RU2759457C1 - Method for orbital laser welding of oil steel pipes, device and system implementing it - Google Patents
Method for orbital laser welding of oil steel pipes, device and system implementing it Download PDFInfo
- Publication number
- RU2759457C1 RU2759457C1 RU2020143620A RU2020143620A RU2759457C1 RU 2759457 C1 RU2759457 C1 RU 2759457C1 RU 2020143620 A RU2020143620 A RU 2020143620A RU 2020143620 A RU2020143620 A RU 2020143620A RU 2759457 C1 RU2759457 C1 RU 2759457C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- pipe
- laser
- welding
- pipes
- orbital
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
- B23K26/20—Bonding
- B23K26/21—Bonding by welding
- B23K26/24—Seam welding
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
- B23K26/70—Auxiliary operations or equipment
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Plasma & Fusion (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Laser Beam Processing (AREA)
Abstract
Description
Область техникиTechnology area
Изобретение относится к области лазерной сварки, а именно к лазерной сварке нефтяных стальных труб, используемых на буровых платформах при вертикальной или наклонной проходке скважины, в том числе и при ремонте участков трубы без предварительной подготовки кромки трубы после ее обрезания роликовым труборезом.The invention relates to the field of laser welding, namely to laser welding of oil steel pipes used on drilling platforms for vertical or inclined well drilling, including when repairing pipe sections without preliminary preparation of the pipe edge after cutting it with a roller pipe cutter.
Предшествующий уровень техникиPrior art
Лазерная сварка металлов получила заслуженное признание в промышленности благодаря качеству и широкому классу свариваемых материалов. Для сварки труб лазеры также применяются с успехом. Однако есть особенности, которые связаны с условиями проведения сварки. В цехе эта задача решена. А вот при работе в сложных климатических условиях, в северных широтах, при низких температурах и в условиях реальной буровой платформы еще остаются нерешенные проблемы. Прежде всего это эффективность процесса обслуживания, качество и время сварки нефтяных стальных труб. Ввиду низких температур и требуемой энергии часто используют гибридную сварку, сочетая дуговую, газовую с конечной обработкой сварного шва лазером. При этом теряются все достоинства эффективности лазерной сварки, процесс усложняется и оставляет желать лучшего.Laser welding of metals has received well-deserved recognition in the industry due to the quality and wide class of materials to be welded. Lasers are also used successfully for pipe welding. However, there are features that are associated with the welding conditions. In the shop, this problem has been solved. But when working in difficult climatic conditions, in northern latitudes, at low temperatures and in a real drilling platform, there are still unresolved problems. First of all, it is the efficiency of the service process, the quality and welding time of oil steel pipes. Due to the low temperatures and the required energy, hybrid welding is often used, combining arc, gas and laser finishing of the weld. In this case, all the advantages of the efficiency of laser welding are lost, the process becomes more complicated and leaves much to be desired.
Известно изобретение RU №2548842 С1 на модуль лазерно-дуговой для орбитальной сварки неповоротных кольцевых стыков труб, содержащий направляющий пояс, подвижную орбитальную каретку, установленную на направляющем поясе с возможностью перемещения вдоль направляющего пояса. На каретке установлены датчик слежения за стыком, механизм подачи проволоки и манипулятор. На поперечную направляющую установлены лазерная головка, дуговая сварочная горелка, камера видеонаблюдения и контроллер. Недостатком устройства является ограниченная область применения данного способа и устройства, предназначенных для неповоротных труб, из-за массивности и сложности орбитальной каретки для работы с габаритными трубами. Модуль сложно применить для сварки в условиях буровой при сварке вертикальных обсадных труб и, тем более, имеет все присущие недостатки гибридного способа сварки, ввиду недостаточной мощности лазерной установки.Known invention RU No. 2548842 C1 on a laser-arc module for orbital welding of non-rotating annular pipe joints, containing a guide belt, a movable orbital carriage mounted on a guide belt with the ability to move along the guide belt. A joint tracking sensor, a wire feeder and a manipulator are installed on the carriage. A laser head, an arc welding torch, a video surveillance camera and a controller are installed on the transverse guide. The disadvantage of the device is the limited scope of this method and device designed for fixed pipes, due to the massiveness and complexity of the orbital carriage for working with large pipes. The module is difficult to use for welding in a drilling rig when welding vertical casing pipes and, moreover, has all the inherent disadvantages of the hybrid welding method, due to the insufficient power of the laser installation.
Известно изобретение RU №2441738 С2 на орбитальный держатель устройства стыковой сварки труб, содержащий одну сварочную тележку, на которой установлены сварочные головка и горелка. Орбитальный держатель содержит два элемента в виде кольцевых сегментов, окружающих свариваемые трубы и выполненных с возможностью соединения друг с другом в процессе их сварки и размыкания, при этом держатель выполнен с возможностью поступательного перемещения вдоль формируемого трубопровода и с возможностью перемещения и позиционирования сварочного устройства вдоль плоскости стыка между свариваемыми трубами. Недостатком устройства является ограниченная область применения данного способа и устройства, предназначенных для неповоротных труб, из-за массивности сварочной тележки. Модуль сложно применить для сварки в условиях буровой при сварке вертикальных обсадных труб и, тем более, имеет все присущие недостатки гибридного способа сварки, ввиду недостаточной мощности лазерной установки.Known invention RU No. 2441738 C2 on the orbital holder of the butt welding device, containing one welding trolley on which the welding head and torch are installed. The orbital holder contains two elements in the form of annular segments surrounding the pipes to be welded and made with the possibility of connecting to each other during their welding and opening, while the holder is capable of translational movement along the formed pipeline and with the possibility of moving and positioning the welding device along the joint plane between the pipes to be welded. The disadvantage of the device is the limited scope of this method and device designed for fixed pipes, due to the massiveness of the welding carriage. The module is difficult to use for welding in a drilling rig when welding vertical casing pipes and, moreover, has all the inherent disadvantages of the hybrid welding method, due to the insufficient power of the laser installation.
