專利名稱：用于將管子焊接在一起的方法和設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于將管子焊接在一起的設(shè)備和方法。更具體地說(shuō)，本發(fā)明涉及一種當(dāng)在水下、尤其是在深海之下布設(shè)管線時(shí)將管段電弧焊接在一起。
當(dāng)在深海之下(例如深度大于1,000m)布設(shè)管線時(shí)，通常需要在一個(gè)布線駁船上將獨(dú)立的管段焊接成一個(gè)管線(引導(dǎo)向海床的管線)，該管線垂直(或大致垂直)于海平面，以便管線形成看似“J”形的形狀。這種方法通常稱為J式布線。焊接過(guò)程在布線駁船上進(jìn)行。管段可以由在布線駁船上焊接在一起的多種管長(zhǎng)構(gòu)成，以便在需要時(shí)形成管段。
管線的端部和需要連接到其上的管段通常在焊接工序之前已經(jīng)準(zhǔn)備好了，并且具有坡口端，這樣，當(dāng)在焊接工序就要開(kāi)始之前將管段和管線布置好(相互同軸)，在它們之間確定出一個(gè)外部環(huán)形槽。焊接可以由設(shè)置在可動(dòng)地安裝于環(huán)形導(dǎo)軌上的托架上的焊炬來(lái)進(jìn)行，而所述環(huán)形導(dǎo)軌相對(duì)于環(huán)形槽設(shè)置在管子外側(cè)。所述托架和焊炬繞著管子的圓周移動(dòng)并使焊炬工作，以便將電弧引向所述槽。焊接工序通常要進(jìn)行幾圈。
由于需要在一個(gè)垂直位置上對(duì)管段進(jìn)行焊接，并且由于對(duì)焊接塔架的合理高度存在限制，所以采用J式布設(shè)技術(shù)可以達(dá)到的布設(shè)的管線速度在很大程度上受到管段相繼焊接到管線上的速度的限制。因此，希望能夠減少將一根管段焊接到管線上所耗用的時(shí)間。而任何提高焊接工序速度的企圖均不應(yīng)當(dāng)導(dǎo)致焊縫質(zhì)量的明顯下降。在布設(shè)時(shí)，該管線處于很大的張力之下，并且當(dāng)然，焊縫必須足夠牢固以經(jīng)受施加到焊縫上的很大的力。每次將一個(gè)管子焊接到其它管子上時(shí)，都要進(jìn)行徹底的測(cè)試，以便確保所形成的焊縫質(zhì)量足夠高。
本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種用于將管子焊接在一起的設(shè)備和方法，該方法比上述已知的將管子焊接在一起的方法和設(shè)備速度更快，而且不會(huì)明顯降低焊縫的質(zhì)量。
根據(jù)本發(fā)明，提供一種在水下布設(shè)管線的方法，其中，將管段焊接在一起以形成管線，該方法包括以下步驟保持管線的一端，提供一個(gè)用于延伸管線的管段，使該管段與所述管線的端部相鄰設(shè)置，從而確定一個(gè)需要焊接的環(huán)形接縫，提供多個(gè)焊頭，各焊頭具有至少一個(gè)焊炬，并且圍繞所述環(huán)形接縫布置所述焊頭，通過(guò)同步操作焊頭和沿著所述環(huán)形接縫移動(dòng)所述這些焊頭，將管段焊接到管線上，其中，管段由碳含量的重量百分比小于0.1％的鋼制成，并且在焊接步驟中，通過(guò)引導(dǎo)冷卻液使其與管子的內(nèi)表面接觸，在環(huán)形接縫的區(qū)域中對(duì)管子進(jìn)行冷卻。
在下述說(shuō)明中，應(yīng)當(dāng)理解，名詞“管子”包括管線和/或所述管段之一或兩者。
以前已經(jīng)提出了通過(guò)同時(shí)用多個(gè)成角度地間隔開(kāi)且圍繞所述管子的焊頭進(jìn)行焊接以提高焊接工序速度的方案(參見(jiàn)我們的公開(kāi)號(hào)為WO00/38871-申請(qǐng)?zhí)枮镻CT/EP99/10504的國(guó)際申請(qǐng))。然而，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，用多于一個(gè)的焊頭進(jìn)行焊接會(huì)導(dǎo)致與焊池溫度升高有關(guān)的一些問(wèn)題。當(dāng)用單一焊頭進(jìn)行焊接時(shí)，當(dāng)焊頭經(jīng)過(guò)管子之間的接縫的整個(gè)圓周時(shí)，相繼地布設(shè)一些焊接材料的層。在使焊頭繞管子經(jīng)過(guò)360度的過(guò)程中，在布設(shè)焊接材料的下一層之前，沿接縫形成于給定點(diǎn)的焊縫因此而冷卻。如果代替采用一個(gè)焊頭而采用兩個(gè)焊頭，則兩個(gè)焊頭以相同的角速度運(yùn)動(dòng)并以與單個(gè)焊頭相同的速率進(jìn)行焊接，焊接時(shí)間減半，但是冷卻時(shí)間(敷設(shè)相繼層之間的時(shí)間)也減半。如果采用更多的焊炬以便縮短焊接時(shí)間，則敷設(shè)相繼層之間的冷卻時(shí)間也縮短。因此，在相繼焊接的焊接溫度變得太高而對(duì)焊接質(zhì)量造成負(fù)面影響之前，在給定的單獨(dú)操作速率下可以采用的焊頭的數(shù)目受到限制。維持高焊接溫度的焊接還可能導(dǎo)致其它問(wèn)題，例如，蓋面焊縫(在最后一圈的焊接中沉積的層)的敷設(shè)變得更加困難，對(duì)于焊接操作者的安全可能會(huì)造成負(fù)面影響，焊接設(shè)備可能由于焊接設(shè)備部件的過(guò)熱而更易于產(chǎn)生故障或性能下降，如果存在任何管子覆蓋物(覆蓋管子內(nèi)和/或外部的材料)，則均可能受到損傷，并且一些用于測(cè)試焊接質(zhì)量的NDE(非破壞性實(shí)驗(yàn))測(cè)試方法可能需要延遲到管子冷卻時(shí)進(jìn)行。
現(xiàn)在將要討論溫度增加可能導(dǎo)致焊接質(zhì)量下降的兩種途徑。首先，當(dāng)J式布設(shè)管線時(shí)，需要焊接的管子的軸線垂直或接近垂直。如果焊池溫度太高，則由于重力有效地將焊池拉離確定環(huán)形接縫的一個(gè)壁的上管段的端面，所以熔融焊池的表面張力可能過(guò)底，以至于焊池的形狀在重力的作用下變形到對(duì)接縫產(chǎn)生負(fù)面影響的程度。在非常高的溫度下，焊池甚至可能從所述壁流走并且甚至流出接縫。當(dāng)要焊接的管子的軸線相對(duì)于理論上垂直的軸線傾斜時(shí)，與表面張力減少有關(guān)的問(wèn)題加劇。其次，如果保持相對(duì)高溫，則一旦最終冷卻焊接材料的機(jī)械性能可能受到有害的影響。制造管段的鋼材在微觀水平上具有包含相對(duì)較小尺寸的晶粒的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)與良好的機(jī)械性能有關(guān)。在高溫下，晶粒尺寸可能增加而導(dǎo)致對(duì)機(jī)械性能造成有害的影響。
然而，在本領(lǐng)域中存在反對(duì)在焊頭操作過(guò)程中直接進(jìn)行冷卻的成見(jiàn)。過(guò)去認(rèn)為，在焊接過(guò)程中采用冷卻方法會(huì)有害影響焊接的機(jī)械性能。例如，在現(xiàn)有技術(shù)的方法中，過(guò)快地冷卻熱焊縫會(huì)導(dǎo)致管線在管段之間的焊縫區(qū)域中脆化。而且，通常實(shí)際上在焊接之前對(duì)管段進(jìn)行預(yù)熱以避免焊接的機(jī)械特性由于焊接材料冷卻過(guò)快而受到有害的影響。并且，用于防止焊接設(shè)備過(guò)熱的技術(shù)有賴于通過(guò)從焊炬經(jīng)由管子泵送冷卻液對(duì)焊炬進(jìn)行直接冷卻。然而，根據(jù)本發(fā)明，所用的管段由低碳或中碳鋼制成，如此，與采用含碳量的重量百分比大于0.1％的管段的現(xiàn)有技術(shù)相比，焊接的機(jī)械性能由于快速冷卻而惡化的可能性非常小。進(jìn)而，不希望將大量的液體引入管線內(nèi)部。然而，采用本發(fā)明的方法引入管線的液體的量可以很小，從而本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)由于將液體引入管線而帶來(lái)的任何損害。
值得注意的是，在將管段焊接到管線上的過(guò)程中，不需要在任何時(shí)間均操作所有的焊頭。特別是，可以優(yōu)選地在沉淀焊接材料的最后一層(通常稱為蓋面焊縫)時(shí)操作較少的焊頭。優(yōu)選地，當(dāng)敷設(shè)蓋面焊縫時(shí)，甚至可以僅操作一個(gè)焊炬。
冷卻液最初接觸的管線的內(nèi)表面既可以在環(huán)形接縫之上也可以在環(huán)形接縫之下?；蛘?，冷卻液可以同時(shí)在環(huán)形接縫的上、下直接與管線的內(nèi)表面接觸。
