цикла сварки.
2
2
2
Другое преимущество состоит в том, что, когда средства измерения давления и/или содержания О определяют, что давление и/или содержание Ониже порогового значения и предпочтительно значения начала цикла, активируются внешние средства управления сваркой и начинается цикл сварки. Данный цикл сварки продолжается до тех пор, пока измеряемые значения давления и/или содержания О остаются ниже пороговых значений.
2
Если во время сварки средства регулирования расхода и/или давления подачи инертного газа не позволяют поддерживать значения давления и/или содержания О ниже пороговых значений и если продолжительность превышения порогового значения не превышает заданного периода времени, можно предусмотреть средства передачи сообщения об отклонении на внешнее устройство управления сварочной установкой. Если продолжительность превышения порогового значения превышает заданный период времени, то активируются средства автоматической остановки сварки и, таким образом, цикл сварки может быть остановлен автоматически.
Передачу команд средствам регулирования можно осуществлять с помощью проводных, инфракрасных, радио или любых других подходящих средств связи.
Предпочтительно средства обработки содержат, по меньшей мере, средства регистрации порогового значения, значения начала цикла и контрольного 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.
2
В камере с инертной атмосферой можно предусмотреть средства для измерения температуры, в частности для измерения окружающей температуры, при которой работает датчик содержания О и давления, и для проверки того, что эта температура соответствует рабочему диапазону указанного датчика.
В соответствии с предпочтительным осуществлением изобретения 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.
2
2
При использовании устройства согласно изобретению необходимо быть уверенным, что газ, анализируемый средствами измерения содержания О, соответствует газу, содержащемуся в камере с инертной атмосферой. Для этого устройство согласно изобретению содержит соответствующие средства, например вспомогательный насос, позволяющий создавать управляемое разрежение за средствами измерения содержания О, что позволяет обеспечить минимальный расход газа, содержащегося в камере с инертной атмосферой и проходящего через указанные средства измерения. При этом значение расхода предварительно задано и может быть запрограммировано.
2
2
2
Предпочтительно также предусмотрена система сброса содержащегося газа в камере с инертной атмосферой, такая система должна предусматривать возможность автоматического управления путем измерения давления и/или содержания О с тем, чтобы поддерживать значения давления и/или содержания О ниже заданных пороговых значений и контрольного значения. Такая система может управляться и контролироваться с помощью входящей в ее состав заслонки или электрического клапана или дополнительно с помощью увеличения расхода вспомогательного насоса. Таким образом, обеспечивается возможность быстро восстановить значение давления или содержания О внутри камеры с инертной атмосферой и вернуться, таким образом, к оптимальным условиям сварки.
2
2
2
Предпочтительно инертный газ не распыляется в камеру с инертной атмосферой непрерывным образом до достижения заданного максимального давления или содержания О, а расход инертного газа сначала доводится до заданного максимального значения, а затем снижается по мере снижения содержания О, измеряемого в камере до низкого значения порядка нескольких литров в минуту, и до достижения уровня давления и/или содержания О, желательного для начала цикла сварки.
2
2
2
2
В соответствии с одним из вариантов реализации устройства согласно изобретению последнее оснащено средствами проверки калибровки средств измерения содержания О, включающими в себя подачу дополнительного инертного газа, причем инертный газ для этой второй подачи откалиброван по содержанию О, например 5000 ppm (частей на миллион), и предпочтительно содержится во внешнем баллоне на устройстве, и подается по трубе непосредственно к средствам измерения содержания О, а также средства, позволяющие переключаться с одной подачи на другую таким образом, что, когда откалиброванный по содержанию О 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.
2
2
2
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 содержание О и/или давления защитной атмосферы, сравнивают указанные проведенные измерения с заданным критическим пороговым значением содержания О и/или давления, а затем регулируют в режиме реального времени содержание О и/или давление так, чтобы поддерживать их значения ниже заданного порогового значения.
Ниже изобретение будет описано более подробно со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:
2
на фиг.1 показан график изменения расхода инертного газа и содержания О в течение цикла сварки;
на фиг.2 показана функциональная схема устройства согласно изобретению.
2
2
Как показано на фиг.1, к заданному пороговому значению, соответствующему предельно допустимому содержанию О, добавлено значение начала цикла, и таким образом цикл сварки начинается только тогда, когда содержание О ниже указанного значения начала цикла.
2
Следовательно, на протяжении временного интервала А, предшествующего началу цикла сварки, инертный газ, например аргон, подают в области поверхности стыка таким образом, чтобы содержание О стало ниже значения, соответствующего началу цикла, посредством изменения расхода аргона.
Таким образом обеспечивается условие, при котором сварка начинается тогда, когда область стыка полностью находится в защитной атмосфере, достаточной для обеспечения оптимальных условий сварки.
2
2
Затем начинают процесс сварки. На протяжении временного интервала В расход аргона поддерживают постоянным, а содержание О выходит за пределы порогового значения. В этом случае средства регулирования расхода аргона подают в реальном времени команду на понижение содержания О ниже указанного порогового значения путем увеличения расхода аргона на протяжении временного интервала С.
Можно предусмотреть также контрольное значение, которое выше порогового значения. В случае его превышения цикл сварки полностью останавливают до восстановления оптимальных условий сварки.
Как показано на фиг.2, устройство содержит средства подачи инертного газа, состоящие из резервуара 1, содержащего инертный газ, и резервуара 2, содержащего эталонный газ. С помощью первого электрического клапана Е0 предусмотрена возможность выбора для подачи газа одного из двух резервуаров. В примере, показанном на фиг.2, выбрана подача инертного газа для создания защитной атмосферы в области поверхности стыка.
Также предусмотрены средства 3 регулирования давления. На представленной схеме показан второй электрический клапан Е1, через который инертный газ поступает непосредственно к третьему электрическому клапану Е2, который подает газ к камере 4 с инертной атмосферой в области поверхности стыка. В этой камере 4 предусмотрен датчик 5 температуры.
Газ также направляют на датчик 6 давления, позволяющий измерять давление в указанной камере 4, причем указанный датчик 6 соединен с регулятором 7 давления, расположенным за электрическим клапаном Е2. Таким образом, когда результат измерения давления превышает пороговое значение, происходит регулирование давления посредством регулятора 7.
2
2
Клапан Е3 позволяет как задействовать датчик 6 давления, так и отключать его. С помощью электрического клапана Е4 газ направляют в камеру 8 для измерения содержания О. Предусмотрена возможность расположения фильтра 9 перед камерой 8. Когда результат измерения в камере 8 свидетельствует о том, что содержание О превышает пороговое значение, включают регулятор давления.
Камера 8 также соединена со вспомогательным насосом 10 через электрический клапан Е5.
Данный вспомогательный насос 10 позволяет удостовериться, что газ, анализируемый в камере 8, точно соответствует газу, содержащемуся в камере 4. Насос 10 позволяет создавать управляемое разрежение перед камерой 8 для того, чтобы обеспечить минимальный расход.
Разумеется, изобретение не ограничено вышеописанным вариантом осуществления, но, напротив, под объем защиты попадают все варианты, в частности варианты выбора пороговых значений, задаваемых в зависимости от условий сварки и среды, в которой осуществляют сварку.