Известно изобретение RU №2147664 С1 на способ бурения скважин, при котором осуществляют последовательное неразъемное присоединение бурильных труб к бурильной колонне по мере ухода бура на глубину и последовательное отсоединение бурильных труб от бурильной колонны при выводе бура на поверхность после бурения, отличающийся тем, что соединение бурильных труб выполняют лазерной сваркой, а отсоединение ведут лазерной резкой за один проход, причем лазерную сварку бурильных труб ведут одновременно с бурением, при этом осуществляют винтовое вращение бурильных труб вокруг собственной оси, а лазерный луч во время сварки опускают по мере опускания бурильной колонны. Недостатки способа: при бурении скважины буровая установка подвергается сильным продольным и поперечным вибрациям, это усложняет слежение лазерным пучком стыка вращаемых труб и приводит к низкому качеству сварного шва и дефектам. Отсутствует возможность дефектоскопии труб в области сварного соединения.Known invention RU No. 2147664 C1 on the method of drilling wells, in which sequential permanent attachment of drill pipes to the drill string is carried out as the drill moves to a depth and sequential disconnection of the drill pipes from the drill string when the drill is brought to the surface after drilling, characterized in that the connection of drill pipes the pipes are laser welded, and the disconnection is carried out by laser cutting in one pass, and the laser welding of the drill pipes is carried out simultaneously with drilling, while the drill pipes are rotated helically around their own axis, and the laser beam is lowered during welding as the drill string is lowered. Disadvantages of the method: when drilling a well, the drilling rig is exposed to strong longitudinal and transverse vibrations, which complicates the tracking of the joint of the rotating pipes by the laser beam and leads to poor quality of the weld and defects. There is no possibility of pipe flaw detection in the area of the welded joint.
Известна группа изобретений RU 2630327 C1, относится к способу соединения и разъединения труб для добычи битуминозной нефти и устройству для лазерной стыковой сварки и резки труб. Способ соединения и разъединения труб для добычи битуминозной нефти включает спуск труб в скважину с соединением лазерной сваркой и подъем труб с разъединением лазерной резкой за один оборот вокруг места соединения. При этом применяют трубы из низкоуглеродистой стали. Трубы оснащены по верхнему краю кольцевыми упорами, позволяющими при взаимодействии с устьевым оборудованием взаимодействовать лазерной сваркой и резкой так, чтобы луч лазера сварки или резки располагался в зоне стыка труб при вращении вокруг свариваемых или разрезаемых труб. При спуске в скважину первую стыкуемую трубу фиксируют устьевым оборудованием от осевого перемещения и поворота, ограничивая вылет из скважины ее кольцевым упором. Вторую трубу стыкуют торец в торец с первой трубой. После этого область стыка охватывают устройством лазерной сварки, ориентируясь на упор первой трубы, с возможностью вращения со скоростью, позволяющей качественно и герметично сварить стыкуемые трубы. При первом вращении устройства лазерной сварки производят контроль расположения стыка. При втором вращении сваривают лазером стык труб, после чего производят обследование качества сварного шва. Трубы спускают и вторую трубу фиксируют благодаря ее кольцевому упору в устьевом оборудовании. Процесс сварки труб повторяют до спуска всех свариваемых труб в скважину. При извлечении из скважины труб первую с края трубу извлекают, а вторую фиксируют устьевым оборудованием от осевого перемещения и поворота, ограничивая вылет из скважины ее кольцевым упором. После этого область стыка охватывают устройством лазерной резки, ориентируясь на упор второй трубы, с возможностью вращения со скоростью, позволяющей качественно разрезать стыкуемые трубы. При вращении устройства лазерной резки разрезают лазером трубы. Первую трубу отправляют на стеллажи для труб, а вторую извлекают из скважины. Фиксируют следующую трубу в устьевом оборудовании. Процесс резки труб повторяют до извлечения необходимого количества труб из скважины. Недостатком этой группы изобретений является сварка специально подготовленных труб с наличием упорных колец на внешней стороне трубы, что резко снижает область применения способа и делает невозможным сварку и резку стандартных обсадных труб без кольцевого упора. Также требуется два медленных обхода трубы, первый - для оцифровки и введения данных в вычислительную программу о границе кромок совмещенных труб для привязки сварочного процесса к периметру кромок по всей его длине, а второй - для самого процесса сварки, что замедляет процесс. Орбитальный механизм движется по всем неровностям трубы и вибрирует из-за приводных контактирующих с трубой роликов, что приводит к случайным скачкам и отрицательно сказывается на качестве сварки. Расположение обхватов вблизи кромок создает при сварке попадание брызг на ролики и засоряет их, а также не обеспечивает достаточного усилия для удержания контакта труб и может привести к их неконтролируемому смещению, возникнет недопустимый косой зазор при сварке и качество не будет достигнуто. Кроме того, для качественной лазерной сварки и резки обычно используют разные специализированные головки, здесь же делают одной и той же, что не может сказаться на качестве кромки после обрезания сварочной лазерной головкой, которую далее предлагают снова применить при повторной сварке, отрезанной таким образом трубы. Более того при такой обрезке предлагают отвести устройства 22 и 23 - это сопло с защитным газом для отсекания продуктов и брызг металла при сварке. Сопла не выдувают и не выжигают расплавленный металл из шва, а только сдувают продукты сварки в сторону для защиты оптики лазерной головки. А без сильной струи воздуха (кислорода), которая имелась бы в режущей лазерной головке, резка пучком лазера сварочной головкой малоэффективна и некачественная. Качество сварного