當(dāng)采用“J式布設(shè)”技術(shù)進(jìn)行管線布設(shè)時(shí)，本發(fā)明的方法特別有利。該管線，在管線最靠近水面的端部處可以與理論上的垂直軸線成小于50度的角度。要焊接的管子的軸線可以與垂直線成小于50度的角度。如上所述，當(dāng)焊接溫度太高時(shí)，以接近垂直的角度將管子焊接在一起可能存在問(wèn)題。該方法有利地用于將管段焊接到管線上，其端部與理想的垂直軸線成小于20度的角度，并且更優(yōu)選地成10度或更小的角度。
本發(fā)明的方法當(dāng)布設(shè)的管線具有相對(duì)較厚的壁時(shí)也特別有利。通常，當(dāng)管壁的厚度增加時(shí)，將管段焊接到管線上的時(shí)間增加。當(dāng)焊接在一起的管子具有相對(duì)較厚的壁時(shí)，看起來(lái)焊縫將變得足夠的熱以至于引起與保持高溫有關(guān)的問(wèn)題。本方法有利地用于將管段焊接到管子上，其中，管段的金屬壁平均厚度大于或等于20mm。當(dāng)管段的金屬壁平均厚度大于或等于25mm時(shí)，本方法更加有利，而當(dāng)平均壁厚大于或等于30mm時(shí)則更為有利。當(dāng)厚度大于或等于40mm時(shí)也可以有利地采用本方法。
環(huán)形接縫可以為形成在需要焊接在一起的管子端部之間的環(huán)形槽的形式，所述各端部預(yù)先形成坡度。
優(yōu)選地，所述管段由中碳鋼制成。在本發(fā)明的范圍內(nèi)涉及到的中碳鋼可以是具有重量百分比在0.025％和0.075％之間的碳含量的鋼。更優(yōu)選地，所述鋼的碳含量的重量百分比在0.04％和0.06％之間。低碳鋼或中碳鋼可能具有不適于形成用于管線的管段的機(jī)械特性。然而，通?？梢酝ㄟ^(guò)除增加鋼材碳含量以外的方法來(lái)改善機(jī)械特性(例如抗拉強(qiáng)度)。例如，本方法中提供的管段有利地由采用熱機(jī)械控制工藝制造的鋼材(一般稱為T(mén)MCP鋼)制成，并且還優(yōu)選結(jié)合了具有加速冷卻系統(tǒng)的制造技術(shù)(因此這種鋼被稱為T(mén)MCP-AC鋼”)。
在焊池的區(qū)域(給定的焊炬在其上進(jìn)行操作的熔融金屬區(qū)域)中的溫度通常超過(guò)1400攝氏度。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，如果當(dāng)將兩個(gè)管子焊接在一起時(shí)環(huán)形接縫內(nèi)部和周?chē)臏囟缺３衷?00攝氏度以上的時(shí)間操過(guò)預(yù)定的時(shí)間，則會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題。根據(jù)本發(fā)明，在用其它焊頭進(jìn)行操作之前，焊接有利地從這樣的高溫冷卻至相當(dāng)?shù)偷臏囟?。?duì)管子進(jìn)行冷卻的步驟優(yōu)選如此執(zhí)行，即使得至少在一個(gè)局部區(qū)域中，在下一次用同一個(gè)焊頭對(duì)同樣的區(qū)域進(jìn)行焊接之前，使由給定焊頭形成的焊接材料的表面溫度從大于1000攝氏度降低至300攝氏度以下，更優(yōu)選地降低至250攝氏度以下，并且進(jìn)一步優(yōu)選降至200攝氏度以下。優(yōu)選地，在環(huán)形接縫區(qū)域中冷卻管子的步驟如此執(zhí)行，即使得在整個(gè)焊接步驟中沿環(huán)形接縫總有至少一個(gè)區(qū)域的溫度低于300攝氏度，更優(yōu)選低于250攝氏度，并且進(jìn)一步優(yōu)選低于200攝氏度。優(yōu)選地，在環(huán)形接縫區(qū)域中冷卻管子的步驟如此執(zhí)行，即使得在環(huán)形接縫之上100mm距離處管段的截面平均溫度優(yōu)選低于100度。進(jìn)而，優(yōu)選地，在環(huán)形接縫區(qū)域中的管子冷卻的步驟如此執(zhí)行，即使得在環(huán)形接縫之上大約75mm的距離處管段截面的平均溫度低于150攝氏度，并且更優(yōu)選地，使平均溫度低于140攝氏度，進(jìn)一步優(yōu)選地低于130攝氏度。優(yōu)選地，在環(huán)形接縫區(qū)域中的管子冷卻步驟如此執(zhí)行，即使得在環(huán)形接縫之上32mm的距離處管段截面的平均溫度低于250攝氏度，并且更優(yōu)選地低于225℃，進(jìn)一步優(yōu)選低于200℃。
上面涉及的管子溫度可以通過(guò)連接到適當(dāng)結(jié)構(gòu)的校準(zhǔn)信號(hào)放大器上的“K型”熱電偶測(cè)量出來(lái)，所述熱電偶表面的中心位于距離環(huán)形接縫相關(guān)距離處。熱電偶的接觸面積大小可以為25mm×25mm。
上述熱電偶可以連接到一個(gè)對(duì)各種其它測(cè)量的焊接參數(shù)隨時(shí)進(jìn)行電子記錄的數(shù)據(jù)記錄裝置上。這些數(shù)據(jù)可以在焊接之后進(jìn)行分析。例如，可以在給定焊接方法的測(cè)試過(guò)程中對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以便確保該焊接方法符合規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)(例如用于評(píng)價(jià)給定的焊接方法在該領(lǐng)域中是否令人滿意的標(biāo)準(zhǔn))。因此，有利地對(duì)至少一個(gè)與焊接有關(guān)的參數(shù)進(jìn)行測(cè)量并且隨時(shí)間進(jìn)行電子記錄，所述至少一個(gè)參數(shù)優(yōu)選包括在管子上的給定區(qū)域中的管子溫度。優(yōu)選地，在焊接步驟之前、過(guò)程中，及之后，對(duì)參數(shù)的記錄進(jìn)行管理。
當(dāng)在該方法的過(guò)程中對(duì)溫度進(jìn)行測(cè)量并記錄的情況下，可以設(shè)置至少一個(gè)、但優(yōu)選為至少三個(gè)傳感器，以測(cè)量管子的溫度。所述傳感器可以與管子直接接觸。傳感器可以方便地置于管子內(nèi)部，優(yōu)選安裝在一個(gè)用于使要焊接的管子之一保持定位的夾具上。可以彈性地安裝傳感器，以便壓迫傳感器與管子的表面接觸。溫度傳感器優(yōu)選安裝在距離環(huán)形接縫一定距離的地方，使各傳感器的中心離開(kāi)接縫的距離在10mm和100mm，優(yōu)選在25mm和75mm之間。優(yōu)選地，所有溫度傳感器與環(huán)形接縫相距基本相同的距離。這種溫度傳感器可以為前面所述的熱電偶的形式。
還可以對(duì)其它參數(shù)進(jìn)行測(cè)量。優(yōu)選地，在執(zhí)行本方法的過(guò)程中至少可以測(cè)量下述多種參數(shù)冷卻液的壓力、冷卻液的流速、所供應(yīng)的其它冷卻流體和/或任何保護(hù)氣體的壓力和/或流速、焊接電壓、電流、焊炬速度、焊弧振蕩頻率、焊弧振幅(或?qū)挾?。優(yōu)選將這些參數(shù)的測(cè)量結(jié)果中的一些或全部也電子記錄下來(lái)，如果可能的話在記錄之前先進(jìn)行處理。周期性地對(duì)與被測(cè)量的參數(shù)有關(guān)的值進(jìn)行測(cè)量，優(yōu)選每秒測(cè)量多次。
優(yōu)選地，在環(huán)形接縫的區(qū)域中對(duì)管子進(jìn)行冷卻的步驟如此執(zhí)行，使得在剛完成焊接之后焊接的平均溫度低于300℃，更優(yōu)選低于250℃，并且進(jìn)一步優(yōu)選低于200℃。并且，優(yōu)選地，在環(huán)形接縫的區(qū)域中對(duì)管子進(jìn)行冷卻的步驟如此執(zhí)行，使得焊接時(shí)在管子外側(cè)上，離接縫37mm的距離處所達(dá)到的最大溫度小于250℃，更優(yōu)選小于200℃。優(yōu)選地，冷卻管子的步驟如此執(zhí)行，即使得在焊接管子的過(guò)程中，在離環(huán)形接縫32mm的距離處內(nèi)表面所達(dá)到的最大溫度小于200℃，更優(yōu)選地小于150℃。優(yōu)選地，在對(duì)管子進(jìn)行焊接的過(guò)程中，在離環(huán)形接縫22mm的距離處外表面所達(dá)到的最大溫度小于250℃。
當(dāng)在焊接過(guò)程中環(huán)形接縫中的至少一些焊接材料的溫度超過(guò)1500攝氏度時(shí)，本方法特別有利。