шва предлагают определять дефектоскопом после сварки, но не указывают как, и тем более, при снятом орбитальном механизме, и что надо делать при обнаружении дефекта, как его локализовать в дальнейшем ликвидировать. На сварку и резку вертикальных расположенных нефтяных стальных труб действие изобретения не распространяют, и, со всей очевидностью, эта реализация невозможна ввиду перечисленных выше недостатков.Known group of inventions RU 2630327 C1, relates to a method of connecting and disconnecting pipes for the extraction of bituminous oil and a device for laser butt welding and cutting of pipes. The method of connecting and disconnecting pipes for the extraction of bituminous oil includes lowering the pipes into a well with a laser welded joint and lifting the pipes with laser cutting in one revolution around the joint. In this case, pipes made of low-carbon steel are used. The pipes are equipped with annular stops along the upper edge, allowing, when interacting with wellhead equipment, to interact with laser welding and cutting so that the welding or cutting laser beam is located in the pipe joint zone when rotating around the pipes being welded or cut. When running into the well, the first abutting pipe is fixed by the wellhead equipment against axial movement and rotation, limiting the out-of-the-hole by its annular stop. The second pipe is joined end-to-end with the first pipe. After that, the joint area is covered with a laser welding device, focusing on the stop of the first pipe, with the ability to rotate at a speed that allows high-quality and hermetically welded pipes to be joined. At the first rotation of the laser welding device, the location of the joint is monitored. At the second rotation, the pipe joint is welded with a laser, after which the quality of the welded seam is inspected. The pipes are lowered and the second pipe is fixed due to its annular stop in the wellhead equipment. The pipe welding process is repeated until all pipes to be welded are lowered into the well. When removing pipes from the well, the first pipe is removed from the edge, and the second is fixed by the wellhead equipment from axial movement and rotation, limiting the out-of-the-hole by its annular stop. After that, the joint area is covered with a laser cutting device, focusing on the stop of the second pipe, with the possibility of rotation at a speed that allows high-quality cutting of the abutting pipes. When rotating, the laser cutter cuts the tubes with the laser. The first pipe is sent to the pipe racks and the second is removed from the well. Fix the next pipe in the wellhead equipment. The pipe cutting process is repeated until the required number of pipes are removed from the well. The disadvantage of this group of inventions is the welding of specially prepared pipes with the presence of thrust rings on the outside of the pipe, which sharply reduces the field of application of the method and makes it impossible to weld and cut standard casing pipes without an annular stop. It also requires two slow rounds of the pipe, the first for digitizing and entering data into the computer program about the edge of the aligned pipes to tie the welding process to the perimeter of the edges along its entire length, and the second for the welding process itself, which slows down the process. The orbital mechanism moves over all irregularities in the pipe and vibrates due to the driven rollers in contact with the pipe, which leads to random jumps and negatively affects the quality of the welding. The location of the girths near the edges creates splashes on the rollers during welding and clogs them, and also does not provide sufficient force to maintain the contact of the pipes and can lead to their uncontrolled displacement, an unacceptable oblique gap will occur during welding and the quality will not be achieved. In addition, for high-quality laser welding and cutting, different specialized heads are usually used, but here they do the same, which cannot affect the quality of the edge after cutting with a welding laser head, which is then proposed to be used again when re-welding the pipe cut in this way. Moreover, with such trimming, it is proposed to withdraw
Предлагаемое изобретение лишено указанных выше недостатков, может быть использовано для качественной сварки нефтяных стальных труб, в том числе и обсадных, и насосно-компрессорных в вертикальных или наклонных буровых скважинах.The proposed invention is devoid of the above disadvantages, can be used for high-quality welding of oil steel pipes, including casing, and tubing in vertical or inclined boreholes.
Раскрытие изобретенияDisclosure of invention
В настоящем изобретении предлагаются способ лазерной сварки, а также устройство и систему на его основе для сварки встык нефтяных стальных труб с прямым торцом, в реальных условиях на буровой платформе при вертикальной или наклонной проходке скважины, в том числе и при замене участков труб после их обрезания роликовым труборезом. Техническим результатом является повышение качественных и прочностных характеристик сварного соединения стальных труб, скорости сварки и эффективности сварочного процесса, не требующего специальной предварительной подготовки и оснащения стенок труб профилированными элементами, кольцами, утолщениями, втулками и тому подобное.The present invention provides a laser welding method, as well as a device and a system based on it for butt welding of oil steel pipes with a straight end, in real conditions on a drilling platform with vertical or inclined drilling of a well, including when replacing pipe sections after cutting them roller pipe cutter. The technical result is to increase the quality and strength characteristics of the welded joint of steel pipes, the welding speed and the efficiency of the welding process, which does not require special preliminary preparation and equipping the pipe walls with profiled elements, rings, thickenings, bushings, and the like.