有利地，冷卻液包括水。優(yōu)選地，冷卻液為水，優(yōu)選為軟化水。在管段與垂直線成小于50度的角度的情況下，水將與內(nèi)壁(或者管線內(nèi)與焊接工序有關(guān)的其它熱的表面)接觸，如果它們足夠熱，則將會(huì)蒸發(fā)成蒸汽并從管段的內(nèi)部通過(guò)。在距要焊接的環(huán)形接縫給定距離的部位，內(nèi)壁可以處于足夠低溫度，以使得蒸汽凝結(jié)成水，于是，這樣的水將向下流過(guò)管子流向被焊接的環(huán)形接縫并且再次蒸發(fā)。因此，如果以這樣的方式執(zhí)行本方法以便產(chǎn)生上述效果，則水的冷卻效果會(huì)非常好。這樣的效果使得水成為冷卻液的極好選擇。
該冷卻液也可以包括其它液體，例如酒精或任何適當(dāng)?shù)囊后w。
有利地，與管線內(nèi)表面接觸的冷卻液為霧化液體。例如，霧化液體可以采取冷卻液的相對(duì)較小的液滴的噴淋形式。優(yōu)選地，霧化液體為以均勻且穩(wěn)定的方式覆蓋管子內(nèi)壁的相對(duì)較大區(qū)域的液體細(xì)小噴淋的形式。因此，管子上不存在這樣一個(gè)區(qū)域，即該區(qū)域的冷卻速率比管子的其它區(qū)域冷卻速率更快?？梢岳斫?，如果管子的給定區(qū)域與其它區(qū)域相比被非常快地冷卻，則焊接的機(jī)械特性可能會(huì)受到負(fù)面影響。優(yōu)選地，冷卻液從多個(gè)噴嘴噴出。采用多個(gè)噴嘴能夠?qū)⒗鋮s液以均勻且穩(wěn)定的方式供應(yīng)到管子的內(nèi)壁上。噴嘴的數(shù)目可以在5到12之間。最佳的噴嘴最小數(shù)目根據(jù)多種因素而定，所述因素例如包括要焊接的管子直徑。對(duì)于直徑相對(duì)較小的管子可以設(shè)置四個(gè)噴嘴。當(dāng)對(duì)直徑更大的管子執(zhí)行本方法時(shí)，優(yōu)選設(shè)置更多的噴嘴。優(yōu)選地，至少設(shè)置6個(gè)噴嘴。更優(yōu)選地，至少設(shè)置8個(gè)噴嘴?？梢栽O(shè)置10個(gè)或更多的噴嘴。
優(yōu)選地，噴嘴噴出的液體的包含噴嘴軸線的任何給定截面的最大角度大于80度，并且優(yōu)選大于100度。該角度例如可以為大約120度，或更大。當(dāng)液體噴出噴嘴時(shí)由該液體確定的形狀，在接近噴嘴的區(qū)域中可以相對(duì)平坦，這種形狀使得噴流朝向環(huán)形接縫的方向并與之對(duì)齊?；蛘?，該形狀可以大致為錐形。從各噴嘴噴出的液體的立體角度可以大于1立體弧度，優(yōu)選大于2個(gè)立體弧度，并且更優(yōu)選地大于3個(gè)立體弧度。
在液體噴出的區(qū)域中各噴嘴的直徑可以為2mm或更小，并且，例如直徑可以大約為1mm。
優(yōu)選地，多個(gè)噴嘴相互相對(duì)固定地設(shè)置。多個(gè)噴嘴可以設(shè)置成一個(gè)噴嘴環(huán)，它們可以相互相對(duì)固定。噴嘴被有利地設(shè)置在一個(gè)內(nèi)夾具上，所述內(nèi)夾具用于輔助將管子和管段基本上相互相對(duì)固定地對(duì)齊和/或夾持。
用于執(zhí)行本方法的設(shè)備可以是這樣的，冷卻液可以沿著至少一個(gè)導(dǎo)管從源頭流向管線的內(nèi)部。導(dǎo)管中冷卻液的壓力優(yōu)選為超過(guò)大氣壓力至少0.5巴(50,000Pa)。例如，導(dǎo)管中的冷卻液壓力可以為大約2巴，即超過(guò)大氣壓以上大約1巴(100,000Pa)。如上所述，比較理想的是，將引入管線中的液體體積保持在最小的程度。然而，本方法可以在焊接過(guò)程中將冷卻液以大于1升每分鐘的速度、例如以大約2升每分鐘的速度將冷卻液引入到管線中。
優(yōu)選地，在焊接步驟中，引入管線的冷卻液的體積小于15升，并且更優(yōu)選小于10升。例如，在焊接步驟中，引入管線的冷卻液的體積甚至可以大約為8升或更少。當(dāng)然，保持在管線中的液體的量可能比引入的量少，這是因?yàn)橐恍┮后w可能成為蒸汽而逸出。優(yōu)選地，每增加一個(gè)管段，少于15升、并且更優(yōu)選地大約10升或更少的冷卻液被引入管線。優(yōu)選地如此執(zhí)行本方法，即使得可以以少于8分鐘或更優(yōu)選地少于6分鐘或更短的時(shí)間執(zhí)行焊接步驟。優(yōu)選地，以每增加一個(gè)管段少于8分鐘或者更優(yōu)選地少于6分鐘的周期供應(yīng)冷卻液。優(yōu)選以0.5到4升每分鐘的速率供應(yīng)該冷卻液?？梢砸?到3升每分鐘、更優(yōu)選為大約2升每分鐘的速率供應(yīng)冷卻液。
優(yōu)選地，僅在根部焊接已經(jīng)完成之后引入冷卻液。據(jù)信，在根部焊接(敷設(shè)于環(huán)形接縫中第一次焊接)剛剛形成之后就積極地對(duì)其進(jìn)行冷卻，在某些環(huán)境下可能會(huì)顯著降低焊接的質(zhì)量。高質(zhì)量根部焊接的形成非常重要。因此，優(yōu)選地僅在已經(jīng)沉積了三層焊接材料之后才引入冷卻液。在引入冷卻液之前及根部焊接完成之后，可以通過(guò)引入冷卻氣體在環(huán)形接縫的區(qū)域中對(duì)管子進(jìn)行冷卻。用氣體從管子內(nèi)側(cè)進(jìn)行冷卻不象用液體冷卻那樣有效，但是易于以低冷卻速度進(jìn)行控制。引入冷卻氣體可以緊接在根部焊接之后輔助對(duì)所形成的焊層進(jìn)行冷卻，而其冷卻速度不會(huì)過(guò)快而導(dǎo)致形成的焊縫的質(zhì)量下降。所用的冷卻氣體可以為空氣。并且，冷卻氣體可以通過(guò)與冷卻液所通過(guò)的噴嘴數(shù)目同樣多的噴嘴。
例如可以如此執(zhí)行本方法，即對(duì)第一和至少隨后的焊圈不進(jìn)行主動(dòng)的冷卻，之后，對(duì)于至少一個(gè)并且優(yōu)選多個(gè)焊圈用從管子內(nèi)部引入的氣體進(jìn)行冷卻，并且此后引入冷卻液。
在焊接步驟已經(jīng)完成之后，通常通過(guò)非破壞性實(shí)驗(yàn)(N.D.T.)對(duì)焊道進(jìn)行檢測(cè)。例如，超聲波技術(shù)通常被用于檢測(cè)布設(shè)管線時(shí)形成的焊接質(zhì)量。這樣的設(shè)備可以采用液體、例如水作為焊道或管子的表面與設(shè)備之間的界面。為了使這種界面液體部不被蒸發(fā)，管子的表面需要處于相當(dāng)?shù)偷臏囟?。還可能由于其它原因，所采用的檢測(cè)設(shè)備或技術(shù)可能也需要管子低于一定的溫度，以便功能正常。因此，本方法優(yōu)選如此執(zhí)行，即在焊接步驟已經(jīng)完成之后，冷卻液連續(xù)地引入到管線中。因此，以便可以更迅速地執(zhí)行NDT。優(yōu)選地，本發(fā)明方法的焊接和冷卻步驟如此執(zhí)行，即在焊接已經(jīng)完成之后用冷卻液連續(xù)冷卻，優(yōu)選在焊接已經(jīng)完成之后，在經(jīng)過(guò)等于焊接時(shí)間的百分之五十的時(shí)間周期之后，使得焊縫的溫度小于250℃，更優(yōu)選小于200℃，進(jìn)一步優(yōu)選大約為150℃或更小。
優(yōu)選地，設(shè)置多于4個(gè)焊炬。優(yōu)選地，設(shè)置多于兩個(gè)焊頭。焊頭的具體結(jié)構(gòu)不是本發(fā)明的主要內(nèi)容。不過(guò)，可以采用這樣一種設(shè)計(jì)，其中，各焊頭包括單個(gè)的焊炬，而各焊頭優(yōu)選包括多個(gè)焊炬，因而這樣可以更快地執(zhí)行焊接步驟。例如，各焊頭可以包括兩個(gè)焊炬。同一焊頭的焊炬優(yōu)選被設(shè)計(jì)成以相互固定的關(guān)系圍繞管子截面運(yùn)動(dòng)；然而，也可以屬于同一焊頭的焊炬的相對(duì)運(yùn)動(dòng)受到一定的限制。在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，具有三個(gè)焊頭，每個(gè)焊頭具有兩個(gè)焊炬。
本方法有利地進(jìn)一步包括提供一個(gè)旋轉(zhuǎn)設(shè)備保持件的步驟，該旋轉(zhuǎn)設(shè)備保持件用于繞一個(gè)基本垂直的軸線旋轉(zhuǎn)，并且具有一個(gè)中心開(kāi)口，當(dāng)布設(shè)管線時(shí)管段可以穿過(guò)所述中心開(kāi)口，多個(gè)焊頭繞旋轉(zhuǎn)設(shè)備保持件成角度地間隔開(kāi)，各焊頭與旋轉(zhuǎn)設(shè)備保持件的相應(yīng)的扇形區(qū)相連，并且圍繞管段或管線固定一個(gè)焊頭導(dǎo)向組件，該導(dǎo)向組件包括一個(gè)用于引導(dǎo)各焊頭圍繞管段運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)軌，當(dāng)相關(guān)的焊頭繞管段旋轉(zhuǎn)時(shí)，旋轉(zhuǎn)設(shè)備保持件的相應(yīng)扇形區(qū)可以繞管段旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)設(shè)備保持件的旋轉(zhuǎn)可以減少或消除各焊頭相對(duì)于旋轉(zhuǎn)設(shè)備保持件的位置變化。該特征使其可以同時(shí)繞管線操作多個(gè)焊頭，從而可以顯著提高焊接工序的速度。同時(shí)，設(shè)置旋轉(zhuǎn)設(shè)備保持件使其可以操作多個(gè)焊頭而不會(huì)存在一個(gè)焊頭與其它焊頭的操作相互干擾的危險(xiǎn)。優(yōu)選地，本方法包括在同時(shí)操作焊頭時(shí)使旋轉(zhuǎn)設(shè)備保持件旋轉(zhuǎn)的步驟，以便限制各焊頭相對(duì)于旋轉(zhuǎn)設(shè)備保持件的位置變化。
在我們的公開(kāi)號(hào)為WO00/38871的國(guó)際申請(qǐng)中對(duì)這種旋轉(zhuǎn)設(shè)備保持件作了進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明，該文獻(xiàn)在此被結(jié)合作為參考?？梢詫?shí)施(所公開(kāi)的)國(guó)際申請(qǐng)的權(quán)利要求2至17和20至22的特征，這樣對(duì)采用旋轉(zhuǎn)設(shè)備保持件的本發(fā)明的方案是有利的。
根據(jù)本發(fā)明，還提供一種焊接設(shè)備，用于按照上述方法將管段焊接在一起以形成一個(gè)水下管線，該設(shè)備包括一個(gè)管子保持裝置，該管子保持裝置能夠保持管線的端部并且使管段與所述管線相鄰布置，從而確定要焊接的環(huán)形接縫，多個(gè)焊頭，每個(gè)焊頭具有至少一個(gè)焊炬，用以在環(huán)形接縫的區(qū)域內(nèi)將管子焊接在一起，和冷卻裝置，該冷卻裝置可以在焊接步驟過(guò)程中引導(dǎo)冷卻液與管線的內(nèi)表面接觸，從而在環(huán)形接縫的區(qū)域中對(duì)管子進(jìn)行冷卻。
本設(shè)備被有利地設(shè)計(jì)成能夠執(zhí)行根據(jù)上述本發(fā)明的任何方案的方法。例如，冷卻裝置可以有利地形成多個(gè)噴嘴。當(dāng)然，冷卻裝置也可以采用其它適當(dāng)形式。管子保持裝置例如可以包括夾具和/或張力輥、或者其它優(yōu)選裝置的結(jié)合。
本發(fā)明還進(jìn)一步設(shè)有一個(gè)管子布設(shè)成套組件，它包括一個(gè)如前面所述的管子焊接設(shè)備和多個(gè)管段，其中，各管段由碳含量的重量百分比小于0.1％的鋼制成。管子布設(shè)成套組件優(yōu)選安裝在一艘船上，例如一個(gè)管子布設(shè)船。
本發(fā)明進(jìn)一步提供一種水下管線，該水下管線包含用上述方法焊接在一起的管段系列。
上述發(fā)明中提到了采用冷卻液。然而，本發(fā)明采用冷卻氣體代替冷卻液。另外，本發(fā)明還進(jìn)一步提供一種在水下布設(shè)管線的方法，其中，管段被焊接在一起以形成管線，該方法包括以下步驟保持管線的一端，設(shè)置一個(gè)管段用以延長(zhǎng)所述管線，對(duì)管段進(jìn)行布置，使其與管線的所述端部相鄰，從而確定要焊接的環(huán)形接縫，設(shè)置多個(gè)焊頭，各焊頭具有至少一個(gè)焊炬，并且繞著環(huán)形接縫布置所述焊頭，通過(guò)同時(shí)操作焊頭和沿環(huán)形接縫移動(dòng)所述焊頭，將管段焊接到管線上，其中，該管段由具有重量百分比小于0.1％的碳含量的鋼制成，并且在焊接步驟的過(guò)程中，通過(guò)引導(dǎo)冷卻流體與管線的內(nèi)表面接觸，在環(huán)形接縫的區(qū)域中對(duì)管子進(jìn)行冷卻。冷卻流體可以是氣體、例如空氣，或者可以是液體、例如水，或者可以是液體和氣體的結(jié)合。冷卻流體可以最初為氣體(例如，在根部焊接之后形成多個(gè)焊圈的過(guò)程中)，其后可以為液體(例如霧化液體)。
現(xiàn)在，將以舉例的方式參考附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例進(jìn)行說(shuō)明，其中

圖1是包括水冷卻環(huán)的平面視圖的示意圖，圖2是表示管線內(nèi)的圖1的冷卻環(huán)操作的示意圖，
圖3是表示被焊接到管線頂部上的管段的底部的側(cè)視圖，其中采用高架圓盤(pán)的形式的旋轉(zhuǎn)臺(tái)作為旋轉(zhuǎn)設(shè)備保持件，圖4是在圖3所示的焊接過(guò)程中的高架圓盤(pán)的平面圖，圖5是包含兩個(gè)焊炬的焊接設(shè)備(為了清楚起見(jiàn)僅表示出了一個(gè)焊炬)的側(cè)視圖，圖6是包含兩個(gè)焊炬的焊接設(shè)備的改型的透視圖。
圖1表示冷卻環(huán)1的平面示意圖。環(huán)1包括十個(gè)具有出口2a的噴嘴2(為了清楚起見(jiàn)，在圖1中僅表示出了八個(gè)；該附圖為示意圖)，每個(gè)噴嘴2經(jīng)由一個(gè)線路3連接到冷卻劑分配器和泵4上。(在該特定的例子中線路的數(shù)目等于噴嘴的數(shù)目，但是當(dāng)然應(yīng)當(dāng)清楚，可以設(shè)置較少的線路3；例如，一個(gè)線路可以順序?qū)Ω鱾€(gè)噴嘴進(jìn)行供應(yīng))。冷卻劑分配器和泵4連接到水和空氣源(未示出)上。(在圖1中示意性的表示出)各噴嘴2的出口2a的直徑大約為1.5mm。冷卻環(huán)1固定安裝在一個(gè)內(nèi)夾具(未示出)上，所述內(nèi)夾具用于將待焊接的管段5夾在管線6的端部上以便延長(zhǎng)該管線6(參見(jiàn)圖2)。在圖2中，表示出一個(gè)恰位于由管子5、6所確定的槽7之上的環(huán)1。當(dāng)然應(yīng)當(dāng)理解，如果需要，該環(huán)可以定位于更加靠近所述槽的位置上，或者位于所述槽之下，或者可以設(shè)置另一個(gè)環(huán)。冷卻環(huán)1用在采用J式布線技術(shù)的布設(shè)管線的方法中，所述管線由管段構(gòu)成，而管段由TMCP-AC中碳鋼制成。在使用中，將冷卻環(huán)1設(shè)置在管線6的內(nèi)側(cè)(如可以從圖2中看出的那樣)。
槽7的形狀(在圖2中為了清楚起見(jiàn)作了示意性地表示)可以使得確定所述槽的壁被以5度或更小的角度、例如3度分開(kāi)。因此，槽的壁接近于平行。
參照?qǐng)D2，在焊接過(guò)程中，焊接材料8被焊頭9敷設(shè)在槽7中，焊頭9圍繞管子并沿槽7運(yùn)動(dòng)。在厚度基本恒定的區(qū)域中，管段5和管線6的壁為32mm厚。各焊頭9a不止一次地經(jīng)過(guò)槽7的相同部分，以便敷設(shè)更多的材料8，并且最終充滿整個(gè)槽7并在兩個(gè)管子5、6之間提供強(qiáng)固的焊接。
圖3是在一艘船上的焊接工段的側(cè)視圖，所述船設(shè)計(jì)用于采用J式布線技術(shù)布設(shè)管線。該管線被布置成以基本垂直的方向離開(kāi)布設(shè)其的船只，并且隨后管線在海床上向水平方向彎曲。在J式布線中，盡管在船上管線可以完全垂直，但是更一般的情況、特別是如果布設(shè)管線處的水深相對(duì)不是非常深時(shí)，管線將向垂直方向傾斜。當(dāng)進(jìn)行J式布設(shè)時(shí)，需要在管線上增加附加的管段，而管段的取向基本垂直；因此，不可能沿著管線的長(zhǎng)度方向建造整個(gè)一列焊接工段，并且盡可能迅速地實(shí)施將其它管段(其本身可能包括多個(gè)焊接在一起的單獨(dú)的管節(jié))焊接到管線上的工序是非常重要的。
在圖3中，參考標(biāo)號(hào)101表示正在布設(shè)的管線的上端部，參考標(biāo)號(hào)102表示將被焊接到管線101上的管段102的下端。借助安裝在船只上的適當(dāng)夾具和/或張力輥(未示出)使管線101相對(duì)船只保持定位，并且在焊接工序中管線101相對(duì)于船只保持在一個(gè)固定位置上。這些夾具包括一個(gè)內(nèi)夾具，冷卻環(huán)1(參見(jiàn)圖1和圖2)安裝在該內(nèi)夾具上。由夾具保持管段102的上端部與管線101的底部同軸地對(duì)齊，并且管段102的底部和管線101的頂部相互鄰接并限定出一個(gè)圍繞它們的接縫外部的環(huán)形槽103(如已經(jīng)參考圖2中所示的環(huán)形槽7所說(shuō)明的那樣)。