Предлагается способ орбитальной лазерной сварки нефтяных стальных труб, выполняемый за один обход по кромке стыка свариваемых труб при формировании сварного шва, отличающийся тем, что используют стальные трубы с прямой кромкой плоскости торца, а также трубы после обрезания роликом при ремонте участка скважины, а механический контакт свариваемых в торце труб обеспечивают их осевым совмещением, при котором нижнюю трубу фиксируют устьевым обхватом в буровой скважине и оставляют свободный конец для лазерной сварки, а верхнюю трубу подводят к нижней сверху, как свободно подвешенную трубу, но только после предварительной установки и фиксации сварочного аппарата на свободном конце нижней трубы, который монтируют на трубу посредством двухсегментного кольцевого нижнего обхвата, таким образом, чтобы вращающийся бесконтактно с трубой над этим обхватом соосный лазерный односегментный орбитальный модуль сварочного аппарата способен был автоматически совершить, по меньшей мере, полный оборот вокруг нижнего обхвата и находиться от кромки вдоль трубы на оптимальном расстоянии, таком, чтобы радиально подводимый лазерный пучок от расположенного в орбитальном модуле излучателе, в виде радиально подвижной сварочной лазерной головки с автоматически подаваемой в зону плавки присадочной проволокой, был бы частично совмещен на кромке вместе с присадочной проволокой в области перетяжки пучка при сварке; после такой точной предварительной оптической настройке излучателя на кромку нижней трубы, без необходимости его предварительного полного обхода и прицеливания на периметр кромки нижней трубы, и выполняют опускание верхней трубы до контакта с торцом нижней; далее осуществляют обхват и фиксацию конца верхней трубы аналогичным двухсегментным верхним обхватом соосным с нижним и жестко скрепленным с ним стальной силовой (для удержания соосности свариваемых труб) дугообразной конструкцией, причем она расположена снаружи и за пределами орбитального модуля и не ограничивает его вращение и обеспечивает его соосность с захватами; далее выполняют намотку висящей сбоку на корпусе силовой конструкции петли энергетического защитного кабель-канала, в том числе его компонент - электрооптических кабелей, на барабан орбитального модуля в его верхней части, путем автоматического поворота этого модуля на один, по меньшей мере, полный оборот и в таком исходном положении, с намотанным кабель-каналом, начинают осуществлять лазерную сварку в процессе полного автоматического обратного поворота орбитальной части сварочного аппарата, при разматывании кабель-канала с барабана, и по окончании процесса формирования сплошного сварного шва, по меньшей мере за один проход, освобождают трубы от обхватов сварочного аппарата и отводят его в сторону, как исходно подвешенного на тросе лебедки (тельфера).A method is proposed for orbital laser welding of oil steel pipes, performed in one round-trip along the edge of the butt joint of the pipes being welded during the formation of the weld, characterized in that they use steel pipes with a straight edge of the end plane, as well as pipes after being cut by a roller when repairing a section of a well, and mechanical contact of pipes welded at the end of the pipe are provided with their axial alignment, in which the lower pipe is fixed with a wellhead girth in the borehole and a free end is left for laser welding, and the upper pipe is brought to the lower one from above, like a freely suspended pipe, but only after preliminary installation and fixation of the welding machine on the free end of the lower pipe, which is mounted on the pipe by means of a two-segment annular lower girth, so that the coaxial laser single-segment orbital module of the welding machine rotating without contact with the pipe above this girth is able to automatically complete at least a full revolution around lower circumference and be located from the edge along the pipe at an optimal distance, such that the radially supplied laser beam from the emitter located in the orbital module, in the form of a radially movable welding laser head with a filler wire automatically fed into the melting zone, would be partially aligned at the edge together with filler wire in the area of the beam waist during welding; after such a precise preliminary optical adjustment of the emitter to the edge of the lower tube, without the need for its preliminary complete bypass and aiming at the perimeter of the edge of the lower tube, and lowering the upper tube until it contacts the end of the lower tube; then the end of the upper pipe is gripped and fixed with a similar two-segment upper girth coaxial with the lower and rigidly fastened to it with a steel power (to maintain the alignment of the pipes being welded) arcuate structure, and it is located outside and outside the orbital module and does not limit its rotation and ensures its coaxiality with grips; then, a loop of an energy protective cable channel, including its component - electro-optical cables, is wound on the drum of the orbital module in its upper part, hanging on the side of the body of the load-bearing structure, by automatically turning this module by one, at least one full turn and in In this initial position, with the wound cable channel, laser welding begins in the process of full automatic reverse rotation of the orbital part of the welding machine, when the cable channel is unwound from the drum, and at the end of the process of forming a continuous weld, at least in one pass, they release pipes from the girths of the welding machine and take it to the side, as originally suspended on the winch cable (telpher).