焊接組件111圍繞管線101的頂部固定，管線組件包括一個(gè)緊靠槽103之下繞管線延伸的環(huán)形導(dǎo)軌114，并且在本例中，還包括兩個(gè)處于徑向相對(duì)的位置上的焊頭112。安裝焊頭112，使其繞導(dǎo)軌114運(yùn)動(dòng)，并且精密控制它們的運(yùn)動(dòng)。各焊頭本身具有如下面參照?qǐng)D5和6所述的特殊結(jié)構(gòu)。
各焊頭112被一個(gè)臍帶式柔性連接件115連接到其自身的供應(yīng)設(shè)備116上，所述供應(yīng)設(shè)備116從一個(gè)高架的轉(zhuǎn)盤(pán)125上懸掛下來(lái)，該轉(zhuǎn)盤(pán)125可以繞一個(gè)與管線101上端部的縱軸101A相交且相對(duì)于其傾斜的垂直軸線108旋轉(zhuǎn)。在特定的例子中將傾斜角度表示為20°，但是應(yīng)當(dāng)理解，該角度是可變的。
一個(gè)平臺(tái)151設(shè)置在轉(zhuǎn)盤(pán)之下，設(shè)備的使用者可以站在其上。該平臺(tái)151具有一個(gè)中心開(kāi)口151A，管線從該中心開(kāi)口151A穿過(guò)。當(dāng)從轉(zhuǎn)盤(pán)上懸掛下來(lái)的焊頭和供應(yīng)設(shè)備旋轉(zhuǎn)時(shí)，平臺(tái)151保持固定，以便需要對(duì)焊頭進(jìn)行觀察的使用者必須繞平臺(tái)151走動(dòng)。
供應(yīng)設(shè)備116包括一個(gè)氣缸(包括一些氬氣成分和一些二氧化碳成分)，和用于提供各焊頭和其它設(shè)備所需的電能的發(fā)電設(shè)備。所述其它設(shè)備包括焊絲供應(yīng)器，該焊絲供應(yīng)器通過(guò)連接件115向相應(yīng)的焊頭供應(yīng)焊絲。
如最易于從圖4中看出的那樣，高架轉(zhuǎn)盤(pán)125安裝在一個(gè)框架152上，該框架152可通過(guò)輪子153在一個(gè)在圖4中用虛線標(biāo)出的固定支撐架154上可滑動(dòng)地固定，從而，如圖3和4所示，轉(zhuǎn)盤(pán)125可以水平移動(dòng)遠(yuǎn)離其操作位置到達(dá)一個(gè)清理管線101的位置。如果需要在管線接縫上進(jìn)行其它操作，則這樣設(shè)置將是有用的。
框架152承載著一個(gè)導(dǎo)軌155，導(dǎo)軌155在一個(gè)區(qū)域156中斷，以便即使當(dāng)管段垂直穿過(guò)該導(dǎo)軌時(shí)也可以將導(dǎo)軌從框架152上水平撤出。安裝轉(zhuǎn)盤(pán)125用以通過(guò)輪子157在導(dǎo)軌155上旋轉(zhuǎn)，大多數(shù)輪子繞水平軸線旋轉(zhuǎn)但是有兩個(gè)輪子(圖4中的參考標(biāo)號(hào)157A)繞垂直軸線旋轉(zhuǎn)。應(yīng)當(dāng)理解，盡管導(dǎo)軌僅繞管段局部延伸，但是轉(zhuǎn)盤(pán)125可以旋轉(zhuǎn)整個(gè)360°裝備圖3和4中所示的轉(zhuǎn)盤(pán)，用于進(jìn)行四個(gè)焊炬(在這一特定例子中為兩個(gè)焊頭，各焊頭具有兩個(gè)焊炬)的操作。因此，轉(zhuǎn)盤(pán)具有四組供應(yīng)設(shè)備，包括用于各焊頭的氣缸119A、119B、119C和119D，電氣控制和/或發(fā)電設(shè)備120A、120B、120C和120D，以及焊絲供應(yīng)器121A、121B、121C和121D。
現(xiàn)在，說(shuō)明用于在管線頂部上焊接管段的工藝，說(shuō)明將從下述狀態(tài)開(kāi)始，所述狀態(tài)為管線上端部固定在一個(gè)位置上、且由夾具使管段保持與管線的上端部相鄰并同軸地對(duì)齊、并且焊接組件被定位于焊頭的焊炬在管段和管線端部的接縫處與所述槽對(duì)齊的位置上的狀態(tài)(參見(jiàn)圖3和4)。該夾具包括一個(gè)與圖1和圖2示意性表示出的冷卻環(huán)1結(jié)合在一起的內(nèi)夾具。
管段之間的焊縫可以以一個(gè)連續(xù)操作的形式形成。在各焊頭112的相應(yīng)托架上繞著導(dǎo)軌以相同的旋轉(zhuǎn)速度驅(qū)動(dòng)各焊頭112。同時(shí)，以導(dǎo)致相同的旋轉(zhuǎn)速度繞軸線108驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)盤(pán)125。因此，用于各焊頭112的供應(yīng)設(shè)備116保持與其焊頭大致徑向?qū)R；由于管線的傾斜，存在焊頭朝向或遠(yuǎn)離設(shè)備116的一定的移動(dòng)，但是柔性連接件115的運(yùn)動(dòng)可對(duì)此進(jìn)行調(diào)節(jié)。
最初，如已經(jīng)說(shuō)明的那樣，焊接材料被敷設(shè)在槽的最內(nèi)部中(此步驟稱為根部焊接)，但是當(dāng)繼續(xù)旋轉(zhuǎn)且焊頭到達(dá)所述槽上已經(jīng)由其它焊頭經(jīng)過(guò)了的部分時(shí)，就向著最外側(cè)部分形成焊圈。焊接材料的相繼層在后續(xù)的圈上被敷設(shè)。因此，采用兩個(gè)焊頭，每個(gè)敷設(shè)焊接材料的單獨(dú)層，每個(gè)層可以在每個(gè)焊頭繞管線作180度移動(dòng)時(shí)敷設(shè)，從而對(duì)于焊頭圍繞管線作一次完整轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，可以形成兩圈焊接材料層。最后敷設(shè)的焊接材料稱為蓋面，并且因此這一步驟(最后一圈)稱為(蓋焊)。然而，蓋焊的敷設(shè)是由單個(gè)的焊頭來(lái)進(jìn)行的。
參照?qǐng)D2，根據(jù)已知的技術(shù)，設(shè)有一個(gè)安裝在夾具(未示出)的墊塊上的環(huán)形銅制后墊板13，所述夾具設(shè)置用于保持管線6的上端部。銅制后墊板13定位于管子5、6內(nèi)部，以便蓋住管子5、6之間的接縫。銅制后墊板13用于輔助根部焊接和焊接材料的至少第二層的敷設(shè)。在焊接材料的初始層沉積之后，后墊板13移去。
參照?qǐng)D1和圖2，在根部焊圈(即第一圈焊接)過(guò)程中，沒(méi)有冷卻流體流出噴嘴2。第二圈焊接一完成(即在大約70到100秒之后已經(jīng)敷設(shè)兩層焊接材料)，空氣便從噴嘴2噴向管線的內(nèi)表面。最初為環(huán)境溫度的所述空氣從冷卻劑分配器和泵4經(jīng)由管線泵送至噴嘴2，并且從噴嘴噴向所述槽7。該空氣有助于以相對(duì)溫和的方式對(duì)槽7的區(qū)域內(nèi)的管子進(jìn)行冷卻。在冷卻焊接材料的這一階段主要通過(guò)由管子本身將熱傳導(dǎo)出來(lái)進(jìn)行。
一旦已經(jīng)完成四圈焊接，通常在130至160秒之后，代替將空氣泵向噴嘴，而將水泵向噴嘴2(圖2所示的狀態(tài))。該水形成霧化水排出噴嘴出口2a，并且如箭頭10(為了清楚起見(jiàn)，僅表示在圖2的右手側(cè))所示大致指向槽7(從圖2中看大致指向下方)。由(靠近噴嘴出口的)噴淋水確定的理論上的錐形的角度大約為120度。噴淋的水均勻地覆蓋管線內(nèi)部一個(gè)將對(duì)較大的表面區(qū)域。以高于大氣壓力大約1巴的壓力和大約兩升每分鐘的速度，從冷卻劑分配器和泵4經(jīng)由線路3(僅用于泵送空氣的同一線路3)向噴嘴2泵送最初為環(huán)境溫度的水。所述水有助于在槽7的區(qū)域內(nèi)對(duì)管子5、6進(jìn)行冷卻。特別地，與管(或者如果還在的話，與銅制后墊板13)的很熱的表面接觸的水被蒸發(fā)并轉(zhuǎn)換成蒸汽(由虛線箭頭11表示-為了清楚起見(jiàn)僅表示在圖2的左手側(cè))，蒸汽上升通過(guò)管線的內(nèi)部。需要將液態(tài)水轉(zhuǎn)換成蒸汽的從管線中獲得的額外的能量進(jìn)一步有助于冷卻工序。蒸汽在上升過(guò)程中，例如與管線的溫度低的表面接觸而冷卻并且重新凝結(jié)成水。這種水(右箭頭12表示-為了清楚起見(jiàn)僅表示在圖2的左手側(cè))隨后在重力的作用下向下通過(guò)管線5的內(nèi)側(cè)，并且隨后在到達(dá)管線(或者如果還在的話，銅制后墊板13)的足夠熱的內(nèi)表面上時(shí)，可以再次蒸發(fā)。這種蒸發(fā)、冷凝和再蒸發(fā)的循環(huán)進(jìn)一步有助于對(duì)槽7的區(qū)域中的管子5、6進(jìn)行冷卻。