Также предлагается устройство на основе данного способа - сварочный аппарат для автоматической лазерной сварки стальных труб, который содержит поворотный односегментный орбитальный модуль в виде сварного полого цилиндра из листовой стали с секторным вырезом по боковой образующей и свободным пространством в центре для размещения и снятия с труб, при возможном совмещении его оси с осями свариваемых труб, ниже основании которого, монтируют двухсегментный кольцевой механический нижний обхват, соосно с которым свободно поворачивают орбитальный модуль, а сам нижний обхват замыкают на трубе торчащей и зафиксированной в устье скважины; для жесткого захвата и фиксации контактирующих свариваемых торцами труб используют аналогичный верхний обхват, жестко и соосно скрепленный с нижним обхватом посредством корпуса стальной сварной силовой (для удержания соосности свариваемых труб) дугообразной несущей конструкции, причем она расположена снаружи и за пределами орбитального модуля, удерживая его на оси и не ограничивая вращение, приводимое в действие поворотным орбитальным приводом, закрепленным на корпусе несущей конструкции; внутри орбитального модуля размещают радиально подвижную сварочную лазерную головку с радиальным приводом, с автоматически подаваемой с катушки присадочной проволокой и соплом перекрестного сжатого воздуха для отсекания от головки продуктов плавления металлов, причем лазерная головка также имеет продольный привод вдоль трубы для точной настройки на кромку нижней трубы по датчику положения после установки сварочного аппарата на нижнюю трубу; в верхней части корпуса орбитального модуля имеется секция в виде барабана для намотки защитного кабель-канала, по магистралям которого поступают: сжатый воздух в сопло, электрическая энергия для питания электроприводов подвижных механизмов и лучевая для лазерной головки, а также сигналы управления и телеметрии с датчика положения для автоматизации процесса сварки по командам центрального процессора в блоке управления и с выносного пульта оператора; сам же кабель-канал подводят дистанционно от модуля лазера, находящегося климатической камере.A device based on this method is also proposed - a welding machine for automatic laser welding of steel pipes, which contains a rotary single-segment orbital module in the form of a welded hollow cylinder made of sheet steel with a sector cut along the lateral generatrix and free space in the center for placement and removal from pipes, when the possible alignment of its axis with the axes of the pipes being welded, below the base of which, a two-segment annular mechanical lower girth is mounted, coaxially with which the orbital module is freely rotated, and the lower girth itself is closed on the pipe protruding and fixed at the wellhead; for rigid gripping and fixing of the contacting welded pipe ends, a similar upper girth is used, rigidly and coaxially fastened to the lower girth by means of a steel welded power body (to maintain the alignment of the welded pipes) of an arcuate supporting structure, and it is located outside and outside the orbital module, holding it on axles and without limiting rotation, driven by a rotary orbital drive fixed to the body of the supporting structure; inside the orbital module, a radially movable welding laser head with a radial drive is placed, with a filler wire automatically supplied from a reel and a cross-compressed air nozzle for cutting off the products of melting metals from the head, and the laser head also has a longitudinal drive along the pipe for fine adjustment to the edge of the lower pipe along position sensor after installing the welding machine on the down pipe; in the upper part of the orbital module housing there is a section in the form of a drum for winding a protective cable channel, through the lines of which: compressed air is supplied to the nozzle, electrical energy to power the electric drives of mobile mechanisms and a beam for the laser head, as well as control and telemetry signals from the position sensor to automate the welding process by commands from the central processor in the control unit and from the remote control panel of the operator; the cable channel itself is fed remotely from the laser module located in the climatic chamber.
Также предлагается на основе данного способа - которая содержит поворотный односегментный орбитальный модуль в виде сварного полого цилиндра из листовой стали с секторным вырезом по боковой образующей и свободным пространством в центре для размещения и снятия с труб, при возможном совмещении его оси с осями свариваемых труб, ниже основании которого, монтируют двухсегментный кольцевой механический нижний обхват, соосно с которым свободно поворачивают орбитальный модуль, а сам нижний обхват замыкают на трубе торчащей и зафиксированной в устье скважины; для жесткого захвата и фиксации контактирующих свариваемых торцами труб используют аналогичный верхний обхват, жестко и соосно скрепленный с нижним обхватом посредством корпуса стальной сварной силовой (для удержания соосности свариваемых труб) дугообразной несущей конструкции, причем она расположена снаружи и за пределами орбитального модуля, удерживая его на оси и не ограничивая вращение, приводимое в действие поворотным орбитальным приводом, закрепленным на корпусе несущей конструкции; внутри орбитального модуля размещают радиально подвижную сварочную лазерную головку с радиальным приводом, с автоматически подаваемой с катушки присадочной проволокой и соплом перекрестного сжатого воздуха для отсекания от головки продуктов плавления металлов, причем лазерная головка также имеет продольный привод вдоль трубы для точной настройки на кромку нижней трубы по датчику положения после установки сварочного аппарата на нижнюю трубу; в верхней части корпуса орбитального модуля имеется секция в виде барабана для намотки защитного кабель-канала, по магистралям которого поступают: сжатый воздух в сопло, электрическая энергия для питания электроприводов подвижных механизмов и лучевая для лазерной головки, а также сигналы управления и телеметрии с датчика положения для автоматизации процесса сварки по командам центрального процессора в блоке управления и с выносного пульта оператора; сам же кабель-канал подводят дистанционно от модуля твердотельного лазера с диодной накачкой и/или от волоконного лазера, находящегося климатической камере.It is also proposed on the basis of this method - which contains a rotary single-segment orbital module in the form of a welded hollow cylinder made of sheet steel with a sector cut along the lateral generatrix and free space in the center for placement and removal from pipes, with possible alignment of its axis with the axes of the pipes being welded, below the base of which, a two-segment annular mechanical lower girth is mounted, coaxially with which the orbital module is freely rotated, and the lower girth itself is closed on the pipe protruding and fixed at the wellhead; for rigid gripping and fixing of the contacting welded pipe ends, a similar upper girth is used, rigidly and coaxially fastened to the lower girth by means of a steel welded power body (to maintain the alignment of the welded pipes) of an arcuate supporting structure, and it is located outside and outside the orbital module, holding it on axles and without limiting rotation, driven by a rotary orbital drive fixed to the body of the supporting structure; inside the orbital module, a radially movable welding laser head with a radial drive is placed, with a filler wire automatically supplied from a reel and a cross-compressed air nozzle for cutting off the products of melting metals from the head, and the laser head also has a longitudinal drive along the pipe for fine adjustment to the edge of the lower pipe along position sensor after installing the welding machine on the down pipe; in the upper part of the orbital module housing there is a section in the form of a drum for winding a protective cable channel, through the lines of which: compressed air is supplied to the nozzle, electrical energy to power the electric drives of mobile mechanisms and a beam for the laser head, as well as control and telemetry signals from the position sensor to automate the welding process by commands from the central processor in the control unit and from the remote control panel of the operator; The cable channel itself is fed remotely from the diode-pumped solid-state laser module and / or from the fiber laser located in the climatic chamber.