在焊接工藝過(guò)程中，焊池處于大約1500攝氏度的溫度，但是槽的區(qū)域內(nèi)的內(nèi)管表面存在溫度低于160攝氏度的區(qū)域(當(dāng)焊頭移動(dòng)時(shí)該區(qū)域也可以移動(dòng))。在距所述槽37mm距離處，任意給定時(shí)間的管子平均溫度，在管子外側(cè)低于240攝氏度，在管子內(nèi)側(cè)低于150℃。
在已經(jīng)完成蓋面焊接并且該焊接因此已經(jīng)停止之后，仍將水從噴嘴泵出，對(duì)管線進(jìn)一步冷卻，以便可以執(zhí)行焊縫的非破壞試驗(yàn)(NDT)。在5分鐘的時(shí)間內(nèi)，從冷卻劑泵和分配器4總共泵送八升水。
參照?qǐng)D3和圖4，在整個(gè)焊接工藝中，焊頭112和轉(zhuǎn)盤(pán)125的旋轉(zhuǎn)速度可以恒定。如果需要，焊頭和轉(zhuǎn)盤(pán)的旋轉(zhuǎn)方向可以周期性的反轉(zhuǎn)，不過(guò)應(yīng)當(dāng)理解，從保持焊頭與它們相應(yīng)的供應(yīng)設(shè)備相鄰的角度看，這種反轉(zhuǎn)是不需要的。一旦焊縫已經(jīng)完成，則可以從管線上卸下焊接組件111，使另一節(jié)管線可以從船舶上送出，并且重復(fù)所述上述工藝，然后由該管段的頂部形成管線的端部。
現(xiàn)在，將參照?qǐng)D5和6說(shuō)明焊頭。參照?qǐng)D5，表示將要焊接在一起的管線202、204端部的局部剖視圖，和具有兩個(gè)電弧焊炬201(在圖1中僅僅有一個(gè)可見(jiàn))、用于將管子202、204對(duì)焊在一起的焊接設(shè)備210的側(cè)視圖。焊炬是已知的GMAW(氣體金屬弧焊)，并且既可以采用MAG(金屬活性氣體)式焊接，也可以采用MIG(金屬惰性氣體)式焊接。所用的氣體例如可以是二氧化碳。應(yīng)當(dāng)理解，焊接設(shè)備210對(duì)應(yīng)于圖3和圖4所示的一個(gè)焊頭112、圖2所示的焊頭9a，并且管線202、204相應(yīng)對(duì)應(yīng)于圖2所示的管線6(或圖3和4中的101)和圖2所示的管段5(或圖3和4所示的102)。
管子202、204以軸線對(duì)齊且它們端部226、227相互連接。管子的端部226、227形成坡度，以便當(dāng)將它們放在一起的時(shí)候確定出一個(gè)沿圓周延伸的外部槽228(圖2中的槽7或圖3中的槽103)。軌道206(相當(dāng)于圖3和4中的軌道114)作為一個(gè)單元安裝在左手側(cè)的管子202上(如圖5所示)。軌道206繞管子202呈圓周狀延伸。軌道206具有兩個(gè)繞管子202延伸的導(dǎo)軌229、230。安裝焊接設(shè)備210，用以沿著軌道206運(yùn)動(dòng)。輪子205可旋轉(zhuǎn)地安裝在焊接設(shè)備210的基板207上。輪子205與導(dǎo)軌229、230配合，并且有利于沿軌道206引導(dǎo)設(shè)備210的運(yùn)動(dòng)。軌道230之一還設(shè)有繞管子延伸的齒條。驅(qū)動(dòng)為了與齒條配合而安裝的小齒輪(未示出)，以便可以繞管子202驅(qū)動(dòng)所述設(shè)備。被動(dòng)小齒輪可以經(jīng)由一個(gè)被動(dòng)鏈而被旋轉(zhuǎn)，所述被動(dòng)鏈由步進(jìn)電機(jī)或類(lèi)似的驅(qū)動(dòng)源(未示出)驅(qū)動(dòng)。將軌道206定位于管子202上，以使設(shè)備210的焊炬201分別直接在槽228上定位。這種在一個(gè)管子上定位一個(gè)軌道和一個(gè)焊接設(shè)備、以便焊接設(shè)備的焊炬被正確定位于將要形成的焊縫之上的方法是已知的，因此在此不再詳細(xì)說(shuō)明。
在使用中，繞管子202、204驅(qū)動(dòng)設(shè)備210，并且操作且控制焊炬201，以便將焊接材料沉積在槽228的中心形成焊縫203。一個(gè)接一個(gè)地設(shè)置焊炬。當(dāng)啟動(dòng)該設(shè)備時(shí)，首先操作第一焊炬(在相對(duì)于焊炬初始運(yùn)動(dòng)方向的前方處的焊炬)并且不操作其它焊炬，直到它到達(dá)由第一焊炬開(kāi)始沉積焊接材料的地方為止。然后，當(dāng)設(shè)備210沿槽228通過(guò)時(shí)，利用第一焊炬將焊接材料沉積于所述槽中，此后不久，由第二焊炬進(jìn)一步將焊接材料沉積在其頂部上，從而一起形成焊縫203。該設(shè)備210進(jìn)行若干圈而將更多的焊接材料層沉積在所述槽，以便將管子連接在一起。如果需要，焊接設(shè)備210可以沿兩個(gè)方向繞管子202、204的圓周旋轉(zhuǎn)。兩個(gè)焊炬201以類(lèi)似的方式工作。下面的說(shuō)明僅與兩個(gè)焊炬之一有關(guān)，但是應(yīng)當(dāng)理解，其它焊炬也以類(lèi)似的方式工作。從一個(gè)焊絲卷筒211向焊炬201連續(xù)進(jìn)給焊絲209。借助牽拉裝置214將焊絲209從焊絲卷筒211上解卷，所述牽拉裝置214經(jīng)由一個(gè)導(dǎo)管208將焊絲209傳送給應(yīng)變裝置212，從該裝置處將焊絲進(jìn)給到焊炬201中。由焊炬進(jìn)行的管子202、204的焊接受到一個(gè)自動(dòng)導(dǎo)引系統(tǒng)的控制。在我們的公開(kāi)號(hào)為WO00/38871的國(guó)際申請(qǐng)中對(duì)適當(dāng)?shù)膶?dǎo)引系統(tǒng)進(jìn)行了說(shuō)明。導(dǎo)引系統(tǒng)通過(guò)確定與電弧阻抗有關(guān)的電參數(shù)值對(duì)焊炬進(jìn)行引導(dǎo)，但是在此將不作任何詳細(xì)的說(shuō)明。
圖6示意性地表示焊接設(shè)備310的一個(gè)改型。該設(shè)備310以與上述設(shè)備210類(lèi)似的方式工作。焊炬301被對(duì)齊，以便當(dāng)設(shè)備310安裝在一個(gè)管子(圖6中未示出)時(shí)，它們同時(shí)指向繞管子延伸的相同理論上的圓周線。設(shè)置輪子305，以便與導(dǎo)軌(圖6中未示出)配合，所述導(dǎo)軌在使用中繞著要焊接的管子之一延伸?，F(xiàn)在將要說(shuō)明設(shè)備310和設(shè)備210之間的主要不同。設(shè)備310的焊線(未示出)不設(shè)置在設(shè)備的運(yùn)動(dòng)部分上，而是安裝在遠(yuǎn)離設(shè)備的位置上，并且當(dāng)其繞管子運(yùn)動(dòng)時(shí)，從該遠(yuǎn)離位置經(jīng)由一個(gè)導(dǎo)向管(例如圖3所示的連接件115)進(jìn)給到焊接設(shè)備中。分別對(duì)焊炬301進(jìn)行水冷。繞包含部分焊炬的冷卻系統(tǒng)(未示出)對(duì)水進(jìn)行泵送。由工作焊炬加熱的水進(jìn)入一個(gè)熱交換器、例如一個(gè)散熱器，以便使其冷卻。
已經(jīng)進(jìn)行了多種試驗(yàn)，以便當(dāng)采用根據(jù)上述實(shí)施例的冷卻方法時(shí)評(píng)測(cè)管子上的溫度變化。當(dāng)將管子焊接在一起時(shí)，從安裝在管子表面上10個(gè)(內(nèi)表面上有4個(gè)、外表面上有6個(gè))K型熱電偶讀取數(shù)據(jù)。所用的熱電偶分別具有一個(gè)25mm×25mm大小的與管子接觸的測(cè)量表面。熱電偶是電絕緣的，測(cè)量極板(熱電偶與管子接觸的表面)被焊接在管子上。從各熱電偶向一個(gè)信號(hào)放大器(由Hottinger BaldwinMesstechnik制造的型號(hào)為HBM UPM 100的放大器)發(fā)送信號(hào)。各熱電偶的操作測(cè)量范圍為從22℃至400℃。熱電偶測(cè)量中的不確定性以+/-1℃的準(zhǔn)確度計(jì)算。對(duì)測(cè)量的溫度以時(shí)間為標(biāo)記進(jìn)行周期性的電記錄，而涉及本發(fā)明的實(shí)施例的其它參數(shù)包括空氣(用于冷卻的空氣)壓力、和冷卻水壓力和流速。本實(shí)施例的所有特定參數(shù)被記錄在一個(gè)已有的用于記錄焊接參數(shù)的記錄設(shè)備上，并且同樣對(duì)進(jìn)一步的參數(shù)進(jìn)行測(cè)量和記錄，所述進(jìn)一步的參數(shù)包括電弧電壓、電弧電流、計(jì)算的熱輸入和許多其它參數(shù)。