Другие преимущества и отличительные особенности предложенного изобретения станут очевидными из нижеследующего описания предпочтительных вариантов его осуществления, приведенных со ссылкой на прилагаемые чертежи, что иллюстрируется ниже на фигурах и в их кратком описании.Other advantages and characteristics of the present invention will become apparent from the following description of the preferred embodiments thereof, given with reference to the accompanying drawings, as illustrated below in the figures and in their brief description.
Краткое описание чертежейBrief Description of Drawings
Фиг. 1 - общий вид сварочного аппарата, закрепленного на вылете нижней трубы и удерживающего соосно верхнюю привариваемую по стыку трубу, с местным графическим разрезом на орбитальном модуле в области сварки.FIG. 1 is a general view of a welding machine attached to the overhang of the lower pipe and holding the upper pipe to be welded along the joint coaxially, with a local graphical section on the orbital module in the welding area.
Фиг. 2 - сварочный орбитальный модуль в радиальном сечении.FIG. 2 - welding orbital module in radial section.
Осуществление изобретенияImplementation of the invention
Для монтажа нефтяных стальных труб на буровой платформе используют оборудование для удержания труб в устье скважины и подачи новых монтируемых труб. Д ля монтажа сваркой свободно подвешенную верхнюю трубу на тросе подводят к стыку удерживаемой нижней трубы, на вылете которой предварительно закрепляют лазерный сварочный аппарат (вид 1, фиг. 1) посредством нижнего обхвата 2 свободного вылета нижней трубы 3. Нижний обхват 2 жестко и соосно скреплен с верхним 4 дугообразным корпусом 5 несущей конструкции, на нем же смонтирован орбитальный модуль 6. Секторный вырез по образующей 7 позволяет устанавливать и снимать орбитальный модуль, и сам сварочный аппарат в месте сварки, таким образом, чтобы кромка нижней трубы была в центральной области орбитального модуля, где установлена лазерная головка с механизмом 8 подачи присадочной проволоки.For the installation of oil steel pipes on the drilling platform, equipment is used to hold the pipes at the wellhead and feed new pipes to be installed. For installation by welding, a freely suspended upper pipe on a cable is brought to the joint of the retained lower pipe, on the exit of which the laser welding machine is preliminarily fixed (view 1, Fig. 1) by means of the
Существенно, что осуществляют оптическую настройку лазерного пучка с выхода лазерной головки на кромку нижней трубы в два этапа: сначала «грубо» в область сварки в пределах ±40 мм от края кромки, при установке и фиксации нижнего обхвата, и затем «точно», путем автоматического смещения лазерной головки вдоль трубы внутри орбитального односегментного модуля по данным датчика положения. Далее верхнюю трубу 9, подвешенную на тросе, подводят соосно к стыку нижней, совмещая кромки торцов и зажимают ее верхним обхватом 4. Точную настройку на кромку, можно проводить как до опускания верхней трубы 9, так и после ее фиксации верхним обхватом 4.It is essential that the optical adjustment of the laser beam from the output of the laser head to the edge of the lower tube is carried out in two stages: first, “roughly” into the welding area within ± 40 mm from the edge of the edge, when installing and fixing the lower girth, and then “exactly”, by automatic displacement of the laser head along the pipe inside the orbital single-segment module according to the position sensor data. Further, the upper pipe 9, suspended on a cable, is brought coaxially to the joint of the lower one, aligning the edges of the ends and clamping it with the
На корпусе 5 монтируют гидравлические приводы обхватов - манипуляторы 10 и 11, нижнего и верхнего обхвата, соответственно, приводимые в движение посредством гидрокомпрессора 12. В верхней части корпуса 5 монтируют лебедку 13 (тельфер), который через трос 14 подвешен к крану буровой платформы и позволяет устанавливать в область сварки и затем снимать сварочный аппарат 1.On the
В исходном положении после фиксации стыка труб обхватами 2 и 4, орбитальный модуль 6 находится в положении, как показано на фиг. 1, со свободным от защитного кабель-канала 15 барабаном 16 для его намотки при повороте в сторону стрелки 17. При этом исходном состоянии барабана, на задней стенке корпуса 5 несущей конструкции 5 кабель-канал образует петлю 18 между роликами 19-21 с подтяжкой механизмом (внутри корпуса 5) натяжения ролика 19 при его движении по направлению 22 (при вращении барабана 16) и при фиксации входной части 23 на корпусе 5. По мере намотки кабель-канала 15 на барабан 16 петля 18 уменьшается и орбитальный модуль, выполнив быстрый, ускоренный поворот не менее, чем на один оборот, приходит в исходное положение - начала сварки без особой потери времени, за несколько секунд.In the initial position, after fixing the pipe joint with
Существенно, что кабель-канал 15 фиксируют подвижно на корпусе несущей конструкции 5 и часть его в виде весящей на корпусе петли 18 для намотки на барабан 16 натягивают на ее задней стенке с регулируемым натяжением, препятствующим обвисанию кабеля при намотке (или при обратном ходе) на барабан 16 орбитального модуля 6.It is essential that the cable duct 15 is fixed movably on the body of the supporting