熱電偶是成對(duì)安裝的，各對(duì)熱電偶繞管子分開(kāi)60°，安裝第一、第二、和第三對(duì)，使熱電偶的墊片中心在管子外部上距管子之間的接縫距離分別為22mm、37mm、87mm，并且安裝第四和第五對(duì)，使所述中心在管子內(nèi)部上分別位于距接縫32mm和87mm的距離處。(各個(gè)距離由熱電偶?jí)|片的中心和管子之間的接縫的中心之間的距離標(biāo)出，以便各熱電偶的墊片的鄰近邊緣與管子接縫分開(kāi)的距離，對(duì)于前述對(duì)而言分別為10mm、25mm、20mm和75mm)。
第一個(gè)實(shí)驗(yàn)采用三個(gè)焊頭，各焊頭具有兩個(gè)焊炬，僅僅在第三和第四焊圈將空氣引入，并且霧化水被引導(dǎo)到其余的焊圈上。用單個(gè)的焊炬敷設(shè)蓋面焊縫。環(huán)境(空氣)溫度為16℃并且管子已經(jīng)被預(yù)加熱到35℃。管子由制造商British Steel of United Kingdom and KawasakiSteel of Japan提供(即BS/KAW管)，并且所用填充焊絲為由瑞典公司ESAB制造的“Esab 12.66焊絲”。焊接時(shí)間為6分鐘28秒，僅在1分28秒之后引入空氣，并且在2分33秒之后(直到已經(jīng)敷設(shè)了蓋面焊縫之后)引入水。在焊接結(jié)束時(shí)，在蓋面上的被測(cè)量的焊接溫度大約為125℃，并且此后3分鐘之后，溫度略有上升但保持大致相同。峰值溫度a)在管子外側(cè)上從接縫22mm處大約為210℃，b)在管子外部上從接縫起37mm處大約為140℃，c)在管子外部上87mm處大約為110℃，d)在管子內(nèi)部上32mm處為大約120℃，e)在管子內(nèi)部上87mm處大約為100℃。
在由制造商Sumitomo Metal Industries of Japan and KawasakiSteel制造的管子(即SUM/KAW管)上進(jìn)行與上面所述類(lèi)似的第二個(gè)試驗(yàn)，并且同樣采用“Esab 12.66”填充焊絲。在這種情況下，環(huán)境溫度為18℃，管子已經(jīng)加熱到50℃，在焊接后，于1分44秒之后引入空氣，在2分20秒之后引入水，并且在7分55秒之后完成焊接。在焊接結(jié)束時(shí)，在蓋面焊縫上測(cè)量的溫度為140℃。從焊接開(kāi)始起10分鐘之后，蓋面溫度已經(jīng)降至大約100℃。整個(gè)焊接工序中由各種熱電偶測(cè)量的峰值溫度如下a)在外部22mm處230℃，b)在外部37mm處175℃，c)在外部87mm處90℃，d)在內(nèi)部32mm處120℃，e)在內(nèi)部87mm處大約80℃。
還進(jìn)行在不采用根據(jù)本發(fā)明的冷卻系統(tǒng)時(shí)對(duì)溫度進(jìn)行測(cè)量的試驗(yàn)。在這種情況下，焊接蓋面溫度被測(cè)量出在380℃的400之間，10或11分鐘降至大約280℃至290。在焊接過(guò)程中，根據(jù)上述位置上所達(dá)到的峰值溫度平均如下a)在外部22mm處大約為310℃，b)在外部32mm處大約為260℃，c)在外部87mm處大約為150℃，d)在內(nèi)部32mm處大約為250℃，e)在內(nèi)部87mm處大約為130℃。
從上面提到的溫度可以注意到，本發(fā)明的冷卻系統(tǒng)顯著降低了接縫區(qū)域中的溫度。同時(shí)，上述試驗(yàn)包括預(yù)加熱管子的步驟，應(yīng)當(dāng)理解，當(dāng)執(zhí)行本發(fā)明的方法時(shí)不需要這一步驟。
應(yīng)當(dāng)理解，在不脫離本發(fā)明的范圍下，可對(duì)上述本發(fā)明的實(shí)施例可以進(jìn)行各種改型和改進(jìn)。例如，可以設(shè)置多于兩個(gè)的焊頭。優(yōu)選地，設(shè)置三個(gè)焊頭，各焊頭具有兩個(gè)焊炬。如果設(shè)有三個(gè)焊頭，則即使其中一個(gè)受損，也可以同時(shí)采用其它兩個(gè)，并且可以單獨(dú)地實(shí)現(xiàn)焊接速度的顯著增加。
蓋面焊接可以由一個(gè)、兩個(gè)或者可能由多于兩個(gè)的焊炬進(jìn)行沉積。
代替設(shè)置一個(gè)高架轉(zhuǎn)盤(pán)125，一個(gè)在其上安裝有所述設(shè)備的旋轉(zhuǎn)平臺(tái)可以設(shè)置，這可以按照與WO00/38871所述的旋轉(zhuǎn)臺(tái)類(lèi)似的方式提供。轉(zhuǎn)盤(pán)125可以設(shè)置作為一個(gè)高架轉(zhuǎn)盤(pán)，而不提供能夠在管段已經(jīng)存在并且沿垂直方向穿過(guò)時(shí)可以將轉(zhuǎn)盤(pán)退回的結(jié)構(gòu)。
可以設(shè)置適當(dāng)?shù)目刂蒲b置，用以使轉(zhuǎn)盤(pán)125和焊接組件111的旋轉(zhuǎn)同步，并且可以看出，如果需要，在工序中工作的操作者的程度可以非常有限。
除了簡(jiǎn)單地采用水作為冷卻液，也可以在冷卻液中包含添加劑，或者采用不同的冷卻液。例如，可以將酒精作為冷卻液的至少一部分。
可以同時(shí)采用兩個(gè)冷卻環(huán)，一個(gè)在槽的上部一個(gè)在下部。
權(quán)利要求
1.一種在水下布設(shè)管線的方法，其中，將管段焊接在一起以形成管線，該方法包括以下步驟保持管線的一端，提供一個(gè)用于延伸管線的管段，使該管段與所述管線的端部相鄰布置，從而確定一個(gè)需要焊接的環(huán)形接縫，提供多個(gè)焊頭，各焊頭具有至少一個(gè)焊炬，并且圍繞所述環(huán)形接縫布置所述焊頭，通過(guò)同步操作焊頭和沿著所述環(huán)形接縫移動(dòng)所述焊頭，將管段焊接到管線上，其中，管段由碳含量的重量百分比少于0.1％的鋼制成，并且在焊接步驟中，通過(guò)引導(dǎo)冷卻液使其與管子的內(nèi)表面接觸，在環(huán)形接縫的區(qū)域中對(duì)管子進(jìn)行冷卻。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，管段的金屬壁平均厚度大于或等于25mm。
3.如權(quán)利要求1或2所述的方法，其中，管段由具有重量百分比在0.025％和0.075％之間的碳含量的鋼制成。
4.如前述任何一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其中，管段由具有重量百分比在0.04％和0.06％之間的含碳量的鋼制成。
5.如前述任何一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其中，執(zhí)行冷卻管子的步驟，使得在下一次用同一個(gè)焊頭對(duì)同一局部區(qū)域進(jìn)行焊接之前，至少在該局部區(qū)域中的由給定焊頭形成的焊接材料的表面溫度從大于1000攝氏度下降到300攝氏度以下。
6.如前述任何一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其中，在圓形接縫的區(qū)域中執(zhí)行管子的冷卻步驟，使得在整個(gè)焊接步驟中，沿著該圓形接縫總是存在至少一個(gè)溫度低于300攝氏度的區(qū)域。
7.如前述任何一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其中，在圓形接縫的區(qū)域中執(zhí)行管子冷卻的步驟，使得在距離圓形接縫之上32mm距離處，管段的截面平均溫度小于250攝氏度。
8.如前述任何一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其中，測(cè)量至少一個(gè)與焊接相關(guān)的參數(shù)并且隨時(shí)間進(jìn)行電子記錄。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，其中，在管子的一個(gè)給定區(qū)域上測(cè)量管子的溫度，并且隨時(shí)間進(jìn)行電子記錄。