Существенно, что на корпусе 5 несущей конструкции монтируют гидрокомпрессор 12, механизм натяжения петли 18 кабеля-канала, электропривод орбитального модуля, два гидропривода 10-11 для приведения в действие обхватов труб от гидрокомпрессора, а для более плавного подведения сварочного аппарата 1 к месту сварки на трубе, помимо его предварительного подвеса на тросе крана буровой вышки, устанавливают тельфер 11 на верхнюю часть корпуса 5 несущей конструкции.It is essential that a
На фиг. 2 в исходном положении показано радиальное сечение орбитального модуля 6 в котором находятся:FIG. 2 in the initial position shows a radial section of the
- лазерная сварочная головка 24 с оптическим кабелем 25, установленная на подвижный механизм 26, обеспечивающий ее настройку лазерного пучка 27 на кромку нижней трубы по меньшей мере по двум направлениям - радиальном и продольном и, возможно, в поперечном;-
- механизм 8 автоматической подачи, с приводом 28, присадочной проволоки 29 с катушки 30;-
- сопло 31 перекрестного сжатого воздуха для отсекания от оптики лазерной головки 24 продуктов плавления металлов;-
- датчик положения ультразвуковой или лазерный 32;- ultrasonic or
- дефектоскоп 33 (устанавливают опционно), в виде приемно-передающей ультразвуковой головки.- flaw detector 33 (installed optionally), in the form of a transmitting and receiving ultrasonic head.
В нижней части орбитального модуля находится его орбитальный привод 34.At the bottom of the orbital module is its
Существенно, что лазерная головка 24 помимо радиального и продольного вдоль трубы привода имеет поперечный им привод в подвижном механизме 26 лазерной головки.It is essential that the
Существенно, что осуществляют сварку труб лазерным излучением мощностью 5÷12 кВт на выходе лазерной головки для сварки на воздухе при температуре в диапазоне -50 ÷ +50°C с допуском по зазору контакта по стыку до 500 мкм, причем сварку труб осуществляют лазерным пучком, генерируемым твердотельным, в частности волоконным, или газовым лазером, а качество формируемой части сварного шва контролируют после отвердевания дефектоскопом, в частности ультразвуковым, непосредственно в процессе сварки труб и охлаждения этой части шва до температур в диапазоне 700÷500°С и ниже, а в случае необходимости, при обнаружении дефекта осуществляют повторную проварку дефектной области в следующем цикле вращения орбитального модуля.It is essential that pipes are welded with laser radiation with a power of 5 ÷ 12 kW at the output of a laser head for welding in air at temperatures in the range of -50 ÷ + 50 ° C with a tolerance for the contact gap at the joint of up to 500 μm, and pipes are welded with a laser beam, generated by a solid-state, in particular fiber, or gas laser, and the quality of the formed part of the welded seam is controlled after curing with a flaw detector, in particular an ultrasonic one, directly in the process of welding pipes and cooling this part of the seam to temperatures in the range of 700 ÷ 500 ° C and below, and in If necessary, upon detection of a defect, the re-welding of the defective area is carried out in the next rotation cycle of the orbital module.
Существенно, что осуществляют сварку стальных труб в вертикальных или наклонных скважинах, причем при низких температурах или по необходимости осуществляют предварительный прогрев кромок контактирующих по стыку труб расфокусированным лазерным пучком по мере намотки кабель-канала на барабан.It is essential that steel pipes are welded in vertical or inclined wells, and at low temperatures or, if necessary, the edges of the pipes contacting at the butt are preheated with a defocused laser beam as the cable channel is wound onto the drum.
Существенно, что осуществляют сварку труб в автоматическом режиме по командам программируемого вычислительного устройства и возможным управлением оператора с выносного пульта, а лучевая энергия подводится от модуля лазера, в котором содержится твердотельный лазер с диодной накачкой и/или волоконный лазер.It is essential that pipes are welded in an automatic mode at the commands of a programmable computing device and possible operator control from a remote control, and the beam energy is supplied from a laser module, which contains a diode-pumped solid-state laser and / or a fiber laser.
Испытания лазерной системы осуществлено на вертикальной буровой платформе при сварке обсадных стальных труб диаметром 114 мм непрерывным излучением волоконного 10-киловаттного лазера, на длине волны около 1 мкм, при уровне номинальной мощности 7 кВт. Весь процесс сварки от подведения сварочного аппарата к вылету нижней трубы до снятия со сваренных труб занял 150 секунд. Температура воздуха на буровой была -20°С, предварительный прогрев стыка труб в процессе намотки кабель-канала на барабан не потребовался.Tests of the laser system were carried out on a vertical drilling platform while welding casing steel pipes with a diameter of 114 mm with continuous radiation of a 10-kilowatt fiber laser, at a wavelength of about 1 micron, at a nominal power level of 7 kW. The entire welding process from bringing the welding machine to the overhang of the lower pipe to removing it from the welded pipes took 150 seconds. The air temperature at the rig was -20 ° С, preliminary heating of the pipe joint was not required in the process of winding the cable channel onto the drum.