10.如權(quán)利要求8或9所述的方法，其中，在該方法的執(zhí)行過(guò)程中，至少測(cè)量下述多個(gè)參數(shù)冷卻液的壓力、冷卻液的流動(dòng)速率、所供應(yīng)的其它冷卻流體和/或供應(yīng)的任何保護(hù)氣體的壓力和/或流速、焊接電壓、電流、焊炬速度、焊弧振蕩頻率、焊弧振蕩振幅(或?qū)挾?。
11.如前述任何一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其中，在焊接步驟中，環(huán)形接縫中的至少一些焊接材料具有高于1500攝氏度的溫度。
12.如前述任何一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其中，冷卻液包括水。
13.如前述任何一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其中，與管線內(nèi)表面接觸的冷卻液為霧化液體。
14.如權(quán)利要求13所述的方法，其中，冷卻液從多個(gè)噴嘴噴出。
15.如權(quán)利要求14所述的方法，其中，至少有6個(gè)噴嘴。
16.如權(quán)利要求14或15所述的方法，其中，從各噴嘴噴出的液體所成的立體角大于1立體弧度。
17.如權(quán)利要求16所述的方法，其中，立體角大于2立體弧度。
18.如權(quán)利要求14至17任何一項(xiàng)所述的方法，其中，液體噴出的區(qū)域處的各噴嘴的直徑小于2mm。
19.如權(quán)利要求14至18任何一項(xiàng)所述的方法，其中，多個(gè)噴嘴以相互固定的關(guān)系設(shè)置。
20.如權(quán)利要求14至19任何一項(xiàng)所述的方法，其中，多個(gè)噴嘴設(shè)置成一個(gè)噴嘴環(huán)。
21.如權(quán)利要求14至20任何一項(xiàng)所述的方法，其中，該噴嘴設(shè)置在內(nèi)部夾具上，所述內(nèi)部夾具用于幫助以相互基本固定的關(guān)系將管線和管段對(duì)齊。
22.如前述任何一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其中，冷卻液沿著至少一個(gè)導(dǎo)管從一個(gè)源頭流向管線的內(nèi)部，并且導(dǎo)管內(nèi)冷卻液的壓力至少比大氣壓力高0.5巴。
23.如前述任何一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其中，在焊接步驟的過(guò)程中，將冷卻液以大于1升每分鐘的速度引入管線。
24.如前述任何一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其中，僅在根部焊接已經(jīng)完成之后引入冷卻液。
25.如前述任何一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其中，僅在至少已經(jīng)沉積了三層焊接材料之后引入冷卻液。
26.如前述任何一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其中，在引入冷卻液之前和根部焊接完成之后，在環(huán)形接縫的區(qū)域中通過(guò)冷卻氣體的引入對(duì)管子進(jìn)行冷卻。
27.當(dāng)以權(quán)利要求14至21任何一項(xiàng)為基礎(chǔ)時(shí)，如權(quán)利要求26所述的權(quán)利要求，其中，冷卻氣體通過(guò)與冷卻液通過(guò)的噴嘴相同的多個(gè)噴嘴。
28.如前述任何一項(xiàng)權(quán)利要求所述的權(quán)利要求，其中，在焊接步驟完成之后，繼續(xù)將冷卻液引入到管線中。
29.如前述任何一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其中，設(shè)置多于4個(gè)的焊炬。
30.如前述任何一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其中，至少一個(gè)焊頭包括多個(gè)焊炬。
31.如前述任何一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其中，該方法進(jìn)一步包括提供一個(gè)旋轉(zhuǎn)設(shè)備保持件的步驟，該旋轉(zhuǎn)設(shè)備保持件用于繞一個(gè)基本垂直的軸線旋轉(zhuǎn)，并且具有一個(gè)中心開(kāi)口，當(dāng)布設(shè)管線時(shí)管段可以穿過(guò)所述中心開(kāi)口，多個(gè)焊頭繞旋轉(zhuǎn)設(shè)備保持件成角度地間隔開(kāi)，各焊頭與旋轉(zhuǎn)設(shè)備保持件的相應(yīng)的扇形區(qū)相連，并且圍繞管段或管線固定一個(gè)焊頭導(dǎo)向組件，該導(dǎo)向組件包括一個(gè)用于引導(dǎo)各焊頭圍繞管段的運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)軌，當(dāng)相關(guān)的焊頭繞管段旋轉(zhuǎn)時(shí)，旋轉(zhuǎn)設(shè)備保持件的相應(yīng)扇形區(qū)可以繞管段旋轉(zhuǎn)。
32.如權(quán)利要求31所述的方法，其中，該方法包括在焊頭的同時(shí)操作中，使旋轉(zhuǎn)設(shè)備保持件旋轉(zhuǎn)的步驟，以便限制各焊頭相對(duì)于旋轉(zhuǎn)設(shè)備保持件的位置發(fā)生任何變化。
33.一種焊接設(shè)備，用于按照上述方法將管段焊接在一起以形成一個(gè)水下管線，該設(shè)備包括一個(gè)管子保持裝置，該管子保持裝置能夠保持管線的端部并且使管段與所述管線相鄰布置，從而確定要焊接的環(huán)形接縫，多個(gè)焊頭，各個(gè)焊頭具有至少一個(gè)焊炬，用以在環(huán)形接縫的區(qū)域內(nèi)將管子焊接在一起，和冷卻裝置，該冷卻裝置可以在焊接步驟過(guò)程中引導(dǎo)冷卻液與管線的內(nèi)表面接觸，從而在環(huán)形接縫的區(qū)域中對(duì)管子進(jìn)行冷卻。
34.一種包括如權(quán)利要求33所述的管子焊接設(shè)備和多個(gè)管段的管子布設(shè)成套組件，其中，各管段由具有重量百分比小于0.1％的碳含量的鋼制成。
35.一種在水下布設(shè)管線的方法，其中，管段被焊接在一起以形成管線，該方法包括以下步驟保持管線的一端，設(shè)置一個(gè)管段用以延長(zhǎng)所述管線，對(duì)管段進(jìn)行布置，使其與管線的所述端部相鄰，從而確定要焊接的環(huán)形接縫，設(shè)置多個(gè)焊頭，各焊頭具有至少一個(gè)焊炬，并且繞著環(huán)形接縫設(shè)置所述焊頭，通過(guò)同時(shí)操作所述焊頭和沿環(huán)形接縫移動(dòng)所述焊頭，將管段焊接到管線上，其中，該管段由具有重量百分比小于0.1％的碳含量的鋼制成，并且在焊接步驟的過(guò)程中，通過(guò)引導(dǎo)冷卻流體與管線的內(nèi)表面接觸，在環(huán)形接縫的區(qū)域中對(duì)管子進(jìn)行冷卻。
全文摘要
一種用于在水下布設(shè)管線(6)的方法，包括步驟保持管線(6)的一端，設(shè)置用于延長(zhǎng)管線(6)的管段(5)，使管段(5)與所述管線(6)的端部相鄰布置，從而確定出要焊接的環(huán)形接縫(7)，并且將管子(5、6)焊接在一起。多個(gè)焊炬沿著環(huán)形接縫(7)運(yùn)動(dòng)并同時(shí)工作，以便對(duì)管子進(jìn)行焊接。管子(5、6)由TMCP－AC鋼(采用通過(guò)加速冷卻且具有重量百分比在0.1％以下的碳含量的熱機(jī)械控制工藝制成的鋼)制成。在敷設(shè)根部焊縫之后，在環(huán)形接縫(7)的區(qū)域中，安裝在管子(5、6)內(nèi)側(cè)的內(nèi)夾具上的冷卻環(huán)(1)從管子(5、6)內(nèi)表面上的噴嘴中噴出冷卻液、例如霧化水(10)和空氣的流體噴淋，從而對(duì)管子(5、6)進(jìn)行冷卻。
文檔編號(hào)C21D9/50GK1468160SQ01817044
公開(kāi)日2004年1月14日 申請(qǐng)日期2001年10月22日 優(yōu)先權(quán)日2000年10月24日
發(fā)明者安東尼奧·貝洛尼, 雷納托·博納索爾特, 博納索爾特, 安東尼奧 貝洛尼 申請(qǐng)人:塞彭公司