Claims (9)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2020143620A RU2759457C1 (en) | 2020-12-28 | 2020-12-28 | Method for orbital laser welding of oil steel pipes, device and system implementing it |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2020143620A RU2759457C1 (en) | 2020-12-28 | 2020-12-28 | Method for orbital laser welding of oil steel pipes, device and system implementing it |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2759457C1 true RU2759457C1 (en) | 2021-11-15 |
Family
ID=78607118
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2020143620A RU2759457C1 (en) | 2020-12-28 | 2020-12-28 | Method for orbital laser welding of oil steel pipes, device and system implementing it |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2759457C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116038353A (en) * | 2023-03-28 | 2023-05-02 | 宁波钜智自动化装备有限公司 | Online rotary blanking mechanism of high-speed laser welding pipeline |
Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4001543A (en) * | 1974-04-11 | 1977-01-04 | Saipem S.P.A. | Apparatus for a laser welding of a pipeline, particularly suitable for application on pipe-laying ships |
| GB1465959A (en) * | 1973-04-26 | 1977-03-02 | Mitsui Shipbuilding Eng | Pipe welding apparatus |
| US20020153406A1 (en) * | 1999-11-03 | 2002-10-24 | Vermaat Technics B.V. | Method and device for welding pipes |
| RU2355539C2 (en) * | 2003-12-10 | 2009-05-20 | Фиц Гмбх | Orbital welding device for pipeline construction |
| RU2548842C1 (en) * | 2013-12-05 | 2015-04-20 | Общество с ограниченной ответственностью "Центр лазерных технологий", ООО "ЦЛТ" | Arc-laser module for orbital welding of fixed ring pipe joints |
| RU2630327C1 (en) * | 2016-07-27 | 2017-09-07 | Публичное акционерное общество "Татнефть" имени В.Д. Шашина | Method for connection and disconnection of pipes for bituminous oil extraction and device for laser welding and cutting when implementing method |
| US20180029154A1 (en) * | 2013-05-23 | 2018-02-01 | Crc-Evans Pipeline International, Inc. | Rotating welding system and methods |
-
2020
- 2020-12-28 RU RU2020143620A patent/RU2759457C1/en active
Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB1465959A (en) * | 1973-04-26 | 1977-03-02 | Mitsui Shipbuilding Eng | Pipe welding apparatus |
| US4001543A (en) * | 1974-04-11 | 1977-01-04 | Saipem S.P.A. | Apparatus for a laser welding of a pipeline, particularly suitable for application on pipe-laying ships |
| US20020153406A1 (en) * | 1999-11-03 | 2002-10-24 | Vermaat Technics B.V. | Method and device for welding pipes |
| RU2355539C2 (en) * | 2003-12-10 | 2009-05-20 | Фиц Гмбх | Orbital welding device for pipeline construction |
| US20180029154A1 (en) * | 2013-05-23 | 2018-02-01 | Crc-Evans Pipeline International, Inc. | Rotating welding system and methods |
| RU2548842C1 (en) * | 2013-12-05 | 2015-04-20 | Общество с ограниченной ответственностью "Центр лазерных технологий", ООО "ЦЛТ" | Arc-laser module for orbital welding of fixed ring pipe joints |
| RU2630327C1 (en) * | 2016-07-27 | 2017-09-07 | Публичное акционерное общество "Татнефть" имени В.Д. Шашина | Method for connection and disconnection of pipes for bituminous oil extraction and device for laser welding and cutting when implementing method |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116038353A (en) * | 2023-03-28 | 2023-05-02 | 宁波钜智自动化装备有限公司 | Online rotary blanking mechanism of high-speed laser welding pipeline |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US5796069A (en) | Arc and laser welding process for pipeline | |
| EP1148966B1 (en) | Method and apparatus for welding pipes together | |
| RU2355539C2 (en) | Orbital welding device for pipeline construction | |
| RU2568856C2 (en) | Method (versions), repair appliance and system for pipe joint weld rework and pipe laying vessel | |
| CA2389795C (en) | Method and device for welding pipes | |
| US5593605A (en) | Internal laser welder for pipeline | |
| CN110740834B (en) | Apparatus and method for joining metal tubular members for drilling | |
| RU2759457C1 (en) | Method for orbital laser welding of oil steel pipes, device and system implementing it | |
| WO2013171589A2 (en) | Improvements relating to pipe welding | |
| US9308600B2 (en) | Arc guiding, gripping and sealing device for a magnetically impelled butt welding rig | |
| CN108500532B (en) | Thermal insulation pipe welding device and welding method | |
| RU2630327C1 (en) | Method for connection and disconnection of pipes for bituminous oil extraction and device for laser welding and cutting when implementing method | |
| US6220498B1 (en) | Apparatus and method for welding and inspecting coiled tubing | |
| EP3962694B1 (en) | Device and method for welding cylindrical sections of a casing | |
| US9446470B2 (en) | Enhanced magnetically impelled arc butt wielding (MIAB) technology | |
| KR101469422B1 (en) | Welding System for Pipes and Method Therewith | |
| CN115922161A (en) | Pipeline welding robot capable of adjusting distance automatically | |
| SE529493C2 (en) | Method and apparatus for the automatic welding of two large diameter tubular cylindrical portions of a nuclear reactor component | |
| CA3026081A1 (en) | Pipeline tie-in apparatus and methods | |
| JP4320930B2 (en) | Resin pipe laying method | |
| JP4073474B1 (en) | Foundation pile welding method, foundation pile welding apparatus, and foundation pile holder for foundation pile welding work | |
| CN116810235A (en) | Non-notch steel pipe welding equipment and welding process | |
| PL98304B1 (en) | PIPE WELDING MACHINE |